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Dokumentenidentifikation DE202005015665U1 09.02.2006
Titel Einrichtung zur Bestimmung der Lage eines Gegenstandes
Anmelder AESCULAP AG & Co. KG, 78532 Tuttlingen, DE
Vertreter HOEGER, STELLRECHT & PARTNER Patentanwälte, 70182 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 202005015665
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 09.02.2006
Registration date 05.01.2006
Application date from patent application 06.10.2005
IPC-Hauptklasse A61B 19/00(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   
IPC-Nebenklasse A61B 17/58(2006.01)A, L, I, ,  ,  ,      

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Bestimmung der Orientierung und Position eines Gegenstandes, insbesondere eines Körperimplantates, im Raum mit einem ein Markierelement tragenden Tastinstrument, einem die Orientierung und Position des Markierelements im Raum bestimmenden Navigationssystem und mit einer Datenverarbeitungseinrichtung.

Navigationssysteme sind bekannte Einrichtungen, mit denen die Lage von speziellen Markierelementen im Raum festgestellt werden kann. Diese Lage, also die Position im Raum und die Orientierung im Raum, kann dabei in verschiedener Weise bestimmt werden, beispielsweise können die Markierelemente mehrere räumlich voneinander getrennte Strahlungsquellen oder Reflektoren aufweisen, die Strahlung auf mehrere ebenfalls räumlich getrennte Strahlungsempfänger richten, so daß aufgrund der unterschiedlichen Laufzeiten und/oder aufgrund der unterschiedlichen Orientierung der Strahlrichtung die Lage der Markierelemente bestimmt werden kann. Es gibt eine größere Anzahl derartiger Navigationssysteme mit unterschiedlichen Wirkungsmechanismen, die allesamt für diesen Zweck herangezogen werden könnten. Die Markierelemente werden normalerweise unmittelbar starr mit Gegenständen verbunden, deren Lage im Raum festgestellt werden soll.

Dies ist jedoch nicht in allen Fällen möglich, beispielsweise bei Körperimplantaten, die durch enge Öffnungen in den Körper eingebracht werden müssen. Bei derartigen Implantaten und auch bei anderen Gegenständen, deren Lage bestimmt werden soll, kann diese Lagebestimmung auch mit Hilfe von Tastinstrumenten erfolgen, die ihrerseits starr mit einem Markierelement verbunden sind, dessen Lage von dem Navigationssystem erkannt werden kann. Diese Tastinstrumente können in bestimmter Weise an die Gegenstände angelegt werden, so daß auf diese Weise, zum Beispiel durch punktweises Abtasten, die Lage des Gegenstandes bestimmt werden kann.

Es ist auch bekannt, an Gegenständen definierte, insbesondere kegelförmige Vertiefungen einzubringen, in die das Tastinstrument mit einer Tastspitze eingeführt wird. Durch eine Bewegung des Tastinstruments auf einem Konus kann der tiefste Punkt einer solchen Vertiefung hinsichtlich seiner Position bestimmt werden, und aus mehreren derartigen Vertiefungen an einem Gegenstand läßt sich dann auch die Lage des Gegenstandes im Raum bestimmen. Dieses Verfahren setzt aber voraus, daß die Vertiefungen für ein Tastinstrument frei zugänglich sind und daß insbesondere das Tastinstrument zur Bewegung innerhalb eines Kegels in der Vertiefung frei bewegt werden kann. Auch diese Möglichkeit scheidet allerdings aus, wenn die Gegenstände nur beschränkt zugänglich sind, beispielsweise bei der Implantation von Implantaten im Körperinneren.

Grundsätzlich wäre es auch möglich, diese Implantate über eine Verlängerung mit einem Markierelement zu verbinden und dadurch die Lage des Implantates zu bestimmen. Dabei ist jedoch in der Regel der Abstand zwischen dem Implantat und dem Markierelement relativ groß, da das Implantat im Körperinneren eingesetzt wird und da das Markierelement außerhalb des Körpers angeordnet werden muß. Es besteht daher die Gefahr, daß sich die das Markierelement am Gegenstand festlegende Verlängerung oder Verbindung verformt, und dies führt zu Fehlmessungen. Bereits eine geringe Verbiegung einer solchen Verlängerung kann zu Abweichungen in der Orientierungsbestimmung von mehreren Grad führen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Einrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, daß die Lage eines Gegenstandes genau und einfach bestimmt werden kann, ohne eine starre Verbindung zwischen Markierelement und Gegenstand herstellen zu müssen und ohne eine allseits freie Zugänglichkeit des Gegenstandes zu benötigen.

Um mit einer solchen Einrichtung die Lage eines Gegenstandes bestimmen zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Datenverarbeitungseinrichtung so programmiert ist, daß sie aus den Lagedaten des Markierelements, die sich bei einer frei drehbaren, geführten Verbindung des Tastinstruments mit dem Gegenstand um zwei nicht parallele Drehachsen bei einer Drehung des Tastinstruments um diese Drehachsen ergeben, die Orientierung und Position der beiden Drehachsen und damit die Orientierung und Position des Gegenstandes im Raum berechnet.

Bei Verwendung einer solchen Einrichtung kann ein Tastinstrument verwendet werden, das gegebenenfalls auch eine größere Länge aufweist und bei dem es nicht darauf ankommt, daß die geometrischen Daten des Tastinstruments bekannt sind, also beispielsweise die Lage einer Tastspitze relativ zu dem Markierelement. Wesentlich ist lediglich, daß das Tastinstrument um eine definierte Drehachse frei verdrehbar mit dem Gegenstand verbindbar ist und daß das Tastinstrument bei der Verdrehung um diese Drehachse in sich starr ist, also bei der Verdrehung keine unkontrollierte Verformung erfährt. Bei einer Verdrehung um die Drehachse bewegt sich dann das Markierelement auf einer Bahn, die konzentrisch zur Drehachse angeordnet ist, und aus den entsprechenden Bahndaten läßt sich die Lage der Drehachse berechnen, das Navigationssystem kann also Orientierung und Position der Drehachsen im Raum bestimmen.

Diese Drehachsen sind charakteristisch für den Gegenstand, dessen Lage bestimmt werden soll, und erlauben somit auch die Lagebestimmung des Gegenstandes im Raum.

Dabei kann vorgesehen sein, daß sich die beiden Drehachsen schneiden. In diesem Falle kann allein durch Bestimmung der Lage der beiden Drehachsen die Orientierung des Gegenstandes im Raum noch nicht eindeutig bestimmt werden, da sich bei schneidenden Drehachsen zwei mögliche Orientierungen für den Gegenstand ergeben. Zur eindeutigen Bestimmung der Orientierung des Gegenstandes kann ein weiterer Lageparameter des Gegenstandes bestimmt werden. Dieser Lageparameter kann sehr unterschiedlich gewählt werden. Beispielsweise wäre es möglich, am Gegenstand über eine Verlängerung ein weiteres Markierelement anzubringen und dessen Lage im Raum zu bestimmen. Diese Lagebestimmung muß nicht exakt sein, es genügt hier eine grobe Lagebestimmung, so daß auch Fehler durch Verformungen der Verlängerung ohne weiteres toleriert werden könnten. Es muß nur bestimmt werden, in welcher von zwei möglichen Lagen sich der Gegenstand befindet, so kann beispielsweise die Bestimmung ausreichen, daß ein mit dem Gegenstand verbundenes Markierelement einmal oberhalb der Ebene und einmal unterhalb der Ebene angeordnet ist, die durch die beiden Drehachsen aufgespannt wird.

Bei einer anderen Möglichkeit zur Bestimmung eines weiteren Lageparameters kann beispielsweise ein markanter Punkt des Gegenstandes, etwa eine Bohrung oder eine asymmetrische Verlängerung des Gegenstandes, durch eine Röntgenaufnahme lokalisiert werden, und dies kann ausreichen, um dem Operateur bei einem Implantat anzuzeigen, welche von zwei möglichen Lagen der Gegenstand einnimmt.

Bei einer anderen, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß sich die beiden Drehachsen nicht schneiden. In diesem Fall ist durch die Bestimmung der windschiefen Drehachsen eine vollständige Lagebestimmung des Gegenstandes möglich, ohne daß weitere Lageparameter bestimmt werden müssen.

Günstig ist es, wenn das Tastinstrument eine Lagerspitze und der Gegenstand zwei nicht parallele Bohrungen oder Lagerhülsen zur definierten Aufnahme und Lagerung der Lagerspitze aufweisen.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Implantat. Um bei einem derartigen Implantat dessen Lage im Raum bestimmen zu können, weist das Implantat zwei nicht parallele Bohrungen oder Lagerhülsen auf zur frei drehbaren Lagerung eines navigierbaren Tastinstruments, welches in jeweils eine Bohrung oder Lagerhülse um eine durch die Längsachsen der Bohrung oder der Lagerhülse definierte Drehachse verdrehbar einsetzbar ist. Auch in diesem Falle können die Drehachsen sich entweder schneiden oder aber windschief angeordnet sein.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

1: eine perspektivische Ansicht eines auf einem Operationstisch liegenden Patienten mit einem Navigationssystem zur Lagebestimmung von Körperteilen und Gegenständen und

2: eine Knochenplatte mit zwei Lagerhülsen für ein navigiertes Tastinstrument.

Die Erfindung wird nachstehend am Beispiel der Lagebestimmung eines Implantates erörtert, es versteht sich aber, daß mit dem beschriebenen Verfahren Gegenstände beliebiger Art in ihrer Lage bestimmt werden können, beispielsweise auch chirurgische Instrumente und Geräte.

In 1 ist ein Patient 1 dargestellt, der auf einer Operationsliege 2 gelagert ist und in den ein Implantat eingesetzt werden soll, beispielsweise eine Knochenplatte 3. In dem Operationssaal, in dem sich der Patient 1 befindet, ist außerdem ein Navigationssystem 4 angeordnet, welches mehrere in räumlichem Abstand zueinander angeordnete Sende- und Empfangseinheiten 5 aufweist sowie Markierelemente 6, 7, 8, die jeweils mehrere im räumlichen Abstand zueinander angeordnete Reflexionselemente 9 tragen. Die Reflexionselemente 9 reflektieren die von den Sende- und Empfangseinheiten 5 ausgesandte elektromagnetische Strahlung, beispielsweise eine Infrarotstrahlung, und das Navigationssystem 4 kann aus der Laufzeit der Strahlung und gegebenenfalls aus der Richtung, aus der die reflektierte Strahlung auf die Sende- und Empfangseinheit 5 auffällt, die Position und die Orientierung jedes Markierelements 6, 7, 8 im Raum feststellen. Die entsprechenden Lagedaten für jedes Markierelement werden von dem Navigationssystem 4 einer Datenverarbeitungseinrichtung 10 zugeführt, der auch ein Anzeigegerät 11, beispielsweise ein üblicher Bildschirm, zugeordnet ist.

Die Markierelemente können an den Gegenständen und/oder Körperteilen befestigt werden, deren Lage bestimmt werden soll. Beispielsweise sind die Markierelemente 7, 8 am Beckenknochen beziehungsweise am Femur eines Patienten festgelegt, dies kann mit Hilfe von in den Knochen eingeschraubten Knochenschrauben erfolgen, an denen die Markierelemente starr befestigt sind. Das Markierelement 6 ist an einem Tastinstrument 12 starr befestigt, dieses Tastinstrument 12 kann beispielsweise ein einfacher Stab sein, der im dargestellten Ausführungsbeispiel abgekröpft ist, so daß sein vorderer Abschnitt 13 gegenüber dem hinteren Abschnitt 14 seitlich versetzt ist. Der vordere Abschnitt 13 bildet bei diesem Tastinstrument 12 an seinem freien Ende eine Lagerspitze 15 aus, es handelt sich dabei um den vordersten Teil des vorderen Abschnitts 13, der kreiszylindrisch ausgebildet ist.

Die als Beispiel für ein Implantat in der Zeichnung dargestellte Knochenplatte 3 weist mehrere Bohrungen 16 zur Aufnahme von Knochenschrauben auf und trägt außerdem zwei von dem plattenförmigen Grundkörper der Knochenplatte 3 abstehende, kreiszylindrische Führungshülsen 17, 18, deren Längsachsen gegeneinander geneigt sind. Dabei können die Führungshülsen so angeordnet sein, daß sich deren Längsachsen schneiden, es ist aber auch möglich, daß die Anordnung so getroffen wird, daß sich die Längsachsen nicht schneiden, daß diese also windschief zueinander verlaufen.

Beide Führungshülsen 17, 18 sind so dimensioniert, daß beim Einführen der Lagerspitze 15 des Tastinstruments 12 in die am freien Ende offenen Führungshülsen 17, 18 die Lagerspitze 15 formschlüssig in die Führungshülsen 17, 18 eingreift und somit frei drehbar aber unverkippbar in der jeweiligen Führungshülse 17 beziehungsweise 18 gelagert ist. Damit kann das Tastinstrument 12 in jeder Führungshülse 17, 18 um die Längsachse dieser Führungshülse frei verdreht werden, die Längshülse bildet also eine Drehachse 19 für das Tastinstrument 12 aus.

Um die Lage der Knochenplatte 3 im Raum zu bestimmen, wird das Tastinstrument 12 nacheinander mit der Lagerspitze 15 in die beiden Führungshülsen 17, 18 eingesetzt und um die durch die jeweilige Führungshülse 17, 18 definierte Drehachse 19 gedreht, vorzugsweise über eine volle Umdrehung. Dabei bewegt sich das Markierelement 6, das mit dem Tastinstrument 12 starr verbunden ist, auf einer Kreisbahn, die konzentrisch zur Drehachse angeordnet ist. Dies gilt für jedes einzelne Reflexionselement 9 des Markierelements 6. Das Navigationssystem 4 sammelt die Lagedaten des Markierelements 6 bei der gesamten Drehbewegung und führt diese Lagedaten der Datenverarbeitungseinrichtung 10 zu. Diese kann aus den Lagedaten, die der Bewegung des Markierelements auf der Kreisbahn entsprechen, die Orientierung und Position der Drehachse 19 im Raum bestimmen.

Wenn auf diese Weise die Positions- und Orientierungsdaten der beiden Drehachsen 19 für die beiden Führungshülsen 17, 18 bestimmt sind, wird dadurch auch möglich, die Lagedaten der Knochenplatte 3 zu bestimmen.

Voraussetzung ist dafür lediglich, daß der Datenverarbeitungseinrichtung 10 die geometrischen Daten der Knochenplatte 3 zugeführt werden, insbesondere die Orientierung der Führungshülsen 17, 18 an der Knochenplatte 3.

Wenn sich die Drehachsen 19 nicht schneiden, ergibt sich aus der Bestimmung der Lagedaten eine eindeutige Bestimmung der Lagedaten der Knochenplatte. Wenn sich die Drehachsen 19 dagegen schneiden, gibt es zwei mögliche Orientierungen für die Knochenplatte, die eine solche relative Orientierung von zwei Drehachsen aufweisen. Um hier eine eindeutige Zuordnung zu treffen, muß ein weiterer Lageparameter bestimmt werden, dies kann visuell erfolgen oder durch ein weiteres mit der Knochenplatte 3 verbundenes Markierelement, eventuell auch durch eine Röntgenaufnahme oder ähnliches.

Das Tastinstrument 12 kann abnehmbar sein, so daß das Tastinstrument den Operateur im Operationsbereich nicht stört. Die Anforderung an das Tastinstrument 12 ist sehr gering, es muß lediglich starr genug sein, um während der Verdrehung seine Form nicht zu ändern. Es ist aber nicht notwendig, daß das Tastinstrument in sich kalibriert ist, daß also die Datenverarbeitungseinrichtung Daten über die geometrische Form des Tastinstruments erhält. Wesentlich ist nur, daß durch das Tastinstrument eine Verdrehung des mit dem Tastinstrument verbundenen Markierelements 6 um die Drehachse in reproduzierbarer Form möglich ist.

Da das Tastinstrument bei dieser Drehung in der Nähe der Knochenplatte nur in sich verdreht wird, wird seitlich von den Führungshülsen keinerlei Raum benötigt, um die Bestimmung der Drehachsen durchzuführen, es genügt, wenn in Längsrichtung der beiden Führungshülsen 17 und 18 ein Zugang zu der Knochenplatte frei bleibt. Dies ist insbesondere bei tiefliegenden Operationsbereichen von Vorteil.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Knochenplatte 3 wird das Tastinstrument durch auf die Knochenplatte aufgesetzte Führungshülsen geführt, bei andersgearteten Gegenständen könnte diese Drehführung auch durch Bohrungen im Gegenstand erfolgen oder durch andersgeartete Drehkupplungen, die eine freie Verdrehbarkeit des Tastinstruments gegenüber dem Gegenstand ermöglichen, beispielsweise könnte das Tastinstrument im Bereich der Lagerspitze ein Außengewinde tragen, das in eine entsprechende Innengewindebohrung des Gegenstandes eingeschraubt wird. Das Markierelement würde in diesem Falle bei einer Drehung des Tastinstruments eine wendelförmige Bewegung beschreiben, aus der entsprechenden Bewegungsbahn kann die Datenverarbeitungseinrichtung in gleicher Weise wie bei der Bewegung auf einer Kreisbahn die Orientierung und Lage der Drehachse berechnen.


Anspruch[de]
  1. Einrichtung zur Bestimmung der Orientierung und Position eines Gegenstandes, insbesondere eines Körperimplantates, im Raum mit einem ein Markierelement tragenden Tastinstrument, einem die Orientierung und Position des Markierelements im Raum bestimmenden Navigationssystem und mit einer Datenverarbeitungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungseinrichtung (10) so programmiert ist, daß sie aus den Lagedaten des Markierelements (6), die sich bei einer frei drehbaren, geführten Verbindung des Tastinstruments (12) mit dem Gegenstand (3) um zwei nicht parallele Drehachsen (19) bei einer Drehung des Tastinstruments (12) um diese Drehachsen (19) ergeben, die Orientierung und Position der beiden Drehachsen (19) und damit die Orientierung und Position des Gegenstandes (3) im Raum berechnet.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Drehachsen (19) sich schneiden.
  3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Drehachsen nicht schneiden.
  4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastinstrument (12) eine Lagerspitze (15) und der Gegenstand (3) zwei nicht parallele Bohrungen oder Lagerhülsen (17, 18) zur definierten Aufnahme und Lagerung der Lagerspitze (15) aufweisen.
  5. Implantat, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens zwei nicht parallele Bohrungen oder Lagerhülsen (17, 18) aufweist zur frei drehbaren Lagerung eines navigierbaren Tastinstruments (12), welches in jeweils eine Bohrung oder Lagerhülse (17, 18) um eine durch die Längsachsen der Bohrung oder der Lagerhülse (17, 18) definierte Drehachse (19) verdrehbar einsetzbar ist.
  6. Implantat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Drehachsen (19) sich schneiden.
  7. Implantat nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Drehachsen (19) nicht schneiden.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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