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DE69931074T2 - Gerät zur darstellung und planung von kreuzbandersatzoperationen - Google Patents

Gerät zur darstellung und planung von kreuzbandersatzoperationen Download PDF

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DE69931074T2
DE69931074T2 DE69931074T DE69931074T DE69931074T2 DE 69931074 T2 DE69931074 T2 DE 69931074T2 DE 69931074 T DE69931074 T DE 69931074T DE 69931074 T DE69931074 T DE 69931074T DE 69931074 T2 DE69931074 T2 DE 69931074T2
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Peter Lutz NOLTE
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Synthes AG Chur
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur in Echtzeit erfolgenden, computergestützten In-situ-Planung und -Lenkung einer Bandtransplantatplazierung gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Die Ruptur des vorderen Kreuzbands (Ligamentum cruciatum anterius – LCA) stellt eine häufig vorkommende Sportverletzung dar. Eine Wiederherstellung mit einem autogenen Transplantat unter Verwendung eines minimalinvasiven, endoskopischen Zugangs ist mittlerweile zum Standard beim LCA-Ersatz geworden. Dies hat den Vorteil, dass der chirurgische Eingriff nur eine minimale Verletzung verursacht.
  • Gemäss dem nach dem Stand der Technik verfügbaren Wissen über sachgemässe LCA-Plazierung, werden derzeit leider annähernd 40% der LCA-Bänder falsch plaziert. Dies stellt ein schwerwiegendes Problem betreffend die Qualität eines Verfahrens dar, welches bei unsachgemässer Durchführung zu einer frühzeitigen Degenerierung von Kniestrukturen führen kann, die schliesslich einen totalen Knieersatz erforderlich macht.
  • Diese Fehlplazierungen sind zum Teil auf die eingeschränkte, lokale endoskopische Sicht zurückzuführen, welche dem Chirurgen keinen Gesamtüberblick über die Bandposition erlaubt, wie er auf den standardmässig durchgeführten, postoperativen Röntgenbildern zu sehen ist. Diese Einschränkungen bei endoskopisch identifizierten Orientierungspunkten hinsichtlich einer konsistenten Bandplazierung haben manche erfahrene Chirurgen dazu veranlasst, entschieden für die Verwendung der Fluoroskopie als quantitatives Verfahren zur intraoperativen Überprüfung der Positionierung einzutreten.
  • Eine sachgemässe Bandpositionierung beinhaltet zahlreiche Faktoren, wie beispielsweise:
    • a) eine sachgemässe Bohrtunnelplazierung in Bezug auf anatomische Orientierungspunkte;
    • b) die Kollisionsvermeidung;
    • c) die Gewährleistung, dass die Banddehnung 10% nicht überschreitet (Kollagenfaserruptur bei einer Dehnung von mehr als 10%);
    • d) eine sachgemässe Transplantatspannung und -position zur Wiederherstellung der Kniestabilität; und
    • e) eine sachgemässe Transplantatfixierung in Knochen von guter Qualität.
  • Ein Verfahren zur Bestimmung des Transplantatbefestigungspunktes am Femur im Fall eines LCA-Ersatzes ist aus der EP 0 603 089 , CINQUIN, bekannt. Dieses bekannte Verfahren betrifft die Bestimmung eines Transplantatbefestigungspunktes am Femur in Bezug auf den Transplantatbefestigungspunkt an der Tibia, so dass der Abstand zwischen diesen beiden Punkten während der Kniebeugung und -streckung unveränderlich bleibt. Dieses bekannte Verfahren beinhaltet die Verwendung eines Bezugspunktes und eines Pointers, welche beide mit energieaussendenden Markern versehen sind, deren Position innerhalb eines dreidimensionalen In-situ-Koordinatensystems mittels eines dreidimensionalen Positionsmessungssystems, z.B. eines optischen, benutzerdefinierten Positionsmessungssystems vom Typ OPTOTRAK, Northern Digital, Waterloo, On., bestimmt wird. Das Positionsmessungssystem misst die Position der Marker in Bezug auf das dreidimensionale In-situ-Koordinatensystem. Dadurch ist die Position der Spitze des Pointers mittels eines Computers bestimmbar. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    • 1) die Befestigung eines ersten Bezugspunktes an der Tibia;
    • 2) das Positionieren der Pointerspitze an einen zuvor bestimmten Punkt T1 und die Messung der Position der Pointerspitze in Bezug auf den ersten Bezugspunkt;
    • 3) das Positionieren der Pointerspitze an mehreren Punkten Pi an der Trochlea des Femur in der Nähe jener Position, wo der unveränderliche Punkt vermutet wird;
    • 4) die Berechnung des jeweiligen Abstands des Punktes T1 von jedem der Punkte Pi;
    • 5) die Lageveränderung des Femur in Bezug auf die Tibia und die Berechnung der Schwankungen des jeweiligen Abstandes zwischen T1 und einem jeden der Punkte Pi;
    • 6) die Auswahl jenes Punktes P1 aus den Punkten Pi, welcher den unveränderlichsten Abstand aufweist.
  • Dieses Verfahren misst die Kniebewegung, um eine "funktionale" Plazierung des Bandes zu erhalten, welche gewisse Dehnungskriterien berücksichtigt.
  • Der Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht in den fehlenden, anatomischen Plazierungskriterien, wobei beispielsweise ein umfassender Überblick über die Transplantatposition in Bezug auf die Gesamtanatomie des Gelenks nicht möglich ist.
  • Die Erfindung zielt darauf ab, diesbezüglich Abhilfemassnahmen zu schaffen.
  • Die Zielsetzung der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, welche gleichermassen funktionale wie auch anatomische Kriterien für eine Vielzahl von Transplantattypen, chirurgischen Ansätzen und chirurgischen Techniken unterstützt.
  • Die Erfindung löst das gestellte Problem mit Hilfe einer Vorrichtung zur in Echtzeit erfolgenden, computergestützten In-situ-Planung und -Lenkung einer Bandtransplantatplazierung, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
  • Zusätzliche vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Die erfindungsgemässe Vorrichtung hat den Vorteil, dass die Vorrichtung eine Vielseitigkeit schafft, welche eine Einfügung des vorderen Kreuzbandes für sehr verschiedene chirurgische Techniken ermöglicht.
  • Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist in Anspruch 1 definiert.
  • Bei den Markern kann es sich um energieaussendende, energieempfangende oder energiereflektierende Mittel handeln, je nachdem, welche Positionsmessungsvorrichtung zum Einsatz kommt. Beispielsweise können als energieaussendende Mittel:
    • – Lichtquellen;
    • – Leuchtdioden (LEDs);
    • – Infrarot-Leuchtdioden (IREDs);
    • – akustische Sender; oder
    • – Spulen zur Herstellung eines Magnetfeldes
    oder als energieempfangende Mittel:
    • – Photodioden;
    • – Mikrophone; oder
    • – Hall-Effekt-Komponenten
    installiert sein.
  • Ausserdem kann die Vorrichtung eine Bohrvorrichtung umfassen, welche ebenfalls mit zumindest drei Markern ausgestattet ist. Die an der Bohrvorrichtung befestigten Marker erlauben es, die In-situ-Position der Bohrvorrichtung, insbesondere der Bohrerspitze, zu bestimmen. Somit kann die Bohrerspitze an dem Knochen so positioniert werden, wie dies zuvor am Computer geplant wurde. Der Verlauf des von dem Bohrer zu bohrenden Loches kann am Computer gesteuert werden, wodurch eine Lenkung der Bohrvorrichtung gemäss den zuvor am Computer geplanten Löchern ermöglicht wird. Die Planung der Positionen der Löcher kann unter Zuhilfenahme der medizinischen Abbildungen erfolgen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung sind der Pointer und das Endoskop als einteiliges, computerintegriertes, endoskopisches Instrument ausgelegt.
  • Vorzugsweise handelt es sich bei der Ultraschallvorrichtung um eine A-Mode-Ultraschallvorrichtung, welche einen Ultraschall-Strahl entlang einer Achse aussendet und empfängt, wodurch eine Echtzeit-Signalverarbeitung ermöglicht wird.
  • Eine spezielle Software ermöglicht es dem Computer, eine dreidimensionale Darstellung der Verbindung zwischen zuvor über den Pointer bestimmten Bandbefestigungspunkten anzuzeigen. Ausserdem kann der Computer unter Verwendung der Bandbefestigungspunkte ein Band während der Kniebeugung und -streckung anzeigen.
  • Ein Verfahren, welches mit der erfindungsgemässen Vorrichtung angewendet werden kann, umfasst die folgenden Schritte:
    • A) die Anfertigung von zumindest einem Röntgenbild der Knieabschnitte des Femur und der Tibia als eine medizinische Abbildung;
    • B) die Übertragung der medizinischen Abbildung an einen Computer;
    • C) die Vermessung von Punkten auf der Oberfläche des Femur bzw. der Tibia mittels eines Pointers innerhalb eines dreidimensionalen In-situ-Koordinatensystems;
    • D) die Vermessung von Punkten auf der Oberfläche des Femur bzw. der Tibia mittels einer Ultraschallvorrichtung innerhalb eines dreidimensionalen In-situ-Koordinatensystems; und
    • E) die funktionale und anatomische Bestimmung der Bandtransplantatplazierung mittels der in den Schritten A), C) und D) erhaltenen Daten.
  • Die intraoperativ vermessenen Punkte auf der Oberfläche des Femur bzw. der Tibia können dazu verwendet werden, um eine mathematische Beziehung zwischen der intraoperativen Position des Patienten und den Röntgenbilddaten herzustellen.
  • Die Röntgenbilder können präoperativ oder intraoperativ angefertigt werden und dienen als Entscheidungshilfe beim Plazieren des Bandes.
  • Darüber hinaus kann das Verfahren den Schritt der Bestimmung der Bildvergrösserung durch den Computer umfassen.
  • Vorzugsweise werden die Röntgenbilder als Schablonen aufbereitet. Somit wird eine direkte Planung der gewünschten Bandtransplantatplazierung in Bezug auf anatomische Orientierungspunkte auf den am Computer angezeigten medizinischen Abbildungen durch Bearbeitung der Schablonen ermöglicht.
  • Das Verfahren kann auch die Implantation von Justiermarken an dem Femur bzw. an der Tibia umfassen.
  • Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die teilweise schematische Illustration der bevorzugten Ausführungsform eingehender erklärt.
  • Es zeigt:
  • 1 die bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung.
  • 1 zeigt die erfindungsgemässe Vorrichtung, welche folgendes umfasst:
    • – eine Röntgenquelle 1, welche präoperativ oder intraoperativ verwendet werden kann;
    • – einen Röntgenempfänger 2 zur Gewinnung medizinischer Bilddaten;
    • – einen Computer 3, an welchen die medizinischen Bilddaten übertragen werden, und zwar entweder direkt in numerischer Form oder durch Einscannen des Röntgenfilms in den Computer 3;
    • – zwei starre Bezugskörper 4; 5 mit je vier Markern 6 und mit Schrauben 7 oder Stiften, um die Bezugskörper 4; 5 an dem Femur 8 bzw. an der Tibia 9 zu befestigen;
    • – einen Pointer 10 mit zwölf Markern 6;
    • – ein Endoskop 11, welches mit einem Bildschirm 12 ausgestattet ist;
    • – Eine A-Mode-Ultraschallvorrichtung 13, welche mit dem Computer 3 verbunden ist und mit vier Markern 6 ausgestattet ist; eine mit dem Computer 3 verbundene Positionsmessungsvorrichtung 14 zur Positionsbestimmung der Marker 6; und
    • – eine Bohrvorrichtung 15, welche mit vier Markern 6 ausgestattet ist.
  • Röntgenbilder können mit Hilfe der Röntgenquelle 1 und des Röntgenempfängers 2 präoperativ oder intraoperativ angefertigt werden. Falls präoperative Röntgenbilder aufgenommen werden, so können diese in numerischem Format oder als Röntgenfilm verfügbar sein. Falls es in numerischem Format verfügbar ist, kann das Röntgenbild direkt an den Computer 3 übertragen werden, andernfalls wird der Röntgenfilm in den Computer 3 eingescannt. Falls intraoperative Röntgenbilder aufgenommen werden, wird ein Fluoroskop zusammen mit einer Röntgenquelle 1 und einem Röntgenempfänger 2 verwendet. Röntgenbilder sollten in Standardausrichtungen, beispielsweise anterior-posterior und medial-lateral aufgenommen werden und ein an der Seite des Knies plaziertes Lineal mit röntgenstrahlenundurchlässigen Markierungen beinhalten. Die röntgenstrahlenundurchlässigen Markierungen auf dem Lineal erscheinen auf dem Bild und werden im Computer 3 digitalisiert, um die Bildvergrösserung zu bestimmen. Die Röntgenbilder können als Schablonen aufbereitet werden. Die gewünschte Bandplazierung in Bezug auf anatomische Orientierungspunkte, z.B. den Condylus medialis und den Condylus lateralis, oder die Trochlea, kann direkt auf der am Computer 3 angezeigten, medizinischen Abbildung durch Bearbeitungen der Schablonen geplant werden.
  • Zur Umsetzung der funktionalen Erwägungen wird die Positionsvermessung des Femur 8, der Tibia 9 und des Pointers 10 durch die Positionsmessungsvorrichtung 14 durchgeführt. In der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung handelt es sich bei der Positionsmessungsvorrichtung 14 um ein optoelektronisches Navigationssystem(Optotrak 3020, Northern Digital, CAN.). Bei den Markern 6 handelt es sich um Infrarot-Leuchtdioden (IREDs), welche von der Positionsmessungsvorrichtung 14 erkannt werden, wodurch eine Berechnung der Position der Bezugskörper 4; 5, der Pointerspitze 16, der Bohrerspitze 17 und des Kopfes 18 der Ultraschallvorrichtung 13 ermöglicht wird.
  • Der Pointer 10 kann dazu benutzt werden, um Strukturen des Femur 8 bzw. der Tibia 9 unter direkter Sichtkontrolle mittels des Endoskops 11 zu digitalisieren. In der bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung handelt es sich bei dem Pointer 10 um einen computerintegrierten, endoskopischen Palpationshaken, so dass das Endoskop 11 in den Pointer 10 integriert ist.
  • Bestimmte Orientierungspunkte, wie beispielsweise der posteriore Condylus femoris und der posteriore Condylus tibiae, sind durch direkte Digitalisierung mit dem Pointer 10 schwierig zu erhalten. Aus diesem Grund enthält die erfindungsgemässe Vorrichtung auch eine mit Markern 6 ausgestattete A- Mode-Ultraschallvorrichtung 13. Die Ultraschallvorrichtung 13 und der Computer 3 erlauben es, den Abstand zwischen dem Kopf 18 der Ultraschallvorrichtung und dem Schnittpunkt 19 des Ultraschall-Strahls mit der Oberfläche eines Knochens zu berechnen. Da die Position der Kopfes 18 der Ultraschallvorrichtung und die Richtung des Ultraschall-Strahls innerhalb des dreidimensionalen In-situ-Koordinatensystems 20 von der Positionsmessungsvorrichtung 14 bestimmt werden, kann die Position des Schnittpunktes 19 innerhalb des dreidimensionalen In-situ-Koordinatensystems 20 mittels einer über den Computer 3 durchgeführten Koordinatentransformation bestimmt werden.
  • Die intraoperativ gemessenen Punkte auf der Oberfläche des Femur 8 bzw. auf der Tibia 9 können dazu verwendet werden, um eine Beziehung zwischen der intraoperativen Position des Patienten und den medizinischen Bilddaten herzustellen. Eine solche Transformation von Koordinaten auf dem medizinischen Abbild kann per Computer in Koordinaten innerhalb des dreidimensionalen In-situ-Koordinatensystems 20 umgerechnet werden, wodurch funktionale und anatomische Erwägungen der Transplantatplazierung ermöglicht werden.

Claims (5)

  1. Vorrichtung zur in Echtzeit erfolgenden, computergestützten In-situ-Planung und -Führung einer Bandtransplantatplazierung, welche folgendes umfasst: A) zwei starre Bezugskörper (4; 5) mit je zumindest drei Markern (6) und mit Schrauben (7) oder Stiften, um die Bezugskörper (4; 5) an dem Femur (8) bzw. an der Tibia (9) zu befestigen; B) einen Pointer (10) mit zumindest drei Markern (6); C) ein Endoskop (11); D) einen Computer (3); und E) eine mit dem Computer (3) verbundene Positionsmessungsvorrichtung (14) zur Positionsbestimmung der Marker (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin folgendes umfasst: F) eine Röntgenquelle (1), welche präoperativ oder intraoperativ verwendet werden kann; G) einen Röntgenempfänger (2) zur Gewinnung von medizinischen Bilddaten, welche an den Computer (3) übertragen werden, und zwar entweder direkt in numerischem Format oder durch Einscannen des Röntgenfilms in den Computer (3); und H) eine Ultraschallvorrichtung (13), welche mit dem Computer (3) verbunden ist und mit zumindest drei Markern (6) ausgestattet ist; und dadurch, dass der Computer (3) entsprechend ausgelegt ist, I) um die Daten zu erhalten, welche die Stelle für die Bandtransplantatplazierung anzeigen, und zwar basierend auf Positionen des Pointers (10) auf einem Femur (8) bzw. einer Tibia (9) und basierend auf den mittels des Röntgenempfängers (2) gewonnenen medizinischen Bilddaten; und K) um durch die Verwendung der mit dem Pointer (10) bestimmten Bandbefestigungspunkte eine dreidimensionale Darstellung eines Bandes während der Kniebeugung und -streckung anzuzeigen.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin eine Bohrvorrichtung (15) umfasst, welche mit zumindest drei Markern (6) ausgestattet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pointer (10) und das Endoskop (11) als einteiliges, computerintegriertes endoskopisches Instrument ausgelegt sind.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Ultraschallvorrichtung (13) um eine A-Mode-Ultraschallvorrichtung handelt.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Röntgenquelle (1) und der Röntgenempfänger (2) als Fluoroskop ausgelegt sind.
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DE69931074D1 DE69931074D1 (de) 2006-06-01
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