DE602005003943T2

DE602005003943T2 - Bildlose robotervorrichtung zur führung eines chirurgischen werkzeugs

Info

Publication number: DE602005003943T2
Application number: DE602005003943T
Authority: DE
Inventors: Bertin Residence "Le Seville" NAHUM; Eric Tassel; Lucien Blondel; Pierre Maillet
Original assignee: Zimmer GmbH
Current assignee: Zimmer GmbH
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2025-06-15
Also published as: EP1755466A1; FR2871363A1; EP1755466B1; AU2005253741B2; CA2570336A1; JP2008502396A; AU2005253741A1; US20070156157A1; ES2297721T3; US20190247055A1; DE602005003943D1; CA2570336C; JP4724711B2; FR2871363B1; ATE381293T1; WO2005122916A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von robotergestützten chirurgischen Systemen. Sie betrifft insbesondere eine mechanische Führung für ein Blatt einer oszillierenden Säge oder einen Bohrer bei einer Vielzahl von chirurgischen Anwendungen. Beispielsweise verbessert die vorliegende Erfindung bei einer Vollknieersatzoperation die Genauigkeit des Implantateinsatzes und seine Lebensdauer, wobei ein zuverlässiges Führungssystem bereitgestellt wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Viele chirurgische Prozeduren in verschiedenen Fachgebieten (Orthopädie, Neurochirurgie, Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, etc.) erfordern ein genaues Knochenschneiden oder -bohren. Dies ist beispielsweise bei Operationen um das Knie (Kniearthroplastik, Tibia- oder Femurosteotomie, Ligamentoplastie), in der Wirbelsäulenchirurgie (Setzen von Pedikelschrauben) oder in der Neurochirurgie der Fall.
Diese Prozeduren werden herkömmlich unter Verwendung von motorisierten Instrumenten (chirurgischer Bohrer, oszillierende Säge, etc.) durchgeführt, die entweder direkt durch den Chirurg oder unter Verwendung von einfachen mechanischen Führungen positioniert und gehalten werden.
Es gibt in der Literatur jedoch viele Studien, die zeigen, dass existierende Techniken kein gutes und vorhersehbares Ergebnis garantieren. Sie deu ten darauf hin, dass eine genauere Ausführung von Schnitten und Bohrungen zu besseren postoperativen Ergebnissen führen würde.
Es wäre erwünscht, verbesserte Systeme und Verfahren zum Ausführen der Handbewegungen eines Chirurgen bereitzustellen, die mit den Operationsplänen des Chirurgen perfekt übereinstimmen. Entscheidende Probleme bei solchen Handbewegungen eines Chirurgen umfassen die Notwendigkeit, perfekte Ausrichtungen von Schnitten oder Bohrungen in Bezug auf die Anatomie des Patienten sowie relative Ausrichtungen von Schnitten oder Bohrungen zu erhalten.
Ein Vollknieersatz (TKR von total knee replacement) ist ein Beispiel einer chirurgischen Prozedur, die genaue Schnitte erfordert. Bei einem TKR reseziert der Chirurg das distale Femur und die proximale Tibia und ersetzt sie durch Prothesekomponenten, um eine korrekte Funktionalität des Knies wiederherzustellen. Diese Komponenten müssen in Bezug auf die mechanischen Achsen der Knochen korrekt ausgerichtet werden. Andernfalls kann das Ergebnis zu einer schlechten Kniekinematik oder einem Losen der Komponenten führen. Eine Fehlausrichtung kann auf viele verschiedene Arten stattfinden: Orientierungen entlang dreier Achsen (varus/valgus, Flexion/Extension, intern/extern) und Verschiebung entlang dreier Achsen (medial/lateral, proximal/distal, anterior/posterior). Derzeit umfasst ein herkömmlicher TKR ein komplexes Vorrichtungssystem von Schneideblöcken und Ausrichtungsstäben. Es ist für den Chirurg schwierig, die Schneideblöcke mit Ausrichtungsstäben, die entlang den geschätzten Achsen gelegt sind, korrekt zu positionieren.
Es gibt Hinweise in der Literatur, dass diese Techniken nicht befriedigend sind. Gemäß Studien, wie beispielsweise "Navigation in total-knee arthroplasty: CT-based implantation compared with the conventional tech nique.", Perlick L. et al., Acta Orthop Scand. 2004, Band 4, S. 464–470, und "The effect of surgeon experience an component positioning in 673 PFC posterior cruciate-sacrificing total knee arthroplasties" von Mahaluxmivala J. et al., Arthroplasty 2001, Band 5, S. 635–640, liegt fast ein Drittel solcher Operationen außerhalb der Ausrichtungsgrenzen (zwischen 3 Grad varus und 3 Grad valgus von der idealen postoperativen Beinachse). Perlick L. et al., "Useability of an image based navigation system in reconstruction of leg alignment in total knee arthroplasty", Biomed Tech (Berlin) 2003, Band 12, S. 339–343, fanden in einer Studie über 50 Knie heraus, dass nur 70 Prozent innerhalb der Ausrichtungsgrenzen lagen. Herkömmliche Instrumente bieten dem Chirurg beim Erreichen der korrekten Ausrichtung zwischen der Beinachse und dem Implantat eine gewisse Unterstützung, das Ergebnis hängt jedoch stark von der Erfahrung des Chirurgen ab.
Es wurden verschiedene Ansätze vorgeschlagen, um den Chirurg bei einem TKR zu unterstützen. Navigationssysteme basieren auf einem Verfolgungssystem, das die räumliche Position von Verfolgern ortet. An dem Femur, an der Tibia und an mechanischen Einrichtungen, wie beispielsweise Schneideblöcken und Zeigerwerkzeugen, sind Verfolger fixiert. Der Chirurg kann der relativen Position des Werkzeugs in Bezug auf die Knochen visuell folgen. Bei einem ersten Schritt erfasst der Chirurg anatomische Merkpunkte und Flächen mit einem verfolgten Zeiger und definiert der Chirurg die Mitte des Hüftgelenks durch einen kinematischen Vorgang. Das Navigationssystem kann dann die mechanischen Achsen der Knochen und die optimale Position für die verschiedenen Schnitte berechnen. Durch ein Implantieren von Stiften fixiert der Chirurg die Schneideblöcke an dem Knochen mit der visuellen Hilfe, die durch das Navigationssystem bereitgestellt wird. Nachteile solcher Systeme sind ihre Komplexität, die längere Zeitdauer, die für die Prozedur erforderlich ist, und ihre fehlende Unterstützung für die Realisierung der tatsächlichen Handbewegung des Chirurgen. In dem Moment, in dem der Chirurg von dem Navigationssystembildschirm wegsieht, um die Fixierungsstifte zu implantieren, kann es auch zu einem erheblichen Genauigkeitsverlust beim Positionieren der Schneideblöcke kommen. Daher beruhen diese navigierten Lösungen immer noch hauptsächlich auf der Geschicklichkeit des Chirurgen.
Es wurden auch Robotersysteme vorgeschlagen, um ein Knochenschneiden während einer Knieersatzoperation zu verbessern. T.C. Kienzle beschreibt in "Total Knee Replacement", IEEE Engineering in Medicine and Biology, Band 14, Nr. 3, 01.05.1995, ein computergestütztes chirurgisches System, das einen kalibrierten Roboter verwendet. Das System verwendet einen Arbeitsplatz, der ein 3D-Modell der Knochen des Patienten anzeigt, das von einer Computertomographie des Beins erhalten wird, und einen modifizierten Industrieroboter, der die Anordnung von Prothesekomponenten führt. Positionen von Bezugsmarkierungen, die an den Knochen befestigt sind, werden mit einem Messfühler gemessen, der an dem Befestigungsflansch des Roboters angebracht ist. Sie dienen dazu, die präoperativen Bilddaten (Computertomographiebild) mit der Position des Patienten (Roboterreferenzbild) zu erfassen. Nach dem Berechnen der optimalen Anordnung der Prothesekomponente positioniert der Roboter eine Bohrerführung dort, wo die Löcher für den Schneideblock angebracht werden sollen. Der Hauptnachteil dieses Systems ist, dass der Chirurg eine präoperative chirurgische Prozedur ausführen muss, um in dem Femur und der Tibia des Patienten invasive Stifte anzuordnen, bevor eine Computertomographie des Beins durchgeführt wird. Bei diesem System wird durch den Roboterarm kein Zeigerwerkzeug aufgenommen, um die Koordinaten von anatomischen Merkpunkten zu erhalten, und ist kein Mittel zum manuellen Erhalten und zum Speichern der Koordinaten der anatomischen Merkpunkte vorgesehen.
In dem US-Patent Nr. 5,403,319 ist eine andere Robotereinrichtung offenbart. Diese Einrichtung umfasst eine Knochenimmobilisierungseinrichtung, einen Industrieroboter und eine an dem Roboterbefestigungsflansch angebrachte Vorlage. Die Vorlage weist eine funktionale Innenfläche auf, die der Außenfläche der Femurkomponente einer Knieprothese entspricht. Im ersten Schritt positioniert der Chirurg die Vorlage an der gewünschten Position der Prothese, und der Roboter erfasst die Position. Im zweiten Schritt kombiniert das System die erfasste Position mit einer geometrischen Datenbank, um für jede Schneideaufgabe Koordinatendaten zu erzeugen. Der Roboter positioniert dann eine Werkzeugführung, die für jede spezifische Aufgabe perfekt ausgerichtet wird. Die tatsächliche Aufgabe des Chirurgen wird durch den Chirurg über die Werkzeugführung ausgeführt. Einer der Hauptnachteile dieses Systems ist, dass seine Genauigkeit vollständig auf einer unwahrscheinlichen Hypothese beruht: der Fähigkeit des Chirurg, die optimale räumliche Position der Prothese visuell zu ermitteln. Praktisch ist es sogar für einen sehr erfahrenen Chirurgen nahezu unmöglich, eine Prothesevorlage mit einer Genauigkeit, die ausreicht, um ein gutes postoperatives Ergebnis zu erhalten, freihand zu positionieren. Autoren beschreiben rudimentäre Ausrichtungsmittel, wie beispielsweise Schneideführungsmarkierungen, Ausrichtungsnasen und Referenzstäbe, die verwendet werden könnten, um die Position und Orientierung der Prothese relativ zu dem Knochen zu bewerten. Diese Mittel sind weitaus weniger genau als herkömmliche Instrumente. Daher wäre dieses System mit Sicherheit weniger genau als herkömmliche Vorrichtungssysteme. Ein weiterer Hauptnachteil ist, dass dieses System für jeden Typ und jede Größe von Implantatkomponente eine Prothesevorlage annimmt. Da es etwa hundert verschiedene Modelle von im Handel erhältlichen Pro thesen und etwa 5 bis 7 Größen für jedes Modell gibt, scheint diese Lösung hinsichtlich der Einschränkungen im Operationssaal eher ungeeignet.
Es wurden andere Robotersysteme vorgeschlagen, um einen Vollknieersatz durchzuführen, wobei viele von ihnen präoperative Bilddaten des Patienten verwenden. Die chirurgischen Systeme ROBODOC (TM) und CASPAR (TM) sind aktive Roboter, die die Knochen automatisch fräsen, wobei autonom die Handbewegung des Chirurgen realisiert wird. Das chirurgische System Acrobot (TM) ist ein semiaktiver Roboter, der den Chirurg während des Fräsens unterstützt. Alle diese Systeme sind bildbasiert.
Andere automatisierte Systeme werden in Kombination mit einem Navigationssystem vorgeschlagen. Dies gilt für die Praxiteles (TM)-Einrichtung von PRAXIM, das Galileo (TM)-System von Precision Implants und das GP-System (TM) von Medacta International (TM). All diese Systeme sind knochenangebracht, erfordern einen großen Schnitt und können nicht ohne ein Navigationssystem arbeiten.
Andere Operationen um das Knie, wie eine Tibiaosteotomie und Ligamentreparaturen, weisen die gleichen Probleme auf wie ein TKR: genaue Schnitte oder Bohrungen sind erforderlich, um die Kniefunktionalität wiederherzustellen. Bei einer Tibiaosteotomie wird beispielsweise ein Knochenkeil von der Tibia entfernt, um die Achse des Knochens zu ändern. Die Winkelkorrektur wird präoperativ mit Röntgenstrahlen ermittelt. Wie für einen TKR umfassen herkömmliche Instrumente sehr einfache mechanische Führungen. Es besteht ein Bedarf an einer Unterstützung eines genauen Knochenschnitts.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt ein bildloses System für eine Führung eines chirurgischen Werkzeugs durch genaues Positionieren einer an einem Roboterarm angebrachten Führung bereit, wobei bei einer Knieersatzoperation typischerweise eine Schneideführung zum Führen einer oszillierenden Säge verwendet wird.
Das Verfahren zum Verwenden dieses umfasst die Schritte: Erfassen anatomischer Merkpunkte mit einem Roboterarm, Kombinieren von Merkpunktdaten mit geometrischen Planungsparametern zum Erzeugen von Positionsdaten, automatisches Positionieren einer an dem Roboterarm angebrachten Werkzeugführung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Einrichtung eine chirurgische Robotereinrichtung, die für die optimale Positionierung einer Schneide- oder Bohrführung verwendet wird.
Die Robotereinrichtung ist durch eine spezifische Fixierungseinrichtung starr an dem Operationstisch befestigt.
Vorzugsweise stellt der Roboterarm mindestens sechs Freiheitsgrade dar und ist der Roboterarm geeignet, um eine Schneide- und/oder Bohrführung und/oder ein Zeigerwerkzeug aufzunehmen. Sowohl zum Zeigen als auch zum Führen kann das selbe Instrument verwendet werden.
Die Robotereinrichtung positioniert die Führung genau an der Stelle, an der das Schneiden oder Bohren durchgeführt werden muss. Ein Knochenschneiden oder -bohren wird über die Führung durch einen Chirurgen unter Verwendung einer oszillierenden Säge oder eines chirurgischen Bohrers realisiert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Roboterarm einen Kraftsensor und kann der Roboterarm in einem kooperativen Modus arbeiten, in dem der Benutzer die Möglichkeit hat, den Roboterarm manuell zu bewegen, indem er ihn an seinem Endteil ergreift.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform können Bewegungen der Führung in dem kooperativen Modus entweder auf eine Ebene für eine Schneideführung oder auf eine Achse für eine Bohrführung beschränkt sein.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst das System wie oben kurz erläutert einen Anzeigemonitor, der mit einer Benutzerkommunikationsschnittstelle versehen ist, um Planungsparameter von einem Benutzer zu empfangen.
Daten anatomischer Merkpunkte und Planungsparameter werden kombiniert, um die optimale Position der Führung zu definieren. Beispielsweise ist bei einem TKR die innere Drehung der Femurkomponente ein Planungsparameter für eine Implantatpositionierung. Die Benutzerkommunikationsschnittstelle könnte beispielsweise eine Tastatur, ein berührungsempfindlicher Bildschirm und/oder eine Maus sein.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst die Einrichtung auch eine Schnittstelle zu einem chirurgischen Navigationssystem, das mit intraoperativen Daten arbeiten kann. Daten, die durch das chirurgische Navigationssystem bereitgestellt werden, werden dann verwendet, um Positionsdaten für die Führung zu erzeugen. In diesem Fall ergänzt die Verwendung eines Navigationssystems den Schritt des Erfassens anatomischer Merkpunkte mit dem Roboter. Daten werden von dem Navigationssystem über eine Kommunikationsschnittstelle gemäß einem vordefinierten Protokoll bereitgestellt. Das Objekt der Robotereinrichtung der Erfindung ist dann ein Peripheriegerät für eine genaue Ausführung der chirurgischen Planung, die mittels des chirurgischen Navigationssystems realisiert wird.
Vorzugsweise umfasst das Führungswerkzeug begrenzte Flächen, um den Kontakt und die Reibung mit einer oszillierenden Säge zu reduzieren, während eine effiziente Führung aufrecht erhalten bleibt.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Robotereinrichtung eine Gliedmaßenfixierungseinrichtung, die geeignet ist, um eine Immobilisierung des Beins an zwei Ebenen sicherzustellen: an der Ebene des Knöchels mit einer Zahnstange; an der Ebene des Knies mit zwei in die Femur- oder Tibiaepiphyse geschraubten Stiften.
Dieses Mittel zur Fixierung der Gliedmaßen stellt die Immobilisierung des Beins während der Schritte der Erfassung anatomischer Merkpunkte und des Knochenschneidens und/oder -bohrens sicher.
Andere Vorteile, Ziele und Eigenschaften dieser Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Für ein besseres Verständnis der Natur, der Ziele und der Funktion der vorliegenden Erfindung sollte auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen Bezug genommen werden, in denen:
1 eine Übersicht des Systems der vorliegenden Erfindung ist, die eine mobile Basis, einen Roboterarm mit einem Kraftsensor und einem Werkzeug, die daran angebracht sind, und einen Anzeigemonitor zeigt;
2A eine perspektivische Ansicht des Zeigerwerkzeugs ist;
2B eine perspektivische Ansicht des Führungswerkzeugs ist;
2C eine perspektivische Ansicht eines Zeiger- und Führungswerkzeugs ist;
3 eine perspektivische Ansicht einer Fixierungseinrichtung zum starren Fixieren der mobilen Basis an dem Operationstisch ist;
4A eine perspektivische Ansicht einer Gliedmaßenfixierungseinrichtung ist, die das Bein starr an dem Operationstisch hält;
4B eine perspektivische Ansicht der Platte der Gliedmaßenfixierungseinrichtung ist, die in 4A beschrieben ist;
4C eine perspektivische Ansicht des Knieteils der Gliedmaßenfixierungseinrichtung ist, die in 4A beschrieben ist;
4D eine perspektivische Ansicht des Knöchelteils der Gliedmaßnfixierungseinrichtung ist, die in 4A beschrieben ist;
5 eine auseinandergezogene Ansicht des Zeigerwerkzeugs, des Kraftsensors und des Roboterarmbefestigungsflanschs ist;
6 eine Übersicht des Systems der vorliegenden Erfindung ist, die einen Patienten umfasst, der sich auf einem Operationstisch befindet; und
7 ein Blockdiagramm ist, das verschiedene Module der Steuersoftware zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER SPEZIFISCHEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezugnehmend auf 1 ist zu sehen, dass eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung allgemein eine Robotereinrichtung 100 umfasst, die eine mobile Basis 110, einen Roboterarm 120, eine Steuereinheit 130 in der mobilen Basis, die den Roboterarm 120 steuert und einem Chirurg ermöglicht, durch die Verwendung einer Schnittstelle 150, die ein berührungsempfindlicher Bildschirm, eine Maus, ein Joystick, eine Tastatur oder dergleichen sein kann, manuell Daten einzugeben, einen Anzeigemonitor 140, ein Werkzeug 190 und einen Kraftsensor 180, die an dem Roboterarmbefestigungsflansch angebracht sind, und eine spezifische Fixierungseinrichtung 170 zum Fixieren der Robotereinrichtung 100 an einem Operationstisch (hier nicht dargestellt) umfasst.
Die mobile Basis 110 stellt eine einfache Handhabung der Robotereinrichtung 100 mit ihren Rädern und Griffen sicher. Die mobile Basis 110 ist vorzugsweise auch mit Feststellgliedern oder Entsprechendem versehen.
Der Roboterarm 120 ist ein sechsgelenkiger Arm. Jedes Gelenk ist mit einem Codierer versehen, der seinen Winkelwert misst. Diese Daten ermöglichen in Kombination mit der bekannten Geometrie der sechs Gelenke die Berechnung der Position des Roboterarmbefestigungsflanschs und der Position des an dem Roboterarm angebrachten Werkzeugs, entweder eines Zeigerwerkzeugs, eines Führungswerkzeugs oder eines Zeiger- und Führungswerkzeugs.
2A zeigt ein Zeigerwerkzeug 190. Das Zeigerwerkzeug 190 umfasst eine Basisplatte 200, einen Griff 210 und eine Zeigerkugel 220.
2B zeigt eine Schneideführung. Die Schneideführung umfasst eine Basisplatte 230, einen Griff 240 und einen Schlitz 250 zum Führen eines Sägeblatts.
2C zeigt ein Zeiger- und Führungswerkzeug. Es umfasst eine Basisplatte 260, einen. Griff 270, einen Schlitz 280 zum Führen eines Sägeblatts und eine Zeigerkugel 290.
Die in 2A bis 2C beschriebenen Werkzeuge sind lediglich drei Beispiele von Zeiger- und/oder Führungswerkzeugen, die mit der in 1 gezeigten Einrichtung verwendet werden können.
Vorzugsweise ist der Roboterarm 120 durch eine spezifische Basisfixierungseinrichtung starr an dem Operationstisch befestigt. Wie es in 3 gezeigt ist, umfasst die Basisfixierungseinrichtung zwei Sätze von Klam mern 300, die an die Operationstischschiene 310 angepasst sind, und U-förmige Stangen 320. Zu Beginn bringt der Benutzer eine Klammer 300 an der Operationstischschiene 310 und eine weitere Klammer an der Schiene 330 der mobilen Basis an. Wenn die Klammern angeordnet sind, setzt der Benutzer die U-förmige Stange in die zylinderförmigen Löcher der Klammern ein, verriegelt der Benutzer die Klammern an ihrer Stelle und verriegelt der Benutzer die U-förmige Stange in den Klammern unter Verwendung der Drehknöpfe.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst das System eine Gliedmaßenfixierungseinrichtung (siehe 4A, 4B, 4C und 4D) zum Sicherstellen der Immobilität des Beins während der Prozedur. Diese Gliedmaßenfixierungseinrichtung ermöglicht eine Immobilisierung des Beins an zwei Ebenen: an der Ebene des Knöchels mit einer Zahnstange (4D), an der Ebene des Knies mit zwei in die Femur- oder Tibiaepiphyse geschraubten Stiften (4C).
4B zeigt die Hauptplatte 400 der Gliedmaßenfixierungseinrichtung. Die Hauptplatte 400 wird mit zwei Klammern 300 an dem Operationstisch fixiert. Der Kniefixierungsteil 410 und der Knöchelfixierungsteil 420 können entlang der Hauptplatte 400 verschoben werden und können an ihrer Stelle durch Schrauben verriegelt werden.
4C ist eine Draufsicht des Mittels zum Immobilisieren des Beins des Patienten an der Ebene des Knies. Das Knie liegt auf der Trägerstange 440. Wenn die Knochen bei einer Knieersatzoperation freigelegt sind, werden zwei Stifte 430 entweder in die Femurepiphyse oder die Tibiaepiphyse geschraubt. Die Position der Trägerstange 440 kann vertikal eingestellt und mit zwei Drehknöpfen verriegelt werden. Die Orientierung kann durch Drehen um die Hauptachse 450 von 0 bis 90° eingestellt werden und mit einem Drehknopf verriegelt werden. Das gesamte System kann entlang der Platte verschoben werden.
4D zeigt das Mittel zur Immobilisierung des Beins des Patienten an der Ebene des Knöchels. Der Fuß und der Knöchel des Patienten werden mit einem chirurgischen Band oder einem anderen sterilen Mittel zum Arretieren des Fußes in dem Stiefel 460 starr fixiert. Der Stiefel 460 ist geeignet, um in einer Halterung 470 festgeklemmt zu werden, die entlang der Hauptplatte 400 verschoben werden kann und an einer Stelle mit einem Drehknopf verriegelt werden kann.
Beide Teile der Gliedmaßenfixierungseinrichtung (Knöchelteil und Knieteil) sind unabhängig, werden jedoch in Kombination verwendet, um eine Immobilisierung der unteren Gliedmaße während der Prozedur zu garantieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Steuereinheit 130 den Roboterarm 120 in einem kooperativen Modus versetzen, indem ein Benutzer den Roboterarm 120 manuell durch dessen Ergreifen an seinem Endteil bewegen kann. Mit Bezugnahme auf 5 umfasst das System der vorliegenden Erfindung einen an dem Roboterarmbefestigungsflansch 125 angebrachten Kraftsensor 180. Der Kraftsensor 180 ist geeignet, um ein Werkzeug wie das Zeigerwerkzeug 190 aufzunehmen. Wenn der Benutzer das Werkzeug ergreift und versucht, es in eine Richtung zu bewegen, empfangt die Steuereinheit 130 durch den Kraftsensor 180 gemessene Kraftaufwände und kombiniert sie mit der Position des Roboterarms 120, um die durch den Benutzer gewünschte Bewegung zu erzeugen.
Sobald die Robotereinrichtung an dem Operationstisch fixiert ist, ist der erste Schritt der Prozedur das Erfassen anatomischer Merkpunkte an dem Patienten. Diese anatomischen Merkpunkte sind dem Chirurg bekannt. Beispielsweise werden bei einer TKR-Prozedur die Malleoli, der innere Teil der Tuberositas tibiae, die Mitte der Spinae und die Tibiaplateaus an der Tibia erfasst, werden der Notch-Mittelpunkt, die distalen und posterioren Kondylen und der anteriore Kortex an dem Femur erfasst. 6 zeigt die Positionen des Patienten und der Robotereinrichtung 100 zu Beginn des Merkpunkterfassungsschritts für eine TKR-Prozedur.
Während des Merkpunkterfassungsschritts versetzt die Steuereinheit 130 den Roboterarm 120 in den kooperativen Modus und gibt über den Anzeigemonitor 140 die anatomischen Merkpunkte an, die erhalten werden sollen. Der Chirurg bewegt das Zeigerwerkzeug 190, bis es mit dem erforderlichen anatomischen Merkpunkt in Kontakt steht, und validiert den Erhalt der Punktkoordinaten unter Verwendung der Benutzerschnittstelle 150. Die Steuereinheit 130 speichert dann die Koordinaten des Punkts und seine anatomische Bedeutung.
Nach dem Merkpunkterfassungsschritt gibt der Chirurg über die Benutzerschnittstelle 150 Planungsparameter ein. Beispielsweise wählt der Chirurg bei einer TKR-Prozedur das Modell und die Größe der Prothesekomponenten und definiert ihre Positionen und Orientierungen relativ zu den mechanischen Achsen des Femurs und der Tibia. Typische geometrische Parameter sind Varus/Valgus-Winkel, posteriore Neigung und Dicke der Resektion für die Tibia sowie Varus/Valgus-Winkel, Flexions/Extensions-Winkel, externe Drehung und Dicke der Resektion für das Femur.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Steuereinheit 130 eine Datenverarbeitungsschnittstelle, die dem System ermöglicht, mit einem anderen computergestützten chirurgischen System, wie einem Navigationssystem, verbunden zu sein. Navigationssysteme arbeiten mit präoperativen Bildern des Knochens (Computertomographie, Röntgenstrahlen, Fluoroskopie, etc.) oder mit intraoperativen Daten. Im letzteren Fall verwenden sie einen 3D-Rekonstruktionsalgorithmus auf der Grundlage der Digitalisierung des Knochens. Durch das Navigationssystem bereitgestellte Daten ersetzen dann die Daten des Merkpunkterfassungsschritts oder werden mit diesen kombiniert. Die Position des Führungswerkzeugs kann durch das Navigationssystem erzeugt und gemäß einem vordefinierten Kommunikationsprotokoll an die Robotereinrichtung übertragen werden.
Sobald die erforderliche Position der Führung hergestellt wurde, bringt der Benutzer das Führungswerkzeug an dem Roboterarm an. Vorzugsweise wird ein Zeiger- und Führungswerkzeug verwendet, sodass der Benutzer das Werkzeug zwischen dem Merkpunkterfassungsschritt und dem Schneide- oder Bohrschritt nicht auswechseln muss.
Die Robotereinrichtung 100 richtet die Führung gemäß der Planung des Chirurgen relativ zu der Anatomie des Patienten genau aus. Wenn das Führungswerkzeug eine Schneideführung für ein Sägeblatt ist, hält es der Roboterarm 120 in der gewählten Schneideebene. Wenn das Führungswerkzeug eine Bohrführung ist, hält es der Roboterarm 120 entlang der gewählten Bohrachse.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann durch den Benutzer dann ein planarer kooperativer Modus aktiviert werden, um Bewegungen der Führung in der Ebene zu beschränken. Ähnlich beschränkt ein axialer kooperativer Modus Bewegungen der Führung entlang der Achse. Der Benutzer bewegt das Führungswerkzeug zu der von ihm geschätz ten optimalen Position, wenn die Steuereinheit 130 Bewegungen des Roboterarms auf eine Ebene oder eine Achse beschränkt. Sobald diese optimale Position erreicht ist, stoppt die Steuereinheit 130 den Roboterarm 120, der das Führungswerkzeug an seiner Stelle hält. Eine chirurgische Aufgabe wie Knochenschneiden oder -bohren wird durch den Chirurg unter Verwendung eines herkömmlichen Instruments (einer oszillierenden Säge oder eines chirurgischen Bohrers) über die Führung ausgeführt.
Bei einer TKR-Prozedur wird für den Tibiaschnitt und die fünf Femurschnitte dasselbe Führungswerkzeug verwendet. Bei einer Tibiaosteotomie-Prozedur wird für beide Tibiaschnitte dasselbe Führungswerkzeug verwendet.
Bezug nehmend auf 7 lässt die Steuereinheit 130 eine Steuersoftware 132 laufen, die Daten mit Elementen der Robotereinrichtung austauscht. Die Software kommuniziert mit dem Benutzer über die Benutzerschnittstelle 150 und den Anzeigemonitor 140. Die Software kommuniziert mit einem anderen computergestützten chirurgischen System wie oben beschrieben über die Datenverarbeitungsschnittstelle. Die Software kommuniziert mit dem Kraftsensor 180, um die durch den Benutzer an dem Werkzeug, das an dem Roboterarm angebracht ist, ausgeübten Kraftaufwände regelmäßig zu messen. Die Software kommuniziert mit dem Roboterarm 120, um seine Position zu steuern.
Die Steuersoftware 132 umfasst fünf unabhängige Module 134 bis 138. Vorzugsweise arbeiten diese Module gleichzeitig in einer Echtzeitumgebung und verwenden diese Module einen gemeinsam genutzten Speicher, um eine gute Verwaltung der verschiedenen Aufgaben der Steuersoftware sicherzustellen. Die Module weisen verschiedene Prioritäten auf, wobei das Sicherheitsmodul 134 die höchste aufweist.
Das Sicherheitsmodul 134 überwacht den Systemstatus und stoppt den Roboterarm 120, wenn eine kritische Situation detektiert wird (Notaus, Softwareausfall, Kollision mit einem Hindernis, etc.).
Das Schnittstellenmodul 135 verwaltet die Kommunikation zwischen dem Chirurg und der Steuersoftware über die Benutzerschnittstelle 150 und den Anzeigebildschirm 140. Der Anzeigebildschirm 140 zeigt eine graphische Schnittstelle an, die den Benutzer durch die verschiedenen Schritte der Prozedur führt. Die Benutzerschnittstelle 150 ermöglicht dem Benutzer, während der Prozedur eine permanente Kontrolle zu haben (Validieren einer Merkpunkterfassung, Definieren von Planungsparametern, Stoppen des Roboterarms, wenn es notwendig ist, etc.).
Das Kraftmodul 136 überwacht die Kräfte und Drehmomente, die durch den Kraftsensor 180 gemessen werden. Das Kraftmodul kann eine Kollision mit einem Hindernis detektieren und das Sicherheitsmodul alarmieren.
Das Steuermodul 137 verwaltet die Kommunikation mit dem Roboterarm 120. Es empfängt Datencodiererwerte von jedem Gelenk und sendet Positionsbefehle.
Das Berechnungsmodul 138 führt alle Berechnungen durch, die für die Prozedur notwendig sind. Beispielsweise rekonstruiert es bei einer TKR-Prozedur die mechanischen Achsen der Knochen, wobei Daten anatomischer Merkpunkte mit statistischen Daten kombiniert werden. Es definiert auch die Trajektorie des Roboterarms 120 unter Verwendung von direkter und inverser Kinematik.
Die vorliegende Erfindung ist nicht durch das oben Beschriebene beschränkt. Es sei angemerkt, dass an ihr verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

Bildlose Einrichtung zum Führen eines chirurgischen Werkzeugs, wobei die Einrichtung einen Roboterarm und mindestens ein Werkzeug, wobei der Roboterarm geeignet ist, um das mindestens eine Werkzeug aufzunehmen, und einen Kraftsensor umfasst, der geeignet ist, um an dem Roboterarm angebracht zu sein, und geeignet ist, um das mindestens eine Werkzeug aufzunehmen, wobei die Einrichtung ferner umfasst: ein Mittel, das geeignet ist, um durch den Kraftsensor gemessene Kraftaufwände zu empfangen, wobei die gemessenen Kraftaufwände mit einer Position des Roboterarms kombiniert werden und bei einem Betrieb in einem kooperativen Modus die von dem Benutzer gewünschte Bewegung des Roboterarms in Abhängigkeit von der Kombination aus Kraftaufwand und Positionsdaten erzeugt wird, ein Zeigerwerkzeug, das durch den Roboterarm aufgenommen wird, um die Koordinaten anatomischer Merkpunkte zu erhalten, ein Mittel zum manuellen Erhalten und zum Speichern der Koordinaten der anatomischen Merkpunkte unter Verwendung des Zeigerwerkzeugs, ein Mittel zum Verarbeiten der Koordinaten der anatomischen Merkpunkte, wodurch eine erforderliche Position für ein Führungswerkzeug erzeugt wird, das geeignet ist, um das chirurgische Werkzeug zu führen, und ein Mittel zum automatischen Positionieren des an dem Roboterarm befestigten Führungswerkzeugs an der erforderlichen Position.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Werkzeug ein kombiniertes Zeiger- und Führungswerkzeug umfasst.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Roboterarm mindestens sechs Freiheitsgrade darstellt.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Einrichtung ferner ein Mittel umfasst, das geeignet ist, um zu bewirken, dass der Roboterarm in einem kooperativen Modus arbeitet, der Bewegungen der Führung in einer Ebene oder entlang einer Achse beschränkt.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner einen Steuermonitor und eine Kommunikationsschnittstelle umfasst, die geeignet ist, um Parameter einer chirurgischen Planung von einem Benutzer zu empfangen.
Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die ferner eine Gliedmaßenfixierungseinrichtung umfasst, die geeignet ist, um die Immobilisierung des Beins an zwei Ebenen sicherzustellen: – an der Ebene des Knöchels mit einer Zahnstange – an der Ebene des Knies mit in die Femur- und Tibiaepiphyse geschraubten Stiften.