WO2007095919A2

WO2007095919A2 - Verfahren zum navigierten bohren

Info

Publication number: WO2007095919A2
Application number: PCT/DE2007/000322
Authority: WO
Inventors: Rainer Burgkart
Original assignee: Rainer Burgkart
Priority date: 2006-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2007-08-30
Also published as: DE102007008522A1

Description

Verfahren zum navigierten Bohren

Das exakte zielgerichtete Einführen von achsenbezogenen Operationswerkzeugen wie beispielsweise Bohrern und Fixationsdrähten gehören zu den z.T. sehr komplexen operativen Anwendungen in der Orthopädie und Unfallchirurgie.

Für das zielgerichtete Einbringen dieser Werkzeuge ist die präzise Ausrichtung des jeweiligen Werkzeugs bezüglich einer Achse notwendig und schließlich - für das korrekte Beenden des Vorganges - ein spezifischer Endpunkt auf dieser Achse vom Operateur zu beachten, d.h. beispielsweise für die Biopsie eines Knochentumors entscheidet sich der Operateur für eine spezifische Achse zum Eindringen des Biopsie- bohrers in den Knochen und muss im Zentrum des Tumors den Bohrvorgang stop- pen).

Die exakte Durchführung solcher Verfahren ist technisch oft schwierig, da der Operateur beim Einsatz dieser einachsigen Operationswerkzeuge den eigentlichen Zielort oft nicht direkt einsehen kann und nur indirekt, nach partiellem Einbringen der Werk- zeuge in den Knochen, die korrekte Ausrichtung oftmals nur durch intraoperativ angefertigte Röntgenbilder (Fluoroskopie-Aufnahmen, erstellt durch einen sogenannten Röntgen-C-Bogen) beurteilen kann.

Dies ist aufwendig, da für eine räumliche Beurteilung meist wenigstens zwei ver- schiedene Röntgenprojektionen notwendig sind. Zeigt sich dann eine inkorrekte Aus- . richtung des Werkzeuges, wird dieses üblicherweise partiell zurückgezogen und in einer neuen, vom Operateur für besser befundenen Ausrichtung wieder eingebracht und erneut röntgenkontrolliert. Je nach Erfahrung des Operateurs und Komplexität des operativen Eingriffes kann sich dieser Vorgang mehrfach wiederholen. Das führt einerseits zu einer erheblichen Verlängerung der Operationszeit mit allen möglichen negativen Komplikationen wie erhöhtes Risiko von Infektionen, erhöhtem Blutverlust etc. und andererseits zu einer hohen Strahlenbelastung durch die wiederholten Röntgenaufnahmen für den Patienten und vor allem auch das Operationsteam.

Daher besteht der dringende Bedarf für eine Technik, die einen minimal invasiven operativen Eingriff mit möglichst geringer Strahlenbelastung erlauben und gleichzeitig dem Operateur eine präzise Ausrichtung und Führung seiner Operationswerkzeuge mit ständiger Kontrolle und Dokumentation des Vorganges ermöglichen.

Moderne Ansätze diese Probleme zu lösen bestehen in der Anwendung computeras- sistierter Navigationsverfahren. Dabei wird in der Regel ein Navigationssystem (computergestützte Kontrolleinheit verbunden mit einer Navigationskamera), eine am Patienten knöchern fixierte Referenzeinheit und speziell kalibrierte Operationswerkzeuge verwendet. Die Referenzeinheit und die Operationswerkzeuge sind dabei mit aktiven oder passiven Markern versehen, so daß auf diese Weise ihre räumliche Position und Ausrichtung von der Navigationskamera erfasst werden können und diese Daten an die Kontrolleinheit weitergegeben werden. Dadurch lassen sich Freihand geführte Werkzeuge tracken und bei Vorliegen von referenzierten Bilddaten beispielsweise die Werkzeuge virtuell in die Bilddaten entsprechend ihrer momentanen Position einblen- den und so dem Operateur bei der Durchführung helfen und gleichzeitig verschiedene virtuelle Planungen ermöglichen. In den Dokumenten US Pat. 6,226,548; 6,747,646; 6,725,080; 6,697,664; 6,535,756; 6,470,207; 6,205,411 und in der nachfolgenden Literatur ist diese Technik beschrieben.

Brack, C. et al., Accurate X-Ray-based Navigation in Computer-Assisted Orthopedic Surgery, Computer Aided Radiology and Surgery, Elsevier Science B.V., p. 716-722 (1998).

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Hofstetter, R., et al., Fluoroscopy Based Surgical Navigation-Concept and Clinical

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Lavallee, et al., Computer Assisted Medical Interventions, NATO ASI Series, vol. F

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Tang, Thomas S.Y., Calibration and Point-Based Registration of Fluoroscopic Im- ages, Thesis submitted to Dept. of Computing and Information Science, Queen's Uni- versity, Kingston, Ontario, Canada (1999).

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Neben meist verwendeten optischen Navigationskameras kann die Positions- und Orientierungserkennung von Patient und Werkzeugen oder Implantaten auch durch ultraschallbasierte oder elektromagnetische, u.a. Detektionsverfahren erfolgen (z.B. US Pat. 6,503,249). Die geschilderten Grundprinzipien sind aber identisch.

Spezielle Vorrichtungen, die den Zielvorgang von Operationswerkzeugen erleichtern sollen, basieren bisher in der Regel auf speziellen navigierten Handstücken (z.B. US Pat. 6,520,969), die aber genauso wie die modernen, oben aufgeführten Navigationsverfahren für den Operateur eine operationstechnische Herausforderung darstellen, da man dadurch zwar die häufigen alternierenden Röntgenkontrollen sparen kann, der Operateur aber die am Monitor visualisierte Ist-Position seines Werkzeuges mit der geplanten Soll-Position mit Hilfe einer anstrengenden Hand-Auge Koordination umsetzen muss.

Diese Problematik besteht heutzutage nicht zuletzt auf Grund der derzeit üblichen Navigationsplanung (siehe Fig. 1a-d), bei der primär in den jeweils zur Verfügung stehenden Bilddaten (oder auch in mittlerweile hinlänglich bekannten bildfreien Geometriedaten) die Zielregion (1) markiert wird und von dort aus eine virtuelle Trajekto- rie (2) geplant wird, die die spätere Zielachse des Werkzeugs darstellt. Die Verwendung einer Trajektorie ist deshalb vor allem von Bedeutung, da der Navigationsrechner bei bekannter Trajektorie sehr hilfreiche Funktionen wie Korrekturrichtungsanzei- gen - wie Kimme und Korn oder einem „3D Trichter" - dem Operateur visualisieren kann, damit dieser seinen Bohrer optimal ausrichten kann.

Dabei kann die Trajektorie bei dem bisherigen Vorgehen aber meistens nur ohne Berücksichtigung der spezifischen anatomisch-mechanischen Verhältnisse der Kno- chenaustrittstelle der Trajektorie geplant werden. Diese Stelle ergibt sich aber durch die geplante Trajektorie automatisch bzw. zwangsläufig und stellt aber später die vorgeschriebene Solleintrittsstelle (3) des Werkzeuges dar.

Dabei muss der Operateur mit Blick auf den Monitor - weg vom eigentlich relevanten Operationsfeld - iterativ das Werkzeug „blind" im Operationsbereich solange verschieben bis die Ist- und Sollposition hinreichend identisch sind. Dieser Vorgang kann sehr zeitraubend sein, da grundsätzlich auf Grund der vielen möglichen Freiheitsgrade das Finden der richtigen Stelle und Ausrichtung komplex ist.

Versucht nun der Operateur an dieser Solleintrittsstelle sein Bohrwerkzeug einzuführen, ist dies häufig sehr schwierig, da das Operationswerkzeug im geplanten Eintritt- punkt den Knochen nicht selten schräg trifft und dabei häufig ein fehlerhaftes Abgleiten der Instrumentenspitze bedingt wird.

Daher versucht der Operateur dann meist an der richtigen Eintrittstelle aber in einer falschen, für ihn operationstechnisch günstigeren - zum Knochen orthograden - Bohrerausrichtung (die aber nicht der virtuell geplanten Trajektorie entspricht) den Bohrer ein kurzes Stück in den Knochen einzuführen (4). Ist ihm das gelungen versucht er umgehend die Bohrerausrichtung, d.h. die Bohrerachse nun korrekt entsprechend der geplanten Trajektorie auszurichten (5). Dabei wendet er Zwangskräfte an, die zu ei- ner geringfügigen Verbiegung des jeweiligen Werkzeuges führt. In der Folge wird beim weiteren Einführen des Bohrers dem Operateur über den Navigationsbildschirm zwar angezeigt, dass sich sein Bohrer korrekt auf der geplanten Trajektorie befindet, da das Navigationssystem nur den Anteil des Bohrers trackt, der außerhalb des Knochens ist, bzw. die Ausrichtung der Bohrmaschine, die jedoch korrekt orientiert ist. In Wirklichkeit verhält sich der Bohrer im Knochen aber nicht gemäß der geplanten Trajektorie. Auf Grund der gerade beschriebenen Verbiegung ist der weitere Verlauf des Bohrweges gekrümmt 6 und entspricht so nicht der Anzeige des Navigationssystems. Entsprechend trifft der Operateur nicht den Zielpunkt und gleichzeitig kann der Patient gefährdet werden, da die Möglichkeit besteht, dass der Bohrer oder Fixierdraht an einer falschen Stelle am Knochen austritt und dabei lebenswichtige Gefäße oder Nerven zerstört.

Seit Kenntnis dieser Problematik wurden bisher verschiedene Lösungsansätze gesucht, die Verbiegung des Operationswerkzeuges zu messen analog zu neuen Lö- sungen in der Technik (DE 101 63 734 B4, DE 101 95 926 TI ₁ DE 103 60 917 A1) und daraus die Fehlposition abzuleiten oder zumindest den Operateur zu warnen. Derartige Lösungen sind aber mit erheblichen Kosten für die Messsensorik inklusive der Problematik, dass diese sterilisierbar sein muss, verbunden. Außerdem ist damit ein Warnsystem vorhanden, aber noch keine effiziente Lösung des operationstechni- sehen Problems gefunden. Es besteht somit die Aufgabe der Erfindung, eine Technik bereitzustellen, die die Herstellung einer exakt geraden Freihandbohrung mit Hilfe eines Navigationssystems ermöglicht.

Mit der hier beschriebenen Erfindung werden die oben beschriebenen Nachteile vermieden und gleichzeitig eine einfache und kostengünstige Lösung des operationstechnischen Problem aufgezeigt.

Das oben beschriebene derzeit bekannte Vorgehen und die beschriebene Erfindung beziehen sich ausschließlich auf das kostengünstige Freihand geführte, navigierte Bohren im Gegensatz zu Lösungsansätzen mit knochenfixierien Zielvorrichtungen oder Robotern, die komplexer und teuer sind.

Beschreibung des Verfahren (Fig 2 a-d): Die vorbereitenden Schritten vor dem eigentlich hier beschriebenen Verfahren erfolgen nach den bekannten Vorgehensweisen handelsüblicher Navigationssysteme. Typischerweise erfolgt dabei - nach Aufbau des Navigationssystems und Ausrichtung der Kameraeinheit auf das Operationsfeld - die stabile Fixation eines Referenztrak- kers am zu operierenden Knochen des Patienten. Schließlich werden intraoperativ Bilddaten (z.B. in Form von Fluoroskopieaufnahmen mit einem getrackten, kalibrierten Röntgen-C-Bogen aufgenommen) oder bildfreie Geometriedaten des Patienten erhoben oder präoperativ erstellte Bilddaten (z.B. CT-Aufnahmen) mit Hilfe verschiedener bekannter Matchingmethoden mit der aktuellen Position des Patienten referen- ziert (s. Lit). Dadurch sind an der rechnergestützten Navigationskontrolleinheit Pati- entendaten verfügbar, an denen der Operateur seinen Eingriff planen kann. Wird beispielweise ein C-Bogen benutzt werden vorteilhafterweise meist zwei Aufnahmen des Operationsgebietes aus 2 verschiedenen Richtungen gemacht, um - nach Markierung beispielweise eines nicht direkt sichtbaren Knochentumors in beiden Aufnahmen - dessen exakte räumliche Lage mit bekannten Rechenverfahren (Brack 1998 u.a.) invers berechnen zu können. Identisch zum bisherigen Verfahren wird zuerst vom Operateur der Zielort festgelegt (Fig. 2a, (1)). Nun wird aber keine Trajektorie geplant, sondern der Operateur sucht sich eine für ihn günstige Knochenoberflächenregion aus, die auf Grund seiner Erfahrung auch ein optimaler Ort ist von dem man die Zielregion bohrtechnisch erreichen kann [dabei kann er auch die virtuelle Verlängerung (derzeit bei kommerziellen Navigationssystemen übliches Merkmal) seiner Bohrachse benutzen, um im Navigationsdisplay zu sehen, ob er von diesem Knocheneintrittspunkt die Zielregion erreichen kann; diese Funktion ist aber ohne die wichtigen Korrekturhilfen durch den Navigationsrechner wie „Kimme-Korn"-Funktion]. An dieser Stelle (2) körnt er den Knochen mit der Bohrerspitze oder Fixierdrahtspitze nur geringfügig an. Nun wird per Eingabe im Navigationsrechner der Befehl ausgelöst die Bohrerspitze, die dem Navigationssystem ja bekannt ist, mit dem ebenfalls bekannten Zielort virtuell zu verbinden. Damit entsteht nun sekundär die Trajektorie (3) mit all ihren assozierten Hilfen wie zusätzlichen Korrekturangaben an den Operateur.

Dadurch, dass durch den Bohrer selbst aber ein Knocheneintrittspunkt „gewählt" worden ist, entfällt die zeitraubende bisherige Suche dieses Punktes. Außerdem ist durch die bewusst gewählte Knochenoberflächenausrichtung und die Körnung eine stabile Anfangssituation für den Beginn des Bohrvorganges gewährleistet. Der Operateur muss nun nur noch die Bohrerspitze (nur noch 2 rotatorische Freiheitsgrade im Gegensatz zum bisherigem Verfahren mit 2 rotatorischen und 2 translatorischen (!)Frei- heitsgraden) rotatorisch korrekt feinausrichten (4) und kann direkt den Bohrvorgang beginnen. Sollte der Bohrereintrittswinkel nicht optimal sein, kann ohne Probleme eine andere Stelle mit der Bohrerspitze angekörnt werden und der Planungsvorgang der Trajektorie wird wiederholt. Schließlich wird der eigentliche Bohrvorgang zielgerichtet ausgeführt (5).

Durch die beschriebene Erfindung wird relevante Zeit gespart und vor allem beim Einführen und Ausrichten der Bohrwerkzeuge kein Biegemoment aufgebracht und ent- sprechend eine deutlich erhöhte Zielgenauigkeit mit Vermeidung gefährlicher Komplikationen (s.o.) gewährleistet.

Claims

Anspruch

1. Verfahren zum Einbringen einer Bohrung mit Hilfe eines Navigationssystems in ein Werkstück mit nach folgenden Verfahrensschritten: a. festlegen des Zielortes, b. suchen eines geeigneten Werkzeugeintrittspunktes mit dem getrackten Werkzeug auf der Werkstückoberfläche, c. wenn passender Werkzeugeintrittspunkt gefunden ist, wird festgestellt, ob davon ausgehend auch der Zielort erreichbar ist, d. ankörnen des gefundenen Werkzeugeintrittspunktes, e. Planung der Trajektorie, e. Vortrieb des Werkzeugs freihand unter Kontrolle des Navigationsbildschirms des Navigationssystems.