DE60312210T2

DE60312210T2 - Verfahren zur bestimmung der gelenkdrehmittelpunkte

Info

Publication number: DE60312210T2
Application number: DE60312210T
Authority: DE
Inventors: Francois Leitner
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2002-12-03
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2023-12-02
Also published as: US20060282023A1; AU2003292163A1; DE60312210D1; ES2282684T3; JP2006508719A; US7209776B2; EP1569554A1; JP4331113B2; ATE355012T1; WO2004049941A1; EP1569554B1; US20040106861A1; US7780677B2

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die präoperative Bestimmung der Position des Gelenkpunktes eines Gelenks, insbesondere eines Kniegelenks.
Hintergrund der Erfindung
Erfolgreiche orthopädische Chirurgie, z.B. der Ersatz von Hüft- und Kniegelenken durch Endoprothesen, die Korrektur von Kniedeformitäten wie Genu valgum (X-Bein) und Genu varum (O-Bein) durch Osteotomie, verlangt präzise Kenntnis der Position des Gelenkpunktes des Gelenks, an dem operiert wird. Der Gelenkpunkt repräsentiert ein imaginäres Gelenkzentrum, um welches die an dem Gelenk verbundenen Knochen rotieren. Mehr Präzision in der Kenntnis des Gelenkpunktes eines Gelenks resultiert in länger haltbaren Ersatzgelenken und effektiverer Korrektur von Deformitäten.
Zur Verbesserung der orthopädischen Chirurgie sind Navigationssysteme entwickelt worden, wie z.B. in der US-Patentschrift Nr. 6 385 475 (Cinquin et al.) offenbart, die hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird. Derartige Systeme verwenden Marker, die an Knochen auf einander gegenüberliegenden Seiten des Gelenks, welches die Knochen verbindet, angebracht werden. Die Marker sind durch ein stereoskopisches Kamerasystem beobachtbar, welches mit einem Datenverarbeitungssystem, z.B. einem Com puter, verbunden ist, das die Positionen der Marker im Raum aufzeichnen und mittels Software die kinematische Bewegung der Knochen sowie andere mathematische Parameter und Beziehungen berechnen kann. Die an den Knochen angebrachten Marker etablieren ein Koordinatenreferenzsystem relativ zu jedem Knochen. Weitere mittels Kamera beobachtbare Marker sind frei beweglich und können verwendet werden, um spezifische Landmarken an den Knochen zu palpieren (abzutasten), um die Position der Landmarken in den Koordinatenreferenzsystemen der Knochen zu bestimmen. Die Datenverarbeitungssystemsoftware verwendet die Positionen derartiger Landmarken zusammen mit der Relativbewegung der an dem interessierenden Gelenk verbundenen Knochen zur Berechnung der geometrischen und kinematischen Beziehungen, die benötigt werden, um die orthopädische Chirurgie zu führen. Zu diesen Parametern zählen Gelenkpunkte oder Gelenkzentren.
Derzeitige Methoden zum Bestimmen der Position von Gelenkpunkten, z.B. des Kniezentrums, verlangen ein chirurgisches Öffnen des Kniegelenks, um Zugang zu dem anatomischen Zentrum des Knies (ein Landmarkenpunkt am Femur) bereitzustellen, so dass dieser Punkt durch einen beweglichen Marker palpiert werden kann, um seine präzise Lokalisation im Raum relativ zu dem Femur-Koordinatenreferenzsystem, definiert durch den an dem Femur angebrachten Marker, zu etablieren. Mittels der Lokalisation des anatomischen Kniezentrums in Verbindung mit den Positionen anderer Landmarken (z.B. der medialen und der lateralen Epikondyle, ebenfalls durch Palpation bestimmt) sowie Bewegung der Tibia relativ zu dem Femur, kann die Datenverarbeitungssystemsoftware eine relativ genaue Position des Kniezentrums in dem Femur- und Tibiakoordinatensystem berechnen. Die Position des Kniezentrums wird dann verwendet, um weitere Informationen bereitzustellen, welche die Platzierung der Endoprothese lenken oder den Knochenschnitt bei einer Osteotomie führen.
Methoden, welche das chirurgische Öffnen des Kniegelenks beinhalten, um die Position des Kniezentrums zu bestimmen, sind akzeptabel, wenn die beabsichtigte Operation ebenfalls Zugang zu dem Kniegelenk verlangt, wie dies z.B. während einer totalen Kniearthroplastik (Knieersatz) der Fall ist. Für weniger invasive Prozeduren aber, z.B. für das reine Sammeln von Informationen für präoperative Diagnosezwecke oder für eine Osteotomie zur Korrektur einer Kniedeformität, die kein chirurgisches Öffnen des Knies verlangen, ist es nicht vorteilhaft, das Knie zu öffnen, nur um das anatomische Zentrum zu palpieren, um die Lokalisation des Kniezentrums zu bestimmen. Es ist klar, dass Bedarf nach einer nicht-invasiven Methode zum Bestimmen der Position des Kniezentrums sowie der Gelenkpunkte anderer Gelenke besteht.
Die Patentveröffentlichung DE 196 32 273 A beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Gelenkpunktes eines zentralen Gelenks zwischen zwei im Wesentlichen starren Körpern, wobei das zentrale Gelenk lokalisiert ist zwischen einem ersten und einem zweiten äußeren Gelenk, welche am Ende des ersten bzw. des zweiten starren Körpers distal zu dem zentralen Gelenk lokalisiert sind, wobei das Verfahren die Schritte umfasst:
Identifizieren der Position eines ersten Punktes an dem ersten starren Körper, der im Wesentlichen an dem zentralen Gelenk lokalisiert ist;
Bestimmen der Position eines ersten Gelenkpunktes des ersten starren Körpers an dem ersten äußeren Gelenk;
Definieren einer ersten Achse zwischen dem ersten Gelenkpunkt und dem ersten Punkt;
Bestimmen der Position eines zweiten Gelenkpunktes des zweiten starren Körpers an dem zweiten äußeren Gelenk.
Zusammenfassung und Aufgaben der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Gelenkpunktes eines zentralen Gelenks zwischen zwei im Wesentlichen starren Körpern, wobei das zentrale Gelenk lokalisiert ist zwischen einem ersten und einem zweiten äußeren Gelenk, welche am Ende des ersten bzw. des zweiten starren Körpers distal zu dem zentralen Gelenk lokalisiert sind. Die Schritte des Verfahrens umfassen das Identifizieren der Position eines ersten Punktes an dem ersten starren Körper, der im Wesentlichen an dem zentralen Gelenk lokalisiert ist. Als nächstes wird die Position eines ersten Gelenkpunktes des ersten starren Körpers an dem ersten äußeren Gelenk bestimmt. Eine erste Achse zwischen dem ersten Gelenkpunkt und dem ersten Punkt, die zuvor bestimmt wurden, wird definiert. Sodann werden die respektiven Positionen eines zweiten und eines dritten Punktes an dem ersten starren Körper auf einander gegenüberliegenden Seiten des zentralen Gelenks identifiziert. Eine Ebene, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Achse und mit im Wesentlichen gleichen respektiven rechtwinkligen Distanzen zu dem zweiten und dem dritten Punkt angeordnet ist, wird definiert. Der Schnittpunkt der Ebene und der ersten Achse wird als eine initiale Schätzung des Gelenkpunktes des zentralen Gelenks verwendet. Als nächstes wird die Position eines zweiten Gelenkpunktes des zweiten starren Körpers an dem zweiten äußeren Gelenk bestimmt. Es wird eine Region in der Ebene mit einer vorgegebenen Größe identifiziert, wobei die Region die initiale Schätzung des Gelenkpunktes des zentralen Gelenks sowie andere Punkte umfasst. Sodann wird der zweite Gelenkpunkt relativ zu dem ersten starren Körper bewegt durch Rotieren des zweiten starren Körpers um das zentrale Gelenk. Eine Vielzahl von verschiedenen Positionen des zweiten Gelenkpunktes werden während der Rotation des zweiten starren Körpers identifiziert. Es wird ein Punkt aus einer Vielzahl von Punkten innerhalb der Region identifiziert, für den die Position im Wesentlichen invariant für jede der Positionen des zweiten Gelenkpunktes ist, wobei der eine Punkt der Gelenkpunkt des zentralen Gelenks ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist speziell anwendbar auf das Bestimmen der Position des Gelenkpunktes des Kniegelenks (des Kniezentrums) zwischen Femur und Tibia. Wichtige Landmarken an dem Kniegelenk zum Bestimmen der Position des Gelenkpunktes umfassen die Patella (Kniescheibe) und die mediale und laterale Epikondyle (die Eminentiae des Femurs oberhalb des Kniegelenks). Das Verfahren zum Bestimmen der Position des Kniegelenkpunktes gemäß der Erfindung umfasst das Identifizieren der Position der Patella und das Bestimmen der Position des Gelenkpunktes des Femurs an dem Hüftgelenk. Diese Information wird dann verwendet zum Definieren einer femoralen Achse, welche sich zwischen dem Femurgelenkpunkt und der Patella erstreckt. Als nächstes werden die Positionen der medialen und der lateralen Epikondyle identifiziert. Es wird eine Ebene definiert, die im Wesentlichen senkrecht zu der femoralen Achse und mit im Wesentlichen gleichen respekti ven rechtwinkligen Distanzen zu den Positionen der medialen und der lateralen Epikondyle angeordnet ist. Der Schnittpunkt der Ebene und der femoralen Achse ist die initiale Schätzung des Gelenkpunktes des Kniegelenks.
Auf diese Schritte folgt das Definieren einer Region in der Ebene mit einer vorgegebenen Größe. Die Region umfasst die initiale Schätzung der Position des Gelenkpunktes des Kniegelenks und ist vorzugsweise ein Kreis, der an diesem Punkt zentriert ist. Sodann wird die Position eines Gelenkpunktes der Tibia an dem Knöchelgelenk definiert und dieser Punkt relativ zu dem Femur bewegt durch Rotieren der Tibia um das Kniegelenk, während multiple Positionen des Tibiagelenkpunktes während der Rotation aufgezeichnet werden. Der eine Punkt innerhalb der zuvor erwähnten, den Kniegelenkpunkt enthaltenden Region, dessen Position im Wesentlichen invariant für jede der Positionen des Tibiagelenkpunktes ist, wird als der Kniegelenkpunkt identifiziert.
Vorzugsweise ist der im Wesentlichen invariante Punkt definiert durch einen Punkt innerhalb der Region mit der kleinsten Standardabweichung der Distanz zwischen diesem Punkt und dem Tibiagelenkpunkt für alle die aufgezeichneten Positionen des Tibiagelenkpunktes.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Bestimmens der Position des Femurgelenkpunktes die Schritte: Bewegen der Patella durch Rotieren des Femurs um das Hüftgelenk, Identifizieren einer Mehrzahl von Positionen der Patella während der Bewegung der Patella um das Hüftgelenk und dann mathematisches Bestimmen eines gemeinsamen Punktes an dem Hüftgelenk mit im Wesentlichen der gleichen Distanz zu allen den Positionen der Patella. Der gemeinsame Punkt ist der Femurgelenkpunkt.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Bestimmens der Position des Tibiagelenkpunktes an dem Knöchel die Schritte: Identifizieren der respektiven Positionen eines medialen und eines lateralen Malleolus (Protuberantiae) auf einander gegenüberliegenden Seiten des Knöchelgelenks und der Position eines anterioren Punktes des Knöchels, lokalisiert in der Sagittalebene der Tibia. Mit dieser Positionsinformation wird eine erste Linie zwischen dem medialen und dem lateralen Malleolus definiert und eine zweite Linie von dem anterioren Punkt projiziert, um die erste Linie an einem Schnittpunkt senk recht zu schneiden. Der Tibiagelenkpunkt wird als der Schnittpunkt dieser beiden Linien bestimmt.
Eine Aufgabe der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Bestimmen des Gelenkpunktes oder Zentrums eines Gelenks.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines nicht-invasiven Verfahrens zum Bestimmen des Gelenkpunktes eines Gelenks.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Bestimmen des Gelenkpunktes eines Gelenks, bei dem chirurgisches Öffnen des Gelenks nicht erforderlich ist.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Bestimmen des Gelenkpunktes eines Gelenks basierend auf der Kinematik des Gelenks und Landmarken, deren Lokalisation durch Palpationstechniken identifiziert werden kann.
Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens zum Bestimmen des Gelenkpunktes eines Gelenks zum Bereitstellen von Information zum Durchführen einer Osteotomie betreffend das Gelenk.
Diese und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der zeichnerischen Darstellung und der Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 ist eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung eines Gelenkpunktes eines Gelenks verwendet wird;
2 ist ein schematisches Diagramm, welches verschiedene Landmarken, Knochen und mathematische Konstrukte zeigt, die für das Bestimmen des Kniegelenkpunktes nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wichtig sind; und
3-7 sind Ansichten eines Beins, welche die Skelettstruktur zeigen und verschiedene Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens illustrieren.
Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 illustriert einen Typ von Navigationsvorrichtung 10 für die orthopädische Chirurgie, welche für die Durchführung der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Position des Kniegelenkpunktes bevorzugt zur Verwendung kommt; es versteht sich jedoch, dass das Verfahren nicht auf eine besondere Vorrichtung oder ein besonderes Gelenk begrenzt ist.
Die Navigationsvorrichtung 10 umfasst ein stereoskopisches Sensorsystem 12 mit Sensoren, wie Kameras 14 und 16, welche so voneinander getrennt sind, dass sie Marker 18 und 20 von verschiedenen Lokalisationen sehen können, wodurch die Positionen der Marker im Raum mittels Techniken wie Triangulation basierend auf dem Vergleich der Ankunftszeiten von Signalen von den Markern an den verschiedenen Kameras abgeleitet werden können. Die Kameras 14 und 16 sind infrarotstrahlungsempfindlich, so dass sie in sichtbarem Umgebungslicht verwendet werden können.
Die Kameras 14 und 16 erzeugen Signale, welche die detektierten Positionen von Markern 18 und 20 beschreiben, wobei die Signale einem Datenverarbeitungssystem 22 zugeführt werden, welches vorzugsweise einen Mikroprozessor mit residenter Software umfasst. Die Software ist so geschrieben, dass sie die Kamerasignale verstehen und die Positionen der Marker identifizieren kann, die dann gespeichert und nach Bedarf mathematisch manipuliert werden können, um weitere Informationen zu berechnen oder abzuleiten. Informationen von der Software werden einem Nutzer des Systems mittels eines Computermonitors 24 mitgeteilt, und der Nutzer kommuniziert mit der Software mittels einer Tastatur 26 und Fußpedalen 27.
Marker 18 und 20 sind an dem Bein 28 eines Patienten auf jeder Seite des Kniegelenks 30, dessen Gelenkpunkt bestimmt werden soll, anbringbar. Ein Marker, 18, wird an dem oberen Beinbereich 32, der das Femur 34 umfasst, angebracht, und der andere Marker, 20, wird an dem unteren Beinbereich 36, der die Tibia 38 umfasst, angebracht. Die Marker werden vorzugsweise mittels entsprechender Gurte 40 angebracht, welche verhindern, dass die jeweiligen Marker, einmal angebracht, in ihrer Position an dem Bein verschoben werden. Gurte 40 erlauben das Anbringen der Marker ohne die Verwendung von invasi ver Chirurgie, um so eine der Aufgaben der Erfindung zu erfüllen. Die Marker können auch mittels Knochenschrauben direkt an Femur und Tibia angebracht werden, falls der Knochen chirurgisch freigelegt wird. Es ist wichtig, dass die Marker sicher an den Beinbereichen angebracht werden, so dass sie stets die wahre Lokalisation der Beinbereiche anzeigen und nicht eine Verschiebung in der Markerlokalisation relativ zu dem Bein. Dies gewährleistet, dass die Berechnungen basierend auf den Lokalisationen der Marker bedeutungsvoll sind bezüglich der tatsächlichen Beinlokalisationen.
Ein beweglicher Marker 42 ist nicht an irgendeinem Teil des Beins befestigt, sondern an jedem Punkt entlang dem Bein veränderlich positionierbar. Der Marker 42 ist an einem Pointer 44 angebracht, der eine Spitze 46 aufweist. Die Position der Spitze 46 relativ zu dem Marker 42 ist der Software bekannt, so dass das Positionieren der Spitze 46 an einer Landmarke an dem Bein 28 (bekannt als "Palpieren" der Landmarke) der Software ein präzises Identifizieren der Position der Landmarke relativ zu der Position der festen Marker 18 und 20 erlaubt. Eine derartige Relativpositionsinformation ist geeignet zum Berechnen von Parametern, die zum Bestimmen der Position des Kniegelenkpunktes benötigt werden, wie nachfolgend beschrieben.
Die Marker 18, 20 und 42 emittieren Infrarotstrahlung, die für die Kameras 14 und 16 sichtbar ist und es ihnen erlaubt, die Relativpositionen und -bewegungen der Körper, an denen die Marker 18 und 20 angebracht sind oder die der Marker 42 palpiert, zu sehen und zu verfolgen (Tracking). Die Marker können aktive Emitter aufweisen, die ihre eigene Infrarotstrahlung erzeugen, oder passive Emitter, welche Infrarotstrahlung von einer Infrarotstrahlungsquelle, die mit der Navigationsvorrichtung 10 assoziiert ist, reflektieren.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Lokalisationen der Marker 18 und 20 gegenüber der Software des Datenverarbeitungssystems 22 durch das Sensorsystem 12 identifiziert. Wie in 3 gezeigt, etablieren die Markerlokalisationen Referenzrahmen 48 und 50 an Femur 34 bzw. Tibia 38. Die Lokalisationen von Landmarken an dem Bein 28 sowie die Relativbewegung der Landmarken und die Relativbewegung von Femur und Tibia können innerhalb der Referenzrahmen identifiziert werden.
Verfahrensbeschreibung
Ein Verfahren zum Bestimmen der Position des Gelenkpunktes des Kniegelenks (auch "Kniezentrum" genannt) ist im Folgenden beschrieben. Das Verfahren ist nicht auf das Kniegelenk begrenzt, sondern kann auf jedes Gelenk, welches zwei starre Körper verbindet, Anwendung finden.
Es wird nun auf 1 Bezug genommen, gemäß welcher das erfindungsgemäße Verfahren zunächst verlangt, dass ein Marker 18 an dem oberen Beinbereich 32, der das Femur 34 umfasst, angebracht wird. Ein Marker 20 wird an dem unteren Beinbereich 36, der die Tibia 38 umfasst, angebracht. Einmal sicher mittels Gurten 40 befestigt, werden die Marker 18 und 20 von Kameras 14 und 16 gesehen und gegenüber der Software des Datenverarbeitungssystems 22 als an Femur bzw. Tibia angebracht definiert. Für die illustrierten aktiv emittierenden Marker kontrolliert die Software die Infrarotemissionen von jedem Marker via Kommunikationskabel 18a, 20a und 42a, die den einzelnen Markern zugeordnet sind. Somit kann die Software zwischen den Markern unterscheiden, indem sie diese, einen nach dem anderen, einschaltet. Es ist bevorzugt, einen Marker, z.B. 18, dafür zu dedizieren, stets an dem oberen Beinbereich 32 platziert zu werden, einen anderen Marker, 20, dafür zu dedizieren, stets an dem unteren Beinbereich 36 platziert zu werden, und den dritten Marker, 42, dafür zu dedizieren, der bewegliche Marker zu sein. Diese Markerzuordnung wird in die Software einprogrammiert, und wenn die Marker für die Kameras 14 und 16 sichtbar sind, weiß die Software, welcher Marker sich an welchem Beinbereich befindet. Fußpedale 27 können verwendet werden zur interaktiven Kommunikation als Antwort auf die Software, um anzuzeigen, dass die Marker an Ort und Stelle sind. Mit den Markern 18 und 20 in der in 1 gezeigten Position wird das Fußpedal 27 gedrückt als Antwort auf einen auf dem Monitor 24 angezeigten Aufforderungsbefehl der Software, um anzuzeigen, dass die Marker in Position und bereit sind. Die Software aktiviert dann die Marker 18 und 20, welche Infrarotsignale emittieren, die von den Kameras 14 und 16 gelesen werden. Die Kameras identifizieren die Markerlokalisationen im Raum und übermitteln die Information an die Software, die ihre Lokalisation aufzeichnet und auf mathematischem Wege Koordina tenreferenzrahmen 48 und 50 für Femur und Tibia etabliert, wie in 3 gezeigt.
Als nächstes, wie in 3 gezeigt, wird die Position der Patella 52 (Kniescheibe) identifiziert durch Palpieren (Abtasten) der Patella mit der Spitze 46 des Pointers 44. Während der Palpation wird der an dem Pointer 44 angebrachte bewegliche Marker 42 von den Kameras 14 und 16 gesehen, und die Position der Patella 52 wird gegenüber der Software identifiziert und damit bekannt relativ zu sowohl dem Femur- als auch dem Tibiareferenzrahmen 48 und 50. Der Marker 42 kann gegenüber der Software interaktiv identifiziert werden, indem der Pointer 44 stationär, mit seiner Spitze 46 an der Patella 52 und dem Marker 42 für die Kameras 14 und 16 sichtbar gehalten und dann das Fußpedal 27 gedrückt wird als Antwort auf einen Aufforderungsbefehl, der zur Eingabe der Patella-Lokalisation auffordert, wobei der Befehl auf dem Monitor 24 sichtbar ist. Mittels der Kommunikationskabel 18a, 20a und 42a aktiviert die Software die Marker 18, 20 und 42 in Folge, wobei deren Infrarotemissionen von den Kameras 14 und 16 gesehen werden und die Software in der Lage ist, zwischen den drei Marker zu unterscheiden und ihre relativen Lokalisationen zu identifizieren und aufzuzeichnen nach Empfang der Information von den Kameras.
Mit Kenntnis der Position der Patella 52 in dem Femurreferenzrahmen 48 kann der Femurgelenkpunkt 54 bestimmt werden durch Bewegen des Femurs 34 um das Hüftgelenk 56, wie mit unterbrochenen Linien in 4 illustriert, als Antwort auf einen Aufforderungsbefehl auf dem Monitor 24. Die Kameras 14 und 16 beobachten die Bewegung des Markers 18 und signalisieren der Software eine Anzahl von diskreten Positionen des Markers. Die Software berechnet die Positionen der Patella 52 aus den Positionen des Markers 18, die von den Kameras während der Femurbewegung beobachtet werden. Weil insbesondere die Patella 52 sich an dem Ende eines starren Körpers (des Femurs 34) befindet, dessen gegenüberliegendes Ende in seiner Bewegung durch ein Kugelgelenk (das Hüftgelenk 56) eingeschränkt ("constrained") wird, weiß die Software, dass die Positionen, welche die Patella einnehmen kann, alle auf einer Sphäre liegen, die an dem Gelenkpunkt des Hüftgelenks zentriert ist. Somit kann die Software aus den beobachteten und gegenüber der Soft ware während der Bewegung des Femurs identifizierten Markerpositionen und den bekannten räumlichen Beziehungen der palpierten Patella 52 relativ zu dem femoralen Marker 18 den Femurgelenkpunkt 54 in dem Femurreferenzrahmen 48 berechnen, wobei der Gelenkpunkt 54 ein gemeinsamer Punkt an dem Hüftgelenk ist, der im Wesentlichen die gleiche Distanz zu allen den Positionen der Patella 52 aufweist.
Mit Kenntnis der Position des Femurgelenkpunkt 54 kann die femorale Achse 58 definiert werden. Wie schematisch in 2 gezeigt, ist die femorale Achse 58 eine imaginäre Linie, die sich zwischen dem Femurgelenkpunkt 54 (d.h. dem Zentrum des Hüftgelenks) und der Position der Patella 52 erstreckt und durch die Software mathematisch definiert wird. Die femorale Achse 58 fällt nicht unbedingt mit dem Femur 34 zusammen und wird in Verbindung mit den Positionen der medialen und der lateralen Epikondyle 60 bzw. 62 verwendet, um eine initiale Schätzung des Kniegelenkpunktes zu bestimmen, wie nachfolgend beschrieben. Die Epikondylen sind Eminentiae, welche zu beiden Seiten des Femurs 34 oberhalb des Kniegelenks 30 vorragen.
Wie in 5 gezeigt, werden die Positionen der medialen und der lateralen Epikondyle 60 bzw. 62 identifiziert durch jeweiliges Palpieren derselben mit der Spitze 46 des Pointers 44 und Beobachten des beweglichen Markers 42 durch die Kameras 14 und 16. Beim Palpieren jeder Epikondyle wird ihre respektive Position gegenüber der Software identifiziert, wieder vorteilhaft durch Antworten auf interaktive Aufforderungen auf dem Monitor 24, wobei der Nutzer als Antwort auf einen Befehl den Pointer 44 geeignet positioniert und das Pedal 27 drückt. Als nächstes, wie in 2 gezeigt, definiert die Software auf mathematischem Wege eine Ebene 64 senkrecht zu der femorale Achse 58. Die Ebene 64 ist entlang der femorale Achse lokalisiert, wobei die Ebene mit im Wesentlichen gleichen respektiven rechtwinkligen Distanzen 66 und 68 zu den Positionen der medialen und der lateralen Epikondyle 60 und 62 angeordnet ist. Der Schnittpunkt 70 zwischen der Ebene 64 und der femoralen Achse 58 ist die initiale Schätzung des Kniegelenkpunktes. Sobald der initiale Schätzpunkt 70 etabliert ist, wird eine Region 72 in der Ebene 64 definiert, welche den Schätzpunkt umfasst. Vorzugsweise ist die Region 72 ein Kreis von 1 cm Durchmesser, der an dem initialen Schätzpunkt 70 zentriert ist. Die Re gion 72 enthält Kandidatpunkte für den Kniegelenkpunkt, von denen einer mathematisch ausgewählt wird, vorzugsweise mittels statistischer Methoden wie im Folgenden beschrieben.
Als nächstes, wie in den 2 und 6 gezeigt, wird die Position des Gelenkpunktes 74 der Tibia an dem Knöchelgelenk 76 mit Bezug auf den festen Marker 20 bestimmt, vorzugsweise mittels der Positionen des medialen und des lateralen Malleolus 78 und 80. Die Malleoli sind die Protuberantiae zu beiden Seiten des Knöchelgelenks. Die respektiven Positionen des medialen und des lateralen Malleolus 78 und 80 werden identifiziert durch Palpieren derselben mit der Spitze 46 des mit dem beweglichen Marker 42 verbundenen Pointers 44 nach Aufforderung durch die Software. Während der respektiven Palpation wird der Marker 42 von den Kameras 14 und 16 beobachtet, und der Software wird die respektive Positionsinformation der Malleoli signalisiert. Es kann eine Betätigung des Fußpedals 27 verwendet werden zum Bewirken einer Datenerfassung wie bei den vorherigen Palpationen. Als nächstes wird die Position eines anterioren Punktes 82 des Knöchelgelenks 76 identifiziert durch Palpieren der anterioren Region des Knöchels in der Sagittalebene der Tibia 38. Mit Kenntnis der Positionen der Malleoli 78 und 80 definiert die Software auf mathematischem Wege eine imaginäre Linie 84 (siehe 2) zwischen dem medialen und dem lateralen Malleolus 78 und 80. Mit Kenntnis des anterioren Punktes 82 projiziert die Software dann auf mathematischem Wege eine weitere Linie 86 von dem anterioren Punkt 82, welche die Linie 84 im Wesentlichen senkrecht schneidet. Der Punkt 74, wo sich die Linien 84 und 86 schneiden, ist als der Tibiagelenkpunkt definiert.
Wie in 7 gezeigt wird als nächstes die Tibia 38 in einem spezifizierten Bewegungsumfang um das Kniegelenk 30 gedreht. Vorzugsweise wird die Tibia 38 anfänglich in einem im Wesentlichen rechten Winkel zu dem Femur 34 platziert und dann in Flexion (weg von dem Femur), wie mit unterbrochenen Linien gezeigt, um einen Winkel zwischen ca. 10° und ca. 90°, vorzugsweise jedoch zwischen ca. 10° und ca. 40°, gedreht. Die Bewegung der Tibia bewegt den Tibiagelenkpunkt 74 entlang einer Trajektorie 88 relativ zu dem Kniegelenk 30, wobei die Bewegung eingeschränkt ("constrained") wird durch die Natur des Kniegelenks, welches als ein Scharniergelenk für eine Winkelbewe gung zwischen ca. 10° und ca. 40° angenähert werden kann, und die Tatsache, dass sich der Gelenkpunkt an dem Ende eines starren Körpers (der Tibia 38) befindet, welcher um das Scharniergelenk (das Knie 30) bewegbar ist. Die Kameras 14 und 16 beobachten die Bewegung des Markers 20 an der Tibia 38 relativ zu dem Marker 18 an dem Femur 34 und signalisieren der Software die Positionen einer Vielzahl von Punkten des Markers 20. Die Software kennt die Position des Tibiagelenkpunktes 74 in dem Tibiareferenzrahmen 50 (d.h. relativ zu dem Marker 20) für alle Bewegungen der Tibia. Mit dieser Information kann die Software die korrespondierende Bewegung des Gelenkpunktes 74 relativ zu den Punkten innerhalb der Region 72 (fixiert in dem Femurreferenzrahmen 48 wie in 2 gezeigt) entlang der Trajektorie 88 definiert durch die Einschränkungen ("Constraints") eines um ein Scharniergelenk (das Kniegelenk 30) rotierenden starren Körpers (der Tibia 38) relativ zu einem anderen starren Körper (dem Femur 34) berechnen. Die Software verwendet dann die Positionsinformation des Tibiagelenkpunktes 74 während seiner Bewegung entlang der Trajektorie 88, um unter den Punkten in der Region 72 (siehe 2) einen Punkt auszuwählen, der die beste Schätzung der Position des Kniegelenkpunktes 90 basierend auf einem besonderen Satz von Kriterien repräsentiert.
Vorzugsweise wird der Punkt innerhalb der Region 72, dessen Position im Wesentlichen invariant ist für eine Vielzahl von Positionen des Tibiagelenkpunktes 74 entlang seiner Trajektorie 88 um das Kniegelenk 30 als das Kniezentrum oder der Kniegelenkpunkt 90 selektiert. Beispielsweise kann der Punkt in der Region 72, der die kleinste Standardabweichung der Distanz zu dem Tibiagelenkpunkt 74 für eine Vielzahl von Positionen des Tibiagelenkpunktes 74 entlang der Trajektorie 88 aufweist, als der Kniegelenkpunkt oder das Kniezentrum 90 selektiert werden. Die Genauigkeit, mit der die Position des Kniegelenkpunktes 90 bestimmt wird, ist proportional sowohl zu der Anzahl von Positionen des Tibiagelenkpunktes 74, die entlang der Trajektorie 88 gemessen werden, und der Anzahl von Punkten in der Region 72, mit denen jeder dieser Punkte verglichen wird. Generell gilt, dass je mehr Punkte verwendet werden, umso größer die Genauigkeit der Antwort. Natürliche physikalische Grenzen hinsichtlich der Fähigkeit der Kameras, kleine Differenzen in der Posi tion genau zu messen, sowie die Akkumulation von numerischen Fehlern innerhalb der von der Software verwendeten mathematischen Algorithmen begrenzen natürlich die Genauigkeit der Antwort.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen des Gelenkpunktes eines Gelenks stellt ein schnelles Verfahren bereit zum Gewinnen von genauen präoperativen Informationen bezüglich der Position eines Gelenkzentrums ohne eines chirurgischen Eingriffs zu bedürfen und erlaubt somit dem Chirurgen die Vermeidung eines unnötigen Traumas bei einem Patienten.

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Position eines Gelenkpunktes (90) eines zentralen Gelenks (30) zwischen zwei im Wesentlichen starren Körpern (34, 38), wobei das zentrale Gelenk lokalisiert ist zwischen einem ersten und einem zweiten äußeren Gelenk (56, 76), welche am Ende des ersten bzw. des zweiten starren Körpers (34, 38) distal zu dem zentralen Gelenk lokalisiert sind, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Identifizieren der Position eines ersten Punktes (52) an dem ersten starren Körper (34), der im Wesentlichen an dem zentralen Gelenk lokalisiert ist; Bestimmen der Position eines ersten Gelenkpunktes (54) des ersten starren Körpers an dem ersten äußeren Gelenk (56); Definieren einer ersten Achse (58) zwischen dem ersten Gelenkpunkt (54) und dem ersten Punkt (52); Identifizieren der respektiven Positionen eines zweiten und eines dritten Punktes (60, 62) an dem ersten starren Körper auf einander gegenüberliegenden Seiten des zentralen Gelenks; Definieren einer Ebene (64), die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Achse (58) und mit im Wesentlichen gleichen respektiven rechtwinkligen Distanzen zu dem zweiten und dem dritten Punkt (60, 62) angeordnet ist, wobei der Schnittpunkt (70) der Ebene (64) und der ersten Achse (58) eine initiale Schätzung des Gelenkpunktes (90) des zentralen Gelenks (30) ist; Bestimmen der Position eines zweiten Gelenkpunktes (74) des zweiten starren Körpers (38) an dem zweiten äußeren Gelenk (76); Definieren einer Region (72) in der Ebene (64) mit einer vorgegebenen Größe, wobei die Region die initiale Schätzung (70) des Gelenkpunktes (90) des zentralen Gelenks (30) umfasst; Bewegen des zweiten Gelenkpunktes (74) relativ zu dem ersten starren Körper (34) durch Rotieren des zweiten starren Körpers (38) um das zentrale Gelenk (30); Identifizieren einer Vielzahl von verschiedenen Positionen des zweiten Gelenkpunktes (74) während der Rotation des zweiten starren Körpers (38); und Bestimmen eines Punktes aus einer Vielzahl von Punkten innerhalb der Region (72), für den die Position im Wesentlichen invariant für jede der Positionen des zweiten Gelenkpunktes (74) ist, wobei der eine Punkt der Gelenkpunkt (90) des zentralen Gelenks (30) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bestimmens der Position eines ersten Gelenkpunktes (54) die Schritte umfasst: Bewegen des ersten Punktes (52) durch Rotieren des ersten starren Körpers (34) um das erste äußere Gelenk (56); Identifizieren einer Mehrzahl von Positionen des ersten Punktes (52) während der Bewegung des ersten Punktes um das erste äußere Gelenk; und mathematisches Bestimmen eines gemeinsamen Punktes an dem ersten äußeren Gelenk (56) mit im Wesentlichen der gleichen Distanz zu allen den Positionen des ersten Punktes, wobei der gemeinsame Punkt der erste Gelenkpunkt (54) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bestimmens der Position des zweiten Gelenkpunktes (74) die Schritte umfasst: Identifizieren der respektiven Positionen eines vierten und eines fünften Punktes (78, 80) auf einander gegenüberliegenden Seiten des zweiten äußeren Gelenks (76); Definieren einer ersten Linie (84) zwischen dem vierten und dem fünften Punkt; Identifizieren der Position eines sechsten Punktes, lokalisiert in einer Ebene, die im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Linie (84) und in etwa äquidistant zu dem vierten und dem fünften Punkt ist; und Projizieren einer zweiten Linie (86) von dem sechsten Punkt zum Schneiden der ersten Linie (84) an einem Schnittpunkt, wobei die zweite Linie im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Linie ist, wobei der Schnittpunkt der zweite Gelenkpunkt (74) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der im Wesentlichen invariante Punkt (90) definiert ist durch einen Punkt innerhalb der Region (72) mit der kleinsten Standardabweichung der Distanz zwischen dem Punkt und dem zweiten Gelenkpunkt (74) für alle die Positionen des zweiten Gelenkpunktes.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bewegens des zweiten Gelenkpunktes (74) umfasst: initiales Orientieren des zweiten starren Körpers (38) in einem im Wesentlichen rechten Winkel zu dem ersten starren Körper (34) und Rotieren des zweiten starren Körpers um das zentrale Gelenk (30) um einen Winkel zwischen ca. 10° und ca. 90° relativ zu dem ersten starren Körper.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der zweite starre Körper (38) um einen Winkel zwischen ca. 10° und ca. 40° rotiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Region (72) einen Kreis umfasst, der an der initialen Schätzung des Gelenkpunktes (90) des zentralen Gelenks zentriert ist.
Verfahren zum Bestimmen der Position eines Gelenkpunktes (90) eines Kniegelenks (30) zwischen Femur (34) und Tibia (38), wobei das Kniegelenk eine Patella und eine mediale und eine laterale Epikondyle (60, 62) umfasst und lokalisiert ist zwischen einem Hüftgelenk (56) und einem Knöchelgelenk (76), welche an respektiven Enden des Femurs und der Tibia distal zu dem Kniegelenk lokalisiert sind, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Identifizieren der Position der Patella (52); Bestimmen der Position eines Gelenkpunktes (54) des Femurs an dem Hüftgelenk (56); Definieren einer femoralen Achse (58), welche sich zwischen dem Femurgelenkpunkt und der Patella erstreckt; Identifizieren der Positionen der medialen und der lateralen Epikondyle; Definieren einer Ebene (64), die im Wesentlichen senkrecht zu der femoralen Achse und mit im Wesentlichen gleichen respektiven rechtwinkligen Distanzen zu den Positionen der medialen und der lateralen Epikondyle (60, 62) angeordnet ist, wobei der Schnittpunkt der Ebene und der femoralen Achse eine initiale Schätzung des Gelenkpunktes des Kniegelenks ist; Definieren einer Region (72) in der Ebene mit einer vorgegebenen Größe, wobei die Region die initiale Schätzung (70) des Gelenkpunktes des Kniegelenks umfasst; Bestimmen der Position eines Gelenkpunktes (74) der Tibia an dem Knöchelgelenk (76); Bewegen des Tibiagelenkpunktes (74) relativ zu dem Femur durch Rotieren der Tibia um das Kniegelenk; Identifizieren einer Vielzahl von verschiedenen Positionen des Tibiagelenkpunktes (74) während der Rotation der Tibia; und Bestimmen eines Punktes aus einer Vielzahl von Punkten innerhalb der Region, für den die Position im Wesentlichen invariant für jede der Positionen des Tibiagelenkpunktes ist, wobei der eine Punkt der Gelenkpunkt (90) des Kniegelenks (30) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Bestimmens der Position des Femurgelenkpunktes (54) die Schritte umfasst: Bewegen der Patella (52) durch Rotieren des Femurs um das Hüftgelenk (56); Identifizieren einer Mehrzahl von Positionen der Patella während der Bewegung der Patella um das Hüftgelenk; und mathematisches Bestimmen eines gemeinsamen Punktes an dem Hüftgelenk mit im Wesentlichen der gleichen Distanz zu allen den Positionen der Patella, wobei der gemeinsame Punkt der Femurgelenkpunkt (54) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Bestimmens der Position des Tibiagelenkpunktes (74) an dem Knöchel die Schritte umfasst: Identifizieren der respektiven Positionen eines medialen und eines lateralen Malleolus (60, 62) auf einander gegenüberliegenden Seiten des Knöchelgelenks (76); Identifizieren der Position eines anterioren Punktes des Knöchels, lokalisiert in einer Sagittalebene der Tibia; Definieren einer ersten Linie (84) zwischen dem medialen und dem lateralen Malleolus; und Projizieren einer zweiten Linie (86) von dem anterioren Punkt zum Schneiden der ersten Linie (84) an einem Schnittpunkt, wobei die zweite Linie im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Linie ist, wobei der Schnittpunkt der Tibiagelenkpunkt (74) ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der im Wesentlichen Invariante Punkt (90) definiert ist durch einen Punkt innerhalb der Region (72) mit der kleinsten Standardabweichung der Distanz zwischen dem Punkt und dem Tibiagelenkpunkt (74) für alle die Positionen des Tibiagelenkpunktes.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Bewegens des Tibiagelenkpunktes (74) umfasst: initiales Orientieren der Tibia (38) in einem im Wesentlichen rechten Winkel zu dem Femur (34) und Rotieren der Tibia um das Kniegelenk (30) um einen Extensionswinkel zwischen ca. 10° und ca. 90° relativ zu dem Femur.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Tibia (38) um einen Winkel zwischen ca. 10° und ca. 40° rotiert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Region (72) einen Kreis vorgegebenen Durchmessers umfasst, der die initiale Schätzung (70) des Gelenkpunktes (90) als sein Zentrum aufweist.
Verfahren zum Bestimmen der Position eines Gelenkpunktes (90) eines Kniegelenks (30) zwischen Femur (34) und Tibia (38) eines Beins, wobei das Kniegelenk eine Patella (52) und eine mediale und eine laterale Epikondyle (60, 62) umfasst und lokalisiert ist zwischen einem Hüftgelenk (56) und einem Knöchelgelenk (76), welche an respektiven Enden des Femurs und der Tibia distal zu dem Kniegelenk lokalisiert sind, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Fixieren eines ersten Markers (18) an einem das Femur (34) umfassenden Bereich des Beins; Fixieren eines zweiten Markers (20) an einem die Tibia (38) umfassenden Bereich des Beins; Identifizieren der Positionen des ersten und des zweiten Markers (18, 20) im Raum mittels einer Messvorrichtung (14, 16); Palpieren der Patella (52) mittels eines dritten Markers (42); Identifizieren der Position der Patella mittels der Messvorrichtung zum Messen der Position des dritten Markers im Raum während des Patella-Palpationsschrittes; Bestimmen der Position eines Femurgelenkpunktes (54) mittels eines Datenverarbeitungssystems (22), ausgebildet zum Empfangen von Sig nalen korrespondierend zu Positionsdaten der Marker von der Messvorrichtung; mathematisches Definieren einer femoralen Achse (58), welche sich zwischen dem Femurgelenkpunkt (54) und der Patella (52) erstreckt, mittels des Datenverarbeitungssystems; Palpieren der medialen und der lateralen Epikondyle (60, 62) mittels des dritten Markers (42); Identifizieren der Positionen der Epikondylen mittels der Messvorrichtung zum Messen der Position des dritten Markers im Raum während des Epikondylen-Palpationsschrittes; mathematisches Definieren – mittels des Datenverarbeitungssystems – einer Ebene (64), die im Wesentlichen senkrecht zu der femoralen Achse (58) und mit im Wesentlichen gleichen respektiven rechtwinkligen Distanzen zu den Positionen der medialen und der lateralen Epikondyle angeordnet ist, wobei der Schnittpunkt (70) der Ebene und der femoralen Achse eine initiale Schätzung des Gelenkpunktes des Kniegelenks (30) ist; Definieren einer Region (72) in der Ebene mit einer vorgegebenen Größe, wobei die Region die initiale Schätzung (70) des Gelenkpunktes des Kniegelenks umfasst; Bestimmen der Position eines Gelenkpunktes (74) der Tibia an dem Knöchelgelenk (76); Bewegen des Tibiagelenkpunktes (74) relativ zu dem Femur (34) durch Rotieren der Tibia (38) um das Kniegelenk (30); Identifizieren einer Vielzahl von verschiedenen Positionen des Tibiagelenkpunktes (74) mittels der Messvorrichtung (14, 16) zum Messen der Positionen des ersten und des zweiten Markers (18, 20) während der Bewegung des Tibiagelenkpunktes (74); und mathematisches Bestimmen – mittels des Datenverarbeitungssystems (22) – eines Punktes aus einer Vielzahl von Punkten innerhalb der Region (72), für den die Position im Wesentlichen invariant für jede der Positionen des Tibiagelenkpunktes (74) ist, wobei der eine Punkt der Gelenkpunkt (90) des Kniegelenks ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt des Bestimmens der Position des Femurgelenkpunktes (54) die Schritte umfasst: Bewegen der Patella (52) durch Rotieren des Femurs um das Hüftgelenk (56); Identifizieren einer Mehrzahl von Positionen der Patella während der Bewegung der Patella um das Hüftgelenk; und mathematisches Bestimmen eines gemeinsamen Punktes an dem Hüftgelenk mit im Wesentlichen der gleichen Distanz zu allen den Positionen der Patella, wobei der gemeinsame Punkt der Femurgelenkpunkt (54) ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Bestimmen der Position eines Gelenkpunktes der Tibia an dem Knöchelgelenk die Schritte umfasst: Palpieren des medialen und lateralen Malleolus (78, 80) des Knöchelgelenks (76) mit dem dritten Marker (42); Identifizieren der respektiven Positionen der Malleoli mittels der Messvorrichtung (14, 16) zum Messen der Position des dritten Markers im Raum während des Palpierens der Malleoli; Palpieren eines anterioren Punktes (82) des Knöchels in der Sagittalebene der Tibia mit dem dritten Marker; Identifizieren der Position des anterioren Punktes (82) mittels der Messvorrichtung zum Messen der Position des dritten Markers im Raum während des Palpierens des anterioren Punktes; mathematisches Definieren – mittels des Datenverarbeitungssystems – einer ersten Linie (84) zwischen dem medialen und dem lateralen Malleolus; und mathematisches Projizieren – mittels des Datenverarbeitungssystems – einer zweiten Linie (86) von dem anterioren Punkt zum Schneiden der ersten Linie an einem Schnittpunkt, wobei die zweite Linie im Wesentlichen senkrecht zu der ersten Linie ist, wobei der Schnittpunkt der Tibiagelenkpunkt (74) ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der im Wesentlichen invariante Punkt (90) definiert ist durch einen Punkt innerhalb der Region (72) mit der kleinsten Standardabweichung der Distanz zwischen dem Punkt und dem Tibiagelenkpunkt (74) für alle die Positionen des Tibiagelenkpunktes.