DE19747427C2 - Vorrichtung zur Knochensegmentnavigation - Google Patents
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Description
Die Erfingung geht aus von einer Vorrichtung zur Knochensegmentnavigation
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der US 5,279,309 bekannt. Dabei
wird die Position des Knochsegements mit Hilfe von Markern
erfaßt, welche an in die Knochensegmentoberfläche eindringenden
Nadeln in Abstand von der Knochensegmentoberfläche angeordnet
sind.
Diese Anordnung der als Leuchtdioden (LED) ausgebildeten Marker
läßt aber ihre exakte räumliche Beziehung zu dem Knochensegment
bzw. dem präoperativen Datensatz grundsätzlich offen. Dem kann
dadurch begegnet werden, daß der präoperative Datensatz
bereits mit den in das Knochensegment eingesteckten Nadeln
erstellt wird, was allerdings einen den Patienten belastenden,
der eigentlichen Knochensegmentverschiebung vorausgehenden
chirurgischen Eingriff zum Setzen der Markernadeln erforderlich
macht.
Eine andere in der US 5,279,309 angesprochene Möglichkeit, die
Marker in räumliche Beziehung zu dem Knochensegment zu setzen,
besteht darin, sowohl die Marker als auch das Knochensegment
mit der Spitze eines Tasters bzw. Pointers abzutasten, deren
Position über die Positionserfassungseinheit gemessen werden
kann. Wenn während der Operation dann mit der Pointerspitze
sowohl am Knochensegment selbst als auch im präoperativen
Datensatz eindeutig erkennbare Punkte, sogenannte
charakteristische Punkte, angetastet und positionsmäßig erfaßt
werden, kann die räumliche Beziehung der Marker zu dem
Knochsegment festgestellt werden. Dies setzt aber voraus, daß
es derartige charakteristische Punkte gibt.
Bei vielen Knochensegmenten ist dies allerdings nicht der Fall,
wodurch die in der US 5,279,309 erwähnte Positionsbestimmung
des Knochensegments selbst nicht mit der für einige
Anwendungsfälle erforderlichen Genauigkeit möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur
Knochensegmentnavigation bereitzustellen, mit welcher die
Position des Knochensegments zuverlässig und genau geplant,
erfaßt und verglichen werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur
Knochensegmentnavigation nach Anspruch 1 gelöst.
Denn durch die Verbindung der Markeranordnung mit dem
Knochensegment über eine dem Knochensegment zugeordnete
Schablone ist man nicht mehr auf einzelne charakteristische
Punkte angewiesen, sondern kann die gesamte Oberfläche des
Knochensegments zur eindeutigen Zuordnung der Lage der
Markeranordnung zum Knochensegment verwenden.
Die Unteransprüche haben vorteilhafte Ausführungsarten
der Erfindung zum Gegenstand.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines
Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
Vorrichtung zur Knochensegmentnavigation und
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Schablone von Fig.
1 im Detail.
In Figur ist eine Vorrichtung 1 zur
Knochensegmentnavigation dargestellt. Sie umfaßt eine
vorzugsweise einen Bildschirm aufweisende Planungseinheit 3,
welche die Planung einer Knochensegmentverschiebung anhand
eines z. B. durch CT erstellten präoperativen Datensatzes
ermöglicht.
Es soll ein Knochensegment 5 eines Patienten 7 relativ zum Rest
des Patienten 7, spezieller zu dessem Gesichtsschädel, in
vorausgeplanter Weise verschoben werden.
An dem zu verschiebenden Knochensegment 5 ist eine
Markeranordnung 9 angebracht, deren Position von einer
Positionserfassungseinheit 11 gemessen werden kann. Die
einzelnen Marker der Markeranordnung 9 sind Infrarot-
Leuchtdioden, deren Positionen von der drei
infrarotempfindliche Kameras umfassenden
Positionserfassungseinheit 11 erfaßt werden können. Die
erfaßten Markerpositionen werden über eine Signalleitung 15 in
eine Anzeige- und Verarbeitungseinheit 13 eingegeben, welche
über eine weitere Signalleitung 17 ferner mit der
Planungseinheit 3 verbunden ist. Dadurch werden der Anzeige-
und Verarbeitungseinheit 13 auch der geplante Verschiebeweg
bzw. die geplante Endposition bzw. Endorientierung des
Knochensegments 5 übergeben.
Die Anzeige- und Verarbeitungseinheit 13 berechnet die
Abweichung der aktuellen Position des Knochensegments 5 von
seiner geplanten Position oder von seiner geplanten
Endposition, und zeigt diese Abweichung dem Chirurgen grafisch
und/oder koordinatenmäßig an.
Die Oberfläche des zu navigierenden, d. h. definiert zu
verschiebenden, Knochensegments kann sowohl als polygonale oder
abstrahierte trianguläre Struktur wiedergegeben werden, die
intraoperativ mit einer kongruenten Figur in der Zielposition
in Deckung zu bringen ist.
An die Vorrichtung kann auch ein computergesteuerter mechanischer
Arm eines Roboters angesetzt werden, der das knöcherne Segment
anhand der Ausgangs- und Zielkoordinaten selbständig in die
gewünschte Position führt und dort fixiert hält.
Fig. 2 zeigt die dem Knochensegment 5 spezifisch zugeordnete
und mit dem Knochensegment 5 über Osteosyntheseschrauben
verschraubte Schablone 19 im Detail. Die Schablone 19 weist
einen Paßflächenteil 23 mit einer an die jeweiligen konvexen
und konkaven Oberflächenbereiche des Knochensegments 5 sich
anschmiegenden Paßfläche 21 auf, welche eine eindeutige
Zuordnung der Markeranordnung 9 zu dem Knochensegment 5
gewährleistet. Dabei ist zu beachten, daß die Paßfläche 21 auf
der in Fig. 2 nicht zu sehenden Rückseite des Paßflächenteils
23 angeordnet ist.
Da die Schablone 19 bereits anhand des präoperativen
Datensatzes herstellbar ist, ist ein der eigentlichen
Knochensegmentoperation vorausgehender chirurgischer Eingriff
zum Setzen von Markern, welche dann im präoperativen Datensatz
erscheinen, überflüssig. Die Erstellung eines 3D-Modells zur
Fertigung der Schablone beschränkt sich dabei -
kostenreduzierend - auf die Oberfläche des zu navigierenden
Knochensegments.
Die Markeranordnung 9 umfaßt Infrarot-Leuchtdioden 25, 27, 29,
welche an den äußeren Enden einer dreispeichigen Trägerstruktur
31 angebracht sind. Die Trägerstruktur 31 ist mit dem
Paßflächenteil 23 der Schablone 19 über einen länglichen
Griffteil 33 lösbar verbunden. Dazu ist der Griffteil 33 über
eine eindeutig reproduzierbare Steckverbindung mit dem
Paßflächenteil 23 verbunden. Die Verbindung besteht aus drei
Pins 35, welche eine Patritze bilden und mit einer
entsprechenden, in das Paßflächenteil 23 einpolymerisierbaren
Matritze zusammenwirken.
Mit 37, 39 und 41 sind Fenster in dem Paßflächenteil 23
bezeichnet, über die eine Pointerspitze die Oberfläche des
Knochensegments 5 direkt berühren kann, um ausgewählte Bereiche
der Oberfläche des Knochensegments 5 unmittelbar bezüglich der
Position zu vermessen.
Mit der beanspruchten Vorrichtung kann eine
Knochensegmentnavigation wie folgt ablaufen:
- 1. Bestimmung der Anfangs- bzw. Ist-Position von Knochenreferenzpunkten (37, 39, 41) anhand eines präoperativen dreidimensionalen Datensatzes mit der Planungseinheit. Die Knochenreferenzpunkte müssen keine charakteristischen Punkte sein, da sie über die spezifische Schablonenpaßfläche eindeutig bestimmbar sind.
- 2. Bestimmung der End- bzw. Sollposition der Knochenreferenzpunkte mit der Planungseinheit.
- 3. Anfertigen der Schablone anhand des präoperativen dreidimensionalen Datensatzes.
- 4. Bestimmen der Markerpositionen relativ zu den Knochenreferenzpunkten.
- 5. Berechnung der geplanten Endpositionen der Markeranordnung anhand der Ist- und Soll-Positionen der Knochenreferenzpunkte.
- 6. Bestimmen der Markerpositionen am Patienten präoperativ im Operationssaal.
- 7. Berechnung der Ist-Positionen der Knochenreferenzpunkte am Patienten.
- 8. Berechnung der Soll-Positionen der Knochenreferenzpunkte am Patienten.
- 9. Berechnung der Soll-Positionen der Markeranordnung.
- 10. Erfassen der Bewegung bzw. der Positionen der Markeranordnung mit der Positionserfassungseinheit.
- 11. Bestimmen der aktuellen Position der Knochenreferenzpunkte.
- 12. Berechnung des Abstands zwischen aktueller Position, Ist- und Soll-Position der Markeranordnung.
- 13. Berechnung des Abstands zwischen aktueller Position, Ist- und Soll-Position der Knochenreferenzpunkte.
Es ist zu beachten, daß die Schritte 1 bis 5 vor dem
eigentlichen chirurgischen Eingriff am Patienten im Labor
erfolgen.
Claims (10)
1. Vorrichtung (1) zur Knochensegmentnavigation mit
- 1. einer Planungseinheit (3) zur Planung einer Knochensegmentverschiebung,
- 2. einer mit einem Knochensegment (5) zu verbindenden Markeranordnung (9),
- 3. einer die Position der Markeranordnung (9) erfassenden Positionserfassungseinheit (11),
- 4. einer Anzeige- und Verarbeitungsinheit (13), welche mit der Positionserfassungseinheit (11) und der Planungseinheit (3) verbunden ist, um die Abweichung der aktuellen Position des Knochensegments (5) von einer geplanten Knochensegmentendposition oder von einem geplanten Knochensegmentverschiebeweg anzuzeigen, dadurch gekennzeichnet, daß die Markeranordnung (9) über eine an das Knochensegment (5) angepaßte Schablone (19) mit dem Knochensegment (5) verbunden ist.
2. Vorrichtung (1) zur Knochensegmentnavigation nach Anspruch 1,
wobei sich die Schablone (19) mit einer Paßfläche (21) flächig
an das Knochensegment (5) anschmiegt.
3. Vorrichtung (1) zur Knochensegmentnavigation nach Anspruch 1
oder Anspruch 2, wobei die Markeranordnung (9) lösbar an der
Schablone (19) angebracht ist.
4. Vorrichtung (1) zur Knochensegmentnavigation nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, wobei die Schablone (19) über
Osteosyntheseschrauben fest mit dem Knochensegment (5)
verbindbar ist.
5. Vorrichtung (1) zur Knochensegmentnavigation nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schablone (19) einen länglichen
Griffteil (33) aufweist, an dessem einen Ende die Paßfläche
(21) und an dessem anderen Ende die Markeranordnung (9)
angeordnet ist.
6. Vorrichtung (1) zur Knochensegmentnavigation nach Anspruch 5,
wobei die Markeranordnung (9) zumindest drei Infrarotsender
(25, 27, 29) umfaßt, welche an einer sich quer zum länglichen
Schablonengriffteil (33) erstreckenden Trägerstruktur (31)
angeordnet sind.
7. Vorrichtung (1) zur Knochensegmentnavigation nach einem der
Ansprüche 1 bis 6, wobei die Paßfläche (21) der Schablone (19)
Fenster (37, 39, 41) aufweist, um die Position von Punkten der
Knochensegmentoberfläche auch unmittelbar mit Hilfe eines
Tasters erfassen zu können.
8. Vorrichtung (1) zur Knochensegmentnavigation nach einem der
Ansprüche 1 bis 7, wobei die Anzeige- und Verarbeitungsinheit
(13) die Abweichung der aktuellen Position der Markeranordnung
(9) von einer geplanten Endposition der Markeranordnung (9)
koordinatenmäßig anzeigt.
9. Vorrichtung (1) zur Knochensegmentnavigation nach einem der
Ansprüche 1 bis 7, wobei die Anzeige- und Verarbeitungsinheit
(13) die Abweichung der aktuellen Position der Markeranordnung
(9) von einer geplanten Endposition der Markeranordnung (9)
als abstrahierte trianguläre oder polygonale
Oberflächenstrukturen, die mit kongruenten Figuren in der
Zielposition in Deckung zu bringen sind, anzeigt.
10. Vorrichtung (1) zur Knochensegmentnavigation nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, wobei ein von der Anzeige- und
Verarbeitungsinheit (13) gesteuerter Arm eines Roboters das
Knochensegment (5) verschiebt.
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