DE10393169T5

DE10393169T5 - Verfahren zum Platzieren von mehreren Implantaten während einer Operation unter Verwendung eines computergeschützten Chirurgiesystems

Info

Publication number: DE10393169T5
Application number: DE10393169T
Authority: DE
Inventors: François Montreal Poulin; Louis-Philippe Montreal Amiot
Original assignee: Orthosoft ULC
Current assignee: Orthosoft ULC
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2003-08-25
Publication date: 2006-02-02
Also published as: AU2003257339A8; US20060015030A1; WO2004017836A3; WO2004017836A2; AU2003257339A1

Abstract

Vorrichtung zum Planen einer Operation, welche Vorrichtung Folgendes aufweist:
eine Anzeige für ein Bild, das die Anatomie eines Patienten darstellt;
eine Datenbank von virtuellen Implantaten, aus denen ein Benutzer auswählt;
ein Werkzeug, das der Benutzer handhaben kann, um die virtuellen Implantate aus der Datenbank auszuwählen und die virtuellen Implantate an gewünschten Orten in dem Bild zu platzieren; und
ein Positioniermodul, das dazu dient, eine Position eines Ersten der virtuellen Implantate in Bezug auf ein Zweites der virtuellen Implantate zu berechnen, und es dem Benutzer erlaubt, die ersten und zweiten virtuellen Implantate in Bezug aufeinander auszurichten, zum Erzeugen von Relativpositionsdaten als eine Funktion der berechneten Position und zum Senden der Relativpositionsdaten an die Anzeige.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft das Platzieren von mehreren Implantaten während einer Operation. Insbesondere betrifft sie das gemeinsame Ausrichten von mehreren virtuellen Implantaten unter Verwendung eines computergestützten Chirurgiesystems, um die realen Implantate präziser zu platzieren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es existieren mannigfache computergestützte Chirurgiesysteme zur Unterstützung eines Chirurgen bei einer Operation. Solche Systeme erlauben es dem Chirurgen, die Anatomie eines Patienten vor der Operation zu betrachten, um die Prozedur zu planen, und während der Operation zu betrachten, um durch die Prozedur geleitet zu werden.
Chirurgische Navigation basiert auf Echtzeit-Darstellung von Instrumenten und der Anatomie des Patienten, um ungehinderte Visualisierung des ganzen Chirurgiefeldes zu ermöglichen. Die Anatomie des Patienten kann aus einer Anzahl von Quellen erhalten werden, wie z.B. CT-Abtastung, Digitalisierung, Röntgendurchleuchtung usw. Die Position und Orientierung von Patientenknochen werden in Echtzeit gemessen. Sie werden als Bezugspunkte benutzt, so dass Bewegung des Patienten keinen Einfluss auf die Navigationsgenauigkeit hat. Die Position und Orientierung von Instrumenten werden ebenfalls in Echtzeit gemessen. Dies wird benutzt, um die Instrumentenposition relativ zum Patientenkochen auf dem Computerbildschirm anzuzeigen.
Gegenwärtig erlauben es Systeme dem Chirurgen, ein virtuelles Implantat in einen Bild zu platzieren, das Implantat aus einer Gruppe von virtuellen Implantaten auszuwählen und die Bewegung eines Knochens mit dem virtuellen Implantat zu simulieren. Das virtuelle Implantat wird in Bezug aus seinen Zielknochen platziert. Wenn aber mehr als ein Implantat zu platzieren ist und diese Implantate in Beziehung miteinander stehen, wäre es ideal, die Implantate auf eine optimale Weise gemeinsam auszurichten.
Und da es wesentlich ist, Implantate mit äußerster Präzision zu platzieren, besteht eine Notwendigkeit, dem Chirurgen zusätzliche Werkzeuge zur Verfügung zu stellen, damit er die Platzierung der Implantate optimieren kann.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zusätzliche Planungswerkzeuge für Chirurgen innerhalb eines computergestützten Chirurgiesystems bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, mehrere virtuelle Implantate in Bezug aufeinander in einem Bild auszurichten.
In Übereinstimmung mit einem ersten breiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Planen einer Operation bereitgestellt, welche Vorrichtung Folgendes aufweist: eine Anzeige für ein Bild, das die Anatomie eines Patienten darstellt; eine Datenbank von virtuellen Implantaten, aus denen ein Benutzer auswählt; ein Werkzeug, das der Benutzer handhaben kann, um die virtuellen Implantate aus der Datenbank auszuwählen und die virtuellen Implantate an gewünschten Orten in dem Bild zu platzieren; und ein Positioniermodul, das dazu dient, eine Position eines Ersten der virtuellen Implantate in Bezug auf ein Zweites der virtuellen Implantate zu berechnen, und es dem Benutzer erlaubt, die ersten und zweiten virtuellen Implantate in Bezug aufeinander auszurichten, zum Erzeugen von Relativpositionsdaten als eine Funktion der berechneten Position und zum Senden der Relativpositionsdaten an die Anzeige.
Vorzugsweise umfasst das Berechnen einer Position, zu bestimmen, wie gut die virtuellen Implantate entlang einer Kurve passen, die ein Verbindungsglied für die virtuellen Implantate darstellt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Operation eine Spinaloperation, sind die virtuellen Implantate mindestens zwei Spinalimplantate und dient das Positioniermodul zum Ausrichten der mindestens zwei Spinalimplantate entlang einer Kurve, die ein Verbindungsglied für die Spinalimplantate darstellt.
In Übereinstimmung mit einem zweiten breiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Platzieren von mindestens zwei Spinalimplantaten während einer Operation unter Verwendung eines computergestützten Chirurgiesystems bereitgestellt, welches Verfahren Folgendes umfasst: ein Bild bereitzustellen, das die Anatomie eines Patienten darstellt; eine gewünschte Kurve zu bestimmen, entlang der die mindestens zwei Spinalimplantate zu platzieren sind, und die Kurve in dem Bild darzustellen, wobei die gewünschte Kurve einem Verbindungsglied für die mindestens zwei Spinalimplantate entspricht; mindestens zwei virtuelle Implantate aus einer Datenbank von virtuellen Implantaten auszuwählen, die den mindestens zwei Spinalimplantaten entsprechen; die mindestens zwei virtuellen Implantate auf der gewünschten Kurve in dem Bild zu platzieren, indem die mindestens zwei virtuellen Implantate auf die gewünschte Kurve ausgerichtet werden, wobei eine Position eines vorhergehenden virtuellen Implantats berücksichtigt wird, um ein nachfolgendes virtuelles Implantat zu platzieren; und die mindestens zwei Spinalimplantate unter Verwendung des computergestützten Chirurgiesystems in Übereinstimmung mit den virtuellen Implantaten in dem Bild zu platzieren.
Vorzugsweise umfasst die Bestimmung einer Position oder einer Form des nachfolgenden virtuellen Implantats weiterhin, Linien zu benutzten, um die virtuellen Implantate miteinander zu verbinden und sie auf das Bild auszurichten, das die Anatomie eines Patienten darstellt. Alternativ umfasst die Bestimmung einer Position oder einer Form des nachfolgenden virtuellen Implantats weiterhin, einen Ort für das nachfolgende virtuelle Implantat auf Basis eines Ortes des vorhergehenden virtuellen Implantats zu bestimmen. Die Bestimmung einer Position oder einer Form des nachfolgenden virtuellen Implantats umfasst weiterhin, die Position oder die Form auf Basis von durch das vorhergehende virtuelle Implantat gebotenen Einschränkungen einzuschränken.
Das Verfahren umfasst außerdem, eine Position des vorhergehenden virtuellen Implantats zur besseren Positionierung des nachfolgenden virtuellen Implantats neu zu justieren, um eine optimale Ausrichtung aller virtuellen Implantate zu erreichen.
Außerdem wird das Planungsmodul vorzugsweise mit einem computergestützten Chirurgiesystem und einem Verfolgungsmodul verwendet.
In Übereinstimmung mit einem dritten breiten Aspekt der Erfindung wird ein Computerdatensignal bereitgestellt, das in einer Trägerwelle verkörpert ist, die Daten aufweist, die von einem Positioniermodul herrühren, das dazu dient, eine Position eines ersten virtuellen Implantats in Bezug auf ein zweites virtuelles Implantat zu berechnen, und es einem Benutzer erlaubt, die ersten und zweiten virtuellen Implantate in Bezug aufeinander auszurichten, zum Erzeugen von Relativpositionsdaten als eine Funktion der berechneten Position und zum Senden der Relativpositionsdaten an eine Anzeige.
Außerdem wird ein computerlesbarer Speicher zum Speichern von programmierbaren Anweisungen zur Verwendung bei der Ausführung in einem Computer des Verfahrens in Übereinstimmung mit der Erfindung bereitgestellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich in Bezug auf die folgende Beschreibung und begleitenden Zeichnungen, in denen:
1 ein Schnittstellenbild ist, das drei virtuelle Schrauben in den Pediculi zeigt;
2 ein Schnittstellenbild ist, das einen mittels eines Bullauges geführten Bohrer zeigt;
3 ein Schnittstellenbild ist, das eine gerade Linie zeigt, die zum Ausrichten zweier virtueller Schrauben benutzt wird;
4 ein Blockdiagramm der Vorrichtung ist;
5 ein Flussdiagramm in Übereinstimmung mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung ist; und
6 ein Blockdiagramm eines Systems unter Verwendung der Vorrichtung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Überall in dieser Anmeldung wird die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als "FluoroSpine^TM-Anwendung" eines "Navitrack^TM-Systems" bezeichnet. Die nachfolgend detaillierter beschriebene Erfindung wird zwar anhand eines bildbasierten Röntgensystems erläutert, ist aber nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt und könnte mit vielen verschiedenen Arten von Navigations- und/oder Abbildungssystemen realisiert werden.
Das Produkt Navitrack^TM ist ein Gerät, das intraoperativ benutzt wird, um den Chirurgen mit zusätzlichen präzisen Informationen hinsichtlich seiner Manöver zu versorgen. In einer bildbasierten Anwendung zeigt das Produkt die (aus prä- oder intraoperativen Bildern erhaltene) Anatomie des Patienten an und blendet die Echtzeit-Position der Instrumente des Chirurgen ein. Zusätzlich werden für die Operation relevante quantitative Daten auf dem Bildschirm angezeigt. Das Produkt FluoroSpine^TM hat die Aufgabe, Navigationsfähigkeiten für die Instrumente des Chirurgen auf intraoperativen Bildern zu geben. Dies ist besonders nützlich für einfache Fälle, die ohne die optimale Genauigkeit abgearbeitet werden können, die man aus einer strahlungsintensiveren Abtastung wie CT (Computertomografie) gewinnt, oder in Traumasituationen.
In einer bevorzugten Ausführungsform geschieht eine Verfolgung mit einem optischen Verfolgungssystem POLARIS. POLARIS erkennt Infrarotlicht, das von einer aktiven Verfolgungseinrichtung emittiert oder von einer passiven Verfolgungseinrichtung reflektiert wird. Die dreidimensionale Position im Raum kann nur bewertet werden, wenn mindestens drei Sphären oder LEDs von der Kamera gesehen werden.
Die Prinzipien von Navigation und Röntgen basieren auf einem verfolgten Gerät, das über dem Verstärker eines C-Arms platziert ist. An diesem Gerät montierte Platten mit Lotperlen erlauben es, Marken an bekannten Orten in dem Bild zu positionieren.
Eichung des Bildes geschieht durch Berechnen des Kegels der projizierten Röntgenstrahlen. Dieser Schritt erlaubt es, alle virtuellen Objekte genau auf die C-Arm-Bilder zu projizieren. Aus den Marken wird das Röntgenstrahlvolumen berechnet. Je nach der Position des Instruments im Röntgenstrahlvolumen kann sein Aussehen verschieden sein.
Insbesondere geschieht Kalibrierung bei dem Röntgenapparat in mehreren Schritten. Eine erste Aufnahme wird von einem Bild gemacht, das mehrere Artefakte in bekannten Relativpositionen enthält. Der Computer erkennt, dass ein Bild gemacht wurde. Der Computer erbittet vom Verfolgungssystem die Position und Orientierung der Klammer und der Verfolgungseinrichtung auf dem C-Arm. Der Computer erfasst dann das Bild. Es wird eine Bildbearbeitung durchgeführt, um die Positionen der Artefakte in Bezug auf die bekannte Position der C-Arm-Verfolgungseinrichtung zu finden. Das System kann dann die Position eines Kegels in Bezug auf das Bezugskoordinatensystem der Kamera extrapolieren. Die Position des Kegels in Bezug auf die Klammer kann dann neu definiert werden.
In das System kann eine röntgenstrahlempfindliche Diode integriert werden, um die Geschwindigkeit der Bilderfassung durch das System zu erhöhen. Das Ziel ist, die durch Patientenbewegung (z.B.: Atmung) verursachte Genauigkeitsverringerung möglichst klein zu machen, wenn das Verfolgungssystem die Bezugsposition der Verfolgungseinrichtung aufzeichnet.
Der Prozess des navigierten Röntgens für Spinaloperationen läuft wie folgt. Zuerst werden Patientendaten in das System eingegeben. Eine Ahle oder Bohrerführung wird kalibriert, wie auch ein Schraubendreher. Wenn der Patient vorbereitet worden ist, wird eine vertebrale Klammer platziert. Es werden Röntgenaufnahmen gemacht und automatisch zum Navitrack^TM-System übertragen. Bildkalibrierung wird vom Navitrack^TM-System automatisch durchgeführt. Die Kalibrierung der für Navigation benutzten Aufnahmen wird dann validiert. Für jede notwendige Schraube navigiert der Chirurg sein Werkzeug, um ein virtuelles Implantat zu positionierten, dass zur Bestimmung der wahren Implantatgröße benutzt wird. Der Chirurg lässt dann dieses virtuelle Implantat in Form einer Achse auf den navigierten Bildern zurück. Mit dem Schraubendreher navigiert der Chirurg das reale Implantat, so dass es zu der geplanten Achse passt. Der Umriss dieses Implantats wird auf den Bildern zurückgelassen. Wenn alle Schrauben für die kalibrierten Röntgenaufnahmen platziert sind, macht der Chirurg eine Momentaufnahme der gewünschten Ansichten für intraoperative Dokumentation. Danach geht es zurück zur Erfassung von Röntgenaufnahmen, um das nächste vertebrale Segment zu operieren.
Die grundlegenden technischen Schritte für diese Art von Anwendung sind die Folgenden:

• Kalibrierung der Instrumente des Chirurgen auf das Koordinatensystem des Verfolgungssystems
• Bilderfassung aus dem Röntgenapparat durch das Navigationssystem
• Entzerren des erfassten Bildes
• Kalibrierung des Bildes auf das Koordinatensystem des Verfolgungssystems
• Entfernen von Kalibrierungsobjektmustern aus den Bildern
• Navigation der Instrumente des Chirurgen auf den Röntgenbildern

Kalibrierung der Instrumente des Chirurgen auf das Koordinatensystem des Verfolgungssystems: In alle Werkzeuge, die der Chirurg während der Navigation benutzen wird, werden Verfolgungseinrichtungen aufgenommen. Um die Informationen in Bezug auf diese Instrumente richtig anzuzeigen, muss man die mathematische Beziehung zwischen jeder Verfolgungseinrichtung und der Position und Orientierung der Spitze ihres entsprechenden Werkzeugs aufstellen. Diese Prozedur wird Kalibrierung der Instrumente genannt. Grundsätzlich wird die Position und Orientierung der Verfolgungseinrichtung durch das Verfolgungssystem gemessen, während gleichzeitig die Position und Orientierung der Werkzeugspitze in einer dem Verfolgungssystem bekannten Position und Orientierung ist.
Bilderfassung aus dem Röntgenapparat durch das Navigationssystem: Bevor mit der Bilderfassung weitergemacht wird, muss ein Kalibrierungsobjekt am Röntgenapparat installiert werden. Dieses Gestell enthält aktive Verfolgungseinrichtungen und 2 strahlendurchlässige Platten mit einer Anzahl von strahlenundurchlässigen Perlen und/oder Drähten. Eine Kalibrierungsprozedur ist darauf ausgelegt, die Perlen-/Drahtposition relativ zu der aktiven Verfolgungseinrichtung aufzustellen.
Das Navitrack^TM-System überwacht den Röntgenapparat, um zu erkennen, wann eine Aufnahme gemacht wird. In diesem Augenblick muss die Position und Orientierung aller Verfolgungseinrichtungen mit dem Verfolgungssystem gemessen werden. In jedem Fall müssen im Zeitpunkt der Aufnahme die Position und Orientierung des Patientenbezugspunkts und des Kalibrierungsobjekts durch das Verfolgungssystem gemessen werden, um Entzerrung und Kalibrierung zu erlauben. Das Bild wird über Mittel wie z.B. ein Videokabel, das mit dem Video-Ausgang des Röntgenapparats verbindet, zum Navitrack^TM-System übertragen.
Entzerren des erfassten Bildes: Wie in vielen wissenschaftlichen Artikeln beschrieben, können die Röntgenbilder durch optische Eigenschaften des Systems, externe Magnetfelder usw. verursachte Verzerrungen enthalten. Diese Verzerrungen würden die Genauigkeit der Navigation vermindern, insbesondere in den Bildextremitäten. Daher ist es wichtig, diese Verzerrungen zu beseitigen.
Die störungsentfernenden Algorithmen benutzen einige der Perlen/Drähte vom Kalibrierungsobjekt. Da diese Perlen/Drähte in dem Bild enthalten und in einem bestimmten Muster angeordnet sind, kann man eine mathematische Transformation bestimmen, die das Muster in dem Bild entzerrt. Diese Transformation wird dann auf den Rest des Bildes angewandt. Um diesen Algorithmus zu benutzen, muss man natürlich die Perlen/Drähte des Kalibrierungsobjekts innerhalb des Bildes nachweisen. Um die vom Chirurgen benötigte Operationssaalzeit möglichst klein zu machen, wird dieser Prozess automatisiert.
Kalibrierung des Bildes auf das Koordinatensystem des Verfolgungssystems: Das Prinzip für diese Kalibrierung ist, die mathematische Beziehung zwischen den in dem Bild identifizierten Mustern (siehe vorhergehenden Schritt) und der wahren Position der Perlen/Drähte im Raum aufzustellen. Da das Kalibrierungsobjekt verfolgt wird und die Position und Orientierung der Perlen/Draht-Muster relativ zur Verfolgungseinrichtung bekannt ist (siehe Bilderfassung), ist auch die wahre Position der Perlen/Drähte im Raum bekannt.
Entfernen von Kalibrierungsobjektmustern aus den Bildern: Sobald das Bild entzerrt und kalibriert ist, sind die Kalibrierungsobjektmuster für den Chirurgen nicht mehr nützlich und können entfernt werden, um zu gewährleisten, dass die Sicht des Chirurgen nicht eingeschränkt wird.
Navigation der Instrumente des Chirurgen auf den Röntgenbildern: Der Chirurg tätigt die oben beschriebenen Schritte so oft wie nötig, bis er die für die Operation benötigten Bilder besitzt. In diesem Zeitpunkt können in die vom Röntgenapparat erhaltenen Bilder andere von dem System verfolgte Objekte eingeblendet werden. Dieses Dokument beschreibt zwar die Navigation als für das Einsetzen einer Pediculus-Schraube in die Lendenwirbelsäule bestimmt, man könnte aber auch eine Anzahl von anderen Navigationswerkzeugen konstruieren.
Zur Veranschaulichung des Prinzips der vorliegenden Erfindung wird das folgende Beispiel benutzt. Auf der Computeranzeige eines der verfolgten Werkzeuge des Chirurgen wird eine virtuelle Schraube eingefügt. Diese visuelle Darstellung wird benutzt, um zu planen, wie der Chirurg seine nächste Schraube positionieren wird und welche Schraubengröße sicher benutzt werden kann. 1 zeigt eine grafische Benutzerschnittstelle mit drei virtuellen Schrauben in dem Bild. Sobald der Chirurg mit der Position der virtuellen Schrauben zufrieden ist, wird eine Einführachse auf den Röntgenbildern angezeigt, um den Chirurgen für das Bohren der Löcher und die Platzierung der realen Schraube zu leiten. Diese Prozedur ist für alle Schrauben einzuhalten, die an Rückenwirbeln zu platzieren sind, wo der Bezugspunkt des Patienten platziert ist. Wenn alle in den Bildern gesehenen Schraubenorte bestimmt und die Schrauben platziert worden sind, kann der Chirurg zum Schritt 2 zurückgehen und alle nachfolgenden Schritte wiederholen, bis die Schrauben alle eingesetzt sind. Es ist möglich, die Röntgenbilder mit einer Einblendung der endgültigen Schraubenpositionen in einem Standard-Grafikformat zu speichern.
Der Chirurg kann an mehreren Knochen virtuelle Implantate platzieren. Zum Beispiel kann der Chirurg an allen Rückenwirbeln in einem Röntgenbild virtuelle Schrauben platzieren. Auf Basis seiner Kenntnis der Anatomie des Patienten und seines Navigationssystems setzt er sein Zeigewerkzeug auf den gewählten Eintrittspunkt für jede Schraube. Auf dem Bildschirm des Navigationssystems kann er die virtuellen Schrauben sehen und den Durchmesser jeder Schraube justieren, um sicherzustellen, dass die Schraube nicht größer als der Pediculus ist. Die virtuellen Schrauben können in Bezug auf die Knochen oder in Bezug aufeinander ausgerichtet werden. Die virtuellen Schrauben können dann in dem Bild an Ort und Stelle fixiert werden, und Grafikwerkzeuge wie z.B. Zielscheiben oder Bullaugen können dem Chirurgen dabei helfen, das reale Implantat im geplanten Bereich zu platzieren. 2 zeigt ein Schnittstellenbild, in dem ein Bullauge den Bohrer eines Chirurgen für die Platzierung der Schrauben leitet.
Indem mehrere virtuelle Implantate in einem Bild platziert werden, ermöglicht es das Planungswerkzeug dem Chirurgen, die Implantate besser auszurichten. Zum Beispiel, wenn das Ziel ist, die virtuellen Schrauben in einer geraden Linie anzuordnen, kann eine Linie zwischen zwei virtuellen Schrauben auf dem Bildschirm verfolgt werden, was es dem Chirurgen ermöglicht, die nachfolgenden Schrauben richtig auszurichten und die anvisierte rechtwinklige Ausrichtung zu erhalten. Dies kann man in 3 erkennen, in der ein Schnittstellenbild eine gerade Linie zeigt, die benutzt wird, um zwei virtuelle Schrauben gemeinsam auszurichten. Ein anderes Beispiel ist der Fall von Mehrimplantat-Konstruktionen wie z.B. für Skoliose, was eine anomale seitliche Krümmung der Wirbelsäule ist. Der Chirurg kann eine Stange mit vorbestimmter Form bereitstellen, und das Navigationssystem kann dann diese Stange in Bezug auf die Schrauben veranschaulichen, um die optimale Ausrichtung anzuzeigen. Alternativ kann das Navigationssystem nach dem Platzieren der Schrauben die optimale Kurve für die Stange liefern, um das Einsetzen zu erleichtern.
4 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung. Eine Anzeige-Benutzerschnittstelle 40 empfängt über ein vom Benutzer gehandhabtes Werkzeug 42 Kommandodaten vom Benutzer. Das Werkzeug 42 kann ein Zeiger, der den Bildschirm direkt berührt, eine Computermaus, die einen Cursor auf einer Anzeige steuert, oder irgendeine andere Art von Werkzeug sein, das es dem Benutzer ermöglicht, mit den grafischen Darstellungen auf der Anzeige in Verbindung zu treten. Über die Benutzerschnittstelle 40 kann der Benutzer auf eine Datenbank von virtuellen Implantaten 44 zugreifen. Die Datenbank 44 enthält sämtliche möglichen Größen und Formen von Implantaten, die für die Operation zur Verfügung stehen.
Die Vorrichtung enthält außerdem ein Positioniermodul 46. Das Positioniermodul 46 kann erkennen, ob ein virtuelles Implantat vom Benutzer platziert worden ist, und seine Position in einem Bezugsrahmen bestimmen. Es kann außerdem berechnen, wo ein zweites virtuelles Implantat in Bezug auf die Position und Orientierung des ersten virtuellen Implantats zu platzieren ist. Wenn zwei virtuelle Implantate platziert worden sind, kann es bestimmen, wo ein drittes virtuelles Implantat zu platzieren ist, um zu einer Ausrichtung der ersten zwei virtuellen Implantate zu passen. Wenn die Platzierung eines dritten virtuellen Implantats bei gegebener Anatomie des Patienten und Position der ersten zwei virtuellen Implantate unmöglich ist, kann das Positioniermodul 46 die ersten zwei Implantate in einer Gruppe zusammenfassen und sie gemeinsam in Position und Orientierung bewegen, um sie auf eine Platzierung des dritten virtuellen Implantats auszurichten. Das Positioniermodul 46 kann außerdem berechnen, welche Größe oder Form das dritte virtuelle Implantat haben muss, um richtig zu der durch die Platzierung der ersten zwei virtuellen Implantate gebotenen Ausrichtung zu passen. Das Positioniermodul 46 kann außerdem die ersten zwei virtuellen Implantate individuell justieren, um besser mit dem dritten virtuellen Implantat zu koexistieren. Man versteht, dass drei virtuelle Implantate benutzt werden, um die Fähigkeiten des Positioniermoduls 46 zu demonstrieren, und dies den Schutzumfang des Moduls in keiner Weise beschränken soll. Zwischen der Benutzerschnittstelle 40 und dem Positioniermodul 46 werden Relativpositionsdaten ausgetauscht. Ein Bildspeichergerät 43 enthält Bilder der Anatomie des Patienten und sendet Patientenanatomiedaten an die Benutzerschnittstelle 40, damit sie der Benutzer sehen kann, und an das Positioniermodul 46, welches die Daten bei seinen Berechnungen und Platziertätigkeiten benutzen kann. Das Positioniermodul 46 kann ein ideales virtuelles Implantat aus der Datenbank von virtuellen Implantaten 44 auswählen.
Das Werkzeug 42 erlaubt es dem Benutzer, zwei oder mehr virtuelle Implantate miteinander zu gruppieren und eine gewünschte Relativposition der Gruppe von virtuellen Implantaten in Bezug auf ein weiteres virtuelles Implantat oder eine weitere Gruppe von Implantaten einzugeben. Das Positioniermodul 46 kann dann die Position der Gruppe von virtuellen Implantaten oder des weiteren virtuellen Implantats als eine Funktion der gewünschten Relativposition aktualisieren. Das Positioniermodul 46 kann außerdem eine Position eines ersten virtuellen Implantats, nachdem ein zweites virtuelles Implantat platziert worden ist, als eine Funktion von vorbestimmten Relativpositionskriterien aktualisieren. Das Positioniermodul 46 kann Relativpositionsdaten senden, die grafisch oder numerisch auf der Benutzerschnittstelle 40 dargestellt werden. Die Relativpositionsdaten können Informationen in Bezug auf den Eintrittspunkt des virtuellen Implantats an der Anatomie, die Orientierung des virtuellen Implantats an der Anatomie und Tiefeninformationen des virtuellen Implantats in der Anatomie umfassen.
5 ist ein Flussdiagramm des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Der erste Schritt 50 besteht im Bereitstellen eines Bildes der Anatomie des Patienten. Dies kann präoperativ oder intraoperativ geschehen. Der nächste Schritt 52 ist das Bestimmen einer gewünschten Kurve, entlang der die mindestens drei Spinalimplantate zu platzieren sind, und Darstellen der Kurve auf dem Bild, wobei die gewünschte Kurve einem Verbindungsglied für die mindestens drei Spinalimplantate entspricht. Die mindestens zwei virtuellen Implantate werden aus einer Datenbank von virtuellen Implantaten ausgewählt, so dass sie den mindestens drei Spinalimplantaten entsprechen, 54. Nach dem Auswählen hat der Benutzer das virtuelle Implantat an einem gewünschten Ort in dem Bild zu platzieren, 56. Dies geschieht durch Ausrichten der mindestens zwei virtuellen Implantate auf die gewünschte Kurve, wobei eine Position eines vorhergehenden virtuellen Implantats berücksichtigt wird, um ein nachfolgendes virtuelles Implantat zu platzieren. Schließlich werden die mindestens zwei Spinalimplantate unter Verwendung des computergestützten Chirurgiesystems in Übereinstimmung mit den virtuellen Implantaten in dem Bild platziert, 58. Wird ein nachfolgendes Implantat positioniert, wird die Position eines vorhergehenden virtuellen Implantats berücksichtigt, um das nachfolgende virtuelle Implantat zu platzieren. Zur Bestimmung der Position oder Form des nachfolgenden virtuellen Implantats in Bezug auf das vorhergehende virtuelle Implantat werden automatische Planungswerkzeuge benutzt.
Zur Veranschaulichung des Verfahrens wird der Fall des Spinaleingriffs benutzt. Wenn ein erstes virtuelles Implantat eine Pediculus-Schraube ist, wählt der Chirurg sie aus der Datenbank aus und platziert sie in dem Bild. Das zweite virtuelle Implantat kann ebenfalls eine Pediculus-Schraube sein. Deren Platzierung wird jedoch auf Basis der Position und Orientierung der ersten virtuellen Pediculus-Schraube bestimmt. Wird eine gerade Ausrichtung gewünscht, wird die zweite Pediculus-Schraube so platziert, dass man eine gerade Linie von der ersten Pediculus-Schraube zur zweiten Pediculus-Schraube erhält. Wenn ein drittes virtuelles Implantat eine an den Schrauben anzubringende Stange ist, wird die Form der Stange auf Basis der Platzierung der ersten zwei Pediculus-Schrauben bestimmt. Wenn die Anatomie einschränkend ist und nicht viele Gestaltungen oder Formen für die Stange erlaubt, wird die virtuelle Stange in Übereinstimmung mit den Einschränkungen der Anatomie in dem Bild platziert, und die virtuellen Pediculus-Schrauben werden dann auf Basis der Position der Stange justiert.
Daher werden Linien benutzt, um die virtuellen Implantate miteinander zu verbinden und sie auf dem Bild auszurichten. Das Verfahren umfasst außerdem die Berechnung eines Ortes für das nachfolgende virtuelle Implantat auf Basis eines Ortes des vorher gehenden virtuellen Implantats und Neujustierung einer Position eines vorhergehenden virtuellen Implantats, um das nachfolgende virtuelle Implantat besser zu positionieren. Der letzte Schritt des Verfahrens besteht im Platzieren der realen Implantate auf Basis der Position der virtuellen Implantate, 58.
In einer alternativen Ausführungsform können andere Eingriffe wie intramedulläre Nagelung mit diesen Planungswerkzeugen angegangen werden. In diesem Fall können die Planungswerkzeuge benutzt werden, um die intramedulläre Stange während eines chirurgischen Eingriffs zur Frakturkorrektur auf die proximalen und distalen Nägel auszurichten, was das geringst invasive Verfahren ohne das Vorhandensein einer hinderlichen mechanischen Einspannvorrichtung ermöglicht. Sobald die verfolgte Stange im Knochen platziert ist, können virtuelle Nägel mit grafischen Zielgeräten platziert werden, um die Positionierung der realen Implantate so orientieren, dass sie durch die Löcher in der Stange (für den Chirurgen normalerweise nicht sichtbar) hindurchgehen können. Und im Falle einer Mehrfragment-Fraktur könnten ähnliche Planungsverfahren benutzt werden, um aus intraoperativer Bildsynthese erhaltene virtuelle Fragmente neu zu positionieren und virtuelle Nägel oder andere relevante Implantate anzubringen. Die möglichen Eingriffe decken alle Operationen mit mehreren Implantaten ab, sind aber nicht auf Orthopädie (Rückenmark, Hüfte, Knie, Schulter usw.) und Hals-Nasen-Ohren (HNO) beschränkt.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Planungsmodul 45 mit einem computergestützten Chirurgiesystem 48 und einem Verfolgungsmodul 47 benutzt, wie in 6 veranschaulicht.
Für den Fachmann ergeben sich natürlich zahlreiche Modifizierungen daran. Dementsprechend sind die obige Beschreibung und begleitenden Zeichnungen als die Erfindung veranschaulichend und nicht in einem beschränkenden Sinne zu nehmen. Weiterhin sollen natürlich irgendwelche Varianten, Verwendungen oder Adaptionen der Erfindung abgedeckt werden, die den Prinzipien der Erfindung im Allgemeinen folgen und Abweichungen von der vorliegenden Offenbarung enthalten, die in der bekannten oder gebräuchlichen Praxis in der Technik vorkommen, zu der die Erfindung gehört, und die auf die vorstehend dargelegten wesentlichen Merkmale angewandt werden können und die im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen.
Zusammenfassung:
Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Platzieren von mehreren Implantaten während einer Operation beschrieben, wobei die Vorrichtung Folgendes aufweist: eine Anzeige für ein Bild, das die Anatomie eines Patienten darstellt; eine Datenbank von virtuellen Implantaten, aus denen ein Benutzer auswählt; ein Werkzeug, das der Benutzer handhaben kann, um die virtuellen Implantate aus der Datenbank auszuwählen und die virtuellen Implantate an gewünschten Orten in dem Bild zu platzieren; und ein Positioniermodul, das dazu dient, eine Position eines Ersten der virtuellen Implantate in Bezug auf ein Zweites der virtuellen Implantate zu berechnen, und es dem Benutzer erlaubt, die ersten und zweiten virtuellen Implantate in Bezug aufeinander auszurichten, zum Erzeugen von Relativpositionsdaten als eine Funktion der berechneten Position und zum Senden der Relativpositionsdaten an die Anzeige.

Claims

Vorrichtung zum Planen einer Operation, welche Vorrichtung Folgendes aufweist: eine Anzeige für ein Bild, das die Anatomie eines Patienten darstellt; eine Datenbank von virtuellen Implantaten, aus denen ein Benutzer auswählt; ein Werkzeug, das der Benutzer handhaben kann, um die virtuellen Implantate aus der Datenbank auszuwählen und die virtuellen Implantate an gewünschten Orten in dem Bild zu platzieren; und ein Positioniermodul, das dazu dient, eine Position eines Ersten der virtuellen Implantate in Bezug auf ein Zweites der virtuellen Implantate zu berechnen, und es dem Benutzer erlaubt, die ersten und zweiten virtuellen Implantate in Bezug aufeinander auszurichten, zum Erzeugen von Relativpositionsdaten als eine Funktion der berechneten Position und zum Senden der Relativpositionsdaten an die Anzeige.
Vorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, bei der das Berechnen einer Position umfasst, zu bestimmen, wie gut die virtuellen Implantate entlang einer Kurve passen, die ein Verbindungsglied für die virtuellen Implantate darstellt.
Vorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, bei der die Operation eine Spinaloperation ist, die virtuellen Implantate mindestens zwei Spinalimplantate sind und das Positioniermodul zum Ausrichten der mindestens zwei Spinalimplantate entlang einer Kurve dient, die ein Verbindungsglied für die Spinalimplantate darstellt.
Vorrichtung wie in Anspruch 1, 2 oder 3 beansprucht, bei der es das Werkzeug dem Benutzer ermöglicht, eine gewünschte Relativposition des ersten virtuellen Implantats in Bezug auf das zweite virtuelle Implantat einzugeben, und das Positioniermodul eine Position mindestens eines des ersten virtuellen Implantats und des zweiten virtuellen Implantats als eine Funktion der gewünschten Relativposition aktualisiert.
Vorrichtung wie in Anspruch 1, 2 oder 3 beansprucht, bei der es das Werkzeug dem Benutzer ermöglicht, mehrere virtuelle Implantate miteinander zu gruppieren und eine gewünschte Relativposition der mehreren virtuellen Implantate in Bezug auf ein weiteres virtuelles Implantat einzugeben, und das Positioniermodul eine Position mindestens eines der mehreren virtuellen Implantate und des weiteren virtuellen Implantats als eine Funktion der gewünschten Relativposition aktualisiert.
Vorrichtung wie in Anspruch 1, 2 oder 3 beansprucht, bei der das Positioniermodul eine Position eines ersten virtuellen Implantats als eine Funktion von vorbestimmten Relativpositionskriterien aktualisiert, nachdem das zweite virtuelle Implantat von dem Benutzer an den gewünschten Ort platziert worden ist.
Vorrichtung wie in Anspruch 1, 2 oder 3 beansprucht, bei der die Relativpositionsdaten mittels der Anzeige grafisch dargestellt werden.
Vorrichtung wie in Anspruch 1, 2 oder 3 beansprucht, bei der die Anzeige dazu dient, ein Röntgenbild anzuzeigen, das die Anatomie des Patienten darstellt.
Vorrichtung wie in Anspruch 8 beansprucht, bei der die Anzeige das Bild jedes Mal aktualisiert, wenn ein neues Röntgenbild der Anatomie des Patienten aufgenommen wird.
Vorrichtung wie in Anspruch 1, 2 oder 3 beansprucht, bei der die Relativpositionsdaten einen Eintrittspunkt der virtuellen Implantate in die Anatomie umfassen.
Vorrichtung wie in Anspruch 1, 2 oder 3 beansprucht, bei der die Relativpositionsdaten die Orientierung der virtuellen Implantate in der Anatomie umfassen.
Vorrichtung wie in Anspruch 1, 2 oder 3 beansprucht, bei der die Relativpositionsdaten Tiefeninformationen der virtuellen Implantate in der Anatomie umfassen.
Computergestütztes Chirurgiesystem zum Platzieren von Implantaten, mit einer Vorrichtung zum Planen einer Operation, wie in den Ansprüchen 1 bis 12 angegeben, und einem Verfolgungsmodul zum Verfolgen von Werkzeugen während der Operation.
Verfahren zum Platzieren von mindestens zwei Spinalimplantaten während einer Operation unter Verwendung eines computergestützten Chirurgiesystems, welches Verfahren Folgendes umfasst: ein Bild bereitzustellen, das die Anatomie eines Patienten darstellt; eine gewünschte Kurve zu bestimmen, entlang der die mindestens zwei Spinalimplantate zu platzieren sind, und die Kurve in dem Bild darzustellen, wobei die gewünschte Kurve einem Verbindungsglied für die mindestens zwei Spinalimplantate entspricht; mindestens zwei virtuelle Implantate aus einer Datenbank von virtuellen Implantaten auszuwählen, die den mindestens zwei Spinalimplantaten entsprechen; die mindestens zwei virtuellen Implantate auf der gewünschten Kurve in dem Bild zu platzieren, indem die mindestens zwei virtuellen Implantate auf die gewünschte Kurve ausgerichtet werden, wobei eine Position eines vorhergehenden virtuellen Implantats berücksichtigt wird, um ein nachfolgendes virtuelles Implantat zu platzieren; und die mindestens zwei Spinalimplantate unter Verwendung des computergestützten Chirurgiesystems in Übereinstimmung mit den virtuellen Implantaten in dem Bild zu platzieren.
Verfahren wie in Anspruch 14 beansprucht, bei dem das Platzieren der mindestens zwei virtuellen Implantate umfasst, Linien zu benutzen, um die virtuellen Implantate miteinander zu verbinden und sie auf dem Bild auszurichten, das die Anatomie eines Patienten darstellt.
Verfahren wie in Anspruch 14 beansprucht, bei dem das Platzieren der mindestens zwei virtuellen Implantate umfasst, auf Basis eines Ortes des vorhergehenden virtuellen Implantats einen Ort für das nachfolgende virtuelle Implantat zu berechnen.
Verfahren wie in Anspruch 14 beansprucht, bei dem das Auswählen der mindestens zwei virtuellen Implantate umfasst, das nachfolgende virtuelle Implantat mit einer Position oder einer Form auf Basis von durch das vorhergehende virtuelle Implantat gebotenen Einschränkungen auszuwählen.
Verfahren wie in Anspruch 14 beansprucht, bei dem das Platzieren der mindestens zwei virtuellen Implantate umfasst, eine Position des vorhergehenden virtuellen Implantats zur besseren Positionierung des nachfolgenden virtuellen Implantats neu zu justieren, um eine optimale Ausrichtung aller virtuellen Implantate zu erreichen.
Verfahren wie in Anspruch 14 beansprucht, bei dem die mindestens zwei virtuellen Implantate drei virtuelle Implantate sind und das Verbindungsglied eine Stange zur Verbindung von drei Spinalimplantaten ist.
Verfahren wie in Anspruch 19 beansprucht, bei dem das Platzieren der mindestens zwei virtuellen Implantate umfasst, zwei der drei virtuellen Implantate miteinander zu gruppieren und die zwei virtuellen Implantate in Übereinstimmung mit einer gewünschten Relativposition zu mindestens einem weiteren virtuellen Implantat zu positionieren.
Verfahren wie in Anspruch 14 beansprucht, bei dem das Platzieren der mindestens zwei virtuellen Implantate umfasst, einen Eintrittspunkt, eine Tiefe und/oder eine Orientierung jedes der virtuellen Implantate an der Anatomie zu bestimmen.
Verfahren wie in Anspruch 14 beansprucht, bei dem das Platzieren der mindestens zwei virtuellen Implantate umfasst, in Übereinstimmung mit vorbestimmten Relativpositionskriterien zu platzieren.
Verfahren wie in Anspruch 14 beansprucht, bei dem das Bereitstellen eines Bildes umfasst, ein Röntgenbild bereitzustellen.
Verfahren wie in Anspruch 23 beansprucht, bei dem das Platzieren der mindestens zwei Spinalimplantate umfasst, das Röntgenbild zu aktualisieren, nachdem jedes der mindestens zwei Spinalimplantate platziert worden ist.
Computerlesbarer Speicher zum Speichern von programmierbaren Anweisungen zur Verwendung bei der Ausführung des Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24 in einem Computer.
Computerdatensignal, das in einer Trägerwelle verkörpert ist, die Daten aufweist, die von einem Positioniermodul herrühren, das dazu dient, eine Position eines ersten virtuellen Implantats in Bezug auf ein zweites virtuelles Implantat zu berechnen, und es einem Benutzer erlaubt, die ersten und zweiten virtuellen Implantate in Bezug aufeinander auszurichten, zum Erzeugen von Relativpositionsdaten als eine Funktion der berechneten Position und zum Senden der Relativpositionsdaten an eine Anzeige.