DE102004052228B4

DE102004052228B4 - System und Verfahren zum Ausrichten von Bilddaten bezüglich intraoperativ digitalisierter Charakteristika

Info

Publication number: DE102004052228B4
Application number: DE102004052228A
Authority: DE
Inventors: José Luis Moctezuma de La Barrera
Original assignee: Stryker Leibinger GmbH and Co KG
Current assignee: Stryker European Operations Holdings LLC
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2004-10-27
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2024-10-28
Also published as: JP2005137904A; US7392076B2; DE102004052228A1; US20050096535A1

Abstract

System zum Ausrichten zweidimensionaler Bilddaten bezüglich intraoperativ digitalisierter Charakteristika, die während einer Gelenkplastik-Prozedur an einem Patienten (118) erhalten wurden, der ein Gelenk besitzt, das eine solche Prozedur erfordert, umfassend:
ein chirurgisches Navigationssystem (100), das in der Lage ist, eine Position und eine Ausrichtung eines Objekts innerhalb eines Arbeitsvolumens zu bestimmen, einschließlich einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), einer Anzeige (114) und einer Speichereinheit (110);
ein Mittel zum Importieren der zweidimensionalen Bilddaten für das Gelenk in die Speichereinheit (110);
ein Mittel zum Durchführen einer intraoperativen anatomischen Erfassung des Gelenks und eines dazugehörenden Glieds, zum Digitalisieren ausgewählter Charakteristika und zum Bestimmen einer mechanischen Achse für das Glied;
ein Mittel zum Ausrichten der zweidimensionalen Bilddaten bezüglich der mechanischen Achse und zum Anzeigen der ausgerichteten zweidimensionalen Bilddaten auf der Anzeige (114); und
ein Mittel zum Unterstützen einer Führung einer Schnittlehre in die richtige Position innerhalb des Gelenks basierend auf den Charakteristika,...

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Ausrichten zweidimensionaler Bilddaten bezüglich intraoperativ digitalisierter Charakteristika. Insbesondere betrifft diese Erfindung ein System und ein Verfahren zum Ausrichten zweidimensionaler Bilddaten bezüglicher intraoperativ digitalisierter Charakteristika im Zusammenhang mit der Gelenkaustausch-Chirurgie und insbesondere der Knieaustausch-Chirurgie unter Verwendung eines chirurgischen Navigationssystems.
Hintergrund der Erfindung
Die Gelenkaustausch-Chirurgie, auch als totale Gelenkplastik bekannt, wird an Individuen durchgeführt, die ein Gelenk haben, das aufgrund von Arthritis oder anderer Umstände oder aufgrund einer Verletzung einen Austausch oder eine Umgestaltung der Gelenkoberflächen erfordert. Die typische Knieaustausch-Chirurgie umfasst das Gestalten des distalen Oberschenkelknochens unter Verwendung einer speziellen Schnittlehre, die am Ende des Oberschenkelknochens platziert wurde. Die Schnittlehre wird bezüglich der mechanischen Achse des Beines derart ausgerichtet, dass das Austauschknie sogar dann richtig ausgerichtet ist, wenn der Patient ursprünglich X-beinig oder O-beinig war. Das distale Ende des Oberschenkelknochens wird durchschnitten und gestaltet, um eine Implantatoberfläche aufzunehmen, die als Teil des Austauschknies fungiert. Zusätzlich wird das Schienbein unter Verwendung einer weiteren, speziellen Schnittlehre, die dem Chirurgen beim Durchführen einer Resektion des Schienbeins behilflich ist, auf eine ähnliche Weise präpariert, so dass das Implantat in dem neuen Knie richtig ausgerichtet sein wird. Zudem wird die Kniescheibe typischerweise dadurch präpariert, dass ein Teil der unteren Oberfläche der Kniescheibe entfernt wird. In vergleichbarer Weise umfasst die Hüftaustausch-Chirurgie die Präparierung der Hüftgelenkpfanne, um eine Austauschoberfläche aufzunehmen, und der Kopf des Oberschenkelknochens wird durch einen Schaft und eine Kugel ersetzt, die bezüglich der in die Hüfte implantierten Pfanne passend gewählt wurden. Im Fall der Schulter wird das Glenoid üblicherweise nicht ausgetauscht, aber die Oberfläche wird modifiziert, um ein Implantat aufzunehmen, das im Ende des Oberarmknochens platziert ist.
Nachdem die Knochenoberflächen und/oder das Gewebe präpariert wurde(n), werden die Implantate anschließend an ihrer vorgesehenen Position an den präparierten Oberflächen platziert. Bei der Knieaustausch-Chirurgie beispielsweise umfasst das Austauschkniegelenk typischerweise zusätzlich zu Implantaten auf den Oberflächen des präparierten Oberschenkelknochens und Schienbeins einen Abstandshalter, um das Verhalten des Knie-Knorpels nachzuahmen. Oftmals wird der Chirurg zunächst temporäre oder Versuchsimplantate örtlich innerhalb des präparierten Gelenks einsetzen und anschließend das Gelenk manipulieren, um sicher zu sein, dass die Implantate richtig funktionieren und das Gelenk ausreichend stabil sein wird und einen ausreichenden Bewegungsbereich aufweisen wird.
Orthopädische Chirurgen verwenden bereits seit einiger Zeit chirurgische Navigationssysteme, um die zuverlässige Lokalisierung und Positionierung der Schnittlehren, die zum Durchführen der Knochenresektionen zum Präparieren der Gelenke hinsichtlich der Aufnahme der Austausch-Implantate verwendet werden, zu unterstützen. In der Vergangenheit erforderte die Verwendung eines chirurgischen Navigationssystems jedoch, dass der Chirurg Marken einfügt, die bei prä-operativen Scans gesehen werden konnten und die für den Chirurgen sichtbar waren, so dass der Chirurg den prä-operativen Scan bezüglich des Beines und Kniegelenks eines Patienten während des chirurgischen Eingriffs ausrichten konnte. Dies erforderte entweder halbpermanente Marken oder Bezugspunkte, die vor dem Durchführen der prä-operativen Scans im Gewebe des Patienten platziert wurden und es erforderlich machten, dass der Patient die Bezugspunkte bis zum chirurgischen Eingriff an der jeweiligen Stelle behält, oder temporäre Bezugspunkte, die nach Abschluss des prä-operativen Scans entfernt werden und erst unmittelbar vor dem chirurgischen Eingriff erneut platziert werden. Jedes dieser Systeme ist mit Nachteilen verbunden. Während die Verwendung der halb-permanenten Bezugspunkte eine zuverlässige Ausrichtung des Scans bezüglich des Beins und Gelenks des Patienten sicherstellt, kann das Einfügen und Behalten der Bezugspunkte an Ort und Stelle zwischen dem Zeitpunkt des Scans und dem Tag des chirurgischen Eingriffs mit beträchtlichen Unannehmlichkeiten verbunden sein. Die Verwendung von zeitweiligen Bezugspunkten beseitigt dieses Problem, diese zeitweiligen Bezugspunkte sind jedoch nicht so zuverlässig, da sie zum Erzielen einer zuverlässigen Ausrichtung exakt an denselben Positionen erneut platziert werden müssen. Bei jedem dieser chirurgischen Eingriffe und anderer, verwandter chirurgischer Eingriffe ist es nun möglich, diese chirurgischen Eingriffe unter Verwendung digitalisierter Charakteristika durchzuführen, die intraoperativ ermittelt werden, ohne dass ein prä-operativer Scan erforderlich wäre. Es ist jedoch wünschenswert, Bilder in die von den Chirurgen verwendeten Anzeigebildschirme einzufügen, um die Lehren und andere Schneidwerkzeuge lokalisieren zu können, so dass die Resektionen des Knochens zur Aufnahme der Implantate zum Reparieren des Gelenks zuverlässig ablaufen können. In diesem Fall wird das Bild als eine Hintergrund-Führung verwendet; das Bild wird nicht als die Grundlage für ein genaues Positionieren der Werkzeuge und der Lehren verwendet.
Die nächstkommende Druckschrift US 2003/0069591 A1 offenbart ein computergestütztes System zum Nachverfolgen von chirurgischen Werkzeugen und Implantaten während einer Kniegelenkoperation. Das System umfasst ein Zeigeinstrument, mit dessen Spritze ein Chirurg Referenzpunkte sowie anatomische Charakteristika des Gelenks und der Glieder berühren kann, um deren Position im Raum zu bestimmen. Sodann werden durch ein Röntgengerät aufgenommene Röntgenbilder des Gelenks mit den ausgewählten Punkten überlagert auf einem Monitor dargestellt. Die auf diesen Bildern markierten Punkte definieren z. B. die Mittelpunkte des proximalen und distalen Endes der Tibia und legen eine mechanische Achse fest. Nachdem die mechanischen Achsen des Femurs und der Tibia festgelegt wurden, wird ein weiteres Instrument zur chirurgischen Resektion am Knochen ausgerichtet. Das System kann ferner das Instrument, beispielsweise einen chirurgischen Resektionsführungsblock, nachverfolgen und an eine bestimmte Position navigieren. Während dieser Prozedur wird das Röntgenbild des Gelenks mit einem schematischen Bild des chirurgischen Instruments überlagert auf dem Monitor dargestellt. Nachdem eine Resektion am Knochen durchgeführt wurde, wird ein Testimplantat bezüglich der mechanischen Achse oder einer anderen Rotationsachse ausgerichtet.
Das in der DE 100 31 887 A1 offenbarte System für Implantationen von Kniegelenksprothesen definiert ausgehend von einer ermittelten Kniekinematik die Positionierung der erforderlichen Werkzeugführungen. Das System vergleicht die ursprüngliche Kniekinematik mit der aktuellen Kniekinematik, unter Berücksichtigung der gewünschten Kniekinematik, um die Positionierung der Werkzeugführungen sowie die Auswahl der Implantate und deren Positionierung vorzunehmen.
Weiterer Stand der Technik ist aus der WO 03/077101 A2 , US 2001/0036245 A1 sowie aus der US 5,611,353 A bekannt.
Kurzer Abriss der Erfindung
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein System zum Ausrichten zweidimensionaler Bilddaten bezüglich intraoperativ digitalisierter Charakteristika, die während einer Gelenkplastik-Prozedur an einem Patienten erhalten wurden, der ein eine solche Prozedur erforderndes Gelenk hat, beinhaltend ein chirurgisches Navigationssystem, das in der Lage ist, eine Position und eine Ausrichtung eines Objekts innerhalb eines Arbeitsvolumens zu ermitteln, einschließlich einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), einer Anzeige, und einer Speichereinheit (Memory). Das System kann ferner eine Abspeichereinheit (Storage) aufweisen. Das System besitzt ein Mittel zum Importieren der zweidimensionalen Bilddaten für das Gelenk in die Speichereinheit und ein Mittel zum Durchführen einer intraoperativen anatomischen Erfassung des Gelenks und eines zum Gelenk gehörenden Glieds, um ausgewählte Charakteristika zu digitalisieren und um die mechanische Achse des Glieds zu lokalisieren. Des Weiteren beinhaltet das System ein Mittel zum Ausrichten der zweidimensionalen Bilddaten bezüglich der mechanischen Achse und zum Anzeigen der ausgerichteten zweidimensionalen Bilddaten auf der Anzeigeeinrichtung und ein Mittel zur Unterstützung der Führung einer Schnittlehre in die richtige Position innerhalb des Gelenks basierend auf den Charakteristika, während die zweidimensionalen Bilddaten bezüglich der mechanischen Achse des Gelenks angezeigt werden, wobei die Position und die Ausrichtung der Schnittlehre vom chirurgischen Navigationssystem verfolgt werden können. Eine Schnittlehre, wie sie im Zusammenhang mit der Erfindung Verwendung finden kann, wird von der Anmelderin unter der Bezeichnung ”Pivotal^TM” (Komponentennummer 6003-100-000) hergestellt und vertrieben.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausrichten zweidimensionaler Bilddaten bezüglich intraoperativ digitalisierter Charakteristika, die während einer Gelenkplastik-Prozedur an einem Patienten erhalten wurden, der ein Gelenk hat, welches eine derartige Prozedur erfordert, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Importieren der zweidimensionalen Bilddaten für das Kniegelenk in einen Speicher (Memory) eines chirurgischen Navigationssystems, das in der Lage ist, die Position und die Ausrichtung eines Objekts innerhalb eines Arbeitsvolumens zu ermitteln, wobei das chirurgische Navigationssystem eine Anzeige und eine zentrale Verarbeitungseinheit beinhaltet; Durchführen einer anatomischen Erfassung des Gelenks und eines dazugehörenden Glieds; Digitalisieren ausgewählter Charakteristika basierend auf der anatomischen Erfassung; Bestimmen einer mechanischen Achse für das Gelenk basierend auf den digitalisierten Charakteristika; Ausrichten der Bilddaten bezüglich der digitalisierten Charakteristika; und Anzeigen der ausgerichteten Bilddaten auf der Anzeige; und Unterstützen einer Führung einer Schnittlehre in die richtige Position unter Verwendung des chirurgischen Navigationssystems basierend auf den Charakteristika.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht eines chirurgischen Navigationssystem, das bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
2 ist ein Flussdiagram eines Systems zum Bewerkstelligen eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens und Systems der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Flussdiagram einer anatomischen Erfassung des Oberschenkelknochens, welche bei dem System und Verfahren der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
4 ein Flussdiagram einer anatomischen Erfassung des Schienbeins, welche bei dem System und Verfahren der vorliegenden Erfindung nützlich ist;
5 eine Ansicht eines teilweise für die Chirurgie geöffneten Knies, welche die unmittelbare Digitalisierung von Punkten innerhalb des Knies zeigt;
6 ist eine Ansicht eines Oberschenkelknochens, die eine Resektionsführung mit einer daran befestigten Verfolgungsvorrichtung zeigt;
7 ist ein Flussdiagram eines Anzeigebildschirms, welches Aspekte des Verfahrens und Systems der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ist eine Ansicht eines für den chirurgischen Eingriff geöffneten Knies, das manipuliert wird, um eine kinematische Analyse durchzuführen;
9 ist eine schematische Ansicht eines Anzeigebildschirms, welche weitere Aspekte des Verfahrens und Systems der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ist eine schematische Ansicht eines Anzeigebildschirms, welche zusätzliche Aspekte des Verfahrens und Systems der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ist eine schematische Ansicht eines Anzeigebildschirms, welche noch weitere Aspekte des Verfahrens und Systems der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 ist eine schematische Ansicht eines Anzeigebildschirms, welches andere Aspekte des Verfahrens und Systems der vorliegenden Erfindung zeigt;
13 ist eine schematische Ansicht eines Anzeigebildschirms, welches noch andere Aspekte des Verfahrens und Systems der vorliegenden Erfindung zeigt; und
14 ist eine schematische Ansicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Bezug nehmend auf 1 beinhaltet ein chirurgisches Navigationssystem 100 eine Kamera 102 mit einer Reihe von lichtempfindlichen Matrizen 104. Jede der lichtempfindlichen Matrizen 104 ist in der Lage, Licht innerhalb einer vorbestimmten Wellenlänge, wie beispielsweise Infrarotlicht, zu erfassen. Das chirurgische Navigationssystem 100 umfasst des Weiteren einen Computer 106 mit einer internen zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) 108, einer internen Speichereinheit 110 und einer internen Abspeichereinheit 112. Der Computer 106 kann ein herkömmlicher, kommerziell erhältlicher Computer sein, der auf einer Vielzahl von kommerziell erhältlichen Betriebssystemen wie Windows, Unix, Mac OS, usw. laufen kann. Der Computer 106 beinhaltet ferner eine Anzeigeeinrichtung 114, wie beispielsweise einen herkömmlichen kommerziell erhältlichen Monitor. Der Computer 106 beinhaltet ferner irgendeines oder sämtliche einer Reihe von Eingabeeinrichtungen 116 wie Tastaturen, Zeigeeinrichtungen, usw. Wie nachfolgend erörtert werden wird, sind einige intelligente Instrumente, die von dem chirurgischen Navigationssystem 100 verfolgt werden können, ebenfalls in der Lage, als Eingabeeinrichtungen 116 zu fungieren.
Ein Patient 118 wird auf einem Tisch 120 im Operationssaal platziert und für den chirurgischen Eingriff präpariert. Ein Teil der Präparierung für den chirurgischen Eingriff kann das Befestigen einer Reihe von Verfolgungseinrichtungen 122, die für die lichtempfindlichen Matrizen 104 in der Kamera 102 sichtbar sind, beinhalten. Die Verfolgungseinrichtungen 122 besitzen eine Reihe von lichtemittierenden Dioden (LEDs) 124, welche infrarotes Licht abstrahlen. In bekannter Weise leuchten die LEDs 124 als Antwort auf Befehle von dem chirurgischen Navigationssystem 100 auf. Auf diese Weise kann das chirurgische Navigationssystem 100 die Lage und Ausrichtung einer jeden der Verfolgungseinrichtungen 124 ermitteln und mittels bekannter Verfahren die Lage und Ausrichtung eines Knochens, an dem die einzelne Verfolgungseinrichtung 124 befestigt wurde, bestimmen. Für eine vollständige Knie-Gelenkplastik werden typischerweise mehrere Verfolgungseinrichtungen 124 am Patienten befestigt. Wie in 5 gezeigt, werden die Verfolgungseinrichtungen 124 mittels einer Stange 126 an dem Patienten 118 befestigt, die eine Schnelllösverbindung 128 aufweist, die mit einer entsprechenden bekannten Schneillösestruktur (nicht dargestellt) in der Verfolgungseinrichtung 124 zusammenpasst. Beispiele für Verfolgungseinrichtungen und chirurgische Navigationssysteme, die für den Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind in der veröffentlichten US-Anmeldung 2001/0034530 A1, veröffentlicht am 25. Oktober 2001, gezeigt, deren Offenbarungsgehalt durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird.
2 zeigt ein Übersichts-Flussdiagram eines Ausführungsbeispiels des Verfahrens und des Systems der vorliegenden Erfindung. Der Prozess beginnt und die Steuerung übergibt an einen Block 200, der ein Bild in die Speichereinheit 110 importiert. Das Bild kann eine einfache, zweidimensionale Röntgenabtastung (Röntgen-Scan) des Gelenks, welches Gegenstand des chirurgischen Eingriffs ist, und eines daran befestigten Glieds sein. Typische Röntgenabtastungen, wie beispielsweise AP-(Anterior Posterior)Abtastungen, werden vor dem chirurgischen Eingriff aufgenommen. Die Abtastung (oder der Scan) könnte auch im Operationssaal für den Zweck des Hinzufügens einer Visualisierung zum Eingriff aufgenommen werden. Die Steuerung fährt dann mit einem Block 202 fort, welcher den Chirurgen bei der Durchführung einer anatomischen Beurteilung des gegenständlichen Gelenks führt. Eines der Ergebnisse der anatomischen Beurteilung, die von dem Block 202 durchgeführt wird, ist die Lokalisierung der mechanischen Achse des betreffenden Glieds. Es ist an dieser Stelle zu beachten, dass die Reihenfolge der Prozessblöcke 200 und 202 keine Bedeutung hat und der Prozess des Blocks 202 entweder nach oder vor dem Prozessschritt des Blocks 200 durchgeführt werden kann. An dieser Stelle fährt die Steuerung mit einem Block 204 fort, welcher die von dem Block 200 importierten Bilddaten bezüglich der durch den Block 202 ermittelten mechanischen Achse ausrichtet. Die durch den Block 204 durchgeführte Ausrichtung bestimmt zuerst die geeignete mechanische Achse des Glieds (oder der Glieder, falls das Gelenk an zwei Gliedern befestigt ist) und die entsprechenden Koordinatensysteme. Das chirurgische Navigationssystem 100 passt dann die mechanische Achse hinsichtlich der besten Übereinstimmung der mechanischen Achse mit der in dem zweidimensionalen Bild dargestellten Struktur an. Als Teil dieser besten Übereinstimmung identifiziert das chirurgische Navigationssystem 100 die verschiedenen Charakteristika auf dem Bild und bringt diese Charakteristika und das während der anatomischen Erfassung erzeugte Koordinatensystem in Übereinstimmung. Erforderlichenfalls vergrößert oder verkleinert das chirurgische Navigationssystem 100 das Bild, um die Dimensionen der mechanischen Achse und die Entfernung zwischen geeigneten Charakteristika in Übereinstimmung zu bringen. Das chirurgische Navigationssystem gibt dann dem Chirurgen in einem Block 206 visuelle Unterstützung, um eine Resektionsführung in der gewünschten Lage positionieren zu können. Das chirurgische Navigationssystem verwendet das durch den Block 204 erzeugte ausgerichtete Bild, um für die auf der Anzeige 114 dargestellten AP-Bilder einen visuellen Hintergrund zu schaffen. Das chirurgische Navigationssystem 100 ist in der Lage, dem Chirurgen eine vollständige Navigations- und Lageunterstützung zu bieten, um die Resektionsführung basierend auf den allein aufgrund der anatomischen Beurteilung ermittelten Daten zu lokalisieren. Die Ausrichtung des Bildes bezüglich der mechanischen Achse versetzt die chirurgischen Navigationssysteme in die Lage, Standardbilder mit geringer Auflösung zu verwenden, um zusätzliche Informationen und einen Hintergrund zur Verfügung zu stellen.
3 zeigt ein Blockdiagramm einer anatomischen Erfassung eines Oberschenkelknochens, um die mechanische Achse des Oberschenkelknochens zu ermitteln. Der Prozess beginnt mit einem Block 205, welcher die Mitte der Hüfte lokalisiert. Die Mitte der Hüfte kann mittels bekannter Verfahren lokalisiert werden, wie beispielsweise dem Manipulieren des Oberschenkelknochens mit der am distalen Ende des Oberschenkelknochens befestigten Verfolgungseinrichtung 122 und dem Aufzeichnen der Lagen der Verfolgungseinrichtung 122 und dem Verwenden dieser aufgezeichneten Lagen zur Ermittlung des Mittelpunkts der Kugel. Der Mittelpunkt der Kugel ist die Mitte des Hüftgelenks. Dieses Verfahren ist in dem US-Patent Nr. 5,611,353 A offenbart, dessen Offenbarungsgehalt hiermit durch Inbezugnahme mit aufgenommen wird. Die Steuerung fährt dann mit einem Block 252 fort, welcher die medialen und lateralen Epicondylen des Oberschenkelknochens lokalisiert. Diese Punkte sind typischerweise lokalisiert, nachdem das Kniegelenk für den chirurgischen Eingriff, wie in 5 gezeigt, geöffnet wurde und die Oberfläche 130 des Oberschenkelknochens unter Verwendung einer Zeigeeinrichtung 132 mit ähnlichen LEDs 134 wie die LEDs 124 auf den Verfolgungseinrichtungen 122 digitalisiert wurde. Die Zeigeeinrichtung 132 besitzt eine Spitze 136, die in Kontakt mit spezifischen Punkten auf der Oberfläche 130 des Oberschenkelknochens gebracht wird. Wenn die Spitze 136 positioniert ist, wird die Zeigeeinrichtung 132 in bekannter Weise aktiviert, und die Lageinformationen oder die Spitze 136 werden/wird an das chirurgische Navigationssystem 100 gesendet. Die Lokalisierungen der medialen und lateralen Epicondylen können entweder mittels einer unmittelbaren Digitalisierung oder mittels einer morphologischen Analyse erfolgen. Das unmittelbare Digitalisierungsverfahren vertraut darauf, dass der Chirurg in der Lage ist, die Struktur auf dem Oberschenkelknochen des Patienten 118, welche der medialen Epicondyle und der lateralen Epicondyle entspricht, zu identifizieren. Der Chirurg berührt mit der Spitze 136 der Zeigeeinrichtung 132 die entsprechende Struktur und aktiviert die Zeigeeinrichtung, um die Lage aufzuzeichnen. Das chirurgische Navigationssystem zeigt die Lage auf der Anzeige 116 an, und sollte der Chirurg mit dem Ergebnis zufrieden sein, kann er mit dem Digitalisieren der lateralen Epicondyle fortfahren. Die Lage der lateralen Epicondyle wird auf dieselbe Weise wie die mediale Epicondyle digitalisiert. Die morphologische Analyse beruht darauf, dass der Chirurg die Oberfläche 130 des Oberschenkelknochens digitalisiert, und das System bestimmt die Lagen der medialen und lateralen Epicondylen aus der Digitalisierung der Oberfläche 130 des Oberschenkelknochens. Sobald die Lagen der medialen und lateralen Epicondylen identifiziert wurden, wird die Lage der transepicondylaren Achse ermittelt. Die transepicondylare Achse ist eine Gerade zwischen der medialen Epicondyle und der lateralen Epicondyle. Das Verfahren fährt dann mit einem Block 254 fort, welcher die Lage der Mitte des Knies bestimmt. Dieses Bestimmen erfolgt entweder mittels einer Einpunkt-Digitalisierung der Kniemitte oder mittels einer morphologischen Analyse, um eine errechnete Kniemitte zu erzeugen. Bei Verwendung des unmittelbaren Digitalisierungsverfahrens verwendet der Chirurg die Zeigeeinrichtung 132 und berührt mit der Spitze 136 die Struktur im Knie, welche der Kniemitte entspricht und aktiviert die Zeigeeinrichtung auf dieselbe Weise wie bei der oben erläuterten Digitalisierung der Epicondylen. Die morphologische Analyse der Kniemitte wird auf eine ähnliche Weise wie die oben erörterte Analyse der Epicondylen durchgeführt. Der Chirurg kann jedes dieser beiden Verfahren zum Digitalisieren der Lagen der Epicondylen und der Kniemitte im Rahmen der Anfangseinstellungen des chirurgischen Navigationssystem 100 auswählen. Sobald die Lage der Kniemitte bestimmt wurde, fährt der Prozess mit einem Block 256 fort, welcher die Lage der mechanischen Achse des Oberschenkelknochens bestimmt. Die mechanische Achse des Oberschenkelknochens ist die Achse zwischen der Mitte der Hüfte, wie sie durch den Block 250 ermittelt wurde, und der Kniemitte, wie sie durch den Block 254 ermittelt wurde. Das System ermittelt ferner die AP-Achse des Oberschenkelknochens, also die Achse von der Vorderseite zur Rückseite (oder die Anterior-zu-Posterior-Achse) durch den Oberschenkelknochen. Dies kann entweder durch unmittelbare Vektordigitalisierung unter Verwendung der Zeigeeinrichtung 132 oder mittels einer morphologischen Analyse erfolgen. Die unmittelbare Vektordigitalisierung wird dadurch bewerkstelligt, dass die Achse der Zeigeeinrichtung 132 visuell bezüglich der zu digitalisierenden Achse oder dem zu digitalisierenden Vektor ausgerichtet wird. Die Zeigeeinrichtung 132 wird dann aktiviert, und die LEDs auf der Zeigeeinrichtung 132 leuchten auf, so dass das chirurgische Navigationssystem 100 die Ausrichtung der Zeigeeinrichtung erfassen und die Ausrichtung der Zeigeeinrichtung 132 als Achse oder Vektor ausrichten kann. 9 ist eine Bildschirmdarstellung, welche im linken Ausschnitt das AP-Bild des Patienten 118 zeigt. Beachtung sollte dem Auswahlfenster geschenkt werden, welches das linke Hüftgelenk umrahmt. Der Ausschnitt in der Mitte zeigt eine vergrößerte Ansicht des Bildes innerhalb des Auswahlfensters auf dem Bild im linken Ausschnitt. Es ist ein Zentrierungs-Icon gezeigt, welches die Lage der Hüftmitte basierend auf der Ermittlung des Blocks 254 anzeigt.
An dieser Stelle im Prozess fährt das System mit einem Block 258 fort, welcher ein Koordinatensystem des Oberschenkelknochens bestimmt. Der Block 258 bestimmt die x-Achse des Koordinatensystems des Oberschenkelknochens als die AP-Achse des Oberschenkelknochens, die y-Achse als die transepicondylare Achse und die z-Achse als die zu der x- und y-Achse senkrechte Achse mit dem Koordinatenursprung in der Kniemitte. Falls der am Patienten 118 durchgeführte chirurgische Eingriff ein Knieaustausch ist, fährt das System mit einer anatomischen Erfassung des Schienbeins, wie unten beschrieben, fort. Falls der chirurgische Eingriff ein Hüftaustausch ist, ist keine zusätzliche anatomische Erfassung erforderlich. Zusätzlich kann für andere Gelenke eine ähnliche anatomische Erfassung für diese Gelenk- und Gliedkombinationen durchgeführt werden.
4 ist ein Blockdiagramm eines Prozesses zum Durchführen einer anatomischen Erfassung des Schienbeins. Der Prozess beginnt mit einem Block 270, welcher eine Mitte des Schienbeins und eine AP-Achse des Schienbeins lokalisiert. Die Mitte des Schienbeins wird durch unmittelbare Digitalisierung unter Verwendung der Zeigeeinrichtung 130 lokalisiert und die AP-Achse des Schienbeins wird durch Digitalisierung unter Verwendung der Zeigeeinrichtung 130 bestimmt. Nachdem die Mitte des Schienbeins und die AP-Achse des Schienbeins bestimmt wurden, fährt der Prozess mit einem Block 272 fort, welcher den Mittelpunkt des Knöchels lokalisiert. Ein Verfahren zum Lokalisieren des Knöchelmittelpunkts ist das Durchführen einer Einpunkt-Digitalisierung des medialen Malleolus und des lateralen Malleolus unter Verwendung der Zeigeeinrichtung 130. Der Chirurg berührt mit der Spitze 134 zuerst den medialen Malleolus und aktiviert das System, um den Punkt auf eine bekannte Weise zu digitalisieren, und führt anschließend dasselbe für den lateralen Malleolus durch. Der Mittelpunkt des Knöchels wird dann mittels Vektordigitalisierung des Knöchelmittelpunkts bestimmt. Als nächstes berechnet das System eine Ebene, welche durch die Mitte des Schienbeins, den medialen Malleolus und den lateralen Malleolus verläuft. Anschließend wird der Schnittpunkt zwischen dieser Ebene und dem Vektor des Knöchelmittelpunkts berechnet und eine vorläufige mechanische Achse des Schienbeins bestimmt. Der Knöchelmittelpunkt ist der Schnittpunkt der vorläufigen mechanischen Achse des Schienbeins und der Geraden, welche den medialen Malleolus und den lateralen Malleolus verbindet. Das System übergibt die Steuerung dann an einen Block 274, welcher die mechanische Achse des Schienbeins als die Achse zwischen dem ermittelten Knöchelmittelpunkt und dem Mittelpunkt des Schienbeins lokalisiert. Als nächstes fährt die Steuerung mit einem Block 276 fort, welcher das Koordinatensystem des Schienbeins bestimmt. Dieses System besitzt die Mitte des Schienbeins als Koordinatenursprung, und die y-Achse ist die AP-Achse des Schienbeins, die z-Achse ist die mechanische Achse des Schienbeins und die x-Achse ist senkrecht zu sowohl der y- als auch der z-Achse.
Das in den 3 und 4 beschriebene System umfasst auch Überprüfungsschritte, um sicherzustellen, dass die ermittelten Werte Sinn machen und innerhalb eines Bereichs plausibler oder möglicher Werte liegen. Falls ein Wert ermittelt wird, der geringfügig außerhalb des akzeptablen Bereichs liegt, wird der Benutzer gewarnt, dass sich der Wert innerhalb eines Warnbereiches befindet, und dem Benutzer wird die Möglichkeit gegeben, den Wert erneut zu bestimmen. Falls der Wert eine akzeptable Varianz bezüglich der möglichen Werte überschreitet, wird ein Fehler angezeigt, der Wert wird gelöscht und der Benutzer muss den Wert erneut bestimmen. 10 ist eine Bildschirmdarstellung ähnlich der von 9, zeigt aber den linken Knöchel. Es ist zu beachten, dass in dem AP-Bild im linken Ausschnitt die Lagen der Hüftmitte und der Kniemitte sowie die mechanische Achse des Oberschenkelknochens dargestellt sind. Auch sind die Lagen der Mitte des Schienbeins und der Knöchelmitte sowie die mechanische Achse des Schienbeins dargestellt. Der Ausschnitt in der Mitte zeigt auch eine vergrößerte Ansicht des Knöchels und der Mitte des Knöchels. Der Ausschnitt unterhalb der Bilder zeigt den Grad des Varus und des Valgus an; im vorliegenden Fall beträgt der Valgus 17,3°.
6 zeigt einen Oberschenkelknochen 300, der ein distales Ende 302 mit einer medialen Epicondyle 304 und einer lateralen Epicondyle 306 besitzt. Das Hautgewebe und die Balance der Kniestruktur sind der Klarheit halber nicht dargestellt. Ein Bolzen 308 wird unter Verwendung herkömmlicher chirurgischer Techniken in den Oberschenkelknochen 300 eingeschraubt. Da die exakte Platzierung des Bolzens 300 von Bedeutung ist, wird der Bolzen 308 typischerweise unter Verwendung eines chirurgischen Bohrers (nicht dargestellt), der mittels des chirurgischen Navigationssystem 100 in seine Ziellage geführt werden kann, in seiner Ziellage eingeschraubt. Der Bolzen 308 wird in den Oberschenkelknochen 300 auf der Ebene der mechanischen Achse des Oberschenkelknochens platziert. Eine Ausrichtungsführung 310 wird über dem Bolzen 308 platziert, und die Ausrichtungsführung 310 wird unter Verwendung von Klemmen 312 und 314 in ihrer Lage festgeklemmt. Die Klemme 312 ermöglicht es der Ausrichtungsführung 310, bezüglich des Varius/Valgus-Winkels eingestellt zu werden. Die Klemme 314 gestattet eine Einstellung der Ausrichtungsführung 310 bezüglich des Flexions/Extensionswinkels bezüglich des Bolzens 308. Die Ausrichtungsführung 310 beinhaltet ferner eine dritte Klemme 316, welche eine Resektionsführung 318 in ihrer Lage hält. Ein Lockern der Klemme 316 gestattet es, die Resektionsführung 318 bezüglich des Bolzens 308 zu bewegen. Die Resektionsführung 318 beinhaltet ferner Schnelllösestangen 320, die mit dem Schnelllösesockel innerhalb der Verfolgungseinrichtung 122 zusammenpassen. Die Resektionsführung 318 besitzt auch eine Führungsoberfläche 320, um den Chirurgen beim Durchführen einer präzisen Resektion des Oberschenkelknochens 300 zu unterstützen. Durch Befestigen einer Verfolgungseinrichtung 122 an der Resektionsführung 318 kann das chirurgische Navigationssystem 100 den Chirurgen bei der korrekten Positionierung der Resektionsführung 318 bezüglich des Oberschenkelknochens 300 unterstützen. 11 zeigt eine Bildschirmdarstellung der Navigation der Resektionsführung 318, um den Schnitt oder die Resektion des distalen Oberschenkelknochens durchzuführen. Der linke Ausschnitt zeigt die Frontalansicht des Knies mit einem hinter den Linien gezeigten Bildabschnitt, welche die mechanische Achse des Oberschenkelknochens, die transepicondylare Achse und die Lage der vorgeschlagenen Resektion des Oberschenkelknochens andeuten. In der Frontalansicht ist das Bild des Schienbeins zwar dargestellt, aber schattiert oder weniger sichtbar. Der rechte Rahmen zeigt die Lateralansicht des Oberschenkelknochens. Da das importierte Bild ein frontales AP-Bild ist, zeigt die laterale Ansicht eine Geradenansicht des Oberschenkelknochens und der AP-Achse des Oberschenkelknochens und die laterale Ansicht der vorgeschlagenen Resektion. Der Bildschirm zeigt auch andere Information bezüglich des Gelenks an, einschließlich der medialen und lateralen Tiefe, der Varus/Valgus- und der Extensionswerte. 12 ist ein Verifizierungsbildschirm ähnlich 11, welcher die endgültige Resektionsebene zeigt. Es gibt einen Überprüfungskasten, der anzeigt, dass die Resektionsebene in einer Log-Datei für diesen Patienten aufgezeichnet werden wird. Die 13 und 14 sind Bildschirmansichten ähnlich denen der 11 und 12, zeigen aber das Schienbein und die Resektion des Schienbeins.
7 ist ein Flussdiagramm eines alternativen Prozesses zur Unterstützung der Gelenkplastik eines Gelenks. Der Prozess beginnt mit einem Block 400, welcher dieselbe Funktion wie der Block 200 in 2 durchführt. Ein Block 402 führt auf eine ähnliche Weise wie der Block 202 eine anatomische Erfassung durch durch. Der Prozess beinhaltet auch einen Block 404, der eine kinematische Beurteilung durchführt.
Die kinematische Beurteilung des Blocks 404 kann auf verschiedene Weisen durchgeführt werden. Beispielsweise kann die kinematische Beurteilung die Translations- und Rotationswerte zwischen den Koordinatensystemen des Oberschenkelknochens und des Schienbeins für ein Kniegelenk anzeigen. Die kinematische Beurteilung kann auch eine graphische oder tabellenartige Anzeige der verschiedenen Charakteristika und Achsen des betreffenden Gelenks anzeigen. Wie in 8 dargestellt, manipuliert der Chirurg in diesem Fall das Kniegelenk, und die verschiedenen Werte werden von dem chirurgischen Navigationssystem 100 festgehalten. Dies beinhaltet den Bewegungsbereich einschließlich der Flexions- und Extensionswerte, die Gelenkstabilität basierend auf dem medialen/lateralen Versatz und die relativen Schienbein-Oberschenkelknochen-Varius/Valguswinkel und die Distraktionsfähigkeit basierend auf den Kompressions-/Distrakionswerten. Es ist auch möglich, dass das chirurgische Navigationssystem 100 die Entfernung zwischen verschiedenen Punkten und Achsen, während das Gelenk manipuliert wird, graphisch anzeigt. Diese Daten können eine Kurve erzeugen, welche die relative Stabilität und den Wert einer Lücke im Gelenk über einen Bewegungsbereich oder eine andere Manipulation des Gelenks (d. h. Kompression, Rotation, usw.) anzeigt. Zusätzlich ist es bei dem chirurgischen Navigationssystem 100 möglich, die Analyse der kinematischen Daten durch Anzeigen einer graphischen Ansicht des Gelenks zusammen mit einer Ansicht der ausgewählten Kurve (die aus von dem chirurgischen Navigationssystem 100 aufgezeichneten Kurven ausgewählt wurde) zu unterstützen. Der Prozess fährt dann mit einem Block 406 fort, welcher die Bilddaten bezüglich der mechanischen Achse ausrichtet. Der Block 406 führt diese Funktion auf eine ähnliche Weise wie der oben erläuterte Block 204 durch. Nachdem das Bild ausgerichtet wurde, wird die Steuerung an einen Block 408 übergeben, welcher den Chirurgen beim Navigieren der Führung in ihre vorgesehene Lage unterstützt. Der Block 408 läuft auf eine ähnliche Weise wie der oben erläuterte Block 208 ab. Nachdem die Resektionsprozedur abgeschlossen wurde und entweder ein Versuchsimplantat oder ein endgültiges Implantat im Gelenk positioniert wurde, wird eine Resultatbeurteilung in einem Block 410 durchgeführt.
Wie bereits erwähnt, können das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung für eine große Anzahl chirurgischer Eingriffe verwendet werden, bei denen es wünschenswert ist, bezüglich der auf einem Anzeigebildschirm angezeigten digitalen Daten eine Bildverbesserung durchzuführen. Dies schließt chirurgische Eingriffe an der Hüfte, der Schulter, am Knöchel, Ellbogen und an ähnlichen Gelenken ein.

Claims

System zum Ausrichten zweidimensionaler Bilddaten bezüglich intraoperativ digitalisierter Charakteristika, die während einer Gelenkplastik-Prozedur an einem Patienten (118) erhalten wurden, der ein Gelenk besitzt, das eine solche Prozedur erfordert, umfassend: ein chirurgisches Navigationssystem (100), das in der Lage ist, eine Position und eine Ausrichtung eines Objekts innerhalb eines Arbeitsvolumens zu bestimmen, einschließlich einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), einer Anzeige (114) und einer Speichereinheit (110); ein Mittel zum Importieren der zweidimensionalen Bilddaten für das Gelenk in die Speichereinheit (110); ein Mittel zum Durchführen einer intraoperativen anatomischen Erfassung des Gelenks und eines dazugehörenden Glieds, zum Digitalisieren ausgewählter Charakteristika und zum Bestimmen einer mechanischen Achse für das Glied; ein Mittel zum Ausrichten der zweidimensionalen Bilddaten bezüglich der mechanischen Achse und zum Anzeigen der ausgerichteten zweidimensionalen Bilddaten auf der Anzeige (114); und ein Mittel zum Unterstützen einer Führung einer Schnittlehre in die richtige Position innerhalb des Gelenks basierend auf den Charakteristika, während die ausgerichteten Bilddaten bezüglich der Charakteristika dargestellt werden, wobei die Position und Ausrichtung der Schnittlehre von dem chirurgischen Navigationssystem (100) verfolgbar sind.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterstützungsmittel die Position der Schnittlehre auf der Anzeige (114) bezüglich der ausgerichteten zweidimensionalen Bilddaten darstellt.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterstützungsmittel auch ein modifiziertes Bild basierend auf den ausgerichteten zweidimensionalen Bilddaten darstellt, welches eine Resektionsebene eines Knochens innerhalb des Gelenks zeigt.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweidimensionalen Bilddaten präoperativ erhalten wurden.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweidimensionalen Bilddaten intraoperativ erhalten wurden.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System ein Mittel zum Durchführen einer anfänglichen kinematischen Beurteilung des Gelenks aufweist.
System gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausrichtemittel die Bilddaten auch bezüglich der digitalisierten Charakteristika und der kinematischen Beurteilung ausrichtet.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterstützungsmittel die digitalisierten Charakteristika auch zusammen mit den ausgerichteten zweidimensionalen Bilddaten anzeigt.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterstützungsmittel auch eine vorgeschlagene Resektionsebene auf den ausgerichteten zweidimensionalen Bilddaten anzeigt.
System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterstützungsmittel auch die Varus/Valgus-Daten und die Extensions/Flexions-Daten anzeigt.
Verfahren zum Ausrichten zweidimensionaler Bilddaten bezüglich intraoperativ digitalisierter Charakteristika, die während einer Gelenkplastik-Prozedur an einem Patienten (118) erhalten wurden, der ein Gelenk besitzt, das eine solche Prozedur erfordert, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Importieren (200; 400) der zweidimensionalen Bilddaten für das Gelenk in einen Speicher (110) eines chirurgischen Navigationssystems (100), das in der Lage ist, die Position und Ausrichtung eines Objekts innerhalb eines Arbeitsvolumens zu bestimmen, wobei das chirurgische Navigationssystem (100) eine Anzeige (114) und eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) aufweist; Durchführen (202; 402) einer anatomischen Erfassung des Gelenks und eines dazugehörenden Glieds; Digitalisieren ausgewählter Charakteristika basierend auf der anatomischen Erfassung; Bestimmen (202; 402) einer mechanischen Achse für das Glied basierend auf den digitalisierten Charakteristika; Ausrichten (204; 406) der zweidimensionalen Bilddaten bezüglich der mechanischen Achse und Anzeigen der ausgerichteten Bilddaten auf der Anzeige (114); und Unterstützen (206; 408) einer Führung einer Schnittlehre in die richtige Position unter Verwendung des chirurgischen Navigationssystems (100) basierend auf den Charakteristika.
Verfahren gemäß Anspruch 11, beinhaltend den zusätzlichen Schritt des Anzeigens der Position der Schnittlehre auf der Anzeige (114) bezüglich der ausgerichteten zweidimensionalen Bilddaten.
Verfahren gemäß Anspruch 11, beinhaltend den zusätzlichen Schritt des Anzeigens eines modifizierten Bildes basierend auf den zweidimensionalen Bilddaten, das eine Resektion des Knochens innerhalb des Gelenks zeigt.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweidimensionalen Bilddaten präoperativ erhalten werden.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweidimensionalen Bilddaten intraoperativ erhalten werden.
Verfahren gemäß Anspruch 11, beinhaltend den zusätzlichen Schritt (404) des Durchführens einer anfänglichen kinematischen Beurteilung.
Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die zweidimensionalen Bilddaten auch bezüglich der digitalisierten Charakteristika und der kinematischen Beurteilung ausgerichtet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die digitalisierten Charakteristika zusammen mit den ausgerichteten zweidimensionalen Bilddaten angezeigt werden.