WO2008101361A1 - Anordnung zum planen und durchführen eines chirurgischen eingriffs - Google Patents

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    • A61B90/50—Supports for surgical instruments, e.g. articulated arms

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for planning and performing a surgical procedure, comprising a medical image acquisition device and a computer for storing and creating a computer model with the image data determined by the image acquisition device.
  • the invention also relates to a method for planning a surgical procedure using such an arrangement as well as a working means for planning and performing a surgical procedure.
  • Such an intervention is for example a bone bore for receiving a
  • Implant for example, an implant for securing a tooth.
  • the anatomical conditions such as the position of adjacent
  • Tooth roots, the position of the antrum and the intrabony blood vessels and nerves, the bone quality and quantity as well as aesthetic and functional aspects are considered. Such planning can be very time consuming and expensive.
  • the invention has for its object to provide an arrangement and a method of the type mentioned, which simplify the planning of surgical procedures in the medical and in particular in the dental field.
  • the invention is achieved in a generic arrangement according to claim 1.
  • the work equipment has the function of a computer mouse in process planning (planning of the intervention on the 3D computer model), in the process management the function of a medical navigation device known to the person skilled in the art (eg for positioning an implant).
  • process planning and execution can be bidirectional, interactive, simultaneous and referenced.
  • process steps can be planned on the computer model. These can be transferred to the real thing after completion of the planning due to the connection of the computer with the work equipment. For example, a bone can be drilled or, for example, a surgical template can be placed in a holder. It is also essential that process steps of process planning and process execution are bidirectionally executable, i. from the virtual computer model to the real and vice versa: For example, it is possible to analyze process steps first in the real world, e.g.
  • This special work equipment has the advantage, in comparison to other possible technical solutions, that it simultaneously has the function of a conventional computer mouse and the function of a medical navigation device and at the same time is much cheaper to acquire than the specially designed work equipment known to the person skilled in the art, such as navigation devices and other computerized devices Planning systems for the medical sector.
  • an implant for example a dental implant
  • Position is transmitted by a drill attached to the working material to the real.
  • Changes by the drill, especially the drill hole can be represented on the computer model. Instead of a drill but, for example, a drill sleeve can be transferred to a drilling template. The purchase of much more expensive equipment or external technical assistance is no longer necessary, so the
  • Costs and in particular the amount of time can be reduced.
  • a direct use on the patient can be planned.
  • This can be, for example, an ear, nose and throat procedure or an oral surgery.
  • different instruments and tools such as drills, positioning aids, pointing instruments or implants can be attached.
  • the implants may be artificial parts or body parts, such as bone segments.
  • the three-dimensionally movable arm is articulated.
  • the movable arm consists of several parts, which are connected to each other with joints.
  • a refinement of the invention includes a correction process for the arrangement and the method, since potentially relevant positioning accuracies can arise between the real and the virtual position of the relevant part of the working means or of the instrument, tool or implant to be positioned.
  • This correction is carried out by manual or motorized readjustment of the work equipment and attached instruments, tools or implants under visualization on a computer model of the actual to the desired position.
  • a fixation element is also arranged on the image acquisition device or in its accessible proximity (for example, nearby wall).
  • the image acquisition device itself and thus the imaging can be referenced by the patient is temporarily fixed with attached to it reference means for image acquisition.
  • Such fixation during imaging additionally has the advantage that the movement artifacts known to the person skilled in the art are minimized and / or at the same time the medical intervention in the immediate vicinity of the image acquisition device can be performed in a referenced manner.
  • the arm has connecting means with which the tool, the instrument or the implant can be fastened in a predetermined position on the arm.
  • These attachment means are preferably located at a free end of the arm.
  • the instrument, tool or implant are displayed in the computer model as a virtual template.
  • the position of the instrument, the tool or the implant is synchronized with the position of the virtual template in the correct position.
  • the Position of the template in the computer model with respect to the referencing means thus always corresponds to the current position of the instrument, tool or implant.
  • the arm can be fixed in a selectable positions.
  • the arm can be fixed for drilling in the intended position or orientation.
  • the arm can be guided on a front part.
  • a repositionable holder is provided, which is connected to the referencing means.
  • the repositionable holder is for example a part which can be fastened to the body of the patient, for example on the jaw in a predetermined position.
  • the holder may be a plastic hardenable mass.
  • the holder is placed, for example, on the jaw or teeth of the jaw, wherein the plastic mass is deformed. If the mass cured, the holder can be removed and can then be attached to the jaw at any time, the referencing always occupies the same position with respect to the body part or the jaw.
  • the working means is mounted on a support or a plate.
  • a fixation element is also arranged on the carrier, on which the referencing means can be positioned.
  • a particularly simple and secure referencing such as a holder.
  • a repositionable holder on the carrier can thus be processed with the working medium.
  • the holder can be drilled and provided with a drill sleeve.
  • the position of the working means and the referencing means are transmitted to the computer model and displayed therein that in the computer model also a template is shown, the part attachable to the working means, such as an instrument, a tool or corresponds to an implant and that the surgery is planned based on the computer model.
  • Computer-based process steps can be transferred interactively, simultaneously and referenced to the real. From the computer model medical interventions can be made. In addition, these interventions can be analyzed and, if necessary, corrected.
  • ascertained values such as, for example, angles, length measurements and spatial coordinates, can be recorded and, on the other hand, work processes can be carried out directly or indirectly with the same working medium. Process planning and process execution can thus be coupled via the work equipment or via the computer. This enables an interactive, simultaneous and bidirectional operation.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a spatial arrangement of an inventive arrangement
  • FIG. 2a schematically shows a partial view of the arrangement according to FIG. 1, wherein the positioning of a referencing means on a fixing element is illustrated,
  • FIG. 2b shows a representation according to FIG. 2a, wherein the referencing means is aligned on the fixing element in a predetermined position
  • FIG. 3 schematically shows a holder positioned on a jaw and a referencing means connected thereto;
  • FIG. 4 schematically shows an image acquisition device with a referencing means attached to it
  • FIG 5 is another view of an inventive arrangement.
  • the inventive arrangement 1 shown in Figure 1 has a working means 2, which is arranged on a support 6, for example a plate or the like and which is connected via a signal line 20 to a computer 7, for example, a Läbtop.
  • the working means 2 is also connected to the power supply with a cable, not shown here, with a power source. In principle, however, the working medium 2 can also be powered by a battery.
  • the working means 2 is controlled by the computer 7, which contains the corresponding programs.
  • the working means 2 has a frame 11 on which an arm 12 is mounted. This arm 12 is pivotable about a first hinge 15. The movement is preferably carried out by
  • Joint 15 arranged a goniometer, which measures the angular position of the arm 12. The corresponding measured values or angles are fed to the computer 7 via the signal line 20. The angle changes are continuously measured via the mentioned goniometer and corresponding measured values are transmitted to the computer 7.
  • the joint 15 is for example a swivel joint. But it can also be another joint, for example a
  • the working means 2 forms a so-called three-dimensional
  • Computer mouse For example, it is available at www.sensable.com/products or www.irnmersion.com/digitizer/microscribe. However, such a computer mouse does not necessarily have to be manufactured mechanically with joints.
  • the arm 12 is preferably multi-part and provided with a plurality of joints and arm parts.
  • the embodiment shown in Figure 1 shows another joint 16 which connects a central part 13 with the arm 12.
  • the middle part 13 is connected via a further joint 17 with a front part 14.
  • the joints 16 and 17 can be connected to a motor and a goniometer. These motors and goniometers are also connected to the computer 7 for signal transmission. Also conceivable is an operation without an engine by hand.
  • the motors of the joints 16 and 17 can thus also be controlled via the computer 7.
  • the angular settings of the joints 16 and 17 are measured and the measured values are transmitted to the computer 7.
  • the joints 16 and 17 are, for example, hinges, but can also other joints, for example Be ball joints.
  • the hinges 15, 16 and 17 are formed so that a front end 14a of the front part 14 is movable in all directions.
  • the corresponding spatial position of the front end 14a can be calculated in the computer 7 in each case. If the end 14a is manually moved from a first position A to a second position B, the corresponding position changes are transmitted continuously and in real time to the computer.
  • other or other joints are possible. For example, a pivot with a vertical axis is conceivable around which the arm 12 is pivotable.
  • a fastening means 18 is arranged, with which a part 19 with the arm 12 is connectable.
  • the part 19 is in particular an instrument, a tool or an implant.
  • the instrument may be, for example, a pointing instrument, a probe or the like.
  • the tool is for example a drill or a milling cutter.
  • the implant may be any medical implant, such as a dental implant.
  • the part 19 can also be an aid, for example a drill sleeve. It is essential that the part 19 can be fastened in a predetermined position and orientation at the end 14a.
  • the computer 7 can calculate the position and orientation of the part 19 and, on the other hand, control this position and orientation.
  • the position and orientation of the part 19 can also be displayed on a screen 8 of the computer 7. If the position of the part 19 is changed, this change becomes substantially simultaneously visible on the screen 8. Apart from the part 19 also other parts of the working means 2 can be shown on the screen 8. These representations can also be schematic.
  • the fastening means 18 may be formed, for example, as a clamp, as a latching device or the like. With the fastening means 18, the part can be releasably secured to the front part 14 in a predetermined position.
  • a fixing element 4 is arranged, on which a Referenz ists- 3 is positioned.
  • the positioning of the referencing means 3 on the fixing element 4 is shown schematically in FIGS. 2a and 2b.
  • the fixing element 4 has for this purpose a recess 4a, which is at least partially formed corresponding to the referencing means 3.
  • the fixing element 4 is Preferably, fixedly connected to the carrier 6 and has a certain distance to the working means 2.
  • the referencing means 3, however, is movable and attached to a holder 5.
  • the fixing element 4 is shown here only schematically.
  • the connection between this and the referencing means 3 can be arbitrary per se, for example, this connection can be a plug connection, a latching connection or for example also a bayonet connection or the like.
  • FIGS. 4 and 5 show an alternative fixing element 4, which is angular, but otherwise has the same function as the fixing element 4.
  • the holder 5 is used for example for receiving a drill sleeve 22.
  • This drill sleeve 22 serves to guide a drill, with which a hole for receiving an implant is drilled in a jawbone at a predetermined location.
  • Such drill sleeves 22 and implants are well known in dentistry and therefore need not be further explained here.
  • the holder 5 is designed so that it can be repositionably attached to a jaw 10, as shown schematically in Figure 3.
  • the holder 5 has, for example, at the bottom of a plastic and curable material 5 a. If the holder 5 is placed on the jaw 10, then this mass is 5a, in particular plastically deformed by the teeth of the jaw 10. If the holder 5 is removed from the jaw 10, the plastic deformation is retained and can be attached to the jaw 10 in the same position as before. Since the referencing means 3 is fixedly connected to the holder 5, the referencing means 3 can thus be repositionably attached to the jaw 10.
  • the arrangement according to the invention also comprises an image acquisition device 9 shown schematically in FIG. 4.
  • This is, for example, a computer tomograph, a "cone beam Computed Tomograph ", a” Magnetic Resonance Imaging Device “or an ultrasound device With this image acquisition device 9, a three-dimensional image can be acquired and stored in the computer 7.
  • FIG. 4 shows schematically an arrangement with which an image of a jaw 10 with an am Jaw 10 and a referencing means 3.
  • the referencing means 3 is positioned on a fixation element 4 'fixedly connected to the image acquisition device 9 via a support 23.
  • fixation element 4' and the support allow the patient to move during the It would also be conceivable to fix it not on the image acquisition device, but on a building wall, for example, in this image the above-mentioned three edges 3a, 3b and 3c and the corner 21 as Coordinates can be detected with according to Figure 1 on a support 6 or according to Figure 4 directly to the body to be treated or to a jaw 10 be attached. In one case, the processing takes place with the working means 2 outside the body and in the other case directly on the body.
  • the arrangement 1 makes it possible to control the working means 2 with the computer 7 and, on the other hand, to transfer process steps developed interactively, simultaneously and referenced back to reality on a computer model.
  • the drill sleeve 22 is attached to the bracket 5 or a surgical procedure is performed, for example, an implant introduced or as explained above in the jaw 10 for setting an implant drilled.
  • the processes can be executed bidirectionally, ie from the virtual computer model to the real and vice versa.
  • the angles, length measurements and spatial coordinates determined by the goniometers are detected by the working means 2 and transmitted either directly or indirectly, for example by means of the holder 5 to the patient.
  • Process planning and process executions are coupled by the work tool 2 with the computer model.
  • Process steps, such as drilling the jaw 10, may thus be performed interactively, simultaneously, bidirectionally, and under referenced conditions.
  • setting an implant for fixing an artificial tooth can be planned and performed.
  • the planning is based on a computer model on the computer 7.
  • the computer model is based on a three-dimensional image that was created with the image acquisition device 9.
  • the appropriate position of the provided artificial tooth can be accurately planned on the screen 8.
  • the hole provided for this purpose can be done directly on the jaw 10 or on the bracket 5.
  • part 19 is shown as a template.
  • the real drill bit and the drilling axis then correspond in a virtual model exactly the drill bit and the drilling axis.
  • the corresponding work process can be tracked and if necessary also corrected, controlled and optimized. Instead of the transfer from the virtual computer model to the real one, the reversal is possible due to the bidirectionality.
  • a work process can be carried out first and controlled and optimized in a process planning on the computer model.
  • process planning and process execution can also be carried out simultaneously.
  • the arrangement 1 thus makes it possible that process planning and process execution can be transmitted interactively, simultaneously, bidirectionally and referenced from the real to a virtual computer model and vice versa.
  • a significant advantage is seen in the fact that the choice of different referencing variants is possible. In particular, an adapted procedure is thus possible depending on the type of medical or dental intervention.
  • FIG. 5 again shows the interactive planning and implementation of the method according to the invention using the working means 2 embodied as a three-dimensional computer mouse.
  • the position of the implant and the axis are transmitted from the computer model to the repositionable holder 5 through a hole and the setting of a drill sleeve 22.
  • the planning and transmission is preferably supported by a haptic positional sensing of the computer mouse.
  • the work equipment can be used interoperatively as a surgical guide.

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Abstract

Die Anordnung zum Planen und Durchführen eines chirurgischen Eingriffs umfasst ein medizinisches Bilderfassungsgerät (9), einen Rechner (7) zum Speichern und Erstellen eines Computermodells mit den vom Bilderfassungsgerät (9) ermittelten Bilddaten und ein Arbeitsmittel (2) zum Durchführen eines Bearbeitungsvorgangs. Das Arbeitsmittel (2) ist als dreidimensionale Computermaus ausgebildet und besitzt Verbindungsmittel (18), mit denen ein Teil (19), beispielsweise ein Instrumenten, ein Werkzeug oder ein Implantat positionierbar ist. Der Teil (19) wird in einem Computermodell des zu behandelnden Teils (19) des Patienten als Template dargestellt.

Description

ANORDNUNG 2UM PLANEN UND DURCHFÜHREN EINES CHIRURGISCHEN EINGRIFFS
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Planen und Durchführen eines chirurgischen Eingriffs, umfassend ein medizinisches Bilderfassungsgerät und einen Rechner zum Speichern und Erstellen eines Computermodells mit den vom Bilderfassungsgerät ermittelten Bilddaten.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Planen eines chirurgischen Eingriffs unter Verwendung einer solchen Anordnung sowie ein Arbeitsmittel zum Planen und Durchführen eines chirurgischen Eingriffs.
Bei der Planung eines operativen Eingriffs müssen die individuellen Verhältnisse exakt untersucht werden, um an der geeigneten Stelle den vorgesehenen Eingriff vornehmen zu können. Ein solcher Eingriff ist beispielsweise eine Knochenbohrung zur Aufnahme eines
Implantats, beispielsweise eines Implantats zum Befestigen eines Zahns. Beispielsweise müssen die anatomischen Verhältnisse, wie beispielsweise die Lage benachbarter
Zahnwurzeln, die Lage der Kieferhöhle und der intraossären Blutgefässe und Nerven, die Knochenqualität und -quantität als auch ästhetische und funktionelle Aspekte berücksichtigt werden. Solche Planungen können sehr zeitaufwendig und teuer sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung und ein Verfahren der genannten Art zu schaffen, welche die Planung von operativen Eingriffen im medizinischen und insbesondere im zahnmedizinischen Bereich vereinfachen. Die Erfindung ist bei einer gattungsgemässen Anordnung gemäss Anspruch 1 gelöst. Das Arbeitsmittel besitzt in der Prozessplanung die Funktion einer Computermaus (Planung des Eingriffs am 3D Computermodell), in der Prozessfuhrung die Funktion eines dem Fachmann bekannten medizinischen Navigationsgeräts (z.B. zum Positionieren eines Implantats). Das Arbeitsmittel besitzt also beide Funktionen zugleich. Ferner kann die Prozessplanung und -ausfuhrung bidirektional, interaktiv, simultan und referenziert erfolgen.
Mit der erfmdungsgemässen Anordnung können am Computermodell Prozessschritte geplant werden. Diese können nach Abschluss der Planung aufgrund der Verbindung des Rechners mit dem Arbeitsmittel ins Reale übertragen werden. Beispielsweise kann ein Knochen gebohrt werden oder es kann beispielsweise eine Bohrschablone in eine Halterung gesetzt werden. Wesentlich ist auch, dass Arbeitsschritte der Prozessplanung und Prozessausfuhrung bidirektional ausführbar sind, d.h. vom virtuellen Computermodell ins Reale und umgekehrt: So ist es beispielsweise möglich, Prozessschritte zuerst im Realen zu analysieren, z.B. Positionsanalyse am Patienten oder an der Bohrschablone mittels der 3 D-Computermaus, um dann diese Informationen mit der Computermaus auf das Computermodell zur Prozessplanung zu übertragen (vom Realen ins virtuelle Computermodell. Im umgekehrten Sinn ist es auch möglich, die am Computermodell getätigte Prozessplanung mittels der 3 D-Computermaus wiederum auf den Patienten oder eine Bohrschablone zu übertragen (vom virtuellen Computermodell ins Reale). Durch eine Echtzeitabgleichung der virtuellen mit der realen Position ist eine Interaktivität gewährleistet. Simultaneität bedeutet, dass die Prozessplanung und die Prozessausfuhrung auch gleichzeitig durchführbar sind. Die Prozessplanung und auch die Prozessausführung erfolgen aufgrund einer Referenzierung. Mit der erfindungsgemässen Anordnung ist es somit möglich, einen chirurgischen Eingriff interaktiv, simultan, bidirektional und referenziert durchzuführen. Hierbei stehen mehrere unterschiedliche Referenzierungsmittel zur Verfügung, sodass eine weitgehende Anpassung an die Art des medizinischen bzw. zahnmedizinischen Eingriffs möglich ist.
Mit der erfindungsgemässen Anordnung können medizinische Eingriffe wesentlich vereinfacht, insbesondere zeitlich verkürzt und zudem das Operationstrauma vermindert werden. Insbesondere im Vergleich zu bekannten Navigations- und computerisierten Planungssystemen ergibt sich eine wesentliche Kostenverminderung und Prozessvereinfachung. Dies ergibt sich insbesondere dadurch, dass für die Prozessplanung und die Prozessausführung dasselbe Gerät verwendet werden kann, und insbesondere die Idee zugrunde liegt, dass als Gerät bzw. Arbeitsmittel eine dem Fachmann bekannte, bedarfsweise modifizierte, 3D Computermaus mit sechs Freiheitsgraden zum Einsatz kommen kann. Dieses spezielle Arbeitsmittel hat im Vergleich zu anderen möglichen technischen Lösungen den Vorteil, dass es die Funktion einer konventionellen Computermaus und die Funktion eines medizinischen Navigationsgeräts zugleich besitzt und zugleich wesentlich kostengünstiger erwerbbar ist, als die dem Fachmann bekannten speziell konzipierten Arbeitsmittel, wie Navigationsgeräte und andere computerisierte Planungssysteme für den medizinischen Bereich.
Mit der erfindungsgemässen Anordnung ist es beispielsweise möglich, dass ein Implantat, beispielsweise ein Zahnimplantat im virtuellen Computermodell geplant und dessen
Position durch einen am Arbeitsmittel befestigten Bohrer ins Reale übertragen wird.
Veränderungen durch den Bohrer, insbesondere das Bohrloch können am Computermodell dargestellt werden. Anstelle eines Bohrers kann aber beispielsweise auch eine Bohrhülse auf eine Bohrschablone übertragen werden. Die Anschaffung von sehr viel teureren Gerätschaften oder auswärtiger technischer Hilfe sind nicht mehr notwendig, sodass die
Kosten und insbesondere auch der Zeitaufwand verringert werden können.
Mit der Anordnung kann auch ein direkter Einsatz am Patienten geplant werden. Dies kann beispielsweise ein Hals-Nasen-Ohren-Eingriff oder ein kieferchirurgischer Eingriff sein. Am Anschlussmittel können unterschiedliche Instrumente und Werkzeuge, wie beispielsweise Bohrer, Positionierungshilfen, Zeigeinstrumente oder auch Implantate befestigt werden. Die Implantate können künstliche Teile oder auch Körperteile, wie beispielsweise Knochensegmente sein.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der dreidimensional bewegbare Arm gelenkig ausgebildet. Insbesondere besteht der bewegbare Arm aus mehreren Teilen, die mit Gelenken miteinander verbunden sind. Zur Lagebestimmung sind ein oder mehrere Goniometer vorgesehen, die den Winkel zwischen zwei Teilen des Arms mechanisch oder elektronisch bestimmen. Die entsprechenden Werte werden an den Rechner übertragen. Dies ermöglicht die Herstellung eines vergleichsweise kostengünstigen und dennoch sehr präzisen Arbeitsmittels.
Eine Weiterbildung der Erfindung beinhaltet einen Korrekturvorgang für die Anordnung und das Verfahren, denn es können potentiell relevante Positionierungsgenauigkeiten zwischen realer und virtueller Position des relevanten Teils des Arbeitsmittels bzw. des zu positionierenden Instruments, Werkzeugs oder Implantats entstehen. Indem nach dem Positionieren des Instruments, Werkzeugs oder Implantats wiederum eine Bildgebung zur Evaluation der Ist- von der Soll-Position des relevanten Teils des Arbeitsmittels und/oder Instruments, Werkzeugs oder Implantats gemacht wird, können mögliche Positionsabweichungen nachkorrigiert werden. Diese Nachkorrektur erfolgt durch manuelles oder motorisiertes Nachjustieren des Arbeitsmittels und daran befestigte Instrumente, Werkzeuge oder Implantate unter Visualisierung auf einem Computermodell der Ist- in die Soll-Position.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Fixationselement auch am Bilderfassungsgerät oder in dessen erreichbaren Nähe (z.B. nahe gelegene Wand) angeordnet ist. Somit kann auch das Bilderfassungsgerät selbst und somit die Bildgebung referenziert werden, indem der Patient mit an ihm befestigten Referenzierungsmitteln für die Bildaufhahme temporär fixiert ist. Eine solche Fixierung während der Bildgebung hat zusätzlich den Vorteil, dass die dem Fachmann bekannten Bewegungsartefakte minimiert werden und/oder gleichzeitig der medizinische Eingriff in unmittelbarer Nähe des Bilderfassungsgeräts referenziert durchgeführt werden kann.
Der Arm besitzt gemäss einer Weiterbildung der Erfindung Verbindungsmittel, mit denen das Werkzeug, das Instrument oder das Implantat in vorbestimmter Stellung am Arm befestigbar sind. Diese Befestigungsmittel befinden sich vorzugsweise an einem freien Ende des Arms. Das Instrument, Werkzeug oder Implantat werden im Computermodell als virtuelles Template angezeigt. Die Lage des Instruments, des Werkzeugs oder des Implantats ist mit der Position des virtuellen Templates lagegerecht synchronisiert. Die Position des Templates im Computermodell bezüglich des Referenzierungsmittels entspricht somit immer aktuell der Position des Instruments, Werkzeugs oder Implantats.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Arm in einer wählbaren Positionen fixierbar ist. Beispielsweise kann der Arm zum Bohren in der vorgesehenen Position bzw. Ausrichtung fixiert werden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Arm an einem Vorderteil führbar.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine repositionierbare Halterung vorgesehen ist, die mit dem Referenzierungsmittel verbunden ist. Die repositionierbare Halterung ist beispielsweise ein Teil, das am Körper des Patienten, beispielsweise am Kiefer in vorbestimmter Position befestigbar ist. Beispielsweise kann die Halterung eine plastische aushärtbare Masse sein. Die Halterung wird beispielsweise auf den Kiefer bzw. Zähne des Kiefers aufgesetzt, wobei die plastische Masse verformt wird. Ist die Masse ausgehärtet, so kann die Halterung abgenommen und kann dann jederzeit am Kiefer befestigt werden, wobei das Referenzierungsmittel immer die gleiche Position bezüglich des Körperteils bzw. des Kiefers einnimmt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das Arbeitsmittel auf einen Träger bzw. einer Platte montiert. Vorzugsweise ist auf dem Träger zudem ein Fixationselement angeordnet, an dem das Referenzierungsmittel positionierbar ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache und sichere Referenzierung, beispielsweise einer Halterung. Insbesondere kann damit eine repositionierbare Halterung auf dem Träger mit dem Arbeitsmittel bearbeitet werden. Beispielsweise kann die Halterung gebohrt und mit einer Bohrhülse versehen werden.
Beim erfindungsgemässen Verfahren ist gemäss einer Weiterbildung vorgesehen, dass die Position des Arbeitsmittels und des Referenzierungsmittels auf das Computermodell übertragen und in diesem dargestellt werden, dass im Computermodell zudem ein Template dargestellt wird, das einem am Arbeitsmittel anbringbaren Teil, beispielsweise einem Instrument, einem Werkzeug oder einem Implantat entspricht und dass der chirurgische Eingriff anhand des Computermodells geplant wird. Am Computer getätigte Prozessschritte können interaktiv, simultan und referenziert ins Reale übertragen werden. Vom Computermodell können medizinische Eingriffe getätigt werden. Zudem können diese Eingriffe analysiert und gegebenenfalls korrigiert werden. Mit dem Arbeitsmittel können einerseits ermittelte Werte, wie beispielsweise Winkel, Längenmessungen und Raumkoordinaten erfasst und andererseits können mit demselben Arbeitsmittel direkt oder indirekt Arbeitsvorgänge durchgeführt werden. Prozessplanung und Prozessausführung können somit über das Arbeitsmittel bzw. über den Rechner gekoppelt werden. Dies ermöglicht eine interaktive, simultane und bidirektionale Arbeitsweise.
Weitere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Zeichnung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 schematisch eine räumliche Ansicht einer erfindungsgemässen Anordnung,
Figur 2a schematisch eine Teilansicht der Anordnung gemäss Figur 1, wobei die Positionierung eines Referenzierungsmittels an einem Fixierungselement illustriert ist,
Figur 2b eine Darstellung gemäss Figur 2a, wobei das Referenzierungsmittel am Fixierungselement in vorbestimmter Position ausgerichtet ist,
Figur 3 schematisch eine an einem Kiefer positionierte Halterung und ein mit dieser verbundenes Referenzierungsmittel,
Figur 4 schematisch ein Bilderfassungsgerät mit einem an diesem befestigten Referenzierungsmittel und
Figur 5 eine weitere Ansicht einer erfindungsgemässen Anordnung. Die in Figur 1 gezeigte erfindungsgemässe Anordnung 1 weist ein Arbeitsmittel 2 auf, das auf einem Träger 6, beispielsweise einer Platte oder dergleichen angeordnet ist und das über eine Signalleitung 20 mit einem Rechner 7, beispielsweise einem Läbtop verbunden ist. Das Arbeitsmittel 2 ist zudem zur Stromversorgung mit einem hier nicht gezeigten Kabel mit einer Energiequelle verbunden. Grundsätzlich kann das Arbeitsmittel 2 aber auch von einer Batterie gespiesen sein. Das Arbeitsmittel 2 ist vom Rechner 7 gesteuert, der die entsprechenden Programme enthält.
Das Arbeitsmittel 2 weist ein Gestell 11 auf, an dem ein Arm 12 gelagert ist. Dieser Arm 12 ist um ein erstes Gelenk 15 schwenkbar. Die Bewegung erfolgt vorzugsweise von
Hand. Grundsätzlich ist aber auch eine Bewegung mit Motoren möglich. Weiter ist im
Gelenk 15 ein Goniometer angeordnet, das die Winkellage des Arms 12 misst. Die entsprechenden Messwerte bzw. Winkel werden über die Signalleitung 20 dem Rechner 7 zugeführt. Die Winkeländerungen werden über den genannten Goniometer laufend gemessen und entsprechende Messwerte an den Rechner 7 übermittelt. Das Gelenk 15 ist beispielsweise ein Drehgelenk. Es kann aber auch ein anderes Gelenk, beispielsweise ein
Kugelgelenk oder Drehgelenk sein. Wesentlich ist, dass Bewegungen in allen Richtungen möglich sind. Das Arbeitsmittel 2 bildet eine so genannte dreidimensionale
Computermaus. Eine solche wird beispielsweise unter www.sensable.com/products oder www.irnmersion.com/digitizer/microscribe angeboten. Eine solche Computermaus muss aber nicht zwingend mechanisch mit Gelenken hergestellt sein.
Der Arm 12 ist vorzugsweise mehrteilig und mit mehreren Gelenken und Armteilen versehen. Das in Figur 1 gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt ein weiteres Gelenk 16, das einen Mittelteil 13 mit dem Arm 12 verbindet. Der Mittelteil 13 ist über ein weiteres Gelenk 17 mit einem Vorderteil 14 verbunden sein. Die Gelenke 16 und 17 können mit einem Motor und einem Goniometer verbunden. Diese Motoren und Goniometer sind zudem zur Signalübermittlung mit dem Rechner 7 verbunden. Denkbar ist auch eine Betätigung ohne Motor von Hand. Die Motoren der Gelenke 16 und 17 können somit ebenfalls über den Rechner 7 gesteuert werden. Die Winkeleinstellungen der Gelenke 16 und 17 werden gemessen und die Messwerte dem Rechner 7 übermittelt. Die Gelenke 16 und 17 sind beispielsweise Drehgelenke, können aber auch andere Gelenke, beispielsweise Kugelgelenke sein. Die Gelenke 15, 16 und 17 sind so ausgebildet, dass ein vorderes Ende 14a des Vorderteils 14 in allen Richtungen bewegbar ist. Aufgrund der Messungen der Goniometer ist die entsprechende räumliche Position des vorderen Endes 14a jeweils im Rechner 7 berechenbar. Wird das Ende 14a von Hand von einer ersten Position A in eine zweite Position B bewegt, so werden die entsprechenden Positionsänderungen laufend und in Echtzeit dem Rechner übermittelt. Zusätzlich zu den genannten Gelenken sind auch noch weitere oder andere Gelenke möglich. Beispielsweise ist ein Drehgelenk mit einer vertikalen Achse denkbar, um das der Arm 12 schwenkbar ist.
Am Ende 14a des Vorderteils 14 ist ein Befestigungsmittel 18 angeordnet, mit dem ein Teil 19 mit dem Arm 12 verbindbar ist. Der Teil 19 ist insbesondere ein Instrument, ein Werkzeug oder ein Implantat. Das Instrument kann beispielsweise ein Zeigeinstrument, eine Sonde oder dergleichen sein. Das Werkzeug ist beispielsweise ein Bohrer oder ein Fräser. Das Implantat kann irgendein medizinisches Implantat sein, beispielsweise ein zahnmedizinisches Implantat. Das Teil 19 kann aber auch ein Hilfsmittel, beispielsweise eine Bohrhülse sein. Wesentlich ist, dass das Teil 19 in vorbestimmter Position und Ausrichtung am Ende 14a befestigbar ist. Über die genannten Goniometer kann der Rechner 7 die Position und Ausrichtung des Teils 19 berechnen und andererseits diese Position und Ausrichtung steuern. Die Position und Ausrichtung des Teils 19 kann zudem auf einem Bildschirm 8 des Rechners 7 bildlich dargestellt werden. Wird die Position des Teils 19 verändert, so wird diese Veränderung im Wesentlichen gleichzeitig auf dem Bildschirm 8 sichtbar. Ausser dem Teil 19 können auch weitere Teile des Arbeitsmittels 2 auf dem Bildschirm 8 dargestellt sein. Diese Darstellungen können auch schematisch sein. Das Befestigungsmittel 18 kann beispielsweise als Klemme, als Rastvorrichtung oder dergleichen ausgebildet sein. Mit dem Befestigungsmittel 18 kann der Teil in einer vorbestimmten Position lösbar am Vorderteil 14 befestigt werden.
Auf dem Träger 6 ist ein Fixierungselement 4 angeordnet, an dem ein Referenzierungs- mittel 3 positionierbar ist. Das Positionieren des Referenzierungsmittels 3 am Fixierungselement 4 ist in den Figuren 2a und 2b schematisch dargestellt. Das Fixierungselement 4 besitzt hierzu eine Ausnehmung 4a, die wenigstens bereichsweise korrespondierend zum Referenzierungsmittel 3 ausgebildet ist. Das Fixierungselement 4 ist vorzugsweise fest mit dem Träger 6 verbunden und besitzt einen bestimmten Abstand zum Arbeitsmittel 2. Das Referenzierungsmittel 3 ist hingegen beweglich und an einer Halterung 5 angebracht. Das Fixierungselement 4 ist hier lediglich schematisch dargestellt. Die Verbindung zwischen diesem und dem Referenzierungsmittel 3 kann an sich beliebig sein, beispielsweise kann diese Verbindung eine Steckverbindung, eine Rastverbindung oder beispielsweise auch eine Bajonettverbindung oder dergleichen sein. Wesentlich ist, dass die Position des Referenzierungsmittels 3 mit dem Fixierungselement 4 bezüglich des Arbeitsmittels 2 genau festlegbar ist. Die Referenzierung erfolgt hier beispielsweise bezüglich den in Figur 2a gezeigten Kanten 3 a, 3b und 3 c, die eine gemeinsame Ecke 21 besitzen und vorzugsweise rechtwinklig zueinander verlaufen. Der Träger 6 verbindet somit das Referenzierungsmittel 3 fest mit dem Arbeitsmittel 2. Die Figuren 4 und 5 zeigen ein alternatives Fixierungselement 4, das winkelförmig ausgebildet ist, aber ansonst die gleiche Funktion hat wie das Fixierungselement 4.
Die Halterung 5 dient beispielsweise zur Aufnahme einer Bohrhülse 22. Diese Bohrhülse 22 dient zur Führung eines Bohrers, mit dem in einem Kieferknochen an einer vorbestimmten Stelle ein Loch zur Aufnahme eines Implantats gebohrt wird. Solche Bohrhülsen 22 und Implantate sind in der Zahnmedizin gut bekannt und brauchen deshalb hier nicht weiter erläutert zu werden.
Die Halterung 5 ist so ausgebildet, dass sie repositionierbar an einem Kiefer 10 befestigt werden kann, wie dies in der Figur 3 schematisch dargestellt ist. Dazu besitzt die Halterung 5 beispielsweise an der Unterseite eine plastische und aushärtbare Masse 5 a. Wird die Halterung 5 auf den Kiefer 10 aufgesetzt, so wird diese Masse 5a, insbesondere durch die Zähne des Kiefers 10 entsprechend plastisch verformt. Wird die Halterung 5 vom Kiefer 10 weggenommen, so bleibt die plastische Verformung erhalten und kann in der gleichen Position wie vorher am Kiefer 10 angebracht werden. Da das Referenzierungsmittel 3 fest mit der Halterung 5 verbunden ist, ist somit auch das Referenzierungsmittel 3 repositionierbar am Kiefer 10 befestigbar.
Die erfmdungsgemässe Anordnung umfasst zudem eine in Figur 4 schematisch gezeigtes Bilderfassungsgerät 9. Dieses ist beispielsweise ein Computertomograph, ein "Cone Beam Computed Tomograph", ein "Magnet Resonance Imaging-Gerät" oder ein Ultraschallgerät. Mit diesem Bilderfassungsgerät 9 kann ein dreidimensionales Bild erfasst und im Rechner 7 gespeichert werden. Die Figur 4 zeigt schematisch eine Anordnung, mit der ein Bild eines Kiefers 10 mit einer am Kiefer 10 repositionierten Halterung 5 und eines Referenzierungsmittels 3 hergestellt werden kann. Das Referenzierungsmittel 3 ist an einem Fixierungselement 4' positioniert, das über eine Halterung 23 fest mit dem Bilderfassungsgerät 9 verbunden ist. Mit dem Fixierungselement 4' und der Halterung kann der Patient während der Bildaufhahrne immobilisiert werden und dadurch können an sich bekannte Artefakte wesentlich vermindert werden. Denkbar wäre auch eine Fixierung nicht am Bilderfassungsgerät, sondern beispielsweise an einer Gebäudewand. In diesem Bild können die oben genannten drei Kanten 3 a, 3b und 3 c sowie die Ecke 21 als Koordinaten erfasst werden. Das Referenzierungsmittel 3 kann somit gemäss Figur 1 auf einem Träger 6 oder gemäss Figur 4 direkt an dem zu behandelnden Körper bzw. an einem Kiefer 10 befestigt sein. In einem Fall erfolgt die Bearbeitung mit dem Arbeitsmittel 2 ausserhalb des Körpers und im anderen Fall direkt am Körper.
Die erfindungsgemässβ Anordnung 1 ermöglicht es, das Arbeitsmittel 2 mit dem Rechner 7 zu steuern und andererseits an einem Computermodell erarbeitete Prozessschritte interaktiv, simultan und referenziert zurück ins Reale zu übertragen. Bei dieser Übertragung wird beispielsweise die Bohrhülse 22 an der Halterung 5 befestigt oder es wird ein chirurgischer Eingriff durchgeführt, beispielsweise ein Implantat eingeführt oder wie oben erläutert im Kiefer 10 zum Setzen eines Implantats gebohrt. Die Prozesse sind bidirektional ausführbar, d.h. vom virtuellen Computermodell ins Reale und umgekehrt. Zur Steuerung des Teils 19 werden die von den Goniometern ermittelten Winkel, Längenmessungen und Raumkoordinaten durch das Arbeitsmittel 2 erfasst und entweder auf direktem Weg oder indirekt, beispielsweise mittels der Halterung 5 auf den Patienten übertragen. Prozessplanung und Prozessausfuhrungen werden durch das Arbeitsmittel 2 mit dem Computermodell gekoppelt. Prozessschritte, beispielsweise das Bohren des Kiefers 10, können somit interaktiv, simultan, bidirektional und unter referenzierten Bedingungen durchgeführt werden. Mit der Anordnung 1 kann beispielsweise das Setzen eines Implantats zum Befestigen eines künstlichen Zahns geplant und durchgeführt werden. Die Planung erfolgt aufgrund eines Computermodells am Rechner 7. Das Computermodell basiert auf einem dreidimensionalen Bild, das mit dem Bilderfassungsgerät 9 erstellt wurde. Anhand dieses Computermodells kann auf dem Bildschirm 8 die geeignete Position des vorgesehenen künstlichen Zahns genau geplant werden. Die hierzu vorgesehene Bohrung kann direkt am Kiefer 10 oder über die Halterung 5 erfolgen. Im Computermodell ist das Teil 19 als Template dargestellt. Die reale Bohrspitze und die Bohrachse entsprechen dann in einem virtuellen Modell genau der Bohrspitze und der Bohrachse. Bei der Durchführung des Arbeitsschritts kann der entsprechende Arbeitsprozess verfolgt und gegebenenfalls auch korrigiert, kontrolliert und optimiert werden. Anstelle der Übertragung vom virtuellen Computermodell ins Reale ist aufgrund der Bidirektionalität auch die Umkehrung möglich. Es kann somit auch zuerst ein Arbeitsvorgang durchgeführt und dieser in einer Prozessplanung am Computermodell kontrolliert und optimiert werden. Aufgrand der Simultaneität können zudem Prozessplanung und Prozessausführung auch gleichzeitig ausgeführt werden. Die Anordnung 1 ermöglicht es somit, dass eine Prozessplanung und Prozessausführang interaktiv, simultan, bidirektional und referenziert vom realen auf ein virtuelles Computermodell und umgekehrt übertragen werden können. Ein wesentlicher Vorteil wird darin gesehen, dass die Wahl von verschiedenen Referenzierungsvarianten möglich ist. Insbesondere ist damit in Abhängigkeit von der Art des medizinischen oder zahnmedizinischen Eingriffs ein adaptiertes Vorgehen möglich.
Die Figur 5 zeigt nochmals die interaktive Planung und Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens unter Verwendung des als dreidimensionale Computermaus ausgebildeten Arbeitsmittels 2. Die Position des Implantats und die Achse wird vom Computermodell auf die repositionierbare Halterung 5 durch eine Bohrung und das Setzen einer Bohrhülse 22 übertragen. Die Planung und Übertragung wird vorzugsweise durch eine haptische Positionsführung (haptic positional sensing) der Computermaus unterstützt. Nach dem Planungsverfahren kann das Arbeitsmittel interoperativ als chirurgischen Führungsmittel verwendet werden. Bezugszeichenüste
Anordnung 11 Gestell
Arbeitsmittel 12 Arm
Referenzierungsmittel 13 Mittelteila Kante 14 Vorderteilb Kante 14a Ende c Kante 15 Gelenk
Fixationselement 16 Gelenk a Ausnehmung 17 Gelenk
Halterung 18 Befestigungsmittela Masse 19 Teil
Träger 20 Leitung
Rechner 21 Ecke
Bildschirm 22 Bohrhülse
Bilderfassungsgerät 23 Halterung
Kiefer

Claims

Patentansprüche
1. Anordnung zum Planen und Durchfuhren eines chirurgischen Eingriff, umfassend
A) ein medizinisches Bilderfassungsgerät (9)
B) einen Rechner (7) zum Speichern und Erstellen eines Computermodells mit den vom Bilderfassungsgerät (9) ermittelten Bilddaten,
C) ein Arbeitsmittel (2) zum Durchführung eines Bearbeitungsvorgangs,
dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel (2) als dreidimensionale Computermaus ausgebildet ist und Verbindungsmittel (18) zum Befestigen eines Teils (19), beispielsweise eines Instruments, eines Werkzeugs oder Implantats aufweist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel (2) einen gelenkigen Arm (12) aufweist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Teil (19) in vorbestimmter Position und Ausrichtung an einem vorderen Ende des Arbeitsmittels (2) befestigbar ist und dass der Teil (19) im Computermodell als virtuelles Template dargestellt wird.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Position des Teils (19) mit der Position des virtuellen Templates im Computermodell synchronisiert ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm (12) in wählbaren Positionen fixierbar ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm (12) wenigstens ein Gelenk (15, 16, 17) und zur Lagebestimmung wenigstens ein Goniometer aufweist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Arm (12) von Hand an einem Vorderteil (14) geführt werden kann.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Referenzierungsmittel (3) vorgesehen ist, an dem das Arbeitsmittel (2) referenzierbar ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine repositionierbare Halterung (5) vorgesehen ist, die an einem Körperteil (10) eines Patienten repositionierbar ist.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die repositionierbare Halterung (5) an einem Kiefer (10) repositionierbar ist.
11. Anordnung nach Ansprach 10, dadurch gekennzeichnet, dass die repositionierbare Halterung (5) als Bohrschablone ausgebildet ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel (2) auf einem Träger (6) montiert ist.
13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Träger (6) ein Fixierungselement (4) angeordnet ist, an dem das Referenzierungsmittel (3) positionierbar ist.
14. Verfahren zum Planen eines chirurgischen Eingriffs unter Verwendung einer Anordnung (2) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 13, die wenigstens ein medizinisches Bilderfassungsgerät (9) und einen Rechner (7) zum Speichern und Erstellen eines Computermodells mit den vom Bilderfassungsgerät (9) ermittelten Bilddaten sowie ein Arbeitsmittel (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmittel (2) als dreidimensionale Computermaus ausgebildet ist und dass für den chirurgischen Eingriff am Arbeitsmittel (2) ein Teil (19), beispielsweise ein Instrumenten, ein Werkzeug oder ein Implantat befestigt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem mit Hilfe des Bilderfassungsgeräts (9) erstelltes Computermodell die vorgesehene reale Position des am Arbeitsmittel (2) anbringbaren Teils (19) räumlich mit einem Template dargestellt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die reale Position eine Position an einem Körperteil eines Patienten ist.
17. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die reale Position eine Position an einer repositionierbaren Halterung (5) ist.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die reale Position die Position einer Bohrhülse (22) oder eines Bohrers ist.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf des Patienten während der Bildaufnahme immobilisiert wird, beispielsweise durch eine Fixierung am Bildaumahmegerät oder einer Wand.
20. Arbeitsmittel zum Planen und Durchführen eines chirurgischen Eingriffs, dadurch gekennzeichnet, dass es als dreidimensionale Computermaus ausgebildet ist und dass es Verbindungsmittel (18) zum Befestigen eines Teils (19) aufweist, mit dem der chirurgische Eingriff durchführbar ist.
21. Arbeitsmittel nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass es einen gelenkigen Arm (12) aufweist.
22. Arbeitsmittel nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsmittel (18) an einem vorderen freien Ende angeordnet ist.
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