DE102010023961B3

DE102010023961B3 - Angle-dependent bone thickness determination method for fastening surgical implant at bone of patient during orthopedic trauma surgery, involves detecting carrier substance thickness based on three-dimensional model indications of substance

Info

Publication number: DE102010023961B3
Application number: DE201010023961
Authority: DE
Inventors: Dr. Graumann Rainer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: SIEMENS HEALTHINEERS AG, DE
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2012-01-05
Anticipated expiration: 2030-06-17

Abstract

The method involves utilizing an ultrasound applicator (10) for sending and receiving ultrasonic signals from different angles for measuring thickness of a carrier substance (T). A three-dimensional model of the carrier substance is accessed for acquisition of indications of a structure of the carrier substance. Angle-dependent determination of the carrier substance thickness is detected based on a measured angle-dependent running time of ultrasonic signal and the three-dimensional model indications of the carrier substance. An independent claim is also included for a measuring arrangement for angle-dependent determination of thickness of a carrier substance.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung liegt auf den Gebieten der Medizintechnik, insbesondere der ultraschall-basierten Medizintechnik, und der Informationstechnologie und betrifft insbesondere einen Ansatz, um die Länge und Orientierung einer Schraube zu bestimmen, die zur Befestigung eines Implantates bestimmt ist.The invention is in the fields of medical technology, in particular ultrasound-based medical technology, and information technology, and in particular relates to an approach for determining the length and orientation of a screw intended for fastening an implant.

In der Traumatologie, insbesondere in der orthopadischen Traumatologie, werden Nägel und Platten zur Fixierung von Knochenfrakturen verwendet. Diese Nägel und Platten oder sonstigen orthopadischen Elemente müssen mit Schrauben am Knochen eines Patienten befestigt werden. Die Schrauben müssen zur optimalen Befestigung im richtigen Winkel, also in der richtigen Position im Raum, und in der richtigen Länge bereitgestellt und verarbeitet werden. Die Auswahl einer Schraube in der richtigen Länge ist von daher eine wichtige Voraussetzung für den Ablauf einer effizienten und medizinischen Prozedur. Die in der richtigen Länge ausgewählte Schraube kann dann in einem nachfolgenden Schritt später in den Körper des Patienten zur Fixierung des Implantats am Knochen des Patienten eingebracht werden.In traumatology, especially in orthopedic traumatology, nails and plates are used to fix bone fractures. These nails and plates or other orthopedic elements must be secured with screws to the bone of a patient. The screws must be provided and processed for optimal fastening at the correct angle, ie in the correct position in the room, and in the correct length. The selection of a screw of the correct length is therefore an important prerequisite for the execution of an efficient and medical procedure. The selected in the correct length screw can then be introduced later in a subsequent step in the body of the patient for fixing the implant to the bone of the patient.

Stand der TechnikState of the art

Das Problem besteht nun darin, eine Schraube bereitzustellen, die, je nach räumlicher Anordnung der Schraube zur sicheren Befestigung verwendet werden kann. In der Regel weist das Implantat ein Bohrloch auf, das zur Aufnahme der Schraube bestimmt ist. Die Schraube muss dann durch das Bohrloch so im Knochen verschraubt werden, dass das Implantat ausreichend im Knochen befestigt ist und somit eine optimale Stabilität aufweist. Gleichzeitig muss die Schraube an die konkreten anatomischen Verhältnisse des Knochens angepasst sein. Insbesondere darf die Schraube nicht zu lang sein, weil sie dann möglicherweise aus dem Knochen hervorstehen und medizinische Probleme verursachen würde. Ebenfalls darf die Schraube nicht zu kurz sein, da sie dann das Implantat nur unzureichend im Körper befestigt.The problem now is to provide a screw which, depending on the spatial arrangement of the screw, can be used for secure attachment. As a rule, the implant has a borehole which is intended to receive the screw. The screw must then be screwed through the hole in the bone so that the implant is sufficiently secured in the bone and thus has optimal stability. At the same time, the screw must be adapted to the specific anatomical conditions of the bone. In particular, the screw should not be too long, because it might then stick out of the bone and cause medical problems. Also, the screw must not be too short, as it then attaches the implant only inadequate in the body.

Die Auswahl der richtigen Schraube mit der richtigen Länge und möglicherweise dem richtigen Durchmesser ist von daher von herausragender Bedeutung.Choosing the right screw of the right length and possibly the right diameter is therefore of paramount importance.

Darüber hinaus ist die räumliche Positionierung der Schraube wichtig. Wird sie beispielsweise in einem falschen Winkel eingesetzt, so kann es möglich sein, dass das Implantat nur unzureichend im Körper befestigt ist. Somit ist es auch wichtig, die einzubringende Schraube im richtigen Winkel einzusetzen.In addition, the spatial positioning of the screw is important. If it is used, for example, at a wrong angle, then it may be possible that the implant is not adequately secured in the body. Thus, it is also important to insert the screw to be inserted at the correct angle.

Bei heutigen Verfahren aus dem Stand der Technik werden die einzubringenden Schrauben jeweils im Einzelfall ausgesucht und eingebracht. Für die Bestimmung der richtigen Schraube in der richtigen Länge greift der Chirurg bisher allein auf sein anatomisches Wissen und seine Erfahrung zurück, eventuell basierend auf intra-operativ gewonnene Rontgenbilder in ein oder zwei Ebenen. Dies führte jedoch im Stand der Technik häufig zu Fehlern, da die Schrauben entweder zu kurz ausgewahlt worden sind, was zu fehlendem Halt des Implantates führte oder es wurden zu lange Schrauben bestimmt, sodass die Schrauben möglicherweise aus dem Knochen herausragen, gegebenenfalls sogar in einen Gelenkspalt hinein. Ebenfalls kann es zu folgetrachtigen Fehlern kommen, falls die Schraube in einem falschen Winkel eingesetzt wird, da dann nicht immer die optimale Stabilität erreicht werden kann. Dies ist insbesondere wichtig bei schlechter Knochenqualität, z. B. hervorgerufen durch Osteoporose.In today's method of the prior art, the screws to be introduced are selected and introduced in each case. So far, the surgeon can only rely on his anatomical knowledge and experience to determine the correct screw of the right length, possibly based on intraoperative X-ray images in one or two planes. However, this has often led to errors in the prior art, either because the screws have been selected to be too short, resulting in a lack of support of the implant, or too long screws have been determined so that the screws possibly protrude from the bone, possibly even into a joint space into it. It can also lead to folgetrachtigen errors, if the screw is used at a wrong angle, because then the optimal stability can not always be achieved. This is especially important in poor bone quality, eg. B. caused by osteoporosis.

Im Bereich der Veterinärmedizin sind aus der US 4,359,055 A und der DE 42 30 415 A1 ultraschallbasierte Verfahren zur Messung einer Schichtdicke von Organen bekannt, wie Muskelgewebe oder Rückenfett.In the field of veterinary medicine are from the US 4,359,055 A and the DE 42 30 415 A1 Ultrasound-based methods for measuring a layer thickness of organs known as muscle tissue or back fat.

Auch die DE 692 07 665 T2 und DE 198 59 661 A1 zeigen ebenfalls Ultraschall-Messgeräte zum Bestimmen einer Fettdicke und gegebenenfalls von Muskelgewebe bei Tieren, um ein Magerkeitssignal zu erzeugen oder, um Muskel- und Fettanteile im Gewebe differenzieren zu können.Also the DE 692 07 665 T2 and DE 198 59 661 A1 also show ultrasonic gauges for determining fat thickness and, where appropriate, muscle tissue in animals to produce a leanness signal or to differentiate muscle and fat levels in the tissue.

Das winkelabhängige Bestimmen einer Trägersubstanzdicke (z. B. Knochendicke) zur Bestimmung von Länge und Form von Befestigungsmitteln zur Befestigung von Implantaten in der Trägersubstanz kann diesen Druckschriften jedoch nicht entnommen werden.However, the angle-dependent determination of a carrier substance thickness (for example bone thickness) for determining the length and shape of attachment means for fastening implants in the carrier substance can not be deduced from these publications.

Aufgabenstellungtask

Ausgehend von diesem Stand der Technik hat sich die vorliegende Erfindung deshalb zur Aufgabe gestellt, einen Ansatz aufzuzeigen, um die Auswahl und das Einsetzen von Schrauben computer-gestützt zu verbessern. Insbesondere soll die Länge einer Schraube im Vorfeld automatisiert und messtechnisch unterstützt bestimmt werden. Darüber hinaus soll der Winkel bestimmbar sein, indem die Schraube eingebracht werden soll.Based on this prior art, the present invention has therefore set itself the task of demonstrating an approach to improve the selection and the insertion of screws computer-assisted. In particular, the length of a screw to be determined in advance automated and metrologically supported. In addition, the angle should be determinable by the screw is to be introduced.

Ein Aspekt der Zielsetzung dieser Erfindung besteht deshalb darin, ein der medizinisch chirurgischen Prozedur vorgelagertes Auswahlverfahren für chirurgische Objekte zu automatisieren und zu verbessern. Ein weiterer Aspekt ist darin zu sehen, die mechanische Befestigung eines Implantates im Knochen zu verbessern (sicherer und mechanisch haltbarer) und die Dauer einer chirurgischen Prozedur zu verkürzen.One aspect of the object of this invention, therefore, is to automate and augment a surgical procedure selection procedure upstream of the medical surgical procedure improve. Another aspect is to improve the mechanical attachment of an implant in the bone (safer and more mechanically durable) and to shorten the duration of a surgical procedure.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Diese Aufgabe wird durch die beiliegenden nebengeordneten Patentansprüche gelöst, insbesondere durch ein Verfahren zur winkelabhängigen Messung einer Dicke einer Trägersubstanz, durch eine Verwendung des Verfahrens und durch eine Messanordnung.This object is achieved by the accompanying independent claims, in particular by a method for angle-dependent measurement of a thickness of a carrier substance, by use of the method and by a measuring arrangement.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der verfahrensgemäßen Lösung beschrieben. Hierbei erwähnte Vorteile, weitere Merkmale oder alternative Ausführungsformen sind ebenso auch auf die anderen Anspruchskategorien, insbesondere auf die Messanordnung zu übertragen und umgekehrt. Dabei werden die funktionalen Merkmale des Verfahrens durch entsprechende Hardwaremodule gelöst, wobei die Hardwaremodule zur Ausführung der entsprechenden Funktionalität bestimmt sind. Die Hardwaremodule sind Einheiten eines Mikroprozessorchips, der als Bauteil in einem medizinischen Gerät oder in einem anderen Gerät angeordnet ist, das in diesem Kontext verwendet werden kann.In the following the invention will be described with reference to the method according to the solution. Advantages mentioned here, further features or alternative embodiments are likewise to be transferred to the other categories of claims, in particular to the measuring arrangement, and vice versa. The functional features of the method are solved by appropriate hardware modules, the hardware modules are designed to perform the appropriate functionality. The hardware modules are units of a microprocessor chip that is arranged as a component in a medical device or other device that can be used in this context.

Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung bezieht somit insbesondere auf ein Verfahren zur winkelabhangigen Bestimmung oder Messung einer Dicke einer Trägersubstanz, insbesondere einem Knochen eines Patienten, wobei in die Tragersubstanz ein Implantat ein- oder angebracht werden soll. Zum Zwecke der Befestigung des Implantates im Knochen ist ein Objekt, insbesondere eine Schraube, vorgesehen, die im Vorfeld in der richtigen Länge und/oder in der richtigen Geometrie ausgewählt oder bestimmt werden muss. Die Schraube ist zum Eingriff mit der Trägersubstanz (also mit dem Knochen) und mit dem Implantat zum Zwecke der Befestigung des Implantates im Knochen bestimmt. Üblicherweise wird die Schraube im Rahmen einer medizinischen Prozedur eingebracht. Dabei umfasst das Verfahren folgende Schritte:

– Verwenden eines Ultraschallapplikators zur Messung der Trägersubstanzdicke aus mehreren Winkeln;
– Zugriff auf ein dreidimensionales Modell der Trägersubstanz zur Erfassung von Angaben zu der Trägersubstanz und insbesondere von Angaben zumindest zu einer (äußeren Form oder) Geometrie und/oder zu einem (inneren) Aufbau (oder Struktur) der Trägersubstanz;
– Winkelabhängiges Bestimmen und Berechnen der Trägersubstanzdicke, basierend auf einer gemessenen winkelabhängigen Laufzeit eines Ultraschallsignals und basierend auf den erfassten Angaben aus dem Modell, umfassend Angaben zu Geometrie und/oder zum Aufbau der Trägersubstanz.

One aspect of the present invention thus relates in particular to a method for angle-dependent determination or measurement of a thickness of a carrier substance, in particular a bone of a patient, wherein an implant is to be inserted or attached in the carrier substance. For the purpose of securing the implant in the bone, an object, in particular a screw, is provided, which must be selected or determined in advance in the correct length and / or in the correct geometry. The screw is intended for engagement with the carrier substance (ie with the bone) and with the implant for the purpose of securing the implant in the bone. Usually, the screw is introduced as part of a medical procedure. The process comprises the following steps:

- Using an ultrasonic applicator for measuring the carrier substance thickness from several angles;
Access to a three-dimensional model of the carrier substance for acquiring information about the carrier substance and in particular of information on at least one (outer shape or) geometry and / or on an (internal) structure (or structure) of the carrier substance;
Angle-dependent determination and calculation of the carrier substance thickness, based on a measured angle-dependent transit time of an ultrasound signal and based on the acquired information from the model, including information on the geometry and / or the structure of the carrier substance.

Nachfolgend werden die in dieser Anmeldung verwendeten Begrifflichkeiten näher spezifiziert.Hereinafter, the terms used in this application are specified in more detail.

Die Dicke der Trägersubstanz wird vorzugsweise durch einen Ultraschallapplikator gemessen, der zum Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen bestimmt ist. Dafür wird vorzugsweise ein Ultraschallapplikator im A-Modus verwendet, der lediglich zum Senden von Ultraschallsignalen und zum Empfangen der reflektierten Schallsignale bestimmt ist und nicht die empfangenen Ultraschallsignale in eine graphische Darstellung umwandelt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird hier ein miniaturisierter Einzelwandler im A-Mode-Betrieb verwendet. Dabei handelt es sich um ein stiftartiges längliches Bauteil, das leicht in enge anatomische Strukturen eingebracht und positioniert werden kann. Das Bauteil kann darüber hinaus auch flexibel ausgebildet sein, beispielsweise in Form eines Drahtes. Für spezifische Anwendungen kann der Ultraschallapplikator auch auf andere Geräte aufgesetzt oder verlängert werden.The thickness of the vehicle is preferably measured by an ultrasonic applicator designed to transmit and receive ultrasound signals. For this purpose, an ultrasound applicator in the A-mode is preferably used, which is only intended for transmitting ultrasound signals and for receiving the reflected sound signals and does not convert the received ultrasound signals into a graphical representation. According to a preferred embodiment, a miniaturized single transducer in A-mode operation is used here. It is a pin-like elongate component that can be easily inserted and positioned in tight anatomical structures. The component can also be designed to be flexible, for example in the form of a wire. For specific applications, the ultrasound applicator can also be placed on other devices or extended.

Der Ultraschallapplikator dient zur Messung der Knochendicke unter oder hinter einem Bohrloch in dem Implantat, durch das die Schraube gefuhrt werden muss. Im Einsatz wird deshalb der Ultraschallapplikator durch das Bohrloch im Implantat auf den Knochen geführt. Der Ultraschallapplikator kann dann eine Messung in unterschiedlichen Winkeln zur Messung der Knochendicke ausführen. Die gemessene, winkelabhängige Knochendicke wird als Ergebnis einer Berechnungseinheit zur Berechnung der Schraubenlänge zugeführt.The ultrasound applicator is used to measure the bone thickness below or behind a hole in the implant through which the screw must be guided. In use, therefore, the ultrasound applicator is guided through the borehole in the implant to the bone. The ultrasound applicator can then perform a measurement at different angles to measure bone thickness. The measured, angle-dependent bone thickness is supplied as a result of a calculation unit for calculating the screw length.

Der Begriff ”Trägersubstanz” ist eine Substanz, in der das Implantat befestigt werden soll. Es ist somit eine Befestigungsstruktur. In der bevorzugten Ausführungsform ist dies ein Knochen oder eine Knochengruppe des Patienten. Falls die Erfindung auch auf nicht-medizinischem Gebiet angewendet wird, kann die Trägersubstanz eine Struktur sein, die eine Schraube zum lösbaren Eingriff aufnehmen kann. Im Bereich der industriellen Fertigung kann es sich hier beispielsweise um Trägermaterialien aus Stahl, Kunststoff oder anderen formstabilen Materialien handeln.The term "carrier substance" is a substance in which the implant is to be attached. It is thus a fastening structure. In the preferred embodiment, this is a bone or a bone group of the patient. If the invention is also applied in the non-medical field, the carrier may be a structure that can receive a screw for releasable engagement. In the field of industrial production, this may be, for example, support materials made of steel, plastic or other dimensionally stable materials.

Das Implantat ist vorzugsweise ein chirurgisches Implantat, das in den Patienten eingebracht werden soll oder bereits eingebracht ist oder zum Befestigen auf dem Knochen aufliegt. Dabei muss das Implantat im Körper des Patienten befestigt werden. Bei nicht-medizinischen Anwendungen kann das Implantat ein separates Werkstück sein, das in ein umfassenderes Werkstück zu integrieren ist. Das Implantat kann eine beliebige Form aufweisen und kann aus unterschiedlichen Materialien, insbesondere Kunststoff und/oder Metall, hergestellt sein. Üblicherweise wird das Implantat im Knochen befestigt.The implant is preferably a surgical implant to be inserted into the patient or already introduced or rests on the bone for attachment. The implant must be fixed in the body of the patient. In non-medical applications, the implant may be a separate workpiece that fits into a more comprehensive workpiece is to integrate. The implant may have any shape and may be made of different materials, in particular plastic and / or metal. Usually, the implant is fixed in the bone.

Bei der Prozedur handelt es sich üblicherweise um eine medizinische Prozedur auf dem Gebiet der Traumatologie und/oder der Chirurgie. Ebenso kann es sich hier jedoch um eine Prozedur handeln, die ausschließlich im Vorfeld eines operativen Eingriffs ausgeführt wird. Die Prozedur kann somit auch eine reine Vorbereitungsmaßnahme zur Vorbereitung einer Operation eines Patienten sein. Beispielsweise kann die Prozedur lediglich zur Auswahl einer richtigen Schraube ausgebildet sein. Vorzugsweise handelt es sich jedoch bei der Prozedur um einen medizinischen Eingriff. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden alle Verfahrensschritte des vorstehend erwähnten Verfahrens intraoperativ, also während des medizinischen Eingriffs, ausgeführt. Alternativ können jedoch auch einzelne Verfahrensschritte bereits im Vorfeld ausgeführt und somit aus dem eigentlichen Operationsvorgang ausgelagert werden.The procedure is usually a medical procedure in the field of traumatology and / or surgery. However, this can also be a procedure that is executed exclusively in advance of an operative intervention. The procedure can thus also be a pure preparatory measure for preparing a patient's surgery. For example, the procedure may be designed only to select a proper screw. Preferably, however, the procedure is a medical procedure. According to a preferred embodiment, all method steps of the above-mentioned method are performed intraoperatively, ie during the medical procedure. Alternatively, however, individual method steps can be carried out in advance and thus be outsourced from the actual operation process.

Erfindungsgemäß wird auf ein dreidimensionales Modell für die Trägersubstanz zugegriffen. Üblicherweise werden die Modelle für die jeweiligen Trägersubstanzen in einer Modell-Datenbasis gespeichert. Üblicherweise gibt es für eine Trägersubstanz, also einen bestimmten Knochen, auch ein Modell. Je nach medizinischer Indikation und Anwendung kann es jedoch auch möglich sein, hier andere Zuordnungen bzw. Relationen vorzusehen. Insbesondere kann es mehrere Modelle für einen Knochen geben, die sich beispielsweise auf das unterschiedliche Alter des Patienten beziehen oder größenabhängig sind. Auch andere Differenzierungsmerkmale zur Definition eines Knochenmodells können zur Anwendung kommen. Das Modell wird üblicherweise mit einem statischen Verfahren berechnet. Dazu werden für einen bestimmten Knochentyp (zum Beispiel Femur) möglichst viele dreidimensionale CT-Daten von unterschiedlichen Patienten gewonnen. Aus diesen CT-Daten wird dann in einem statistischen Verfahren ein durchschnittliches Knochenmodell mit statistischer Variation berechnet. Bei dem dreidimensionalen Modell handelt es sich also üblicherweise um einen ”Durchschnittsknochen” eines Patienten. Vorteilhafte Ausführungsformen sehen es hier jedoch vor, dass das dreidimensionale Modell noch an bestimmte Parameter des Patienten angepasst ist. Beispielsweise können hier folgende Parameter berücksichtigt werden: Geschlecht des Patienten, Alter des Patienten, Größe des Patienten, Krankheit des Patienten etc. Je nach Parameter werden dann nur bestimmte CT-Daten berücksichtigt, die mit den ausgewählten Parametern ubereinstimmen. Beispielsweise werden also nur CT-Daten von männlichen Patienten mit der Größe XY und dem Alter ABC zur Berechnung des Knochenmodells erfasst. Die Verwendung eines statistischen Knochenmodells ist jedoch nicht zwingend. Alternativ zu dem statistischen Verfahren zur Erzeugung eines Knochenmodells kann auch eine Referenzträgerstruktur verwendet werden. Eine Referenzträgerstruktur kann insbesondere ein Referenzknochen desselben Patienten sein, der sich als entsprechender Knochen (sozusagen gespiegelt) auf der gesunden Seite des Patientenkörpers befindet. Soll beispielsweise in dem rechten Femurknochen eines Patienten ein Implantat eingeschraubt werden, so kann das Knochenmodell auf dem gesunden linken Femurknochen basieren. Darüber hinaus ist es auch möglich, einen Referenzknochen eines anderen Patienten zu finden, der in auswählbaren Parametern mit dem zu behandelnden Patienten übereinstimmt (beispielsweise hinsichtlich Geschlecht, Alter, Größe etc.). Aus dem Modell können Angaben abgeleitet werden, die eine Aussage über die dreidimensionale Form und Struktur der Trägersubstanz insbesondere des Knochens ermöglichen. Bei den Angaben handelt es sich insbesondere um Angaben zur äußeren Geometrie des Knochens und/oder zum inneren Aufbau der Trägersubstanz des Knochens. So gibt das Modell beispielsweise Aufschluss darüber, aus welchen unterschiedlichen Strukturen der Knochen besteht: zum Beispiel wie dick die äußerer Kortikalis und wie dick die innere Spongiosa jeweils ist und welche Form sie haben. Darüber hinaus werden die räumlichen Ausdehnungen und Größenverhältnisse der beteiligten Strukturen ermittelt. Die beiden vorstehend erwähnten Strukturen haben eine unterschiedliche Dichte und unterschiedliche Festigkeit, sodass ein Ultraschallsignal in den jeweiligen Strukturen unterschiedliche Laufzeiten hat. Aus einer einzelnen Schallsignal-Laufzeitmessung durch den Knochen kann daher die Knochendicke alleine generell nicht abgeleitet werden. Deshalb ist es erforderlich, in die Bestimmung der Knochendicke zusätzlich noch andere Informationen oder Faktoren mit einzubeziehen. Dies wird erfindungsgemäß durch die Berücksichtigung des dreidimensionalen Modells für den Knochen ermöglicht.According to the invention, a three-dimensional model for the carrier substance is accessed. Usually, the models for the respective carrier substances are stored in a model database. Usually there is also a model for a carrier substance, ie a specific bone. Depending on the medical indication and application, however, it may also be possible to provide other assignments or relations here. In particular, there may be several models for a bone that relate, for example, to the different age of the patient or are size-dependent. Other differentiation features for defining a bone model may also be used. The model is usually calculated using a static method. For this purpose, as many as possible three-dimensional CT data are obtained from different patients for a particular bone type (for example femur). From these CT data, an average bone model with statistical variation is then calculated in a statistical procedure. The three-dimensional model is thus usually an "average bone" of a patient. However, advantageous embodiments provide that the three-dimensional model is still adapted to certain parameters of the patient. For example, the following parameters can be taken into account here: gender of the patient, age of the patient, size of the patient, illness of the patient etc. Depending on the parameters, only certain CT data are then taken into account that correspond to the selected parameters. For example, therefore, only CT data from male patients of size XY and age ABC are collected to calculate the bone model. However, the use of a statistical bone model is not mandatory. As an alternative to the statistical method for creating a bone model, a reference support structure may also be used. In particular, a reference support structure may be a reference bone of the same patient, which is located on the healthy side of the patient's body as corresponding bone (mirrored, as it were). For example, if an implant is to be screwed into the right femur bone of a patient, the bone model may be based on the healthy left femur bone. In addition, it is also possible to find a reference bone of another patient who agrees in selectable parameters with the patient to be treated (for example, in terms of gender, age, height, etc.). Information can be derived from the model that makes it possible to make a statement about the three-dimensional shape and structure of the carrier substance, in particular of the bone. The particulars are in particular information about the outer geometry of the bone and / or the internal structure of the carrier of the bone. For example, the model provides information about the different structures of the bone: for example, how thick the outer cortex and how thick the internal cancellous bone is and what shape they have. In addition, the spatial dimensions and size relationships of the participating structures are determined. The two structures mentioned above have a different density and different strength, so that an ultrasonic signal has different transit times in the respective structures. From a single sound signal transit time measurement through the bone, therefore, the bone thickness alone can not be derived in general. Therefore, it is necessary to include other information or factors in the determination of bone thickness. This is made possible by the consideration of the three-dimensional model for the bone according to the invention.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das dreidimensionale Modell jedoch noch einem weiteren Verarbeitungsschritt zugeführt, um für die winkelabhängige Bestimmung der Trägersubstanzdicke verwendet zu werden. Bei dem weiteren Verfahrensschritt handelt es sich um das Anpassen des dreidimensionalen Modells für die Trägersubstanz an die aktuelle (zu behandelnde) Trägersubstanz. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem zumindest zwei Röntgenbilder aus unterschiedlichen Richtungen von der Trägersubstanz erfasst werden. Die beiden Röntgenbilder werden also vom Knochen und üblicherweise mit dem ein- oder aufgebrachten Implantat erstellt. Nach der Erfassung der Röntgenbilder wird das dreidimensionale Modell unter Berücksichtigung der beiden Röntgenbilder angepasst. Hier wird insbesondere eine Umrechnung der Daten ausgeführt, sodass eine möglichst hohe Übereinstimmung zwischen den dem dreidimensionalen Modell zugrundeliegenden Daten und den Daten der beiden Röntgenbilder erreicht werden kann. Mit anderen Worten wird das statistische Durchschnittsmodell für einen Knochen individualisiert, das heißt, an einem bestimmten Patienten angepasst. Die Anpassung erfolgt aufgrund der erfassten Röntgenaufnahmen. Beispielsweise können hier Größenverhältnisse, Positionsangaben, Abstände, Ausdehnungen etc. berücksichtigt werden. In dieser Ausführungsform wird dann das angepasste dreidimensionale Modell zum winkelabhängigen Bestimmen der Trägersubstanzdicke verwendet. Dabei ist es gemäß einer Variante der Erfindung möglich, dass diese Anpassung nur für einen Teil des Knochens erfolgt und nicht für die gesamte Knochenstruktur (z. B. der Teil eines frakturierten Knochens der zur Verschraubung vorgesehen ist). Dies kann vorteilhafterweise Rechenzeit einsparen. Auch ist es möglich, dass nur ein Teil des dreidimensionalen Modells dem Anpassungsvorgang unterzogen wird, um nicht unnötig Rechenkapazität zu belasten.However, according to a preferred embodiment, the three-dimensional model is still supplied to a further processing step in order to be used for the angle-dependent determination of the carrier substance thickness. The further method step involves adapting the three-dimensional model for the carrier substance to the current carrier substance (to be treated). This is achieved according to the invention by detecting at least two X-ray images from different directions of the carrier substance. The two X-ray images are thus created by the bone and usually with the implant applied or applied. After acquiring the X-ray images, the three-dimensional model becomes submerged Adjustment of the two x-ray images adapted. Here, in particular, a conversion of the data is carried out, so that the highest possible degree of correspondence between the data underlying the three-dimensional model and the data of the two X-ray images can be achieved. In other words, the statistical average model for a bone is individualized, that is adapted to a particular patient. The adjustment is made on the basis of the recorded X-ray images. For example, size relationships, position information, distances, expansions etc. can be taken into account here. In this embodiment, the adjusted three-dimensional model is then used for angle-dependent determination of the carrier substance thickness. In this case, according to a variant of the invention, it is possible for this adaptation to take place only for a part of the bone and not for the entire bone structure (eg the part of a fractured bone intended for screwing). This can advantageously save computing time. It is also possible that only a part of the three-dimensional model is subjected to the adaptation process so as not to unnecessarily burden computing capacity.

Das winkelabhängige Bestimmen der Trägersubstanzdicke wird vorzugsweise ebenfalls intraoperativ und vollautomatisch ausgeführt. Die dem Bestimmen zugrundeliegende Berechnung und/oder die anderen Verfahrensschritte kann/können in einer separaten computergestützten Instanz oder direkt in einer Zusatzeinheit des Ultraschallapplikators ausgeführt werden.The angle-dependent determination of the carrier substance thickness is preferably also carried out intraoperatively and fully automatically. The calculation underlying the determination and / or the other method steps can be carried out in a separate computer-assisted entity or directly in an auxiliary unit of the ultrasound applicator.

Die Abfolge der vorstehend erwähnten Verfahrensschritte ist für die Erfindung grundsatzlich nicht zwingend. Beispielsweise ist es auch möglich, zuerst auf das dreidimensionale Modell zuzugreifen und anschließend den Ultraschallapplikator zur Messung der Knochendichte zu verwenden.The sequence of the above-mentioned method steps is in principle not mandatory for the invention. For example, it is also possible to first access the three-dimensional model and then use the ultrasound applicator to measure bone density.

Die Ausführung der Verfahrensschritte kann in einer rechnergestützten Einheit, zum Beispiel im Rahmen des Ultraschallapplikators, ausgeführt werden. Ebenso ist es möglich, dass die Verfahrensschritte in unterschiedlichen elektronischen Modulen ausgeführt werden.The execution of the method steps can be carried out in a computer-aided unit, for example in the context of the ultrasound applicator. It is also possible that the method steps are performed in different electronic modules.

Üblicherweise umfasst das winkelabhängige Bestimmen der Trägersubstanzdicke auch die Ausgabe des Ergebnisses. Je nach Ausführungsform kann das Ergebnis der winkelabhängigen Bestimmung der Trägersubstanzdicke auf unterschiedliche Weise ausgegeben werden. So ist es möglich, die Trägersubstanzdicke als optisches Signal in Form einer Längenangabe auf einen Monitor darzustellen. Ebenso ist es möglich, dass die Ausgabeeinheit nicht zur Darstellung von visuellen Signalen bestimmt ist, sondern von akustischen Signalen und einen Lautsprecher umfasst, der das Ergebnis als akustisches Signal ausgibt.Usually, the angle-dependent determination of the carrier substance thickness also includes the output of the result. Depending on the embodiment, the result of the angle-dependent determination of the carrier substance thickness can be output in different ways. Thus, it is possible to represent the carrier substance thickness as an optical signal in the form of a length specification on a monitor. It is also possible that the output unit is not intended to represent visual signals, but comprises acoustic signals and a loudspeaker which outputs the result as an acoustic signal.

Insbesondere kann auf einem Anzeigegerät die gemessene und bestimmte Dicke der Trägersubstanz in Abhängigkeit von dem jeweiligen Winkel des Ultraschallapplikators auf einem Monitor dargestellt werden. Vorzugsweise erfolgt dies in Echtzeit. Befindet sich also der Ultraschallapplikator an seiner Zielposition innerhalb des Bohrloches des Implantates über der Trägersubstanz bzw. über dem Knochen, so kann der Anwender zum Beispiel durch Betätigen eines entsprechenden Schaltelementes (zum Beispiel Druckknopf am Ultraschallapplikator) die Übertragung von Ultraschallwellen aktivieren. Als Ergebnis wird unmittelbar die Länge des Knochens auf einem Monitor dargestellt. Wird der Ultraschallapplikator nun in einem anderen Winkel auf den Knochen geführt (bzw. gekippt oder geneigt), so wird sich die gemessene Knochendicke ändern, sodass ein anderes Resultat auf dem Monitor dargestellt wird. Wird der Ultraschallapplikator an einer anderen Position auf der Trägersubstanz positioniert, so ergibt sich ebenfalls eine andere erneute Bestimmung der Trägersubstanzdicke. Üblicherweise wird die Trägersubstanzdicke bei einer Positions- und/oder Lageveränderung des Ultraschallapplikators jeweils aktualisiert. Es wird also immer ein Update der Trägersubstanzdicke in Echtzeit ausgeführt.In particular, the measured and determined thickness of the carrier substance as a function of the respective angle of the ultrasound applicator can be displayed on a monitor on a display device. This is preferably done in real time. Thus, if the ultrasound applicator is located at its target position within the borehole of the implant above the carrier substance or above the bone, the user can activate the transmission of ultrasound waves, for example by actuating a corresponding switching element (for example a pushbutton on the ultrasound applicator). As a result, the length of the bone is immediately displayed on a monitor. If the ultrasound applicator is now guided (or tilted or tilted) onto the bone at a different angle, the measured bone thickness will change so that a different result is displayed on the monitor. If the ultrasound applicator is positioned at a different position on the carrier substance, another determination of the carrier substance thickness results likewise. The carrier substance thickness is usually updated when the position of the ultrasound applicator changes position and / or position. Thus, an update of the carrier substance thickness is always executed in real time.

Alternativ oder kumulativ kann auch ein akustisches Signal ausgegeben werden, falls beispielsweise die bestimmte Trägersubstanzdicke nicht in einem vorbestimmten Normalbereich liegt. Dies kann den Chirurgen dann beispielsweise darüber informieren, dass er nicht die üblicherweise vorgesehenen ”Normalschrauben” verwenden kann, sondern dass er hier auf spezifische Schraubenlängen zurückgreifen muss.Alternatively or cumulatively, an acoustic signal can also be output if, for example, the determined carrier substance thickness is not within a predetermined normal range. This may then inform the surgeon, for example, that he can not use the usually provided "normal screws", but that he must resort to specific screw lengths here.

In einer anderen Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der Ultraschallapplikator nicht gesondert durch eine Betätigung eines Schalters durch den Anwender aktiviert werden muss, sondern, dass der Ultraschallapplikator automatisch und ohne ein separates Aktivierungssignal oder Ultraschallsignale überträgt.In another embodiment, it is contemplated that the ultrasound applicator need not be separately activated by actuation of a switch by the user, but that the ultrasound applicator transmits automatically and without a separate activation signal or ultrasound signals.

Um unnötiges Datenvolumen zu vermeiden, ist es in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass das Bestimmen der Trägersubstanzdicke (nur) in einem Zielbereich der Trägersubstanz ausgeführt wird. Der Zielbereich befindet sich vorzugsweise unter einem Bohrloch des Implantates, der zur Aufnahme der Schraube bestimmt ist.In order to avoid unnecessary data volume, it is provided in a preferred embodiment that the determination of the carrier substance thickness is carried out (only) in a target region of the carrier substance. The target area is preferably located below a borehole of the implant intended to receive the screw.

Ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass das Verfahren in Echtzeit ausgeführt wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Trägersubstanzdicke in Abhängigkeit von dem Winkel des Ultraschallapplikators und/oder in Abhängigkeit von dessen Position ermittelt wird. Sobald ein neuer Winkel und/oder eine neue Position vorliegen, wird das Ergebnis in Echtzeit angepasst. In der Ausführungsform, in der zusätzlich zumindest zwei Röntgenbilder von der Trägersubstanz mit dem Implantat erfasst werden, ist es möglich, dass das Verfahren zusätzlich noch einen weiteren Verfahrensschritt umfasst. Insbesondere ist es dann möglich, die Position und/oder Richtung des Implantats in Beziehung zu dem dreidimensionalen Modell der Trägersubstanz zu ermitteln.An essential aspect of the present invention is that the method is executed in real time. In particular, it is provided that the carrier substance thickness in Depending on the angle of the ultrasound applicator and / or depending on its position is determined. As soon as a new angle and / or a new position is available, the result is adjusted in real time. In the embodiment in which additionally at least two X-ray images of the carrier substance are detected with the implant, it is possible that the method additionally comprises a further method step. In particular, it is then possible to determine the position and / or direction of the implant in relation to the three-dimensional model of the carrier substance.

Dies erfolgt unter Berücksichtigung der beiden Röntgenbilder. Dabei wird vorzugsweise der Bereich von Datensätzen des dreidimensionalen Modells für die Trägersubstanz ausgewählt, der mit den Datensätzen (weitestgehend) übereinstimmt, die den erfassten Röntgenbildern zugrunde liegen. In dieser Ausführungsform erhält der Chirurg somit zusätzlich noch Hinweise und Angaben darüber, wo sich das Implantat in Bezug auf das dreidimensionale Modell befindet und in welcher Richtung es angeordnet ist. Dies erleichtert die Vorbereitung und Anwendung der einzubringenden Schraube. Daruber hinaus können auch Fehler vermieden werden, die dadurch entstehen, dass das Implantat an der falschen Knochenposition angeordnet ist. Die vorstehend beschriebene Positions- und/oder Richtungsbestimmung des Implantats stellt somit eine zusätzliche Fehlerkorrekturmaßnahme dar.This is done taking into account the two x-ray images. In this case, the range of data sets of the three-dimensional model for the carrier substance is preferably selected which coincides (to the greatest extent) with the data sets on which the detected X-ray images are based. In this embodiment, the surgeon thus additionally receives indications and information about where the implant is with respect to the three-dimensional model and in which direction it is arranged. This facilitates the preparation and application of the screw to be introduced. In addition, it is also possible to avoid errors that result from the implant being arranged at the wrong bone position. The above-described position and / or direction determination of the implant thus represents an additional error correction measure.

Aus der winkelabhängigen Bestimmung der Trägersubstanzdicke kann dann automatisch die Länge der einzubringenden Schraube berechnet werden. Darüber hinaus ist es möglich, die Orientierung bzw. Ausrichtung der Schraube beim Einbringen derselben zu überprüfen. Beispielsweise ist es möglich, zu überprüfen, ob die Schraube exakt oder angenähert in demselben Winkel auf die Trägersubstanz geführt wird, wie es im vorhergehenden Verfahrensschritt der Ultraschallapplikator geführt war. Falls hier eine Abweichung festgestellt wird, ist die Ausgabe eines Warnhinweises (akustisch oder optisch) möglich, um den Chirurgen zu informieren, dass er die Schraube in einem falschen Winkel ansetzt. Dies setzt allerdings eine Röntgen-Unterstützung voraus.From the angle-dependent determination of the carrier substance thickness, the length of the screw to be introduced can then be calculated automatically. In addition, it is possible to check the orientation or orientation of the screw during insertion of the same. For example, it is possible to check whether the screw is guided exactly or approximately at the same angle to the carrier substance, as was the case in the preceding method step of the ultrasonic applicator. If a discrepancy is detected, it is possible to issue a warning (audible or visual) to inform the surgeon that he is setting the screw at a wrong angle. However, this requires an X-ray support.

Eine weitere Aufgabenlösung besteht in der Verwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Berechnung einer Länge, einer Position, einer dreidimensionalen Orientierung und/oder von weiteren Metadaten des Objektes (Schraube).Another task solution is the use of the method described above for calculating a length, a position, a three-dimensional orientation and / or further metadata of the object (screw).

Eine weitere Aufgabenlösung besteht in einer Messanordnung zur winkelabhängigen Bestimmung der Trägersubstanzdicke. Die Messanordnung umfasst zumindest einen Ultraschallapplikator, zumindest eine Modell-Datenbasis und zumindest eine Berechnungseinheit, die zur Ausführung des vorstehend erwähnten Verfahrens bestimmt ist. Der Ultraschallapplikator, die Modell-Datenbasis und die Berechnungseinheit können unterschiedlichen elektronischen Geräten zugeordnet sein. Alternativ können diese Einheiten auch in ein elektronisches Gerät integriert sein.Another task solution is a measuring arrangement for the angle-dependent determination of the carrier substance thickness. The measuring arrangement comprises at least one ultrasound applicator, at least one model data base and at least one calculation unit which is intended for carrying out the method mentioned above. The ultrasound applicator, the model database, and the calculation unit may be associated with different electronic devices. Alternatively, these units may also be integrated into an electronic device.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mit deren Vorteilen in Zusammenhang mit den Figuren näher beschrieben.In the following the invention will be described in more detail by means of exemplary embodiments with their advantages in connection with the figures.

In dieser zeigen:In this show:

1 eine übersichtsartige Darstellung zur Anwendung des Verfahrens und 1 an overview of the application of the method and

2 eine schematische Übersichtsdarstellung einer Messanordnung. 2 a schematic overview of a measuring arrangement.

1 zeigt einen Ausschnitt einer Trägersubstanz T, insbesondere eines Knochens. Der Knochen T weist eine äußere Kortikalis-Schicht und eine innere Spongiosa-Schicht auf. In dem Knochen T soll ein Implantat I befestigt werden. Das Implantat I liegt auf dem Knochen T auf oder ist bereits auf andere Weise in dem Knochen T eingebracht. Das Implantat I hat in der in 1 dargestellten Ausführungsform eine annähernd hakenförmige Struktur mit einer länglichen Ausdehnung und umfasst ein Bohrloch 12. Das Bohrloch 12 dient zur Aufnahme eines Objektes, insbesondere einer Schraube, die in 1 nicht dargestellt ist. 1 shows a section of a carrier T, in particular a bone. The bone T has an outer cortical layer and an inner cancellous bone layer. In the bone T an implant I is to be attached. The implant I rests on the bone T or is already introduced into the bone T in some other way. The implant I has in the in 1 illustrated embodiment, an approximately hook-shaped structure with an elongated extent and includes a borehole 12 , The borehole 12 serves to receive an object, in particular a screw, in 1 not shown.

Um die Länge der einzubringen Schraube im Vorfeld automatisch bestimmen zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, einen Ultraschallapplikator 10, insbesondere einen Ultraschall-Pointer, der im A-Mode betrieben wird durch das Bohrloch 12 auf den Knochen T zu führen, um die Dicke des Knochens T zu bestimmen. In 1 ist die zu messende Trägersubstanzdicke durch die gepunktete Linie angedeutet, die mit Δs gekennzeichnet ist.In order to automatically determine the length of the screw to be introduced in advance, it is provided according to the invention, an ultrasonic applicator 10 , in particular an ultrasonic pointer, which is operated in the A-mode through the borehole 12 on the bone T to determine the thickness of the bone T. In 1 is the carrier substance thickness to be measured indicated by the dotted line, which is marked with Δs.

Der Ultraschallapplikator 10 kann nun in unterschiedlichen Winkeln auf den Knochen T geführt werden, um die Knochendicke aus unterschiedlichen Richtungen zu messen. Je nachdem, wie der Ultraschallapplikator 10 bewegt wird, wird ein anderes Ergebnis ausgegeben. Wird der Applikator 10 also gekippt, werden automatisch unterschiedliche Winkelorientierungen ausgemessen und ausgegeben (zum Beispiel angezeigt). Aufgrund von Inhomogenitäten des Knochens (basierend auf den unterschiedlichen Knochenschichten, die unterschiedliche Festkörpereigenschaften aufweisen) weisen die Ultraschallsignale Longitudinalwellen und Transversalwellen auf, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreiten. Um aus diesen Signalen ein eindeutiges Messsignal für die Knochendicke berechnen zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, für die Berechnung zusätzlich auf einen modellbasierten Ansatz zurückzugreifen. In dem modellbasierten Ansatz werden die unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten für die Ultraschallsignale berücksichtigt.The ultrasound applicator 10 can now be performed at different angles on the bone T to measure the bone thickness from different directions. Depending on how the ultrasound applicator 10 is moved, another result is output. Will the applicator 10 So tilted, automatically different angle orientations are measured and output (for example, displayed). Due to inhomogeneity of the bone (based on the different bone layers having different solid state properties), the ultrasonic signals have longitudinal waves and transverse waves propagating at different velocities. In order to be able to calculate a clear measurement signal for the bone thickness from these signals, it is according to the invention provided for the calculation additionally to use a model-based approach. The model-based approach takes into account the different propagation velocities for the ultrasound signals.

2 zeigt in einer schematischen Darstellung den Aufbau einer Messanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Dabei ist der Ultraschallapplikator 10 mit einer Modell-Datenbasis DB und mit einem Berechnungsmodul 16 verbunden (zum Beispiel über ein Bussystem oder ein Netzwerk). Die Modell-Datenbasis DB dient zur Speicherung von dreidimensionalen Modellen für unterschiedliche Knochen oder Knochentypen, wobei die in der Datenbasis DB gespeicherten Modelle nicht Patienten-spezifisch sind. In der Regel gibt es ein Modell für einen bestimmten Knochen (zum Beispiel Femur etc.). In einer verfeinerten Ausführungsform können jedoch auch mehrere unterschiedliche Modelle für ein und denselben Knochentypen bereitgestellt werden. Diese Modelle können in Abhängigkeit vom Alter, Geschlecht und/oder von anderen Parametern des Patienten unterschiedliche erzeugt sein oder werden. 2 shows a schematic representation of the structure of a measuring arrangement according to a preferred embodiment. Here is the ultrasound applicator 10 with a model database DB and with a calculation module 16 connected (for example via a bus system or a network). The model database DB is used to store three-dimensional models for different bones or bone types, whereby the models stored in the database DB are not patient-specific. There is usually a model for a particular bone (for example, femur, etc.). However, in a more refined embodiment, several different models may be provided for the same bone type. These models may or may not be created differently depending on the age, sex and / or other parameters of the patient.

Das Berechnungsmodul 16 (auch Berechnungseinheit genannt) dient zum winkelabhängigen Bestimmen der Trägersubstanzdicke basierend auf der gemessenen winkelabhängigen Laufzeit des Ultraschallsignals des Ultraschallapplikators 10 und basierend auf der erfassten Geometrie und dem erfassten Aufbau der Trägersubstanz aufgrund des dreidimensionalen Modells. Gegebenenfalls können in das Modell noch weitere Faktoren einfließen, die dann bei dem Bestimmen der Trägersubstanzdicke berücksichtigt werden.The calculation module 16 (Also called calculation unit) is used for angle-dependent determination of the carrier substance thickness based on the measured angle-dependent transit time of the ultrasonic signal of the ultrasonic applicator 10 and based on the detected geometry and the detected structure of the vehicle based on the three-dimensional model. Optionally, further factors can be incorporated into the model, which are then taken into account when determining the carrier substance thickness.

Das Ergebnis auf einem Monitor eines angeschlossenen Computers dargestellt werden (in 2 auf der rechten Seite dargestellt). Ebenso ist es möglich, das Ergebnis über ein akustisches Signal auszugeben. Beispielsweise können hier unterschiedliche akustische Signale vorgesehen sein, die sich auf bestimmte Schraubenkategorien beziehen (zum Beispiel eine Normlänge, eine Kurzlänge und eine Lang-Länge).The result will be displayed on a monitor of a connected computer (in 2 shown on the right). It is also possible to output the result via an acoustic signal. For example, different acoustic signals may be provided here which relate to specific bolt categories (for example, a standard length, a short length and a long length).

Im Folgenden wird ein üblicher Ablauf des Verfahrens anhand einer bevorzugten Ausführungsform näher beschrieben.In the following, a typical procedure of the method will be described in more detail with reference to a preferred embodiment.

Nachdem das Implantat I auf den Knochen T aufgelegt (oder eingebracht) wurde, wird der Ultraschallapplikator 10 durch das Bohrloch 12 des Implantates I auf den Knochen T geführt. Je nach Ausführungsform kann der Anwender dann durch Betätigen eines Schalters die Ultraschallmessung aktivieren. Andernfalls ist die Ultraschallmessung automatisch aktiviert. Nach Aktivierung des Ultraschallapplikators 10 wird die Trägersubstanzdicke des Knochens T gemessen. üblicherweise erfolgt dies in unterschiedlichen Winkeln („Winkel” bezieht sich dabei auf den Winkel zwischen dem Ultraschallapplikator 10 und dem Knochen T).After the implant I has been placed (or inserted) on the bone T, the ultrasound applicator becomes 10 through the borehole 12 of the implant I led to the bone T. Depending on the embodiment, the user can then activate the ultrasound measurement by actuating a switch. Otherwise, the ultrasound measurement is automatically activated. After activation of the ultrasound applicator 10 the carrier substance thickness of the bone T is measured. This is usually done at different angles ("angle" refers to the angle between the ultrasonic applicator 10 and the bone T).

In einem nachfolgenden Schritt erfolgt ein Zugriff auf ein dreidimensionales Modell, das in der Datenbank DB gespeichert ist. Das Datenmodell kann aus statistischen Daten generiert werden oder es kann aus einem Referenzknochen auf der gespiegelten, gesunden Körperseite des Patienten generiert werden. Das Knochenmodell geht in die Berechnung der Ultraschall-Laufzeiten und damit in die Bestimmung der Trägersubstanzdicke ein.In a subsequent step, access is made to a three-dimensional model stored in the database DB. The data model can be generated from statistical data or it can be generated from a reference bone on the mirrored, healthy body side of the patient. The bone model is included in the calculation of the ultrasonic transit times and thus in the determination of the carrier substance thickness.

In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird in Abhängigkeit von dem Winkel, in dem der Ultraschall-Pointer auf den Knochen T geführt ist, die Knochendicke bestimmt. Die Bestimmung basiert auf den gemessenen Ultraschall-Laufzeiten, die in Abhängigkeit von dem Winkel ein unterschiedliches Ergebnis liefern und in Abhängigkeit auf der erfassten Geometrie und dem erfassten Aufbau bzw. der erfassten Struktur des Knochens aus dem dreidimensionalen Modell.In a subsequent method step, the bone thickness is determined as a function of the angle at which the ultrasonic pointer is guided onto the bone T. The determination is based on the measured ultrasonic transit times, which give a different result depending on the angle and depending on the detected geometry and the detected structure or the detected structure of the bone from the three-dimensional model.

Ein vorteilhafter Aspekt der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass nicht ein einheitliches dreidimensionales Modell für alle unterschiedlichen Patienten verwendet werden muss, das natürlich nicht immer optimal passen kann, sondern dass das allgemeine, Patienten-unspezifische Modell an die aktuelle Knochengeometrie angepasst wird. Dies wird vorzugsweise dadurch ausgeführt, dass zwei Röntgenaufnahmen, insbesondere zwei zueinander orthogonale Röntgenaufnahmen, erfasst werden, in denen die Trägersubstanz mit dem Implantat erfasst wird. Mit diesen Röntgenaufnahmen kann dann das allgemeine Modell an den jeweiligen Patienten angepasst werden, sodass es Patienten-spezifisch angepasst ist. In einer anderen Ausführungsform kann das allgemeine Modell aufgrund von anderen Angaben oder Messungen individualisiert bzw. angepasst werden. Beispielsweise sind hier andere Abstandsmessungen oder manuelle Eingaben eines Anwenders oder das automatische Einlesen von Datensätzen möglich. Insbesondere ist es möglich, aus einer Datenbank die relevanten Datensätze (zum Beispiel Größenverhältnisse, Alter, etc.) zu erfassen, um aus diesen Angaben das allgemeine Modell für den jeweiligen Patienten zu spezifizieren. Ebenso ist es möglich für die Anpassung nur ein Röntgenbild zu verwenden, falls eine Anpassung aufgrund der Daten aus nur einem Röntgenbild möglich ist.An advantageous aspect of the present invention resides in the fact that it is not necessary to use a uniform three-dimensional model for all different patients, which, of course, can not always optimally fit, but that the general, patient-unspecific model is adapted to the current bone geometry. This is preferably carried out by detecting two x-ray images, in particular two mutually orthogonal x-ray images, in which the carrier substance is detected with the implant. With these X-ray images, the general model can then be adapted to the respective patient, so that it is adapted to the patient. In another embodiment, the general model may be customized based on other indications or measurements. For example, other distance measurements or manual inputs by a user or automatic reading of data records are possible here. In particular, it is possible to record the relevant data records (for example size relationships, age, etc.) from a database in order to specify the general model for the respective patient from these data. It is also possible to use only an X-ray image for the adaptation, if an adaptation based on the data from only one X-ray image is possible.

In einer weiteren Alternative ist es möglich, andere Modalitäten einzubinden und kumulativ oder alternativ zu den Röntgenbildern zweidimensionale oder dreidimensionale Aufnahmen von anderen Modalitäten zur Anpassung des aktuellen Modells an das Patienten-spezifische Modell zu verwenden. Bei den Bildern kann es sich um zwei- oder dreidimensionale CT-Bilder handeln, die im Rahmen eines Registrierungsvorganges zur Anpassung des Modells verwendet werden. Darüber hinaus können frühere Aufnahmen, die bereits im Vorfeld erfasst worden sind, verwendet werden oder es kann auf intraoperative Aufnahmen (zum Beispiel ein dreidimensionales CT) zurückgegriffen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist es voreinstellbar inwieweit das allgemeine Modell angepasst werden soll. Üblicherweise genügt eine Genauigkeit von ca. 2 bis 3 mm zur Bestimmung der Trägersubstanzdicke. Dafür ist eine grobe Anpassung des statistischen Knochenmodells an die Patienten-spezifische Form, Dicke, innere Struktur und/oder an weitere Patienten-spezifische Parameter des Knochens ausreichend.In another alternative, it is possible to incorporate other modalities and to use cumulatively or alternatively to the X-ray images two-dimensional or three-dimensional images of other modalities for adapting the current model to the patient-specific model. The images may be two- or three-dimensional CT images used as part of a registration process to customize the model. In addition, previous images that have been acquired in advance may be used or intraoperative images (for example, a three-dimensional CT) may be used. In a preferred embodiment, it is presettable to what extent the general model should be adapted. Normally, an accuracy of approximately 2 to 3 mm is sufficient for determining the carrier substance thickness. For this, a rough adaptation of the statistical bone model to the patient-specific shape, thickness, internal structure and / or to other patient-specific parameters of the bone is sufficient.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Ultraschallapplikator 10 als miniaturisierter Einzelwandler ausgebildet. Aufgrund der hohen Dämpfung des Knochens bei hohen Frequenzen wird der Ultraschallapplikator 10 in einem Bereich bei ungefähr 1 MHz betrieben werden. Dies entspricht einer axialen Ortsauflösung von ca. 1,5 mm.In a preferred embodiment, the ultrasonic applicator 10 designed as a miniaturized single transducer. Due to the high attenuation of the bone at high frequencies, the ultrasound applicator 10 be operated in a range of about 1 MHz. This corresponds to an axial spatial resolution of approx. 1.5 mm.

Mit der Erfindung können mehrere Vorteile erreicht werden.Several advantages can be achieved with the invention.

Zum einen können medizinische Eingriffskorrekturen entfallen, die bisher erforderlich waren, falls eine Schraube mit falscher Schraubenlänge eingebracht worden ist. Dies erhöht die Sicherheit und die Zuverlässigkeit der medizinischen Prozedur deutlich.On the one hand, medical intervention corrections that were previously required if a screw with the wrong screw length has been introduced can be dispensed with. This significantly increases the safety and reliability of the medical procedure.

Zum anderen kann die Fixierung des Implantats verbessert werden, indem eine optimal angepasste Schraubenlänge (Schraubenform, Schraubenart) gewählt wird.On the other hand, the fixation of the implant can be improved by choosing an optimally adapted screw length (screw shape, screw type).

Darüber hinaus wird es möglich, die Schraubenlänge und Schraubenorientierung automatisch und in Echtzeit zu bestimmen, ohne dass der Chirurg auf sein Erfahrungswissen zurückgreifen muss.In addition, it becomes possible to determine the screw length and orientation automatically and in real time, without the surgeon having to resort to his experience.

Ein weiterer Vorteil ist in der Flexibilität des erfindungsgemäßen Verfahrens zu sehen. In einer einfachen Variante ist es möglich, nur eine Knochendicke in einem Winkel zu messen. Das Verkippen des Ultraschallapplikators 10 ist nicht zwingend erforderlich. In diesem Fall wird nur die Richtung vermessen, die annähernd der Mittellängsachse des Bohrloches 12 im Implantat I entspricht. Damit kann das Verfahren schneller ein Ergebnis ausgeben.Another advantage can be seen in the flexibility of the method according to the invention. In a simple variant, it is possible to measure only one bone thickness at an angle. The tilting of the ultrasound applicator 10 is not mandatory. In this case, only the direction is measured, which is approximately the central longitudinal axis of the borehole 12 in the implant I corresponds. This allows the process to output a result faster.

Abschließend sei darauf hingewiesen, dass die Beschreibung der Erfindung und die Ausführungsbeispiele grundsätzlich nicht einschränkend in Hinblick auf eine bestimmte physikalische Realisierung der Erfindung zu verstehen sind. Für einen Fachmann ist es insbesondere offensichtlich, dass die Erfindung teilweise oder vollständig in Soft- und/oder Hardware (insbesondere für eine chip- oder mikroprozessor-basierte Anwendung) und/oder auf mehrere physikalische Produkte – dabei insbesondere auch Computerprogrammprodukte – verteilt realisiert werden kann. Insbesondere ist es möglich, dass einzelne Abschnitte des vorstehend beschriebenen computerimplementierten Verfahrens in einer verkaufsfähigen Einheit und die restlichen Abschnitte, Komponenten oder Verfahrensschritte in einer anderen verkaufsfähigen Einheit – sozusagen als verteiltes System – ausgeführt werden können.Finally, it should be noted that the description of the invention and the embodiments are not to be understood as limiting in terms of a particular physical realization of the invention. It is particularly obvious to a person skilled in the art that the invention can be implemented partially or completely in software and / or hardware (in particular for a chip or microprocessor-based application) and / or on a plurality of physical products - in particular also computer program products , In particular, it is possible for individual sections of the above-described computer-implemented method to be implemented in one salable unit and the remaining sections, components or method steps in another salable unit, so to speak as a distributed system.

Claims

Method for the angle-dependent determination of a thickness of a carrier substance (T) into which an implant (I) is to be applied or applied, wherein an object is intended for attachment for engagement with the carrier substance (T) and with the implant (I), during a procedure, with the following steps: - using an ultrasound applicator ( 10 ) for transmitting and receiving ultrasonic signals for measuring the carrier substance thickness from multiple angles - access to a three-dimensional model of the carrier substance (T) for acquiring information at least from geometry and / or structure of the carrier substance (T) - angle-dependent determination of the carrier substance thickness based on a measured angle-dependent transit time of the ultrasound signal and based on the information from the carrier substance (T) acquired from the three-dimensional model.

The method of claim 1, wherein the method additionally comprises the following method step: - Detecting at least two X-ray images of the carrier substance (T) from different directions Adapting the three-dimensional model or partial structures of the three-dimensional model of the carrier substance (T) to the carrier substance (T) or to parts of the carrier substance (T) taking into account the at least two detected X-ray images, wherein the adapted model is used to determine the carrier substance thickness.

Method according to claim 2, wherein the method additionally comprises the following method step: - Determining the position and / or direction of the implant (I) in relation to the three-dimensional model of the carrier substance (T) taking into account the at least two detected X-ray images.

Method according to at least one of the preceding claims, wherein the model is determined by a statistical method.

Method according to at least one of the preceding claims, in which the model is based on a reference carrier structure.

Method according to at least one of the preceding claims, in which the determination of the carrier substance thickness takes place in a target area of the carrier substance (T), the target area being located below a borehole ( 12 ) of the implant (I) is arranged.

Method according to at least one of the preceding claims, wherein said determining is carried out in real time.

Method according to at least one of the preceding claims, in which a length and / or an orientation of the object in 3D space are calculated from the determined carrier substance thickness and displayed on a monitor or on an output unit.

Use of the method according to one of the preceding claims for calculating a length, a position and / or a three-dimensional orientation of the object.

Measuring arrangement for the angle-dependent determination of a thickness of a carrier substance (T) during a procedure, in which an implant (I) is to be applied or applied to the carrier substance (T), wherein an object for the purpose of attachment for engagement with the carrier substance (T) and with implant (I), comprising means adapted to carry out all the steps of a method according to at least one of the method claims 1 to 8, comprising: - an ultrasound applicator ( 10 ) - a model database (DB) - a calculation unit ( 16 ).

Measuring arrangement according to claim 10, wherein the ultrasonic applicator ( 10 ) is a miniaturized single converter operating in an A-mode.