EP4167891A1 - Medizintechnische vorrichtung, verfahren zum registrieren eines modelldatensatzes, datenverarbeitungsprogramm und programmspeichermedium - Google Patents

Medizintechnische vorrichtung, verfahren zum registrieren eines modelldatensatzes, datenverarbeitungsprogramm und programmspeichermedium

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EP4167891A1
EP4167891A1 EP21733780.7A EP21733780A EP4167891A1 EP 4167891 A1 EP4167891 A1 EP 4167891A1 EP 21733780 A EP21733780 A EP 21733780A EP 4167891 A1 EP4167891 A1 EP 4167891A1
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EP
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bone
data set
model data
data processing
reference element
Prior art date
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Pending
Application number
EP21733780.7A
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English (en)
French (fr)
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Georg Hettich
Tobias Martin
Allan Maas
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Aesculap AG
Original Assignee
Aesculap AG
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Publication date
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    • A61F2/02—Prostheses implantable into the body
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    • A61F2/30—Joints
    • A61F2/38—Joints for elbows or knees

Definitions

  • the present invention relates to a medical device, comprising a navigation device for detecting at least one medical marking device, a data processing device for processing position data of the navigation device, a position of the at least one marking device being able to be determined, and a storage device in which a model data set is included spatial representation of a bone can be stored.
  • the present invention also relates to a method for registering a model data set.
  • the present invention also relates to a data processing program and a program storage medium.
  • An exemplary application of the present invention is, for example, in a surgical procedure in connection with defects in the bone, which can be, for example, the human pelvis (pelvic bones).
  • the use of the device and the method for revision surgery in hip endoprosthetics can be explained below by way of example, although the invention is not limited to this application and is also suitable for use outside of revision surgery.
  • the prerequisites for the presence and / or substance or quality of the bone are particularly poor from the outset.
  • the revision of a hip implant in particular the replacement of an artificial acetabulum, provides The presence of high-grade bone defects remains a major challenge for the surgeon.
  • the diseased side of the pelvic bone can be supported with the healthy side of the pelvic bone during the revision surgery, using, for example, x-rays of the pelvic bone.
  • a navigation device can support the surgeon in orienting and positioning the revision implant.
  • a model data set of the pelvic bone can be created, for example. It is desirable to bring the model dataset into agreement with the real pelvic bone, with the support of the navigation device. However, the precision of the navigation depends heavily on the precision of the referencing of the pelvic bone via the surgical marking device. This can prove to be insufficient.
  • the pelvic entrance plane (APP, Anterior Pelvic Plane), for example, serves as a reference and is used to define a body-specific coordinate system.
  • APP Anterior Pelvic Plane
  • DE 10 2018 116 558 Al describes a medical instrumentation and a medical technology method in which on the basis of an actual State data record of a bone considered to be defective, a planning data record is created for the surgeon.
  • the planning data set can be used intraoperatively to improve the surgical result.
  • US 2018/0116728 A1 describes a device and a method for performing a surgical procedure in which the surgeon is provided with instructions on the surgical technique via a head-mounted display.
  • the object of the present invention is to provide a medical device and a medical method to support the surgeon in the treatment of the bone with a view to a better result, in particular in a revision operation in hip arthroplasty.
  • a medical device comprising a navigation device for detecting at least one medical marking device, a data processing device for processing position data of the navigation device, a position of the at least one marking device being able to be determined, and a memory device in which a model data set can be stored with spatial representation of a bone, in particular the pelvic bone, the model data set comprising characteristic information characterizing reference position information of a reference element arranged on the bone in a defined spatial position, the data processing device being designed and programmed using position data from a first in a defined position spatial position to the bone arranged marking device a reference coordinate system be available, a characteristic information identifying the position of the reference element in the reference coordinate system on the basis of position data obtained by means of a further marking device, to bring the position of the reference element in the reference coordinate system with the reference position information in the model data set in accordance, and, based on the match, to register the model data set in the reference coordinate system, with regard to an overlay of the model data set and the bone.
  • a reference element arranged in a defined spatial position on the bone is contained in a model data set which has the bone in spatial representation.
  • characteristic information characterizing the reference position information can be contained in the model data set.
  • the model data set can to a certain extent comprise or form a basic coordinate system of the bone itself.
  • the bone can be referenced to define the reference coordinate system via a (first) marking device which can be detected by means of the navigation device.
  • Characteristic information about the physical reference element can be obtained by means of a further marking device.
  • the characteristic information can be provided by detecting the further marking device in the reference coordinate system and the position of the reference element can thus be determined in the reference coordinate system.
  • the data processing device can use the two characteristic information to match the position of the reference element in the reference coordinate system with the reference position information in the model dataset, since it is known that the characteristic information obtained on the physical reference element has a correspondence in the model dataset, namely the characteristic contained therein Information.
  • This allows the data processing device to register the model data record in the reference coordinate system if there is a match.
  • the basic coordinate system of the bone from the model data set can be transferred to the reference coordinate system in this way, and information contained in the model data set that affects the spatial representation of the bone is known in this reference coordinate system. In this way the model data set is, so to speak, "attached" to the physical bone and can be tracked via the navigation device and the data processing device.
  • the present invention incorporates the idea that the position of the reference element defined relative to the bone can be used by comparing the characteristic information in the model data set on the one hand and physically using the reference coordinate system on the other hand.
  • the position of the reference element defined relative to the bone can be used by comparing the characteristic information in the model data set on the one hand and physically using the reference coordinate system on the other hand.
  • one is not dependent on a complex and inadequate registration of a model data set on the actual anatomy of the bone, which can prove to be problematic there, especially in the case of bone defects.
  • referencing the bone via additional information obtained as an aid for example the positions of the pelvic entrance plane in the model data set and intraoperatively, can be dispensed with.
  • position can be understood to mean in particular the “position and / or orientation” in the respective coordinate system.
  • An implant on the bone can preferably be used as a reference element.
  • the use of the device has proven to be particularly advantageous in a revision operation in which the implant is repositioned or exchanged for another implant.
  • the registration of the model data set in the reference coordinate system offers in particular the possibility of displaying information contained in the model data set on a display device, in particular a spatial representation of the bone.
  • the marking device in particular offers the possibility of visually attaching this representation in the surgeon's field of vision, which will be discussed below.
  • the navigation device can, for example, be designed optically and comprise a stereo camera or a mono camera and marker elements.
  • passive markers in particular retroreflective markers
  • active markers non-emitting
  • AR markers augmented reality
  • Marker elements can have a spatially unchangeable relationship to one another, for example as a so-called “rigid body", and / or can be freely positioned relative to one another.
  • the device comprises an x-ray device and that the model data set can be created using the x-ray device.
  • a computer tomograph is used to create a CT image of the bone, including a reference element, in order to provide the model data set.
  • the model data set advantageously comprises a three-dimensional representation of the bone.
  • the model data set can advantageously include further information that can be advantageous for performing the intervention.
  • the model data record includes information relating to the removal of an implant.
  • the model data record includes information relating to the implantation of an implant.
  • the model data set includes information relating to an operation sequence.
  • the model data record includes information relating to an operation technique.
  • Information of the type described above can, for example, be output to the surgeon for the output of planning information and intraoperatively for the output of tips to carry out the intervention.
  • Such information can be displayed, for example, on the above-mentioned display device.
  • the reference element can preferably be an implant.
  • the use of an implant anchored in the bone as a reference element for providing the reference position information on the one hand and the position in the reference coordinate system has proven to be reliable and simple.
  • the patient undergoes a revision operation with reorientation or replacement of the implant.
  • the surgeon has to dissect the implant so that the surgeon provides access to the implant as a reference element during the procedure.
  • the implant can, for example, be a hip implant, in particular an artificial hip socket, or a knee implant.
  • the characteristic information of the reference element can be expressed in different ways.
  • the characteristic information characterizing the reference position information is or comprises a characteristic geometric structure of the reference element.
  • a characteristic geometric structure of the reference element For example, if the model data set is created using CT, a characteristic The realistic geometric structure of an implant used as a reference element can be drawn in and used reliably to define the reference position information.
  • the characteristic geometric structure is a surface section of the reference element or comprises such a surface section. If, for example, an artificial acetabulum is used as a reference element, the surface section can be, for example, an edge of the acetabulum that can be seen intraoperatively by the surgeon when the access is open.
  • a surface section as the characteristic geometric structure that the surgeon can reach with little effort in order to determine the position of the reference element in the reference coordinate system.
  • the data processing device is designed and programmed to determine a match between the reference position information and the position of the reference element by comparing the geometric structure with a geometric comparison structure
  • Marking device can be determined.
  • the geometric structure in the model data set can be compared with the comparison structure that can be recorded intraoperatively. This allows the data processing facility to determine the match.
  • a surface section of the reference element and in particular the implant in the model data set can be compared with a surface section which is determined by means of the further marking device.
  • the device expediently comprises a surgical tactile tool on which the further marking device is arranged and with which a surface of the reference element can be felt to determine the position of the reference element. element in the reference coordinate system.
  • the feeler tool has, for example, a feeler tip with which the reference element can be felt (palpation).
  • the marking device can for example be automatically detected by the navigation device.
  • the device comprises an input element, for example a hand or foot switch, after which points referenced by the touch tool are registered on the reference element after its actuation.
  • the feeler tool can be moved along a predefined or predefinable path on a surface of the reference element in order to determine the position of the reference element.
  • an edge of the acetabulum is traversed with the feeler tool. This movement is recorded via the navigation device, and the data processing device can determine the shape of the edge and compare it with the corresponding geometric structure in the model data set.
  • the position of the reference element can be determined on the basis of a plurality of characteristic points on a surface of the reference element which can be felt by means of the feeler tool. For example, it may be possible to palpate several points on the edge of the acetabulum. In this case, there is preferably the possibility of determining a plane defined by the edge using three points and determining the shape of the edge using the distance between the points.
  • the data processing device is preferably designed and programmed to provide the characteristic information on the basis of an analysis of the model data. to determine the rate.
  • CT data from the data processing device can be automatically examined by means of algorithms that can run on it, in order to identify the reference element and to extract the characteristic information. This can in particular be image processing algorithms.
  • the characteristic information in the model data set is at least partially carried out with the intervention of a surgeon.
  • the data processing device is preferably designed and programmed to determine the characteristic information on the basis of a previously known type of reference element.
  • the type of implant can be recognizable or predeterminable.
  • a characteristic geometric structure can be determined in the model data set.
  • the data processing device is designed and programmed to determine the characteristic information on the basis of an individualized reference element, in particular a patient-specific implant.
  • patient-related information relating to the reference element can be present, on the basis of which the characteristic information can be clearly determined.
  • the device comprises at least one display device.
  • the model data set can preferably be displayed, at least in part, on the at least one display device.
  • a spatial and preferably three-dimensional representation of the bone can be shown on the display device.
  • the display device can be stationary, for example.
  • a display device is arranged on a portable data processing device, in particular a tablet computer (in the present case includes a smartphone or the like).
  • a display device can preferably be arranged on a head-mounted device that is worn on the head by a surgeon, a display device. This can be, for example, data glasses that are worn by the surgeon in such a way that the image content with the model data set can be displayed in the surgeon's field of vision.
  • the use of the head-mounted device allows the surgeon, for example, to look at the physical bone and to display the image information of the model data set in the sense of augmented reality (AR).
  • AR augmented reality
  • the data processing device is preferably designed and programmed to determine the position of the display device in the reference coordinate system.
  • the display device can be detected by the navigation device.
  • a marking device can be arranged on the display device.
  • the data processing device can display the model data set superimposed on the bone, preferably by means of augmented reality.
  • the model data set can, so to speak, be "attached" optically to the bone and is therefore preferably in the operator's field of vision when he is looking at the bone.
  • Information relating to the removal of an implant can be displayed on the display device.
  • Information relating to the implantation of an implant can be displayed on the display device.
  • Information relating to an operation sequence can be shown on the display device, for example.
  • Information relating to an operation technique can be shown on the display device, for example.
  • the marking device can be attached to the bone directly invasively, for example with a bone screw, or indirectly non-invasively.
  • a marking can, for example, be attachable to the bone non-invasively by means of a bandage.
  • the present invention also relates to a method.
  • a medical-technical method according to the invention that solves the problem mentioned at the beginning comprises:
  • model data set with a spatial representation of a bone, the model data set comprising characteristic information characterizing reference position information of a reference element arranged on the bone in a defined spatial position;
  • the present invention also relates to a data processing program.
  • a data processing program according to the invention comprises Programmcodemit tel for use in surgery supported by a data processing device, the data processing program, when it runs on the data processing device or is loaded onto the data processing device, causing the data processing device to carry out the method described above.
  • the present invention further relates to a program storage medium, including the data processing program of the type described above.
  • the program storage medium can be non-volatile or volatile.
  • FIG. 1 a perspective schematic representation of a medical device according to the invention for carrying out the method according to the invention, a navigation device and a data processing device as well as a surgeon with display device and a patient undergoing revision surgery being shown;
  • FIG. 2 schematically, a pelvic bone of the patient, of which a model data set is created by means of X-rays;
  • FIG. 3 the physical bone of the patient with the surgical marking device attached and a feeler tool for probing a reference element
  • FIG. 4 the model data set according to FIG. 2, which is shown superimposed on the bone according to FIG. 3 using the marking device.
  • FIG. 1 shows, in a perspective illustration, an advantageous embodiment of a medical device according to the invention, which is generally given the reference numeral 10.
  • the device 10 comprises a data processing device 12, for example designed as a computer with a microprocessor and volatile or non-volatile memory.
  • a data processing program according to the invention can run on the data processing device 12 and can be provided, for example, with a program storage medium according to the invention.
  • the device 10 also has a memory device 14 integrated in the data processing device 12 in the present case.
  • the device 10 further includes a navigation device 16.
  • the navigation device 16 is optically designed and includes a camera, in particular a stereo camera 18.
  • the Stereo camera 18 can detect radiation, in particular infrared radiation, which is emitted by a marking device 20 of device 10.
  • the marking device 20 and another marking device 22 of the device 10 are designed to be passive. Radiation emitted by the stereo camera 18 is reflected by the marking devices 20, 22 and received again in the stereo camera 18. Alternatively or in addition, the use of active marking devices 20, 22 is possible, which in turn emit radiation.
  • the marking devices 20, 22 are designed as rigid bodies known per se (also referred to as “navigation stars”), which have marker elements in a defined spatial arrangement with respect to one another.
  • the navigation device 16 forms an optical measuring system which can determine position data of the marking devices 20, 22. This makes it possible to track the marking devices 20, 22 in order to determine their position and their orientation as a function of time. Position data of the navigation device 16 can be provided to the data processing device 12 for an analysis in this regard.
  • optical navigation device 16 As an alternative or in addition to the optical navigation device 16 described here, a different type of navigation device can be provided.
  • the data processing device 12 can be part of the navigation device 16, or vice versa.
  • the device 10 is used to support the operator 24 during a revision operation. In the present example, it is about the removal of an implant implanted in a bone 26 plantates 28.
  • the bone 26 is the pelvic bone 30 and the implant 28 is an artificial hip socket 32 which was implanted in the patient 34 in a previous procedure.
  • the acetabulum 32 is inserted into the acetabulum 36 and has a shell-shaped portion 38 which engages in the acetabulum 36, and an edge 40.
  • the edge 40 is net on a surface 42 of the acetabulum 32 angeord.
  • the device 10 can comprise at least one display device. Before lying a stationary display device 44 is provided in the form of a monitor known per se. In addition, the device 10 comprises a display device 46.
  • the display device 46 is arranged on a head-mounted device 48, designed as data glasses 50.
  • the data glasses 50 can be worn by the operator 24 like conventional glasses. Contents can be displayed in the field of view 52 of the operator 24 via the display device 46, these contents being retained when the head of the operator 24 moves.
  • the display devices 44, 46 can be controlled by the data processing device 12 to display the image content.
  • the head-mounted device 48 is preferably provided with a marking device (not shown). This allows the device 48 to be detected by means of the navigation device 16. Movement of the device 48 in space can be tracked. This also gives the possibility of determining the position and orientation of the field of view 52 in space.
  • the marking device 20 forms a reference coordinate system.
  • the position of the marking device 22 (position and orientation) can be determined in the reference coordinate system.
  • the position of the device 48 in the reference coordinate system can be determined.
  • the device 10 comprises a surgical tactile tool 54.
  • the surgeon 24 can feel characteristic points with the tactile tool 54 (palpation).
  • the feeler tool 54 comprises a grip element 56 and a feeler tip 58 arranged thereon.
  • the marking device 22 is firmly attached to the feeler tool 54.
  • the data processing device 12 can determine which points in the reference coordinate system are scanned.
  • the device 10 further comprises an X-ray device 60 shown schematically in FIG. 1.
  • the X-ray device 60 is in particular a CT device for creating CT images of the bone 26.
  • the device 10 can be used in the revision operation for the acetabulum 32 as follows, for example, as part of an advantageousskysbei game of the method according to the invention:
  • a model data set 64 can be created preoperatively from the pelvic bone 30 to support the navigated intervention.
  • a model data set 64 can be created by means of the X-ray device 60, the radiation 62 of which is shown schematically in FIG. 2.
  • the model data set 64 includes a spatial representation of the pelvic bone 30. In the present case, this is in particular a three-dimensional representation.
  • the hip socket 32 is clearly evident in the model data set 64. Since the position of the acetabulum 32 on the pelvic bone 30 is exactly defined, the acetabulum 32 can be used as a reference element 66 for the registration of the model data set 64 in the reference coordinate system explained below.
  • the acetabulum 32 defines characteristic information that is characteristic of the reference position information of the acetabulum 32 on the pelvic bone 30.
  • a characteristic structure 68 is used as characteristic information as characteristic information.
  • the edge 40 of the acetabulum 32 can be used in the present example.
  • this is not limitative of the present invention.
  • model data set 64 there is thus the possibility of inferring the position of the acetabulum 32 as a reference element 66 in the pelvic bone 30 via the characteristic structure 68.
  • implant 28 further information that is known about the implant 28 can be taken into account, for example the type of implant or the fact that it is a patient-specific implant 28 with a known structure.
  • FIG. 2 shows schematically the pelvic bone 30 exposed to the radiation 62 and an exemplary representation of the model data set 64 in which the characteristic structure 68 is emphasized.
  • the model data set 64 can be stored in the storage device 14.
  • further information may be contained in the model data set 64, for example, regarding a removal of the implant 28, regarding an implantation of an implant, e.g. B. Repositioning of the implant 28 or use of a new implant, relating to an operation procedure and / or regarding an operation technique.
  • the surgeon 24 can attach the marking device 20 to define the reference coordinate system on the pelvic bone 30. This creates an inpatient reference.
  • opening the access and exposed acetabular socket 32 can in particular whose edge 40 is recognized by the surgeon 24 in a simple manner and it is enough.
  • the acetabulum 32 in particular its edge 40, has a defined spatial position on the actual pelvic bone 30. This gives the possibility of comparing the edge 40 for correspondence with the characteristic structure 68.
  • surgeon 24 can move the edge 40 by means of the Tasttechnik tool 54 (palpate). This movement can be recorded by the navigation device 16 and evaluated by the data processing device 12, the position data being determined in the reference coordinate system (FIG. 3).
  • the edge 40 forms a characteristic comparison structure and accordingly characteristic information which is characteristic of the position of the implant 28 as a reference element 66 in the reference coordinate system.
  • the position of the implant 28 in the reference coordinate system can be brought into agreement with the reference position information in the model data record 64.
  • the characteristic structure 68 can be compared with the characteristic comparison structure 70 and checked for correspondence.
  • the data processing device 12 can assign the position of the characteristic comparison structure 70 in the reference coordinate system to the position of the characteristic structure 68 in the model data record 64.
  • the model data set 64 is thereby to a certain extent attached to the physical pelvic bone 30.
  • the model data record 64 can be tracked.
  • the model data record 64 can be displayed on the display devices 44, 46.
  • a representation on the display device 46 is advantageous, for example.
  • the display content of the display device 46 can be faded in so that the representation of the pelvic bone 30 is shown in the correct position by means of augmented reality (AR). Since the pelvic bone 30 itself is only partially visible due to the restricted access, it cannot be seen by the surgeon 24 as a whole. However, by attaching the model data set 64, the system offers the possibility of, for example, making the complete three-dimensional representation of the pelvic bone 30 at the correct position in the field of view 52 visible.
  • AR augmented reality
  • the device 10 according to the invention and the method according to the invention make it possible to create the geometrically defined structures of the implant 28 to use.
  • the surgeon 24 can use the tactile tool 64 to palpate characteristic points such as the iliac spine (anterior superior iliac spine).
  • any information for instructing the surgeon 24 can be displayed on the display device 46.
  • information on removing the implant 28, inserting a new implant or repositioning the implant 28, information relating to the surgical procedure and / or the surgical technique is conceivable here.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine medizintechnische Vorrichtung und ein medizintechnisches Verfahren, bei dem eine Referenzpositionsinformation eines an einem Knochen (26) angeordneten Referenzelementes (66) auf Übereinstimmung mit einer Position des Referenzelementes (66) in einem Referenzkoordinatensystem geprüft wird, welches mittels einer Markiereinrichtung (22) definiert und von einer Navigationseinrichtung (16) überwacht werden kann. Auf diese Weise kann eine Registrierung des Modelldatensatzes (64) im Referenzkoordinatensystem erfolgen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Datenverarbeitungsprogramm und ein Programmspeichermedium.

Description

MEDIZINTECHNISCHE VORRICHTUNG, VERFAHREN ZUM REGISTRIEREN EINES MODELLDATENSATZES, DATENVERARBEITUNGSPROGRAMM UND PROGRAMMSPEICHERMEDIUM
Die vorliegende Erfindung betrifft eine medizintechnische Vorrichtung, umfas send eine Navigationseinrichtung zum Erfassen mindestens einer medizintech nischen Markiereinrichtung, eine Datenverarbeitungseinrichtung zum Verarbei ten von Positionsdaten der Navigationseinrichtung, wobei eine Position der mindestens einen Markiereinrichtung ermittelbar ist, und eine Speichereinrich tung, in der ein Modelldatensatz mit räumlicher Repräsentation eines Kno chens speicherbar ist.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Registrie ren eines Modelldatensatzes.
Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Datenverarbeitungsprogramm und ein Programmspeichermedium.
Eine beispielhafte Anwendungsmöglichkeit der vorliegenden Erfindung besteht zum Beispiel bei einem chirurgischen Eingriff im Zusammenhang mit Defekten des Knochens, bei dem es sich zum Beispiel um das menschliche Becken han deln kann (Beckenknochen). Dementsprechend kann nachfolgend beispielhaft die Anwendung der Vorrichtung und des Verfahrens bei Revisionseingriffen in der Hüftendoprothetik erläutert werden, wobei die Erfindung jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt ist und sich auch für eine Anwendung außerhalb von Revisionseingriffen eignet. Bei letzteren bestehen insbesondere von vorn herein schlechte Voraussetzungen an Vorhandensein und/oder Substanz oder Beschaffenheit des Knochens. Im herkömmlichen Fall stellt die Revision eines Hüftimplantates, insbesondere der Ersatz einer künstlichen Hüftpfanne, bei Vorliegen von höhergradigen Knochendefekten für den Operateur nach wie vor eine große Herausforderung dar. Beispielsweise mangelt es bei fehlender oder schadhafter Knochensubstanz im Bereich des Acetabulums intraoperativ an ei ner Orientierungshilfe für den Operateur, das Revisionsimplantat zu positionie ren. Zwar kann der Operateur mit Hilfe von Vergleichen der krankhaften Seite des Beckenknochens mit der gesunden Seite des Beckenknochens bei dem Re visionseingriff unterstützt werden, wobei zum Beispiel Röntgenaufnahmen des Beckenknochens herangezogen werden. Jedoch tritt in der Praxis der Fall auf, dass es selbst erfahrenen Operateuren aufgrund fehlender anatomischer Land marken des Beckenknochens an der erforderlichen Orientierung fehlt und dadurch das Implantationsergebnis beeinträchtigt wird. Umfassende Erfahrung des Operateurs bei Revisionsoperationen ist in jedem Fall hilfreich und von Vorteil. Eine Navigationseinrichtung kann den Operateur bei der Orientierung und der Positionierung des Revisionsimplantates unterstützen.
Zur Planung des Eingriffs, insbesondere eines Revisionseingriffs, kann bei spielsweise ein Modelldatensatz des Beckenknochens erstellt werden. Wün schenswert ist es, den Modelldatensatz in Übereinstimmung mit dem realen Beckenknochen zu bringen, mit Unterstützung der Navigationseinrichtung. Al lerdings hängt die Präzision der Navigation stark von der Präzision der Refe- renzierung des Beckenknochens über die chirurgische Markiereinrichtung ab. Dies kann sich als unzureichend erweisen.
Zur Anpassung von Modelldatensätzen an den realen Beckenknochen ist es be kannt, charakteristische Landmarken des Beckenknochens präoperativ und int raoperativ aufzunehmen. Als Referenz dient beispielsweise die Beckenein gangsebene (APP, Anterior Pelvic Plane), über die ein gewissermaßen körper eigenes Koordinatensystem definiert wird. Jedoch erfordert dies zusätzlichen Aufwand bei der Datenaufnahme und -Verarbeitung.
Die DE 10 2018 116 558 Al beschreibt ein medizintechnisches Instrumenta rium und ein medizintechnisches Verfahren, bei dem auf der Basis eines Ist- Zustand-Datensatzes eines als schadhaft angesehenen Knochens ein Pla nungsdatensatz für den Operateur erstellt wird. Der Planungsdatensatz kann intraoperativ zur Verbesserung des Operationsergebnisses genutzt werden.
Die US 2018/0116728 Al beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ausführen eines chirurgischen Eingriffs, bei dem dem Operateur über ein Head-mounted-Display Anweisungen zur Operationstechnik bereitgestellt wer den.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine medizintechnische Vorrichtung und ein medizintechnisches Verfahren bereitzustellen, um den Operateur bei der Behandlung des Knochens im Hinblick auf ein besseres Ergebnis, insbeson dere bei einer Revisionsoperation in der Hüftendoprothetik, zu unterstützen.
Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße medizintechnische Vorrich tung gelöst, umfassend eine Navigationseinrichtung zum Erfassen mindestens einer medizintechni schen Markiereinrichtung, eine Datenverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten von Positionsdaten der Navigationseinrichtung, wobei eine Position der mindestens einen Markierein richtung ermittelbar ist, und eine Speichereinrichtung, in der ein Modelldatensatz mit räumlicher Re präsentation eines Knochens speicherbar ist, insbesondere des Beckenkno chens, wobei der Modelldatensatz eine charakteristische Information kenn zeichnend eine Referenzpositionsinformation eines am Knochen in definierter räumlicher Position angeordneten Referenzelementes umfasst, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet und programmiert ist, anhand von Positionsdaten einer ersten in definierter räumlicher Position zum Knochen angeordneten Markiereinrichtung ein Referenzkoordinatensystem be reitzustellen, eine charakteristische Information kennzeichnend die Position des Referenz elementes im Refe re nzkoordinaten System zu ermitteln, anhand von mittels ei ner weiteren Markiereinrichtung gewonnenen Positionsdaten, die Position des Referenzelementes im Referenzkoordinatensystem mit der Re ferenzpositionsinformation im Modelldatensatz in Übereinstimmung zu brin gen, und, basierend auf der Übereinstimmung, den Modelldatensatz im Referenzko ordinatensystem zu registrieren, im Hinblick auf eine Überlagerung des Modell datensatzes und des Knochens.
Bei der vorliegenden Erfindung ist ein in definierter räumlicher Position am Knochen angeordnetes Referenzelement in einem den Knochen in räumlicher Repräsentation aufweisenden Modelldatensatz enthalten. Hierzu kann eine die Referenzpositionsinformation kennzeichnende charakteristische Information im Modelldatensatz enthalten sein. Der Modelldatensatz kann gewissermaßen ein Grundkoordinatensystem des Knochens selbst umfassen oder ausbilden. Bei spielsweise intraoperativ kann der Knochen über eine (erste) Markiereinrich tung, die mittels der Navigationseinrichtung erfassbar ist, zur Definition des Referenzkoordinatensystems referenziert werden. Mittels einer weiteren Mar kiereinrichtung kann eine charakteristische Information des physischen Refe renzelementes gewonnen werden. Die charakteristische Information kann durch Erfassen der weiteren Markiereinrichtung im Refe re nzkoordinaten System bereitgestellt und damit kennzeichnend die Position des Referenzelementes im Refe re nzkoordinaten System bestimmt werden. Darauf basierend kann die Da tenverarbeitungseinrichtung anhand der beiden charakteristischen Informatio nen die Position des Referenzelementes im Referenzkoordinatensystem mit der Referenzpositionsinformation im Modelldatensatz in Übereinstimmung bringen, da bekannt ist, dass die am physischen Referenzelement gewonnene charakteristische Information eine Entsprechung im Modelldatensatz aufweist, nämlich die darin enthaltene charakteristische Information. Dies erlaubt es der Datenverarbeitungseinrichtung, bei bestehender Übereinstimmung den Modell datensatz im Refe re nzkoordinaten System zu registrieren. Das Grundkoordina tensystem des Knochens aus dem Modelldatensatz kann auf diese Weise in das Referenzkoordinatensystem überführt werden, und im Modelldatensatz enthaltene Informationen, die die räumliche Repräsentation des Knochens be treffen, sind in diesem Referenzkoordinatensystem bekannt. Auf diese Weise ist der Modelldatensatz gewissermaßen am physischen Knochen "angeheftet" und kann über die Navigationseinrichtung und die Datenverarbeitungseinrich tung getrackt werden.
In die vorliegende Erfindung fließt der Gedanke mit ein, dass die relativ zum Knochen definierte Position des Referenzelementes ausgenutzt werden kann, indem ein Vergleich der charakteristischen Informationen im Modelldatensatz einerseits und physisch über das Refe re nzkoordinaten System andererseits mit einander verglichen werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Vorrichtungen ist man nicht auf eine komplexe und unzureichende Registrierung eines Mo delldatensatzes an der tatsächlichen Anatomie des Knochens angewiesen, was sich dort insbesondere bei Knochendefekten als problematisch erweisen kann. Des Weiteren kann eine Referenzierung des Knochens über hilfsweise gewon nene Zusatzinformationen, zum Beispiel die Lagen der Beckeneingangsebene im Modelldatensatz und intraoperativ, entfallen.
Unter "Position" kann im vorliegenden Fall insbesondere die "Lage und/oder Orientierung" im jeweiligen Koordinatensystem verstanden werden.
Als Referenzelement kann vorzugsweise ein Implantat am Knochen zum Ein satz kommen. Die Anwendung der Vorrichtung erweist sich insbesondere in ei ner Revisionsoperation als vorteilhaft, bei der das Implantat neu positioniert oder gegen ein anderes Implantat getauscht wird.
Die Registrierung des Modelldatensatzes im Refe re nzkoordinaten System bietet insbesondere die Möglichkeit, im Modelldatensatz enthaltene Informationen an einer Anzeigeeinrichtung darzustellen, insbesondere eine räumliche Repräsen tation des Knochens. Über die Markiereinrichtung besteht insbesondere die Möglichkeit, diese Darstellung visuell im Sichtfeld eines Operateurs anzuhef ten, worauf nachfolgend noch eingegangen wird.
Die Navigationseinrichtung kann zum Beispiel optisch ausgestaltet sein und eine Stereokamera oder eine Monokamera und Markerelemente umfassen. Hierbei können beispielsweise passive Marker (insbesondere retroreflektie rende Marker), aktive Marker (nicht emittierend) und/oder AR-Marker (aug- mented reality) zum Einsatz kommen. Markerelemente können räumlich in un veränderlicher Beziehung zueinander stehen, zum Beispiel als sogenannter "Rigid Body", und/oder relativ zueinander frei positionierbar sein.
Vorgesehen sein kann, dass die Vorrichtung eine Röntgeneinrichtung umfasst und dass der Modelldatensatz unter Nutzung der Röntgeneinrichtung erstellbar ist. Beispielsweise kommt ein Computertomograph zur Erstellung einer CT- Aufnahme des Knochens einschließlich Referenzelement zum Einsatz, um den Modelldatensatz bereitzustellen.
Günstigerweise umfasst der Modelldatensatz eine dreidimensionale Repräsen tation des Knochens.
Über die räumliche Repräsentation des Knochens hinaus kann der Modellda tensatz vorteilhafterweise weitere Informationen umfassen, die vorteilhaft für die Durchführung des Eingriffs sein können.
Beispielsweise umfasst der Modelldatensatz Informationen betreffend eine Ent fernung eines Implantates.
Beispielsweise umfasst der Modelldatensatz Informationen betreffend eine Im plantation eines Implantates.
Beispielsweise umfasst der Modelldatensatz Informationen betreffend einen Operationsablauf.
Beispielsweise umfasst der Modelldatensatz Informationen betreffend eine Operationstechnik. Informationen der vorstehend beschriebenen Art können beispielsweise zur Ausgabe von Planungsinformationen und intraoperativ zur Ausgabe von Hin weisen an den Operateur zur Durchführung des Eingriffs ausgegeben werden. Derartige Informationen können zum Beispiel an der vorstehend genannten Anzeigeeinrichtung dargestellt werden.
Wie bereits erwähnt kann das Referenzelement vorzugsweise ein Implantat sein. Die Nutzung eines im Knochen verankerten Implantates als Referenzele ment zum Bereitstellen der Referenzpositionsinformation einerseits und der Position im Referenzkoordinatensystem erweist sich als zuverlässig und ein fach. Beispielsweise unterzieht sich der Patient einer Revisionsoperation unter Neuorientierung oder Austausch des Implantates. In diesem Fall ist vom Ope rateur das Implantat freizupräparieren, so dass der Operateur während des Eingriffs einen Zugang zum Implantat als Referenzelement bereitstellt. Auf diese Weise besteht eine einfache Möglichkeit für den Operateur, die charakte ristische Information intraoperativ am Implantat zu gewinnen. Durch die feste räumliche Anordnung des Implantates im Modelldatensatz einerseits und phy sisch am Knochen andererseits besteht eine jeweilige exakte Referenz, die eine Registrierung des Modelldatensatzes und des Grundkoordinatensystems im Refe re nzkoordinaten System auf sehr zuverlässige Weise ermöglicht.
Das Implantat kann beispielsweise ein Hüftimplantat sein, insbesondere eine künstliche Hüftpfanne, oder ein Knieimplantat.
Die charakteristische Information des Referenzelementes kann unterschiedlich ausgeprägt sein.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist oder umfasst die die Referenzpositionsinformation kennzeichnende charakteristische Information eine charakteristische geometrische Struktur des Referenzelementes. Wird beispielsweise der Modelldatensatz mittels CT erstellt, kann sich eine charakte- ristische geometrische Struktur eines als Referenzelement verwendeten Im- plantates darin abzeichnen und zuverlässig zur Definition der Referenzpositi onsinformation genutzt werden.
Beispielsweise ist die charakteristische geometrische Struktur ein Oberflächen abschnitt des Referenzelementes oder umfasst einen derartigen Oberflächen abschnitt. Kommt als Referenzelement zum Beispiel eine künstliche Hüft- pfanne zum Einsatz, kann es sich bei dem Oberflächenabschnitt zum Beispiel um einen Rand der Hüftpfanne handeln, der intraoperativ bei geöffnetem Zu gang vom Operateur zu erkennen ist.
Dementsprechend ist es von Vorteil, als charakteristische geometrische Struk tur einen Oberflächenabschnitt zu nutzen, der mit nur geringem Aufwand vom Operateur erreicht werden kann, um die Position des Referenzelementes im Refe re nzkoordinaten System zu ermitteln.
Vorteilhaft kann es insbesondere sein, wenn die Datenverarbeitungseinrich tung ausgebildet und programmiert ist, eine Übereinstimmung der Referenz positionsinformation mit der Position des Referenzelementes durch Vergleich der geometrischen Struktur mit einer geometrischen Vergleichsstruktur festzu stellen, welche Vergleichsstruktur anhand von Positionsdaten bestimmbar ist, die unter Nutzung der weiteren Markiereinrichtung ermittelbar sind. Hierbei kann die geometrische Struktur im Modelldatensatz mit der intraoperativ er fassbaren Vergleichsstruktur verglichen werden. Dies erlaubt es der Datenver arbeitungseinrichtung, die Übereinstimmung festzustellen. Insbesondere kann ein Oberflächenabschnitt des Referenzelementes und insbesondere Implanta- tes im Modelldatensatz mit einem Oberflächenabschnitt verglichen werden, der mittels der weiteren Markiereinrichtung ermittelt wird.
Günstigerweise umfasst die Vorrichtung ein chirurgisches Tastwerkzeug, an der die weitere Markiereinrichtung angeordnet ist und mit dem eine Oberfläche des Referenzelementes ertastbar ist, zum Ermitteln der Position des Referenz- elementes im Referenzkoordinatensystem. Das Tastwerkzeug weist zum Bei spiel eine Tastspitze auf, mit der das Referenzelement ertastet werden kann (Palpation). Die Markiereinrichtung kann von der Navigationseinrichtung bei spielsweise automatisch erfasst werden. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Vorrichtung ein Eingabeelement, beispielsweise einen Hand- oder Fuß schalter umfasst, nach dessen Betätigung von dem Tastwerkzeug referenzierte Punkte am Referenzelement registriert werden.
Vorgesehen sein kann beispielsweise, dass das Tastwerkzeug entlang eines vorgegebenen oder vorgebbaren Pfades an einer Oberfläche des Referenzele mentes bewegbar ist, um die Position des Referenzelementes zu ermitteln. Im Fall einer künstlichen Hüftpfanne wird zum Beispiel mit dem Tastwerkzeug ein Rand der Hüftpfanne abgefahren. Diese Bewegung wird über die Navigations einrichtung erfasst, und die Datenverarbeitungseinrichtung kann die Form des Randes bestimmen und mit der korrespondierenden geometrischen Struktur im Modelldatensatz vergleichen.
Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Position des Refe renzelementes anhand einer Mehrzahl charakteristischer Punkte an einer Oberfläche des Referenzelementes ermittelbar ist, die mittels des Tastwerk zeuges ertastbar sind. Beispielsweise kann die Möglichkeit bestehen, mehrere Punkte am Rand der Hüftpfanne zu palpieren. Hierbei besteht vorzugsweise die Möglichkeit, bereits anhand von drei Punkten eine vom Rand definierte Ebene und über den Abstand der Punkte voneinander die Form des Randes zu ermitteln.
Vorgesehen sein kann, dass dem Operateur Hinweise zum Führen des Tast werkzeuges bereitgestellt werden, zum Beispiel an einer Anzeigeeinrichtung der Vorrichtung.
Vorzugsweise ist die Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet und program miert, die charakteristische Information anhand einer Analyse des Modellda- tensatzes zu ermitteln. Beispielsweise können CT-Daten von der Datenverar beitungseinrichtung mittels auf dieser lauffähigen Algorithmen selbsttätig un tersucht werden, um das Referenzelement zu erkennen und die charakteristi sche Information zu extrahieren. Hierbei kann es sich insbesondere um Bild verarbeitungsalgorithmen handeln.
Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass die charakteristische Information im Modelldatensatz zumindest teilweise unter Eingriff durch einen Operateur erfolgt.
Die Datenverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise ausgebildet und program miert, die charakteristische Information anhand eines vorbekannten Typs des Referenzelementes zu ermitteln. Beispielsweise kann der Typ des Implantates erkennbar oder vorgebbar sein. Anhand des Typs kann beispielsweise eine charakteristische geometrische Struktur im Modelldatensatz bestimmt werden.
Günstig ist es, wenn die Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet und pro grammiert ist, die charakteristische Information anhand eines individualisier ten Referenzelementes zu ermitteln, insbesondere eines patientenindividuellen Implantates. Beispielsweise können patientenbezogene Informationen betref fend das Referenzelement vorhanden sein, auf Basis derer die charakteristi sche Information eindeutig ermittelt werden kann.
Wie bereits erwähnt ist es günstig, wenn die Vorrichtung mindestens eine An zeigeeinrichtung umfasst. Vorzugsweise ist der Modelldatensatz, zumindest teilweise, an der mindestens einen Anzeigeeinrichtung darstellbar. Dabei kann insbesondere eine räumliche und vorzugsweise dreidimensionale Repräsenta tion des Knochens an der Anzeigeeinrichtung dargestellt werden.
Die Anzeigeeinrichtung kann beispielsweise stationär sein. Alternativ oder er gänzend kann vorgesehen sein, dass an einer tragbaren Datenverarbeitungs einrichtung, insbesondere einem Tablet-Computer (schließt vorliegend ein Smartphone o. ä. mit ein) eine Anzeigeeinrichtung angeordnet ist. Vorzugsweise kann eine Anzeigeeinrichtung an einer Head-mounted-Einrich- tung, die von einem Operateur am Kopf getragen wird, eine Anzeigeeinrich tung angeordnet sein. Hierbei kann es sich zum Beispiel um eine Datenbrille handeln, die vom Operateur so getragen wird, dass der Bildinhalt mit dem Mo delldatensatz in das Sichtfeld des Operateurs eingeblendet werden kann.
Die Nutzung der Head-mounted-Einrichtung erlaubt es dem Operateur zum Beispiel, auf den physischen Knochen zu blicken und die Bildinformation des Modelldatensatzes im Sinne augmentierter Realität (AR, Augmented Reality) einzublenden.
Bei Nutzung einer andersartigen Anzeigeeinrichtung kann dieselbe Wirkung beispielsweise dadurch erzielt werden, dass mittels einer Kamera eine Auf nahme des physischen Knochens erfolgt und dieser an der Anzeigeeinrichtung dargestellten Aufnahme die Information des Modelldatensatzes überlagert dar gestellt wird.
Vorzugsweise ist die Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet und program miert, die Position der Anzeigeeinrichtung im Referenzkoordinatensystem zu ermitteln. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Anzeigeein richtung von der Navigationseinrichtung erfassbar ist. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel an der Anzeigeeinrichtung eine Markiereinrichtung angeordnet sein.
Abhängig von der ermittelten Position der Anzeigeeinrichtung im Referenzko ordinatensystem kann von der Datenverarbeitungseinrichtung der Modellda tensatz vorzugsweise mittels augmentierter Realität dem Knochen überlagert dargestellt werden. Der Modelldatensatz kann gewissermaßen optisch am Kno chen "angeheftet" werden und ist dadurch vorzugsweise im Sichtfeld des Ope rateurs, wenn dieser auf den Knochen blickt. An der Anzeigeeinrichtung sind beispielsweise Hinweise betreffend eine Entfer nung eines Implantates darstellbar.
An der Anzeigeeinrichtung sind beispielsweise Hinweise betreffend eine Im plantation eines Implantates darstellbar.
An der Anzeigeeinrichtung sind beispielsweise Hinweise betreffend einen Ope rationsablauf darstellbar.
An der Anzeigeeinrichtung sind beispielsweise Hinweise betreffend eine Opera tionstechnik darstellbar.
Vorgesehen sein kann, dass die Markiereinrichtung direkt invasiv, zum Beispiel mit einer Knochenschraube, oder indirekt nichtinvasiv am Knochen anbringbar ist. Eine Markierung kann zum Beispiel nichtinvasiv mittels einer Bandage am Knochen anbringbar sein.
Wie eingangs erwähnt, betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren.
Ein erfindungsgemäßes medizintechnisches, die eingangs genannte Aufgabe lösendes Verfahren umfasst:
Bereitstellen eines Modelldatensatzes mit einer räumlichen Repräsenta tion eines Knochens, wobei der Modelldatensatz eine charakteristische Information kennzeichnend eine Referenzpositionsinformation eines am Knochen in definierter räumlicher Position angeordneten Referenzele mentes umfasst;
Bereitstellen eines Referenz Koordinatensystems am Knochen anhand von Positionsdaten einer ersten in definierter räumlicher Position zum Kno chen angeordneten Markiereinrichtung;
Ermitteln einer charakteristischen Information kennzeichnend die Posi tion des Referenzelementes im Referenzkoordinatensystem, anhand von mittels einer weiteren Markiereinrichtung gewonnenen Positionsdaten; Bereitstellen einer Übereinstimmung der Position des Referenzelementes im Referenzkoordinatensystem mit der Referenzpositionsinformation im Modelldatensatz; und
Registrieren, basierend auf der Übereinstimmung, des Modelldatensatzes im Refe re nzkoordinaten System, im Hinblick auf eine Überlagerung des Modelldatensatzes und des Knochens.
Die Vorteile, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbar sind, wurden bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung der erfindungsgemäßen Vor richtung erwähnt. Diesbezüglich kann auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen werden.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Verfahrens ergeben sich durch vorteil hafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diesbezüglich kann zur Vermeidung von Wiederholungen auf die voranstehenden Ausführun gen verwiesen werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Datenverarbeitungsprogramm. Ein erfindungsgemäßes Datenverarbeitungsprogramm umfasst Programmcodemit tel zur Verwendung in mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung gestützter Chirurgie, wobei das Datenverarbeitungsprogramm, wenn es auf der Daten verarbeitungseinrichtung läuft oder auf die Datenverarbeitungseinrichtung ge laden wird, die Datenverarbeitungseinrichtung dazu veranlasst, das vorste hend beschriebene Verfahren auszuführen.
Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein Programmspeichermedium, um fassend das Datenverarbeitungsprogramm der vorstehend beschriebenen Art. Das Programmspeichermedium kann nicht-flüchtig oder flüchtig sein.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfin dung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen: Figur 1: eine perspektivische schematische Darstellung einer erfindungsge- mäßen medizintechnischen Vorrichtung zur Durchführung des er findungsgemäßen Verfahrens, wobei eine Navigationseinrichtung und eine Datenverarbeitungseinrichtung sowie ein Operateur mit Anzeigeeinrichtung und ein sich einem Revisionseingriff unterzie hender Patient dargestellt sind;
Figur 2: schematisch einen Beckenknochen des Patienten, von dem mittels Röntgenstrahlung ein Modelldatensatz erstellt wird;
Figur 3: den physischen Knochen des Patienten mit daran angebrachter chi rurgischer Markiereinrichtung sowie ein Tastwerkzeug zum Ertas ten eines Referenzelementes; und
Figur 4: den Modelldatensatz gemäß Figur 2, der dem Knochen gemäß Fi gur 3 unter Nutzung der Markiereinrichtung überlagert dargestellt ist.
Figur 1 zeigt in perspektivischer Darstellung eine insgesamt mit dem Bezugs zeichen 10 belegte vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen medizintechnischen Vorrichtung. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Datenverar beitungseinrichtung 12, beispielsweise ausgestaltet als Computer mit Mikro prozessor und flüchtigem oder nicht-flüchtigem Speicher. Auf der Datenverar beitungseinrichtung 12 ist ein erfindungsgemäßes Datenverarbeitungspro gramm lauffähig, welches zum Beispiel mit einem erfindungsgemäßen Pro grammspeichermedium bereitgestellt werden kann. Die Vorrichtung 10 weist ferner eine vorliegend in die Datenverarbeitungseinrichtung 12 integrierte Speichereinrichtung 14 auf.
Weiter umfasst die Vorrichtung 10 eine Navigationseinrichtung 16. Die Naviga tionseinrichtung 16 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel optisch ausgestal tet und umfasst eine Kamera, insbesondere eine Stereokamera 18. Mit der Stereokamera 18 kann Strahlung, insbesondere Infrarotstrahlung, die von ei ner Markiereinrichtung 20 der Vorrichtung 10 ausgesandt wird, erfasst wer den.
Vorliegend ist die Markiereinrichtung 20 sowie eine weitere Markiereinrichtung 22 der Vorrichtung 10 passiv ausgestaltet. Von der Stereokamera 18 emit tierte Strahlung wird von den Markiereinrichtungen 20, 22 reflektiert und in der Stereokamera 18 wieder empfangen. Alternativ oder ergänzend ist der Einsatz von aktiven Markiereinrichtungen 20, 22 möglich, die ihrerseits Strah lung emittieren.
Die Markiereinrichtungen 20, 22 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel als an sich bekannte Rigid Bodys ausgestaltet (auch als "Navigationsstern" be zeichnet), die Markerelemente in definierter räumlicher Anordnung zueinander aufweisen.
Die Navigationseinrichtung 16 bildet ein optisches Messsystem, das Positions daten der Markiereinrichtungen 20, 22 ermitteln kann. Dies gibt die Möglich keit, die Markiereinrichtungen 20, 22 zu tracken, um deren Lage und deren Orientierung als Funktion der Zeit festzustellen. Positionsdaten der Navigati onseinrichtung 16 können der Datenverarbeitungseinrichtung 12 für eine dies bezügliche Analyse bereitgestellt werden.
Alternativ oder ergänzend zur hier beschriebenen optischen Navigationsein richtung 16 kann eine andersartige Navigationseinrichtung vorgesehen sein.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 12 kann Bestandteil der Navigationsein richtung 16 sein, oder umgekehrt.
Die Vorrichtung 10 kommt im vorliegenden Fall zur Unterstützung des Opera teurs 24 bei einer Revisionsoperation zum Eingriff. Im vorliegenden Beispiel geht es dabei um die Entfernung eines in einem Knochen 26 implantieren Im- plantates 28. Der Knochen 26 ist in dem beschriebenen Beispiel der Becken knochen 30 und das Implantat 28 ist eine künstliche Hüftpfanne 32, die dem Patienten 34 in einem vorangegangenen Eingriff implantiert wurde.
Die Hüftpfanne 32 ist in das Acetabulum 36 eingesetzt und weist einen scha lenförmigen Abschnitt 38 auf, der in das Acetabulum 36 eingreift, sowie einen Rand 40. Der Rand 40 ist an einer Oberfläche 42 der Hüftpfanne 32 angeord net.
Die Vorrichtung 10 kann mindestens eine Anzeigeeinrichtung umfassen. Vor liegend ist eine stationäre Anzeigeeinrichtung 44 in Gestalt eines an sich be kannten Monitors vorgesehen. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 10 eine Anzeigeeinrichtung 46.
Die Anzeigeeinrichtung 46 ist an einer Head-mounted-Einrichtung 48 angeord net, ausgestaltet als Datenbrille 50. Die Datenbrille 50 kann vom Operateur 24 wie eine herkömmliche Brille getragen werden. In das Sichtfeld 52 des Opera teurs 24 können über die Anzeigeeinrichtung 46 Inhalte eingeblendet werden, wobei diese bei einer Bewegung des Kopfes des Operateurs 24 erhalten blei ben.
Die Anzeigeeinrichtungen 44, 46 sind von der Datenverarbeitungseinrichtung 12 zur Darstellung der Bildinhalte ansteuerbar.
Die Head-mounted-Einrichtung 48 ist vorliegend vorzugsweise mit einer Mar kiereinrichtung (nicht gezeigt) versehen. Dies erlaubt es, die Einrichtung 48 mittels der Navigationseinrichtung 16 zu erfassen. Eine Bewegung der Einrich tung 48 im Raum kann getrackt werden. Dies gibt auch die Möglichkeit, die Lage und Orientierung des Sichtfeldes 52 im Raum zu ermitteln.
Im vorliegenden Fall bildet die Markiereinrichtung 20 ein Referenzkoordinaten system. Die Position der Markiereinrichtung 22 (Lage und Orientierung) kann im Referenzkoordinatensystem bestimmt werden. In entsprechender Weise kann die Position der Einrichtung 48 im Refe re nzkoordinaten System bestimmt werden.
Die Vorrichtung 10 umfasst ein chirurgisches Tastwerkzeug 54. Der Operateur 24 kann charakteristische Punkte mit dem Tastwerkzeug 54 ertasten (Palpa tion). Das Tastwerkzeug 54 umfasst ein Griffelement 56 und eine daran ange ordnete Tastspitze 58. Am Tastwerkzeug 54 ist die Markiereinrichtung 22 fest gelegt.
Durch die definierte räumliche Beziehung der Markiereinrichtung 22 zur Tast spitze 58 kann von der Datenverarbeitungseinrichtung 12 festgestellt werden, welche Punkte im Refe re nzkoordinaten System ertastet werden.
Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine in Figur 1 schematisch dargestellte Röntgeneinrichtung 60. Die Röntgeneinrichtung 60 ist insbesondere eine CT- Einrichtung zum Erstellen von CT-Bildern des Knochens 26.
Die Vorrichtung 10 kann bei der Revisionsoperation für die Hüftpfanne 32 bei spielsweise folgendermaßen im Rahmen eines vorteilhaften Ausführungsbei spiels des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden:
Präoperativ kann vom Beckenknochen 30 ein Modelldatensatz 64 zur Unter stützung des navigierten Eingriffes erstellt werden. Zu diesem Zweck kann mittels der Röntgeneinrichtung 60, deren Strahlung 62 in Figur 2 schematisch dargestellt ist, ein Modelldatensatz 64 erstellt werden. Der Modelldatensatz 64 umfasst eine räumliche Repräsentation des Beckenknochens 30. Vorliegend ist dies insbesondere eine dreidimensionale Repräsentation.
Die Hüftpfanne 32 zeichnet sich im Modelldatensatz 64 deutlich ab. Da die Po sition der Hüftpfanne 32 am Beckenknochen 30 exakt definiert ist, kann die Hüftpfanne 32 als Referenzelement 66 für die nachfolgend erläuterte Registrie rung des Modelldatensatzes 64 im Referenzkoordinatensystem herangezogen werden. Die Hüftpfanne 32 definiert eine charakteristische Information, die kennzeichnend für die Referenzpositionsinformation der Hüftpfanne 32 am Be ckenknochen 30 ist.
Im vorliegenden Beispiel wird als charakteristische Information insbesondere eine charakteristische Struktur 68 als charakteristische Information genutzt. Bei der charakteristischen Struktur 68 kann im vorliegenden Beispiel der Rand 40 der Hüftpfanne 32 genutzt werden. Dies ist jedoch nicht-einschränkend für die vorliegende Erfindung.
Im Modelldatensatz 64 besteht damit die Möglichkeit, über die charakteristi sche Struktur 68 auf die Position der Hüftpfanne 32 als Referenzelement 66 im Beckenknochen 30 zu schließen.
Hierbei können weitergehende Informationen berücksichtigt werden, die über das Implantat 28 bekannt sind, zum Beispiel der Typ des Implantates oder die Tatsache, dass es sich um ein patientenindividuelles Implantat 28 mit bekann ter Struktur handelt.
Figur 2 zeigt schematisch den der Strahlung 62 ausgesetzten Beckenknochen 30 und eine beispielhafte Darstellung des Modelldatensatzes 64, an dem die charakteristische Struktur 68 hervorgehoben ist.
Der Modelldatensatz 64 kann in der Speichereinrichtung 14 gespeichert wer den. Im Modelldatensatz 64 kann zusätzlich zur räumlichen Repräsentation des Beckenknochens 30 weitere Information enthalten sein, beispielsweise be treffend eine Entfernung des Implantates 28, betreffend eine Implantation ei nes Implantates, z. B. Repositionierung des Implantates 28 oder Einsatz eines neuen Implantates, betreffend einen Operationsablauf und/oder betreffend eine Operationstechnik.
Intraoperativ kann der Operateur 24 die Markiereinrichtung 20 zur Definition des Referenzkoordinatensystems am Beckenknochen 30 anbringen. Dadurch wird eine patientenstationäre Referenz gebildet. Beim Eröffnen des Zugangs und freipräparierter Hüftpfanne 32 kann insbeson dere deren Rand 40 vom Operateur 24 auf einfache Weise erkannt und er reicht werden.
Ebenso wie die charakteristische Struktur 68 im Modelldatensatz 64 eine defi nierte räumliche Position aufweist, weist die Hüftpfanne 32, insbesondere de ren Rand 40, am tatsächlichen Beckenknochen 30 eine definierte räumliche Position auf. Dies gibt die Möglichkeit, den Rand 40 auf Übereinstimmung mit der charakteristischen Struktur 68 zu vergleichen.
Zu diesem Zweck kann der Operateur 24 den Rand 40 mittels des Tastwerk zeuges 54 abfahren (palpieren). Diese Bewegung kann von der Navigations einrichtung 16 erfasst und von der Datenverarbeitungseinrichtung 12 ausge wertet werden, wobei die Positionsdaten im Refe re nzkoordinaten System be stimmt werden (Figur 3).
Der Rand 40 bildet eine charakteristische Vergleichsstruktur und dementspre chend eine charakteristische Information, die kennzeichnend für die Position des Implantates 28 als Referenzelement 66 im Referenzkoordinatensystem ist.
Die Position des Implantates 28 im Refe re nzkoordinaten System kann mit der Referenzpositionsinformation im Modelldatensatz 64 in Übereinstimmung ge bracht werden. Zu diesem Zweck kann die charakteristische Struktur 68 mit der charakteristischen Vergleichsstruktur 70 verglichen und auf Übereinstim mung geprüft werden.
Bei bestehender Übereinstimmung besteht insbesondere die Möglichkeit, den Modelldatensatz 64 im Refe re nzkoordinaten System zu registrieren. Da die Re ferenzpositionsinformation im Modelldatensatz 64 anhand der charakteristi schen Vergleichsstruktur 70 auf den Beckenknochen 30 übertragen werden kann, kann die Datenverarbeitungseinrichtung 12 die Position der charakteris tischen Vergleichsstruktur 70 im Referenzkoordinatensystem der Position der charakteristischen Struktur 68 im Modelldatensatz 64 zuordnen.
Der Modelldatensatz 64 wird dadurch gewissermaßen am physischen Becken knochen 30 angeheftet. Bei einer Bewegung des Beckenknochens 30 im Raum, zum Beispiel einer Umlagerung des Patienten 34 zufolge, kann der Mo delldatensatz 64 getrackt werden.
An den Anzeigeeinrichtungen 44, 46 kann der Modelldatensatz 64 dargestellt werden. Vorteilhaft ist beispielsweise eine Darstellung an der Anzeigeeinrich tung 46.
Da die Position der Einrichtung 48 im Refe re nzkoordinaten System bekannt ist, kann der Anzeigeinhalt der Anzeigeeinrichtung 46 so eingeblendet werden, dass die Repräsentation des Beckenknochens 30 mittels augmentierter Reali tät (AR, Augmented Reality) an der korrekten Position dargestellt wird. Da der Beckenknochen 30 selbst durch den beschränkten Zugang nur teilweise zu se hen ist, kann dieser vom Operateur 24 insgesamt nicht gesehen werden. Das System bietet jedoch durch das Anheften des Modelldatensatzes 64 die Mög lichkeit, beispielsweise die vollständige dreidimensionale Repräsentation des Beckenknochens 30 an der korrekten Position im Sichtfeld 52 sichtbar zu ma chen.
Dies ist beispielhaft in Figur 4 dargestellt, wobei symbolisiert werden soll, dass der Blick auf die physische Hüftpfanne 32 möglich ist, ebenso auf die Markier einrichtung 20, wohingegen die Struktur des Beckenknochens 30 aus dem Mo delldatensatz 64 (gestrichelte Linien) stammt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 und das erfindungsgemäße Verfahren erlauben es, die geometrisch definierten Strukturen des Implantates 28 zu nutzen. Die Nutzung von anatomischen Strukturen, insbesondere mit hochgra digen Knochendefekten, die eine Referenzierung des Modelldatensatzes 64 er schweren, ist nicht erforderlich.
Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, charakteristische anatomische Punkte des Beckenknochens 30 im Modelldatensatz 64 und intraoperativ in Überein stimmung miteinander zu bringen. Dies kann zu einer Erhöhung der Präzision dennoch von Vorteil sein. Beispielsweise kann der Operateur 24 das Tastwerk zeug 64 zum Palpieren charakteristischer Punkte wie etwa der Darmbeinsta chel (Spina iliaca anterior superior) nutzen.
Bei dem Eingriff können etwaige Informationen zur Anleitung des Operateurs 24 an der Anzeigeeinrichtung 46 eingeblendet werden. Denkbar sind hierbei insbesondere Informationen zum Entfernen des Implantates 28, zum Einset zen eines neuen Implantates oder zur Repositionierung des Implantates 28, Informationen betreffend den Operationsablauf und/oder die Operationstech nik.
Bezugszeichenliste:
10 medizintechnische Vorrichtung
12 Datenverarbeitungseinrichtung
14 Speichereinrichtung
16 Navigationseinrichtung
18 Stereokamera
20 Markiereinrichtung
22 Markiereinrichtung
24 Operateur
26 Knochen
28 Implantat
30 Beckenknochen
32 Hüftpfanne
34 Patient
36 Acetabulum
38 schalenförmiger Abschnitt
40 Rand
42 Oberfläche
44 Anzeigeeinrichtung
46 Anzeigeeinrichtung
48 Head-mounted-einrichtung
50 Datenbrille
52 Sichtfeld
54 Tastwerkzeug
56 Griffelement
58 Tastspitze
60 Röntgeneinrichtung
62 Strahlung
64 Modelldatensatz
66 Referenzelement
68 charakteristische Struktur
70 charakteristische Vergleichsstruktur

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Medizintechnische Vorrichtung, umfassend eine Navigationseinrichtung (16) zum Erfassen mindestens einer medi zintechnischen Markiereinrichtung (20, 22), eine Datenverarbeitungseinrichtung (12) zum Verarbeiten von Positions daten der Navigationseinrichtung (16), wobei eine Position der mindes tens einen Markiereinrichtung (20, 22) ermittelbar ist, und eine Speichereinrichtung (14), in der ein Modelldatensatz (64) mit räumlicher Repräsentation eines Knochens (26) speicherbar ist, insbe sondere des Beckenknochens (30), wobei der Modelldatensatz (64) eine charakteristische Information kennzeichnend eine Referenzpositionsinfor mation eines am Knochen (26) in definierter räumlicher Position ange ordneten Referenzelementes (66) umfasst, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (12) ausgebildet und program miert ist, anhand von Positionsdaten einer ersten in definierter räumlicher Position zum Knochen (26) angeordneten Markiereinrichtung (20) ein Referenz koordinatensystem bereitzustellen, eine charakteristische Information kennzeichnend die Position des Refe renzelementes (66) im Referenzkoordinatensystem zu ermitteln, anhand von mittels einer weiteren Markiereinrichtung (22) gewonnenen Positi onsdaten, die Position des Referenzelementes (66) im Referenzkoordinatensystem mit der Referenzpositionsinformation im Modelldatensatz (64) in Über einstimmung zu bringen, und, basierend auf der Übereinstimmung, den Modelldatensatz (64) im Referenzkoordinatensystem zu registrieren, im Hinblick auf eine Überla gerung des Modelldatensatzes (64) und des Knochens (36).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrich tung eine Röntgeneinrichtung (60) umfasst und dass der Modelldatensatz (64) unter Nutzung der Röntgeneinrichtung (60) erstellbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Modelldatensatz (64) eine dreidimensionale Repräsentation des Kno chens (26) umfasst.
4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass der Modelldatensatz (64) zumindest eine der folgen den Informationen umfasst:
Informationen betreffend eine Entfernung eines Implantates (28);
Informationen betreffend eine Implantation eines Implantates (28);
Informationen betreffend einen Operationsablauf;
Informationen betreffend eine Operationstechnik.
5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass das Referenzelement (66) ein Implantat (28) ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Implan tat (28) ein Hüftimplantat oder ein Knieimplantat ist.
7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die die Referenzpositionsinformation kennzeichnende charakteristische Information eine charakteristische geometrische Struk tur (68) des Referenzelementes (66) ist oder umfasst.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die charak teristische geometrische Struktur (68) ein(en) Oberflächenabschnitt des Referenzelementes (66) ist oder umfasst.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (12) ausgebildet und programmiert ist, eine Übereinstimmung der Referenzpositionsinformation mit der Position des Referenzelementes (66) durch Vergleich der geometrischen Struktur (68) mit einer charakteristischen geometrischen Vergleichsstruktur (70) festzustellen, welche Vergleichsstruktur (70) anhand von Positionsdaten bestimmbar ist, die unter Nutzung der weiteren Markiereinrichtung (22) ermittelbar sind.
10. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) ein chirurgisches Tastwerkzeug (54) umfasst, an der die weitere Markiereinrichtung (22) angeordnet ist und mit dem eine Oberfläche (42) des Referenzelementes (66) ertastbar ist, zum Ermitteln der Position des Referenzelementes (66) im Referenz koordinatensystem.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Tast werkzeug (54) entlang eines vorgegebenen oder vorgebbaren Pfades an der Oberfläche (42) des Referenzelementes (66) bewegbar ist, um die Position des Referenzelementes (66) zu ermitteln.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des Referenzelementes (66) anhand einer Mehrzahl charak teristischer Punkte an der Oberfläche (42) des Referenzelementes (66) ermittelbar ist, die mittels des Tastwerkzeuges (54) ertastbar sind.
13. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (12) ausgebildet und programmiert ist, die charakteristische Information anhand einer Analyse des Modelldatensatzes (64) zu ermitteln.
14. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (12) ausgebildet und programmiert ist, die charakteristische Information anhand eines vorbekannten Typs des Referenzelementes (66) zu ermitteln.
15. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (12) ausgebildet und programmiert ist, die charakteristische Information anhand eines in dividualisierten Referenzelementes (66) zu ermitteln.
16. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) mindestens eine Anzeigeeinrich tung (44, 46) umfasst und dass der Modelldatensatz (64), zumindest teilweise, an der mindestens einen Anzeigeeinrichtung (44, 46) darstell bar ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzei geeinrichtung (44, 46) stationär ist und/oder oder an einem der Folgen den angeordnet ist: an einer tragbaren Datenverarbeitungseinrichtung (12), insbeson dere einem Tablet-Computer, an einer Head-mounted-Einrichtung (48), insbesondere einer Da tenbrille (50).
18. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (12) ausgebildet und programmiert ist, die Position der Anzeigeeinrichtung (44, 46) im Referenzkoordinaten system zu ermitteln und abhängig hiervon den Modelldatensatz (64) mit tels augmentierter Realität dem Knochen (26) überlagert darzustellen.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeich net, dass an der Anzeigeeinrichtung (44, 46) Hinweise betreffend zumin dest eines der Folgenden darstellbar sind: Hinweise betreffend eine Entfernung eines Implantates (28); Hinweise betreffend eine Implantation eines Implantates (28); Hinweise betreffend einen Operationsablauf;
Hinweise betreffend eine Operationstechnik.
20. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, dass die Markiereinrichtung (20) direkt invasiv oder indi rekt nichtinvasiv am Knochen (26) anbringbar ist.
21. Medizintechnisches Verfahren zum Registrieren eines Modelldatensatzes, umfassend:
Bereitstellen eines Modelldatensatzes mit einer räumlichen Reprä sentation eines Knochens, wobei der Modelldatensatz eine charak teristische Information kennzeichnend eine Referenzpositionsinfor mation eines am Knochen in definierter räumlicher Position ange ordneten Referenzelementes umfasst;
Bereitstellen eines Referenzkoordinatensystems am Knochen an hand von Positionsdaten einer ersten in definierter räumlicher Posi tion zum Knochen angeordneten Markiereinrichtung;
Ermitteln einer charakteristischen Information kennzeichnend die Position des Referenzelementes im Referenzkoordinatensystem, anhand von mittels einer weiteren Markiereinrichtung gewonnenen Positionsdaten;
Bereitstellen einer Übereinstimmung der Position des Referenzele mentes im Referenzkoordinatensystem mit der Referenzpositionsin formation im Modelldatensatz; und
Registrieren, basierend auf der Übereinstimmung, des Modelldaten satzes im Referenzkoordinatensystem, im Hinblick auf eine Überla gerung des Modelldatensatzes und des Knochens.
22. Datenverarbeitungsprogramm mit Programmcodemitteln zur Verwen dung in mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung gestützter Chirurgie, das, wenn es auf der Datenverarbeitungseinrichtung läuft oder auf die Datenverarbeitungseinrichtung geladen wird, die Datenverarbeitungsein richtung dazu veranlasst, das Verfahren nach Anspruch 21 auszuführen.
23. Programmspeichermedium, umfassend das Datenverarbeitungspro gramm nach Anspruch 22.
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