DE102008036764A1

DE102008036764A1 - System und Verfahren zur Planung eines chirurgischen Eingriffs

Info

Publication number: DE102008036764A1
Application number: DE102008036764A
Authority: DE
Inventors: Stuart L Axelson; Jens Rueber; José Luis de la Moctezuma; Peter Zimmermann
Original assignee: Stryker Leibinger GmbH and Co KG
Current assignee: Stryker European Operations Holdings LLC
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2008-08-07
Publication date: 2009-03-12
Also published as: US8617174B2; US20130144352A1; US20130144570A1; US8382765B2; US8617173B2; US20090043556A1; JP2009056299A

Abstract

Ein System zur Bewertung eines Passens eines femoralen Implantats an ein distales Ende eines Femurs in einer ausgewählten Ausrichtung, bevor der Femur reseziert wird, enthält Mittel zur Erlangung vordefinierter Formfaktorinformationen für eine Vielzahl femoraler Implantate, Mittel zur Erlangung von Informationen über die Form der Oberfläche eines distalen Endes des Femurs, Mittel zur automatischen Durchführung einer virtuellen Passbewertung jeder möglichen inkrementellen Position eines vordefinierten Satzes inkrementeller Positionen für jede zu berücksichtigende Größe eines Implantats, bevor der Femur reseziert wird, und Mittel zur Auswahl einer optimalen Größe und Position eines Implantats aus den virtuellen Passbeurteilungen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zur Planung eines chirurgischen Eingriffs, wie etwa zur Auswahl einer Größe und einer Position für ein orthopädisches Prothesenimplantat.
Hintergrund
Computerunterstützte chirurgische Systeme für orthopädische und/oder Arthroplastie-Operationen sind sowohl für das Planen als auch für das Durchführen unterschiedlicher Operationen nützlich. Ein bekanntes System und ein Verfahren sind in der US-Patentanmeldung Nr. 11/290,039 beschrieben, die am 30. November 2005 eingereicht wurde. Ein weiteres bekanntes System und ein Verfahren sind in der US-Patentanmeldung Nr. 10/961,455 beschrieben, die am 8. Oktober 2004 eingereicht und als US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2006/0095047 veröffentlicht wurde.
Wie schematisch in 1 gezeigt ist, beinhaltet der chirurgische Eingriff einer totalen Kniearthroplastie-Operation ein Entfernen betroffener Teile eines distalen Endes eines Femurs 10, einschließlich des lateralen Kondylus 12 und des medialen Kondylus 14 sowie eines gegenüberliegenden proximalen Endes der Tibia 16, und das Ersetzen der entfernten Knochenabschnitte durch Prothesen, die ein Femur-Implantat 18 zur Befestigung am Femur und ein tibiales Implantat 20, das eine Grundplatte 22 zur Befestigung an der Tibia und eine artikulare Oberfläche 24 aufweist, enthalten. Um dies zu erreichen, reseziert ein Chirurg die Kondylen am distalen Ende des Femurs so, dass sie eine Form aufweisen (mit gestrichelten Linien gezeigt), die komplementär zu einer inneren Oberfläche 26 des femoralen Implantats 18 ist, um das femorale Implantat darauf aufzunehmen. Der Chirurg reseziert auch das proximale Ende der gegenüberliegenden Tibia 16 in einer Form (gestrichelte Linien zeigen verdeckte Kanten), welche die komplementäre Grundplatte 22 aufnimmt. Das femorale Implantat 18 und die Grundplatte 22 werden beispielsweise mit Haftmitteln oder Befestigern an den jeweiligen Knochen 10 und 16 befestigt, und die artikulare Oberfläche 24 wird an der dem femoralen Implantat zugewandten Grundplatte befestigt. Nachdem die Patella (der Klarheit halber nicht gezeigt) und weiches Gewebe, einschließlich Sehnen und Muskeln (der Klarheit halber nicht gezeigt), wieder korrekt um das Knie herum angeordnet wurden, ist das femorale Implantat 18 in der Lage, auf der Gelenkoberfläche 24 in einer Weise abzuwinkeln, die einer natürlichen Kniebewegung ähnelt.
Ein Navigationssystem kann verwendet werden, um während der totalen Knieaustausch-Operation Daten zu sammeln, um eine Abbildung (oder "Karte") relevanter Abschnitte des Patienten, wie beispielsweise des Femur 10, der femoralen Kondylen 12 und 14, der Tibia 16 und des tibialen Plateaus, der Fibula und der Patella zu erstellen, welche dann auf einer Anzeige, beispielsweise einem Video- oder einem Computermonitor, angezeigt werden können. Ein mögliches Abbildungssystem kann beispielsweise ein Navigationssystem, wie es in der veröffentlichten Patentanmeldung Nr. 2001/0034530 offenbart ist, in Kombination mit einer Verfolgungseinrichtung, wie sie in der veröffentlichten US-Patentanmeldung Nr. 2005/0199250, veröffentlicht am 15. September 2005, offenbart ist, verwenden. Bei anderen möglichen Systemen können die Abbildungsdaten mittels anderer bekannter präoperativer und/oder intraoperativer Techniken erlangt werden. Mit Hilfe der Abbildung ist ein Chirurg dann in der Lage, die verbleibenden Schritte des Eingriffs, einschließlich des Wählens einer bestimmten Größe und/oder Form einer Ersatzprothese, virtuell zu planen und dann Resektionen virtuell anzuordnen, um ein gewünschtes endgültiges Passen und eine Lage der Prothese auf dem verbleibenden Knochen zu erhalten. Dieser Schritt kann mit Hilfe einer Datenbank bekannter Prothesenformen und/oder -größen, die dann mit den akquirierten Abbildungsdaten verglichen und nebeneinander und/oder überlagert auf dem Anzeigemonitor angezeigt werden, durchgeführt werden. Nachdem die Operation mit Hilfe der Abbildungs- und Prothesen-Formfaktor-Daten vollständig geplant wurde, kann das Navigationssystem dazu verwendet werden, die physischen Schritte der Operation, zum Beispiel das Durchführen der verschiedenen Resektionen, so zu führen bzw. zu überwachen, dass der Chirurg plangemäß mit der Operation vorankommen kann. In anderen Verfahren können die Schritte zur Durchführung des Operationsplans ohne die Hilfe eines virtuellen Navigationssystems mittels anderer bekannter Layouttechniken durchgeführt werden.
Die Schritte des Auswählens einer bestimmten Prothese und des Auswählens einer bevorzugten Anordnung der Prothese auf dem vorhandenen Knochen waren bis jetzt vollständig oder zu großen Teilen vom Geschick und der Erfahrung derjenigen Person abhängig, die die Operation plante, wie zum Beispiel des Chirurgen. Der Chirurg musste beispielsweise in einem Verfahren des visuellen Auswählens und des Abstimmens der Prothese eine spezifische Größe der Prothese auf der Basis seiner oder ihrer Erfahrung in einem virtuellen Vergleich mit der Abbildung des Knochens auswählen, nachdem er die Abbildung der relevanten Knochen erhalten hatte. Dann musste der Chirurg – nachdem er dem Computer angezeigt hatte, welche Prothese verwendet wird – die Position der Prothese gegenüber der Form des entsprechenden Knochens (wie virtuell einander überlagert auf dem Anzeigeschirm dargestellt) durch Versuch und Irrtum abstimmen, bis eine gewünschte Position ausgewählt wurde. Der Chirurg musste dann den Computer dazu veranlassen, die gewählte Position bezüglich der Abbildung aufzuzeichnen, und diese Informationen dann dazu verwenden, die verbleibenden Schritte der Operation zu leiten. Andere Techniken können einfach eine Prothesengröße und -position auf der Basis eines einzelnen Parameters auswählen, beispielsweise dem Minimieren oder Eliminieren von Stufen oder Kerben in einer resezierten Oberfläche des Knochens, die lokale Beanspruchungs-Konzentrationspunkte hervorrufen können, an denen ein vorzeitiger Defekt wahrscheinlicher auftreten könnte.
Das Verfahren des visuellen Auswählens und Abstimmens der Prothese kann zu gewissen Schwierigkeiten führen. Eine Schwierigkeit – das Auswählen der richtigen Größe der Prothese – ist durch die Fähigkeit des Chirurgen bedingt, die richtige Größe allein auf der Basis der Abbildungsinformationen der Knochen auszuwählen. Eine weitere Schwierigkeit – Positionieren der Prothese in der besten Anordnung bezüglich des Knochens – ist sowohl durch die Größe der durch den Chirurgen ausgewählten Prothese, als auch durch die Fähigkeit des Chirurgen, die optimale Positions-Anordnung zu visualisieren, bedingt. Eine Konsequenz des Auswählens einer nicht-optimalen Position und/oder Größe der Prothese kann das Erzeugen einer Kerbe oder eines Gebietes sein, in dem die Begrenzung der Prothese und die Oberfläche des Knochens nicht gut aneinander angepasst sind und einen unerwünscht großen Seitenschlag ("run-out") des resezierten Abschnitts des Knochens jenseits eines Endes der Prothese erfordern, oder eines großen Überhangs oder eines großen Spalts zwischen dem Ende der Prothese und ungeschnittenen Abschnitten des Knochens. Eine Hauptbeschränkung der Fähigkeit des Chirurgen, die Operation auf die effizienteste Weise zu planen, ist, dass Zeit ein bestimmender Faktor während einer chirurgischen Operation ist, und damit die Zeit zu minimieren ist, während derer der Patient aufgeschnitten ist, wobei es häufig so ist, dass eine Planung nur begonnen und/oder beendet werden kann, nachdem der Patient aufgeschnitten wurde.
Es wäre daher wünschenswert, über ein System und ein Verfahren zu verfügen, die es ermöglichen können, ein genaueres und zeiteffizienteres Planen der Operation durchzuführen, um ein Planen einer optimalen Größe und Position der Prothese zu unterstützen, um die Erzeugung von Kerben im Knochen und andere Leistungsschwächen und/oder weniger wünschenswerte Design- bzw. Konzeptalternativen auszuschließen oder zu minimieren.
Abriss der Erfindung
Nach einem Aspekt der Erfindung enthält ein System zur Bewertung eines Passens eines femoralen Implantats an ein distales Ende eines Femurs in einer ausgewählten Ausrichtung, bevor der Femur reseziert wird, Mittel zur Erlangung vordefinierter Formfaktorinformationen für eine Vielzahl femoraler Implantate, Mittel zur Erlangung von Informationen über die Form der Oberfläche eines distalen Endes des Femurs, Mittel zur automatischen Durchführung einer virtuellen Passbewertung jeder möglichen inkrementellen Position eines vordefinierten Satzes inkrementeller Positionen für jede zu berücksichtigende Größe eines Implantats, bevor der Femur reseziert wird, und Mittel zur Auswahl einer optimalen Größe und Position eines Implantats aus den virtuellen Passbeurteilungen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein System zur virtuellen Planung einer Größe und einer Position eines protethischen Implantats für einen Knochen eines Patienten eine Datenbank, die vordefinierte Formfaktor-Informationen für eine Vielzahl unterschiedlicher Implantate enthält, eine Schaltung zur Erlangung von Informationen über die Form der Oberfläche des Knochens, eine Schaltung zur Definition von Basis-Lageparametern für eine Lage eines Implantats bezüglich einer virtuellen Darstellung des Knochens auf der Basis der Informationen über die Form der Oberfläche, eine Schaltung zur Bewertung einer Passberechnung für jedes Implantat bezüglich der virtuellen Repräsentation des Knochens basierend auf den Formfaktor-Informationen und einer Vielzahl von Passfaktoren an jedem einer Vielzahl von inkrementellen Positionen bezüglich des Knochens, und eine Schaltung zur Auswahl einer am besten passenden Größe und Position des Implantats aus allen Passberechnungen.
Nach noch einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein computerlesbares Medium zum automatischen virtuellen Berechnen einer optimalen Größe und Position eines prothetischen Implantats für einen Knochen ein Programm, das eine erste Routine zum Erlangen vordefinierter Formfaktor-Informationen für eine Vielzahl von Implantaten unterschiedlicher Größen, eine zweite Routine zum Erlangen von Informationen über die Form der Knochenoberfläche, eine dritte Routine zum Definieren Basis-Lageparametern für eine Lage eines Implantats bezüglich einer virtuellen Dar stellung des Knochens, eine vierte Routine zum Bewerten einer Passberechnung für jedes Implantat bezüglich der virtuellen Darstellung des Knochens auf der Basis einer Vielzahl von Passkriterien an jeder der Vielzahl von inkrementellen Positionen bezüglich des Knochens, und eine fünfte Routine zum Auswählen einer optimalen Größe und Position des Implantats aus allen Passbewertungen auf der Basis eines gewichteten Vergleichs jeder Passberechnung für jedes der Vielzahl von Passkriterien enthält.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum virtuellen Planen einer Größe und Position eines prothetischen Implantats für einen Knochen an einem Patienten die Schritte des Erlangens vordefinierter Formfaktor-Informationen für eine Vielzahl unterschiedlicher Implantate, des Erlangens von Informationen über die Form der Oberfläche des Knochens, des Definierens von Basis-Lageparametern für eine Lage des Implantats bezüglich einer virtuellen Darstellung des Knochens, des Bewertens einer Passberechnung jedes Implantats bezüglich der virtuellen Repräsentation des Knochens auf der Basis einer Vielzahl von Passfaktoren an jeder einer Vielzahl von inkrementellen Positionen bezüglich des Knochens, und des Auswählens eines am besten passenden Implantats und einer am besten passenden Position aus allen Passberechnungen.
Nach noch einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bewerten eines Passens eines femoralen Implantats an ein distales Ende eines Femurs in einer ausgewählten Ausrichtung bevor der Femur reseziert wird, die Schritte des Erlangens vordefinierter Informationen über Formfaktoren des femoralen Implantats, des Erlangens von Informationen über die Form der Oberfläche des distalen Endes des Femurs, und des Durchführens einer virtuellen Passbewertung an jeder aller möglichen inkrementellen Positionen eines vordefinierten Satzes inkrementeller Positionen für ein Implantat jeder zu berücksichtigenden Größe, bevor der Femur reseziert wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Explosionsansicht eines Teils der an einer totale Knie-Arthroplastie beteiligten Knieknochen und Prothesen;
2 ist eine schematische Ansicht eines Knies eines Patienten, das für einen chirurgischen Knieaustausch-Eingriff mittels Komponenten einer Ausführungsform eines chirurgischen Navigationssystems vorbereitet wurde;
3 ist ein Flussdiagramm eines Aspekts der vorliegenden Offenbarung;
4 ist ein Flussdiagramm eines anderen Aspekts der vorliegenden Offenbarung;
4A ist ein Flussdiagramm eines weiteren Aspekts der vorliegenden Offenbarung;
4B ist ein Flussdiagram noch eines weiteren Aspekts der vorliegenden Offenbarung;
4C ist ein Flussdiagramm noch eines zusätzliches Aspekts der vorliegenden Offenbarung;
5A–5E sind schematische Darstellungen von Schritten, die in 4A gezeigt sind;
6A–6C sind schematische Darstellungen von Optionen, die in 4D gezeigt sind;
7 ist ein Bildschirmfoto, das einen Aspekt eines Hauptnavigationsmenüs eines Systems der vorliegenden Offenbarung zeigt;
8 ist ein Bildschirmfoto, das einen Aspekt einer Funktion des Systems zur Abbildung von Knochen zeigt;
9 ist ein Bildschirmfoto, das einen Aspekt einer anderen Funktion des Systems zur Abbildung von Knochen zeigt;
10 ist ein Bildschirmfoto, das einen Aspekt einer Funktion des Systems zur Positionierung des Implantats zeigt;
11 ist ein Bildschirmfoto, das einen anderen Aspekt der Funktion des Systems zur Positionierung und Größenbestimmung des Implantats zeigt;
12 ist ein Bildschirmfoto, das eine manuelle Funktion des Systems zur manuellen Modifikation zeigt; und
13 ist ein Bildschirmfoto, das ein andere manuelle Funktion des Systems zur manuellen Modifikation zeigt.
14 zeigt Bildschirmfotos zusätzlicher Funktionen des Systems;
15 zeigt Bildschirmfotos einer Funktion des Systems zur Positionierung eines Implantats;
16A und 16B zeigen detaillierte Ausschnitte des Bildschirmfotos von 15;
17 ist eine schematische Ansicht eines Kniegelenks, das Dreh- und Extensionsspalte zeigt;
18 zeigt Bildschirmfotos einer Funktion des Systems zum Erfassen eines Femurs;
19 ist eine weitere schematische Ansicht eines distalen Endes eines Femurs, das einen medialen/lateralen Überhang des Implantats zeigt;
20 zeigt Bildschirmfotos einer Funktion des Systems zur Rücksetzung der proximalen Tibia;
21 zeigt ein Bildschirmfoto der Funktion zur Ausrichtung des Implantats und eine schematische Ansicht eines resezierten Kniegelenks mit einem darin eingeführten Spreizer;
22 ist eine schematische Darstellung eines weiteren Aspekts des Systems;
23 ist eine schematische Darstellung eines Röntgenbildes eines beschädigten Kniegelenks;
24 zeigt ein Bildschirmfoto noch eines weiteren Aspekts des Systems;
25 ist eine schematische Darstellung eines distalen Endes eines Femurs mit überlagerten biomechanische Informationen enthält;
26 zeigt ein Bildschirmfoto noch eines weiteren Aspekts des Systems;
27 ist eine schematische Darstellung eines Kniegelenks mit chirurgischen Werkzeugen zur Verwendung während einer totalen chirurgischen Kniegelenks-Austausch-Operation;
28 zeigt Bildschirmfotos eines weiteren Aspekts des Systems; und
29 zeigt Bildschirmfotos noch eines weiteren Aspekts des Systems.
Ausführliche Beschreibung
Wie in 2 schematisch dargestellt ist, kann ein Bein 30 eines Patienten für eine Knie-Austausch-Operation derart vorbereitet werden, dass das Bein 30 so abgewinkelt wird, dass der Oberschenkel oder Femur 32 des Patienten in einem Winkel von annähernd 90 Grad zum Unterschenkel oder zur Tibia 34 des Patienten liegt. Diese Stellung des Beins 30 bringt das Knie 36 des Patienten in Position für die Operation. Zwei Tracker bzw. Verfolgungseinrichtungen 38, die mit einer einem computerunterstützten chirurgischen Navigationssystem 42 zugeordneten Kamera 40 kommunizieren können, sind dem Femur 32 und der Tibia 34 derart zugeordnet, dass sich die Verfolgungseinrichtungen 38 mit dem Femur 32 bzw. der Tibia 34 bewegen. Die Zuordnung kann durch direktes Anbringen an den entsprechenden Knochen oder durch andere mögliche Zuordnungsverfahren erfolgen. Das computerunterstützte chirurgische Navigationssystem 42 ist in einer Ausführungsform eines, das im Stand der Technik wohl bekannt ist und hier nicht weiter beschrieben wird. Passende chirurgische Navigationssysteme 42 sind in der US-Patentveröffentlichung Nr. 2001/0034530 beschrieben. Ein typisches Navigationssystem 42 enthält auch eine Anzeigeeinrichtung 44, z. B. einen Computer- oder Videomonitor. Zusätzlich verwenden die meisten Navigationssysteme 42 auch spezialisierte Werkzeuge, z. B. einen Zeiger 46, der zuvor kalibriert wurde, um mit dem Navigationssystem 42 zusammenzuwirken. Die Kalibrierung des Zeigers 46 ermöglicht es dem Navigationssystem 42, die genaue Lage einer Zeigerspitze 48 zu bestimmen, indem die Lage einer Reihe von Lageeinrichtungen 50, zum Beispiel auf dem Zeiger 46 angebrachter LEDs, bestimmt wird. Diese Lageeinrichtungen 50 sind in einer anderen Ausführungsform von der gleichen Art wie diejenigen, die für die Verfolgungseinrichtungen 38 verwendet werden.
3 veranschaulicht eine Ausführungsform eines Verfahrens 70 zum Durchführen einer chirurgischen Prothesen-Implantations-Operation. Das Verfahren 70 ist in einer Ausführungsform dazu eingerichtet, mit Hilfe des computerunterstützten Navigationssystems 42 durchgeführt zu werden, welches sowohl die Planung Schritt für Schritt als auch die Ausführung der chirurgischen Operation leitet, wie nachstehend genau beschrieben wird. Das Verfahren 70 ist jedoch nicht zur Verwendung mit irgendeinem bestimmten Durchführungssystem beschränkt und kann auch zur Verwendung und/oder Durchführung mit anderen Systemen angepasst werden, die in der Lage sind, die Schritte des Verfahrens durchzuführen. Lediglich zum Zweck eines Beispiels sind das Verfahren und das System der vorliegenden Offenbarung im Zusammenhang mit Planung und Durchführung einer totalen Knie-Arthroplastie oder einer totalen chirurgischen Knie-Austausch-Operation gezeigt. Es ist jedoch zu verstehen, dass das Verfahren und das System mit kleinen Veränderungen bei anderen chirurgische Operationen angewandt werden kann, ohne vom Geist des detaillierten Beispiels abzuweichen.
In einer Ausführungsform beginnt das Verfahren 70 mit dem Schritt des Anlegens einer Patientendatei, die in einer Ausführungsform in computerlesbarer Form vorliegt, und dem Eintragen von Daten für vorbestimmte Parameter, wie zum Beispiel dem Patientennamen, des Datums, der chirurgischen Operation etc. mittels einer Routine 72 zur Eingabe von Patientendaten. Anschließend wird ein Navigationssystem, wie das Navigationssystem 42, eingerichtet, was den Schritt des Bestätigens der Position eines Zeigers, wie des Zeigers 46, mit einer System-Einrichtungsroutine 74 enthalten kann. Nach dem Erfassen wird die Lage des Patienten beispielsweise mit dem Zeiger mittels einer Routine 76 zur Erfassung (oder "Registrierung") des Patienten mit dem Navigationssystem erfasst, die in einer Ausführungsform eine Unterroutine zur Definition eines Verifikationspunkts, eine Unterroutine 78 zur Erfassung des Femur, eine Unterroutine 80 zur Erfassung der Tibia, zur Bestätigung, an welchem Bein operiert wird, und eine Unterroutine 82 zur Überprüfung der Erfassung enthält. Während der Unterroutine 78 zur Erfassung des Femur wird eine detaillierte Vermessung der relevanten Oberflächen des Femurs durchgeführt, die wenigstens den anterioren Kortex und die am weitesten proximalen, distalen, medialen und lateralen Punkte der lateralen und medialen Kondylen mittels passender Vermessungsinstrumente enthält, wie anschließend zusätzlich genau ausgeführt wird. In ähnlicher Weise wird eine Vermessung der relevanten Oberflächen der Tibia während der Unterroutine 80 zur Erfassung der Tibia durchgeführt. Daten bezüglich anderer relevanter biomechanischer Eigenschaften des Patienten, wie die Kinematik des betreffenden Gelenks, können ebenfalls während der Routine 76 zur Erfassung des Patienten durch direkte Beobachtung und/oder Interpolation gesammelt werden. Daten aus den Vermessungen werden dann mit dem Computer verarbeitet, um ein virtuelles Bild oder eine virtuelle Abbildung der vermessenen Oberflächen zur Anzeige auf dem Anzeigeschirm und zur Verwendung während der verbleibenden Schritte der chirurgischen Operation 70 zu erstellen. Nachdem der Patient mit dem Navigationssystem erfasst wurde, kann der Chirurg relevante biomechanische Eigenschaften des betroffenen Gebietes, wie zum Beispiel die präoperative Ausrichtung des Knies, mit einer Routine 84 zur Analyse der ursprünglichen Ausrichtung analysieren. Während der Routine 84 zur Analyse der ursprünglichen Ausrichtung kann der Chirurg in einer Ausführungsform eine Tabelle aufzeichnen, Varus-/Valgus-Winkel des Knies analysieren und/oder Kurven aufzeichnen. Die von der Routine 76 zur Erfassung des Patienten und der Routine 84 zur Erfassung der ursprünglichen Ausrichtung gesammelten Informationen werden in einer Routine 86 zur Bestimmung einer Größe und Position des Implantats verwendet, um eine endgültige Implantatsgröße und einen Positionsplan auf eine neue Weise zu erlangen, wie im Folgenden genau beschrieben wird. Der endgültige Plan für eine Größe und Position des Implantats kann dann verwendet werden, um verbleibende Schritte der chirurgischen Operation zu führen und/oder zu unterstützen, wie zum Beispiel das Resizieren der Knochen während einer Routine 88 zur Resektion der Knochen, das Anbringen und Analysieren einer Probeausrichtung einer Probeprothese während einer Routine 90 zur Analyse der Probeausrichtung, ein Anbringen und Analysieren einer endgültigen Anbringung einer endgültigen Prothese während einer Routine 92 zur Analyse der endgültigen Ausrichtung, und ein Erstellen eines Reports (oder Berichts) der Operation während einer Routine 94 zur Anzeige eines Reports gemäß wohl bekannten chirurgischen Navigationstechniken und computerunterstützten Datenverarbeitungstechniken.
Sich jetzt den 4–6C zuwendend, wird eine Ausführungsform der Routine 86 zur Bestimmung einer Größe und Position des Implantats offenbart, während derer eine optimale Implantatsgröße und ein Positionsplan, einschließlich einer optimalen Größe und Position eines angegebenen femoralen Implantattyps, automatisch durch Bewerten einer Vielzahl von Passparametern für jede mögliche Kombination einer Reihe möglicher Größen und einer Reihe möglicher Positionen auf der Basis eines Satzes von priorisierten Parametern mittels einer automatischen Unterroutine 100 zur Optimierung einer Größe und Positionierung berechnet wird. In einer Ausführungsform wählt die automatische Unterroutine 100 zur Optimierung von Größe und Positionierung automatisch ein femorales Implantat in einer optimalen Größe und eine Anbringungsposition des femoralen Implantats am distalen Ende des Femurs auf eine Weise, wie sie schematisch und ausführlicher in 4A gezeigt wird, die nur starre Knochenformen und femorale Implantatsformparameter betrachtet und kein weiches Gewebe oder andere anatomische Bedingungen, wie die Größe und das Geschlecht des Patienten berücksichtigt, welche auch einen endgültigen Plan zur Bestimmung einer Größe und Position der Prothesen beeinflussen können, die vom Chirurgen verwendet werden, um die Implantate tatsächlich am Patienten zu befestigen. Daher kann die automatisch berechnete optimale Implantatsgröße und der Positionsplan anschließend durch entsprechende Eingaben des Chirurgen in einer Routine 102 zur Verkleinerung des Implantats (4B) und/oder einer Routine 104 (4C) zur Veränderung der Implantatsposition manuell abgestimmt werden, wie es der Chirurg für richtig hält, um eine oder mehrere abgestimmte Implantatsgrößen und Positionierungspläne zu erstellen. Die abgestimmten Pläne zur Bestimmung einer Größe und einer Positionierung des Implantats werden in einer Ausführungsform bezüglich eines Passens an den Knochen durch den Chirurgen bewertet. Der Chirurg wählt dann den endgültigen Implantatsgrößen- und Positionsplan zum Durchführen der verbleibenden Schritte aus der Gesamtheit der in einem Schritt 108 betrachteten früheren Pläne auf der Basis seines oder ihres Wissens und seiner oder ihrer Erfahrung.
In einer in den 4A und 5A–5E genauer gezeigten Ausführungsform der automatischen Unterroutine 100 zur Bestimmung einer Größe und einer Positionierung bewertet ein vorbestimmter Satz von Berechnungen automatisch sequentiell das Passen der femoralen Prothese jeder Größe – etwa von der kleinsten bis zur größten – mit der Form des Knochens in jeder Position mit zwei Freiheitsgraden für vier priorisierte Passkriterien. In einer Ausführungsform zum Anpassen eines femoralen Implantats an ein distales Ende des Femurs beinhalten die vier priorisierten Passkriterien: den maximalen Seitenschlag der anterioren Resektion von dem Umriss (bzw. der Kontur oder Fläche) des proximalen Endes des anterioren Abschnitts des Implantats, den Prozentsatz des auf geschnittenem Knochen liegenden Umrisses (bzw. der Kontur oder Fläche) des proximalen Endes des anterioren Abschnitts des Implantats, den Prozentsatz des Umrisses (bzw. der Kontur oder Fläche) des Endes des anterioren Abschnitts des Implantats, der an oder über ungeschnittenem anterioren Kortexknochen liegt, und den maximalen Spalt zwischen dem Implantat und der ungeschnittenen Oberfläche des anterioren Kortex. Beispielsweise kann das erste Kriterium darin bestehen, dass der Seitenschlag nicht mehr als 12 mm betragen darf. Das zweite Kriterium kann darin bestehen, dass wenigstens 60% des Umrisses des proximalen Endes der inneren Oberfläche des anterioren Abschnitts des Implantats auf geschnittenem Knochen liegt. Das dritte Kriterium kann darin bestehen, dass wenigstens 1% des Umrisses des proximalen Endes des anterioren Abschnitts des Implantats auf oder über ungeschnittenem anteriorem Kortexknochen liegt. Das vierte Kriterium kann darin bestehen, dass der maximale Spalt zwischen dem proximalen Umriss des Implantats und dem ungeschnittenen anterioren Kortex vorzugsweise kleiner als 1,5 mm ist. Es wird berechnet, dass eine Kerbe vorhanden ist, falls entweder der maximale Seitenschlag größer als 12 mm ist oder der gesamte Umriss des proximalen Endes des anterioren Abschnitts des Implantats auf reseziertem anteriorem Kortexknochen liegt. In einer Ausführungsform wird der vorbestimmte Satz von Berechnungen elektronisch durch den Computer durchgeführt, der das Navigationssystem 42 steuert, und die Berechnungen basieren auf den Vermessungsdaten, die während der Routine 76 zur Erfassung des Patienten erhalten wurden sowie einer vorgefüllten Datenbank, die Formfaktor-Informationen für eine vorbestimmte Gruppe von Prothesen eines oder mehrerer Typen von Prothesen und für jede einer Vielzahl von Größen jedes Typs von Prothesen enthält, auf die vom Computer zugegriffen werden kann, wie zum Beispiel auf ein elektronisches Speichersystem. In anderen Ausführungsformen wird der vorbestimmte Satz Berechnungen von einem anderen elektronischen Computer und/oder durch andere Rechenmaschinen und/oder mit menschlicher Hilfe durchgeführt und die Vermessungsdaten werden durch andere Verfahren erlangt, die in der Lage sind, die erforderlichen anatomischen Informationen bezüglich der vorliegenden Knochen bereitzustellen. In einer Ausführungsform wählt der Chirurg auf der Basis anderer Faktoren einen Prothesentyp aus und der Computer bewertet dann das Passen für jede Größe und Position des ausgewählten Typs, wie hier unmittelbar anschließend beschrieben wird.
Bevor die automatische Unterroutine 100 zur Optimierung einer Größe und einer Positionierung eingeleitet wird, kann der Chirurg zuerst eine angestrebte Rekonstruktionsposition, die auf Design- oder Konzept-Parametern zum Abstimmen eines ausgewählten Varus-/Valgus-Winkels, eines Rotationswinkels und/oder einer Position auf den Oberflächen der posterioren Kondylen und der distalen Kondylen basiert. Wie schematisch in 5 dargestellt ist, definiert die Rekonstruktionsposition eine Konzept-Grundlinie oder -Basis 110 für die distalen Oberflächen der Kondylen und eine Konzept-Grundlinie oder -Basis 112 für die posterioren Oberflächen der Kondylen, das sind die Oberflächen, die der Chirurg ursprünglich mit der endgültigen Implantatsgröße und dem Positionsplan konstant zu halten hofft. Nachdem die Oberflächen der rekonstruierten distalen und posterioren Kondylen festgelegt worden sind, wird in einem ersten Schritt 114 einer Ausführungsform ein Implantat 118A einer ersten Größe, z. B. einer kleinsten Größe, ausgewählt, und Formfaktor-Informationen dafür werden aus einer Implantatsformfaktor-Datenbank 116 abgerufen. In einem Schritt 118 wird das Implantat 118A der ersten Größe auf der Abbildung bzw. Darstellung des Femurs 10 angeordnet, wobei die distale Position des Kondylus und die posteriore Position des Kondylus zu jedem Zeitpunkt an den rekonstruierten Konzeptgrundlinien 110 und 112 gehalten werden. Der Schritt 118 ordnet das Implantat 118A der ersten Größe an einer Vorgabeposition von 0° Flexion und 0,0 mm anteriorer/posteriorer Verschiebung (A/P-Verschiebung) bezüglich einer mechanischen Achse 120 des Femurs 10 an. Das Passen des Implantats 118A der ersten Größe wird während eines Schritts 122 mittels der oben angegebenen vier Kriterien bewertet, um wenigstens eine Kerbenbildung, wie als 124 in 5A gezeigt, zu bewerten. Falls die A/P-Verschiebung nicht die maximale A/P-Verschiebung für den gegenwärtigen Flexionswinkel ist, wird die A/P-Verschiebung in einem Schritt 126 anterior inkrementiert, in einer in 5B schematisch gezeigten Ausführungsform z. B. um 0,5 mm, und das Passen in dieser neuen Position wird in Schritt 122 bewertet. Dieser Kreislauf von Schritten 122 und 126 wird wiederholt, bis die maximale A/P-Verschiebung bei einem vorgegebenen Flexionswinkel bewertet wurde, woraufhin der Flexionswinkel in einem Schritt 128 inkrementiert wird, wie schematisch in 5C gezeigt ist, die A/P-Verschiebung in Schritt 130 auf die Vorgabeposition zurückgesetzt und das Passen des neuen Flexionswinkels in Schritt 122 bewertet wird. Die Schritte 122, 126, 128 und 130 werden wiederholt, bis das Passen für jede der Positionen, die allen möglichen Kombinationen von Flexionswinkel und A/P-Verschiebung für das Implantat 118A der ersten Größe entsprechen, berechnet worden sind. In einer Ausführungsform liegen die bewerteten Flexionswinkel in 1°-Inkrementen in einem Bereich von 0° bis zu einem Maximum von 5° und die bewerteten A/P-Verschiebungen bewegen sich in 0,5 mm-Inkrementen in einem Bereich von 0,0 mm bis zu einem ersten Inkrement, das so berechnet ist, dass es mit dem Inkrement des Implantats der nächsten Größe überlappt und/oder bis keine Kerbe in dem anterioren Kortex des Knochens ausgeformt wird. Vorzugsweise wird das Implantat um einen einzigen Radius des Implantats gebogen, um sicherzustellen, dass die rekonstruierten distalen und posterioren Kondylen an den entsprechenden Grundlinienpositionen gehalten werden. Nachdem das Passen an allen Positionen des Implantats 118A der ersten Größe bewertet wurde, wird in einem Schritt 132 das nächst größere Implantat 188B ausgewählt, wie schematisch in 5D dargestellt ist, und die Schritte 122, 126, 128 und 130 werden in ähnlicher Weise wiederholt. Die Schritte 122, 126, 128, 130 und 132 werden in entsprechender Weise für jedes Implantat aller folgenden inkrementellen Größen in der Datenbank wiederholt, bis alle Implantatsgrößen für den ausgewählten Implantatstyp in jeder möglichen inkrementellen Position sowohl für die A/P-Verschiebung und die Flexions-Freiheitsgrade vollständig bewertet wurden. Nachdem das Passen der Implantate jeder Größe vollständig bewertet wurde, werden alle bewerteten Passqualitäten während eines Schritts 134 mittels eines gewichteten Algorithmus verglichen, um eine automatisch optimale Größe und einen Positionsplan aus allen bewerteten Größen und Positionen zu identifizieren, die jede Kerbenbildung des Knochens und ein Überdimensionieren des Implantats eliminieren oder zumin dest minimieren. In einem Schritt 136 wird dann zur Verwendung in folgenden Schritten ein Bild des femoralen Implantats in der automatischen optimalen Implantatgröße und im Positionsplan über ein Bild des Femurs überlagert, wie schematisch in 5E gezeigt ist. In anderen Ausführungsformen können die Schritte zum Durchlaufen aller möglichen Größen und Positionen, um Pass-Bewertungen in jeder möglichen Position für jede mögliche Größe zu bewerten, in anderen Reihenfolgen als hierin beschrieben, aufgenommen werden, vorzugsweise so lange eine Pass-Bewertung dazu verwendet wird, alle möglichen inkrementellen Positionen für Implantate jeder Größe zu berücksichtigen.
Wie schematisch in den 4B und 6A bis 6C gezeigt ist, kann der Chirurg, nachdem die optimale Implantatsgröße und der Positionsplan berechnet wurden, sich in der Routine 102 zur Verkleinerung des Implantats optional dazu entscheiden, die Größe und Position manuell zu verändern, um z. B. Abstimmungen vorzunehmen, um weiches Gewebe oder andere anatomische Erwägungen zu berücksichtigen. In einem Schritt 150 wählt der Chirurg die nächste inkrementell kleinere Größe eines femoralen Implantats als die automatisch berechnete optimale Größe. Mit der neuen Implantatsgröße wählt der Chirurg in einem Schritt 152 zwischen drei alternativen Optionen einer Basis- oder Grundlinien-AP-Verschiebung, die beibehalten werden soll: 1. Erhalten der anterioren Position des Implantats beim Verkleinern, schematisch in 6A dargestellt, 2. Beibehalten des anterior-posterioren Zentrums des Implantats beim Verkleinern, schematisch in 6B dargestellt, und 3. Beibehalten der posterioren Position des Implantats beim Verkleinern, schematisch in 6C gezeigt. Der Chirurg wählt auch einen Basis- oder Grundlinien-Flexionswinkel aus, der in einem vorgewählten Bereich, wie z. B. zwischen 0° und 5°, bleiben soll, indem er entweder auswählt, dass der vorherige Flexionswinkel beibehalten wird, oder indem er eine der verbleibenden Winkel-Auswahlmöglichkeiten auswählt. Das Passen des Implantats der neuen Größe wird dann auf die gleiche Weise wie oben beschrieben bewertet und eine sich daraus ergebende veränderte Größe und ein veränderter Positionsplan werden erstellt. Der Chirurg kann sich dazu entscheiden, die veränderte Implantatsgröße und den Positionsplan in einem Schritt 158 auf der Basis seines oder ihres Augenscheins, seines Wissens und seiner Erfahrung zu wiederholen und abzustimmen, bis der Chirurg glaubt, dass die beste Größe und Position gefunden ist, um Erwägungen des weichen Gewebes zu berücksichtigen. Sobald eine zufriedenstellende veränderte Größe des Implantats und ein Positionsplan identifiziert wurden, kann der identifizierte Plan für zukünftige Verwendung in einem Schritt 160 abgespeichert werden.
In der schematisch in 4C dargestellten Unterroutine 104 zur Veränderung der Implantatsposition kann sich der Chirurg optional auch dafür entscheiden, zusätzlich oder alternativ zur Routine 102 zur Verkleinerung des Implantats alle verfügbaren Freiheitsgrade, die in der automatisch optimierten Implantatsgröße und dem Positionsplan gesetzt wurden, und/oder die veränderte Implantatsgröße und den Positionsplan in einem Schritt 170 nach freiem Ermessen direkt zu verändern, einschließlich des Varus/Valgus-Winkels, des proximalen/distalen Verschiebungsabstandes, des Rotationswinkels, des AP-Verschiebungsabstandes, des Flexionswinkels und der Größe des Implantats, wie der Chirurg es auf der Basis seines Wissens und seiner Erfahrung wünscht, um erforderliche Abstimmungen für weiches Gewebe und/oder andere anatomische Erwägungen durchzuführen. Solche manuellen Veränderungen können es dem Chirurgen ermöglichen, schnell offensichtlich unnötige Größen- und Positionsiterationen zu überspringen und/oder einen Benutzer-Handbetrieb bereitzustellen, der z. B. auf dem Wissen und der Erfahrung des Chirurgen basiert. In einem Schritt 172 werden das Passen der veränderten Implantatsgröße und der Positionsplan aus dem Schritt 170 bewertet, und der Chirurg analysiert die veränderte Implantatsgröße und einen Positionsplan visuell und entscheidet in einem Schritt 174, ob er einen solchen Plan akzeptiert, in einem Schritt 176, ob weitere Veränderungen zu versuchen sind und/oder in einem Schritt 178, ob der vorherige Plan akzeptiert wird. In einer Ausführungsform wird das Passen in jeder manuell ausgewählten Position sowohl für die Unterroutine 102 zur Verkleinerung des Implantats, als auch die Unterroutine 104 zur Veränderung der Implantatposition bewertet, um zu identifizieren, ob eine bestimmte Implantatsgröße und ein Positionsplan eine Kerbe im anterioren Kortex erzeugt, wenn entweder der maximale Seitenschlag größer als 12 mm ist oder der gesamte Umriss des proximalen Endes des Implantats auf einer geschnittenen Oberfläche des anterioren Kortexknochens liegt, was den Chirurgen dazu in die Lage versetzt, sich dazu zu entscheiden, jede manuell ausgewählte Position auf der Basis seiner oder ihrer Erfahrung und Wissen zu akzeptieren oder zu verwerfen.
Am Ende jeder der Unterroutinen 100, 102 und 104 kann der Chirurg auswählen, mit der Unterroutine 38 zur Knochen-Resektion fortzufahren, nachdem er eine endgültige Implantatsgröße und einen zu verwendenden Positionsplan zur Führung der verbleibenden Schritte des chirurgischen Eingriffs aus allen berücksichtigen Plänen ausgewählt hat. Nach Durchführen der oben beschriebenen Schritte wählt der Chirurg die endgültige Implantatsgröße und den Positionsplan, entweder aus der originalen, automatisch berechneten, optimalen Implantatsgröße und dem Positionsplan oder aus irgendeiner der veränderten Implantatsgrößen und Positionspläne. Selbstver ständlich kann sich der Chirurg einfach dazu entscheiden, das manuelle Abstimmen wegzulassen und sich dazu entscheiden, sich auf die automatisch berechnete optimale Größe und Position zu verlassen.
7 bis 13 zeigen eine Ausführungsform eines computerisierten Systems zum Implementieren des oben beschriebenen Verfahrens der 3 bis 6C in Verbindung mit der in 2 gezeigten Hardware, um einen in 1 gezeigte totalen Knieaustausch durchzuführen. Die Software zum Implementieren des oben beschriebenen Verfahrens steuert einen Computer an, z. B. den Navigationscomputer 112, der auch Zugriff auf die Vermessungs- und Abbildungsdaten der interessierenden Knochen und auf die Implantats-Formfaktor-Datenbank 116 hat. Ein in 7 gezeigter Hauptmenü-Bildschirm 200 zeigt ein Hauptmenü 202 an, das dabei helfen kann, den Chirurg durch die chirurgische Operation zu leiten. Das Hauptmenü 202 enthält Schaltflächen 204 zum Einleiten jeder der oben beschriebenen folgenden Routinen: Die Routine 72 zur Aufnahme der Patientendaten, die System-Aufsetzroutine 74, die Routine 76 zur Erfassung des Patienten, die Routine 84 zur Analyse der ursprünglichen Ausrichtung, die Routine 86 zur Bestimmung einer Größe und Position des Implantats, die Routine 88 zur Resektion der Knochen, die Routine 90 zur Analyse der Probeausrichtung, die Routine 92 zur Analyse der endgültigen Ausrichtung und die Routine 94 zur Anzeige eines Reports. Ein visueller Hinweis, wie z. B. ein Häkchen 206, ist jeder Schaltfläche zugeordnet, um anzuzeigen, ob die Routine beendet wurde, wodurch ein visuelles Signal bereitgestellt wird, um dabei zu helfen, den Chirurg durch die Operation zu leiten.
Wie in den 8 und 9 gezeigt ist, zeigt ein Auswählen der mit der Routine 76 zur Erfassung des Patienten zugeordneten Schaltfläche 204 des Hauptmenübildschirms 200 einen von verschiedenen Patienten-Erfassungs-Bildschirmen 208A, 208B an, die Anzeige-Unterroutine-Schaltflächen 210 zum Durchführen verschiedener Patienten-Erfassungs-Schritte anzeigen, einschließlich einer Unterroutine zur Erfassung einer Hüftflexion, einer Unterroutine zur Erfassung einer Hüftzentrierung, einer Unterroutine zur Erfassung des medialen Epikondylus, einer Unterroutine zur Erfassung eines lateralen Epikondylus, einer Unterroutine zur Erfassung einer Mitte eines Femur, einer femoralen AP-Erfassungs-Unterroutine, einer Unterroutine zur Erfassung eines medialen, distalen Kondylus, einer Unterroutine zur Erfassung eines lateralen, distalen Kondylus, einer Unterroutine zur Erfassung eines medialen, posterioren Kondylus, einer Unterroutine zur Erfassung eines lateralen, posterioren Kondylus und einer Unterroutine zur Erfassung eines anterioren Kortex. Auf eine ähnliche Weise wie auf dem Hauptmenü-Bildschirm 200 ist jeder Unterroutinen-Schaltfläche 210 ein visueller Indikator 206 zugeordnet, der anzeigt, ob jede Unterroutine abgearbeitet wurde, um dabei zu helfen, den Chirurg visuell durch die verschiedenen Unterroutinen zur Erfassung zu leiten. Der Patientenerfassungs-Bildschirm 208A entspricht der Unterroutine zur Erfassung des medialen, posterioren Kondylus, während derer die am weitesten posteriore Oberfläche des medialen Kondylus vermessen wird. Der Patienten-Erfassungs-Bildschirm 208B entspricht der Unterroutine zur Erfassung des anterioren Kortex, während derer die Oberfläche des anterioren Kortex des Femurs vermessen wird. Eine visuelle Darstellung 212 einer allgemeinen Form des zu resezierenden Knochens wird ebenfalls auf dem Bildschirm angezeigt. Die visuelle Darstellung 212 wird für jede der Unterroutinen-Schaltflächen 210 ausgewählt, um den einzelnen Knochen anzuzeigen, der erfasst und abgebildet wird. Beispielsweise werden die posterioren Kondylen eines Femurs auf einem Bildschirm 208A und der femorale, anteriore Kortex auf einem Bildschirm 208B gezeigt. Auf jedem Bildschirm 208A und 208B werden visuelle Anzeigen 214, z. B. Punkte, die zeigen, welche Vermessungs-Datenpunkte erhalten wurden sowie ihre ungefähren Positionen, dem Knochen überlagert dargestellt. In einer Ausführungsform werden Vermessungs-Datenpunkte unter Verwendung eines Digitalisierungs-Mechanismus, z. B. des Zeigers 46, erlangt.
Von besonderem Interesse bezüglich des in 9 während der Unterroutine zur Erfassung des anterioren Kortex gezeigten Patienten-Erfassungs-Bildschirms 208B ist, dass eine detaillierte Vermessung des anterioren Kortex des Femurs durchgeführt wird, um eine genaue Abbildung der Umrisse des anterioren Kortex zur Verwendung in den Berechnungen zu erhalten, die während der oben beschriebenen Routine 86 zur Positionierung des Implantats durchgeführt werden. Bei der Erzeugung der Abbildung der Umrisse ist allgemein ein bestimmtes Maß an Interpolation zwischen beobachteten Datenpunkten erforderlich, um eine interpolierte Abbildung der Umrisse einer betreffenden Oberfläche zu erstellen, wie es im Feld des Vermessens und Abbildens wohlbekannt ist. Die Genauigkeit der interpolierten Abbildungen der Umrisse steht allgemein in direkter Relation zur Position und Anzahl der erlangten Datenpunkte. Beispielsweise ist es allgemein wünschenswert, Datenpunkte in einem relativ gleichmäßigen Raster und in einer Zieldichte derart verteilt zu haben, dass Dreiecke zwischen benachbarten Trios von Datenpunkten gebildet werden können, die eher gleichseitig als länglich und dazu ausgelegt sind, die allgemeine Topographie der betreffenden Oberfläche angemessen zu repräsentieren. Um den Chirurgen darin zu unterstützten, einen gewünschten Satz von Datenpunkten während der Unterroutine zur Erfassung des anterioren Kortex zu erhalten, wird ein Digitalisierungsraster 216 über ein standardisiertes virtuelles Modell 212 eines anterioren Kortex eines Femurs überlagert, um dabei zu helfen, den Chirurg visuell beim Erhalten einer Anzahl und Lage von Datenpunkten zu führen bzw. zu unterstützen, um eine Abbildung des Umrisses des anterioren Kortex bereitzustellen, die ausreicht, spezifische Konzept-Genauigkeitsparameter einzuhalten. Ein visueller Anzeiger 214, z. B. ein Punkt, wird dem Digitalisierungsraster 216 und dem standardisierten virtuellen Modell 212 eines anterioren Kortexknochens für jeden erhaltenen Datenpunkt überlagert angezeigt, wenn eine minimale Anzahl und Lage von Datenpunkten aufgenommen wurde. Ein weiterer visueller Anzeiger 218, z. B. eine Änderung der Farbe des Rasters, erscheint auf dem Bildschirm, wenn eine minimale Anzahl und Lage von Datenpunkten aufgenommen wurde, welche die konzipierten Genauigkeitsparameter erfüllt. Ein weiterer visueller Anzeiger, wie beispielsweise ein in noch einer anderen Farbe angezeigter proximaler Umriss des Implantats 220, wird auf dem Bildschirm angezeigt, um die allgemeine oder annähernde spezifische Form zu zeigen, die in das allgemeine Gebiet der inneren Umrisse des prothetischen Implantats projiziert wurde. Die proximalen Umrisse des Implantats 220 werden aus der Datenbank von Implantats-Formfaktor-Informationen abgeleitet und werden aus den erfassten Positionen von Kondylen und den mechanischen und rotationalen Femur-Achsen bestimmt. Noch ein weiterer visueller Anzeiger, wie z. B. ein Häkchen 222 und eine Nummer 224, die anzeigen, welche ungefähren Implantatsgrößen angemessen aus den während der Unterroutine zur Erfassung des anterioren Kortex aufgenommen Datenpunkten berechenbar sein werden, werden auf dem Bildschirm angezeigt. Zusätzlich führt eine Unterroutine zur Fehlerüberprüfung eine mathematische Interpolation durch, um potentiell fehlerhafte Ausreißer-Datenpunkte zu identifizieren, die während der Unterroutine zur Erfassung des anterioren Kortex erlangt wurden, wie z. B. einen Luftpunkt, der nicht auf der Oberfläche des Knochens aufgenommen wurde. Die Unterroutine zur Fehlerüberprüfung interpoliert mathematisch alle aufgenommenen Datenpunkte von der Unterroutine zur Erfassung des anterioren Kortex und berechnet eine geglättete Oberfläche mittels beispielsweise bekannter Spline-Interpolations-Algorithmen. Datenpunkte, die mehr als eine vorbestimmte Distanz von der geglätteten Oberfläche abweichen, werden dem Chirurgen als potentiell fehlerhafte Datenpunkte identifiziert. Der Chirurg kann sich dann dazu entscheiden, solche Punkte zu löschen oder beizubehalten, um sie beim Erstellen der auf sein oder ihr Verständnis der vermessenen Oberfläche basierenden Abbildung der Umrisse zu verwenden.
Ein in 10 gezeigter Benutzereinstellungen-Bildschirm 226 fordert den Chirurg dazu auf, eine Schaltfläche 228A oder 228B auszuwählen, um anzuzeigen, ob es dem Chirurgen erlaubt werden soll, die Position des Implantats manuell zu planen oder ob der Computer automatisch die Größe und Position des Implantats berechnen soll, indem er automatisch die automatische Unterroutine 100 zur Optimierung einer Grö ße und einer Positionierung ausführt, nachdem die erforderlichen Form- und biomechanischen Eigenschaften des interessierenden Knochens erlangt wurden. Der Benutzereinstellungen-Bildschirm 226 ermöglicht es dem Chirurgen auch, andere Parameter für die Berechnungen einzustellen, wie z. B. Vorgabe-Flexionswinkel und Resektionstiefen.
Die Routine 86 zur Bestimmung einer Position des Implantats wird durch Auswählen der zugeordneten Schaltfläche 206 des Hauptmenüs 202 ausgelöst und berechnet dann automatisch die optimale Größe des Implantats und den optimalen Positionsplan und zeigt die Ergebnisse in einer graphischen Repräsentation der Knochen und Implantate und in einer numerischen Form in einem in 11 gezeigten Implantats-Positionierungs-Bildschirm 230 an, wobei das ausgewählte Implantat auf dem Knochen auf eine Weise positioniert gezeigt ist, die aus den Berechnungen erlangt wurde. Dies ermöglicht es dem Chirurgen, sowohl visuell als auch anhand der verschiedenen angezeigten numerischen Daten zu überprüfen, ob die automatisch berechnete Größe, Position und Ausrichtung des femoralen Implantats akzeptabel ist. Das Display zeigt auch visuelle Anzeiger auf den graphischen Repräsentationen der Knochen und Implantate an, um Gebiete einer vorgegebenen anterioren Kortexresektion anzuzeigen, die durch das femorale Implantat nicht bedeckt werden, alle Spalte zwischen dem Implantat und ungeschnittenen Bereichen des anterioren Kortex und eine Position eines maximalen Spalts zwischen dem femoralen Implantat und ungeschnittenen Gebieten des anterioren Kortex, wobei die Indikatoren identisch zu den Indikatoren sind, die auf dem Implantatspositionierungs-Bildschirm gezeigt sind. Der Implantatspositionierungs-Bildschirm 230 zeigt die tatsächlichen Varus-/Valgus- und Flexionsausrichtungen des Beins, wie sie von den Erfassungs-Routinen bestimmt wurden, und die berechneten vorgegebenen Parameter für das femorale Implantat einschließlich der Größe, der Flexion, der AP-Verschiebung, des Varus-/Valgus-Winkels, des Drehwinkels, des distalen Resektionsniveaus und des posterioren Resektionsniveaus an. Der Implantatspositionierungs-Bildschirm zeigt auch das Implantatsystem und den -typ an, die zuvor für die automatische Größen- und Positionierungsberechnungen verwendet wurden und im Konzept angezeigt sind. Der Implantatspositionierungs-Bildschirm 230 enthält eine Verkleinerungs-Schaltfläche 232, die, wenn sie ausgewählt wird, die Routine 102 zur Verkleinerung des Implantats auslöst und die Anzeige auf einen Implantats-Verkleinerungs-Bildschirm 234 umschaltet, der in 12 gezeigt ist. Der Implantatspositionierungs-Bildschirm enthält ferner eine Schaltfläche 236 zur Veränderung der Implantatsposition, die, wenn sie ausgewählt wird, die Unterroutine 104 zur Veränderung der Implantatsposition auslöst und die Anzeige auf einen er in 13 gezeigten Bildschirm 237 zur Verände rung der Implantatsposition umschaltet. Eine Vorgabe-Schaltfläche 239 kann jederzeit ausgewählt werden, um die auf dem Bildschirm dargestellte Größe und den Positionsplan auf die automatisch optimierte Größe und den Positionsplan zurückzusetzen.
Sich nun 12 zuwendend zeigt der Implantatsverkleinerungs-Bildschirm 234 Auswahlmöglichkeiten für den Chirurgen an, die oben beschriebenen ersten manuellen Modus-Anpassungen durchzuführen. Konkret sind drei alternative Auswahlkästchen 238A, 238B und 238C angezeigt, die es dem Chirurgen erlauben, zwischen dem Beibehalten der anterioren Position, der posterioren Position oder der durchschnittlichen Position des auf dem Implantatspositionierungs-Bildschirm während der Routine 102 zur Verkleinerung des Implantats angezeigten Konzepts zu wählen. Weitere vier alternative Auswahlkästchen 240A, 240B, 240C und 240D sind angezeigt, die es dem Chirurgen erlauben, während der Routine 102 zur Verkleinerung des Implantats zwischen dem Aufrechterhalten des momentan auf dem Implantatspositionierungs-Bildschirm angezeigten Flexionswinkels und einem von drei alternativen Flexionswinkeln zu wählen. Das Auswahlkästchen 240A, das dem Aufrechterhalten des Flexionswinkels zugeordnet ist, zeigt die momentane Winkelvorgabe an. Nachdem die gewünschte Auswahl getroffen ist, wählt der Chirurg eine Verkleinerungs-Schaltfläche 242 aus und der Computer aktualisiert die auf der ausgewählten Referenz-AP-Verschiebung, dem Referenz-Flexionswinkel und Formfaktordaten für die inkrementell kleinere Implantatsgröße aus den gegenwärtig konzipierten Implantatsparametern basierenden Berechnungen, um die veränderte Größe und Position des Implantats bereitzustellen. Die Anzeige auf dem Implantatspositionierungs-Bildschirm 230 wird automatisch aktualisiert, um der veränderten Implantatsgröße und dem Positionsplan zu entsprechen, wenn die Verkleinerungs-Schaltfläche 242 ausgewählt wird und zeigt eine visuelle Anzeige an, ob sich aus der Berechnung der Bewertung des Passens ergibt, dass eine Kerbe produziert wird, wie oben beschrieben wurde. Eine Abbrechen-Schaltfläche 244 ist ebenfalls angezeigt, der es dem Chirurgen erlaubt, zum Implantatspositionierungs-Bildschirm 230 zurückzukehren, ohne irgendwelche Änderungen an den zuvor angezeigten Implantats-Größe und dem Positionsplan abzuspeichern.
Sich jetzt 13 zuwendend zeigt der Bildschirm 237 zur Veränderung der Implantatsposition graphisch das femorale Implantat 18 und das tibiale Implantat 20 über die entsprechenden Knochen in Übereinstimmung mit der gegenwärtigen Implantatsgröße und den Positionsplan-Parametern überlagert an. Der Bildschirm 237 zur Veränderung der Implantatsposition zeigt auch Auswahlmöglichkeiten für den Chirur gen an, um ein Durchführen der zuvor beschriebenen Veränderungen der Unterroutine 104 zur Veränderung der Implantatsposition durchzuführen. Insbesondere werden die Knochen in ihrer tatsächlichen Position und ihren tatsächlichen Ausrichtungen angezeigt und die Implantate werden über dem Knochen in der Position der gegenwärtigen Vorgabe überlagert angezeigt. Die Anzeige zeigt auch dieselben visuellen Anzeigen wie im Implantats-Positionierungs-Bildschirm 230 an, um Gebiete einer vorgegebenen anterioren Kortexresektion zu zeigen, die von dem femoralen Implantat unbedeckt sind, irgendwelche Spalten zwischen dem Implantat und ungeschnittenen Gebieten des anterioren Kortex und eine Position eines maximalen Spalts zwischen dem femoralen Implantat und ungeschnittenen Gebieten des anterioren Kortex, die zu den Indikatoren identisch sind, die auf dem Implantats-Positionierungs-Bildschirm angezeigt sind. Ein Paar 246 von Pfeil-Schaltflächen zur Vergrößerung/Verkleinerung für jeden der sechs Freiheitsgrade des femoralen Implantats sind zum Auswählen durch den Chirurgen dargestellt, einschließlich Varus-/Valgus-Winkel, proximaler/distaler Verschiebungsabstand, Rotationswinkel, anteriorer/posteriorer Verschiebungsabstand, Flexionswinkel und femorale Implantatsgröße. Durch Verwendung des Paars 246 der Schaltflächen zur Vergrößerung/Verkleinerung kann der Chirurg manuell jeden vorgegebenen Parameter wie gewünscht ändern, beispielsweise kann er die automatisch berechnete optimale Implantatsgröße und den Positionsplan und/oder die aus dem Implantatsverkleinerungs-Bildschirm 234 erhaltene, veränderte Implantatsgröße und den Positionsplan verändern, um diese Konzepte anzupassen, um Erwägungen weichen Gewebes zu berücksichtigen, die durch den automatischen Modus zur Berechnung der optimalen Implantatsgröße und -Position nicht berücksichtigt werden. Auf eine ähnliche Weise wie mit dem Implantat-Verkleinerungs-Bildschirm wird der Implantat-Positionierungs-Bildschirm 230 unmittelbar aktualisiert, um eine veränderte vorgegebene Implantatsposition aus den manuell veränderten Parametern, die auf dem Implantat-Positionsveränderungs-Bildschirm ausgewählt sind, wenn eine OK-Schaltfläche 248 ausgewählt wird. Eine Vorgabe-Schaltfläche 250 und eine Abbrechen-Schaltfläche 252 werden ebenso angezeigt, was es dem Chirurgen erlaubt, die Vorgaben auf die automatisch berechneten Implantatsvorgaben bzw. auf den Implantats-Positionierungs-Bildschirm zurückzusetzen, ohne irgendwelche daran durchgeführten Änderungen abzuspeichern.
Hat der Chirurg eine endgültige Vorgabe von den verschiedenen eben beschriebenen Vorgaben ausgewählt, verwenden die verbleibenden Routinen die endgültigen Vorgaben, um den Chirurgen durch die verbleibenden Schritte zum tatsächlichen Instal lieren bzw. Implantieren der Prothesen am Patienten auf wohlbekannte Weise zu leiten.
Sich 14 zuwendend ist ein von einem Anzeigebildschirm 270 eines computerisierten Systems der vorliegenden Offenbarung erstelltes Bildschirmfoto von Benutzereinstellungen offenbart. Wenn automatisches Bestimmen einer Größe und Positionieren des Implantats ausgewählt ist, können die folgenden Funktionen optional oder zusätzlich ausgewählt werden: Funktion zum Anzeigen der Flexions-/Extensionsspalte, Funktion zum Erfassen eines M/L-Überhangs, Funktion zum Schneiden der Tibia zuerst und Einlage-Vorschau, Funktion zum Abschätzen des medialen Kondylus für Varus-Knie, Funktion zum Verwenden einer mittels Navigation geführten Bohrschablone für AP-Ausrichtung, und/oder Funktion zum Anzeigen des Flexions-/Extensionsspalts. Jede Funktion kann mittels einer entsprechenden Schaltfläche oder einer Dialogbox 272 ausgewählt werden.
Wie in 15 gezeigt ist, liefert die Flexions-/Extensionsspalt-Schaltfläche eine Vorschau auf die Größe des Flexions- und Extensionsspalts sowohl für die mediale als auch die laterale Seite, bevor irgendwelche Schnitte durchgeführt werden. Dies erlaubt es dem Chirurgen, zu bewerten, ob die geplanten Resektionen einen ausreichenden Platz für die geplanten Implantate bereitstellen. Um eine korrekte Vorschau der Spalten zu bekommen, ist es ratsam, sicherzustellen, dass das Kniegelenk mit irgendeiner mechanischen Vorrichtung, wie einem Zentrierer oder einem Spreizer (21) entlastet wird. Eine korrekte Vorschau des Flexionsspalts ist gegeben, wenn das Knie in Flexion entlastet ist. Der Extensionsspalt wird gezeigt, wenn das Knie in Extension entlastet ist.
Sich jetzt den 16A und 16B zuwendend, zeigt eine genaue Ansicht des der Funktion zum Anzeigen der Flexions-/Extensionsspalte zugeordneten Bildschirmfotos den Flexions-/Extensionsspalt und die Vorschau der tibialen Resektion. Die Vorschau der Spaltgröße basiert auf dem berechneten distalen (und posterioren) Femur-Resektionsniveau und dem tibialen Resektionsniveau. Für die Vorschau wird das tibiale Resektionsniveau in einer Ausführungsform standardmäßig auf 8 mm, gemessen von dem am weitesten proximalen (höchsten) Abteil, gesetzt, solange die Tibia nicht reseziert ist und der Schnitt nicht aufgezeichnet ist.
Mit Bezugnahme auf 17 werden die Flexions-/Extensionsspalte auf die folgende Weise berechnet. Zuerst werden die Schwerpunkte der digitalisierten Abteile berechnet. Diese Schwerpunkte werden dann auf eine tibiale Resektionsebene 276 proji ziert. Die projizierten Schwerpunkte werden anschließend medial/lateral mit dem Faktor 1,53 umgerechnet. Eine auf der tibialen Schnittebene senkrecht stehende Linie, die durch die projizierten und umgesetzten Schwerpunkte verläuft und eine femorale Schnittebene 278 schneidet, ist eingezeichnet, und ein Abstand „d" zwischen der femoralen und der tibialen Schnittebene entlang dieser Linie wird gemessen.
Sich jetzt 18 zuwendend, beinhaltet die Funktion des Erfassens, z. B. durch Digitalisierung der betreffenden Oberflächen des ML-Überhangs, entsprechend einer Ausführungsform einen Schritt des Erlangens der AP-Position der relevanten medialen und lateralen Überhangregion, wo ein Überhang des Implantats auftreten kann. Beim Digitalisieren kann der Chirurg beispielsweise an der relevanten AP-Position der medialen/lateralen Knorpelgrenze beginnen und die Zeigerspitze proximal bewegen, um eine Linie zu beschreiben. In dem „Implantat positionieren"-Dialog ist die durchschnittliche Breite des medialen/lateralen Überhangs des Implantats oder die Breite des unbedeckten Knochens als numerischer Wert angezeigt. Nach einem Aspekt der Offenbarung wird potentieller medialer/lateraler Überhang oder unbedeckter Knochen nicht in den automatischen Berechnungen zur Bestimmung einer Größe und einer Positionierung berücksichtigt. Mit Bezug auf 19 wird in einer Ausführungsform, wenn in der Funktion zum Erfassen eines ML-Überhangs ein überhängender Abschnitt des ML-Implantats oder ein unbedeckter Knochen 280 an der AP-Position der digitalisierten Überhangsregion gemessen wird, die AP-Position der relevanten Überhangregion durch den Chirurgen bestimmt, und nur die durchschnittliche Breite des medialen/lateralen Überhangs oder unbedeckter Knochen wird numerisch dargestellt. Berechnungen des ML-Überhanges basieren dann auf einem geplanten femoralen Implantat 282. In einer anderen Ausführungsform (nicht gezeigt) wird der potentielle mediale/laterale Überhang oder unbedeckte Knochen beim Bestimmen der optimalen Größe berücksichtigt und bildet ein weiteres Passkriterium.
20 zeigt Bildschirmfotos für die Funktion "Schneiden der Tibia zuerst und Einlage-Vorschau". Wenn die Funktion "Schneiden der Tibia zuerst und Einlage-Vorschau" ausgewählt ist, fordert der Arbeitsablauf der Software (Dialogbox 286) den Benutzer dazu auf, die proximale Tibia zuerst zu schneiden, bevor eine „Implantat positionieren" Dialogbox 288 angezeigt wird. Mit dem durchgeführten und aufgezeichneten proximalen Tibiaschnitt erlaubt die „Implantat positionieren" Dialogbox 288 eine Vorschau darauf, welche Einlagegröße (Dicke) zwischen die tatsächliche geschnittene proximale Tibia und das geplante femorale Implantat passt.
Unter Bezugnahme auf 21 wird während der Funktion "Schneiden der Tibia zuerst und Einlage-Vorschau", um eine korrekte Vorschau der Einlagengröße zu erhalten, das Kniegelenk vorzugsweise mit irgendeiner Art von Zentrierer oder Spreizer 290 entlastet. Die Vorschau der tibialen Implantatsgröße wird für das Knie sowohl in Extension als auch in Flexion angegeben. Die Vorschau und die Berechnung des tibialen Implantats basieren auf dem aufgezeichneten Schnitt der proximalen Tibia und den berechneten/geplanten distalen und posterioren Resektionsniveaus. Die Software bewirkt, dass ein visueller Indikator auf dem Anzeigeschirm angezeigt wird, wenn das kleinste verfügbare Implantat nicht zwischen die geschnittene proximale Tibia und das geplante femorale Implantat sowohl für Flexion als auch für Extension passt. Ferner, unter Bezugnahme auf 22, spiegelt die berechnete, in einer Box 292 gezeigte tibiale Implantatsgröße lediglich die durchschnittliche mediale/laterale Spaltgröße wider. Für ein asymmetrisches Knie 294 mit einer Varus-/Valgus-Missausrichtung von mehr als 3° würde die berechnete Implantatsgröße nicht in die engere Spalte passen. Damit das berechnete Implantat in die Spalte passt, werden vorzugsweise die Bänder zentriert. Mit einem zentrierten Knie 296 sind der mediale und der laterale Spalt gleich dem durchschnittlichen mittigen Spalt und die berechnete Implantatsgröße passt. Mit dem asymmetrischen Knie 294 sind die medialen und lateralen Spaltgrößen unterschiedlich von der durchschnittlichen mittigen Spaltgröße und die berechnete Einlagegröße passt nicht.
Nun Bezug nehmend auf 23 ist es ein Ziel einer totale Knie-Arthroskopie, die ursprüngliche Verbindungslinie 300 zu rekonstruieren. Unter Verwendung der Funktion zum Abschätzen des medialen Kondylus für ein Varus-Knie wird eine Rekonstruktion der Verbindungslinie allgemein bezüglich des weiter hervortretenden medialen Kondylus durchgeführt. Im Fall von Varus-Verformungen kann der mediale Kondylus jedoch ernsthaft beschädigt werden und ein Bezugnehmen auf einen ernsthaft beschädigten medialen Kondylus könnte zu einem zu starken Resezieren des Femurs und einer proximalen Verschiebung der ursprünglichen Gelenklinie führen. Ist die Funktion zum Abschätzen des medialen Kondylus für Varus-Knie aktiviert, warnt die Software den Benutzer z. B. mit einer auf dem Anzeigebildschirm in 24 gezeigten visuellen Warnung, falls der mediale Kondylus ernsthaft beschädigt ist. Die Software geht von einem Vorliegen eines ernsthaften Schadens aus, falls der digitalisierte laterale Kondylus stärker hervorsteht als der digitalisierte mediale. Mit der Warnung bietet die Software dem Benutzer eine Gelegenheit, entweder den originalen medialen Kondylus als Bezug für das distale Femur-Resektionsniveau abzuschätzen oder mit der weiter hervorstehenden lateralen Seite als Referenz zur Berechnung des Implantats fortzufahren. Mit Bezug auf 25 wird in der Funktion zum Abschätzen des medialen Kondylus für Varus-Knie der angewandte Winkel 302 zum Abschätzen des medialen Kondylus in einer Ausführungsform der Offenbarung auf 2,5° gesetzt. Ferner kann mit Bezug auf 26 das Referenzniveau auch innerhalb des „Implantat positionieren"-Dialogs unter Verwendung der Schaltfläche „Bezugsniveau wählen" verändert werden, nachdem die optimale Größe und der Positionsplan durch die Software berechnet wurden. Wenn das Referenzniveau verändert wird, wiederholt die Software die Berechnung der Implantatsgröße, Flexion und AP-Position. In einer Ausführungsform der Offenbarung ist jede Veränderung (z. B. Verkleinerung, Veränderung der AP-Verschiebung etc.), die zuvor durchgeführt worden sein mag, verloren und wird durch die neue Vorgabeposition überschrieben.
Wie in 27 gezeigt ist, können mittels Navigation geführte Bohrschablonen (wie solche, die von Stryker Navigation in Freiburg, Deutschland verfügbar sind) zur AP-Ausrichtung dazu verwendet werden, einen Vier-in-Eins-Schneidblock zum Navigieren und für die Rotations-Ausrichtung und die AP-Positionierung vorzubereiten. Die mittels Navigation geführten Bohrschablonen können einen konventionellen AP-Sizer ersetzen. Im Gegensatz zu einem konventionellen AP-Sizer können die mittels Navigation geführten Bohrschablonen sowohl einfach in der Anwendung sein als auch eine höhere Flexibilität bezüglich AP-Verschiebungen bieten, ohne Anpassungen am Instrument zu erfordern. In einer Ausführungsform der Offenbarung können mittels Navigation geführte Bohrschablonen in einem Systemabschnitt der Benutzereinstellungen ausgewählt werden, falls ein automatisches Bestimmen der Größe eingeschaltet ist. Mit mittels Navigation geführten Bohrschablonen, wie sie am klarsten in 28 gezeigt sind, erleichtert es die Software, in zwei Freiheitsgraden zu navigieren, nämlich in der Rotations-Ausrichtung und der AP-Position. In einer Ausführungsform wird die Rotations-Ausrichtung bezüglich der durchschnittlichen Rotationsachse, der femoralen AP-Achse und der transepikondylaren Linie ausgerechnet, und der Bezug für die AP-Position ist das berechnete Implantat und die virtuellen Befestigungslöcher, die auf dem Anzeigebildschirm angezeigt werden. Die Abweichung der virtuellen Befestigungslöcher von der Schablone wird ebenfalls auf dem Anzeigebildschirm angezeigt. Zusätzlich ist eine Frontalansicht des anterioren Kortex angezeigt, die eine Vorschau der Position und der Größe der nicht abgedeckten Knochenresektion gegen die gegebene Flexion/Extension des distalen Femurschnitts und die AP-Implantatsposition ergibt. In einer Ausführungsform kann die mediale laterale Position nicht navigiert werden.
Sich nunmehr 29 zuwendend, wiederholt die Software in einer Ausführungsform, falls irgendwelche femoralen Merkpunkte neu digitalisiert werden, nachdem die opti male Implantatsgröße und der Positionsplan berechnet wurden, die Implantatsberechnung und fordert den Benutzer auf, die veränderten Implantatsparameter zu überprüfen. Zu diesem Zweck wird der in 16 gezeigte „Implantatsposition überprüfen"-Dialog, geöffnet, wobei die geänderten Parametern in gelb angezeigt sind.
Obwohl obige genaue Beschreibung auf eine totale Knie-Austausch-Operation mittels eines Navigationssystems gerichtet ist, können das hier offenbarte Verfahren und System leicht zur Verwendung zumindest mit anderen chirurgischen Operationen angepasst werden, in denen eine prothetische Vorrichtung aus einer Vielzahl unterschiedlicher Größen und/oder Formen ausgesucht und dann positioniert werden muss, um vom Benutzer vorgegebene Einschränkungen zu erfüllen. Das Verfahren und das System können auch leicht zur Verwendung bei anderen chirurgischen Operationen angepasst werden, und versteht sich, dass der Bereich der vorliegenden Offenbarung nicht auf die spezifischen chirurgischen Operationen beschränkt ist, die hierin im Detail beschrieben sind. Weiterhin ist das bestimmte Verfahren des Sammelns anatomischer Daten, wie z. B. der Vermessungsdaten des zu resezierenden Knochens, nicht auf eine direkte Digitalisierung während der Operation beschränkt. Die anatomischen Daten können vielmehr mittels eines beliebigen präoperativen Verfahrens gesammelt werden, das in der Lage ist, die erforderlichen anatomischen Formdaten aufzunehmen, wie z. B. eines Röntgen-Scans, eines MRT-Scans, eines CT-Scans, eines Ultraschall-Scans und anderen präoperativen Verfahren, anderen intraoperativen Verfahren wie z. B. indirekter Digitalisierung, einer geführten Sonde mit Stylus, Verwenden visueller, mechanischer oder ähnlicher Lokalisierer, Verwendung von Abstandsmessern wie z. B. Laser oder Moiré und/oder anderen Datensammlungstechniken. Zusätzlich ist die Ausführung der endgültigen Größe und des Positionsplans zum Anbringen des Implantats nicht auf eine Verwendung der hier beschriebenen Navigationstechniken beschränkt. Das Implantat kann vielmehr gemäß der endgültigen Bestimmung der Implantatsgröße und des Positionsplans gemäß einem beliebigen Verfahren, das in der Lage ist, den endgültigen Plan zufriedenstellend auszuführen, angebracht werden.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die Technologie der vorliegenden Offenbarung erlaubt es in einer Ausführungsform einem Chirurgen, einen Computer dazu zu verwenden, schnell ein optimales Prothesenkonzept auf der Basis von beispielsweise während der chirurgischen Operation gesammelten Patienteninformationen zu berechnen, das so berechnet ist, dass mehrere Konzeptparameter, wie z. B. das Vermeiden von Kerbenbildung und das Erzielen einer verbesserten gegenseitigen Passung zwischen einem anterioren Implantatsumriss und dem anterioren Kortex eines Femurs, in einer chirurgischen totalen Knieaustausch-Arthroplastie-Operation optimiert werden. Die Technologie der vorliegenden Offenbarung kann auch verwendet werden, es dem Chirurgen zu erlauben, das automatisch berechnete optimale Implantatskonzept manuell zu verändern, um Anpassungen durchzuführen, die er für erforderlich hält, um beispielsweise Belange von weichem Gewebe auf der Basis des Wissens und der Erfahrung des Chirurgen zu berücksichtigen. Die Technologie der vorliegenden Offenbarung kann in manchen Fällen dazu beitragen, verbreitete Probleme zu vermeiden, wie das unnötige Überdimensionieren eines Implantats, das Nichtabdecken einer unnötig großen Menge anteriorer Knochenresektion oder das Aufweisen eines unnötig großen anterioren Überhangs oder Spalts zwischen der anterioren Oberfläche des Implantats und ungeschnittenen Gebieten des anterioren Kortex, die früheren Verfahren, wie z. B. dem einfachen Auswählen eines Implantatskonzepts auf der Basis von Inaugenscheinnahme des Chirurgen zuzuordnen sind.
Zahlreiche Veränderungen an der vorliegenden Offenbarung sind dem Fachmann angesichts der vorangehenden Beschreibung offenbart. Dementsprechend ist diese Beschreibung lediglich als beispielhaft auszulegen und wird zum Zweck des Befähigens von Fachmännern, die Offenbarung herzustellen und zu verwenden, und um die beste Art zu lehren, sie auszuführen, dargelegt. Die ausschließlichen Rechte an allen Veränderungen, die innerhalb des Bereichs der beigefügten Ansprüche fallen, sind vorbehalten.

Claims

System zur Bewertung eines Passens eines femoralen Implantats an ein distales Ende eines Femurs in einer ausgewählten Ausrichtung, bevor der Femur reseziert wird, wobei das System folgende Elemente umfasst: – Mittel zur Erlangung vordefinierter Formfaktorinformationen für eine Vielzahl femoraler Implantate; – Mittel zur Erlangung von Informationen über die Form der Oberfläche des distalen Endes des Femurs; – Mittel zur automatischen Durchführung einer virtuellen Passbewertung jeder möglichen inkrementellen Position eines vordefinierten Satzes inkrementeller Positionen für jede zu berücksichtigende Größe eines Implantats, bevor der Femur reseziert wird; und – Mittel zur Auswahl einer optimalen Größe und Position eines Implantats aus den virtuellen Passbewertungen.
System nach Anspruch 1, wobei eine angestrebte Rekonstruktionsposition auf der Basis von Konzeptparametern zum Übereinstimmen mit einem ausgewählten Varus- oder Valguswinkel, einem Rotationswinkel und einer Oberflächenposition von posteriorem Kondylus und distalem Kondylus des Femurs definiert ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Mittel zur Auswahl Mittel zur Berechnung eines maximalen Seitenschlags einer anterioren Resektion des Femurs aus einem Umriss eines proximalen Endes des femoralen Implantats enthält.
System nach Anspruch 1, wobei das Mittel zur Auswahl Mittel zur Berechnung eines Prozentsatzes des Umrisses des proximalen Endes, die auf geschnittenem anterioren Kortexknochen liegt, enthält.
System von Anspruch 1, wobei das Mittel zur Auswahl Mittel zur Berechnung eines Prozentsatzes des Umrisses des proximalen Endes, die auf oder über ungeschnittenem anterioren Kortexknoten liegt, enthält.
System nach Anspruch 1, wobei das Mittel zur Auswahl Mittel zur Berechnung eines maximalen Spalts zwischen dem femoralen Implantat und dem ungeschnittenen anterioren Kortexknochen enthält.
System nach Anspruch 1, wobei das Mittel zur Auswahl Mittel zum Vergleich jedes bewerteten Passens mit einem gewichteten Algorithmus enthält, um eine optimale Größe und Position des Implantats zu identifizieren, die ein Einkerben des Knochens und ein Überdimensionieren des Implantats minimieren.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend Mittel zur Vorschau einer Größe eines Flexions- und Dehnungsspaltes für eine mediale und laterale Seite.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend Mittel zur Bestimmung eines medialen/lateralen Überhangs.
System nach Anspruch 1, ferner umfassend Mittel zum Schneiden einer proximalen Tibia und zur Vorschau eines Einsatzes.
System von Anspruch 1, ferner umfassend Mittel zur Abschätzung medialer Kondylen für ein Varus-Knie.
System von Anspruch 1, ferner umfassend Mittel zur Verwendung einer mittels Navigation geführten Bohrschablone für eine anterior-posterior-Ausrichtung.
System zur virtuellen Planung einer Größe und einer Position eines protethischen Implantats für einen Knochen eines Patienten, wobei das System folgendes umfasst: – eine Datenbank, die vordefinierte Formfaktor-Informationen für eine Vielzahl unterschiedlicher Implantate enthält; – ein Vermessungssystem zur Erlangung von Informationen über die Form der Oberfläche des Knochens; – eine Schaltung zur Definition von Basis-Lageparametern für eine Lage eines Implantats bezüglich einer virtuellen Darstellung des Knochens auf der Basis der Informationen über die Form der Oberfläche; – eine Schaltung zur Bewertung einer Passberechnung für jedes Implantat bezüglich der virtuellen Repräsentation des Knochens basierend auf den Formfaktorinformationen und einer Vielzahl von Passfaktoren an jedem einer Vielzahl von inkrementellen Positionen bezüglich des Knochens; und – eine Schaltung zur Auswahl einer am besten passenden Größe und Position des Implantats aus allen Passberechnungen.
System nach Anspruch 13, wobei das Vermessungssystem einen Digitalisierer und eine zusätzliche Schaltung zur Durchführung einer Vermessung einer Oberfläche des Knochens enthält.
System nach Anspruch 13, wobei die Schaltungen zur Bewertung und Auswahl aktiviert werden, bevor ein System zur Resektion des Knochens aktiviert wird.
System nach Anspruch 15, das ferner eine Schaltung zur manuellen Einstellung der am besten passenden Größe und Position des Implantats enthält.
System nach Anspruch 15, wobei die Schaltung zur Auswahl ein oder mehrere Systeme zur Bewertung einer Vielzahl von Passparametern enthält.
System nach Anspruch 17, wobei die Vielzahl von Passparametern Parameter über starre Knochenformen und Implantatsformen enthalten.
System nach Anspruch 13, wobei die Schaltung zur Bewertung eine oder mehrere Schaltungen enthält zur Berechnung von Parametern für einen maximalen Seitenschlag einer anterioren Resektion von einem Umriss eines proximalen Endes eines anterioren Abschnitts des Implantats, einen Prozentsatz des Umrisses des proximalen Endes des anterioren Abschnitts des Implantats, der auf reseziertem Knochen liegt, einen Prozentsatz des Umrisses des proximalen Endes, der auf oder über ungeschnittener Oberfläche eines anterioren Kortex liegt und einen maximalen Spalt zwischen dem Implantat und der ungeschnittenen Oberfläche des anterioren Kortex.
System nach Anspruch 19, wobei die Schaltung zur Auswahl eine Schaltung zur Verarbeitung der bewerteten Parameter mit einem gewichteten Algo rithmus zur Identifikation einer optimalen Größe und Position enthält.
System nach Anspruch 13, das ferner eine Schaltung zur Bestimmung eines Resektionsniveaus des Knochen enthält, das der am Besten passenden Größe und Position des Implantats entspricht.
System nach Anspruch 13, wobei die Schaltung zur Definition der Basis-Lageparameter eine Schaltung zur Berechnung eines maximalen Spalts zwischen dem Implantat und ungeschnittener Oberfläche eines anterioren Kortex des Knochens enthält.
System nach Anspruch 13, wobei die Schaltung zur Bewertung einer Passberechnung optional wenigstens eine der folgenden Schaltungen enthält: – eine Schaltung zur Vorschau einer Größe von Flexions- und Dehnungsspalten für eine mediale/laterale Seite des Knochens, – eine Schaltung zur Erfassung eines medialen und lateralen Überhangs, – eine Schaltung zum Schneiden einer proximalen Tibia und zur Vorschau eines Einsatzes, – eine Schaltung zur Abschätzung medialer Kondylen für ein Varus-Knie und – eine Schaltung zur Verwendung einer mittels Navigation geführten Bohrschablone zur anterior-posterior-Ausrichtung.
Computerlesbares Medium zum automatischen virtuellen Berechnen einer optimalen Größe und Position eines prothetischen Implantats für einen Knochen, wobei das computerlesbare Medium ein Programm enthält, das Folgendes umfasst: – eine erste Routine zum Erlangen vordefinierter Formfaktor-Informationen für eine Vielzahl von Implantaten unterschiedlicher Größen; – eine zweite Routine zum Erlangen von Informationen über die Form der Knochenoberfläche; – eine dritte Routine zum Definieren von Basis-Lageparametern für eine Lage eines Implantats bezüglich einer virtuellen Darstellung des Knochens; – eine vierte Routine zum Bewerten einer Passberechnung für jedes Implantat bezüglich der virtuellen Darstellung des Knochens auf der Basis einer Vielzahl von Passkriterien an jeder der Vielzahl von inkrementellen Positionen bezüglich des Knochens; und – eine fünfte Routine zum Auswählen einer optimalen Größe und Position des Implantats aus allen Passbewertungen auf der Basis eines gewichteten Vergleichs jeder Passberechnung für jedes der Vielzahl von Passkriterien.
Computerlesbares Medium nach Anspruch 24, wobei die Routine zum Erlangen von Informationen über die Form der Oberfläche eine Routine zum Erlangen von Vermessungs-Datenpunkten des Knochens mittels eines Zeigers und eine Routine zum Unterstützen eines Benutzers enthält, um einen gewünschten Satz von Datenpunkten zu erlangen, um eine Abbildung des Umrisses der Form der Oberfläche des Knochens bereitzustellen, die ausreicht, vorbestimmte Konzept-Genauigkeitsparameter zu erfüllen.
Computerlesbares Medium nach Anspruch 25, wobei die Routine zum Definieren von Basis-Lageparametern ferner eine Routine zum Abgleichen eines ausgewählten Varus-Valgus-Winkels, eines Rotationswinkels und einer Oberflächenposition eines posterioren Kondylus und eines distalen Kondylus eines Implantats enthält.
Computerlesbares Medium nach Anspruch 26, wobei die Routine zum Bewerten einer Passberechnung ferner Routinen zum Berechnen von Passkriterien enthält, die – einen maximalen Seitenschlag einer anterioren Resektion von einem Umriss eines proximalen Endes eines anterioren Abschnitts des Implantats, – einen Prozentsatz des Umrisses des proximalen Endes des anterioren Abschnitts des Implantats, der auf reseziertem Knochen liegt, – einen Prozentsatz des Umrisses des proximalen Endes, der auf oder über ungeschnittener Oberfläche eines anterioren Kortex liegt und – einen maximalen Spalt zwischen dem Implantat und den ungeschnittenen Abschnitten des anterioren Kortex enthalten.
Computerlesbares Medium nach Anspruch 27, wobei die Routine zum Auswählen der optimalen Größe und Position des Implantats ferner eine Routine zum Vergleich jeder Passberechnung mit einem gewichteten Algorithmus für jedes Passkriterium enthält, um die optimale Größe und Position des Implantats aus allen bewerteten Größen und Positionen von Implantaten zu bestimmen, wobei die optimale Implantatgröße Kerben und Überdimensionieren des Implantats zumindest minimiert.
Verfahren zum virtuellen Planen einer Größe und Position eines prothetischen Implantats für einen Knochen eines Patienten, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Erlangen vorbestimmter Formfaktor-Informationen für eine Vielzahl unterschiedlicher Implantate; – Erlangen von Informationen über die Form der Oberfläche des Knochens; – Definieren von Basis-Lageparameter für eine Lage des Implantats bezüglich einer virtuellen Darstellung des Knochens; – Bewerten einer Passberechnung jedes Implantats bezüglich der virtuellen Repräsentation des Knochens auf der Basis einer Vielzahl von Passfaktoren an jeder einer Vielzahl von inkrementellen Positionen bezüglich des Knochens; und – Auswählen eines am besten passenden Implantats und einer am besten passenden Position aus allen Passberechnungen.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Schritt des Erlangens der Oberflächen-Form des Knochens einen Schritt des Durchführens einer Vermessung der Knochenoberfläche enthält.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei die Schritte des Vermessens und Auswählens vor einem Schritt des Resezierens des Knochens durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 31, das ferner den Schritt des manuellen Abstimmens der berechneten optimalen Größe und Position enthält.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Berechnungsschritt den Schritt des Bewertens einer Vielzahl von Passparametern enthält.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Vielzahl von Passparametern Parameter über starre Knochenformen und Parameter über die Form von Implantaten enthalten.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Schritt des Bewertens einer Passberechnung ein Bewerten des Implantats enthält auf der Basis eines maximalen Seitenschlages einer anterioren Resektion von einem Umriss eines proximalen Endes eines anterioren Abschnittes des Implantates, eines Prozentsatzes des Umrisses des proximalen Endes des anterioren Abschnittes des Implantates, der auf resezierten Knochen liegt, eines Prozentsatzes des proximalen Umrisses des Endes, der auf oder über einem ungeschnittenen Abschnitt eines anterioren Kortex liegt, und des maximalen Spalts zwischen dem Implantat und der ungeschnittenen Oberfläche des anterioren Kortex.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei der Schritt des Auswählens des am besten passenden Implantats und der am besten passenden Position den Schritt des Vergleichens der bewerteten Passgenauigkeiten mit einem gewichteten Algorithmus enthält, um eine optimale Größe und Position zu identifizieren.
Verfahren nach Anspruch 29, das ferner den Schritt des Bestimmens eines Resektionsniveaus für den Knochen enthält.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei die Basis-Lageparameter verwendet werden, um einen maximalen Spalt zwischen dem Implantat und der ungeschnittenen Oberfläche eines anterioren Kortexknochens zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Schritt des Bewertens einer Passberechnung optional Schritte des Vorschauens einer Größe einer Flexion und eines Dehnungsspaltes für eine mediale und laterale Seite, des Erfassens medialer/lateraler Überhänge, des Schneidens einer proximalen Tibia und des Vorschauens eines Einsatzes, des Abschätzens eines medialen Kondylus für ein Varus-Knie und des Verwendens einer mittels Navigation geführten Bohrschablone zur anterior-posterior-Ausrichtung enthält.
Verfahren zum Bewerten eines Passens eines femoralen Implantats an ein distales Ende eines Femurs in einer ausgewählten Ausrichtung, bevor der Femur reseziert wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Erlangen vordefinierter Informationen über Formfaktoren des femoralen Implantats; – Erlangen von Informationen über die Form der Oberfläche des distalen Endes des Femurs; und – Durchführen einer virtuellen Passbewertung an jeder aller möglichen inkrementellen Positionen eines vordefinierten Satzes inkrementeller Positionen für ein Implantat jeder zu berücksichtigenden Größe, bevor der Femur reseziert wird.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei eine angestrebte Rekonstruktionsposition auf der Basis von Konzeptparametern zum Abgleichen eines ausgewählten Varus- oder Valguswinkels, eines Rotationswinkels und einer Oberflächenposition von posteriorem Kondylus und distalem Kondylus des Femurs definiert ist.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Schritt des Durchführens einer Passbewertung den Schritt des Berechnens eines maximalen Seitenschlages einer anterioren Resektion des Femurs von einem Umriss des proximalen Endes des femoralen Implantats enthält.
Verfahren nach Anspruch 42, wobei der Schritt des Durchführens einer Passbewertung den Schritt des Berechnens eines Prozentsatzes desjenigen Umrisses eines proximalen Endes enthält, der auf geschnittenem anterioren Kortexknochen liegt.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei der Schritt des Durchführens einer Passbewertung den Schritt des Berechnens eines Prozentsatzes des Umrisses eines proximalen Endes beinhaltet, der auf oder über ungeschnittenem anteriorem Kortexknochen liegt.
Verfahren nach Anspruch 44, wobei der Schritt des Durchführens einer Passbewertung den Schritt des Berechnens eines maximalen Spalts zwischen dem femoralen Implantat und dem ungeschnittenen anterioren Kortexknochen enthält.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Schritt des Durchführens einer Passbewertung den Schritt des Vergleichens der bewerteten Passgenauigkeiten mit einem gewichteten Algorithmus enthält, um eine optimale Größe und Position zu identifizieren.
Verfahren nach Anspruch 40, wobei der Schritt des Durchführens einer Passbewertung optional Schritte des Vorschauens einer Größe eines Flexions- und Extensionsspaltes für eine mediale und laterale Seite, ein Bestimmen medialen/lateralen Überhangs, ein Schneiden einer proximalen Tibia und ein Vorschauen eines Einsatzes, ein Abschätzen des medialen Kondylus für ein Varus-Knie und ein Verwenden einer mittels Navigation geführten Bohrschablone zur anterior-posterior-Ausrichtung enthält.