WO2006074954A1 - Method for determining the neutral position of a femur in relation to a pelvic bone, and device for carrying out said method - Google Patents

Method for determining the neutral position of a femur in relation to a pelvic bone, and device for carrying out said method Download PDF

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pelvic
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Cyril Perot
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Definitions

  • the invention relates to a method for determining the neutral position of a femur relative to a pelvic bone.
  • a femoral sagittal plane is determined from the position data of the hip joint center, the knee joint and the ankle in the angled lower leg.
  • the determination of the femoral sagittal plane is based on the finding that, when the lower leg is bent, the ankle is pivoted in the femoral sagittal plane, which in the neutral position of the thigh is actually perpendicular to the anterior pelvic plane and perpendicular to the connecting line of the two anterior superior iliac spines. It is beneficial to palpate the three pelvic bone points to determine the anterior pelvic plane.
  • the hip center can be determined by pivoting the femur relative to the hip joint. Assuming that the hip joint is a ball joint, all points of the thigh that are spaced apart from the hip joint center move on a ball cup around the center of the hip joint.
  • This ball socket can be determined by measurement, for example by means of a navigation system, and from this the ball center can be determined, which coincides with the hip joint center.
  • the position of the knee joint can preferably also be determined by palpation of the patella, and the position of the ankle can also be determined by palpation, for example by palpation of the two lateral ankle projections and / or bony prominences on the front of the lower leg.
  • the invention also relates to a device for carrying out this method, wherein at the pelvic bone and the femur in each case a marking element is set, these marking elements are in terms of their location, so in terms of position and orientation in space, monitored by a navigation system, so that at any moment the location of these marking elements in the room can be determined.
  • the marking elements are fixed to the pelvic bone and the thigh, there is a permanent relationship between the position data of the marking elements on the one hand and the position data of the above-described NEN marking points on the pelvic bone on the one hand and the mechanical femur axis and the sagittal plane on the thigh bone on the other hand, once this relationship is established, it remains the same and by determining the position of the marking can then calculate the respective location of said marker points, connecting lines and levels.
  • a button provided with a marking element is used to determine the marking points, the position of which is also monitored by the navigation system. This makes it possible in a simple manner, to capture the described marking points in terms of their location from the navigation system and to create a corresponding record.
  • FIG. 1 shows a schematic view of the pelvic bone, of the thigh bone and of the lower leg bone of a patient and of a navigation system with a data processing system for determining the position data of endogenous marking points and further geometric data;
  • Figure 2 is a view of the patient similar to the representation of Figure 1 with additional indication of the mechanical femur axis of the femur and
  • FIG. 3 shows a view of the pelvic bone, the thigh bone and the lower leg bone angled at 90 ° Patients indicating the anterior pelvic plane, the mechanical femoral axis and the femoral sagittal plane.
  • a navigation system 1 which emits infrared radiation through three mutually spaced transmitters 2, 3, 4, which impinges on reflector elements of marking elements 5, 6, 7 and from there on as recipients working transmitter 2, 3,4 is reflected back. From the transit time differences and the directions of the reflected radiation, the navigation system at any time determine the exact position and orientation, ie the location of each marking element 5, 6, 7 in space and generate a corresponding record, which are then fed to a data processing system 8 for further processing can.
  • the data processing system is assigned a display unit in the form of a screen 9.
  • Such navigation systems are known per se and can be deviating in a known manner, for example, instead of infrared radiation electromagnetic radiation or ultrasound radiation can be used etc. It is only essential that the navigation system can determine the location of the marking elements in the room at any time and can generate a record.
  • a first marking element 5 is firmly connected to a femur 10 of a patient, for example by means of a bone screw screwed into the bone, to which the marking element 5 is rigidly fastened.
  • the marker 6 is fixedly connected to the pelvic bone 11 of a patient, and finally the marker 7 is rigid with a Tastinstrument 12 connected, which has, for example, a needle-shaped stylus tip 13.
  • the data processing system 8 calculates a plane, which is referred to below as the anterior pelvic plane. This is arranged almost vertically in a standing patient and forms a reference plane for the pelvic bone.
  • the position of the hip joint center 17 is determined.
  • the thigh bone 10 is pivoted relative to the pelvic bone 11.
  • the marking element 5 moves on a spherical shell around the hip joint center point 17.
  • This spherical shell is measured by the navigation system, and the data processing system 8 can determine the position of the hip joint center 17 therefrom, relative to the femur 10, that is, to the marrow. kierelement 5, and relative to the pelvic bone 11, that is to the marking element. 6
  • the position of the knee joint is determined. Since this is not initially opened in the operation, this position is approximately determined by taking a certain point on the patella 18 and defines this as the knee center.
  • the data processing system 8 calculates from the position data of the hip joint center 17 and the knee joint a connecting line, which is referred to as a mechanical femur axis 19 (FIG. 2). Thus, the orientation of this mechanical femur axis relative to the femur 10 and thus against the marking element 5 is determined.
  • the lower leg of the patient is angled relative to the thigh by approximately 90 °, as shown in FIG.
  • the position of the ankle 20 is determined. This can also be done by palpation with the stylus 12, for example, the most prominent points of the two hocks of the foot or on the front of the leg a prominent bone point in the ankle is palpated and from these data, the position of the ankle is determined.
  • the data processing system 8 calculates a plane from the position data of the hip joint center 17, the knee joint and the ankle, this is referred to as femoral sagittal plane 21.
  • the geometric data of this Femursagittalebene 21 relative to the femur 10 are thus known, and thus also relative to the marking element. 5
  • the patient's leg will normally not be oriented relative to the pelvic bone, that is, it will not be in the neutral position.
  • the neutral position is characterized in that the mechanical femoral axis 19 is parallel to the anterior pelvic plane 22 and perpendicular to the connecting line 23 of the two iliac spine anteriores superiores and that the femoral axis 21 is perpendicular to the anterior pelvic plane 22.
  • This assumption is essentially true in most patients, so this description is a very good representation of the neutral position.
  • this position of the leg was not taken when taking the measurement, deviations arise, and these deviations can easily be calculated by the data processing system 8, that is, the coordinate transformations necessary to derive from the actually measured orientations of the femoral axis plane 21 and the mechanical femur axis 19 to reach the corresponding positions in the neutral position. From this transformation data can then also calculate the transformation data describing the transition of the position of the marking element 5 from the actual measurement position to the neutral position or the transition of an inserted into the femur and fixedly connected to this implant.
  • the position of this implant in the femur 10 is either mathematically simulated before the operation, it is said that a certain position of the implant in the femur, for example, using image data of the femur and image data of the implant part, which are copied one above the other, or receives one the position of the implant part after implantation in that also the implant part is navigated, for example by a temporarily rigidly connected to the implant part marking.
  • the data processing system 8 the position of the implant in the neutral position of the femur from the actual position of the implant, which can be determined at any time by determining the position of the thigh bone own marker 5, relative to the pelvic bone 11th

Abstract

The invention relates to a method for determining the neutral position of a femur in relation to a pelvic bone. Said method is characterized by the following steps: determining the anterior pelvic plane from the three points of the pelvic bone 1) left spina iliaca anterior superior, 2) right spina iliaca anterior superior, 3) symphysis pubis (pubic bone); determining a femur sagittal plane from the position data of the hip joint center, the knee joint (100) and the ankle joint at bent lower leg; calculating the angle modifications required to transfer the connecting line of the hip joint center with the knee joint (mechanical femur axis) to a line that in a plane parallel to the anterior pelvic plane runs through the hip joint center and at a right angle to the connecting line of the two spinae iliacae anteriores (150) superiores; and additionally calculating the angle modifications required to orient the femur sagittal plane at a right angle to the anterior pelvic plane.

Description

VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG DER NEUTRALEN POSITION EINES METHOD FOR DETERMINING THE NEUTRAL POSITION OF A
OBERSCHENKELKNOCHENS RELATIV ZU EINEM BECKENKNOCHEN UNDTHOROUGH BIT RELATIVELY TO A BECKENKNOCHEN AND
VORRICHTUNG ZUR DURCHFÜHRUNG DIESES VERFAHRENSDEVICE FOR CARRYING OUT THIS PROCEDURE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der neutralen Position eines Oberschenkelknochens relativ zu einem Beckenknochen.The invention relates to a method for determining the neutral position of a femur relative to a pelvic bone.
Bei der Implantation eines künstlichen Hüftgelenkes ist es unter anderem notwendig, die Beweglichkeit des Oberschenkelknochens relativ zum Beckenknochen nach dem Einsetzen der Implantatkomponenten rechnerisch zu simulieren, um vorhersagen zu können, ob die Verwendung bestimmter Implantatkomponenten und deren bestimmte Orientierung und Positionierung in den Knochen zu der gewünschten maximalen Beweglichkeit führen. Beispielsweise wird dabei geprüft, ob bei gestrecktem Bein eine Drehung des Oberschenkelknochens nach innen und außen in genügendem Maße möglich ist, außerdem bei abgewinkeltem Bein ein Verschwenken nach innen und nach außen. Die Drehachsen, die dieser Überprüfung zugrundegelegt werden, sind relativ zum Beckenknochen feststehende Achsen, und daher ist es wesentlich, daß der Oberschenkel und damit die in ihm implantierten Implantatteile zur Bestimmung dieser Beweglichkeit eine bestimmte Orientierung zum Beckenknochen aufweisen. Man geht davon aus, daß eine neutrale Position dafür geeignet ist, also eine Position, die im wesentlichen der Orientierung des Oberschenkels bei einem stehenden Patienten und bei gestrecktem Bein entspricht.In the implantation of an artificial hip joint, among other things, it is necessary to mathematically simulate the mobility of the femur relative to the pelvic bone after insertion of the implant components in order to predict whether the use of certain implant components and their specific orientation and positioning in the bone to the desired lead maximum mobility. For example, it is checked whether a rotation of the femur inward and outward to a sufficient extent is possible with the leg extended, also with angled leg pivoting inwards and outwards. The axes of rotation that are the basis of this review, are relative to the pelvic bone fixed axes, and therefore it is essential that the thigh and thus implanted implant parts to determine this mobility have a particular orientation to the pelvic bone. It is believed that a neutral position is suitable, that is, a position that substantially corresponds to the orientation of the thigh in a standing patient and leg extended.
Um diese neutrale Position des Oberschenkels relativ zum Beckenknochen in der Praxis zu bestimmen, hat man den Oberschenkelknochen eines Patienten zum Beispiel während einer Operation möglichst genau in diese neutrale Position gebracht. Dies gelingt allerdings nur sehr unvollkommen, da bei einer Operation häufig der Beckenknochen verschwenkt ist und da die Körperteile des Patienten bei der Operation durch Operationstücher abgedeckt und schwer zugänglich sind, außerdem ist eine derart genaue Anordnung bei einem liegenden Patienten problematisch. Aus diesem Grunde war es bisher nur annähernd möglich, eine Neutralposition herzustellen, von der ausgehend dann die gewünschten Simulationsberechnungen durchgeführt werden können.In order to determine this neutral position of the thigh relative to the pelvic bone in practice, the thighbone of a patient has been brought as accurately as possible into this neutral position during an operation, for example. However, this succeeds only very imperfect, as in a Surgery often pelvic bone is pivoted and since the body parts of the patient are covered by surgical drapes and difficult to access during surgery, also such a precise arrangement is problematic in a recumbent patient. For this reason, it has hitherto been only approximately possible to produce a neutral position, from which then the desired simulation calculations can be carried out.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Neutralposition des Oberschenkelknochens relativ zum Beckenknochen in einfacherer Weise bestimmt werden kann.It is an object of the invention to provide a method by which the neutral position of the femur relative to the pelvic bone can be determined in a simpler manner.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art, welches gekennzeichnet ist durch die folgenden Verfahrensschritte:This object is achieved by a method of the type described above, which is characterized by the following process steps:
• Man bestimmt aus den drei Punkten des Beckenknochens• It is determined from the three points of the pelvic bone
1) linke spina iliaca anterior superior (linker oberer Darmbeinstachel)1) left spina iliaca anterior superior (left upper iliac spine)
2) rechte spina iliaca anterior superior (rechter oberer Darmbeinstachel)2) right anterior superior iliac spine (right upper iliac spine)
3) Symphysis pubis (Schambein)3) Symphysis pubis (pubis)
die anteriore Beckenebene.the anterior pelvic plane.
• Man bestimmt die Lage des Hüftgelenkmittelpunktes relativ zum Beckenknochen und relativ zum Oberschenkelknochen. • Determine the location of the hip joint center relative to the pelvic bone and relative to the femur.
• Man bestimmt die Lage des Kniegelenkes relativ zum Oberschenkelknochen,• Determine the position of the knee joint relative to the femur,
• Man beugt den Unterschenkel etwa um 90° gegenüber dem Oberschenkel und bestimmt dann die Lage des Sprunggelenks relativ zum Oberschenkelknochen.• Flex the lower leg about 90 ° with respect to the thigh and then determine the position of the ankle relative to the thighbone.
• Man bestimmt aus den Positionsdaten des Hüftgelenkmittelpunktes, des Kniegelenkes und des Sprunggelenkes bei abgewinkeltem Unterschenkel eine Femursagittalebene.• A femoral sagittal plane is determined from the position data of the hip joint center, the knee joint and the ankle in the angled lower leg.
• Man berechnet die Winkeländerungen, die notwendig sind, um die Verbindungslinie des Hüftgelenkmittelpunktes mit dem Kniegelenk (mechanische Femurachse) in eine Linie zu überführen, die in einer Parallelebene zur anterioren Beckenebene durch den Hüftgelenkmittelpunkt und senkrecht zur Verbindungslinie der beiden Spinae iliacae anteriores superiores verläuft.• Calculates the angle changes necessary to align the line connecting the hip joint center with the knee joint (mechanical axis of the femur) in a plane parallel to the anterior pelvic plane through the midpoint of the hip joint and perpendicular to the connecting line of the two anterior superior iliac spines.
• Und man berechnet zusätzlich die Winkeländerungen, die notwendig sind, um die Femursagittalebene senkrecht zur anterioren Beckenebene zu orientieren.• Additionally, one calculates the angle changes necessary to orient the femoral sagittal plane perpendicular to the anterior pelvic plane.
Aufgrund dieser Verfahrensschritte erhält man also einen Datensatz von Ortskoordinatentransformationen, die beschreiben, wie der Oberschenkel verschwenkt und verdreht werden muß, um in die Neutralposition zu gelangen. Diese Verlagerung wird man nicht körperlich durchführen, sondern nur mathematisch, wobei man auf diese Weise auch mathematisch die Verschiebungen - A -As a result of these method steps, one obtains a data set of location coordinate transformations which describe how the thigh must be pivoted and rotated in order to reach the neutral position. This shift will not be carried out physically, but only mathematically, and in this way also mathematically the shifts - A -
und Verdrehungen von Implantatteilen berechnen kann, die in den Oberschenkel tatsächlich implantiert sind oder auch nur in einem Vormodell theoretisch im Oberschenkel angenommen werden. Man kann daher mathematisch die Implantatteile in eine Position und Lage umrechnen, die der Neutralposition entsprechen, und kann ausgehend von dieser Relativlage der oberschenkelsei- tigen Implantatteile einerseits und der beckenknochenseitigen Implantatteile andererseits, deren Beweglichkeit zueinander in der üblichen Weise berechnen.and calculate rotations of implant parts that are actually implanted in the thigh or even theoretically assumed in the femur in a previous model. It is therefore mathematically possible to convert the implant parts into a position and position that correspond to the neutral position, and based on this relative position of the thigh-side implant parts on the one hand and the pelvic bone-side implant parts on the other hand, calculate their mobility relative to each other in the usual way.
Wesentlich für das beschriebene Verfahren ist es, daß keine Öffnung des Körpers notwendig ist, alle beschriebenen Verfahrensschritte können ohne Eingriff in den Körper einfach durch Bewegungen der Gliedmaßen und Abtasten bestimmter Markierungspunkte aufgefunden werden, und zwar unabhängig davon, in welcher Lage sich der Patient befindet und in welcher Lage die Gliedmaßen relativ zum Beckenknochen angeordnet sind. Es genügt bei diesem Verfahren, in irgendeiner Position des Oberschenkels den Unterschenkel etwa rechtwinklig abzuwinkein, um dann die Lage des Sprunggelenks relativ zum Oberschenkel zu bestimmen, alle übrigen Schritte sind Bestimmungen von körpereigenen Markierungspunkten und Rechenvorgänge, insbesondere ist es also nicht notwendig, den Oberschenkel tatsächlich in die Neutralposition zu bringen.Essential to the method described is that no opening of the body is necessary, all the described method steps can be found without intervention in the body simply by movements of the limbs and scanning certain landmarks, regardless of the position in which the patient is and in which position the limbs are arranged relative to the pelvic bone. It suffices in this method, in some position of the thigh the lower leg about right angles zuwinkein to then determine the position of the ankle relative to the thigh, all other steps are determinations of endogenous marking points and calculations, so it is not necessary in fact the thigh actually to the neutral position.
Der Bestimmung der Femursagittalebene liegt die Erkenntnis zugrunde, daß beim Abwinkein des Unterschenkels der Sprunggelenke in der Femursagittalebene verschwenkt wird, die bei der Neutralstellung des Oberschenkels tatsächlich senkrecht zur anterioren Beckenebene und senkrecht zur Verbindungslinie der beiden Spinae iliacae anteriores superiores liegt. Es ist vorteilhaft, wenn man die drei Beckenknochenpunkte zur Bestimmung der anterioren Beckenebene durch Palpation bestimmt.The determination of the femoral sagittal plane is based on the finding that, when the lower leg is bent, the ankle is pivoted in the femoral sagittal plane, which in the neutral position of the thigh is actually perpendicular to the anterior pelvic plane and perpendicular to the connecting line of the two anterior superior iliac spines. It is beneficial to palpate the three pelvic bone points to determine the anterior pelvic plane.
Der Hüftgelenkmittelpunkt läßt sich durch Verschwenken des Oberschenkelknochens relativ zum Hüftgelenk bestimmen. Unter der Annahme, daß es sich beim Hüftgelenk um ein Kugelgelenk handelt, bewegen sich alle Punkte des Oberschenkels, die im Abstand zum Hüftgelenkmittelpunkt angeordnet sind, auf einer Kugelschale um den Hüftgelenkmittelpunkt. Diese Kugelschale kann durch Messung bestimmt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Navigationssystems, und daraus läßt sich der Kugelmittelpunkt bestimmen, der mit dem Hüftgelenkmittelpunkt zusammenfällt.The hip center can be determined by pivoting the femur relative to the hip joint. Assuming that the hip joint is a ball joint, all points of the thigh that are spaced apart from the hip joint center move on a ball cup around the center of the hip joint. This ball socket can be determined by measurement, for example by means of a navigation system, and from this the ball center can be determined, which coincides with the hip joint center.
Die Lage des Kniegelenkes kann vorzugsweise ebenfalls durch Palpation der Kniescheibe bestimmt werden, und die Lage des Sprunggelenkes läßt sich auch durch Palpation bestimmen, beispielsweise durch Palpation der beiden seitlichen Sprunggelenkvorsprünge und/oder Knochenvorsprüngen auf der Vorderseite des Unterschenkels.The position of the knee joint can preferably also be determined by palpation of the patella, and the position of the ankle can also be determined by palpation, for example by palpation of the two lateral ankle projections and / or bony prominences on the front of the lower leg.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, bei der am Beckenknochen und am Oberschenkelknochen jeweils ein Markierelement festgelegt ist, diese Markierelemente werden hinsichtlich ihrer Lage, also hinsichtlich der Position und Orientierung im Raum, von einem Navigationssystem überwacht, so daß in jedem Augenblick die Lage dieser Markierelemente im Raum festgestellt werden kann.The invention also relates to a device for carrying out this method, wherein at the pelvic bone and the femur in each case a marking element is set, these marking elements are in terms of their location, so in terms of position and orientation in space, monitored by a navigation system, so that at any moment the location of these marking elements in the room can be determined.
Da die Markierelemente an dem Beckenknochen und dem Oberschenkel festgelegt sind, besteht eine dauerhafte Beziehung zwischen den Positionsdaten der Markierelemente einerseits und den Positionsdaten der oben beschriebe- nen Markierungspunkte am Beckenknochen einerseits und der mechanischen Femurachse und der Sagittalebene am Oberschenkelknochen andererseits, wenn diese Beziehung einmal festgestellt ist, bleibt sie gleich und durch Lagebestimmung der Markierelemente kann man dann auch die jeweilige Lage der genannten Markierungspunkte, Verbindungslinien und Ebenen berechnen.Since the marking elements are fixed to the pelvic bone and the thigh, there is a permanent relationship between the position data of the marking elements on the one hand and the position data of the above-described NEN marking points on the pelvic bone on the one hand and the mechanical femur axis and the sagittal plane on the thigh bone on the other hand, once this relationship is established, it remains the same and by determining the position of the marking can then calculate the respective location of said marker points, connecting lines and levels.
Günstig ist es, wenn zur Bestimmung der Markierungspunkte ein mit einem Markierelement versehener Taster verwendet wird, dessen Lage ebenfalls vom Navigationssystem überwacht wird. Damit ist in einfacher Weise möglich, die beschriebenen Markierpunkte hinsichtlich ihrer Lage von dem Navigationssystem erfassen zu lassen und einen entsprechenden Datensatz zu erstellen.It is advantageous if a button provided with a marking element is used to determine the marking points, the position of which is also monitored by the navigation system. This makes it possible in a simple manner, to capture the described marking points in terms of their location from the navigation system and to create a corresponding record.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:The following description of preferred embodiments of the invention is used in conjunction with the drawings for further explanation. Show it:
Figur 1: eine schematische Ansicht des Beckenknochens, des Oberschenkelknochens und des Unterschenkelknochens eines Patienten und eines Navigationssystems mit Datenverarbeitungsanlage zur Bestimmung der Lagedaten von körpereigenen Markierpunkten und weiteren geometrischen Daten;FIG. 1 shows a schematic view of the pelvic bone, of the thigh bone and of the lower leg bone of a patient and of a navigation system with a data processing system for determining the position data of endogenous marking points and further geometric data;
Figur 2: eine Ansicht des Patienten ähnlich der Darstellung der Figur 1 unter zusätzlicher Angabe der mechanischen Femurachse des Oberschenkelknochens undFigure 2 is a view of the patient similar to the representation of Figure 1 with additional indication of the mechanical femur axis of the femur and
Figur 3: eine Ansicht des Beckenknochens, des Oberschenkelknochens und des um 90° abgewinkelten Unterschenkelknochens eines Patienten unter Angabe der anterioren Beckenebene, der mechanischen Femurachse und der Femursagittalebene.FIG. 3 shows a view of the pelvic bone, the thigh bone and the lower leg bone angled at 90 ° Patients indicating the anterior pelvic plane, the mechanical femoral axis and the femoral sagittal plane.
Zur Bestimmung der Neutralposition des Oberschenkels eines Patienten wird ein Navigationssystem 1 verwendet, welches über drei im Abstand zueinander angeordnete Sender 2, 3, 4 eine Infrarotstrahlung aussendet, die auf Reflektorelemente von Markierelementen 5, 6, 7 auftrifft und von dort auf die auch als Empfänger arbeitenden Sender 2, 3,4 zurückgestrahlt wird. Aus den Laufzeitunterschieden und den Richtungen der reflektierten Strahlung kann das Navigationssystem jederzeit die genaue Position und Orientierung, also die Lage, jedes einzelnen Markierelementes 5, 6, 7 im Raum bestimmen und einen entsprechenden Datensatz erzeugen, der dann einer Datenverarbeitungsanlage 8 zur weiteren Bearbeitung zugeführt werden kann. Der Datenverarbeitungsanlage ist unter anderem eine Anzeigeeinheit in Form eines Bildschirmes 9 zugeordnet.To determine the neutral position of the thigh of a patient, a navigation system 1 is used, which emits infrared radiation through three mutually spaced transmitters 2, 3, 4, which impinges on reflector elements of marking elements 5, 6, 7 and from there on as recipients working transmitter 2, 3,4 is reflected back. From the transit time differences and the directions of the reflected radiation, the navigation system at any time determine the exact position and orientation, ie the location of each marking element 5, 6, 7 in space and generate a corresponding record, which are then fed to a data processing system 8 for further processing can. Among other things, the data processing system is assigned a display unit in the form of a screen 9.
Derartige Navigationssysteme sind an sich bekannt und können auch in bekannter Weise abweichend aufgebaut sein, beispielsweise kann statt Infrarotstrahlung elektromagnetische Strahlung oder Ultraschallstrahlung verwendet werden etc. Wesentlich ist nur, daß das Navigationssystem die Lage der Markierelemente im Raum jederzeit bestimmen und daraus einen Datensatz erzeugen kann.Such navigation systems are known per se and can be deviating in a known manner, for example, instead of infrared radiation electromagnetic radiation or ultrasound radiation can be used etc. It is only essential that the navigation system can determine the location of the marking elements in the room at any time and can generate a record.
Ein erstes Markierelement 5 ist fest mit einem Oberschenkelknochen 10 eines Patienten verbunden, beispielsweise mit Hilfe einer in den Knochen eingeschraubten Knochenschraube, an der das Markierelement 5 starr befestigt ist. In ähnlicher Weise ist das Markierelement 6 fest mit dem Beckenknochen 11 eines Patienten verbunden, und schließlich ist das Markierelement 7 starr mit einem Tastinstrument 12 verbunden, welches beispielsweise eine nadeiförmige Tastspitze 13 aufweist. Mit dieser Tastspitze 13 können markante Punkte am Körper eines Patienten angefahren werden, und aus der Lage des Tastinstruments und den geometrischen Daten des Tastinstruments, also der relativen Lage der Tastspitze 13 relativ zum Markierelement 7, kann dann die genaue Lage der Tastspitze im Raum und damit eines von der Tastspitze 13 angefahrenen Punktes des Patienten festgestellt werden.A first marking element 5 is firmly connected to a femur 10 of a patient, for example by means of a bone screw screwed into the bone, to which the marking element 5 is rigidly fastened. Similarly, the marker 6 is fixedly connected to the pelvic bone 11 of a patient, and finally the marker 7 is rigid with a Tastinstrument 12 connected, which has, for example, a needle-shaped stylus tip 13. With this probe tip 13 striking points on the body of a patient can be approached, and from the position of the Tastinstruments and the geometric data of the Tastinstruments, so the relative position of the probe tip 13 relative to the marker 7, then the exact location of the probe tip in space and thus one of the probe tip 13 approached point of the patient are detected.
Zur Bestimmung der Neutralposition des Oberschenkels relativ zum Beckenknochen werden folgende Parameter aufgenommen:To determine the neutral position of the thigh relative to the pelvic bone, the following parameters are recorded:
Mit dem Tastinstrument 12 werden am Beckenknochen drei Markierungspunkte angefahren, nämlich die linke spina iliaca anterior superior 14 (linker Darmbeinstachel), die rechte spina iliaca anterior superior 15 (rechter Darmbeinstachel) und die Symphysis pubis 16 (Schambein). Aus den Datensätzen, die die Lage dieser drei Markierungspunkte beschreiben, berechnet die Datenverarbeitungsanlage 8 eine Ebene, die nachstehend als anteriore Beckenebene bezeichnet wird. Diese ist bei einem stehenden Patienten nahezu senkrecht angeordnet und bildet eine Bezugsebene für den Beckenknochen.With the palpation instrument 12 three marking points are approached on the pelvic bone, namely the left anterior superior iliac spine 14 (left iliac spine), the right anterior superior iliac spine 15 (right iliac spine) and the pubic symphysis pubis 16 (pubis). From the data sets which describe the position of these three marking points, the data processing system 8 calculates a plane, which is referred to below as the anterior pelvic plane. This is arranged almost vertically in a standing patient and forms a reference plane for the pelvic bone.
In einem weiteren Schritt wird die Lage des Hüftgelenkmittelpunktes 17 bestimmt. Dazu wird der Oberschenkelknochen 10 gegenüber dem Beckenknochen 11 verschwenkt. Bei dieser Verschwenkbewegung bewegt sich das Markierelement 5 auf einer Kugelschale um den Hüftgelenkmittelpunkt 17. Diese Kugelschale wird von dem Navigationssystem gemessen, und die Datenverarbeitungsanlage 8 kann daraus die Lage des Hüftgelenkmittelpunktes 17 bestimmen, und zwar relativ zum Oberschenkelknochen 10, das heißt zum Mar- kierelement 5, und relativ zum Beckenknochen 11, das heißt zum Markierelement 6.In a further step, the position of the hip joint center 17 is determined. For this purpose, the thigh bone 10 is pivoted relative to the pelvic bone 11. In this pivoting movement, the marking element 5 moves on a spherical shell around the hip joint center point 17. This spherical shell is measured by the navigation system, and the data processing system 8 can determine the position of the hip joint center 17 therefrom, relative to the femur 10, that is, to the marrow. kierelement 5, and relative to the pelvic bone 11, that is to the marking element. 6
In einem weiteren Schritt wird die Lage des Kniegelenkes bestimmt. Da dies bei der Operation zunächst nicht eröffnet ist, wird diese Lage annähernd dadurch bestimmt, daß man einen bestimmten Punkt auf der Kniescheibe 18 annimmt und diesen als Kniemittelpunkt definiert.In a further step, the position of the knee joint is determined. Since this is not initially opened in the operation, this position is approximately determined by taking a certain point on the patella 18 and defines this as the knee center.
Die Datenverarbeitungsanlage 8 berechnet aus den Lagedaten des Hüftgelenkmittelpunktes 17 und des Kniegelenkes eine Verbindungslinie, die als mechanische Femurachse 19 bezeichnet wird (Figur 2). Damit ist auch die Orientierung dieser mechanischen Femurachse gegenüber dem Oberschenkelknochen 10 und damit gegenüber dem Markierelement 5 bestimmt.The data processing system 8 calculates from the position data of the hip joint center 17 and the knee joint a connecting line, which is referred to as a mechanical femur axis 19 (FIG. 2). Thus, the orientation of this mechanical femur axis relative to the femur 10 and thus against the marking element 5 is determined.
In einem weiteren Schritt wird der Unterschenkel des Patienten gegenüber dem Oberschenkel um etwa 90° abgewinkelt, wie dies in Figur 3 dargestellt ist. In dieser Stellung des Unterschenkels wird die Lage des Sprunggelenks 20 bestimmt. Auch dies kann durch Palpation mit dem Tastinstrument 12 erfolgen, beispielsweise werden die am weitesten herausstehenden Punkte der beiden Sprunggelenke des Fußes oder auf der Vorderseite des Beines ein markanter Knochenpunkt im Bereich des Sprunggelenks ertastet und aus diesen Daten wird die Lage des Sprunggelenks bestimmt. Die Datenverarbeitungsanlage 8 berechnet aus den Lagedaten des Hüftgelenkmittelpunktes 17, des Kniegelenkes und des Sprunggelenkes eine Ebene, diese wird als Femursagittalebene 21 bezeichnet. Die geometrischen Daten dieser Femursagittalebene 21 relativ zum Oberschenkelknochen 10 sind damit bekannt, und damit auch relativ zum Markierelement 5. Bei der beschriebenen Messung wird das Bein des Patienten normalerweise nicht relativ zum Beckenknochen ausgerichtet sein, das heißt es wird sich nicht in der neutralen Position befinden.In a further step, the lower leg of the patient is angled relative to the thigh by approximately 90 °, as shown in FIG. In this position of the lower leg, the position of the ankle 20 is determined. This can also be done by palpation with the stylus 12, for example, the most prominent points of the two hocks of the foot or on the front of the leg a prominent bone point in the ankle is palpated and from these data, the position of the ankle is determined. The data processing system 8 calculates a plane from the position data of the hip joint center 17, the knee joint and the ankle, this is referred to as femoral sagittal plane 21. The geometric data of this Femursagittalebene 21 relative to the femur 10 are thus known, and thus also relative to the marking element. 5 In the measurement described, the patient's leg will normally not be oriented relative to the pelvic bone, that is, it will not be in the neutral position.
Es wird jetzt angenommen, daß die neutrale Position dadurch gekennzeichnet, ist, daß die mechanische Femurachse 19 parallel zur anterioren Beckenebene 22 und senkrecht zur Verbindungslinie 23 der beiden Spinae iliacae anteriores superiores verläuft und daß die Femursagittalebene 21 senkrecht zur anterioren Beckenebene 22 angeordnet ist. Diese Annahme trifft im wesentlichen bei den meisten Patienten zu, so daß diese Beschreibung eine sehr gute Darstellung der Neutralposition ist.It is now assumed that the neutral position is characterized in that the mechanical femoral axis 19 is parallel to the anterior pelvic plane 22 and perpendicular to the connecting line 23 of the two iliac spine anteriores superiores and that the femoral axis 21 is perpendicular to the anterior pelvic plane 22. This assumption is essentially true in most patients, so this description is a very good representation of the neutral position.
Da bei der Aufnahme der Messung diese Lage des Beines nicht eingenommen worden ist, ergeben sich Abweichungen, und diese Abweichungen kann die Datenverarbeitungsanlage 8 ohne weiteres berechnen, daß heißt es werden die Koordinatentransformationen berechnet, die notwendig sind, um aus den tatsächlich gemessenen Orientierungen der Femursagittalebene 21 und der mechanischen Femurachse 19 in die entsprechenden Lagen bei der Neutralstellung zu gelangen. Aus diesen Transformationsdaten lassen sich dann auch die Transformationsdaten berechnen, die den Übergang der Lage des Markierelementes 5 aus der tatsächlichen Meßstellung in die neutrale Position beschreiben oder aber den Übergang eines in den Oberschenkelknochen eingesetzten und mit diesem fest verbundenen Implantates. Die Lage dieses Im- plantates im Oberschenkelknochen 10 wird entweder vor der Operation rechnerisch simuliert, es heißt es wird eine bestimmte Lage des Implantates im Oberschenkelknochen angenommen, beispielsweise unter Verwendung von Bilddaten des Oberschenkelknochens und Bilddaten des Implantatteils, die übereinander kopiert werden, oder aber erhält man die Lage des Implantatteils nach erfolgter Implantation dadurch, daß auch das Implantatteil navigiert wird, beispielsweise durch ein zeitweise starr mit dem Implantatteil verbundenes Markierelement. Auf jeden Fall ist es auf diese Weise der Datenverarbeitungsanlage 8 möglich, aus der tatsächlichen Lage des Implantates, die durch Lagebestimmung des oberschenkelknocheneigenen Markierelementes 5 jederzeit bestimmbar ist, die Lage des Implantates in der Neutralposition des Oberschenkelknochens zu berechnen, und zwar relativ zum Beckenknochen 11.Since this position of the leg was not taken when taking the measurement, deviations arise, and these deviations can easily be calculated by the data processing system 8, that is, the coordinate transformations necessary to derive from the actually measured orientations of the femoral axis plane 21 and the mechanical femur axis 19 to reach the corresponding positions in the neutral position. From this transformation data can then also calculate the transformation data describing the transition of the position of the marking element 5 from the actual measurement position to the neutral position or the transition of an inserted into the femur and fixedly connected to this implant. The position of this implant in the femur 10 is either mathematically simulated before the operation, it is said that a certain position of the implant in the femur, for example, using image data of the femur and image data of the implant part, which are copied one above the other, or receives one the position of the implant part after implantation in that also the implant part is navigated, for example by a temporarily rigidly connected to the implant part marking. In any case, it is possible in this way the data processing system 8, the position of the implant in the neutral position of the femur from the actual position of the implant, which can be determined at any time by determining the position of the thigh bone own marker 5, relative to the pelvic bone 11th
Ohne den Oberschenkelknochen 10 tatsächlich in diese neutrale Position gebracht zu haben, kann also für die Simulation der Bewegungsabläufe eine Position des Implantatteils im Oberschenkelknochen relativ zum Beckenknochen angegeben werden, die der Neutralposition des Oberschenkelknochens entspricht, und damit kann die Simulation der Beweglichkeit realitätsnah durchgeführt werden. Für diesen Vorgang ist es weder notwendig, Eingriffe am Körper vorzunehmen, noch muß das Bein in die Neutralposition gebracht werden, Die beschriebenen Meßwerte sind für den Operateur leicht aufzunehmen und führen zu verläßlichen, gut reproduzierbaren Werten für die Bestimmung der Neutralposition des Oberschenkels. Thus, without having actually brought the thighbone 10 into this neutral position, a position of the implant part in the femur relative to the pelvic bone corresponding to the neutral position of the femur can be given for the simulation of the movement sequences, and thus the simulation of the mobility can be carried out in a realistic manner. For this procedure, it is neither necessary to perform any interventions on the body, nor must the leg be brought to the neutral position. The measured values described are easy for the surgeon to absorb and lead to reliable, easily reproducible values for determining the neutral position of the thigh.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Bestimmung der neutralen Position eines Oberschenkelknochens relativ zu einem Beckenknochen gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:A method for determining the neutral position of a femur relative to a pelvic bone characterized by the following method steps:
• Man bestimmt aus den drei Punkten des Beckenknochens• It is determined from the three points of the pelvic bone
1) linke spina iliaca anterior superior (linker oberer Darmbeinstachel)1) left spina iliaca anterior superior (left upper iliac spine)
2) rechte spina iliaca anterior superior (rechter oberer Darmbeinstachel)2) right anterior superior iliac spine (right upper iliac spine)
3) Symphysis pubis (Schambein)3) Symphysis pubis (pubis)
die anteriore Beckenebene.the anterior pelvic plane.
• Man bestimmt die Lage des Hüftgelenkmittelpunktes relativ zum Beckenknochen und relativ zum Oberschenkelknochen.• Determine the location of the hip joint center relative to the pelvic bone and relative to the femur.
• Man bestimmt die Lage des Kniegelenkes relativ zum Oberschenkelknochen. • Man beugt den Unterschenkel etwa um 90° gegenüber dem Oberschenkel und bestimmt dann die Lage des Sprunggelenks relativ zum Oberschenkelknochen.• Determine the position of the knee joint relative to the thighbone. • Flex the lower leg about 90 ° with respect to the thigh and then determine the position of the ankle relative to the thighbone.
• Man bestimmt aus den Positionsdaten des Hüftgelenkmittelpunktes, des Kniegelenkes und des Sprunggelenkes bei abgewinkeltem Unterschenkel eine Femursagittalebene.• A femoral sagittal plane is determined from the position data of the hip joint center, the knee joint and the ankle in the angled lower leg.
• Man berechnet die Winkeländerungen, die notwendig sein, um die Verbindungslinie des Hüftgelenkmittelpunktes mit dem Kniegelenk (mechanische Femurachse) in eine Linie zu überführen, die in einer Parallelebene zur anterioren Beckenebene durch den Hüftgelenkmittelpunkt und senkrecht zur Verbindungslinie der beiden Spinae iliacae anteriores superiores verläuft.• Calculate the angle changes necessary to align the line connecting the hip joint center with the knee joint (mechanical axis of the femur) in a plane parallel to the anterior pelvic plane through the midpoint of the hip joint and perpendicular to the connecting line of the two anterior superior iliac spines.
• Und man berechnet zusätzlich die Winkeländerungen, die notwendig sind, um die Femursagittalebene senkrecht zur anterioren Beckenebene zu orientieren.• Additionally, one calculates the angle changes necessary to orient the femoral sagittal plane perpendicular to the anterior pelvic plane.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die drei2. The method according to claim 1, characterized in that the three
Beckenknochenpunkte zur Bestimmung der anterioren Beckenebene durch Palpation bestimmt.Pelvic bone points determined by palpation for determination of anterior pelvic plane.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Hüftgelenkmittelpunkt durch Verschwenken des Oberschenkelknochens relativ zum Hüftgelenk bestimmt. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that one determines the hip joint center by pivoting of the femur relative to the hip joint.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lage des Kniegelenkes durch Palpation der Kniescheibe bestimmt.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that one determines the position of the knee joint by palpation of the patella.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Lage des Sprunggelenkes durch Palpation bestimmt.5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that one determines the position of the ankle by palpation.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens einer der Ansprüche 1 bis 5 mit einem Navigationssystem (1), mit am Oberschenkelknochen6. Apparatus for carrying out the method of one of claims 1 to 5 with a navigation system (1), with the femur
(10) und am Beckenknochen (11) eines Patienten festgelegten Markierelementen (5, 6, 7), deren Position und Orientierung durch das Navigationssystem (1) bestimmbar sind, mit einem mit einem Markierelement verbundenen Tastelement und mit einer Datenverarbeitungsanlage (8) zur Verarbeitung der vom Navigationssystem (1) gelieferten Lagedaten der Markierelemente (5, 6, 7) und damit des Oberschenkelknochens (10), des Beckenknochens (11) und des Tastinstruments (12), dadurch gekennzeich net, daß die Datenverarbeitungsanlage so programmiert ist, daß sie aus den drei Punkten des Beckenknochens(10) and marking elements (5, 6, 7) fixed on the pelvic bone (11) of a patient whose position and orientation can be determined by the navigation system (1), with a stylus element connected to a marking element and with a data processing system (8) for processing the position data supplied by the navigation system (1) of the marking elements (5, 6, 7) and thus of the femur (10), the pelvic bone (11) and the Tastinstruments (12), characterized in that the data processing system is programmed so that they from the three points of the pelvic bone
(11) linke spina iliaca anterior superior (14), rechte spina iliaca anterior superior (15) und Symphysis pubis (16) die anteriore Beckenebene (22) bestimmt und daß sie aus der Lage des Hüftgelenkmittelpunktes (17) relativ zum Beckenknochen (11) und relativ zum Oberschenkelknochen (10), der Lage des Kniegelenkes relativ zum Oberschenkelknochen (10) und der Lage des Sprunggelenks (20) relativ zum Ober- schenkelknochen (10) bei um etwa 90° abgewinkeltem Unterschenkel eine Femursagittalebene (21) bestimmt, daß sie die Winkeländerungen berechnet, die notwendig sind, um die Verbindungslinie (19) des Hüftgelenkmittelpunktes (17) mit dem Kniegelenk (mechanische Femur- achse) in eine Linie zu überführen, die in einer Parallelebene zur anterioren Beckenebene (22) durch den Hüftgelenkmittelpunkt (17) und senkrecht zur Verbindungslinie der beiden Spinae iliacae anteriores superiores (14, 15) verläuft, und daß sie zusätzlich die Winkeländerungen berechnet, die notwendig sind, um die Femursagittalebene (21) senkrecht zur anterioren Beckenebene (22) zu orientieren. (11) Left anterior superior iliac spine (14), right anterior superior iliac spine (15), and pubic symphysis (16) determines the anterior pelvic plane (22) and is determined from the location of the hip joint center (17) relative to the pelvic bone (11). and relative to the femur (10), the position of the knee joint relative to the femur (10), and the position of the ankle (20) relative to the upper leg (10). femur bone (10) at about 90 ° angled lower leg Femursagittalebene (21) determines that it calculates the angular changes necessary to the connecting line (19) of the hip joint center (17) with the knee joint (mechanical femur axis) in a Line passing in a plane parallel to the anterior pelvic plane (22) through the hip joint center (17) and perpendicular to the line connecting the two spine iliacae anteriores superiores (14, 15), and that additionally calculates the angle changes that are necessary to orient the femoral axis (21) perpendicular to the anterior pelvic plane (22).
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