DE10145587B4

DE10145587B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Prüfung eines Markierungselementes auf Verrückung

Info

Publication number: DE10145587B4
Application number: DE10145587A
Authority: DE
Inventors: Francois Dr. Leitner; Benoit Mollard
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2001-09-15
Filing date: 2001-09-15
Publication date: 2007-04-12
Anticipated expiration: 2021-09-16
Also published as: DE10145587A1; US6877239B2; US20030056385A1

Abstract

Verfahren zur Prüfung eines Markierungselements (34) auf Verrückung gegenüber einer Haltestruktur (11; 13; 15; 17), insbesondere eines Knochens, an der dieses fixiert ist, durch eine Navigationsstation (20), wobei das Markierungselement (34) zur Positionsbestimmung bei der navigativen Chirurgie dient, bei dem ein Orientierungspunkt (30) verwendet wird, welcher in einer eindeutigen Beziehung zu der Haltestruktur (11; 13; 15; 17) steht, wobei die Position des Orientierungspunkts (30) in einem Referenzsystem (32) des Markierungselements (34) durch die Navigationsstation (20) überwacht wird, indem eine Positionsprüfung des Orientierungspunkts (30) gegenüber einem die Ausgangslage des Markierungselements (34) darstellenden Vergleichs-Orientierungspunkt (54) durchgeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung eines Markierungselementes auf Verrückung gegenüber einer Haltestruktur, insbesondere eines Knochens, an der dieses fixiert ist, wobei das Markierungselement zur Positionsbestimmung bei der navigativen Chirurgie dient.

In der DE 195 06 197 A1 ist ein Verfahren zur Ortsbestimmung eines Körperteils, bei welchem man Knochenschrauben in die Knochen des Körperteils einschraubt, beschrieben. Die Knochenschrauben werden jeweils mit einer Markierung versehen und die Lage einer jeden Markierung über eine Navigationseinheit bestimmt.

In der DE 38 38 011 A1 ist ein Bezugsimplantat für den menschlichen Körper, welches durch ein Abbildungssystem nachweisbar ist, beschrieben. Das Bezugsimplantat umfaßt dabei einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, wobei der erste Abschnitt so ausgebildet ist, daß er durch ein Abbildungssystem nachgewiesen wird, wenn er unterhalb der Haut angeordnet ist. Der zweite Abschnitt ist zur festen Halterung an einem Knochen unterhalb der Haut ausgebildet, ohne vollständig den Knochen zu durchdringen und ohne zu einem Knochenbruch zu führen.

In der DE 694 24 416 T2 ist eine Vorrichtung zur intraoperativen Lokalisierung des funktionellen Mittelpunktes der Hüfte zur künstlichen Kniegelenkbildung beschrieben. Die Vorrichtung umfaßt u.a. Mittel zur Messung von räumlichen Ortsänderungen eines Punktes relativ zu einem Bezugssystem.

Die WO 99/21498 A1 betrifft ein System zur Knochensegmentnavigation mit u.a. einer Planungseinheit zur Planung einer Knochensegmentverschiebung, mit einer mit einem Knochensegment zu verbindenden Markeranordnung und mit einer die Position der Markeranordnung erfassenden Positionsertassungseinheit.

Bei der navigativen Chirurgie (computergestützten Chirurgie) werden Roboter eingesetzt, um beispielsweise Knochenausnehmungen auszufräsen oder um Schnitte in Knochen einzubringen bzw. um Knochen zu sägen. Es läßt sich dadurch die Lage der Ausfräsung bzw. die Lage des Schnittes auf präzise Weise einbringen. Jedoch ist es dazu erforderlich, daß die räumlichen Positionen der Bearbeitungswerkzeuge relativ zu dem Operationsgebiet zu jedem Zeitpunkt mit hoher Genauigkeit bekannt sind.

Dazu werden Markierungselemente eingesetzt, die an einer entsprechenden Haltestruktur bzw. an verschiedenen Haltestrukturen fixiert sind. Insbesondere werden zur Fixierung der Markierungselemente Knochenschrauben eingesetzt, die an einem entsprechenden Knochen fixiert sind. Bei einer Hüftoperation werden beispielsweise ein oder mehrere Markierungselemente an dem entsprechenden Hüftknochen fixiert. Bei dem Einsetzen einer Knieprothese werden Markierungselemente an Fußknochen, Unterschenkelknochen, Oberschenkelknochen und Hüftknochen fixiert.

Über eine Navigationsstation läßt sich die Lage der Markierungselemente, ausgehend von der Annahme, daß diese fest an der Haltestruktur fixiert sind, im Raum bestimmen und dadurch wiederum läßt sich das Bearbeitungswerkzeug steuern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfach ausgebildetes Verfahren und eine einfach ausgebildete Vorrichtung zur Überprüfung eines Markierungselementes auf Verrückung gegenüber der Haltestruktur zu schaffen, welches möglichst genau arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die Position des Markierungselementes wird über die Navigation sowieso bestimmt, so daß das Referenzsystem des Markierungselements, das heißt das Ruhesystem des Markierungselementes, bekannt ist. Indem ein zusätzlicher Punkt, nämlich der Orientierungspunkt, festgelegt wird, welcher in einer eindeutigen, bestimmbaren Beziehung zu der Haltestruktur steht, läßt sich damit durch zeitliche und insbesondere ständige Überwachung des Orientierungspunktes auf Bewegung im Referenzsystem des Markierungselementes eine Verrückung desselben detektieren.

Wird solch eine Verrückung festgestellt, dann ist bei Fortsetzung der Operation ohne entsprechende Korrekturen das Operationsergebnis gefährdet, da die durch das verrückte Markierungselement angegeben Position nicht mehr mit der Ausgangsposition, gegenüber welcher die Einmessung stattgefunden hat, übereinstimmt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich folglich eine computerunterstützte Operation überwachen und bei entsprechender detektierter Verrückung wird dann einem Operateur angezeigt, daß vor Fortsetzung der Operation ein entsprechender Korrektureingriff nötig ist, da sich die Lage eines Markierungselementes verschoben hat.

Durch das erfindungsgemäße Vorgehen, indem nämlich ein Orientierungspunkt in einer eindeutigen, bestimmbaren Beziehung zu der Haltestruktur gewählt wird, muß zur Verrückungsüberprüfung nur noch die Bewegung dieses Orientierungspunktes detektiert werden. Da, wie bereits erwähnt, die Position des Markierungselementes durch die Navigationsstation sowieso ständig ermittelt wird, genügt folglich die "Positionsverfolgung" eines einzigen Punktes, des Orientierungspunktes, um noch pro Markierungselement eine Sicherheitsüberprüfung bezüglich Verrückung durchzuführen.

Zur Prüfung des Markierungselementes auf Verrückung wird eine Positionsprüfung des Orientierungspunktes gegenüber einem Vergleichs-Orientierungspunkt durchgeführt. Der Vergleichs-Orientierungspunkt stellt die Ausgangslage des Markierungselementes dar, von der aus auf Verrückung geprüft wird. Ändert sich die Position des Orientierungspunktes gegenüber dem Vergleichs-Orientierungspunkt im Referenzsystem des Markierungselementes, dann be deutet dies, daß eine entsprechende Verrückung des Markierungselementes bezüglich der Haltestruktur stattgefunden hat.

Es kann dabei vorgesehen sein, daß der Orientierungspunkt in einer eindeutigen geometrischen Beziehung zu der Haltestruktur steht. Ist beispielsweise ein Markierungselement als Knochenschraube in einem Hüftknochen fixiert und sind Oberkörper und Kopf des Patienten relativ zu einer Liege fixiert, dann stellt beispielsweise jeder beliebige Punkt im Raum solch einen Orientierungspunkt dar.

Es kann sich dabei auch um einen anatomischen Orientierungspunkt handeln. Bei dem oben geschilderten Beispiel ist beispielsweise die Nasenspitze solch ein Orientierungspunkt. Ein entsprechender Orientierungspunkt kann aber auch dadurch hergestellt werden, daß in dem Hüftknochen eine weitere Knochenschraube mit einem Marken fixiert wird, wobei eine entsprechende Marke dieses Markers dann einen Orientierungspunkt bildet.

Es kann auch alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, daß der Orientierungspunkt in einer eindeutigen kinematischen Beziehung zu der Haltestruktur steht. Bei einem Knie kann beispielsweise grundsätzlich eine Bewegung durch den Unterschenkel relativ zum Knie, durch den Oberschenkel relativ zum Knie und durch den Oberschenkel relativ zur Hüfte erfolgen. Diese Bewegungen sind aber nicht unabhängig voneinander, sondern unterliegen kinematischen Einschränkungen. Ein entsprechend an einem der genannten Knochen fixiertes Markierungselement unterliegt deshalb bezüglich seiner Beweglichkeit mit der Haltestruktur ebenfalls den kinematischen Einschränkungen, was dazu benutzt werden kann, um einen "kinematischen" Orientierungspunkt zu konstruieren, welcher in einer eindeutigen Beziehung zur Haltestruktur steht.

Zur expliziten Festlegung eines Orientierungspunktes kann es vorgesehen sein, daß dieser mittels eines Stiftelementes gewählt wird, welches eine Marke aufweist, deren Position gegenüber Drehung des Stiftelementes um eine Stiftachse invariant ist, und das in einer eindeutigen Beziehung zur Haltestruktur fixiert wird. Ein Stiftelement ist weniger anfällig gegenüber Verrückungen als eine Knochenschraube. Insbesondere über die rotationsinvariante Wahl einer Marke ist gesichert, daß sich eine Rotation des Stiftelementes nicht als Rotation der Marke gegenüber der Haltestruktur äußert.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das Markierungselement eine Schraube zur Fixierung an einem Knochen umfaßt oder durch eine solche gebildet ist. Über eine Knochenschraube läßt sich ein Markierungselement auf einfache und sichere Weise fixieren, so daß entsprechende Positionsdaten für die navigative Chirurgie geliefert werden können.

Vorteilhafterweise sind dabei das Markierungselement und die Schraube so kalibriert, daß die Lage einer Schraubenachse im Referenzsystem des Markierungselementes bestimmt ist. Aus der relativen Lage zwischen dem Orientierungspunkt und dem Referenzsystem des Markierungselementes läßt sich damit die Lage der Achse ermitteln und aus der Bewegung des Orientierungspunktes wiederum läßt sich dessen Bewegung gegenüber der Achse ermitteln. Dadurch wiederum läßt sich eine Bewegung des Markierungselementes relativ zu der Haltestruktur bezogen auf dessen Achse ableiten, das heißt insbesondere eine Verrückung längs dieser Achse und eine Rotation um diese Achse.

Bei einer einfachen Variante einer Ausführungsform ist dabei ein Basisvektor des Referenzsystems des Markierungselementes parallel versetzt zu der Schraubenachse angeordnet. Dadurch ist der Rechenaufwand zur Umrechnung von Bewegungen des Orientierungspunktes in Verrückungen des Markierungselementes gering gehalten.

Insbesondere wird dabei der Abstand zwischen einem detektierten Orientierungspunkt und dem Vergleichs-Orientierungspunkt ermittelt.

Weiterhin wird ein orthogonaler Abstand zwischen dem detektierten Orientierungspunkt und dem Markierungselement ermittelt. Ändert sich dieser orthogonale Abstand, so läßt sich daraus ableiten, daß eine komplizierte Bewegung des Markierungselementes stattgefunden hat, die wahrscheinlich nicht zu reproduzieren ist und dadurch läßt sich dann ein entsprechendes Warnsignal ausgegeben, damit ein Operateur die Operation sofort unterbricht.

Ferner kann es vorgesehen sein, daß ein Abstand einer Projektion des Vergleichs-Orientierungspunktes auf eine Achse des Markierungselementes zu der Projektion eines detektierten Orientierungspunktes ermittelt wird. Aus diesem Abstand läßt sich eine Linearverschiebung des Markierungselementes längs dieser Achse ableiten.

Ferner ist es vorgesehen, daß eine Winkeldifferenz zwischen dem detektierten Orientierungspunkt und dem Vergleichs-Orientierungspunkt in einer Ebene senkrecht zu einer Achse des Markierungselementes ermittelt wird. Aus dieser Winkeldifferenz läßt sich eine Drehung des Markierungselementes um seine Achse und insbesondere um seine Schraubenachse ermitteln.

Es ist dabei insbesondere vorgesehen, daß ein Warnsignal ausgegeben wird, wenn die Differenz des orthogonalen Abstandes eines detektierten Orientierungsspunktes und eines Vergleichs-Orientierungspunktes von Null verschieden ist. Eine von Null verschiedene Differenz bedeutet, daß Querbewegungen zu der Achse des Markierungselementes stattgefunden haben und daß wahrscheinlich die Gesamtbewegung nicht reproduzierbar ist. Das Warnsignal zeigt dann dem Operateur, daß die Positionsbestimmung bei der navigativen Chirurgie mit Ungenauigkeiten behaftet sein könnte und deshalb die Operation zu unterbrechen ist, um eine neue Kalibrierung der Navigation durchführen zu können.

Ferner ist es vorgesehen, daß eine Verrückungslänge angegeben wird, wenn die Differenz des orthogonalen Abstandes eines detektierten Orientierungspunktes und des orthogonalen Abstandes des Vergleichs-Orientierungspunktes als Null ermittelt wird und der Abstand der Projektionen auf eine Achse des Markierungselementes von Null verschieden ist. Dieser Abstand der Projektionen gibt dann direkt die Verrückungslänge an, in welcher sich das Markierungselement parallel zu seiner Achse verschoben hat. Daraus wiederum kann eine Navigationsstation eine entsprechende Kalibrierung bezüglich des Markierungselementes durchführen oder, wenn die computerunterstützte Operation entsprechend unterbrochen wird, kann das Markierungselement in seine ursprüngliche Position zurückgesetzt werden, wobei ja die Verschiebungslänge bekannt ist.

Ferner kann es vorgesehen sein, daß ein Verrückungswinkel angegeben wird, wenn die Differenz des orthogonalen Abstandes eines detektierten Orientierungspunktes und der orthogonale Abstand eines Vergleichs-Orientierungspunktes als Null ermittelt wird und die Winkeldifferenz in einer Ebene senkrecht zur Achse des Markierungselementes zwischen detektiertem Orientierungspunkt und Vergleichs-Orientierungspunkt von Null verschieden ist. Eine solche Winkeldifferenz gibt dann an, um welchen Drehwinkel (modulo 2π) sich das Markierungselement um seine Achse gedreht hat. Entsprechend kann dann das Markierungselement wieder zurückgedreht werden bzw. die Drehung durch Neukalibrierung der Lage des Markierungselementes berücksichtigt werden.

Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 16 gelöst.

Die Position des Markierungselementes wird über die Navigation sowieso bestimmt, so daß das Referenzsystem des Markierungselements, das heißt das Ruhesystem des Markierungselementes, bekannt ist. Indem ein zusätzlicher Punkt, nämlich der Orientierungspunkt, festgelegt wird, welcher in einer eindeutigen, bestimmbaren Beziehung zu der Haltestruktur steht, läßt sich damit durch zeitliche und insbesondere ständige Überwachung des Orientierungspunktes auf Bewegung im Referenzsystem des Markierungselementes eine Verrückung desselben detektieren. Wird solch eine Verrückung festgestellt, dann ist bei Fortsetzung der Operation ohne entsprechende Korrekturen das Operationsergebnis gefährdet, da die durch das verrückte Markierungselement angegebene Position nicht mehr mit der Ausgangsposition, gegenüber welcher die Einmessung stattgefunden hat, übereinstimmt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich folglich eine computerunterstützte Operation überwachen und bei entsprechender detektierter Verrückung wird dann einem Operateur angezeigt, daß vor Fortsetzung der Operation ein entsprechender Korrektureingriff nötig ist, da sich die Lage eines Markierungselementes verschoben hat.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen
1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung, mittels welcher Navigationsdaten bei einer computerunterstützten (navigativen) Operation ermittelbar sind;
2 ein Beispiel einer Bewegung eines Orientierungspunktes in einem Referenzsystem eines Markierungselementes, wobei sich der Abstand zu dem Markierungselement verändert;
3 eine weiteres Beispiel einer Bewegung eines Orientierungspunktes, wobei der Abstand zu dem Markierungselement konstant bleibt, jedoch eine Projektion längs der Achse des Markierungselementes verschoben wird;
4 eine weiteres Beispiel einer Bewegung eines Orientierungspunktes, wobei der Abstand zu dem Markierungselement erhalten bleibt, sich jedoch die Winkellage ändert und
5 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Prüfung eines Markierungselementes auf Verrückung.
Bei der computerunterstützten Chirurgie (navigativen Chirurgie) werden Operationsroboter eingesetzt, um beispielsweise Knochenausnehmungen mit einer bestimmten Anordnung und Größe auszufräsen oder Knochen in bestimmten räumlichen Schnitten durchzusägen. Typische Anwendungsgebiete sind Operationen zum Einsetzen von Endoprothesen. Damit die entsprechenden Arbeitsvorgänge hochpräzise und mit dem gewünschten Ergebnis durchgeführt werden können, muß die räumliche Lage des Bearbeitungswerkzeuges relativ zu dem Patientenkörper festgelegt sein; sie muß insbesondere ständig geprüft und gegebenenfalls korrigiert werden.
Zur Positionsbestimmung bei der navigativen Chirurgie sind, wie in 1 beispielhaft gezeigt, Markierungselemente vorgesehen. Bei einer Operation sitzt beispielsweise ein Markierungselement 10 an dem Fußknochen 11, ein Markierungselement 12 an dem Unterschenkelknochen 13, ein Markierungselement 14 an dem Oberschenkelknochen 15 und ein Markierungselement 16 an einem Hüftknochen 17 an.
Die Knochen 11, 13, 15, 17 bilden dabei jeweils eine Haltestruktur für die zugeordneten Markierungselemente 10, 12, 14, 16.
Zur Fixierung an dieser Haltestruktur umfaßt ein Markierungselement eine Knochenschraube, so daß das Markierungselement in einem Knochen fixierbar ist. Diese Knochenschraube ist dann zur Bildung des Markierungselementes über einen Adapter mit einer Marke versehen oder die Marke ist direkt an der Knochenschraube gebildet.
Über eine Navigationsstation 20 läßt sich die Lage eines Markierungselementes, beispielsweise des Markierungselementes 10, im Raum bestimmen. Beispielsweise umfaßt dazu ein Markierungselement 10 eine Mehrzahl von Sender wie Ultraschallsender oder Infrarotsender, deren Signale durch Empfänger 22, 24, 26 registrierbar sind. Insbesondere sind drei Empfänger 22, 24, 26 für die drei räumlichen Koordinaten vorgesehen.
Aus den durch die Empfänger 22, 24, 26 empfangenen Signalen kann dann die Navigationsstation 20 und insbesondere eine Recheneinheit 28 die räumliche Position der jeweiligen Markierungselemente bestimmt werden. Diese Positionsdaten wiederum lassen sich beispielsweise zur Steuerung eines Bearbeitungswerkzeuges bei der navigativen Chirurgie verwenden.
Grundsätzlich ist es möglich, daß die von der Navigationsstation 20 ermittelten Positionsdaten eines Markierungselementes, beispielsweise des Markierungselementes 12, nicht nur von einer Bewegung der Haltestruktur, beispielsweise des Unterschenkelknochens 13, herrühren, sondern auch von einer Bewegung des Markierungselementes 12 relativ zu dem Unterschenkelknochen 13. Eine Knochenschraube kann sich von dem entsprechenden Knochen lösen und dadurch eine Bewegung des Markierungselementes verursachen. Damit solch eine Bewegung von der Navigationsstation 20 nicht falsch interpretiert wird und insbesondere die Bewegung eines Markierungselementes relativ zu seiner Haltestruktur durch Lösung der Knochenschraube gegenüber der Haltestruktur nicht die Positionsdaten verfälscht, wird erfindungsgemäß ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung eines Markierungselements auf Verrückung gegenüber der Haltestruktur vorgeschlagen.
Dazu wird, wie in den 2 bis 4 schematisch gezeigt, ein Orientierungspunkt 30 gewählt, welcher in einer eindeutigen, bestimmbaren Beziehung zu der Haltestruktur steht. Je nach Anwendungsfall kann es sich dabei um einen anatomischen Punkt, einen geometrischen Punkt oder einen kinematischen Punkt handeln.
Bei einer Hüftoperation beispielsweise kann ein solcher Orientierungspunkt 30 dadurch gebildet werden, daß eine weitere Knochenschraube an dem gegenüberliegenden Hüftknochen fixiert wird. Es kann auch vorgesehen sein, daß anstatt einer Knochenschraube ein Stift fixiert wird, bei dem beispielsweise eine axiale Ausnehmung als entsprechende Marke gewählt wird. Durch die Wahl einer axialen Ausnehmung wirkt sich eine Rotation des Stifts nicht in einer räumlichen Verschiebung des Orientierungspunktes aus. Ist beispielsweise bei einer Hüftoperation der Oberkörper des Patienten relativ zu einem Operationstisch fixiert, dann kann auch die Nasenspitze als Orientierungspunkt verwendet werden.
Ist generell dafür gesorgt, daß die Haltestruktur räumlich fixiert ist, dann kann jeder räumliche Punkt als Orientierungspunkt verwendet werden.
Bei einer Knieoperation werden eine Mehrzahl von Markierungselementen (vergleiche 1) gesetzt. Die Bewegungen der Unterschenkelknochen, des Oberschenkelknochens am Kniegelenk und des Oberschenkelknochens relativ zur Hüfte unterliegen bestimmten Einschränkungen, so daß sich daraus bestimmte Bedingungen für die Bewegungsmöglichkeiten ableiten lassen. Daraus wiederum ist es möglich, einen kinematischen Orientierungspunkt festzusetzen, der in einer eindeutigen und bestimmbaren Weise mit der Haltestruktur, beispielsweise dem Oberschenkelknochen 15, an dem das Markierungselement 14 fixiert ist, zusammenhängt.
Erfindungsgemäß wird nun die Bewegung des Orientierungspunktes 30 relativ zu dem Referenzsystem 32 eines Markierungselementes 34 bestimmt, so daß aus einer Verschiebung des Orientierungspunktes 30 eine Verrückung des Markierungselementes 34 ableitbar ist.
Das Referenzsystem 32 stellt ein Ruhesystem des Markierungselementes 34 dar, das heißt in diesem Referenzsystem 32 ist das Markierungselement 34 in Ruhe. Eine Marke 36 des Markierungselementes ist dabei so angeordnet, daß aus der Lage der Marke 36 die räumliche Lage einer Achse 38 des Markierungselementes 34 bekannt ist, wobei diese Achse 38 insbesondere eine Drehachse einer Knochenschraube ist. Das Markierungselement 34 mit der Marke 36 ist also so kalibriert, daß die Lage der Achse 38 über die räumliche Lage der Marke 36 bekannt ist. Insbesondere ist das Referenzsystem 32 so gewählt, daß eine Koordinatenachse dieses Referenzsystems parallel versetzt zu der Achse 38 der entsprechenden Knochenschraube ist.
Die Navigationsstation 20 bestimmt über eine Navigationseinrichtung 40 die räumliche Position des Markierungselementes 34, die dadurch bekannt ist und damit ist auch das Referenzsystem 32 festlegbar (5). Eine Einrichtung 46 zur Festlegung und/oder Bestimmung eines Orientierungspunktes 30 legt dabei entweder den Orientierungspunkt fest oder bestimmt diesen, beispielsweise über kinematische Beziehungen oder als anatomischen Punkt. In 5 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei welchem der Orientierungspunkt 30 über ein Stiftelement 42 mit einer axialen Ausnehmung 44 als Marke festgelegt wird, wobei dieses Stiftelement dann in einer eindeutigen Beziehung zu der Haltestruktur des Markierungselementes 34 steht, an dem dieses fixiert ist. Die entsprechende Festlegungs- bzw. Bestimmungseinrichtung 46 kann Teil der Navigationsstation 20 sein oder auch außerhalb von dieser liegen.
Eine Einrichtung 48 bestimmt dann aus diesen Daten die Position des Orientierungspunktes 30 im Referenzsystem 32 des Markierungselementes 34; diese Einrichtung 48 ist damit mit der Navigationseinrichtung 40 und der Festlegungseinrichtung 46 für den Orientierungspunkt 30 verbunden. Die Einrichtung 48 wiederum liefert ihre Daten an eine Detektionseinrichtung 50, welche die Position des Markierungselementes 34 auf Verrückung gegenüber der Haltestruktur mittels Überprüfung einer Bewegung des Orientierungspunktes 30 im Referenzsystem 32 des Markierungselementes 34 prüft.
Das Ergebnis dieser Überprüfung wird auf einer Anzeige 52 angezeigt. Die Einrichtungen 48, 50 und die Anzeige 52 können Teil der Navigationsstation 20 sein oder getrennt von dieser ausgebildet sein.
Eine über die Detektionseinrichtung 50 detektierte Bewegung eines Orientierungspunktes bezüglich eines Vergleichs-Orientierungspunktes ist dann ein Indiz dafür, daß sich das Markierungselement 34 gegenüber seiner Haltestruktur bewegt hat und insbesondere daß sich eine Knochenschraube gelockert hat.
Das erfindungsgemäße Verfahren auf Überprüfung einer Verrückung läuft wie folgt:
Zu Beginn des Überprüfungsvorgangs wird ein Orientierungspunkt als Vergleichs-Orientierungspunkt gewählt. Dies ist in den 2 bis 4 mit dem Bezugszeichen 54 angedeutet. Die Detektionseinrichtung 50 bestimmt die Koordinaten des durch die Bewegung des Orientierungspunktes ausgehend von dem Vergleichs-Orientierungspunkt 54 entstehenden detektierten Orientierungspunktes 56.
Die Detektionseinrichtung 50 bestimmt dabei den Abstand D₁ zwischen dem detektierten Orientierungspunkt 56 und dem Vergleichs-Orientierungspunkt 54. Ferner wird der (orthogonale) Abstand D₂ zwischen dem Vergleichs-Orientierungspunkt 54 und dem Markierungselement 34 und der entsprechende Abstand zwischen dem detektierten Orientierungspunkt 56 und dem Markierungselement 34 bestimmt, um so auf eine Abstandsänderung hin eine Prüfung durchführen zu können.
Darüber hinaus wird auch noch der Abstand D₃ auf der Achse 38 zwischen einer Projektion des detektierten Orientierungspunktes 56 auf diese Achse und der Projektion des Vergleichs-Orientierungspunktes 54 auf diese Achse bestimmt.
Als weitere Größe wird noch eine Winkeldifferenz A₁ (4) in einer Ebene 58 senkrecht zur Achse 38 zwischen dem detektierten Orientierungspunkt 56 und dem Vergleichs-Orientierungspunkt 54 bestimmt.
Mittels dieser ermittelten Größen D₁, D₂, D₃ und A₁ läßt sich durch Überprüfung der Bewegung eines einzigen Punktes, nämlich des Orientierungspunktes 30 im Referenzsystem 32 des Markierungselementes 34 eine Überprüfung desselben auf Verrückung gegenüber der Haltestruktur durchführen, wobei aus den Ergebnissen auch quantitative Aussagen ableitbar sind.
Bei dem in 2 gezeigten Beispiel, bei dem der Vergleichs-Orientierungspunkt 54, dort mit A bezeichnet, nach B wandert, ändert sich der Abstand von D₂ ^A in D₂ ^B (D₂ ^A ≠ D₂ ^B), das heißt, der Abstand des Orientierungspunktes B zu dem entsprechenden Abstand des Vergleichs-Orientierungspunktes A ändert sich.
Dies bedeutet, daß eine kompliziertere Bewegung des Markierungselementes 34 gegenüber seiner Haltestruktur stattgefunden hat, die mindestens nicht auf einfache Weise reproduzierbar ist. Es wird deshalb ein Warnsignal auf der Anzeige 52 ausgegeben, so daß ein Operateur erkennen kann, daß sich ein Markierungselement auf nicht reproduzierbare Weise verschoben hat und eine neue Kalibrierung notwendig ist, bevor die Operation fortgesetzt werden kann.
Es läßt sich dabei noch eine zusätzliche Prüfung durchführen, indem die Abstände D₁ und D₃ zwischen den Punkten B und A bzw. ihren Projektionen miteinander verglichen werden; sind alternativ oder zusätzlich diese verschieden und ist dabei der Abstand D₃ nicht ungleich Null, so sollte ebenfalls ein Warnsignal ausgegeben werden.
Bei dem in 3 gezeigten Beispiel tritt eine parallele Verschiebung des Orientierungspunktes 30 auf: Der detektierte Orientierungspunkt ist dabei mit B bezeichnet, während der Vergleichs-Orientierungspunkt wiederum mit A bezeichnet ist. Es tritt dabei keine Abstandsänderung auf (D₂ ^A = D₂ ^C), jedoch ändert sich die Größe D₁ und ebenfalls ändert sich die Größe D₃. Zusätzlich kann noch überprüft werden, ob die Größen D₁ und D₃ übereinstimmen.
Die Größen D₁ und D₃ sind bei gleichen Abständen D₂ ein direktes Maß dafür, wie sich das Markierungselement längs seiner Achse 38 verschoben hat, das heißt über sie läßt sich die entsprechende Verrückung des Markierungselementes 34 längs dieser Achse 38 bestimmen. Die Bewegung des Markierungselementes 34 ist dadurch reproduzierbar.
Die Detektionseinrichtung 50 kann damit direkt die Verschiebung des Markierungselementes 34 relativ zu seiner Haltestruktur ermitteln. Der entsprechende Wert wird auf der Anzeige 52 angezeigt, so daß ein Operateur vor Weiterführung der Operation entweder das Markierungselement 34 wieder in seine vorherige Lage bringen kann oder aber die Navigationseinrichtung 40 entsprechend der reproduzierten Bewegung des Markierungselementes 34 neu kalibrieren kann.
Bei dem in 4 gezeigten Beispiel ergibt sich, daß bei unveränderten Abständen D₂(D₂ ^A = D₂ ^E) eine Winkeländerung im Winkel A1 aufgetreten ist.
Die Abstandsänderung D₃ ist dabei Null, während die Abstandsänderung D₁ für den detektierten Orientierungspunkt 56 (in 4 mit E bezeichnet) verschieden von Null ist.
Dadurch ist ablesbar, daß das Markierungselement 34 ohne Verschiebung längs der Achse 38 sich um diese gedreht hat. Die Detektionseinrichtung 50 hat dabei über die Bestimmung des Winkels A₁ den Drehwinkel (modulo 2π) ermittelt und dieser Wert wird entsprechend auf der Anzeige 52 angezeigt. Auch damit läßt sich die Navigationseinrichtung 40 neu kalibrieren bzw. das Markierungselement 34 läßt sich in seine Ausgangsposition bringen, so daß der Orientierungspunkt 30 wieder in seiner Vergleichslage 54 liegt.
Es können auch kombinierte Drehbewegungen und lineare Verschiebungen längs der Achse 38 vorliegen, entsprechend einer Kombination der Bewegungsbeispiele der 3 und 4. Sofern der Abstand D₂ unverändert bleibt, ist eine solche Bewegung über die Detektionseinrichtung 50 reproduzierbar und ein entsprechender Abstand D₃ und eine Winkeldifferenz A₁, welche insbesondere über die Anzeige 52 angezeigt werden, zeigen dann die Verrückung des Markierungselementes 34 relativ zur Haltestruktur an, sofern nur die Abstände D₂ zwischen Vergleichs-Orientierungspunkt 54 und detektiertem Orientierungspunkt 56 unverändert bleiben.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und durch das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich somit ein Markierungselement 34 auf Verrückung gegenüber seiner Haltestruktur und insbesondere auf Verschiebung längs seiner Achse 38 und Drehung um seine Achse 38 hin überprüfen und eine entsprechende Verrückung quantitativ anzeigen.
Bei komplizierteren Verrückungen, beispielsweise mit einer Verschiebungsrichtung in einem Winkel zu einer Achse 38 und/oder mit Drehwinkeln bezüglich einer Drehachse in einem Winkel zu der Achse 38 des Markierungselementes 34, wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Warnsignal ausgegeben, welches dem Operateur anzeigt, daß die Operation aufgrund von Störungen zu unterbrechen ist.

Claims

Verfahren zur Prüfung eines Markierungselements (34) auf Verrückung gegenüber einer Haltestruktur (11; 13; 15; 17), insbesondere eines Knochens, an der dieses fixiert ist, durch eine Navigationsstation (20), wobei das Markierungselement (34) zur Positionsbestimmung bei der navigativen Chirurgie dient, bei dem ein Orientierungspunkt (30) verwendet wird, welcher in einer eindeutigen Beziehung zu der Haltestruktur (11; 13; 15; 17) steht, wobei die Position des Orientierungspunkts (30) in einem Referenzsystem (32) des Markierungselements (34) durch die Navigationsstation (20) überwacht wird, indem eine Positionsprüfung des Orientierungspunkts (30) gegenüber einem die Ausgangslage des Markierungselements (34) darstellenden Vergleichs-Orientierungspunkt (54) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Orientierungspunkt (30) in einer eindeutigen geometrischen Beziehung zu der Haltestruktur (11; 13; 15; 17) steht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Orientierungspunkt (30) ein anatomischer Orientierungspunkt ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Orientierungspunkt (30) in einer eindeutigen kinematischen Beziehung zu der Haltestruktur steht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Orientierungspunkt (30) mittels eines Stiftelements (42) gewählt wird, welches eine Marke (44) aufweist, deren Position gegenüber Drehung des Stiftelementes um eine Stiftachse invariant ist, und das in einer eindeutigen Beziehung zur Haltestruktur fixiert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Markierungselement (34) eine Schraube zur Fixierung an einem Knochen umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Markierungselement (34) und die Schraube so kalibriert sind, daß die Lage einer Schraubenachse im Referenzsystem des Markierungselementes bekannt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Basisvektor des Referenzsystems (32) des Markierungselementes (34) parallel versetzt zu der Schraubenachse liegt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (D₁) zwischen einem detektierten Orientierungspunkt und dem Vergleichs-Orientierungspunkt (54) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein orthogonaler Abstand (D₂) zwischen dem detektierten Orientierungspunkt und dem Markierungselement (34) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstand (D₃) einer Projektion des detektierten Orientierungspunktes auf eine Achse des Markierungselementes (34) zu der Projektion eines Vergleichs-Orientierungspunktes (54) auf diese Achse ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Winkel (A₁) zwischen dem detektierten Orientierungspunkt und dem Vergleichs-Orientierungspunkt (54) in einer Ebene senkrecht zu einer Achse des Markierungselementes (34) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Warnsignal ausgegeben wird, wenn die Differenz des orthogonalen Abstandes eines detektierten Orientierungspunktes und eines Vergleichs-Orientierungspunktes (54) von Null verschieden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verrückungslänge angegeben wird, wenn die Differenz des orthogonalen Abstandes eines detektierten Orientierungspunktes und eines Vergleichs-Orientierungspunktes (54) als Null ermittelt wird und der Abstand der Projektionen auf eine Achse des Markierungselementes (34) von Null verschieden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verrückungswinkel angegeben wird, wenn die Differenz des orthogonalen Abstandes eines detektierten Orientierungspunktes und des orthogonalen Abstandes eines Vergleichs-Orientierungspunktes (54) als Null ermittelt wird und die Winkeldifferenz in einer Ebene senkrecht zur Achse des Markierungselementes (34) zwischen detektiertem Orientierungspunkt und Vergleichs-Orientierungspunkt (54) von Null verschieden ist.
Vorrichtung zur Prüfung eines Markierungselementes (34) auf Verrückung gegenüber einer Haltestruktur (11; 13; 15; 17), insbesondere eines Knochens, an dem das Markierungselement (34) fixiert ist, wobei das Markierungselement (34) zur Positionsbestimmung bei der navigativen Chirurgie dient, mit – einer Navigationseinrichtung (40) zum Bestimmen der Position des Markierungselements im Raum; – einer Bestimmungs-Einrichtung (46) zum Bestimmen der Position eines Orientierungspunktes (30), welcher in einer eindeutigen Beziehung zur Haltestruktur steht; – einer Einrichtung (48), welche aus den Daten der Navigationseinrichtung (40) und der Bestimmungs-Einrichtung (46) die Position des Orientierungspunktes (30) im Referenzsystem (32) des Markierungselementes (34) bestimmt, und – einer Detektionseinrichtung (50) zur Überprüfung des Markierungselementes (34) auf Verrückung mittels Überprüfung des Orientierungspunktes (30) auf Positionsverschiebung gegenüber einem die Ausgangslage darstellenden Vergleichs-Orientierungspunkt (54) auf Grundlage von aus der Einrichtung (48), welche die Position des Orientierungspunktes (30) im Referenzsystem (32) des Markierungselements (34) bestimmt, gelieferten Daten.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Markierungselement (34) an einer Knochenschraube sitzt oder gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Markierungselement und die Schraube so kalibriert sind, daß eine Lage einer Schraubenachse (38) im Referenzsystem (32) des Markierungselementes (34) bekannt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionseinrichtung (50) mindestens eine der folgenden Größen ermittelt: – einen orthogonalen Abstand (D₂) zwischen dem detektierten Orientierungspunkt (56) und dem Markierungselement (34); – einen Abstand (D₁) zwischen dem detektierten Orientierungspunkt (56) und einem Vergleichs-Orientierungspunkt (54); – einen Abstand (D₃) zwischen einer Projektion des detektierten Orientierungspunktes (56) auf das Markierungselement (34) und einer Projektion eines Vergleichs-Orientierungspunktes auf das Markierungselement (34) und – eine Winkeldifferenz (A₁) zwischen. dem detektierten Orientierungspunkt (56) und einem Vergleichs-Orientierungspunkt (54) in einer Ebene senkrecht zur Achse (38) des Markierungselementes (34).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß zum Setzen eines Orientierungspunktes (30) ein Stiftelement (42) dient.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Stiftelement (42) eine Marke (44) aufweist, welche koaxial zu einer Stiftachse liegt.