DE4219939A1 - Schablone für Bearbeitungswerkzeuge zur Bearbeitung knöcherner Strukturen und Verfahren zur Definition und Reproduktion der Lagebeziehung eines Bearbeitungswerkzeuges relativ zu einer knöchernen Struktur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schablone für Bearbeitungs- Werkzeuge zur Bearbeitung knöcherner Strukturen und ein Verfahren zur Definition und Reproduktion der Lagebezie­ hung eines Bearbeitungswerkzeuges relativ zu einer knöchernen Struktur.

Mit Hilfe von bildgebenden Verfahren wie der Computer­ tomographie und computergestützten Bildverarbeitungs- System können knöcherne Strukturen des lebenden Organis­ mus schichtweise nicht-invasiv erfaßt, dreidimensional rekonstruiert und über ein Ausgabemedium visualisiert werden. Darüber hinaus ermöglichen diese Systeme häufig bereits eine dreidimensionale Operationsplanung bezüglich Schnitten, Bohrungen, Punktionen, Positionieren von Indi­ vidualimplantaten oder sonstigen Eingriffen.

Intraoperativ, d. h. während der eigentlichen Operation, bestehen dann jedoch häufig Orientierungsprobleme, da für eine konsequente räumlich exakte Umsetzung der mit großem technischen Aufwand geplanten Bearbeitungsschritte keine adäquaten Hilfsmittel zur Verfügung stehen. Die Genauig­ keit der Durchführung basiert somit alleine auf der Er­ fahrung, dem räumlichen Vorstellungsvermögen und dem handwerklichen Geschick des Chirurgen, was je nach Art und anatomischer rage des Eingriffes, selbst bei erfah­ renen Operateuren, mit erheblichen Risiken verbunden ist. Allgemein stehen nur freihändig geführte Instrumente, zweidimensionale Schichtbildaufnahmen und prä- oder intraoperative Röntgenaufnahmen zur Verfügung.

Für einzelne Operationen sind Universalwerkzeugführungen bekannt. Hierbei handelt es sich größtenteils um Säge-, Bohr- oder Frässchablonen zur Vorbereitung und/oder Fixierung eines Knie- oder Hüftgelenkprothesensitzes (wie z. B. US 4,567,885, US 4,703,751, US 4,822,362, US 4,721,104, DE 33 39 259, EP 380 451, EP 415 837, EP 231 885, EP 228 339, DE 39 25 488, DE 79 14 280) oder für Umstellungsosteotomien im Bereich des proximalen Femur- oder Tibiakopfes (z. B. US 4,565,191, DE 38 42 645, DE 32 11 153). Die intraoperative Positionierung dieser Schablonen relativ zum Knochen erfolgt Freihand und ist selbst bei an die anatomischen Gegebenheiten begrenzt anpaßbaren Speziallösungen, wie z. B. US 4,846,161, DE 34 47 163 oder DE 40 16 704 im allgemeinen nicht exakt und eindeutig gemäß der Operationsplanung durchführbar. Bei einigen Lösungen ist ein intraoperatives Messen und Ausrichten unter Röntgenkontrolle vorgesehen. Dies führt zu einer erhöhten Strahlenbelastung für Patient und OP- Team, verlängert die Operationsdauer zusätzlich und stellt wiederum nur eine indirekte und nicht eindeutig definierte Umsetzung der in der Operationsplanung festge­ legten Bearbeitungsstrategie dar.

Ebenfalls bekannt sind Vorrichtungen für stereotaktische Eingriffe. Prinzipiell können zwei Kategorien derartiger Vorrichtungen unterschieden werden. Zur ersten Kategorie werden Vorrichtungen gezählt, die als starre Rahmen (z. B. mit Schrauben) direkt am/im Knochen befestigt werden und mechanisch starr mit einem Ausricht- bzw. Koordinatenmeß- System gekoppelt werden können und deren Referenzpunkte in einer Schichtbildaufnahme abgebildet werden (z. B. Stereotaxievorrichtungen wie in Riechert et al.: Be­ schreibung und Anwendung eines Zielgerätes für stereotak­ tische Hirnoperationen. Acta neurochir., (Wien) Suppl. III (1955), 308, sowie in DE 37 17 871, DE 39 02 249 und EP 312 568 beschrieben). Die zweite Kategorie umfaßt Ver­ fahren, bei denen einzelne Referenzkörper (Markierungs­ element, und zwar mindestens drei) im oder am Knochen oder auf der darüber liegenden Hautoberfläche bereits vor der schichtweisen Erfassung des entsprechenden Körper­ teils fixiert und anschließend in den Schichtaufnahmen abgebildet werden. Diese Referenzkörper und -markierun­ gen werden dann durch eine mechanisch starre Konstruktion oder über eine 3D-Koordinatenvermessung und -auswertung zur Bestimmung der Transformationsbeziehung zwischen Knochenstruktur-, Schichtaufnahmen- und Umweltkoordina­ tensystem in Lage und Orientierung erfaßt (Adams et al.: A navigation support for surgery. in: Höhne et al.: 3D- Imaging in Medicine. Nato ASI Series F.; Computer and System Science Vol. 60, Springer (1990), S. 411-223; Kosugi et al.: An articulated neurosurgical navigation system using MRI and CT images. IEEE Transactions on Bio­ medical Engineering, Vol. 35, No. 2, Feb. 1988).

Da die relative Lage der Referenzkörper bzw. -punkte zur knöchernen Struktur bekannt bzw. aus den Schichtaufnahmen bestimmbar ist, kann eine starr oder über definierte Transformationsbeziehungen mit diesen Referenzkörpern (bzw. -punkten) gekoppelte 3D-Koordinatenmeß- bzw. Ein­ stellvorrichtung zur Positionierung von Koordinatenmeß­ stiften oder Führungshilfen für Punktionskanülen und Bohrer verwendet werden.

Generell sind diese Verfahren durch folgende Nachteile gekennzeichnet:

• - Die Referenzkörper (Markierungen, Rahmen, Vorrichtun­ gen) können nur in speziellen Fällen (im Schädelbe­ reich und im Bereich tastbarer Knochenpunkte) und auch hier nur mit Einschränkung der Genauigkeit auf der Hautoberfläche fixiert werden.
• - Eine Fixierung direkt am oder im Knochengewebe bedeu­ tet einen zusätzlichen Eingriff für den Patienten.
• - Die Referenzkörper (eventuell die gesamte starre Vor­ richtung) müssen von dem Zeitpunkt der Bildaufnahme bis zur Operation in unveränderter Lage am Patienten fixiert bleiben. Im Falle einer nicht-starren bzw. nicht-physikalischen Verbindung müssen intraoperativ zeitaufwendige (und wiederum fehlerbehaftete) Meß- und Ausrichtarbeiten erfolgen.
• - Generell ist die Anwendung auf Eingriff im Bereich leicht zugänglichen Knochenstrukturen beschränkt und damit für die orthopädische Chirurgie im allgemeinen ungeeignet.

Die von Adams et al. und Kosugi et al. beschriebenen Systeme sind für den Einsatz im Schädelbereich als frei­ händig geführte intraoperative 3D-Positionsmeßgeräte mit beschränkter Genauigkeit als Navigationshilfe einsetzbar. Die Systeme greifen auf künstliche Referenzmarker auf der Hautoberfläche zurück (natürliche Handmarken können im allgemeinen weder im Schnittbild noch im Operationssitus als Referenzpunkte eindeutig identifiziert werden). Es bestehen keine Möglichkeiten einer Planung und Speiche­ rung von orthopädischen Eingriffen und außerdem stehen lediglich freihändig geführte Meßsonden zur Verfügung. Die Systeme können somit nicht als geeignetes Hilfsmittel in der orthopädischen Knochenchirurgie eingesetzt werden.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß derzeit nur rela­ tiv primitive intraoperative Hilfsmittel für die kon­ sequente Umsetzung einer individuell geplanten orthopä­ disch-knochenchirurgischen Operation zur Verfügung stehen. So wird die individuell angepaßte, zementlos implantierbare Hüftgelenks-Individualendoprothese durch eine freihändige positionierte Schnittführung bei der intraoperativen Vorbereitung des Prothesensitzes ad absurdum geführt. Die Technologie der Knochenbearbeitung hat nicht mit der Technologie der Implantatfertigung schrittgehalten. Hieraus resultieren unpräzise Prothe­ sensitzpräparationen mit punktförmiger Kraftübertragung und Bewegung zwischen Knochen und Prothese. Gleiches gilt für individuell geplante Umstellungsosteotomien (im Be­ reich von Tibia und Femur allerdings relativ unkritisch). Für weitaus kompliziertere und kritischere Eingriff z. B. im Bereich der Wirbelsäule und des Beckens stehen z. T. noch keinerlei Orientierungshilfen und Positioniervor­ richtungen zur Verfügung.

Ferner bestehen Bestrebungen, mit Hilfe der Robotertech­ nik zu besseren Hilfsmitteln für schnellere, genauere und weniger belastende Eingriffe auch im Bereich knöcherner Strukturen zu kommen.

Die meisten der bekannten Verfahren arbeiten nach dem oben beschriebenen Referenzkörper-Prinzip mit präopera­ tiver Bildakquisition und sind prinzipiell auch mit den bereits genannten Nachteilen behaftet. Der Endeffektor wird jeweils durch einen Roboter oder Manipulator bewegt und positioniert (z. B. Kwoh et al.: A robot with improved absolute positioning accuracy for CT-guided stereotactic brain surgery. IEEE Transactions on Biomedical Enginee­ ring, Vol. 35, No. 2, Feb 1988; Taylor et al.: Robot total hip replacement surgery in dogs. IEEE Engineerig in Medicine & Biology Society 11th annual international con­ ference 1989, S. 887-889; Reinhardt et al.: Robotik für Hirnoperationen, Polyscope plus No. 6 1986, S. 1, 5-6).

Einige Verfahren arbeiten mit intraoperativer Bildakqui­ sition (insbesondere biplanare Röntgenprojektionsaufnah­ men) und geeigneten Ziel- und Kalibriervorrichtungen, die sich wiederum im Bild abzeichnen. Mit der bekannten Be­ ziehung zwischen Zielvorrichtung und Roboter (die Ziel­ vorrichtung wird z. B. in der Roboterhand fixiert) und der mit Hilfe der intraoperativen Röntgenaufnahmen bestimm­ baren Beziehung zwischen Zielvorrichtung und durchstrahl­ tem Körperteil ("Objekt", wie beispielsweise eine knöcherne Struktur) können Positionierungen bzw. Bewegun­ gen, die im objektfesten Koordinatensystem definiert wur­ den, in Bewegungen bzw. Positionsortsvektoren im Roboter­ basiskoordinatensystem transformiert werden (z. B. Lavallee: A new System for computer assisted neuro­ surgery. IEEE Engineering in Medicine & Biology Society 11th annual international conference 1989, S. 887-889; Jakobi et al.: Diagnosegesteuerte Therapierobotertechnik - medizinische und biomedizintechnische Aspekte, Z. Klin. Med. 45 Heft 6 (1990), S. 515-519).

Die prinzipielle Systematik einer fest definierten räum­ lichen Beziehung zwischen Bildaufnahmeeinrichtung und Endeffektor-Positionierungseinrichtung hat sich für Ein­ griffe im Weichteilbereich in zwei Fällen bereits etab­ liert (Extrakorporale Stoßwellenlithotripsie, d. h. Ultra­ schallschnittbild oder biplanare Röntgendurchleuchtung mit Selektion des intrakorporalen Zielpunktes im Bild und halbautomatische Positionierung des Stoßwellenfokus; Mammabiopsie, d. h. biplanare Röntgenaufnahme mit Identi­ fizierung des Zielpunktes der Biopsie im Bild und halb­ automatische Positionierung der Biopsiekanüle). Ver­ gleichbares ist im Bereich der orthopädischen Chirurgie knöcherner Strukturen nicht bekannt.

In einem weiteren Ansatz wird versucht, die Identifizie­ rung und Lageerkennung von knöchernen Strukturen im Rah­ men orthopädischer Operationen durch optische Musterer­ kennung zu bewerkstelligen und dann mit einem Roboter z. B. Schnittführungen per Laserstrahl anzuzeigen, Werk­ zeugführungen zu positionieren oder den Knochen direkt zu bearbeiten (Prasch: Computerunterstützte Planung von chirurgischen Eingriffen in der Orthopädie, Springer Ver­ lag 1990). Hierzu werden computergestützt auf biplanaren intraoperativen Röntgenprojektionsaufnahmen detektierte Konturen der betreffenden knöchernen Struktur mit rechnerintern abgespeicherten, aus Schichtaufnahmen re­ konstruierten, 3D-CAD-Modellen dieser Struktur verglichen und möglichst zur Deckung gebracht. Ist die rage der Basiskoordinatensysteme des Roboters und der Röntgenein­ richtung relativ zueinander bekannt, kann der Roboter, gemäß seiner anhand des 3D-Modells im CAD-System durch­ geführten Programmierung, bewegt werden. Als Anwendungs­ beispiel wird in der oben erwähnten Literatur eine Um­ stellungsosteotomie angeführt. Realisiert wurde das System noch nicht.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß keines der ge­ nannten Robotersysteme derzeit routinemäßig im Bereich der orthopädischen Chirurgie knöcherner Strukturen ein­ setzbar ist. Systeme mit der Notwendigkeit intraopera­ tiver Röntgenaufnahmen sind aus den bereits genannten Gründen unvorteilhaft. Der Einsatz von Robotern muß auf­ grund des hiermit verbundenen technischen (auch sicher­ heitstechnischen), organisatorischen und wirtschaftlichen Aufwandes auf Eingriffe beschränkt werden, bei denen räumlich komplexe Bearbeitungsbewegungen notwendig sind, die nur über enge Zugänge durchgeführt oder aus anderen medizinischen und operationstechnischen Gründen ohne operationsunterstützende Manipulatoren und Roboter nicht oder nur unbefriedigend vorgenommen werden können (hierzu zählt die vielzitierte Umstellungsosteotomie im Femur- oder Tibiabereich sicher nicht).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sichere, schnelle, exakte und gemäß Operationsplanung definierte Bearbeitung knöcherner Strukturen für beliebige (d. h. auch komplexe und eventuell neuartige) orthopädische Ein­ griffe zu ermöglichen. Dabei wird unter Bearbeitung nicht nur die Bearbeitung einer knöchernen Struktur mittels dazu geeigneter Bearbeitungswerkzeuge (Säge, Bohrer, Fräser) verstanden, sondern auch andere Formen der Be­ arbeitung, wie beispielsweise invasives Ausmessen und Abtasten knöcherner Strukturen mit entsprechenden Meß­ apparaturen gezählt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Ver­ fahren gemäß Anspruch 1, eine Schablone gemäß Anspruch 3, die vorzugsweise gemäß Anspruch 5 hergestellt ist, vorge­ schlagen.

Hierbei sollen intraoperative Meß- und Ausrichtzeiten durch Verlagerung in die präoperative Planungsphase mini­ miert werden und Arbeiten unter Röntgendurchleuchtung im allgemeinen unnötig werden. Für komplexe Operationen soll die Möglichkeit geschaffen werden, auf einen Manipulator oder Roboter als operationsunterstützendes Werkzeug intraoperativ schnell und sicher zugreifen zu können.

Zentrales Funktionselement stellt erfindungsgemäß jeweils eine sogenannte Individualschablone dar, die Teile der dem Chirurgen intraoperativ zugänglichen Oberfläche einer beliebigen zu bearbeitenden knöchernen Struktur als Nega­ tiv hinterschneidungsfrei und mechanisch starr abbildet, so daß die Individualschablone intraoperativ eindeutig definiert formschlüssig auf die knöcherne Struktur aufge­ setzt werden kann.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden mittels eines Schnittbildgerätes (z. B. Computer- oder Kernspin-Tomo­ graphen) Schnittbilder von durch den Körper des lebenden Organismus verlaufenden, die knöcherne Struktur enthal­ tenden Schichten angefertigt und aus diesen Schnittbil­ dern Daten bezüglich der dreidimensionalen Gestalt der knöchernen Struktur und deren Oberfläche gewonnen. Auf der Basis dieser Daten wird in der präoperativen Planungsphase, im bezüglich der knöchernen Struktur festen Koordinatensystem, eine starre Individualschablone definiert, die die Oberfläche der Knochenstruktur insge­ samt oder segmentweise (mindestens aber in drei intra­ operativ eindeutig identifizierbaren Auflagepunkten) der­ art nachbildet, daß die Individualschablone intraoperativ auf diese dann frei liegenden Kontaktflächen bzw. Kontakt­ punkte in nur genau einer eindeutig definierten Position formschlüssig aufgesetzt werden kann. Beim Aufsetzen der Individualschablone zeigt sich also in allen sechs räum­ lichen Freiheitsgraden ein eindeutiges Anschlagverhalten. Hierdurch ist intraoperativ eine schnelle und sichere Identifizierung und Lageerkennung möglich. Die bei ande­ ren Systemen problematischen inter- und intraindividuel­ len Formvarianten knöcherner Strukturen gewährleisten hier erfindungsgemäß eine sichere und eindeutige intra­ operative Identifizierung und Lageerkennung.

Die Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß die in der präoperativen Operationsplanungsphase im bezüglich der Knochenstruktur festen Koordinatensystem dreidimen­ sional definierten Schnitte, Bohrungen, Ausfräsungen und sonstigen Bearbeitungsschritte, in oder an der Indivi­ dualschablone in Form von Führungen oder Referenz- und Anflanschpunkten für standardisierte Werkzeugführungen direkt im oder am Schablonenkörper relativ zum Knochen eindeutig festgelegt werden können. Intraoperativ wird diese in der Operationsplanung dreidimensional eindeutig definierte und simulierte Situation durch einfaches Auf­ setzen der Individualschablone auf die freigelegte Ober­ fläche des Knochens realisiert. Zeitaufwendige Meß- und Ausrichtarbeiten werden somit in die präoperative Planungsphase verlegt. Arbeiten unter intraoperativer Röntgenkontrolle können entfallen.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Schablone ist eine sichere, schnelle, exakte und gemäß Operationsplanung definierte Bearbeitung knöcherner Strukturen für belie­ bige (d. h. auch komplexe und eventuell neuartige) ortho­ pädische Eingriffe möglich, und zwar ohne daß intraope­ rativ die Ausrichtung des Bearbeitungswerkzeuges über­ prüft werden muß. Intraoperative Meß- und Ausrichtzeiten werden durch Verlagerung in die präoperative Planungs­ phase minimiert und Arbeiten unter Röntgendurchleuchtung unnötig. Für komplexe Operationen wird die Möglichkeit geschaffen, auf einen Manipulator oder Roboter als opera­ tionsunterstützendes Werkzeug intraoperativ schnell und sicher zugreifen zu können.

Die Erfindung weist die folgenden Eigenschaften und Merk­ male auf:

• 1. Anhand der 3D-Rekonstruktion eines schichtbildweise erfaßten Objektes, insbesondere von Knochenstrukturen eines lebenden Menschen, und deren Darstellung auf einem Ausgabemedium, insbesondere einem Rechnermoni­ tor, wird, insbesondere mit Hilfe eines Computer­ systems bzw. computergestützten Darstellungs- und Konstruktionssystems, ein dreidimensionaler Negativ- Abdruck von Teilen der dem Operateur intraoperativ zugänglich individuellen natürlichen (d. h. nicht vor­ bearbeiteten) Oberfläche der knöchernen Struktur kon­ struiert.
• 2. Der obige Negativ-Abdruck kann einen zusammenhängen­ den Bereich oder mehrere geometrisch nicht aneinan­ dergrenzende Teilsegmente der Knochenoberfläche ab­ bilden und wird in einem zusammenhängenden mechanisch starren Grundkörper (der Individualschablone) kon­ struiert. Dieser wird in seiner Gesamtgeometrie auch den räumlichen Gegebenheiten des Operationszugangs angepaßt, so daß er mit keiner Struktur überschnei­ det.
• 3. Anhand der rechnergestützten Darstellung der drei­ dimensionalen Rekonstruktion der knöchernen Struktur kann eine Bearbeitungsplanung des Knochens erfolgen. Für diese Bearbeitung können beliebige Werkzeugführungen, insbesondere Bohrhülsen, Parallelführungen, Sägelehren, 2D- und 3D-Kopierfräsvorrichtungen vor­ gesehen werden. Für diese Werkzeugführungen können im/am Grundkörper der Individualschablone Verbin­ dungselemente, -flächen oder -punkte konstruiert wer­ den, die relativ zur 3D-Rekonstruktion der knöchernen Struktur so ausgerichtet bzw. konstruiert sind, daß die hier (lösbar oder unlösbar) mechanisch starr an­ koppelbaren Werkzeugführungen die Bearbeitungswerk­ zeuge oder Meßvorrichtungen exakt gemäß Operations­ planung dreidimensional führen.
• 4. Gemäß der oben unter 3. beschriebenen Vorgehensweise können auch am Grundkörper der Individualschablone Verbindungselemente, -flächen oder -punkte kon­ struiert werden, die mit dem Handstück eines Mani­ pulators lösbar mechanisch starr gekoppelt werden können und so die Position des Manipulatorhandstückes relativ zur dreidimensionalen Rekonstruktion der knöchernen Struktur präoperativ definieren.
• 5. Ausgehend von der unter 4. beschriebenen Ausgangs­ position kann in räumlich definierter Relation zur dreidimensionalen Rekonstruktion der knöchernen Struktur präoperativ ein räumliches Bearbeitungs- bzw. Bewegungsprogramm für das Manipulatorhandstück im Handstückkoordinatensystem definiert und rechner­ gestützt programmiert werden.
• 6. Ebenso ist es möglich, ausgehend von der unter 4. beschriebenen Ausgangsposition auch in räumlich de­ finierter Relation zur dreidimensionalen Rekonstruk­ tion der knöchernen Struktur präoperativ eine belie­ bige räumliche und zeitliche Abhängigkeit von 3D- Position und mechanischer 6D-Impedanz für das Mani­ pulatorhandstück im Handstückkoordinatensystem zu definieren und rechnergestützt zu programmieren.
• 7. Der unter Grundkörper der Individualschablone mit Negativ-Abdruck und Verbindungselementen, -flächen oder -punkten wird präoperativ mit Hilfe einer com­ puterunterstützten Fertigungseinrichtung (insbeson­ dere NC-Fräsen oder/und Stereolithographie) gefer­ tigt. Die in der Operationsplanung vorgesehenen Werk­ zeugführungen werden im Rahmen der Operationsvorbe­ reitung präoperativ am Grundkörper der Individual­ schablone montiert.
• 8. Die obigen in der Operationsplanungsphase definierten Bearbeitungsschritte können intraoperativ exakt umge­ setzt werden, da die Werkzeugführungen relativ zur knöchernen Struktur exakt in die während der Opera­ tionsplanungsphase definierten Positionen (das Mani­ pulatorhandstück in die während der Operations­ planungsphase definierte Ausgangsposition) gebracht werden können. Hierzu wird die Individualschablone mit den Flächen des Negativ-Abdruckes ohne jedes wei­ tere intraoperative Hilfsmittel (insbesondere ohne Meßeinrichtungen wie 3D-Meßarme o. ä.) und ohne intra­ operative Meß- und Ausrichtarbeiten auf die dann freiliegenden Knochenoberfläche formschlüssig aufge­ setzt.
• 9. Bei der optionalen Verwendung eines Manipulators wird das in der präoperativen Planungsphase am Computer­ system in Hand- bzw. Werkstückkoordinaten definierte Bewegungsprogramm bzw. der ebenso definierte 6D-Impe­ danzvariationsraum nach dem intraoperativen Aufsetzen der an das Handstück angekoppelten Individualschab­ lone umgerechnet und steht dann während der Operation zur Verfügung.
• 10. Das gemäß 5. definierte Bewegungs- und Bearbeitungs­ programm kann intraoperativ gemäß 9. automatisch relativ zur knöchernen Struktur exakt definiert re­ produziert werden oder auch stückweise manuell frei­ gegeben werden. Der gemäß 6. und 9. definierte Be­ wegungs- und Bearbeitungsraum wird intraoperativ durch die räumliche und zeitliche Abhängigkeit der Variation der mechanischen 6D-Impedanz des vom Chirurgen am Handstück manuell geführten Manipulators relativ zum Knochen exakt definiert reproduziert.
• 11. Die Führungsmittel der Schablone zur Begrenzung der Bewegung eines Bearbeitungsgeräts bei der Bearbeitung der knöchernen Struktur gemäß Operationsplanung er­ laubt beispielsweise die Wirbelosteotomie mit Wirbel­ osteotomie-Schablone mit rückseiten-konturanaloger Schnittiefenbegrenzung. Diese Schnittiefenbegrenzung, die eine Führungsbahn des Führungsmittels er­ forderlich macht, welche der der Schablone abge­ wandten Begrenzungskante des Schnitts durch die knöcherne Struktur entspricht, kann ausreichender Genauigkeit durch exaktes Positionieren und Führen des Bearbeitungswerkzeuges lediglich durch eine indi­ viduelle an die knöcherne Struktur formschlüssig an­ gepaßte (Individual-) Schablone gewährleistet werden.
• 12. Die Berücksichtigung der räumlich diametralen Knochenoberfläche zur "rückseiten-konturanalogen Schnittiefenbegrenzung", durch die die rückseitige Knochengrenze bei der Schnittführung entsprechend der projizierten Schnittkurve von Schnittebene und Knochenrückseite berücksichtigt wird und vom Säge­ blatt nicht überschritten wird. Funktionell wichtig ist hierbei wieder die Verwendung eines Individual­ schablonengrundkörpers zur intraoperativen exakten und eindeutigen Positionierung der Schnittiefenbegrenzung.
• 13. 3D-Kopierfräsvorrichtung zur Säuberung von Markraum bzw. zum Fräsen von vordefinierten Formen in knöcher­ nen Strukturen, dadurch gekennzeichnet, daß die der 3D-Kopierfräsvorrichtung zugrundeliegenden Geometrie­ daten individuelle geometrische Gegebenheiten der dreidimensionalen Rekonstruktion der schichtbildweise erfaßten knöchernen Struktur abbilden. Funktionell wichtig ist hierbei auch wieder die Verwendung eines Individualschablonengrundkörpers zur intraoperativen exakten und eindeutigen Positionierung der 3D-Kopier­ fräsvorrichtung.

Nachfolgend werden anhand der Figuren Ausführungsbei­ spiele der Erfindung näher erläutert. Dabei werden in den Figuren für gleiche Teile der unterschiedlichen Ausfüh­ rungsbeispiele dieselben Bezugszeichen verwendet. Die Figuren zeigen einige exemplarische Anwendungsformen, die lediglich zur Erläuterung der Erfindung dienen sollen, wegen der vielseitigen Einsatzmöglichkeiten der Erfindung die mögliche Anwendungsvielfalt jedoch nicht umfassend darstellen können. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 bis 5 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer an einem Wirbel angepaßten Individualschab­ lone zur Führung eines Werkzeuges, in diesem Fall eines Bohrers, zwecks Einbringung von Bohrungen für Pedikelschrauben in den Wirbel,

Fig. 6 bis 8 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Individual­ schablone sowie deren intraoperative Handhabung und Einsatz,

Fig. 9 eine alternative Individualschablone zu dem Aus­ führungsbeispiel gemäß Fig. 6 bis 8,

Fig. 10a bis 10d ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Indivi­ dualschablone für Hüftgelenk-Individualendo­ prothesen,

Fig. 10e eine Alternative zur Individualschablone gemäß Fig. 10a bis 10d,

Fig. 11a bis 11d eine weitere Einsatzmöglichkeit einer Individual­ schablone zur Verwendung bei einer Skoliosekor­ rektur durch eine Umstellungsosteotomie im Be­ reich einzelner Wirbelkörper,

Fig. 11e eine zusätzliche Möglichkeit der Verwendung einer Individualschablone zur Verwendung bei einer Skoliosekorrektur durch eine Umstellungsosteoto­ mie im Bereich einzelner Wirbelkörper,

Fig. 12 die Verwendung einer Individualschablone bei einer Osteotomie im Bereich des Vorderfußes,

Fig. 13a bis 13d eine weitere Individualschablone zur Vorbereitung eines Prothesensitzes einer Kniegelenkkopfpro­ these,

Fig. 14a bis 14c eine mit einer Kopierfräsvorrichtung ausgestat­ tete Individualschablone,

Fig. 15a und 15b ein Beispiel für die Verwendung einer Individual­ schablone zur roboterunterstützten Bearbeitung von knöchernen Strukturen,

Fig. 16a bis 16e ein weiteres Beispiel für die Verwendung einer Individualschablone zur roboterunterstützten Be­ arbeitung von knöchernen Strukturen,

Fig. 17 ein weiteres Beispiel für die roboterunterstützte Bearbeitung,

Fig. 18 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung des Ver­ fahrens zur Ausrichtung von Bearbeitungsgerät­ schaften zur Bearbeitung knöcherner Strukturen in der orthopädischen Chirurgie und

Fig. 19 ein Flußdiagramm zur Veranschaulichung des Ver­ fahrens zur Ausrichtung von Bearbeitungsgerät­ schaften zur roboterunterstützten Bearbeitung knöcherner Strukturen in der orthopädischen Chirurgie.

Fig. 1a, 1b, 2a, 2b, 2c, 3a, 3b, 4, 5a, 5b, 5c zeigen eine Individualschablone 4 zum Anbringen zweier Bohrungen in einen Wirbel. Die Bohrungen dienen jeweils dem Anbrin­ gen einer Pedikelschraube, die jeweils durch den (linken bzw. rechten) Pedikel in den Wirbelkörper des Wirbels geschraubt werden soll, wie es z. B. für die Verankerung eines Fixateur-Intern im Rahmen einer Skoliose-Operation üblich ist. Hierbei soll aus Festigkeitsgründen die Schraube in möglichst großen Bereichen in der Cortikalis (d. h. der äußeren kompakteren Knochenschicht) verankert werden. Auf der anderen Seite soll die Bohrung wie auch die Schraube weder das im angrenzenden Rückenmarkkanal verlaufende Rückenmark noch die durch den Zwischenwirbel­ kanal austretenden Spinalnerven verletzen und die Corti­ kalis der ventralen Wirbelkörperseite nur soweit durch­ dringen, daß sie gerade noch nicht ventral aus dem Wir­ belkörper austritt. Die Bohrungen werden diesen Anforde­ rungen entsprechend präoperativ räumlich durch Eintritts- und Endpunkt und Durchmesser, die Schraube mit Durchmes­ ser und Länge, eindeutig definiert, was z. B. anhand von CT-Aufnahmen erfolgt.

Die erfindungsgemäße Verfahrensweise soll im folgenden stellvertretend für andere vergleichbare Eingriffe exem­ plarisch beschrieben werden:

Der Wirbel und die für die Operationsplanung relevanten Bereiche der Struktur (die knöcherne Struktur 17 im all­ gemeinen) werden mit einem Schichtbildverfahren wie be­ reits beschrieben erfaßt, dreidimensional rekonstruiert und dieses so gewonnene 1 : 1 Modell mit Hilfe eines ge­ eigneten Mediums (z. B. CAD-System) visualisiert. Auch ein Modell der knöchernen Struktur 17 aus einem beliebigen mechanisch festen Modellwerkstoff, welches im Urformver­ fahren (aus UV-aushärtbarem Polymerwerkstoff, z. B. mit­ tels Stereolithographie) durch spanende Bearbeitung oder durch ein beliebiges anderes Fertigungsverfahren herge­ stellt wurde, kann als Basis für die weiteren, im folgen­ den beschriebenen Verfahrensschritte dienen. Verfahrens­ weisen zur Konstruktion einer Individualschablone z. B. mit Hilfe eines physikalisch festen Modelles der knöcher­ nen Struktur (z. B. aus Kunststoff, Wachs oder Metall) und plastisch verformbarem, aushärtbarem und im ausgehärteten Zustand spanend bearbeitbaren Material zur Modellierung und Herstellung einer Individualschablone sind denkbar.

Im folgenden soll insbesondere das Verfahren auf der Basis eines rechnergestützten CAD-Modelles beschrieben werden:

Die knöcherne Struktur 17 (d. h. der Wirbel) wird in einem CAD-System als rechnerinternes Modell abgebildet. Bei­ spielsweise im Bereich der Querfortsätze und und der Wir­ belbögen (Fig. 2) (oder auch der Querfortsatz und Dorn­ fortsatz (Fig. 5) oder Dornfortsatz und Wirbelbögen oder . . . ) werden Teile der dem Chirurgen intraoperativ zugäng­ lichen Knochenoberfläche im Modell als Kontaktflächen 1 für die Individualschablone 4 definiert. Die definierten Kontaktflächen 1 werden nach einer Umkehrung der Flächen­ normalen (Fig. 3 : 2 und 3) (d. h. als Negativ, "Abguß", "Abdruck") als Basis für die im modellfesten Koordinaten­ system zu konstruierende Individualschablone 4 übernommen.

Hierzu werden die Kontaktflächen 1 zunächst mit einer der Umgebung sowie der gewünschten Gesamtfunktion angepaßten, mechanisch starren Konstruktion, dem Individualschablonenkörper, verbunden, so daß die Individual­ schablone 4 über den konventionellen Operationszugang (Fig. 4: Skizze eines dorsalen Operationszuganges einer Skoliosekorrektur-Operation) direkt auf die freipräpa­ rierte Knochenoberfläche erfindungsgemäß eindeutig defi­ niert aufgesetzt werden kann, ohne hierbei mit anderen Strukturen im Operationsbereich zu kollidieren. Hierfür wird die Individualschablone 4 so gestaltet, daß z. B. die Kontaktflächen 1 hinterschneidungsfrei definiert und eventuell Aussparungen 5 (s. Fig. 5) für Strukturen in der Umgebung der Kontaktflächen 1 vorgesehen sind. Die Individualschablone ist also insgesamt dem Operations­ situs angepaßt. Ferner ist bei dieser Individualschablone die Werkzeugführung, d. h. die Bohrerführung, direkt an dem Schablonenkörper 6 konstruiert. Hierzu werden zwei Bohrungen 7 im Individualschablonenkörper vorgesehen, auf deren Bohrungsachse 8 jeweils die Eintritt- und Endpunkte 9,10 der im Knochenmodell gemäß Operationsplanung defi­ nierten Bohrungen 7 liegen und die mit innerhalb der Boh­ rungen jeweils eindeutig positionierbaren Bohrhülsen 11 versehen sind. Diese Bohrhülsen definieren, bei bekannter Bohrerlänge 12, in hänge und Innendurchmesser exakt die in der Operationsplanung festgelegten Bohrtiefen und -durchmesser. Im bzw. am Individualschablonenkörper wer­ den ferner Bohrungen, Gewindebohrungen oder sonstige Auf­ nahmen für Verbindungselemente vorgesehen, die eine Fixierung eines auch wiederverwertbaren Universalhand­ griffes 14 oder z. B. auch am Operationstisch fixierten frei positionier- und arretierbaren Haltearmes 15 ermög­ lichen. Es können auch zusätzlich Klemmvorrichtungen oder Schraubverbindungen (z. B. 19) zur intraoperativen Fixie­ rung der Individualschablone 4 auf oder an der knöchernen Struktur 17 vorgesehen werden.

Die Individualschablone 4 wird nach der Generierung eines entsprechenden Maschinenprogrammes auf einer NC-Fräs­ maschine spanend, günstigerweise aus Kunststoff wie, z. B. Plexiglas (PMMA), aber auch anderen Werkstoffen, wie z. B. Metall oder auch m Urformverfahren, z. B. dem Verfahren der Stereolithographie (oder einem ähnlichen Verfahren wir z. B. in Eusemann: Schnell zum Modell durch Rapid Prototyping, VDI Nachrichten Nr. 17, 26. April 1991, Seite 26 und in DE 39 33 142 beschrieben) aus UV-aushärt­ barem Polymer, hergestellt. Bei spanender Bearbeitung kann, z. B. im Fall der Pedikelschraubenindividualschab­ lone 4, auf ein weitgehend vorgefertigtes Halbzeug zu­ rückgegriffen werden, daß im Rahmen der NC-Bearbeitung nur noch mit den jeweils individuell definierten Kontakt­ flächen 1 und Bohrungen 7 versehen werden muß. Intraope­ rativ werden die Bohrhülsen 11 schnell und eindeutig definiert erfindungsgemäß durch Aufsetzen der Individual­ schablone auf den Wirbel (d. h. z. B. auf die Kontakt­ flächen im Bereich der Querfortsätze und der Wirbelbögen) in die zuvor in der Operationsplanungsphase relativ zum Knochen 17 festgelegte Lage gebracht. Die Bohrungen 7 können erfindungsgemäß unmittelbar durch Einführen des Bohrwerkzeuges in die Bohrhülsen 11 ausgeführt werden, wobei Durchmesser 16 sowie Eintritt- und Endpunkt 9, 10 der Bohrungen in der Knochenstruktur des Wirbels 17 durch die präoperative Operationsplanung definiert sind und interoperativ eindeutig reproduziert werden können.

Die Verwendbarkeit von vorgefertigtem Halbzeug muß je nach Eingriff untersucht werden. Eingriffspezifisches Halbzeug kann im CAD-System als Makro (auch parametrisch) in Bibliotheken zusammen mit Standardwerkzeugführungen, -Werkzeugen, chirurgischen Fixierungselementen wie Schrauben, Fixateur-Intern oder -Extern, sonstigem Osteo­ syntheseinstrumentarium, Handgriffen und Haltearmen, bis hin zu Roboter- und Manipulatorbibliotheken gespeichert werden. Auch die Abspeicherung von Bibliotheken mit physiologischen und pathologischen Knochenstrukturen so­ wie Standard-OP-Zugängen im CAD-Rechnersystem kann vor­ teilhaft sein. Die genannten Einzelkomponenten können dann jeweils in der Operationsplanungsphase im bezüglich des rechnerinternen Modelles der Knochenstruktur festen Koordinatensystem beliebig miteinander kombiniert, anein­ ander angepaßt und relativ zueinander positioniert wer­ den. Durch eine eindeutig definierte mechanische Verbin­ dung und Positionierung der Einzelkomponenten zueinander und zum Individualschablonengrundkörper mit seiner wie­ derum relativ zur knöchernen Struktur durch die Kontakt­ flächen eindeutig definierten räumlichen rage ist auch die räumliche rage und Ausrichtung der Einzelkomponenten relativ zum Knochen bekannt und kann durch Aufsetzen der Individualschablone intraoperativ eindeutig reproduziert werden.

Fig. 6a, 6b, 7a, 7b und 8 zeigen ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens am Beispiel einer Anwendung des Prinzips der Individualschablone bei einer Umstellungsosteotomie im Bereich des Trochanter minor. Die Kontaktflächen 1 des mechanisch starren Schablonenkörpers 6 der Individual­ schablone 4 definieren eindeutig deren Lage relativ zur knöchernen Struktur 17. Hierdurch ist auch die Lage der Schnittebenen 20 gemäß Operationsplanung (Fig. 7) intra­ operativ durch Aufsetzen der Individualschablone 4 ein­ deutig reproduzierbar. Die Individualschablone 4 kann optional mit einem Universalhandgriff 14 versehen werden.

Auch eine Fixierung (Nägel, Schrauben usw.) 19 am Knochen 17 kann optional vorgenommen werden. Ferner kann über eine Bohrhülse 11 und eine Bohrung 7 die in der Opera­ tionsplanung (Fig. 7) festgelegte Bohrung mit der Bohr­ achse 8 und Eintritts- und Endpunkt 9, 10 zur Fixierung eines Fixateur-Intern 21, wie in Fig. 8 dargestellt, intraoperativ reproduziert werden. Fig. 9 zeigt eine alternative einfache Individualschablone 4 (nur Säge­ lehre) für eine Umstellungsosteotomie.

Auch die bei der Konstruktion von z. B. Hüftgelenks-Indi­ vidualendoprothesen zugrundegelegten Schnittebene kann mit Hilfe einer Individualschablone exakt reproduziert werden. Die Fig. 10a bis 10d zeigen ein Ausführungsbei­ spiel für eine entsprechende Individualschablone 4 (Fig. 10 zeigt wiederum eine einfachere Alternative). Wie an­ hand dieses Ausführungsbeispiels nachfolgend beschrieben und in den Fig. 10a bis 10d dargestellt, kann die Indi­ vidualschablone 4 auch Basis für weitere Aufbauindivi­ dualschablonen 27 ein, die keine Kontaktflächen 1 zur knöchernen Struktur 17 mehr haben müssen, sondern über definierte Anflanschpunkte 28 mit der Basis-Individual­ schablone 4 (starr) verbunden werden. Über solche An­ flanschpunkte 28 können auch andere Zusatzvorrichtungen, wie z. B. eine Parallelführung 26, angekoppelt werden. Auch eine rückseiten-konturanaloge Schnitttiefenbegren­ zung 24 kann in/an der Individualschablone 4 oder/und der Aufbauindividualschablone 27 vorgesehen werden. Hierzu wird die Schnittkontur der Rückseite der knöchernen Struktur 17 mit der jeweiligen Schnittebene 20 so in der Individualschablone 4 (bzw. in der Aufbauindividualschab­ lone 27) in Form der rückseiten-konturanalogen Schnitt­ tiefenbegrenzung abgebildet, daß die parallel geführte Säge 25, deren Gehäuse starr mit einem Führungsstift (bzw. Führungsnocke) verbunden ist, der/die entlang der rückseiten-konturanalogen Schnittiefenbegrenzung glei­ tet/gleiten, sich rückseitig nicht über die Grenze der knöchernen Struktur hinaus bewegt. Beim Anbringen eines Fixateur-Intern 21 können die für die Fixierung der Indi­ vidualschablone angebrachten Bohrungen 19 gegebenenfalls ausgenutzt werden (Fig. 10d).

Die Fig. 11a bis 11e verdeutlichen beispielhaft das Ver­ fahren einer Skoliosekorrektur durch eine Umstellungs­ osteotomie im Bereich einzelner Wirbelkörper. Außerdem wird nochmals das Verfahren der rückseiten-konturanalogen Schnittiefenbegrenzung 24, eine alternative Möglichkeit einer Parallelführung 26 für das Sägewerkzeug 25 sowie das Verfahren des Anbringens eines Fixateur extern über einen ventralen Zugang (Fig. 11e), näher erläutert. Bei dem Verfahren der Skoliosekorrektur durch eine Umstel­ lungsosteotomie im Bereich einzelner Wirbelkörper werden über einen ventralen Zugang erfindungsgemäß in der Opera­ tionsplanungsphase eindeutig definierte Knochenkeile aus ebenso bestimmten Wirbelkörpern geschnitten, die Wirbel­ säule insgesamt gerichtet und mit bekannten Methoden der Osteosynthese temporär (von ventral und/oder dorsal, Fig. 11e) fixiert. Hierdurch eröffnen sich für die Skoliose­ therapie völlig neuartige Operations- und Therapiemög­ lichkeiten, da auf diese Weise eine Skoliosekorrektur bis zu einem Winkel von ca. 45° (nach Cobb) (Fig. 11d) ohne eine dauerhafte Versteifung der Wirbelsäule (und ohne therapiebedingte Zerstörung der Zwischenwirbelscheiben) erreichbar ist.

Außer der Kontaktfläche 1 zwischen Individualschablone 4 und Wirbelkörper 17 ist hier eine rückseiten-konturana­ loge Schnittiefenbegrenzung 24 und eine exakt in der jeweiligen Schnittebene parallel geführte Säge 25 notwen­ dig. Der gesamte Entwurf sowie die Fertigung erfolgt, wie bereits beschrieben, auf der Basis von Schichtbildaufnah­ men der Wirbelsäule rechnergestützt im CAD-System und wird mit einem der genannten Fertigungsverfahren gefer­ tigt. Zwei mit dem Gehäuse des Sägewerkzeuges 25 starr verbundene Führungsstifte 23 werden entlang zweier Füh­ rungen, den rückseiten-konturanalogen Schnittiefenbegrenzungen 24, bewegt. Diese bilden die Form der Wirbel­ körperrückseite 29 derart ab, daß bei einer Schnittfüh­ rung mit gemäß Fig. 11a parallel geführtem Sägeblatt die Sägeblattspitze der rückseitigen Oberfläche des Wirbel­ körpers exakt folgt und die Kortikalis gerade durch­ trennt. Hierfür muß in der Operationsplanungsphase die Geometrie des Sägewerkzeuges 25 inkl. Führungsstiften 23 sowie der Sägeblattgeometrie bekannt sein. Ferner muß eine Schnittebene 20 festgelegt werden und eine entsprechende Parallelführung 26 des Sägewerkzeuges 25 intraoperativ vorgesehen werden. Eine Parallelführung kann z. B. auf die in den Fig. 11a bis 11c dargestellte Weise gewährleistet werden.

Die Individualschablone 4 kann optional am Wirbelkörper fixiert 19 und mit einem Universalhandgriff 14 ausgestat­ tet werden. Wenn mit einer Universalparallelführung (wie z. B. in Fig. 10b dargestellt) gearbeitet werden soll, sind in der Operationsplanungsphase entsprechende An­ flanschpunkte 28 zu definieren. In diesem Fall reicht dann eine (einzige) rückseiten-konturanaloge Schnittiefenbegrenzung 24 mit entsprechend einem (einzigen) Führungsstift 23 aus.

In Fig. 11e ist ein Verfahren dargestellt, mit dem ein Fixateur-Extern zum Ausrichten und temporärem Fixieren der Wirbelsäule nach einer ventralen Umstellungsosteo­ tomie im Bereich einzelner Wirbelkörper allein über den ventralen Zugang fixiert und dann nicht-invasiv von dor­ sal montiert werden kann. Hierzu werden von ventral mit Hilfe einer Individualschablone 4 über Bohrhülsen 11 Boh­ rungen 7 durch Wirbelkörper und Pedikel angebracht. In diese Bohrungen werden dann jeweils eine chirurgische Gewindestange 30 eingedreht, bis der Gewindestangenkopf 32 bündig mit der ventralen Wirbelkörperoberfläche ab­ schließt. Die Gewindestangen 30 sind dadurch gekennzeich­ net, daß sie jeweils eine dornartige Spitze 31 aufweisen, die beim Eindrehen der Gewindestangen 30 die dorsal am Wirbel anliegenden Gewebeschichten durchdringen und sie im eingeschraubten Zustand die dorsale Körperoberfläche 33 so weit überragen, daß ein an sie angepaßter Fixateur- Extern 22 an ihnen fixiert werden und die Ausrichtung und Fixierung der Wirbelsäule somit von dorsal erfolgen kann. Weiter ist eine Gewindestange 30 dadurch gekennzeichnet, daß ein Schraubenwerkzeug im Bereich des Gewindestangen­ kopfes 32 angesetzt werden kann (z. B. Innensechskant), der Gewindestangenkopf 32 jedoch im Durchmesser kleiner oder gleich dem Gewindeinnendurchmesser ist. Die Gewinde­ stange kann somit von dorsal entfernt werden. Zusätzliche ventrale Fixierungen der Wirbelkörper zum Zwecke der Osteosynthese können mit Hilfe von hierfür üblichen Fixa­ teur-Intern (Klammern, Platten usw.; eventuell auch aus resorbierbarem Material) vorgenommen werden.

In den Fig. 12a und 12b ist als weiteres Beispiel schematisch eine Anwendung des Verfahrens der Individual­ schablone mit Ausrichtung und Definition der Schnitt­ ebenen 20 und rückseiten-konturanaloger Schnittiefenbegrenzung 24 im Rahmen einer Osteotomie im Bereich des Vorderfußes zeigt. Die Linie 24 des Individualschablonen­ körpers 6 entspricht dabei der der Schablone 4 abge­ wandten Kante der Schnittebene durch die knöcherne Struk­ tur 17 des Vorderfußes.

Fig. 13a bis 13c zeigen schematisch eine Individual­ schablone 4 zur Vorbereitung eines Prothesensitzes für die exemplarisch in Fig. 13d skizzierte Kniegelenkkopf­ prothese. Die intraoperative Verfahrensweise ist hierbei folgende: Die Individualschablone 4 wird mit den Kontakt­ flächen 1 definiert auf den Knochen 17 aufgesetzt. Die Bohrhülse 11 wird eingesetzt und die Bohrung mit Bohr­ achse 8 in den Knochen eingebracht. Danach wird die Bohr­ hülse wieder entfernt. Dann wird der Schnitt entlang der Schnittebene 20a angebracht. Danach kann Schnitt 20b rechtwinklig zu Schnitt 20a freihändig ausgeführt werden (hierzu kann auch eine Aufbauschablone 27 vorgesehen wer­ den). Nun wird die Nut (Schnitt 20c) gefräst oder gesägt (je Prothesengeometrie) und anschließend Schnitt 20d ent­ lang der Unterkante der Individualschablone 4 durchge­ führt.

Fast beliebige Vorrichtungen können mittels einer Indi­ vidualschablone in eine gemäß Operationsplanung relativ zur knöchernen Struktur eindeutig definierte Position gebracht werden. Fräsoperationen können mit Hilfe einer über eine entsprechende Individualschablone auf die knöcherne Struktur aufgesetzte Kopierfräsvorrichtung (die auch wiederum Geometrien knöcherner Strukturen nachbilden oder in sonstiger Weise berücksichtigen kann) exakt ge­ plant und umgesetzt werden.

Fig. 14a bis 14c zeigen schematisch das Reinigen des Femurmarkraumes von Knochenzement. Die Individualschab­ lone 4 wird intraoperativ mit den Kontaktflächen 1 auf den vorbearbeiteten Knochen aufgesetzt (für die Vorbe­ arbeitung können wiederum Individualschablonen vorgesehen werden). Die Individualschablone 4 legt zusammen mit der über definierte Anflanschpunkte 28 an sie gekoppelte Zu­ satzvorrichtung 41 die räumliche Orientierung der Fräser­ achse 42 relativ zum Knochen 17 fest. Die planparallele Führung 36 der Zusatzvorrichtung 41 begrenzte Bewegungen des Fräswerkzeuges (bzw. des Fräskopfes) in einer Ebene senkrecht zur Fräserachse 42, die Linearführung 37 der Zusatzvorrichtung 41 zusätzlich Bewegungen in Richtung der Fräserachse 42. Die Individualschablone 4 weist ferner einen Hohlraum auf, der in der in Fig. 14a skiz­ zierten Weise eine Nachbildung 39 des Markraumes 40 dar­ stellt, jedoch gegenüber diesem um den Faktor der Durch­ messerdifferenz (D_{FÜHRUNGSNOCKE}-D_FRÄSKOPF) in (relativ zur Fräserachse) radialer Richtung aufgedehnt ist. Wird die Führungsnocke 23 innerhalb dieser Markraumnachbildung 39 geführt, wird der Markraum durch den Fräskopf 35 an den entsprechenden Stellen ausgefräst. Die gesamte Indi­ vidualschablone 4 inklusive Anflanschpunkten 28 für die Zusatzvorrichtung 41 wird in der Operationsplanungsphase bei bekannter Geometrie von Fräswerkzeug 38 und Zusatz­ vorrichtung 31 und anhand den aus Schichtbildern der knöchernen Struktur 17 und des Markraumes 40 so kon­ struiert und gefertigt, daß intraoperativ auf die oben beschriebene und in Fig. 14a dargestellte Weise, der ge­ samte Markraum 40 ausgefräst und der Knochenzement ent­ fernt werden kann, ohne hierbei die kompakte Außenstruk­ tur des Knochens zu verletzen. Das Verfahren erlaubt ein eindeutig gemäß Operationsplanung definiertes dreidimen­ sionales Ausfräsen und Säubern des Markraumes in einem Arbeitsgang.

Weitere Anwendungen sind z. B. die Tripelumstellungsosteo­ tomie des Beckenknochens, Fixierungen im Bereich des Lumbo-Sakral-Gelenkes, begrenzte Resektionen tumorösen Knochengewebes.

Die Verwendung eines Roboters bzw. Manipulators kann bei sehr kleinen Zugängen oder räumlich komplexen Bearbei­ tungsvorgängen (z. B. bei der Tripel-Umstellungsosteotomie des Beckenknochens oder komplexen Fräsbearbeitungen) Vor­ teile bringen. Fig. 19 beschreibt das prinzipielle Ver­ fahren in Diagrammform.

Fig. 15a und 15b zeigen ein erstes Beispiel für die An­ wendung einer Individualschablone zur roboterunterstütz­ ten Bearbeitung von knöchernen Strukturen in der orthopä­ dischen Chirurgie. Das Handstück 48 einer in der Makro­ bibliothek des CAD-Systems gespeicherten Robotermechanik 49 kann in der Operationsplanungsphase am CAD-System über eine kraft- und momentenschlüssige Verbindung mit der Individualschablone 4 mit den Kontaktflächen 1 an das rechnerinterne Modell der knöchernen Struktur 17 ange­ hängt werden. Die hierbei simulierte Position des Robo­ terhandstückes 48 im bezüglich der knöchernen Struktur 17 festen Koordinatensystem 43 (bzw. die Transformationsbe­ ziehung zwischen dem bezüglich des Roboterhandstückes festen 44 und dem bezüglich der knöchernen Struktur festen 43 Koordinatensystem bei auf den Knochen 17 aufge­ setzter und mit dem Roboterhandstück 48 definiert starr verbundener Individualschablone 4) wird als Ausgangsposi­ tion für die Simulation und Programmerstellung der gesam­ ten Bearbeitungsprozedur mit unter Umständen unterschied­ lichsten Bearbeitungswerkzeugen 47 berechnet und abge­ speichert. Die während der Bearbeitungsprozedur zeitlich veränderliche Transformationsbeziehung zwischen Roboter­ endeffektor 47 bzw. Roboterhandstückkoordinatensystem 44 und dem bezüglich der knöchernen Struktur 17 festen Koordinatensystem 43 werden jeweils im CAD-System ge­ plant, berechnet, simuliert und abgespeichert bzw. doku­ mentiert. Hierbei ist eine Positionierung von Laserpoin­ tern, Werkzeugführungen, Meßsonden ebenso denkbar wie eine direkte Bearbeitung der knöchernen Struktur mit Boh­ rern, Fräsern, Sägen, Lasern, Ultraschallapplikatoren u. a. Unter sicherheitstechnischen Gesichtspunkten ist auch die Definition und Programmierung von erlaubten und verbotenen Bewegungsräumen sinnvoll.

Mit Hilfe der am Handstück 48 des Roboters 49 gemäß Operationsplanung fixierten Individualschablone 4 kann der Roboter intraoperativ die räumliche Lage der knöcher­ nen Struktur im Teach-In-Verfahren schnell und sicher erkennen (Fig. 15a). Bei aufgesetzte Individualschablone 4 läßt sich aus den Gelenkparametern bzw. den Positions­ meßdaten der z. B. sechs Achsen des Roboters 49 die Trans­ formationsbeziehung zwischen dem Roboterbasiskoordinaten­ system 45 und dem bezüglich der knöchernen Struktur 17 festen Koordinatensystem 43 bestimmen. Auf der Basis dieser Transformationsbeziehung können die während der Operationsplanungsphase im bezüglich der knöchernen Struktur festen Koordinatensystem 43 festgelegten Be­ arbeitungsschritte (d. h. die während der Bearbeitungspro­ zedur zeitlich veränderliche Transformationsbeziehung zwischen Roboterendeffektor 47 bzw. Roboterhandstückkoor­ dinatensystem 44 und dem bezüglich der knöchernen Struk­ tur 17 festen Koordinatensystem 43) dann nach einer räum­ lichen Fixierung 46 (Haltearm, sonst. Fixateur-Extern) des Knochens im Roboterbasiskoordinatensystem 45 berech­ net werden. Hierfür wird die zeitlich veränderliche Transformationsbeziehung zwischen Roboterhandstückkoordi­ natensystem 44 und Roboterbasiskoordinatensystem 45 und damit die Bewegung des Endeffektors 47 (bzw. Handstückes 48) im Roboterbasiskoordinatensystem 45 berechnet. Die intraoperative Umsetzung der Bearbeitungsprozedur kann z. B. durch eine robotergestützte Positionierung von Werk­ zeugführungen, ein Markieren von Schnittebenen per Laser­ strahl oder auch eine automatische Bearbeitung mit robo­ tergeführten Endeffektoren wie Sägen/Bohrer/Fräser usw. erfolgen. Außerdem kann die Position des Bearbeitungs­ werkzeuges 47 relativ zur knöchernen Struktur 17 intra­ operativ im Bild des Modelles auf einem Rechnermonitor 57 dargestellt und vom Chirurgen visuell kontrolliert wer­ den.

Fig. 15a und 15b stellen schematisch das beschriebene Verfahren dar. Die Beschreibung der Geometrie des Be­ arbeitungswerkzeuges 47 im Koordinatensystem des Robo­ terhandstückes 44 muß bekannt und mit der der Operations­ planung zugrunde gelegten identisch sein. Gleiches gilt für die Transformationsbeziehung zwischen Roboterhand­ stück 48 bzw. 44 und Individualschablone 4 (u. a. defi­ niert durch die Anflanschpunkte 28). Der Roboter muß je­ weils unmittelbar vor der Operation neu kalibriert wer­ den. CAD-Module zur präoperativen Simulation und Off- Line-Programmierung diverser Roboter sind kommerziell verfügbar.

Fig. 16a bis 16e stellen das Verfahren schematisch am Beispiel einer Hüftgelenkindividualprothesen-Operation dar. Sie zeigt ferner weitere Ausführungsbeispiele für einzelne Funktionselemente wie z. B. Fixierung der Indi­ vidualschablone 4 am Knochen 17a über Verbindungselement 18, Referierung zwischen Knochenkoordinatensystem 43 und Roboterbasiskoordinatensystem 45 mit Hilfe einer mit Paß­ federnut versehenen Referenzbohrung 52, räumliche Fixie­ rung der knöchernen Struktur 17 über Anflanschpunkte 28 der Individualschablone 4a. Gemäß Fig. 16a wird die Indi­ vidualschablone 4a mit der Kontaktfläche 1a auf den Femurknochen 17a aufgesetzt und mittels zweier Drähte fixiert. Knochen 17a und Individualschablone 4a werden über Anflanschpunkte 28 mit Hilfe eines z. B. am Opera­ tionstisch angeklemmten Haltearmes (oder sonst. Fixateur- Externe) 46 räumlich fixiert. Der Roboter 49, dessen Handstück 48 hier z. B. mit einem paßfederbestückten Wel­ lenende definierter Geometrie trägt, erfaßt im Teach-In- Verfahren durch Einführen des Referierungskörpers (Wel­ lenende mit Paßfeder) in die Referierungsbohrung 52 der Individualschablone 4a die relative Lage der knöchernen Struktur 17a im Roboterbasiskoordinatensystem 45. An­ schließend werden gemäß Operationsplanung diverse Be­ arbeitungsschritte wie Osteotomien und Vorbereitung des Markraumes direkt (mit Bearbeitungswerkzeugen) oder in­ direkt (mit Laserpointer, Lehren, etc.) durch den Roboter unter ständiger Kontrolle des Chirurgen vorgenommen (hierzu gehören z. B. gemäß Fig. 16b die Positionierung einer einfachen Universalsägelehre gemäß den in der Operationsplanung festgelegten Schnittebenen 20 durch den Roboter 49 und gemäß Fig. 16c die Bearbeitung des Mark­ raumbereiches mit einem vom Roboter 49 gemäß Operations­ planung geführten Fräswerkzeuges 47). Auch die Vorberei­ tung der Hüftpfanne 51 kann auf ähnliche Weise erfolgen. Hierfür wird das Becken 17b von außen im Bereich der tastbaren Knochenpunkte nicht-invasiv möglichst starr eingespannt. Der Roboter 49 bestimmt mit einer im Bereich des Acetabulumrandes mit der Kontaktfläche 1b definiert aufsetzbaren Individualschablone 4b die räumliche Lage der knöchernen Struktur 17b im Roboterbasiskoordinaten­ system 45. Danach erfolgt die gemäß Operationsplanung definierte Bearbeitung mit Hilfe z. B. eines Fräswerkzeu­ ges. Hierdurch kann z. B. eine optimale Restknochendicke festgelegt und ein beabsichtigtes Durchstoßen des Pfan­ nenbodens vermieden werden. Fig. 16 stellt lediglich ein Beispiel einer Vielzahl von Anwendungen des Verfahrens im Bereich der Chirurgie knöcherner Strukturen dar.

Das Verfahren der Bearbeitung knöcherner Strukturen mit Hilfe "virtueller Individualschablonen":

Wird der "erlaubte" Bewegungsraum 50 für Bearbeitungs­ werkzeuge während der Operationsplanungsphase am CAD- System im bezüglich der knöchernen Struktur 17 festen Koordinatensystem 43 entsprechend fein strukturiert, definiert und programmiert, läßt sich jeweils ein Zufüh­ rungskorridor 55 und eine daran anschließende räumlich gemäß der Operationsplanung ausgerichtete und positio­ nierte "virtuelle" Werkzeugführung 56 aufgrund ent­ sprechender Bewegungsraumbegrenzungen definieren. Auf diese Weise kann eine reproduzierbare Bearbeitung des Knochens auch dadurch erreicht werden, daß das Bearbei­ tungswerkzeug (Säge, Bohrer, Fräser o. dgl.) intraoperativ am Handstück 48 eines passiven impedanzvariablen Manipu­ lators 49 fixiert ist, und vom Chirurgen manuell bewegt wird. Fig. 17 dient zur schematischen Veranschaulichung des Verfahrens. Bei der Annäherung an die zu bearbeitende knöcherne Struktur 17 innerhalb des Operationssitus wird hierbei der Chirurg durch definierte Impedanzvariationen des Manipulators (Impedanzerhöhung bei Bewegungen in Richtung der Zugangskorridorbegrenzung) geführt, bis un­ mittelbar vor dem Kontakt des Bearbeitungswerkzeuges mit der knöchernen Struktur 17 nur noch eine Bewegung entlang der gemäß Operationsplanung definierten virtuellen Werk­ zeugführung ("virtuelle Schablone") möglich ist. Die Impedanzvariationen können durch rechnergesteuerte Brems­ systeme oder Aktuatoren in den einzelnen Gelenken und Freiheitsgraden des Manipulators 49 bewirkt bzw. ge­ steuert werden. Für die kraft- und positionsgeregelte Anordnung ist eine 6D-Positions- und Kraft-Momenten-Meß­ wertaufnahme (z. B. in den einzelnen Gelenken oder über einen 6D-Kraft-Momenten-Sensor 53 im Handstück 48 des Manipulators 49) notwendig.

Verfahrensschritte während der Operationsplanung am CAD- System sind:

• - Definition der Individualschablone 4 mit Roboterhand­ stück 48 im bezüglich der knöchernen Struktur 17 festen Koordinatensystem 43; Fertigung der Individual­ schablone 4.
• - Definition, Berechnung und Abspeicherung der Bearbei­ tungsprozedur in Form eines erlaubten Bewegungsraumes 50 im bezüglich der knöchernen Struktur 17 festen Koordinatensystem 43.

Intraoperative Verfahrensschritte sind:

• - Fixierung 46 der knöchernen Struktur 17.
• - Bestimmung der räumlichen Lage der knöchernen Struktur 17 im Roboterbasiskoordinatensystem mit Hilfe der im Roboterhandstück 48 montierten Individualschablone 4 (gestrichelte Darstellung)
• - Transformation des in der Operationsplanungsphase im bezüglich der knöchernen Struktur 17 festen Koordi­ natensystem 43 definierten erlaubten Bewegungsraumes 50 in das Roboterbasiskoordinatensystem 45.
• - Bewegung des Roboterhandstückes 48 inkl. Bearbeitungs­ werkzeug 47 durch den Chirurgen; hierbei werden in Abhängigkeit von der Position der Kontrollpunkte 54 sowie von dem Chirurgen aufgebrachten Kräfte und Momente vom Manipulator Gegenkräfte und -momente er­ zeugt (Impedanzvariation); erreichen die Kontrollpunk­ te 54 die Bewegungsraumbegrenzungsflächen werden die vektoriellen Komponenten der aufgebrachten Kräfte und Momente, die zu einer Bewegung der Kontrollpunkte senkrecht zu der Bewegungsraumbegrenzungsflächen aus dem Bewegungsraum führen würden, durch vektoriell ent­ sprechende Gegenkräfte und -momente gleichen Betrages aufgehoben. Im erlaubten Bewegungsraum 50 und entlang seiner Begrenzungsflächen können die Kontrollpunkte 54 (bzw. der Endeffektor 47) frei bzw. auch servounter­ stützt (d. h. mit vektoriell negativen Gegenkräften und -momenten) bewegt werden. Außerdem kann auch die Posi­ tion des Bearbeitungswerkzeuges 47 relativ zur knöchernen Struktur 17 intraoperativ im Bild des Modelles auf einem Rechnermonitor 57 dargestellt und vom Chirurgen visuell kontrolliert werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Definition und Reproduktion der Lage­ beziehung eines Bearbeitungswerkzeuges oder einer Bearbeitungs- oder Meßvorrichtung relativ zu einer knöchernen Struktur für die orthopädische Chirurgie, bei dem

• - die knöchernen Struktur (17) rekonstruiert wird,
• - anhand der Rekonstruktion der knöchernen Struktur (17) Kontaktpunkte und/oder Kontaktflächen (1) als Anlagepunkte für eine mechanisch starre Schablone (4) zum Führen und Ausrichten des Be­ arbeitungswerkzeuges oder der Bearbeitungs- oder Meßvorrichtung festgelegt werden, wobei die Kon­ taktpunkte und/oder Kontaktflächen (1) derart gewählt werden, daß die Schablone (4) bei Anbrin­ gung an der knöchernen Struktur (17) in exakt einer räumlich eindeutig definierten Position formschlüssig an der knöchernen Struktur (17) an­ liegt,
• - die räumliche Lage des Bearbeitungswerkzeuges, der Berarbeitungs- oder Meßvorrichtung relativ zur knöchernen Struktur (17) festgelegt wird,
• - an bzw. in der Schablone (4) entsprechend der zuvor festgelegten Lage des Bearbeitungswerkzeu­ ges, der Berarbeitungs- oder Meßvorrichtung Be­ festigungsmittel zum Befestigen und/oder Führen des Bearbeitungswerkzeuges, der Bearbeitungs- oder Meßvorrichtung an der Schablone (4) vorge­ sehen werden,
• - die derart bezüglich ihrer Schnittstellen mit der knöchernen Struktur (17) einerseits und dem Be­ arbeitungswerkzeug, der Bearbeitungs- oder Meß­ vorrichtung andererseits definierte Schablone (4) hergestellt wird und
• - die mit dem Bearbeitungswerkzeug, der Bearbei­ tungs- oder Meßvorrichtung versehene Schablone (4) an der knöchernen Struktur (17) an den anhand der Rekonstruktion der knöchernen Struktur (17) festgelegten Kontaktpunkten und/oder Kontakt­ flächen (1) positioniert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekonstruktion anhand von Daten erfolgt, die durch nicht-invasive Aufnahme der Geometrie der knöchernen Struktur (17) gewonnen werden.

3. Schablone zur Ausrichtung, Positionierung und Füh­ rung von Bearbeitungswerkzeugen, Bearbeitungs- oder Meßvorrichtungen zur Bearbeitung einer knöchernen Struktur, mit

• - einem Schablonenkörper (6), der eine an ausge­ wählte Kontaktpunkte und/oder Kontaktflächen (1) der knöchernen Struktur (17) angepaßte Anlage­ punkte zur formschlüssigen Anlage an den Kontakt­ punkten und/oder Kontaktflächen (1) der knöcher­ nen Struktur (17) aufweist,
• - wobei der Schablonenkörper (6) die Oberfläche der knöchernen Struktur (17) insgesamt oder segment­ weise mindestens aber in drei intraoperativ ein­ deutig identifizierbaren Auflagepunkten derart nachbildet, daß der Schablonenkörper (6) die knöchernen Struktur (17) in ausschließlich exakt einer räumlich eindeutig definierten Position formschlüssig aufsetzbar ist, und
• - Befestigungsmitteln zur Befestigung des Bearbei­ tungswerkzeuges, der Bearbeitungs- oder Meßvor­ richtung an dem Schablonenkörper (6) derart, daß das Bearbeitungswerkzeug, die Bearbeitungs- oder Meßvorrichtung bei an den Kontaktpunkten und/oder Kontaktflächen der knöchernen Struktur (17) an­ liegenden Anlagepunkten des Schablonenkörpers (6) eine reproduzierbare definierte Ausrichtung zur knöchernen Struktur (17) aufweist.

4. Schablone nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schablonenkörper (6) Führungsmittel zur Be­ grenzung der Bewegung des Bearbeitungswerkzeuges, der Bearbeitungs- oder Meßvorrichtung zur Bearbei­ tung der knöchernen Struktur (17) aufweist.

5. Verwendung einer Vorrichtung zur nicht-invasiven schichtweisen Aufnahme von knöchernen Strukturen, insbesondere Computer- oder Kernspin-Tomographie­ vorrichtungen, zur Rekonstruktion einer knöchernen Struktur (17) zwecks Herstellung einer formschlüssig auf die knöchernen Struktur (17) auf setzbaren Schab­ lone (4) zur Anbringung und/oder Führung von Be­ arbeitungswerkzeugen, Bearbeitungs- oder Meßvorrich­ tungen für die Bearbeitung der knöchernen Struktur (17).

6. Verfahren zur Behandlung von knöchernen Struktur in der orthopädischen Chirurgie, bei dem

• - die knöchernen Struktur (17) rekonstruiert wird,
• - anhand der Rekonstruktion der knöchernen Struktur (17) Kontaktpunkte und/oder Kontaktflächen (1) als Anlagepunkte für eine Schablone (4) zum Füh­ ren und Ausrichten eines Bearbeitungswerkzeuges festgelegt werden, wobei die Kontaktpunkte und/ oder Kontaktflächen (1) derart gewählt werden, daß die Schablone (4) bei Anbringung an der knöchernen Struktur (17) in exakt einer räumlich eindeutig definierten Position formschlüssig an der knöchernen Struktur (17) anliegt,
• - die räumliche Lage des Bearbeitungswerkzeuges relativ zur knöchernen Struktur (17) entsprechend der Operationsplanung festgelegt wird,
• - an bzw. in der Schablone (4) entsprechend der zuvor in Abhängigkeit von der Operationsplanung festgelegten Lage des Bearbeitungswerkzeuges Be­ festigungsmittel zum Befestigen und/oder Führen des Bearbeitungswerkzeuges an der Schablone (4) entsprechend der Operationsplanung vorgesehen werden,
• - die derart bezüglich ihrer Schnittstellen mit der knöchernen Struktur (17) einerseits und dem Be­ arbeitungswerkzeug andererseits definierte Schab­ lone (4) hergestellt wird,
• - die mit dem Bearbeitungswerkzeug versehene Schab­ lone (4) an der knöchernen Struktur (17) an den anhand der Rekonstruktion der knöchernen Struktur (17) festgelegten Kontaktpunkten und/oder Kon­ taktflächen (1) positioniert wird und
• - die knöcherne Struktur (17) durch Führen des Be­ arbeitungswerkzeuges an der Schablone (4) be­ arbeitet wird.

7. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, zur Identifizierung, Lageerkennung und Be­ arbeitung knöcherner Strukturen in der orthopä­ dischen Chirurgie.

8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 oder 2, zur Identifizierung und Lageerkennung knöcherner Strukturen mit Hilfe einer Bearbeitungs­ vorrichtung, insbesondere eines rechnergestützten Manipulators, Roboters o. dgl.