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EP3821439A1 - Medizintechnisches instrumentarium und verfahren - Google Patents

Medizintechnisches instrumentarium und verfahren

Info

Publication number
EP3821439A1
EP3821439A1 EP19737712.0A EP19737712A EP3821439A1 EP 3821439 A1 EP3821439 A1 EP 3821439A1 EP 19737712 A EP19737712 A EP 19737712A EP 3821439 A1 EP3821439 A1 EP 3821439A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
bone
data record
planning
instrument
data
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19737712.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Georg Hettich
Ronja Schierjott
Allan Maas
Christoph Schilling
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aesculap AG
Original Assignee
Aesculap AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aesculap AG filed Critical Aesculap AG
Publication of EP3821439A1 publication Critical patent/EP3821439A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G16—INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16H—HEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
    • G16H20/00—ICT specially adapted for therapies or health-improving plans, e.g. for handling prescriptions, for steering therapy or for monitoring patient compliance
    • G16H20/40—ICT specially adapted for therapies or health-improving plans, e.g. for handling prescriptions, for steering therapy or for monitoring patient compliance relating to mechanical, radiation or invasive therapies, e.g. surgery, laser therapy, dialysis or acupuncture
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/25—User interfaces for surgical systems
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A61B90/37—Surgical systems with images on a monitor during operation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/39—Markers, e.g. radio-opaque or breast lesions markers
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2046—Tracking techniques
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A61B2090/364—Correlation of different images or relation of image positions in respect to the body
    • A61B2090/365—Correlation of different images or relation of image positions in respect to the body augmented reality, i.e. correlating a live optical image with another image
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A61B2090/364—Correlation of different images or relation of image positions in respect to the body
    • A61B2090/367—Correlation of different images or relation of image positions in respect to the body creating a 3D dataset from 2D images using position information
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B90/00—Instruments, implements or accessories specially adapted for surgery or diagnosis and not covered by any of the groups A61B1/00 - A61B50/00, e.g. for luxation treatment or for protecting wound edges
    • A61B90/36—Image-producing devices or illumination devices not otherwise provided for
    • A61B90/37—Surgical systems with images on a monitor during operation
    • A61B2090/376—Surgical systems with images on a monitor during operation using X-rays, e.g. fluoroscopy
    • A61B2090/3762—Surgical systems with images on a monitor during operation using X-rays, e.g. fluoroscopy using computed tomography systems [CT]

Definitions

  • the present invention relates to a medical-technical instrument to support an operator in the treatment of a bone, in particular the human pelvic bone, and a medical-technical method.
  • the invention relates in particular to an instrument set and a method for use in the treatment of a high-grade bone defect, for example in revision procedures in hip arthroplasty, which is used below as an example for the application of the invention.
  • the invention is not limited to this application, it is also suitable for use outside of revision procedures, in which there are in particular poor conditions for the presence and / or substance or nature of the bone.
  • the revision of a hip implant is still a major challenge for the surgeon when there are higher-grade bone defects for the surgeon to position the revision implant.
  • the surgeon can be supported in the revision procedure by comparing the pathological side of the pelvic bone with the healthy side of the pelvic bone, for example on X-rays.
  • the surgeon's extensive experience in revision surgery is helpful and advantageous.
  • the use of the conventional "sloof technique" often leads to an overly lateral position of the revision implant.
  • an artificial acetabulum When an artificial acetabulum is inserted, it is usually aligned with respect to a reference plane, in particular the pelvic entrance plane of the patient.
  • a reference plane in particular the pelvic entrance plane of the patient.
  • An inclination angle and an anteversion angle of the acetabulum are used as a measure of the orientation.
  • the pelvic entrance plane can be inclined relative to the frontal plane - a vertical plane when the patient is standing upright, and a horizontal plane when the patient is lying down. This is known as the pelvic tilt.
  • the pelvic tilt in the standing patient and in the lying patient differ from each other due to the load-bearing situation.
  • the pelvic-femur system should not be considered in isolation, but muscles and tendons in particular also have an influence on the musculoskeletal system. If the acetabulum is implanted in a lying patient, without taking the pelvic tilt into account and without taking into account the difference in pelvic tilt when the patient is lying and standing, there may be incorrect loads, loosening of the implant and / or restricted movement.
  • DE 10 2013 111 808 A1 describes a set of instruments and a method for simulation purposes in hip arthroplasty with which the influence of pelvic tilt can be simulated.
  • An instrument for determining the pelvic tilt is described in DE 10 2014 107 832 A1.
  • DE 10 2013 219 470 A1 describes a method for preoperative planning of a surgical intervention and a computing system.
  • physical replicas of the bone fragments are produced, which are reduced to an anatomically correct bone model.
  • Relative linear offsets and rotations of the fragments are determined.
  • an operation plan is drawn up in which the relative offsets and rotations for repositioning the bone fragments are specified.
  • US 2018/0185100 A1 describes an embodiment of a surgical navigation system.
  • This object is achieved by means of medical technology instruments in order to compile at least one data processing device, which is designed and programmed, to generate an actual state data record of a patient's bone, in particular the human pelvic bone, which is considered defective, based on examination data;
  • the planning data set in particular includes information about characteristic anatomical features of the bone
  • the instrumentation comprises a medical-technical navigation system and a marking device which can be detected, fixed or fixed on the bone for the definition of a reference, position and / or position data of the marking device being provided by the navigation system; and wherein the planning data record of at least one data processing device on the display device in a spatial relationship, with assignment of characteristic landmarks of the bone to correspond to characteristic landmarks in the planning data set for the bone.
  • the advantage for the surgeon is in particular that, in contrast to conventional scenarios, preoperative planning is linked to an intraoperative application and the surgeon is intraoperatively supported on the basis of information, for example implemented by software via a workflow can be included in the planning of the procedure.
  • the planning of the intervention can be checked with regard to its improvement and, if necessary, adapted.
  • the instrument set comprises at least one data processing device, several of which can be provided, which can be used in different planning steps.
  • a data processing device is designed and programmed in such a way that it uses examination data of the bone to be treated, for example on the basis of X-ray images and / or CT images.
  • An actual status data record of the "bad" bone is created, data records in the present case preferably comprising a three-dimensional representation of the bone.
  • the data processing device can compute a healthy state data record of the bone. For example, statistical shape models can be used. It is advantageous to generate the actual status data set for the individual patient instead of using a generic standard data set for the bone.
  • a planning data record can then be created taking into account the planning instructions of the operator.
  • the planning data record can advantageously have recommendations and / or instructions for the surgeon regarding the procedure, which will be discussed below.
  • the a reference to the bone can be created by means of the marking device, which can be detected by the navigation system in a manner known per se.
  • Characteristic landmarks of the bone can be assigned to characteristic landmarks of the planning data set. This allows the visual information of the planning data set to be displayed in a defined spatial relationship to the bone on the display device of the instrument set.
  • the surgeon receives visual support in the sense of an augmented reality (AR, Augmented Reality).
  • AR Augmented Reality
  • changes in the position of the bone in the operating system can be determined. Since the bone in the reference system of the marking device is known with regard to its position and geometry, planning data can remain "attached" to the bone when the bone is moving and corresponding visual information can preferably be made permanently available to the operator on the display device.
  • the actual state data record advantageously comprises a three-dimensional representation of the bone.
  • the instruments can comprise at least one imaging device.
  • the at least one device for example, the actual state data record can be created.
  • the at least one device can be used to create an auxiliary data record with which the data processing device is used to assign the characteristic landmarks.
  • the marking device can advantageously be registered by the data processing device relative to the actual state data record and / or the planning data record.
  • the at least one imaging device is or comprises, for example, an X-ray device or CT device.
  • the auxiliary data set is or comprises an X-ray image of the bone and the marking device and that the data processing device superimposes the X-ray image on the actual state data set and / or the planning data set.
  • the resulting assignment of characteristic landmarks is ideally carried out automatically and intraoperatively by the data processing device.
  • the planning data set can be assigned to the patient's bone, for example, by taking an X-ray image intraoperatively.
  • a C-arm x-ray device is used, for example, with which a two-dimensional x-ray image is taken.
  • the x-ray image represents the bone, in particular the pelvic bone, and the marking device.
  • the data processing device can superimpose the x-ray image on the actual state data record. Since the planning data record is based on the latter, an overlay of the x-ray image with the planning data record can also be advantageously carried out.
  • optimization algorithms from the data processing device can be used which, for example, superimpose brightness values of the X-ray image with those of the three-dimensional model of the bone.
  • the orientation of the marking device can be determined relative to the bone model. Based on the x-ray and taking into account the previous knowledge about the three-dimensional anatomy of the bone, a three-dimensional reference system can be created between the marking device and the bone. As a result of this referencing of the marking device relative to the model of the bone, the navigation system can determine the position and / or orientation of the bone on the basis of the position referenced by the marking device. If the patient moves during the procedure, the image information of the planning data record can also be moved, since the referencing relates to the rela- ting device fixed to the bone. The planning data record is, so to speak, "attached" to the bone.
  • the marking device is fixed or can be fixed directly or indirectly to the bone. Fixing the marking device on the bone can be non-invasive or invasive.
  • the image contents of the planning data set are preferably displayed on the display device in real time relative to the patient, in order to make the intervention easier for the operator.
  • the navigation system comprises at least one camera for detecting the bone and relevant recordings can be displayed on the display device in combination with the representation of the planning data set.
  • the image content of the planning data set can be optically assigned to the images of the bone, for example placed over them or integrated into them.
  • Planning information by means of which the surgeon can in particular compare the healthy state of the bone with, for example, clinically relevant parameters in relation to the diseased actual state of the bone, can be perceived particularly intuitively by the surgeon in this way.
  • the navigation system is or comprises, for example, a head-mounted display that includes the display device.
  • This image content can be displayed in such a way that it lies visually, for example above the bone, with the assignment of corresponding characteristic landmarks.
  • the camera mentioned above can be saved in this case, for example.
  • the navigation system is or comprises data glasses that comprise the display device.
  • a marking device which can be detected by the navigation system is arranged on the display or on the data glasses, the movement of which is tracked in space, the planning data record being displayed as a function of the position and / or orientation of the display or the data glasses.
  • the image contents of the planning data set can be assigned to the bone when the surgeon moves with the display or the glasses.
  • the movement can be tracked by the navigation system.
  • Relevant information can be transmitted to the data processing device.
  • the image content can be adapted in such a way that it corresponds in particular to the image content of the real bone that the surgeon sees (for example, viewing direction of the bone, section of the bone, etc.).
  • the display or the data glasses form the navigation system for detecting the marking device on the bone.
  • a separate medical navigation system can be saved in this way.
  • a measurement system of the navigation system for generating the position and / or position data of the marking device can be physically integrated into the display or the data glasses.
  • at least one data processing device is preferably integrated into the display or the data glasses.
  • the instrument set comprises a hand-held integrated navigation system that includes at least one data processing device and the display device, for example in the form of a smartphone or tablet computer.
  • Integrated can be understood, for example, to mean that the data processing device and the display device are arranged in a common housing.
  • the instruments preferably a camera for capturing the marking device and the bone. Relevant recordings can be shown on the display device and enriched with the image contents of the planning data set.
  • the measuring system for determining the position and / or position data of the marking device is preferably also integrated in the handheld navigation system.
  • the data processing device is designed and programmed to determine deviations between the current state data set and the healthy state data set.
  • the data processing device is advantageously designed and programmed to carry out a classification in segments on the bone.
  • the bone can be segmented computationally, for example into clinically relevant sectors.
  • the clinical relevance can depend on the intervention to be carried out, whereby the sectors can have a higher or lower relevance for different interventions.
  • the segmentation of the classification offers the surgeon, for example, the advantage of not getting lost in the details during planning, but of proceeding in a structured and systematic manner.
  • the data processing device is designed and programmed to provide information, in particular on the display device, depending on the classification and / or to add information to the planning data record for carrying out the operation. This supports the surgeon in planning and / or performing the operation.
  • information can relate to the implantation technique, for example the type of implantation, a suggestion for the bone structure (for example, the use of porous metal foam, bone substitute material, bone cement or removal of bone elsewhere and insertion into the bone to be treated ).
  • the bone structure for example, the use of porous metal foam, bone substitute material, bone cement or removal of bone elsewhere and insertion into the bone to be treated ).
  • the information can relate, for example, to the choice of implant, for example the type of implant and / or the size of the implant.
  • the bone can in particular be the pelvic bone.
  • the pelvic bone can in particular be the pelvic bone.
  • the planning data record includes information about the pelvic tilt when the patient is standing and / or lying down when the pelvic bone is being treated. With this additional information the surgeon is instructed with regard to an improved implantation result. It can be particularly advantageous that the different orientation of the pelvic bone between the standing patient and the lying patient is taken into account in the planning data set.
  • the pelvic tilt for example when the patient is standing, can be determined, for example, using an imaging device, in particular preoperatively.
  • an X-ray image can be combined with a CT image. Further examinations of the pelvis, for example using ultrasound, are not necessary.
  • the planning data set includes implantation information for an implant, in particular an artificial hip socket, the implantation information being adapted to the orientation of the patient during treatment and being available to the surgeon.
  • the orientation of the implant that is implanted in a lying patient can be adjusted in particular in accordance with the pelvic tilt in a standing patient in order to ensure the best possible implantation.
  • the planning data advantageously comprise at least one parameter relevant to the operation on the bone, for example the position of a characteristic level, a characteristic axis and / or a characteristic point in relation to the bone in the planning data set.
  • the parameters which can be viewed as clinically relevant in particular, can be visually superimposed on the actual bone viewed by the surgeon or shown by means of recordings on the display device when the intervention is carried out, for example via augmented reality.
  • the plane of the acetabulum, the axis of the acetabulum or the center of rotation can be added to the planning data record as relevant parameters.
  • the data processing device is preferably designed and programmed to simulate the result of the operation on the basis of the planning data and to provide the operator with relevant information. For example, the mechanical stability of the bone during an implantation can be estimated as part of the simulation.
  • the data processing device can, for example, carry out a finite element calculation based on the planning data.
  • the instruments can comprise a storage unit in which information relating to previous treatments is stored, the data processing device being advantageously designed and programmed to estimate a treatment success based on the information and the planning data and the surgeon provide relevant information.
  • Information about surgical results for previous treatments, in particular over a longer period of time, can be stored in the storage unit.
  • the data processing device can use this information including associated data (for example operation parameters and classification of defects in the bone).
  • the assessment of bone defects is based on quantitative findings. Bone treatments and their success can be recorded and saved individually.
  • a large database can advantageously be used, which can be classified, for example, according to bone defects. Modern procedures such as machine learning and neural networks allow, for example, an assessment of whether bone treatment is likely to be successful in the case of unknown or first-time bone defects.
  • Relevant instructions can be provided to the surgeon in order to create a treatment strategy.
  • the data can show that a certain implant shows poor results from a certain defect size and a different treatment strategy should be chosen instead.
  • Information regarding the success of the treatment can advantageously be fed to the storage unit via an input interface for storage, for consideration in later treatments. In this way, the database for later treatments and related information to the surgeon can be improved.
  • an ultrasound probe can be provided, for example, on which a marking device that can be detected by the navigation system is fixed.
  • a palpation tool can be provided for the same purpose, on which a marking device that can be detected by the navigation system is fixed.
  • the navigation system includes or forms at least one data processing device or vice versa.
  • the actual data record, the health record and the planning data record can be created, for example, by the same data processing device as the intraoperative use of the planning data record. Alternatively, it can be provided that the planning data for intraoperative use are transferred to a different data processing device.
  • At least two of the following tasks can be performed using the same data processing device or using different data processing devices:
  • the present invention also relates to a method.
  • an actual status data record of a bone of a patient, in particular of the human pelvic bone, which is considered to be defective, is created on the basis of examination data;
  • arithmetically a healthy state data record of the bone is created on the basis of the actual state data record
  • a planning data record of the bone is created on the basis of the health status data record and instructions from the surgeon with regard to treatment of the bone, which instructions can be provided via an input device of the instrument, the planning data record in particular information about characteristic anatomical features of the bone;
  • planning data record can be displayed on a display device
  • a medical device navigation system detects a marking device fixed on the bone for the definition of a reference, and position and / or position data of the marking device are provided by the navigation system;
  • the planning data record is displayed on the display device in a spatial relationship, with the assignment of characteristic landmarks of the bone to corresponding characteristic landmarks in the planning data record, for the bone.
  • FIG. 1 a schematic perspective illustration of an instrument according to the invention in use by an operator in a patient with a bone to be treated, who in the present case is the pelvic bone;
  • FIG. 2 a graphical representation of the image content of an actual state.
  • FIG. 3 a graphic representation of the image content of a healthy state data set of the pelvic bone, seen from the lateral;
  • FIG. 4 a graphic representation of the image content of a planning data record of the pelvic bone, seen from the lateral;
  • FIG. 5 shows a schematic partial representation of a pair of data glasses for the surgeon having a display device, an image content of the planning data record being shown;
  • FIG. 6 a representation corresponding to FIG. 5 with a different representation of the image content of the planning data set
  • FIG. 7 a representation corresponding to FIG. 1 in a further preferred embodiment of the instruments according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an advantageous embodiment of an instrument according to the invention, which is given the reference numeral 10.
  • an operator 12 is shown treating a patient 16 lying on a patient couch 14.
  • the patient 16 undergoes a surgical intervention, in particular a revision operation on a bone 18.
  • the bone 18 is the pelvic bone.
  • the drawing accordingly shows the application of the invention in a revision operation in hip arthroplasty.
  • an artificial acetabular cup of the patient 16, not shown in the drawing is replaced by a new acetabular cup, also not shown.
  • the bone 18 has bone defects overall, which make the operation more difficult for the surgeon 12.
  • the surgeon 12 can apply the present invention.
  • the instrumentation 10 comprises a medical navigation system 20, which in the present embodiment has an optical measurement system 22.
  • the measuring system 22 is operatively connected to a data processing device 24 of the navigation system 20.
  • a medical-technical marking device 26 can be detected in a manner known per se.
  • the data processing device 24 can transmit related position and / or position data to the data processing device 24. In particular, there is the possibility of tracking the marking device 26 in space.
  • the marking device 26 is defined to define a reference on the bone 18, for example by screwing or gluing. Alternatively, a non-invasive attachment of a medical marking device to the bone 18 is conceivable.
  • the instrument set 10 further comprises a further marking device 28.
  • the marking devices 26, 28 can be distinguished by the navigation system 20.
  • the marking device 28 is held on an ultrasound probe 30. Characteristic landmarks of the bone 18 can be detected non-invasively by means of the ultrasound probe 30 and thereby localized in the reference system of the marking device 26.
  • characteristic landmarks of the bone 18 for example, the iliac spine and pubis can be determined to define the pelvic entrance level in the reference system.
  • characteristic landmarks of the bone 18 for example, the iliac spine and pubis can be determined to define the pelvic entrance level in the reference system.
  • other or further characteristic landmarks that provide information about the position and orientation of the bone 18 in space.
  • a palpation tool (not shown) with a probe tip, on which a marking device is held, can be used, for example, to feel characteristic landmarks.
  • the marking devices 26, 28 can be passive and in particular retroreflective for radiation emitted by the measuring system 22.
  • the use of active marking devices is also conceivable.
  • the instrument set 10 also includes data glasses 32 that can be worn by the surgeon 12.
  • data glasses 32 can be worn by the surgeon 12.
  • a head-mounted display can be provided, which can be worn on the head of the surgeon 12, for example in the form of VR glasses.
  • the data glasses 32 have a conventional glasses frame, with brackets 34 for laying on the ears and a web 36 for laying on the nose of the surgeon 12. It can be provided that the data glasses 32 comprise optical glasses. However, this is not essential to the present invention.
  • the surgeon 12 can observe the scene through the data glasses 32.
  • a region identified by dashed lines 38 in FIG. 1 symbolizes a field of vision 40 of the surgeon 12. In the present case, the field of vision 40 is directed towards the bone 18.
  • the data glasses 32 have a display device 42.
  • the display device 42 is arranged on the data glasses 32 such that image contents of the display device 42 can be perceived by the operator 12 when viewing a scene naturally. The image contents are therefore superimposed in such a way that they lie within the field of view 40. This offers the possibility of presenting to the operator 12 on the display device 42 information which is superimposed on the scene he is viewing, in the sense of an augmented reality (AR, Augmented Reality).
  • AR Augmented Reality
  • the data processing device 24 is provided, for example, for making the image contents available on the display device 42.
  • information relating to the image contents is preferably transmitted wirelessly from the data processing device 24 to the data glasses 32 via corresponding communication elements 44, 46.
  • the data glasses 32 have an independent data processing device 48 which is in a communication connection with the data processing device 24, the display device 42 being able to be controlled by the data processing device 48.
  • the data glasses 32 have a marking device 50 that can be detected by the measuring system 22.
  • This offers the possibility of determining the position and orientation of the data glasses 32 by means of the navigation system 22. This allows in particular to determine in which direction the field of view 40 of the surgeon 12 is directed. As a result, the field of view 40 can be related to the reference system defined by the marker 26. If the surgeon 12 observes the bone 18, for example, it lies in the field of view 40.
  • Augmented reality information relating to the bone 18 can be shown on the display device 42 as explained below as if they were on or on the bone 18 the location of the bone 18.
  • FIG. 7 shows an advantageous embodiment of an instrument set according to the invention, in which the navigation system 20 is formed by the data glasses 32 and, in contrast to the instrument set 10, there is no spatially separate navigation system 20.
  • the instruments 100 will be discussed below.
  • an actual state data record of the bone 18 can first of all be created, based on examination data.
  • the actual state data record advantageously comprises a three-dimensional representation of the bone 18.
  • the examination data are based, for example, on X-rays or CT images.
  • the instrument set 10 can have at least one imaging device 25 shown schematically in FIG. Several imaging devices 25 can be present.
  • the imaging device 25 can be, for example, an X-ray device or a CT device for preoperative and / or intraoperative use.
  • the pelvic tilt of patient 16 can be determined from the combination of X-ray images and CT images (pelvic tilt). It is conceivable that the pelvic tilt can be determined when the patient is standing and the patient is lying down.
  • FIG. 2 shows a lateral view of the image content of the actual state data record 52 of the bone here designated with the reference symbol 18 '.
  • the actual state data record preferably has a 3D representation of the bone.
  • surgeon 12 can first visually determine the condition of the bone 18 and in particular assess the extent to which there are bone defects.
  • FIG. 2 identifies 54 sections of the bone 18 with bone defects in an area highlighted by means of points. It goes without saying that further areas 54 with bone defects could be present and represented on the actual state data record 52, for example if this is examined in three dimensions.
  • the data processing device 24 is designed and programmed to compute a healthy state data set of the bone 18 on the basis of the actual state data set.
  • Statistical models are used here. In particular, the gender, age, weight, height, medical history and / or the sociocultural background of the patient 14 can also be taken into account.
  • FIG. 3 shows a two-dimensional representation of the healthy state data record 56 of the bone here designated with the reference symbol 18 "in a lateral view.
  • the healthy state data record 56 can be calculated individually for the patient and does not have to fall back on a generic data record.
  • the data processing device 24 is designed and programmed in such a way that it can determine deviations between the actual state data record 52 and the healthy state data record 56.
  • a classification of the deviations can be carried out, for example in relation to bone loss, bone growth, material different from bone, such as bone substitute material or bone cement, amount or degree of the deviation and location of the deviation.
  • the data processing device 24 can, for example, classify the deviations in segments on the bone 18.
  • the bone 18 is mathematically divided into clinically relevant sectors.
  • FIG. 4 shows this schematically, using the example of sectors 58, 60 and 62, which are each emphasized differently in the graphical representation.
  • FIG. 4 shows a planning data record 64 created during the planning of the operation with a direction of view laterally towards the bones which are given the reference symbol 18 ′′ here.
  • the planning data record 64 for example, the bone defects of sectors 58, 60 and 62 determined on the basis of the classification are taken into account
  • the surgeon 12 can use, adapt and evaluate the planning data record 64 with regard to an optimal implantation result.
  • the data processing device 24 can, for example, depending on the classification of the bone defects, provide the surgeon 12 with information regarding the implantation technique and / or the choice of implant.
  • the information can be added to the planning data record 64 and / or can be displayed on a display device 68 shown as an example.
  • 64 relevant parameters that are important for the intervention are added to the planning data record.
  • Other parameters are, for example, the position of the plane of the acetabulum 70, the position of the axis of the acetabulum 70 and / or the position of the center of rotation.
  • the surgeon 12 can interact with the instruments according to the invention preoperatively, for example in order to check these relevant parameters in the planning data record 64, or the data processing device 64 can make appropriate suggestions.
  • the instruments can comprise a memory unit 71 integrated in the present case in the data processing device 24.
  • the storage unit 71 can also be arranged spatially separated from the data processing device 24 and coupled to it.
  • Information about previous similar treatments which can be taken into account by the data processing device 24, is advantageously stored in the memory unit 71 in order to estimate a treatment success based on the planning data record 64. Information relating to this can be provided to the surgeon 12, for example via the display device 68.
  • the storage unit 71 can have an input interface, for example via the input device 66, for supplying information relating to the success of the treatment. Such information can be taken into account in later treatments for creating the planning data sets.
  • the planning data set 64 includes implantation information for an implant 73, in the present case an artificial hip socket. It is advantageous if information about the previously determined pelvic tilt of patient 16 is available in the planning data set.
  • the planning data record takes into account the information about the pelvic tilt, adapted to the operative situation. For example, it can be taken into account that the patient 16 lies during the operation. Implantation information can be adapted for the alignment of the implant 73 to this lying state, but it is taken into account that with the help of this adjustment and taking into account the pelvic tilt when the patient is standing in the load-bearing case, there is the best possible implantation with regard to stability and range of motion (ranks of motion).
  • the planning data record 64 can, if necessary, be transferred to a data processing device in the operating room. Otherwise, the planning data record 64 created on the data processing device 24 can be used.
  • the surgeon 12 can determine characteristic landmarks of the bone 18, the position of which can be determined in the reference system of the marking device 26.
  • the operator 12's gaze is directed, for example, at the bone 18, ascertainable by the navigation system 20.
  • An image content of the planning data record 64 can be faded into the real scene observed by the operator 12 in order to support the operator 12 during the intervention. This is shown schematically in FIGS. 5 and 6.
  • the assignment of the characteristic landmarks of the real bone 18 to the corresponding characteristic landmarks of the bone 18 "'in the planning data record 64 can be carried out arithmetically by the data processing device 24.
  • the spatial information contained in the planning data record 64 thus becomes spatially in accordance with the real one Brought geometry of the bone 18 and placed in a defined spatial relationship with this.
  • Characteristic landmarks of the bone 18 can be assigned to the actual state data record 52 and / or to the planning data record 64, for example, intraoperatively using the imaging device 25.
  • a C-arm x-ray device is used as the device 25, which takes an x-ray of the bone 18 together with the marking device 28.
  • the 2D X-ray image can be superimposed on the 3D model.
  • a referencing of the physical bone 18 can be created relative to the 3D model.
  • FIG. 5 shows this by way of example for the different types of bone defects in the sectors 58, 60 and 62.
  • FIG. 6 shows schematically the position of the plane 72 of the acetabulum 70 and its axis 74 by way of example.
  • FIGS. 5 and 6 symbolize with reference numbers Chen 76 occupies further contents of the planning data record 64, designed as instructions 76 for guiding the surgeon during the intervention.
  • the surgeon 12 can use the additional information of the augmented reality and compare the real situation during the operation with the planning made in advance with regard to an optimal operation result.
  • the display device 42 is preferably updated in real time, so that the image contents of the display device 42 can always be displayed in a correct position by movement of the surgeon 12 and / or the patient 14.
  • Figures 5 and 6 is only schematic.
  • the representation of the planning data record 64 and the instructions 76 is perceived by the operator 12 as if the displayed image contents were at the correct target position within his field of view 40, the operator 12 merely looking through the display device 42.
  • the advantageous embodiment of the instruments 100 in FIG. 7 already mentioned does not need an external navigation system 20.
  • the navigation system 20 is integrated in the data glasses 32 or is formed by them. This eliminates the need to track the data glasses 32 provided with the marking device 50 by means of a navigation system.
  • the data glasses 32 in the instrumentation 100 have in particular an integrated measuring system with a camera 102, which is used instead of the navigation camera 78 of the measuring system 22.
  • an integrated, hand-held navigation system can be provided, for example in the form of a smartphone or a tablet computer. This can have a camera for capturing the scene, it being possible for images of the scene to be displayed on a display device.
  • the information from the planning data set 64 can augment the image contents of the recordings and can be used in a corresponding manner as with the instruments 10, 100.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein medizintechnisches Instrumentarium und ein medizintechnisches Verfahren, bei dem auf Basis eines Ist-Zustand-Datensatzes (52) eines als schadhaft angesehenen Knochens (18) ein Planungsdatensatz (64) für einen Operateur (12) erstellt wird. Der Planungsdatensatz (64) kann intraoperativ zur Verbesserung des Operationsergebnisses genutzt werden.

Description

MEDIZINTECHNISCHES INSTRUMENTARIUM UND VERFAHREN
Die vorliegende Erfindung betrifft ein medizintechnisches Instrumentarium zum Unterstützen eines Operateurs bei der Behandlung eines Knochens, ins- besondere des menschlichen Beckenknochens, sowie ein medizintechnisches Verfahren.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Instrumentarium und ein Verfahren zum Einsatz bei der Behandlung eines hochgradige Defekte aufweisenden Knochens, zum Beispiel bei Revisionseingriffen in der Hüftendoprothetik, die nachfolgend als Beispiel für die Anwendung der Erfindung herangezogen wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt, sie eignet sich auch für die Anwendung außerhalb von Revisionseingriffen, bei denen insbe- sondere von vornherein schlechte Voraussetzungen an Vorhandensein und/oder Substanz oder Beschaffenheit des Knochens bestehen.
Im herkömmlichen Fall stellt die Revision eines Hüftimplantates, insbesondere der Ersatz einer künstlichen Hüftpfanne, bei Vorliegen von höhergradigen Kno- chendefekten für den Operateur nach wie vor eine große Herausforderung dar. Beispielsweise mangelt es bei fehlender Knochensubstanz im Bereich des Ace- tabulums intraoperativ an einer Orientierungshilfe für den Operateur, das Re- visionsimplantat zu positionieren. Zwar kann der Operateur mit Hilfe von Ver- gleichen der krankhaften Seite des Beckenknochens mit der gesunden Seite des Beckenknochens, beispielsweise auf Röntgenaufnahmen, bei dem Revisi- onseingriff unterstützt werden. Umfassende Erfahrung des Operateurs bei Re- visionsoperationen ist hilfreich und von Vorteil. Jedoch tritt in der Praxis der Fall auf, dass es selbst erfahrenen Operateuren aufgrund fehlender anatomi- scher Landmarken des Beckenknochens an der erforderlichen Orientierung fehlt und dadurch das Implantationsergebnis beeinträchtigt wird. Beispielswei- se führt die Anwendung der herkömmlichen "Sloof-Technik" häufig zu einer zu weit lateralen Position des Revisionsimplantates.
Beim Einsetzen einer künstlichen Hüftpfanne erfolgt deren Ausrichtung übli- cherweise bezüglich einer Referenzebene, insbesondere der Beckeneingangs- ebene des Patienten. Als Maß für die Orientierung werden beispielsweise ein Inklinationswinkel und ein Anteversionswinkel der Hüftpfanne verwendet. Bei der Ausrichtung der Hüftpfanne relativ zum Becken ist allerdings zu beachten, dass die Beckeneingangsebene relativ zur Frontalebene - bei aufrecht stehen- dem Patienten eine Vertikalebene, bei einem liegenden Patienten eine Horizon- talebene - geneigt sein kann. Dies wird als Beckenkippung (pelvic tilt) be- zeichnet. Die Beckenkippungen bei stehendem Patienten und bei liegendem Patienten unterscheiden sich jedoch voneinander, aufgrund der lasttragenden Situation. Das System Becken-Femur ist nicht isoliert zu betrachten, sondern insbesondere auch Muskeln und Sehnen haben einen Einfluss auf den Bewe- gungsapparat. Wird die Hüftpfanne bei liegendem Patienten implantiert, kann es ohne Berücksichtigung der Beckenkippung und ohne Berücksichtigung des Unterschieds der Beckenkippung bei liegendem Patienten und bei stehendem Patienten möglicherweise zu Fehlbelastungen, Lockerungen des Implantats und/oder Bewegungseinschränkungen kommen.
In der DE 10 2013 111 808 Al ist ein Instrumentarium und ein Verfahren für Simulationszwecke in der Hüftendoprothetik beschrieben, mit dem der Einfluss der Beckenkippung simuliert werden kann. Ein Instrumentarium zur Ermittlung der Beckenkippung ist in der DE 10 2014 107 832 Al beschrieben.
Die DE 10 2013 219 470 Al beschreibt ein Verfahren zur präoperativen Pla- nung eines chirurgischen Eingriffes und ein Rechensystem. Dabei werden bei einem in mehrere Segmente frakturierten Knochen physische Nachbildungen der Knochenfragmente hergestellt, die zu einem anatomisch korrekten Kno- chenmodell reponiert werden. Relative lineare Versätze und Drehungen der Fragmente werden bestimmt. Hiervon abhängig wird ein Operationsplan er- stellt, in welchem die relativen Versätze und Drehungen zur Reponierung der Knochenfragmente vorgegeben werden.
Die US 2018/0185100 Al beschreibt eine Ausführungsform eines chirurgischen Navigationssystems.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein den Operateur unterstützendes Instrumentarium und ein Verfahren bereitzustellen, um den Operateur bei der Behandlung des Knochens im Hinblick auf ein besseres Ergebnis, insbesondere bei einer Revisionsoperation in der Hüftendoprothetik, zu unterstützen.
Diese Aufgabe wird durch ein medizintechnisches Instrumentarium gelöst, um fassend mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung, die ausgebildet und programmiert ist, einen Ist-Zustand-Datensatz eines als schadhaft angesehe- nen Knochens eines Patienten, insbesondere des menschlichen Beckenkno- chens, basierend auf Untersuchungsdaten zu erstellen;
rechnerisch einen Gesundzustand-Datensatz des Knochens anhand des Ist- Zustand-Datensatzes zu erstellen;
einen Planungsdatensatz des Knochens zu erstellen, auf Basis des Gesundzu- stand-Datensatzes, der anatomischen Gegebenheiten (insbesondere der Be- ckenneigung im Stand) und Anweisungen des Operateurs im Hinblick auf eine Behandlung des Knochens, welche Anweisungen über eine Eingabeeinrichtung des Instrumentariums bereitstellbar sind, wobei der Planungsdatensatz insbe- sondere Informationen über charakteristische anatomische Merkmale des Kno- chens umfasst;
den Planungsdatensatz an einer Anzeigeeinrichtung des Instrumentariums darzustellen;
wobei das Instrumentarium ein medizintechnisches Navigationssystem und eine von diesem erfassbare, am Knochen festgelegte oder festlegbare Markier- einrichtung zur Definition einer Referenz umfasst, wobei Lage- und/oder Posi- tionsdaten der Markiereinrichtung vom Navigationssystem bereitstellbar sind; und wobei der Planungsdatensatz von mindestens einer Datenverarbeitungs- einrichtung an der Anzeigeeinrichtung in räumlicher Beziehung, unter Zuord- nung charakteristischer Landmarken des Knochens zu korrespondieren charak- teristischen Landmarken im Planungsdatensatz, zum Knochen darstellbar ist.
Beim erfindungsgemäßen Instrumentarium besteht der Vorteil für den Opera- teur insbesondere darin, dass abweichend von herkömmlichen Szenarien eine Verknüpfung einer präoperativen Planung mit einer intraoperativen Anwen- dung erfolgt und der Operateur dadurch, beispielsweise über einen Workflow softwareseitig implementiert, intraoperativ anhand von Informationen unter- stützt werden kann, die in die Planung des Eingriffes eingeflossen sind. Im Be- reich der intraoperativen Durchführung besteht insbesondere der Vorteil, dass die Planung des Eingriffes im Hinblick auf dessen Verbesserung überprüft und erforderlichenfalls angepasst werden kann.
Das Instrumentarium umfasst mindestens eine Datenverarbeitungseinrich- tung, wobei deren mehrere vorgesehen sein können, die bei unterschiedlichen Planungsschritten zum Einsatz kommen können. Eine Datenverarbeitungsein- richtung ist so ausgebildet und programmiert, dass sie Untersuchungsdaten des zu behandelnden Knochens heranzieht, beispielsweise auf Basis von Rönt- genaufnahmen und/oder CT-Aufnahmen. Es wird ein Ist-Zustand-Datensatz des "schlechten" Knochens erstellt, wobei Datensätze im vorliegenden Fall vorzugsweise eine dreidimensionale Repräsentation des Knochens umfassen. Rechnerisch kann die Datenverarbeitungseinrichtung einen Gesundzustand- Datensatz des Knochens erstellen. Hierbei können zum Beispiel statistische Formmodelle herangezogen werden. Von Vorteil ist die Erzeugung des Ist-Zu- stand-Datensatzes patientenindividuell anstelle der Nutzung eines generischen Standard-Datensatzes für den Knochen. Im Anschluss daran kann unter Be- rücksichtigung von Planungsanweisungen des Operateurs ein Planungsdaten- satz erstellt werden. Dieser kann insbesondere klinisch relevante Informatio- nen umfassen, im Fall der Hüftendoprothetik zum Beispiel die Lage der Ebene des Acetabulums, das Rotationszentrum und/oder die Achse des Acetabulums. Der Planungsdatensatz kann vorteilhafterweise alternativ oder ergänzend Empfehlungen und/oder Hinweise für den Operateur für den Eingriff aufwei- sen, worauf nachfolgend noch eingegangen wird. Intraoperativ kann am Kno- chen mittels der Markiereinrichtung, die vom Navigationssystem in an sich be- kannter Weise erfassbar ist, eine Referenz am Knochen geschaffen werden. Charakteristische Landmarken des Knochens können charakteristischen Land- marken des Planungsdatensatzes zugeordnet werden. Dies erlaubt es, die vi- suelle Information des Planungsdatensatzes in definierter räumlicher Bezie- hung zum Knochen an der Anzeigeeinrichtung des Instrumentariums darzu- stellen. Der Operateur erhält auf diese Weise eine visuelle Unterstützung im Sinne einer augmentierten Wirklichkeit (AR, Augmented Reality). Hierbei be- steht beispielsweise die Möglichkeit, einer Darstellung des realen Knochens die berechnete Darstellung des Knochens im Planungsdatensatz an der Anzeige- einrichtung optisch zu überlagern. Durch die Verfolgung der Markiereinrich- tung mittels des Navigationssystems können Änderungen der Lage des Kno- chens im OP-System festgestellt werden. Da der Knochen im Referenzsystem der Markiereinrichtung hinsichtlich Lage und Geometrie bekannt ist, können Planungsdaten bei einer Bewegung des Knochens rechnerisch am Knochen "angeheftet" bleiben und entsprechende visuelle Informationen für den Opera- teur an der Anzeigeeinrichtung vorzugsweise dauerhaft zur Verfügung gestellt werden.
Der Ist-Zustand-Datensatz umfasst vorteilhafterweise eine dreidimensionale Darstellung des Knochens.
Das Instrumentarium kann bei einer bevorzugten Ausführungsform mindes- tens eine bildgebende Einrichtung umfassen. Unter Einsatz der mindestens einen Einrichtung kann beispielsweise der Ist-Zustand-Datensatz erstellbar sein. Alternativ oder ergänzend kann mittels der mindestens einen Einrichtung ein Hilfsdatensatz erstellbar sein, mit dem von der Datenverarbeitungseinrich- tung die Zuordnung der charakteristischen Landmarken durchgeführt wird. Dabei kann vorteilhafterweise die Möglichkeit bestehen, die Markiereinrichtung von der Datenverarbeitungseinrichtung relativ zum Ist-Zustand-Datensatz und/oder zum Planungsdatensatz zu registrieren. Die mindestens eine bildgebende Einrichtung ist oder umfasst beispielsweise ein Röntgengerät oder CT-Gerät.
Vorgesehen sein kann, dass der Hilfsdatensatz eine Röntgenaufnahme des Knochens und der Markiereinrichtung ist oder umfasst und dass die Datenver- arbeitungseinrichtung die Röntgenaufnahme dem Ist-Zustand-Datensatz und/oder dem Planungsdatensatz überlagert. Die sich daraus ergebende Zu- ordnung charakteristischer Landmarken erfolgt idealerweise automatisch und intraoperativ durch die Datenverarbeitungseinrichtung.
Die Zuordnung des Planungsdatensatzes zum Knochen des Patienten kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Röntgenaufnahme intraoperativ erstellt wird. Hierzu wird zum Beispiel ein C-Bogen-Röntgengerät eingesetzt, mit dem eine zweidimensionale Röntgenaufnahme erstellt wird. Die Röntgen- aufnahme stellt den Knochen, insbesondere den Beckenknochen, und die Mar- kiereinrichtung dar. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann die Röntgenauf- nahme dem Ist-Zustand-Datensatz überlagern. Da der Planungsdatensatz auf letzterem basiert, kann auch eine Überlagerung der Röntgenaufnahme mit dem Planungsdatensatz vorteilhafterweise vorgenommen werden. Bei der Überlagerung können Optimierungsalgorithmen von der Datenverarbeitungs- einrichtung eingesetzt werden, die zum Beispiel Helligkeitswerte des Röntgen- bildes mit denen des dreidimensionalen Modells des Knochens überlagert.
In einem weiteren Schritt kann die Orientierung der Markiereinrichtung relativ zum Modell des Knochens ermittelt werden. Basierend auf der Röntgenauf- nahme und unter Berücksichtigung des Vorwissens über die dreidimensionale Anatomie des Knochens kann ein dreidimensionales Bezugssystem zwischen der Markiereinrichtung und dem Knochen geschaffen werden. Infolge dieser Referenzierung der Markiereinrichtung relativ zum Modell des Knochens kann das Navigationssystem auf Basis der von der Markiereinrichtung referenzierten Position die Lage und/oder Orientierung des Knochens ermitteln. Bei einer Be- wegung des Patienten während des Eingriffs kann die Bildinformation des Pla- nungsdatensatzes mitbewegt werden, da sich die Referenzierung auf die rela- tiv zum Knochen fixierte Markiereinrichtung bezieht. Der Planungsdatensatz ist gewissermaßen am Knochen "angeheftet".
Vorgesehen sein kann, dass die Markiereinrichtung direkt oder indirekt am Knochen festgelegt oder festlegbar ist. Eine Festlegung der Markiereinrichtung am Knochen kann nicht-invasiv oder invasiv sein.
Die Darstellung der Bildinhalte des Planungsdatensatzes an der Anzeigeein- richtung erfolgt vorzugsweise in Echtzeit relativ zum Patienten, um dem Ope- rateur den Eingriff zu erleichtern.
Günstig ist es, wenn das Navigationssystem mindestens eine Kamera zum Er- fassen des Knochens umfasst und diesbezügliche Aufnahmen an der Anzeige- einrichtung in Kombination mit der Darstellung des Planungsdatensatzes dar- stellbar sind. Der Bildinhalt des Planungsdatensatzes kann auf diese Weise op- tisch den Aufnahmen des Knochens zugeordnet werden, beispielsweise über diese gelegt werden oder in diese integriert werden. Planungsinformationen, anhand derer der Operateur insbesondere den gesunden Zustand des Kno- chens mit beispielsweise klinisch relevanten Parametern im Verhältnis zum kranken Ist-Zustand des Knochens vergleichen kann, können auf diese Weise besonders intuitiv vom Operateur wahrgenommen werden.
Das Navigationssystem ist oder umfasst beispielsweise ein Head-mounted- Display, das die Anzeigeeinrichtung umfasst. Dies bietet den Vorteil, dass der Operateur, ohne den Blick vom Operationsfeld auf eine räumlich entfernt posi- tionierte Anzeigeeinrichtung richten zu müssen, den Bildinhalt des Planungsda- tensatzes im Sichtfeld angezeigt bekommen kann. Dieser Bildinhalt kann so dargestellt werden, dass er visuell unter Zuordnung korrespondierender cha- rakteristischer Landmarken beispielsweise über dem Knochen liegt. Die vor- stehend erwähnte Kamera kann beispielsweise in diesem Fall eingespart wer- den. Dieselben Vorteile können bei einer bevorzugten Ausführungsform dadurch erzielt werden, dass das Navigationssystem eine Datenbrille ist oder umfasst, die die Anzeigeeinrichtung umfasst.
Günstig ist es, wenn am Display oder an der Datenbrille eine vom Navigations- system erfassbare Markiereinrichtung angeordnet ist, deren Bewegung im Raum verfolgt wird, wobei die Darstellung des Planungsdatensatzes abhängig von der Lage und/oder Orientierung des Displays bzw. der Datenbrille erfolgt. Auf diese Weise kann die Zuordnung der Bildinhalte des Planungsdatensatzes zum Knochen vorgenommen werden, wenn der Operateur sich mit dem Dis- play oder der Brille bewegt. Die Bewegung kann vom Navigationssystem ver- folgt werden. Der Datenverarbeitungseinrichtung kann eine diesbezügliche In- formation übermittelt werden. Je nach Blickrichtung des Operateurs kann der Bildinhalt derart angepasst werden, dass er insbesondere mit demjenigen Bild- inhalt des realen Knochens übereinstimmt, den der Operateur sieht (beispiels- weise Blickrichtung auf den Knochen, Abschnitt des Knochens etc.).
Von Vorteil ist es, wenn das Display oder die Datenbrille das Navigationssys- tem ausbildet zum Erfassen der Markiereinrichtung am Knochen. Ein geson- dertes medizintechnisches Navigationssystem kann auf diese Weise eingespart werden. Ein Messsystem des Navigationssystems zur Erzeugung der Lage- und/oder Positionsdaten der Markiereinrichtung kann physisch in das Display oder die Datenbrille integriert sein. Alternativ oder ergänzend ist mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung vorzugsweise in das Display oder die Da- tenbrille integriert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Instrumentariums kann vorgese- hen sein, dass dieses ein handhaltbares integriertes Navigationssystem um fasst, das mindestens eine Datenverarbeitungseinrichtung und die Anzeigeein- richtung umfasst, beispielsweise in Gestalt eines Smartphones oder Tablet- Computers. "Integriert" kann beispielsweise dahingehend aufgefasst werden, dass die Datenverarbeitungseinrichtung und die Anzeigeeinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Ferner weist das Instrumentarium bevorzugt eine Kamera zum Erfassen der Markiereinrichtung und des Kno- chens auf. Diesbezügliche Aufnahmen können an der Anzeigeeinrichtung dar- gestellt und mit den Bildinhalten des Planungsdatensatzes angereichert wer- den. Das Messsystem zur Bestimmung der Lage- und/oder Positionsdaten der Markiereinrichtung ist vorzugsweise ebenfalls in das handhaltbare Navigations- system integriert.
Von Vorteil ist es, wenn die Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet und programmiert ist, Abweichungen zwischen dem Ist-Zustand-Datensatz und dem Gesundzustand-Datensatz zu ermitteln.
Von Vorteil ist es dabei insbesondere, wenn die Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet und programmiert ist, Abweichungen im Hinblick auf mindestens eines der Folgenden zu klassifizieren :
Knochenschwund des schadhaften Knochens gegenüber dem re- konstruierten gesunden Knochen;
Knochenzuwachs des schadhaften Knochens gegenüber dem re- konstruierten gesunden Knochen; von Knochen unterschiedliches Material am schadhaften Knochen, zum Beispiel Knochenersatzmaterial oder Knochenzement; die Menge oder den Grad der Abweichung, beispielsweise die Größe des Knochendefektes bzw. dessen Ausdehnung in mindestens einer Raumrichtung; den Ort der Abweichung, beispielsweise die Position des Knochen- defektes am Knochen.
Vorteilhafterweise ist die Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet und pro- grammiert, eine Klassifikation segmentweise am Knochen vorzunehmen. Hier- unter kann vorliegend insbesondere verstanden werden, dass der Knochen rechnerisch segmentiert werden kann, beispielsweise in klinisch relevante Sek- toren. Die klinische Relevanz kann von dem vorzunehmenden Eingriff abhän- gen, wobei die Sektoren bei unterschiedlichen Eingriffen eine höhere oder ge- ringere Relevanz aufweisen können. Die Segmentierung der Klassifikation bie- tet für den Operateur beispielsweise den Vorteil, sich bei der Planung nicht in Details zu verlieren, sondern strukturiert und systematisch vorzugehen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet und programmiert, abhängig von der Klassifikation Hinweise ins- besondere an der Anzeigeeinrichtung bereitzustellen und/oder dem Planungs- datensatz für die Durchführung der Operation Hinweise hinzuzufügen. Dies unterstützt den Operateur bei der Planung und/oder Durchführung der Opera- tion.
Hinweise können beispielsweise die Implantationstechnik betreffen, zum Bei- spiel die Art der Implantation, einen Vorschlag für den Knochenaufbau (bei- spielsweise die Nutzung porösen Metallschaums, von Knochenersatzmaterial, Knochenzement oder Entnahme von Knochen an anderer Stelle und Einbrin- gung in den zu behandelnden Knochen).
Alternativ oder ergänzend können sich die Hinweise zum Beispiel auf die Im- plantatauswahl beziehen, beispielsweise die Art des Implantates und/oder die Größe des Implantates.
Wie eingangs erwähnt, kann es sich bei dem Knochen insbesondere um den Beckenknochen handeln. Auf die Möglichkeit, dass eine Beckenkippung bei dem Patienten vorliegt, bei welcher die Beckeneingangsebene relativ zur Fron- talebene geneigt ist, wurde bereits ebenfalls eingegangen.
Günstig ist es, wenn der Planungsdatensatz bei einer Behandlung des Becken- knochens eine Information über die Beckenkippung bei stehendem und/oder bei liegendem Patienten umfasst. Durch diese zusätzliche Information kann der Operateur im Hinblick auf ein verbessertes Implantationsergebnis angelei- tet werden. Vorteilhaft kann insbesondere sein, dass im Planungsdatensatz die unterschiedliche Orientierung des Beckenknochens zwischen stehendem Pati- enten und liegendem Patienten berücksichtigt ist.
Die Beckenkippung, beispielsweise bei stehendem Patienten, kann zum Bei- spiel mittels einer bildgebenden Einrichtung ermittelt werden, insbesondere präoperativ. Beispielsweise kann eine Röntgenaufnahme mit einer CT- Aufnahme kombiniert werden. Weitergehende Untersuchungen des Beckens, zum Beispiel mittels Ultraschall, sind nicht erforderlich.
Von Vorteil ist es, wenn der Planungsdatensatz Implantationsinformationen für ein Implantat umfasst, insbesondere eine künstliche Hüftpfanne, wobei die Implantationsinformationen an die Orientierung des Patienten bei der Behand- lung angepasst sind und dem Operateur bereitstellbar sind. Im Planungsda- tensatz kann die Orientierung des Implantats, das bei liegendem Patienten implantiert wird, insbesondere entsprechend der Beckenkippung bei stehen- dem Patienten angepasst werden, um eine bestmögliche Implantation sicher- zustellen.
Günstigerweise umfassen die Planungsdaten mindestens einen für die Operati- on am Knochen relevanten Parameter, beispielsweise die Lage einer charakte- ristischen Ebene, einer charakteristischen Achse und/oder eines charakteristi- schen Punktes in Bezug auf den Knochen im Planungsdatensatz.
Die Parameter, die insbesondere als klinisch relevant angesehen werden kön- nen, können bei der Durchführung des Eingriffes beispielsweise über Aug- mented Reality den tatsächlichen, vom Operateur betrachteten oder mittels Aufnahmen an der Anzeigeeinrichtung dargestellten Knochen visuell überla- gern. Bei einer Hüftoperation können als relevante Parameter beispielsweise die Ebene des Acetabulums, die Achse des Acetabulums oder das Rotations- zentrum dem Planungsdatensatz hinzugefügt werden. Vorzugsweise ist die Datenverarbeitungseinrichtung ausgebildet und pro- grammiert, das Operationsergebnis auf Basis der Planungsdaten zu simulieren und dem Operateur diesbezügliche Informationen bereitzustellen. Beispiels- weise kann im Rahmen der Simulation die mechanische Stabilität des Kno- chens bei einer Implantation abgeschätzt werden. Hierzu kann die Datenver- arbeitungseinrichtung zum Beispiel eine Finite-Elemente-Berechnung auf Basis der Planungsdaten durchführen.
Das Instrumentarium kann bei einer bevorzugten Ausführungsform eine Spei- chereinheit umfassen, in der Informationen in Bezug auf vorangegangene Be- handlungen gespeichert sind, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung vor- teilhafterweise ausgebildet und programmiert ist, einen Behandlungserfolg basierend auf den Informationen und den Planungsdaten abzuschätzen und dem Operateur diesbezügliche Informationen bereitzustellen. Informationen über Operationsergebnisse für vorangegangene Behandlungen, insbesondere über einen längeren Zeitraum, können in der Speichereinheit hinterlegt sein. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann diese Informationen einschließlich zugehöriger Daten (beispielsweise Operationsparametern und Klassifikation von Defekten des Knochens) heranziehen. Die Beurteilung von Knochendefek- ten basiert auf quantitativen Feststellungen. Behandlungen des Knochens und deren Erfolge können individuell erfasst und gespeichert werden. Vorteilhaf- terweise kann eine große Datenbasis herangezogen werden, die zum Beispiel nach Knochendefekten klassifiziert sein kann. Moderne Verfahren wie zum Bei- spiel Machine Learning und Neural Networks erlauben zum Beispiel bei unbe- kannten oder erstmals auftretenden Knochendefekten eine Einschätzung, ob eine Behandlung der Wahrscheinlichkeit nach erfolgreich sein wird. Diesbezüg- liche Hinweise können dem Operateur bereitgestellt werden, um eine Behand- lungsstrategie zu erstellen. Beispielsweise können die Daten zeigen, dass ein bestimmtes Implantat ab einer bestimmten Defektgröße schlechte Ergebnisse zeigt und stattdessen eine andere Behandlungsstrategie gewählt werden soll- te. Der Speichereinheit sind vorteilhafterweise über eine Eingabeschnittstelle In- formationen in Bezug auf den Erfolg der Behandlung zur Speicherung zuführ- bar, für die Berücksichtigung bei späteren Behandlungen. Auf diese Weise kann die Datenbasis für spätere Behandlungen und diesbezügliche Hinweise an den Operateur verbessert werden.
Zum Erfassen der charakteristischen Landmarken des Knochens intraoperativ kann beispielsweise eine Ultraschallsonde vorgesehen sein, an der eine vom Navigationssystem erfassbare Markiereinrichtung festgelegt ist.
Alternativ oder ergänzend kann ein Palpationswerkzeug zu demselben Zweck vorgesehen sein, an dem eine vom Navigationssystem erfassbare Markierein- richtung festgelegt ist.
Es kann vorgesehen sein, dass das Navigationssystem mindestens eine Daten- verarbeitungseinrichtung umfasst oder ausbildet oder umgekehrt.
Die Erstellung des Ist-Zustand-Datensatzes, des Gesundzustand-Datensatzes und des Planungsdatensatzes kann beispielsweise von derselben Datenverar- beitungseinrichtung durchgeführt werden wie die intraoperative Nutzung des Planungsdatensatzes. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Planungsda- ten zur intraoperativen Nutzung auf eine unterschiedliche Datenverarbeitungs- einrichtung übertragen werden.
Zumindest zwei der folgenden Aufgaben sind mittels derselben Datenverarbei- tungseinrichtung oder mittels unterschiedlicher Datenverarbeitungseinrichtun- gen durchführbar:
Erstellen des Ist-Zustand-Datensatzes;
Erstellen des Gesundzustand-Datensatzes;
Erstellen des Planungsdatensatzes; Darstellen des Planungsdatensatzes an der Anzeigeeinrichtung.
Wie eingangs erwähnt, betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren.
Die eingangs genannte Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes medizin- technisches Verfahren gelöst, bei dem:
ein Ist-Zustand-Datensatz eines als schadhaft angesehenen Knochens eines Patienten, insbesondere des menschlichen Beckenknochens, basierend auf Un- tersuchungsdaten erstellt wird;
rechnerisch ein Gesundzustand-Datensatz des Knochens anhand des Ist- Zustand-Datensatz erstellt wird;
ein Planungsdatensatz des Knochens erstellt wird, auf Basis des Gesundzu- stand-Datensatzes und Anweisungen des Operateurs im Hinblick auf eine Be- handlung des Knochens, welche Anweisungen über eine Eingabeeinrichtung des Instrumentariums bereitstellbar sind, wobei der Planungsdatensatz insbe- sondere Informationen über charakteristische anatomische Merkmale des Kno- chens umfasst;
wobei der Planungsdatensatz an einer Anzeigeeinrichtung darstellbar ist;
wobei mit einem medizintechnischen Navigationssystem eine am Knochen festgelegte Markiereinrichtung zur Definition einer Referenz erfasst und Lage- und/oder Positionsdaten der Markiereinrichtung vom Navigationssystem be- reitgestellt werden;
und der Planungsdatensatz an der Anzeigeeinrichtung in räumlicher Bezie- hung, unter Zuordnung charakteristischer Landmarken des Knochens zu kor- respondieren charakteristischen Landmarken im Planungsdatensatz, zum Kno- chen dargestellt wird.
Die Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung des erfin- dungsgemäßen Instrumentariums erwähnt wurden, können bei der Ausübung des Verfahrens ebenfalls erzielt werden. Diesbezüglich kann auf die voranste- henden Erläuterungen verwiesen werden. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Verfahrens ergeben sich durch vorteil- hafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Instrumentariums. Diesbe- züglich kann auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen werden.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Er- findung. Die beschriebenen Instrumentarien erlauben die Durchführung eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es zei- gen :
Figur 1 : eine schematische perspektivische Darstellung eines erfindungs- gemäßen Instrumentariums in Anwendung durch einen Operateur bei einem Patienten mit einem zu behandelnden Knochen, bei dem es sich vorliegend um den Beckenknochen handelt;
Figur 2: eine grafische Repräsentation des Bildinhaltes eines Ist-Zustand-
Datensatzes des Beckenknochens, gesehen von lateral;
Figur 3: eine grafische Repräsentation des Bildinhaltes eines Gesundzu- stand-Datensatzes des Beckenknochens, gesehen von lateral;
Figur 4: eine grafische Repräsentation des Bildinhaltes eines Planungsda- tensatzes des Beckenknochens, gesehen von lateral;
Figur 5: eine schematische Teildarstellung einer eine Anzeigeeinrichtung aufweisenden Datenbrille für den Operateur, wobei ein Bildinhalt des Planungsdatensatzes dargestellt wird;
Figur 6: eine Darstellung entsprechend Figur 5 mit andersartiger Darstel- lung des Bildinhaltes des Planungsdatensatzes; und
Figur 7: eine Darstellung entsprechend Figur 1 bei einer weiteren bevorzug- ten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Instrumentariums. Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine mit dem Bezugszeichen 10 be- legte vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Instrumentari- ums. Darüber hinaus ist ein Operateur 12 bei der Behandlung eines auf einer Patientenliege 14 liegenden Patienten 16 dargestellt. Der Patient 16 unterzieht sich einem operativen Eingriff, insbesondere einer Revisionsoperation an ei- nem Knochen 18. Bei dem Knochen 18 handelt es sich vorliegend um den Be- ckenknochen.
Die Zeichnung zeigt dementsprechend die Anwendung der Erfindung bei einer Revisionsoperation in der Hüftendoprothetik. Beispielsweise wird eine in der Zeichnung nicht dargestellte künstliche Hüftpfanne des Patienten 16 durch ei- ne ebenfalls nicht dargestellte neue Hüftpfanne ersetzt. Der Knochen 18 weist insgesamt Knochendefekte auf, die dem Operateur 12 den Eingriff erschweren. Um dem Operateur 12 den Eingriff im Hinblick auf ein besseres Operationser- gebnis zu erleichtern, kann dieser die vorliegende Erfindung anwenden.
Das Instrumentarium 10 umfasst ein medizintechnisches Navigationssystem 20, das bei der vorliegenden Ausführungsform ein optisches Messsystem 22 aufweist. Das Messsystem 22 steht mit einer Datenverarbeitungseinrichtung 24 des Navigationssystems 20 in Wirkverbindung.
Mit dem Messsystem 22 kann eine medizintechnische Markiereinrichtung 26 in an sich bekannter Weise erfasst werden. Die Datenverarbeitungseinrichtung 24 kann diesbezügliche Lage- und/oder Positionsdaten an die Datenverarbei- tungseinrichtung 24 übertragen. Es besteht insbesondere die Möglichkeit, die Markiereinrichtung 26 im Raum zu verfolgen.
Im vorliegenden Fall ist die Markiereinrichtung 26 zur Definition einer Referenz am Knochen 18 festgelegt, beispielsweise durch Verschraubung oder Verkle- bung. Alternativ ist eine nicht-invasive Anbringung einer medizintechnischen Markiereinrichtung am Knochen 18 denkbar. Das Instrumentarium 10 umfasst ferner eine weitere Markiereinrichtung 28.
Die Markiereinrichtungen 26, 28 können vom Navigationssystem 20 unter- schieden werden. Die Markiereinrichtung 28 ist vorliegend an einer Ultraschall- sonde 30 gehalten. Mittels der Ultraschallsonde 30 können charakteristische Landmarken des Knochens 18 nicht-invasiv erfasst und dadurch im Bezugssys- tem der Markiereinrichtung 26 lokalisiert werden.
Als charakteristische Landmarken des Knochens 18 können beispielsweise die Darmbeinstachel und das Schambein zur Definition der Beckeneingangsebene im Referenzsystem bestimmt werden. Denkbar ist selbstverständlich auch die Nutzung anderer oder weiterer charakteristischer Landmarken, die Aufschluss über die Lage und Orientierung des Knochens 18 im Raum liefern.
Anstelle der navigierten Ultraschallsonde 30 kann zum Ertasten charakteristi- scher Landmarken beispielsweise ein nicht dargestelltes Palpationswerkzeug mit einer Tastspitze eingesetzt werden, an dem eine Markiereinrichtung gehal- ten ist.
Die Markiereinrichtungen 26, 28 können passiv und insbesondere retroreflek- tierend für vom Messsystem 22 ausgesandte Strahlung sein. Denkbar ist auch die Nutzung aktiver Markiereinrichtungen.
Das Instrumentarium 10 umfasst ferner eine vom Operateur 12 tragbare Da- tenbrille 32. Alternativ oder ergänzend kann ein Head-mounted-Display, am Kopf des Operateurs 12 tragbar, vorgesehen sein, zum Beispiel in Gestalt ei- ner VR-Brille.
Die Datenbrille 32 weist vorliegend ein herkömmliches Brillengestell auf, mit Bügeln 34 zum Auflegen auf den Ohren und einem Steg 36 zum Auflegen auf der Nase des Operateurs 12. Es kann vorgesehen sein, dass die Datenbrille 32 optische Gläser umfasst. Dies ist jedoch für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich. Durch die Datenbrille 32 hindurch kann der Operateur 12 die Szene beobach- ten. Ein durch gestrichelte Linien 38 in Figur 1 gekennzeichneter Bereich sym- bolisiert ein Sichtfeld 40 des Operateurs 12. Das Sichtfeld 40 ist vorliegend auf den Knochen 18 gerichtet.
Die Datenbrille 32 weist vorliegend eine Anzeigeeinrichtung 42 auf. Die Anzei- geeinrichtung 42 ist derart an der Datenbrille 32 angeordnet, dass Bildinhalte der Anzeigeeinrichtung 42 vom Operateur 12 beim natürlichen Betrachten ei- ner Szene wahrgenommen werden können. Die Bildinhalte werden daher der- art eingeblendet, dass sie innerhalb des Sichtfeldes 40 liegen. Dies bietet die Möglichkeit, dem Operateur 12 Informationen an der Anzeigeeinrichtung 42 darzustellen, die über die von ihm betrachtete Szene gelegt werden, im Sinne einer augmentierten Realität (AR, Augmented Reality).
Zum Bereitstellen der Bildinhalte an der Anzeigeeinrichtung 42 ist beispiels- weise die Datenverarbeitungseinrichtung 24 vorgesehen. Beispielsweise wer- den Informationen betreffend die Bildinhalte von der Datenverarbeitungsein- richtung 24 über korrespondierende Kommunikationsglieder 44, 46 vorzugs- weise kabellos an die Datenbrille 32 übertragen.
Vorzugsweise ist denkbar, dass die Datenbrille 32 eine eigenständige Daten- verarbeitungseinrichtung 48 aufweist, die in einer Kommunikationsverbindung mit der Datenverarbeitungseinrichtung 24 steht, wobei die Anzeigeeinrichtung 42 von der Datenverarbeitungseinrichtung 48 angesteuert werden kann.
Die Datenbrille 32 weist vorliegend eine vom Messsystem 22 erfassbare Mar- kiereinrichtung 50 auf. Dies bietet die Möglichkeit, die Lage und Orientierung der Datenbrille 32 mittels des Navigationssystems 22 zu bestimmen. Dies er- laubt es insbesondere festzustellen, in welche Richtung das Sichtfeld 40 des Operateurs 12 gerichtet ist. Infolgedessen kann das Sichtfeld 40 in Beziehung mit dem von der Markiereinrichtung 26 definierten Referenzsystem gebracht werden. Betrachtet der Operateur 12 beispielsweise den Knochen 18, liegt dieser im Sichtfeld 40. Augmented-Reality-Informationen in Bezug auf den Knochen 18 können wie nachfolgend erläutert an der Anzeigeeinrichtung 42 derart darge- stellt werden, als befänden sie sich am Knochen 18 selbst oder an der Stelle des Knochens 18. Alternativ oder ergänzend ist die Möglichkeit gegeben, Augmented-Reality-Informationen so an der Anzeigeeinrichtung 42 darzustel- len, dass der Operateur 12 sie zusammen mit dem Knochen 18 wahrnehmen und "betrachten" kann, zum Beispiel seitlich neben dem Knochen 18, über oder unter diesem etc.
Figur 7 zeigt eine mit dem Bezugszeichen 100 belegte vorteilhafte Ausfüh- rungsform eines erfindungsgemäßen Instrumentariums, bei dem das Navigati- onssystem 20 durch die Datenbrille 32 ausgebildet wird und abweichend vom Instrumentarium 10 kein räumlich gesondertes Navigationssystem 20 vorhan- den ist. Auf das Instrumentarium 100 wird nachfolgend noch eingegangen.
Mit der Datenverarbeitungseinrichtung 24 oder einer weiteren Datenverarbei- tungseinrichtung des erfindungsgemäßen Instrumentariums 10 kann präope- rativ eine Planung des Eingriffes durchgeführt werden. Zu diesem Zweck kann zunächst insbesondere ein Ist-Zustand-Datensatz des Knochens 18 erstellt werden, basierend auf Untersuchungsdaten. Vorteilhafterweise umfasst der Ist-Zustand-Datensatz eine dreidimensionale Darstellung des Knochens 18.
Die Untersuchungsdaten beruhen beispielsweise auf Röntgenaufnahmen oder CT-Bildern. Das Instrumentarium 10 kann zu diesem Zweck mindestens eine in Figur 1 schematisch dargestellte bildgebende Einrichtung 25 aufweisen. Es können mehrere bildgebende Einrichtungen 25 vorhanden sein.
Die bildgebende Einrichtung 25 kann beispielsweise ein Röntgengerät oder ein CT-Gerät sein, zum präoperativen und/oder intraoperativen Einsatz.
Vorteilhaft kann es sein, wenn aus der Kombination von Röntgenaufnahmen und CT-Aufnahmen die Beckenkippung des Patienten 16 ermittelt werden kann (pelvic tilt). Denkbar ist, dass die Beckenkippung bei stehendem Patienten und bei liegendem Patienten ermittelbar ist.
Figur 2 zeigt in einer Sicht von lateral den Bildinhalt des Ist-Zustand-Daten- satzes 52 des hier mit dem Bezugszeichen 18' belegten Knochens. Der Ist-Zu- stand-Datensatz weist vorzugsweise, wie auch die weiteren vorliegend er- wähnten Datensätze, eine 3D-Repräsentation des Knochens auf.
Im Ist-Zustand-Datensatz kann der Operateur 12 zunächst visuell die Beschaf- fenheit des Knochens 18 feststellen und insbesondere einschätzen, inwieweit Knochendefekte vorliegen.
Figur 2 kennzeichnet in einem mittels Punkten hervorgehobenen Areal 54 Ab- schnitte des Knochens 18 mit Knochendefekten. Es versteht sich, dass weitere Areale 54 mit Knochendefekten am Ist-Zustand-Datensatz 52 vorhanden und dargestellt werden könnten, zum Beispiel wenn dieser in drei Dimensionen un- tersucht wird.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 24 ist ausgebildet und programmiert, auf Basis des Ist-Zustand-Datensatzes einen Gesundzustand-Datensatz des Kno- chens 18 rechnerisch zu erstellen. Hierbei werden statistische Modelle heran- gezogen. Berücksichtigt werden können insbesondere auch das Geschlecht, das Alter, das Gewicht, die Größe, die Anamnese und/oder der soziokulturelle Hintergrund des Patienten 14.
Figur 3 zeigt eine zweidimensionale Darstellung des Gesundzustand-Daten- satzes 56 des hier mit dem Bezugszeichen 18" belegten Knochens in einer An- sicht von lateral.
Vorteilhaft ist es, dass der Gesundzustand-Datensatz 56 patientenindividuell errechnet werden kann und nicht auf einen generischen Datensatz zurückge- griffen werden muss. Die Datenverarbeitungseinrichtung 24 ist so ausgebildet und programmiert, dass sie Abweichungen zwischen dem Ist-Zustand-Datensatz 52 und dem Ge- sundzustand-Datensatz 56 rechnerisch bestimmen kann. Dabei kann insbe- sondere eine Klassifikation der Abweichungen vorgenommen werden, bei- spielsweise in Bezug auf Knochenschwund, Knochenzuwachs, von Knochen unterschiedliches Material, wie etwa Knochenersatzmaterial oder Knochenze- ment, Menge oder Grad der Abweichung sowie Ort der Abweichung.
Die Klassifikation der Abweichungen kann von der Datenverarbeitungseinrich- tung 24 beispielsweise segmentweise am Knochen 18 vorgenommen werden. Beispielsweise wird rechnerisch der Knochen 18 in klinisch relevante Sektoren unterteilt. Figur 4 stellt dies schematisch dar, am Beispiel von Sektoren 58, 60 und 62, die jeweils unterschiedlich in der grafischen Repräsentation hervorge- hoben sind.
Figur 4 stellt einen bei der Planung der Operation erstellten Planungsdatensatz 64 mit Blickrichtung von lateral auf den vorliegend mit dem Bezugszeichen 18"' belegten Knochen dar. Zum Erstellen des Planungsdatensatzes 64 werden beispielsweise die anhand der Klassifikation bestimmten Knochendefekte der Sektoren 58, 60 und 62 berücksichtigt. Insbesondere besteht die Möglichkeit für den Operateur, die Planung unter Nutzung einer Eingabeeinrichtung 66 des Instrumentariums 10 vorzunehmen. Dabei kann der Operateur 12 den Pla- nungsdatensatz 64 im Hinblick auf ein optimales Implantationsergebnis nut- zen, anpassen und auswerten.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 24 kann dem Operateur 12 beispielsweise abhängig von der Klassifikation der Knochendefekte Hinweise bezügliche der Implantationstechnik und/oder der Implantatauswahl unterbreiten. Die Hin- weise können dem Planungsdatensatz 64 hinzugefügt und/oder an einer bei- spielhaft dargestellten Anzeigeeinrichtung 68 dargestellt werden.
Denkbar ist insbesondere auch, dass dem Planungsdatensatz 64 relevante Pa- rameter, die von Bedeutung für den Eingriff sind, hinzugefügt werden. Rele- vante Parameter sind beispielsweise die Lage der Ebene des Acetabulums 70, die Lage der Achse des Acetabulums 70 und/oder die Lage des Rotationszent- rums. Präoperativ kann der Operateur 12 mit dem erfindungsgemäßen In- strumentarium interagieren, um beispielsweise diese relevanten Parameter im Planungsdatensatz 64 zu überprüfen, oder die Datenverarbeitungseinrichtung 64 kann entsprechende Vorschläge unterbreiten.
Das Instrumentarium kann eine vorliegend in die Datenverarbeitungseinrich- tung 24 integrierte Speichereinheit 71 umfassen. Die Speichereinheit 71 kann auch räumlich getrennt von der Datenverarbeitungseinrichtung 24 angeordnet und mit dieser gekoppelt sein.
In der Speichereinheit 71 sind vorteilhafterweise Informationen über frühere gleichartige Behandlungen gespeichert, die von der Datenverarbeitungsein- richtung 24 berücksichtigt werden können, um einen Behandlungserfolg basie- rend auf dem Planungsdatensatz 64 abzuschätzen. Dem Operateur 12 können diesbezügliche Informationen zum Beispiel über die Anzeigeeinrichtung 68 be- reitgestellt werden.
Die Speichereinheit 71 kann eine Eingabeschnittstelle aufweisen, beispielswei- se über die Eingabeeinrichtung 66, zur Zuführung von Informationen in Bezug auf den Erfolg der Behandlung. Derartige Informationen können bei späteren Behandlungen zur Erstellung der Planungsdatensätze berücksichtigt werden.
Vorteilhaft kann es sein, wenn der Planungsdatensatz 64 Implantationsinfor- mationen für ein Implantat 73 umfasst, im vorliegenden Fall eine künstliche Hüftpfanne. Günstig ist es dabei, wenn Informationen über die zuvor ermittel- te Beckenkippung des Patienten 16 im Planungsdatensatz vorhanden sind. Beispielsweise berücksichtigt der Planungsdatensatz die Informationen über die Beckenkippung, angepasst an die operative Situation. Dabei kann zum Bei- spiel berücksichtigt werden, dass der Patient 16 während der Operation liegt. Implantationsinformationen können für die Ausrichtung des Implantats 73 auf diesen liegenden Zustand angepasst sein, wobei jedoch berücksichtigt ist, dass mithilfe dieser Anpassung und unter Berücksichtigung der Beckenkippung bei stehendem Patienten im lasttragenden Fall eine bestmögliche Implantation im Hinblick auf Stabilität und Bewegungsumfang (ränge of motion) besteht.
Zur intraoperativen Nutzung kann der Planungsdatensatz 64 erforderlichenfalls auf eine Datenverarbeitungseinrichtung im Operationsraum übertragen wer- den. Anderenfalls kann der an der Datenverarbeitungseinrichtung 24 erstellte Planungsdatensatz 64 genutzt werden.
Der Operateur 12 kann wie beschrieben charakteristische Landmarken des Knochens 18 festlegen, deren Lage im Referenzsystem der Markiereinrichtung 26 bestimmt werden können. Der Blick des Operateurs 12 ist beispielsweise auf den Knochen 18 gerichtet, erfassbar vom Navigationssystem 20. In die vom Operateur 12 beobachtete reale Szene kann ein Bildinhalt des Planungs- datensatzes 64 eingeblendet werden, um den Operateur 12 beim Eingriff zu unterstützen. Dies ist in den Figuren 5 und 6 schematisch dargestellt.
Die Zuordnung der charakteristischen Landmarken des realen Knochens 18 zu den korrespondierenden charakteristischen Landmarken des Knochens 18"' im Planungsdatensatz 64 kann rechnerisch von der Datenverarbeitungseinrich- tung 24 vorgenommen werden. Die im Planungsdatensatz 64 enthaltene räumliche Information wird dadurch räumlich in Übereinstimmung mit der rea- len Geometrie des Knochens 18 gebracht und mit dieser in definierte räumli- che Beziehung gesetzt.
Die Zuordnung von charakteristischen Landmarken des Knochens 18 zum Ist- Zustand-Datensatz 52 und/oder zum Planungsdatensatz 64 kann beispielswei- se intraoperativ unter der Nutzung der bildgebenden Einrichtung 25 erfolgen. Zum Beispiel wird als Einrichtung 25 ein C-Bogen-Röntgengerät eingesetzt, das eine Röntgenaufnahme des Knochens 18 zusammen mit der Markierein- richtung 28 erstellt. Wie bereits eingangs erläutert kann die 2D- Röntgenaufnahme dem 3D-Modell überlagert werden. Über die Markiereinrich- tung 28 kann eine Referenzierung des physischen Knochens 18 relativ zum 3D-Modell geschaffen werden.
Zusätzlich kann im Planungsdatensatz 64 weitere Information an der Anzeige- einrichtung 42 angezeigt werden. Figur 5 stellt dies beispielhaft für die ver- schiedenartigen Knochendefekte in den Sektoren 58, 60 und 62 dar. Figur 6 zeigt beispielhaft schematisch die Lage der Ebene 72 des Acetabulums 70 so- wie von dessen Achse 74. Die Figuren 5 und 6 symbolisieren mit Bezugszei- chen 76 belegt weitere Inhalte des Planungsdatensatzes 64, ausgebildet als Anweisungen 76 zur Anleitung des Operateurs während des Eingriffs.
Der Operateur 12 kann die zusätzliche Information der augmentieren Realität nutzen und die reale Situation während der Operation mit der im Vorfeld vor- genommenen Planung im Hinblick auf ein optimales Operationsergebnis ab- gleichen.
Die Aktualisierung der Anzeigeeinrichtung 42 erfolgt vorzugsweise in Echtzeit, so dass die Bildinhalte der Anzeigeeinrichtung 42 über eine Bewegung des Operateurs 12 und/oder des Patienten 14 stets positionsgerecht angezeigt werden können.
Es versteht sich, dass die Darstellung der Figuren 5 und 6 nur schematisch ist. Die Darstellung des Planungsdatensatzes 64 und der Anweisungen 76 wird vom Operateur 12 so wahrgenommen, als befänden sich die dargestellten Bildinhalte innerhalb seines Sichtfeldes 40 an der korrekten Solllage, wobei der Operateur 12 lediglich durch die Anzeigeeinrichtung 42 hindurchblickt.
Die bereits erwähnte vorteilhafte Ausführungsform des Instrumentariums 100 in Figur 7 kommt ohne externes Navigationssystem 20 aus. Insbesondere ist das Navigationssystem 20 in die Datenbrille 32 integriert oder wird von dieser ausgebildet. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, die Datenbrille 32 mit der Markiereinrichtung 50 versehen mittels eines Navigationssystems zu verfol- gen. Zum Erfassen der Markiereinrichtungen 26, 28 weist die Datenbrille 32 beim Instrumentarium 100 insbesondere ein integriertes Messsystem mit einer Ka- mera 102 auf, die anstelle der Navigationskamera 78 des Messsystems 22 zum Einsatz kommt.
Im Übrigen können die mittels des Instrumentariums 10 erzielbaren Vorteile beim Instrumentarium 100 ebenfalls erzielt werden, so dass diesbezüglich auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen werden kann.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ein integriertes, hand- haltbares Navigationssystem vorgesehen sein, beispielsweise in Gestalt eines Smartphones oder eines Tablet-Computers. Dieses kann eine Kamera zum Er- fassen der Szene aufweisen, wobei Aufnahmen der Szene an einer Anzeigeein- richtung dargestellt werden können. Die Informationen des Planungsdatensat- zes 64 können die Bildinhalte der Aufnahmen augmentieren und in entspre- chender Weise wie bei den Instrumentarien 10, 100 genutzt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Medizintechnisches Instrumentarium, umfassend mindestens eine Da- tenverarbeitungseinrichtung (24, 48), die ausgebildet und programmiert ist, einen Ist-Zustand-Datensatz (52) eines als schadhaft angesehenen Knochens (18) eines Patienten (16), insbesondere des menschlichen Be- ckenknochens, basierend auf Untersuchungsdaten zu erstellen;
rechnerisch einen Gesundzustand-Datensatz (56) des Knochens (18) an- hand des Ist-Zustand-Datensatzes (52) zu erstellen;
einen Planungsdatensatz (64) des Knochens (18) zu erstellen, auf Basis des Gesundzustand-Datensatzes (56) und Anweisungen des Operateurs (12) im Hinblick auf eine Behandlung des Knochens, welche Anweisun- gen über eine Eingabeeinrichtung (66) des Instrumentariums (10; 100) bereitstellbar sind, wobei der Planungsdatensatz (64) insbesondere In- formationen über charakteristische anatomische Merkmale des Knochens (18) umfasst;
den Planungsdatensatz (64) an einer Anzeigeeinrichtung (42, 68) des Instrumentariums (10; 100) darzustellen;
wobei das Instrumentarium (10; 100) ein medizintechnisches Navigati- onssystem (20) und eine von diesem erfassbare, am Knochen (18) fest- gelegte oder festlegbare Markiereinrichtung (26) zur Definition einer Re- ferenz umfasst, wobei Lage- und/oder Positionsdaten der Markiereinrich- tung (26) vom Navigationssystem (20) bereitstellbar sind;
und wobei der Planungsdatensatz (64) von mindestens einer Datenver- arbeitungseinrichtung (24, 48) an der Anzeigeeinrichtung (42, 68) in räumlicher Beziehung, unter Zuordnung charakteristischer Landmarken des Knochens (18) zu korrespondieren charakteristischen Landmarken im Planungsdatensatz (64), zum Knochen (18) darstellbar ist.
2. Instrumentarium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Bildin- halte des Planungsdatensatzes (64) an der Anzeigeeinrichtung (42, 68) in Echtzeit darstellbar sind.
3. Instrumentarium nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Navigationssystem (20) mindestens eine Kamera (78, 102) zum Er- fassen des Knochens (18) umfasst und diesbezügliche Aufnahmen an der Anzeigeeinrichtung (42, 68) in Kombination mit der Darstellung des Pla- nungsdatensatzes (64) darstellbar sind.
4. Instrumentarium einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Ist-Zustand-Datensatz (52) eine dreidimensiona- le Darstellung des Knochens (52) umfasst.
5. Instrumentarium nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekenn- zeichnet durch mindestens eine bildgebende Einrichtung (25), unter de- ren Einsatz mindestens eines der Folgenden erstellbar ist: der Ist-Zustand-Datensatz (52);
ein Hilfsdatensatz, mittels dem von der Datenverarbeitungseinrich- tung (24, 48) die Zuordnung der charakteristischen Landmarken durchgeführt wird, wobei die Markiereinrichtung (26) von der Da- tenverarbeitungseinrichtung (24, 48) relativ zum Ist-Zustand- Datensatz (52) und/oder zum Planungsdatensatz (64) registriert wird.
6. Instrumentarium nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine bildgebende Einrichtung (25) ein Röntgengerät oder ein CT-Gerät ist oder umfasst.
7. Instrumentarium nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsdatensatz eine Röntgenaufnahme des Knochens (18) und der Markiereinrichtung (26) ist oder umfasst und dass die Datenverarbei- tungseinrichtung (24, 48) die Röntgenaufnahme dem Ist-Zustand- Datensatz (52) und/oder dem Planungsdatensatz (64) überlagert.
8. Instrumentarium nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Markiereinrichtung (26) direkt oder indirekt und/oder dass die Markiereinrichtung (26) nichtinvasiv oder invasiv am Knochen (18) festgelegt oder festlegbar ist.
9. Instrumentarium nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Navigationssystem (20) ein Head-mounted- Display oder eine Datenbrille (32) umfasst, das bzw. die die Anzeigeein- richtung (68) umfasst.
10. Instrumentarium nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Display oder an der Datenbrille (32) eine vom Navigationssystem (20) erfassbare Markiereinrichtung (50) angeordnet ist, deren Bewegung im Raum verfolgt wird, wobei die Darstellung des Planungsdatensatzes (64) abhängig von der Lage und/oder Orientierung des Displays bzw. der Da- tenbrille (32) erfolgt.
11. Instrumentarium nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Display oder die Datenbrille (32) das Navigationssystem (20) ausbildet zum Erfassen der Markiereinrichtung (26) am Knochen (18).
12. Instrumentarium nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekenn- zeichnet, dass das Instrumentarium ein handhaltbares integriertes Navi- gationssystem umfasst, das mindestens eine Datenverarbeitungseinrich- tung und die Anzeigeeinrichtung umfasst.
13. Instrumentarium nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (24, 48) ausge- bildet und programmiert ist, Abweichungen zwischen dem Ist-Zustand- Datensatz (52) und dem Gesundzustand-Datensatz (56) zu ermitteln.
14. Instrumentarium nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (24, 48) ausgebildet und programmiert ist, Abweichungen im Hinblick auf mindestens eines der Folgenden zu klassifizieren :
Knochenschwund;
Knochenzuwachs;
von Knochen unterschiedliches Material, zum Beispiel Knochener- satzmaterial oder Knochenzement;
Menge oder Grad der Abweichung;
Ort der Abweichung.
15. Instrumentarium nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (24, 48) ausgebildet und programmiert ist, eine Klassifikation segmentweise am Knochen (18) vorzunehmen.
16. Instrumentarium nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (24, 48) ausgebildet und pro- grammiert ist, abhängig von der Klassifikation für den Operateur (12) Hinweise bezüglich mindestens eines der Folgenden insbesondere an der Anzeigeeinrichtung (42, 68) bereitzustellen und/oder dem Planungsda- tensatz (64) hinzuzufügen :
Hinweise zur Implantationstechnik;
Hinweise zur Implantatauswahl.
17. Instrumentarium nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Planungsdatensatz (64) bei einer Behandlung des Beckenknochens (18) eine Information über die Beckenkippung bei stehendem und/oder bei liegendem Patienten (16) umfasst.
18. Instrumentarium nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Planungsdatensatz (64) Implantationsinformationen für ein Implantat (73), insbesondere eine künstliche Hüftpfanne umfasst, die an die Orien- tierung des Patienten (16) bei der Behandlung angepasst sind und dem Operateur (12) bereitstellbar sind.
19. Instrumentarium nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Planungsdatensatz (64) mindestens einen für die Operation am Knochen (18) relevanten Parameter umfasst, bei- spielsweise die Lage einer charakteristischen Ebene (72), einer charakte- ristischen Achse (74) und/oder eines charakteristischen Punktes in Bezug auf den Knochen (18) im Planungsdatensatz (64).
20. Instrumentarium nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter, über Augmented Reality, an der Anzeigeeinrichtung (42, 68) darstellbar sind und den vom Operateur (12) betrachteten oder mittels Aufnahmen an der Anzeigeeinrichtung (42, 68) dargestellten Knochen (18) visuell überlagern.
21. Instrumentarium nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinrichtung (24, 48) ausge- bildet und programmiert ist, das Operationsergebnis auf Basis der Pla- nungsdaten zu simulieren und dem Operateur (12) diesbezügliche In- formationen bereitzustellen, insbesondere im Hinblick auf die mechani- sche Stabilität des Knochens (18) bei einer Implantation.
22. Instrumentarium nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Instrumentarium (10) eine Speichereinheit (71) umfasst, in der Informationen in Bezug auf vorangegangene Be- handlungen gespeichert sind, und dass die Datenverarbeitungseinrich- tung (24, 48) ausgebildet und programmiert ist, einen Behandlungser- folg basierend auf den Informationen und den Planungsdaten abzuschät- zen und dem Operateur (12) diesbezügliche Informationen bereitzustel- len.
23. Instrumentarium nach einem Anspruch 22 , dadurch gekennzeichnet, dass der Speichereinheit (71) über eine Eingabeschnittstelle Informatio- nen in Bezug auf den Erfolg der Behandlung zur Speicherung zuführbar sind, für die Berücksichtigung bei späteren Behandlungen.
24. Instrumentarium nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Instrumentarium (10; 100) zum Erfassen der charakteristischen Landmarken zumindest eines der Folgenden umfasst: eine Ultraschallsonde (30), an der eine vom Navigationssystem (20) erfassbare Markiereinrichtung (28) festgelegt ist; ein Palpationswerkzeug, an dem eine vom Navigationssystem (20) erfassbare Markiereinrichtung (28) festgelegt ist.
25. Instrumentarium nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Navigationssystem (20) mindestens eine Da- tenverarbeitungseinrichtung (24, 48) umfasst oder ausbildet oder umge- kehrt.
26. Instrumentarium nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei der Folgenden mittels derselben Datenverarbeitungseinrichtung (24, 48) oder mittels unterschiedlicher Datenverarbeitungseinrichtungen (24, 48) durchführbar sind :
Erstellen des Ist-Zustand-Datensatzes (54);
Erstellen des Gesundzustand-Datensatzes (56);
Erstellen des Planungsdatensatzes (64);
Darstellen des Planungsdatensatzes (64) an der Anzeigeeinrichtung (42, 68).
27. Medizintechnisches Verfahren, bei dem
ein Ist-Zustand-Datensatz eines als schadhaft angesehenen Knochens eines Patienten, insbesondere des menschlichen Beckenknochens, basie- rend auf Untersuchungsdaten erstellt wird;
rechnerisch ein Gesundzustand-Datensatz des Knochens anhand des Ist- Zustand-Datensatz erstellt wird;
ein Planungsdatensatz des Knochens erstellt wird, auf Basis des Gesund- zustand-Datensatzes, der anatomischen Gegebenheiten (insbesondere der Beckenneigung im Stand) und Anweisungen des Operateurs im Hin- blick auf eine Behandlung des Knochens, welche Anweisungen über eine Eingabeeinrichtung des Instrumentariums bereitstellbar sind,
wobei der Planungsdatensatz insbesondere Informationen über charakte- ristische anatomische Merkmale des Knochens umfasst;
wobei der Planungsdatensatz an einer Anzeigeeinrichtung darstellbar ist; wobei mit einem medizintechnischen Navigationssystem eine am Kno- chen festgelegte Markiereinrichtung zur Definition einer Referenz erfasst und Lage- und/oder Positionsdaten der Markiereinrichtung vom Navigati- onssystem bereitgestellt werden;
und der Planungsdatensatz an der Anzeigeeinrichtung in räumlicher Be- ziehung, unter Zuordnung charakteristischer Landmarken des Knochens zu korrespondieren charakteristischen Landmarken im Planungsdaten- satz, zum Knochen dargestellt wird.
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