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DE20304922U1 - Device for determining an articulation point of two bones - Google Patents

Device for determining an articulation point of two bones

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DE20304922U1
DE20304922U1 DE20304922U DE20304922U DE20304922U1 DE 20304922 U1 DE20304922 U1 DE 20304922U1 DE 20304922 U DE20304922 U DE 20304922U DE 20304922 U DE20304922 U DE 20304922U DE 20304922 U1 DE20304922 U1 DE 20304922U1
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Description

A 57 235 u AESCULAP AG & Co. KGA 57 235 u AESCULAP AG & Co. KG

25. März 2003 Am Aesculap-Platz25 March 2003 At Aesculap-Platz

u-248 78532 Tuttlingenu-248 78532 Tuttlingen

VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG EINES GELENKPUNKTES VON ZWEI KNOCHENDEVICE FOR DETERMINING A JOINT POINT OF TWO BONES

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Gelenkpunktes von zwei durch ein Gelenk verbundenen Knochen, die um mindestens zwei nicht zueinander parallele Drehachsen relativ zueinander verschwenkbar verbunden sind, bei welcher Bestimmung man die beiden Knochen relativ zueinander bewegt, dabei die Bewegung eines Punktes eines Knochens in einem Referenzsystem des anderen Knochens beschreibende Meßwerte aufnimmt, und aus diesen Meßwerten für mehrere Teile der Bahn oder für jeweils eine von mehreren nacheinander aufgenommenen Bahnen eine die Bewegung als Rotation beschreibende Drehachse bestimmt, mit einem Navigationssystem, mindestens einem an dem einen Knochen festlegbaren Markierelement des Navigationssystems und mit einer aus den aufgenommenen Meßwerten für einen Teil der Bahn oder für jeweils eine von mehreren nacheinander aufgenommenen Bahnen eine die Bewegung als Rotation beschreibende Drehachse bestimmenden Datenverarbeitungsanlage.The invention relates to a device for determining a joint point of two bones connected by a joint, which are pivotably connected relative to one another about at least two non-parallel axes of rotation, in which determination the two bones are moved relative to one another, measured values describing the movement of a point of a bone in a reference system of the other bone are recorded, and from these measured values an axis of rotation describing the movement as rotation is determined for several parts of the path or for one of several paths recorded one after the other, with a navigation system, at least one marking element of the navigation system which can be fixed to one bone, and with a data processing system which determines an axis of rotation describing the movement as rotation from the measured values recorded for one part of the path or for one of several paths recorded one after the other.

Die Lage von anatomischen Gelenkpunkten kann unter bestimmten Voraussetzungen dadurch bestimmt werden, daß die an diesen Gelenkpunkten gelenkig miteinander verbundenen Knochen gegeneinander bewegt werden und daß durch die Analyse der Bewegung, beispielsweise mittels eines Navigationssystems, die Lage des Gelenkpunktes aus den aufgenommenen Bahnkurven berechnet wird. Dies ist beispielsweise problemlos möglich bei Gelenken, dieThe position of anatomical joint points can be determined under certain conditions by moving the bones that are connected to each other at these joint points against each other and by analyzing the movement, for example using a navigation system, to calculate the position of the joint point from the recorded trajectories. This is easily possible, for example, with joints that

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25. März 2003
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als Kugelgelenk ausgestattet sind, wie dies beim Hüftgelenk der Fall ist. Ein solches Verfahren ist u.a. beschrieben in der EP 0 969 780 Bl.as a ball joint, as is the case with the hip joint. Such a procedure is described in EP 0 969 780 Bl.

Schwieriger ist jedoch die exakte Bestimmung eines Gelenkpunktes für solche Gelenke durchführbar, die nicht als reine Kugelgelenke ausgebildet sind, sondern die im wesentlichen Scharniergelenke oder scharnierähnliche Gelenke sind. Wenn ein Gelenk ein reines Scharniergelenk ist, existiert eine feste Drehachse, jedoch kein zentraler Gelenkpunkt. Bei derartigen Gelenken macht es also keinen Sinn, einen solchen Gelenkpunkt zu bestimmen.However, it is more difficult to determine the exact articulation point for joints that are not designed as pure ball joints, but are essentially hinge joints or hinge-like joints. If a joint is a pure hinge joint, there is a fixed axis of rotation, but no central articulation point. For such joints, it therefore makes no sense to determine such a articulation point.

Die meisten Scharniergelenke oder scharnierähnlichen Gelenke im Körper von Säugetieren sind jedoch so ausgebildet, daß sie nicht nur um eine einzige Drehachse verschwenkt werden können, sondern daß - zumindest in begrenztem Umfange - auch eine Verschwenkung um eine zweite Drehachse möglich ist. Dies gilt beispielsweise beim Kniegelenk. Um die Längsachse der Tibia kann diese in geringem Umfange neben der normalen Verschwenkbewegung um die Querachse verschwenkt werden, es existieren also im wesentlichen zwei senkrecht aufeinanderstehende Drehachsen. Diese Drehachsen bestimmen gemeinsam einen Gelenkpunkt für das Knie, um den jede Bewegung erfolgt, auch wenn sie aus den Drehungen um die beiden beschriebenen Drehachsen als überlagerte Bewegung gebildet wird. In diesen Fällen kann also ein Gelenkpunkt bestimmt werden, allerdings ist es notwendig, die beiden Knochen auch tatsächlich um diese beiden Drehachsen gegeneinander zu verschwenken, um diesen Gelenkpunkt festlegen zu können. Eine Verschwenkbewegung allein um eine der beiden Drehachsen würde nicht ausreichen, da mit der BestimmungHowever, most hinge joints or hinge-like joints in the body of mammals are designed in such a way that they can not only be pivoted about a single axis of rotation, but that - at least to a limited extent - pivoting about a second axis of rotation is also possible. This applies, for example, to the knee joint. The tibia can be pivoted to a small extent about the longitudinal axis in addition to the normal pivoting movement about the transverse axis, so there are essentially two axes of rotation that are perpendicular to one another. These axes of rotation together determine a joint point for the knee, around which every movement takes place, even if it is formed from the rotations about the two axes of rotation described as a superimposed movement. In these cases, a joint point can be determined, but it is necessary to actually pivot the two bones against each other about these two axes of rotation in order to be able to determine this joint point. A pivoting movement alone about one of the two axes of rotation would not be sufficient, since the determination

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25. März 2003
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25 March 2003
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einer Drehachse allein noch kein Gelenkpunkt längs dieser Drehachse festgelegt wird.an axis of rotation alone does not determine a hinge point along this axis of rotation.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung so auszuführen, daß bei der Bewegung von zwei Knochen ein Gelenkpunkt mit der gewünschten Genauigkeit bestimmt werden kann.It is an object of the invention to design a generic device in such a way that when two bones move, a joint point can be determined with the desired accuracy.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Datenverarbeitungsanlage für die derart bestimmten, unterschiedlich orientierten Drehachsen deren Streuung in der Orientierung berechnet und aus den unterschiedlich orientierten Drehachsen nur dann einen Gelenkpunkt berechnet, wenn die Streuung in der Orientierung der Drehachsen einen bestimmten Wert übersteigt.This object is achieved according to the invention in a device of the type described at the outset in that the data processing system calculates the dispersion in orientation for the differently oriented axes of rotation determined in this way and calculates a hinge point from the differently oriented axes of rotation only if the dispersion in the orientation of the axes of rotation exceeds a certain value.

Die Erfindung geht somit aus von der Erkenntnis, daß alle tatsächlich bestimmten Drehachsen durch Überlagerung der gelenkeigenen Drehachsen gebildet werden, beim Knie also beispielsweise als Überlagerung der Flexionsachse des Knies einerseits und der Tibialängsachse als zweiter Drehachse andererseits. Die Streuung dieser Orientierung ist ein Maß dafür, wie stark in den unterschiedlich orientierten Drehachsen die Anteile dieser beiden Hauptdrehachsen vertreten sind. Wenn das Gelenk nur so bewegt wird, daß alle Drehachsen im wesentlichen parallel sind, dann ist es unmöglich, einen Gelenkpunkt zu bestimmen. Je stärker die unterschiedlich orientierten Drehachsen in ihrer Orientierung voneinander abweichen, desto genauer definieren sie durch ihren Schnittpunkt den gesuchten Gelenkpunkt.The invention is therefore based on the knowledge that all actually determined axes of rotation are formed by superimposing the joint's own axes of rotation, for example in the knee by superimposing the flexion axis of the knee on the one hand and the tibial longitudinal axis as the second axis of rotation on the other. The scatter of this orientation is a measure of how strongly the parts of these two main axes of rotation are represented in the differently oriented axes of rotation. If the joint is only moved in such a way that all axes of rotation are essentially parallel, then it is impossible to determine a joint point. The more the differently oriented axes of rotation deviate from one another in their orientation, the more precisely they define the joint point being sought through their intersection.

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25. März 2003
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25 March 2003
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Durch Feststellung der Streuung können somit Messungen ausgeschieden werden, bei denen de Drehachsen sich in ihrer Orientierung zu wenig voneinander unterscheiden, bei denen also eine genaue Lagebestimmung des Gelenkpunktes nicht möglich ist. Umgekehrt werden dann, wenn die unterschiedlichen Orientierungen der Drehachsen genügend voneinander abweichen und damit eine große Streuung aufweisen, zuverlässige Werte für den Gelenkpunkt errechnet.By determining the scatter, measurements can be eliminated in which the axes of rotation differ too little from each other in their orientation, so that an exact determination of the position of the hinge point is not possible. Conversely, if the different orientations of the axes of rotation differ sufficiently from each other and thus show a large scatter, reliable values for the hinge point are calculated.

Bei der Aufnahme der Bewegung ist es also nicht notwendig, daß man darauf achtet, die Bewegung der beiden Knochen genau um die beiden Hauptachsen vorzunehmen, sondern es genügt, wenn die Streuung der Orientierung der aufgenommenen Drehachsen groß genug ist, um sicher zu sein, daß dann genügend Anteile beider Hauptdrehachsen berücksichtigt worden sind. Man kann also beispielsweise die Tibia gegenüber dem Femur in beliebiger Weise bewegen, wobei man die vom Knie zur Verfügung gestellten Freiheitsgrade ausnützt, und sobald sich dabei eine ausreichende Streuung ergibt, ist man sicher, eine zuverlässige Gelenkpunktbestimmung durchführen zu können.When recording the movement, it is therefore not necessary to ensure that the movement of the two bones occurs precisely around the two main axes; it is sufficient if the dispersion of the orientation of the recorded axes of rotation is large enough to ensure that sufficient parts of both main axes of rotation have been taken into account. For example, the tibia can be moved in any way relative to the femur, making use of the degrees of freedom provided by the knee, and as soon as sufficient dispersion is achieved, one can be sure that a reliable determination of the joint point can be carried out.

Grundsätzlich können die verschiedensten Verfahren verwendet werden, um aus den Bahnkurven der beiden gegeneinander bewegten Knochen unterschiedlich orientierte Drehachsen zu bestimmen.In principle, a variety of methods can be used to determine differently oriented axes of rotation from the trajectories of the two bones moving against each other.

Insbesondere kann vorgesehen sein, daß die Datenverarbeitungsanlage während einer Bewegung der beiden Knochen relativ zueinander in verschiedenenIn particular, it can be provided that the data processing system during a movement of the two bones relative to each other in different

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Relativpositionen die Momentanorientierung eines Knochens im Referenzsystem des anderen Knochens bestimmt und für diese Momentanorientierung eine Momentan-Drehachse berechnet, die einer Drehung des Knochens aus einer angenommenen Referenzorientierung in diese Momentanorientierung entspricht, und daß die Datenverarbeitungsanlage die Streuung in der Orientierung durch die Streuung der Momentan-Drehachsen bestimmt.Relative positions determine the instantaneous orientation of one bone in the reference system of the other bone and calculate for this instantaneous orientation an instantaneous axis of rotation which corresponds to a rotation of the bone from an assumed reference orientation into this instantaneous orientation, and that the data processing system determines the scatter in the orientation by the scatter of the instantaneous axes of rotation.

Es ist günstig, wenn der Datenverarbeitungsanlage eine Anzeige zugeordnet ist, auf der die Streuung der Orientierung der durchgeführten Bewegung dargestellt wird. Man kann dann an dieser Anzeige sofort erkennen, ob die Streuung der Orientierung der Drehachsen ausreichend groß ist, sollte das nicht der Fall sein, kann man durch Änderung des Bewegungsablaufes dafür sorgen, daß die Streuung den gewünschten Wert erreicht.It is advantageous if the data processing system is assigned a display on which the dispersion of the orientation of the movement performed is shown. This display then immediately shows whether the dispersion of the orientation of the rotation axes is sufficiently large; if this is not the case, the dispersion can be adjusted to the desired value by changing the movement sequence.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Datenverarbeitungsanlage die Bestimmung eines Gelenkpunktes blockiert, solange der bestimmte Wert der Streuung der Orientierung nicht erreicht ist.According to a preferred embodiment, it is provided that the data processing system blocks the determination of a hinge point as long as the determined value of the dispersion of the orientation is not reached.

Dem Navigationssystem kann je ein Markierelement an dem einen und an dem anderen Knochen zugeordnet sein.The navigation system can be assigned a marker element to one bone and one to the other.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen: The following description of preferred embodiments of the invention serves to explain in more detail in conjunction with the drawing. They show:

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Figur 1: eine Gesamtansicht einer Vorrichtung zur Bestimmung des Kniegelenkpunktes eines Patienten mit einem Navigationssystem und einer Datenverarbeitungsanlage;Figure 1: an overall view of a device for determining the knee joint point of a patient with a navigation system and a data processing system;

Figur 2: eine schematische Darstellung der Hauptdrehachsen einer TibiaFigure 2: a schematic representation of the main axes of rotation of a tibia

relativ zu einem Femur;relative to a femur;

Figur 3: eine schematische Darstellung des Kniegelenks mit einem Bündel von unterschiedlich orientierten Kniegelenk-Schwenkachsen undFigure 3: a schematic representation of the knee joint with a bundle of differently oriented knee joint pivot axes and

Figur 4: eine schematische Darstellung der Aufnahme unterschiedlicherFigure 4: a schematic representation of the recording of different

Orientierungen der gegeneinander verschwenkten Knochen und der daraus ableitbaren Lage einer Drehachse.Orientations of the bones pivoted against each other and the resulting position of an axis of rotation.

Auf einem Operationstisch 1 liegt ein Patient 2, bei dem der Gelenkpunkt des Kniegelenks 3 bestimmt werden soll. In der Zeichnung sind der Femur 4 und die Tibia 5 dargestellt, die über das Kniegelenk 3 gelenkig miteinander verbunden sind. Sowohl am Femur 4 als auch an der Tibia 5 ist je ein Markierelement 6 bzw. 7 festgelegt, das in an sich bekannter Weise mit einem im Operationssaal aufgestellten Navigationssystem 8 zusammenwirkt. Die Markierelemente 6, 7 tragen jeweils im Abstand zueinander drei Referenzkörper 9, die entweder selbst eine elektromagnetische Strahlung aussenden oder eine auf sie auffal-A patient 2 is lying on an operating table 1, and the articulation point of the knee joint 3 is to be determined. The drawing shows the femur 4 and the tibia 5, which are connected to each other via the knee joint 3. A marking element 6 or 7 is fixed to both the femur 4 and the tibia 5, which interacts in a known manner with a navigation system 8 set up in the operating room. The marking elements 6, 7 each carry three reference bodies 9 at a distance from each other, which either emit electromagnetic radiation themselves or emit a radiation that is noticeable to them.

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lende elektromagnetische Strahlung reflektieren, beispielsweise eine Infrarotstrahlung. Diese Strahlung wird von drei im Abstand zueinander angeordneten Empfängern 10 des Navigationssystems 8 aufgenommen, und auf diese Weise kann die genaue Position und Orientierung der Markierelemente 6, 7 im Raum vom Navigationssystem festgelegt werden. Der jeweiligen Lage entsprechende Datensätze werden von dem Navigationssystem 8 einer Datenverarbeitungsanlage 11 zugeführt, die diese Daten und daraus abgeleitete Daten auf einer Anzeige 12 darstellen kann.reflect electromagnetic radiation, for example infrared radiation. This radiation is received by three receivers 10 of the navigation system 8 arranged at a distance from one another, and in this way the exact position and orientation of the marking elements 6, 7 in space can be determined by the navigation system. Data sets corresponding to the respective position are fed from the navigation system 8 to a data processing system 11, which can display this data and data derived from it on a display 12.

In Figur 2 ist dargestellt, welche Bewegungen die Tibia 5 relativ zum Femur 4 ausführen kann. Diese Bewegung ist im wesentlichen eine scharnierähnliche Schwenkbewegung um eine quer zur Längsrichtung von Femur und Tibia verlaufende Beugeachse 13 und daneben eine Drehung um die Längsachse 14 der Tibia 5. Diese Drehung um die Längsachse 14 ist begrenzt und nur über einen relativ geringen Winkelbereich möglich, die Verschwenkung um die Beugeachse 13 dagegen kann einen Winkel von deutlich über 90° überstreichen.Figure 2 shows the movements that the tibia 5 can perform relative to the femur 4. This movement is essentially a hinge-like pivoting movement about a flexure axis 13 running transversely to the longitudinal direction of the femur and tibia and, in addition, a rotation about the longitudinal axis 14 of the tibia 5. This rotation about the longitudinal axis 14 is limited and only possible over a relatively small angular range, whereas the pivoting about the flexure axis 13 can cover an angle of significantly more than 90°.

Aus dem Schnittpunkt der Beugeachse 13 und der Längsachse 14 läßt sich der Gelenkpunkt 15 des Kniegelenks 3 bestimmen. Wenn sich die beiden Achsen nicht genau schneiden, sondern nur sehr dicht aneinander vorbeilaufen, kann dieser Punkt auch als ein zwischen den beiden Achsen und möglichst dicht an diesen liegender Punkt definiert werden.The articulation point 15 of the knee joint 3 can be determined from the intersection point of the flexion axis 13 and the longitudinal axis 14. If the two axes do not intersect exactly, but only pass very closely by each other, this point can also be defined as a point lying between the two axes and as close to them as possible.

Um die Lage dieses Gelenkpunktes 15 allein aus der Bewegung der Tibia relativ zum Femur bestimmen zu können, wird die Tibia 5 relativ zum Femur 4In order to be able to determine the position of this articular point 15 solely from the movement of the tibia relative to the femur, the tibia 5 is moved relative to the femur 4

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so bewegt, daß diese Bewegung nicht nur aus einer reinen Beugung des Knies besteht, sondern auch Anteile einer Drehbewegung um die Längsachse 14 enthält, d.h. es wird eine möglichst unregelmäßige Bewegung der beiden Knochen gegeneinander durchgeführt, wobei der Behandler nicht darauf achten muß, wie diese Bewegung genau abläuft.in such a way that this movement does not only consist of a pure flexion of the knee, but also contains parts of a rotational movement around the longitudinal axis 14, i.e. the movement of the two bones against each other is as irregular as possible, whereby the practitioner does not have to pay attention to how this movement takes place exactly.

Da sowohl am Femur als auch an der Tibia jeweils ein Markierelement 6, 7 festgelegt ist, kann sich dabei auch der Femur 4 beliebig bewegen, die Datenverarbeitungsanlage kann aus der Bewegung des Markierelementes 6 am Femur 4 und des Markierelementes 7 an der Tibia 5 die Relativbewegung von Tibia und Femur bestimmen und damit die jeweilige Lage des Markierelementes 7 und damit der Tibia 5 in einem femureigenen Referenzsystem.Since a marking element 6, 7 is fixed on both the femur and the tibia, the femur 4 can also move as desired; the data processing system can determine the relative movement of the tibia and femur from the movement of the marking element 6 on the femur 4 and the marking element 7 on the tibia 5 and thus the respective position of the marking element 7 and thus of the tibia 5 in a femur-specific reference system.

Aus den Bewegungskurven des Markierelementes 7 im femureigenen Referenzsystem lassen sich mit an sich bekannten Algorithmen die Drehachsen dieser Bewegung bestimmen, es werden also aus den Bahnkurven beispielsweise durch Mittelung verschiedener Positionen und Orientierungen des Markierelementes 7 gemittelte Drehachsen bestimmt, die bei nacheinander erfolgenden Bewegungen der Tibia gegenüber dem Femur in der Regel verschieden sein werden, je nachdem wie die Tibia relativ zum Femur bewegt worden ist. Allerdings werden beim Kniegelenk diese Drehachsen normalerweise nicht allzusehr von der Beugeachse 13 abweichen, da die Bewegung um diese Beugeachse einen wesentlich größeren Winkelbereich überstreichen kann als die Rotation um die Längsachse 14. Die auf diese Weise ermittelten Drehachsen liegen dann beispielsweise in einem Doppelkonus 16, dessen Längsachse mitThe axes of rotation of this movement can be determined from the movement curves of the marking element 7 in the femur's own reference system using known algorithms. Averaged axes of rotation are thus determined from the trajectories, for example by averaging different positions and orientations of the marking element 7, which will generally be different in the case of successive movements of the tibia relative to the femur, depending on how the tibia has been moved relative to the femur. However, in the case of the knee joint, these axes of rotation will normally not deviate too much from the flexion axis 13, since the movement around this flexion axis can cover a much larger angular range than the rotation around the longitudinal axis 14. The axes of rotation determined in this way then lie, for example, in a double cone 16, the longitudinal axis of which is

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der Beugeachse zusammenfällt und dessen Spitze den gesuchten Gelenkpunkt 15 markiert.the bending axis and whose tip marks the desired joint point 15.

Dieser Gelenkpunkt 15 kann nur sehr ungenau bestimmt werden, wenn der Öffnungswinkel des Doppelkonus 16 sehr klein ist, wenn also die Abweichung der auf diese Weise bestimmten Drehachsen voneinander gering ist, wenn der Winkel des Doppelkonus 16 dagegen größer wird, ist eine genauere Bestimmung der genauen Lage des Gelenkpunktes 15 gewährleistet, der größere Winkel des Doppelkonus 16 entspricht einer größeren Streuung der Orientierung der auf diese Weise bestimmten Drehachsen.This articulation point 15 can only be determined very imprecisely if the opening angle of the double cone 16 is very small, i.e. if the deviation of the axes of rotation determined in this way from each other is small. If, on the other hand, the angle of the double cone 16 becomes larger, a more precise determination of the exact position of the articulation point 15 is ensured; the larger angle of the double cone 16 corresponds to a larger scatter of the orientation of the axes of rotation determined in this way.

Die Datenverarbeitungsanlage 11 ermittelt aus den einzelnen Orientierungen der Drehachsen die Abweichung oder Streuung der Orientierungswerte voneinander und vergleicht diese mit einem vorgegebenen Referenzwert. Liegt die Streuung unterhalb dieses Referenzwertes, werden die gemessenen Werte nicht zur Berechnung eines Gelenkpunktes verwendet, da dann die Streuung entsprechend dem Winkel des Doppelkonus 16 zu gering ist und nur ungenaue Angaben über den Gelenkpunkt 15 zu erhalten sind. Erst beim Überschreiten des vorgegebenen Wertes der Streuung wird der Gelenkpunkt in der beschriebenen Weise berechnet.The data processing system 11 determines the deviation or scatter of the orientation values from each other from the individual orientations of the rotation axes and compares these with a specified reference value. If the scatter is below this reference value, the measured values are not used to calculate a hinge point, since the scatter corresponding to the angle of the double cone 16 is then too small and only imprecise information about the hinge point 15 can be obtained. The hinge point is only calculated in the manner described when the specified scatter value is exceeded.

Der Wert der Streuung kann auf der Anzeige 12 dargestellt werden, so daß jederzeit ablesbar ist, ob die Bewegung der Tibia relativ zum Femur die beiden Verschwenkmöglichkeiten in ausreichendem Maße berücksichtigt hat, also genügend unregelmäßig war. Wenn der Streuschwellwert noch nicht erreicht ist,The scatter value can be shown on the display 12, so that it is always possible to see whether the movement of the tibia relative to the femur has taken the two pivoting possibilities into account to a sufficient extent, i.e. whether it was sufficiently irregular. If the scatter threshold value has not yet been reached,

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muß der Behandler lediglich dafür sorgen, daß bei folgenden Bewegungen der Tibia relativ zum Femur diese Bewegung möglichst stark abweicht von einer reinen Schwenkbewegung in einer einzigen Ebene.The practitioner must only ensure that during subsequent movements of the tibia relative to the femur, this movement deviates as much as possible from a pure pivoting movement in a single plane.

Während es grundsätzlich möglich ist, die unterschiedlich orientieren Drehachsen durch aufeinanderfolgende Bewegungsabläufe der Tibia relativ zum Femur zu messen, kann bei einem anderen Verfahren vorgesehen sein, daß während eines einzigen Bewegungsablaufes unterschiedliche Komponenten dieser Bewegung analysiert und zur Berechnung einer größeren Anzahl von Momentan-Drehachsen benutzt werden.While it is basically possible to measure the differently oriented axes of rotation through successive movements of the tibia relative to the femur, another method may provide for different components of this movement to be analyzed during a single movement and used to calculate a larger number of instantaneous axes of rotation.

Dazu wird in unterschiedlichen Positionen während des Bewegungsablaufes jeweils die Orientierung des Markierelementes 7 der Tibia 5 im femureigenen Referenzsystem bestimmt, dies ist in Figur 4 durch eine Vielzahl von Achsenkreuzen symbolisiert, die jeweils die Lage dieses Markierelementes 7 angeben, und zwar in Bezug auf eine Referenzorientierung R, die beispielsweise aus dem Mittelwert aller Einzelorientierungen berechnet werden kann.For this purpose, the orientation of the marking element 7 of the tibia 5 in the femur's own reference system is determined in different positions during the movement sequence; this is symbolized in Figure 4 by a plurality of axes, each of which indicates the position of this marking element 7, namely in relation to a reference orientation R, which can be calculated, for example, from the mean value of all individual orientations.

Für jede Stellung des Markierelementes 7 während des Bewegungsablaufes berechnet nun die Datenverarbeitungsanlage eine Momentan-Drehachse, die so gewählt ist, daß allein durch eine Drehung um diese Momentan-Drehachse das einer bestimmten Position entsprechende Achsenkreuz in das Achsenkreuz des Referenzsystems übergeht. Mit anderen Worten wird festgestellt, um welche Achse das Markierelement 7 gedreht werden muß, um die dem Achsenkreuz R entsprechende Referenzposition zu erreichen.For each position of the marking element 7 during the movement sequence, the data processing system calculates an instantaneous axis of rotation which is selected in such a way that the axis cross corresponding to a certain position is transferred to the axis cross of the reference system simply by rotating about this instantaneous axis of rotation. In other words, it is determined about which axis the marking element 7 must be rotated in order to reach the reference position corresponding to the axis cross R.

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Dies wird für alle längs der Bahnkurve bestimmten Positionen des Markierelementes 7 in dieser Weise durchgeführt und führt zu einer Anzahl unterschiedlich orientierter Momentan-Drehachsen. Diese Momentan-Drehachsen werden wieder auf ihre Streuung untersucht und bei ausreichend großer Streuung, d.h. beim Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes, werden aus diesen Momentan-Drehachsen, beispielsweise durch Bestimmung von deren Schnittpunkt oder durch andere mathematische Verfahren die Koordinaten des Gelenkpunktes 15 errechnet.This is carried out in this way for all positions of the marking element 7 determined along the trajectory and leads to a number of differently oriented instantaneous axes of rotation. These instantaneous axes of rotation are again examined for their scatter and if the scatter is sufficiently large, i.e. if a predetermined threshold value is exceeded, the coordinates of the articulation point 15 are calculated from these instantaneous axes of rotation, for example by determining their intersection point or by other mathematical methods.

Wesentlich ist auch hier, daß die Streuung der unterschiedlichen Momentanorientierung ein Kriterium dafür bildet, ob aufgrund der Messung eine solche Berechnung sinnvoll ist oder nicht.It is also important here that the scatter of the different instantaneous orientations forms a criterion for whether such a calculation is meaningful or not based on the measurement.

Selbstverständlich ist auch bei diesem Verfahren möglich, die Bewegung der Tibia gegenüber dem Femur zu wiederholen, jedoch genügen hier in der Regel einige Abbiegebewegungen und Streckbewegungen des Beines, um eine ausreichende Anzahl von Meßpunkten für eine sehr genaue Gelenkpunktbestimmung zu erhalten.Of course, it is also possible to repeat the movement of the tibia in relation to the femur with this method, but usually a few bending and stretching movements of the leg are sufficient to obtain a sufficient number of measuring points for a very precise determination of the joint point.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Bestimmung eines Gelenkpunktes von zwei durch ein Gelenk verbundenen Knochen, die um mindestens zwei nicht zueinander parallele Drehachsen relativ zueinander verschwenkbar verbunden sind, bei welcher Bestimmung man die beiden Knochen relativ zueinander bewegt, dabei die Bewegung eines Punktes eines Knochens in einem Referenzsystem des anderen Knochens beschreibende Meßwerte aufnimmt, und aus diesen Meßwerten für mehrere Teile der Bahn oder für jeweils eine von mehreren nacheinander aufgenommenen Bahnen eine die Bewegung als Rotation beschreibende Drehachse bestimmt, mit einem Navigationssystem, mindestens einem an dem einen Knochen festlegbaren Markierelement des Navigationssystems und mit einer aus den aufgenommenen Meßwerten für einen Teil der Bahn oder für jeweils eine von mehreren nacheinander aufgenommenen Bahnen eine die Bewegung als Rotation beschreibende Drehachse bestimmenden Datenverarbeitungsanlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (11) für die derart bestimmten, unterschiedlich orientierten Drehachsen deren Streuung in der Orientierung berechnet und aus den unterschiedlich orientierten Drehachsen nur dann einen Gelenkpunkt (15) berechnet, wenn die Streuung in der Orientierung der Drehachsen einen bestimmten Wert übersteigt. 1. Device for determining a joint point of two bones connected by a joint, which are pivotably connected relative to one another about at least two rotation axes that are not parallel to one another, in which determination the two bones are moved relative to one another, measuring values describing the movement of a point of a bone in a reference system of the other bone are recorded, and from these measuring values an axis of rotation describing the movement as a rotation is determined for several parts of the path or for one of several successively recorded paths, with a navigation system, at least one marking element of the navigation system that can be fixed to one bone and with a data processing system that determines an axis of rotation describing the movement as a rotation from the measured values recorded for a part of the path or for one of several successively recorded paths, characterized in that the data processing system ( 11 ) calculates the scatter in the orientation for the differently oriented rotation axes determined in this way and calculates a joint point ( 15 ) from the differently oriented rotation axes only if the scatter in the orientation of the rotation axes exceeds a certain value. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (11) während einer Bewegung der beiden Knochen (4, 5) relativ zueinander in verschiedenen Relativpositionen die Momentanorientierung eines Knochens (5) im Referenzsystem des anderen Knochens (4) bestimmt und für diese Momentanorientierung eine Momentan-Drehachse berechnet, die einer Drehung des Knochens (5) aus einer angenommenen Referenzorientierung in diese Momentanorientierung entspricht, und daß man die Streuung in der Orientierung durch die Streuung der Momentan-Drehachsen bestimmt. 2. Device according to claim 1, characterized in that the data processing system ( 11 ) determines the instantaneous orientation of one bone ( 5 ) in the reference system of the other bone ( 4 ) during a movement of the two bones ( 4 , 5 ) relative to one another in different relative positions and calculates an instantaneous axis of rotation for this instantaneous orientation which corresponds to a rotation of the bone ( 5 ) from an assumed reference orientation into this instantaneous orientation, and that the scatter in the orientation is determined by the scatter of the instantaneous axes of rotation. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenverarbeitungsanlage (11) eine Anzeige (12) zugeordnet ist, auf der die Datenverarbeitungsanlage (11) die Streuung der Orientierung der durchgeführten Bewegung darstellt. 3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the data processing system ( 11 ) is associated with a display ( 12 ) on which the data processing system ( 11 ) displays the dispersion of the orientation of the movement performed. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungsanlage (11) die Bestimmung eines Gelenkpunktes (15) blockiert, solange der bestimmte Wert der Streuung der Orientierung nicht erreicht ist. 4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the data processing system ( 11 ) blocks the determination of a hinge point ( 15 ) as long as the determined value of the dispersion of the orientation is not reached. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Navigationssystem (8) je ein Markierelement (6, 7) an dem einen und auch dem anderen Knochen (4, 5) zugeordnet ist. 5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the navigation system ( 8 ) is assigned a marking element ( 6 , 7 ) on each of the one and the other bones ( 4 , 5 ).
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