DE60302347T2

DE60302347T2 - Cas-bohrführung und bohrverfolgungssystem

Info

Publication number: DE60302347T2
Application number: DE60302347T
Authority: DE
Inventors: Pierre Couture; Dominic Picard; Louis-Philippe Amiot
Original assignee: Orthosoft ULC
Current assignee: Orthosoft ULC
Priority date: 2002-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2023-04-18
Also published as: EP1496808A1; DE60302347D1; CA2482006A1; US7314048B2; EP1496808B1; JP2005523067A; US20050074304A1; US6887247B1; WO2003088852A1; AU2003226985A1; ATE309748T1; CA2482006C

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf chirurgische Vorrichtungen und insbesondere auf eine Bohrführung, die so beschaffen ist, dass sie eine Führung und Verfolgung eines Bohrwerkzeugs sichert, wenn sie in Verbindung mit einem computergestützten chirurgischen System verwendet wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Viele Operationen, insbesondere jene, die in der Orthopädie verwendet werden, erfordern, dass in einen Knochen eines Patienten Löcher gebohrt werden. Zu diesem Zweck werden seit langem chirurgische Bohrer verwendet, wobei verschiedene mechanische Führungsinstrumente vorhanden sind, die ermöglichen, dass ein Chirurg ein Loch bis in eine richtige Tiefe und ohne Gefahr der Beschädigung des umgebenden Gewebes genau bohrt. Diese Bohrführungen stellen häufig eine visuelle Tiefenmesslehre bereit, die erfordert, dass der Chirurg die Tiefe des gebohrten Lochs von einer mit Maßeinteilung versehenen Skale auf dem Instrument abliest.
Das US-Patent 5.895.389, erteilt am 20. April 1999 an Schenk u. a., offenbart ein solches Bohrführungs- und Messinstrument. Die Führung umfasst allgemein eine Buchse und einen Stempel, der innerhalb der Buchse teleskopartig ineinander geschoben werden kann, wobei beide axiale Bohrungen besitzen, die so beschaffen sind, dass sie einen Abschnitt eines Bohrwerkzeugs, der über ein Bohrfutter vorsteht, aufnehmen und führen. Mehrere Finger an dem vorderen Ende des Stempels sind durch eine Innenwand der Buchse nach innen vorbelastet, wobei sie eine reibschlüssige Gleitpassung erzeugen. Somit halten der Stempel und die Buchse, nachdem sie teilweise ineinander geschoben worden sind, ihre relative teleskopartige Position. Maßeinteilungen an der Seite des Stempels geben die Relativbewegung des Stempels in Bezug auf die Buchse und somit die Eindringtiefe des Bohrers an. Vorzugsweise besitzt die Buchse einen kleinen Griff zum Steuern der Bohrführung. Durch den Griff verläuft parallel zur Mittelachse der Buchsen- und der Stempelbohrung eine Ausrichtbohrung. Dadurch, dass der Griff mit der Ausrichtbohrung über einem vorher in das Werkstück eingeführten Führungsdraht gleitet, kann die Bohrführung in einer vorgegebenen Strecke davon auf den parallelen Draht ausgerichtet werden.
Mit dem Erscheinen und der zunehmenden Verwendung der computergestützten Chirurgie (CAS) ist für viele Operationen eine viel höhere Genauigkeit möglich. Die Chirurgen können nun vor dem tatsächlichen Verfahren z. B. den idealen Ort, die ideale Ausrichtung und die ideale Tiefe eines Bohrlochs auf ein computergeneriertes 3D-Modell des Patienten zeichnen. Die Position der Instrumente in Bezug auf abgetastete Bilder der Körperteile kann während des chirurgischen Eingriffs auf Monitoren angezeigt werden, um den Chirurgen während des Verfahrens zu führen.
Ein momentan verwendetes CAS-System umfasst die Verwendung von wenigstens zwei Kameras, die sich an verschiedenen feststehenden Bezugspunkten befinden, die gleichzeitig den Ort einer sich bewegenden Dreipunktachse aufzeichnen. Bei Kenntnis der Positionen der Referenzpunkte ist die eindeutige Position der Dreipunktachse im Raum und somit irgendeines Objekts, an dem die Achse befestigt ist, eindeutig definiert und kann somit genau verfolgt werden.
Obgleich diese Instrumentenausrüstungs-Verfolgungssysteme für einige Anwendungen gut funktionieren, gibt es bei bestimmten momentanen chirurgischen Verwendungen visuell verfolgter Systeme dennoch Probleme. Damit die Kameras genaue gleichzeitige Bilder der Dreipunktverfolgerachse aufzeichnen und damit der Ort der Punkte der Achse entsprechend genau berechnet wird, müssen die visuellen Bilder der Achse relativ verzerrungsfrei bleiben. Somit führt irgendeine Verlagerung der Verfolgerachse in Bezug auf das chirurgische Werkzeug, an dem sie befestigt ist, zur ungenauen Berechnung der exakten räumlichen dreidimensionalen (3D-)Position und somit zur ungenauen Darstellung des Operationsinstruments in Bezug auf den Patienten auf den Computermonitoren. Somit sind die Halteklammern und Befestigungsadapter zum festen Lokalisieren der Verfolgerachse an dem Werkzeug häufig kompliziert.
CAS-Systeme werden verwendet, um in Verbindung mit einem chirurgischen Bohrer für solche Operationen wie Stiftimplantation und Prothesenbefestigung zu versuchen, den Ort und die Tiefe von in den Knochen eines Patienten gebohrten Löchern zu überwachen. Für diese Anwendungen werden CAS-Dreipunktverfolgerachsen direkt an dem Bohrer befestigt.
Ein Hauptproblem im Zusammenhang mit momentanen Befestigungsverfahren zum Befestigen einer CAS-Verfolgerachse an einem Bohrwerkzeug ist, dass viele Kliniken erheblich verschiedene Bohrsysteme verwenden. Somit erfordert das Befestigen einer CAS-Verfolgerachse an jedem Bohrertyp viele Teile und in jedem Fall einen vollständig verschiedenen Satz komplizierter Befestigungsadapter. Dies erfordert eine kundenspezifische Installation zum Befestigen einer CAS-Verfolgerachse an jedem Typ eines chirurgischen Bohrers, was beträchtliche Kosten zu CAS-Systemen hinzufügt, die bereits einen erheblichen Aufwand für die Kliniken darstellen. Außerdem verursacht die zusätzliche Verklammerung, die zum ausreichenden Befestigen der CAS-Verfolgerachse an dem Bohrer erforderlich ist, eine unnötige Verringerung der Bewegungsfreiheit, die der Chirurg zur Manipulation des Bohrers hat.
Somit ist eine genaue visuelle oder elektromagnetische Echtzeitverfolgung von Instrumenten, die zum Bohren von Löchern während chirurgischer Eingriffe verwendet werden, für die umfassende Verwendung mit allen Typen chirurgischer Bohrsysteme bisher unpraktisch und teuer.
US 5885389 offenbart eine Bohrführungsanordnung für ein Bohrwerkzeug, das ein erstes Element, das so beschaffen ist, dass es an einer Werkstückoberfläche anliegt, und durch das eine Mittelöffnung definiert ist, die so beschaffen ist, dass sie den Bohrspitzenabschnitt des Bohrwerkzeugs aufnehmen kann, ein zweites Element, das so beschaffen ist, dass es in Bezug auf das erste Element axial verlagert werden kann und hiervon axial vorbelastet ist, und durch das eine Mittelöffnung definiert ist, die so beschaffen ist, dass sie den Bohrspitzenabschnitt des Bohrwerkzeugs aufnehmen kann, und eine Tiefenmesslehrenskale, die an dem zweiten Element befestigt ist und dadurch die Position und Bewegung des zweiten Elements und somit die des Bohrspitzenabschnitts des Bohrwerkzeugs definiert, umfasst.
US 2002/0016599 A1 beschreibt ein computergestütztes chirurgisches System zur Positionierung einer Bohrspitze in einem Körperteil, das eine Bohrführung und einen Bohrer mit befestigten Lokalisierungsemittern, deren Positionen durch eine Lokalisierungsvorrichtung bestimmt werden, enthält. Die Bohrspitze ist an dem Bohrer befestigt und der Ort der Spitze der Bohrspitze wird während eines Kalibrierungsschritts bestimmt. Während des Bohrens wird die Bohrspitze durch die Bohrung der Bohrführung eingeführt und aus den gemessenen Positionsdaten sowohl einer Bohrführung als auch eines Bohrers die Position der Bohrspitze berechnet. Daraufhin wird auf einem Monitorbildschirm an einer geeigneten Position relativ zu den gespeicherten Bildern oder anderen chirurgischen Instrumenten eine graphische Darstellung der Bohrspitze angezeigt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es besteht ein Bedarf an der Schaffung eines verbesserten Universalbohrinstruments zur Verwendung mit allen Typen chirurgischer Bohrsysteme, so dass ein CAS-System eine genaue visuelle Darstellung der Bohrspitze in Bezug auf das Werkstück erzeugen kann und somit sicherstellt, dass der Chirurg den Ort, die Tiefe und die Orientierung des Lochs, das unter Verwendung irgendeines Typs eines Bohrwerkzeugsystems erzeugt wird, genau bestimmen kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Universalinstrument zu schaffen, das die CAS-Bohrführung ermöglicht.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte chirurgische Bohrungsverfolgung zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine chirurgische Bohrführung zu schaffen, die eine CAS-Verfolgungsachse enthält.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mittels CAS verfolgte chirurgische Bohrführung zu schaffen, die leicht zu verwenden ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine chirurgische Bohrführung zu schaffen, die eine verbesserte Bohrgenauigkeit schaffen kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine chirurgische Bohrführung zu schaffen, die eine verbesserte Bohrgenauigkeit schaffen kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine chirurgische Bohrführung zu schaffen, die eine Lochtiefe genau angeben kann.
Somit wird in Übereinstimmung mit der Erfindung eine Bohrführungsanordnung für ein Bohrwerkzeug geschaffen, das ein Futter besitzt, das mit einem Bohrspitzenabschnitt in Eingriff ist, der eine Spitze und einen von dem Futter sich erstrecken den Abschnitt aufweist, wobei die Bohrführungsanordnung umfasst: ein erstes Element, das so beschaffen ist, dass es an einer Werkstückoberfläche anliegt, und durch das eine Mittelöffnung definiert ist, die den Bohrspitzenabschnitt des Bohrwerkzeugs aufnehmen kann; ein zweites Element, das so beschaffen ist, dass es in Bezug auf das erste Element axial verlagert werden kann und hiervon axial vorbelastet ist, und durch das eine Mittelöffnung definiert ist, die so beschaffen ist, dass sie den Bohrspitzenabschnitt des Bohrwerkzeugs aufnehmen kann; und ein verfolgbares Element, das an dem zweiten Element befestigt ist und ein detektierbares Element umfasst, das so beschaffen ist, dass es im dreidimensionalen Raum lokalisiert und verfolgt werden kann, wodurch die Position und die Bewegung des zweiten Elements und daher jene des Bohrspitzenabschnitts des Bohrwerkzeugs definiert werden.
Außerdem wird in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ein Bohrsystem geschaffen, das einen Bohrer und eine Bohrführungsanordnung umfasst, wobei der Bohrer ein Futter besitzt, das mit einem Bohrspitzenabschnitt in Eingriff ist, der eine Spitze besitzt und sich von dem Futter über eine vorgegebene Länge erstreckt, wobei die Bohrführungsanordnung umfasst: ein Führungselement, durch das eine Mittelöffnung definiert ist, die so beschaffen ist, dass sie den Bohrspitzenabschnitt des Bohrwerkzeugs aufnehmen kann; ein Kranzelement, durch das eine Mittelöffnung definiert ist, die so bemessen ist, dass sie das Führungselement eng aufnimmt; wobei das Kranzelement und das Führungselement axial vorbelastet und so beschaffen sind, dass sie teleskopartig ineinander geschoben sind; wobei entweder das Führungselement oder das Kranzelement so beschaffen ist, dass es an einer Werkstückoberfläche anliegt, während das jeweils andere des Führungselements bzw. des Kranzelements so beschaffen ist, dass es in Bezug auf das Führungselement bzw. das Kranzelement axial verlagerbar ist; und ein verfolgbares Element, das an dem anderen des Führungselements bzw. des Kranzelements befestigt ist und ein detektierbares Element besitzt, das so beschaffen ist, dass es im dreidimensionalen Raum lokalisiert und verfolgt werden kann, wobei das detektierbare Element die Position und die Bewegung des anderen des Führungselements bzw. des Kranzelements und daher die Position und die Bewegung des Bohrspitzenabschnitts des Bohrwerkzeugs definiert.
Außerdem wird in Übereinstimmung mit der vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Verwenden der Bohrführungsanordnung nach Anspruch 1 geschaffen, um die Position und die Bewegung eines Bohrers mit einem in einem Futter in Eingriff befindlichen Bohrspitzenabschnitt zu definieren, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen einer Bohrführung, die so beschaffen ist, dass sie den Bohrspitzenabschnitt des Bohrers aufnehmen kann; Befestigen eines verfolgbaren Elements, das ein detektierbares Element umfasst, an einem beweglichen Abschnitt der Bohrführung, wobei das detektierbare Element eine eindeutige Position und eine eindeutige Orientierung im dreidimensionalen Raum des verfolgbaren Elements und daher der Bohrführung definiert; Einsetzen des Bohrspitzenabschnitts des Bohrers in die Bohrführung; Positionieren des Bohrspitzenabschnitts über einer Werkstückoberfläche und Herstellen eines Eingriffs zwischen der Werkstückoberfläche und einem proximalen Ende entweder des Bohrspitzenabschnitts oder der Bohrführung; und Lokalisieren einer Position und Verfolgen der Bewegung des an der Bohrführung befestigten verfolgbaren Elements und dadurch Lokalisieren der Position und Verfolgen der Bewegung des Bohrspitzenabschnitts, wobei das Werkstück kein Teil eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung hervor, in der:
1a eine Draufsicht der CAS-Bohrführungsanordnung der vorliegenden Erfindung ist.
1b eine Längsschnittansicht längs der Linie 1b-1b der CAS-Bohrführungsanordnung aus 1a ist.
2 eine perspektivische Seitenansicht der CAS-Bohrführungsanordnung der vorliegenden Erfindung ist.
3a eine Seitenaufrissansicht des Kranzelements der CAS-Bohrführung ist.
3b eine Stirnseitenaufrissansicht des in 3a gezeigten Kranzelements ist.
3c eine Längsschnittansicht des in 3a gezeigten Kranzelements ist.
4a eine Seitenaufrissansicht des Führungselements der Bohrführung der vorliegenden Erfindung ist.
4b eine Stirnseitenaufrissansicht des in 4a gezeigten Führungselements ist.
4c eine Seitenaufrissansicht der Bohrspitze des mit der Bohrführung der vorliegenden Erfindung zu verwendenden Bohrwerkzeugs ist.
5a eine Seitenaufrissansicht des mittels CAS verfolgbaren Elements der Bohrführung ist.
5b eine Vorderaufrissansicht des in 5a gezeigten mittels CAS verfolgbaren Elements ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die computergestützte chirurgische Bohrführungsanordnung (CAS-Bohrführungsanordnung) 10 umfasst allgemein ein Kranzelement 12, ein Führungselement 14 und ein verfolgbares Element 16. Das Führungselement 14 ist so beschaffen, dass es in Längsrichtung innerhalb des Buchsenkranzelements 12 teleskopartig ineinander geschoben ist.
Allgemein liegt anhand der in den 1a, 1b und 2 gezeigten Anordnung das Führungselement 14 an einem proximalen Ende mit Zähnen 17, die so beschaffen sind, dass sie reibschlüssig mit dem Knochen des Patienten oder einer anderen Werkstückoberfläche sind, an dem Werkstück an. Ein Bohrfutterabschnitt 52 eines Bohrwerkzeugs 50 hält eine Bohrspitze 54 mit einem distalen Vorsprung 56, der an der Stirnkappe 26 des Kranzelements 12 anliegt. Die Feder 20 erzeugt im Allgemeinen einen solchen Widerstand, dass das Kranzelement 12 von dem Führungselement 14 vorbelastet ist. Das Kranzelement 12 definiert im Allgemeinen eine innere Bohrung 11 und umfasst einen äußere zylindrische Oberfläche 13. Ein kreisförmiger Flansch 38, der radial von der Außenoberfläche 13 des Kranzelements 12 vorsteht, schafft einen Reaktionspunkt für die Feder 20. Die Stirnkappe 26 passt über das offene Ende des Kranzelements 12 und definiert darin eine kreisförmige Mittelöffnung 27 zur Aufnahme der Bohrspitze 54. Die Welle 58 der genauer in 4c gezeigten Bohrspitze 54 ist so beschaffen, dass sie derart durch die Innenbohrungen sowohl in dem Kranzelement 12 als auch in dem Führungselement 14 verläuft, dass die Spitze 62 der Schneidfront 60 der Bohrspitze vorzugsweise in der Nähe des proximalen Endes 17 des Führungselements 14 ist.
Die CAS-Bohrführung der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise dafür gedacht, in Verbindung mit einem optischen Verfolgungssystem verwendet zu werden, das ein Netz von Kameras verwendet, um die Markierungen 32 so zu lokalisieren, dass ihre Position und Bewegung während des chirurgischen Eingriffs verfolgt werden können. Präoperative Computertomographieabtastungen (CT-Abtastungen) des Patienten erzeugen ein dreidimensionales anatomisches Modell, das während des chirurgischen Eingriffs auf Monitoren angezeigt wird und dem Chirurgen eine genaue Darstellung der spezifischen Körperteile oder Zielelemente des Patienten bietet. Außerdem können abgetastete Bilder von einem Kernspinresonanztomographiesystem (MRI-System) verwendet werden, um die virtuellen 3D-Modelle des Patienten zu erzeugen. Zu Beginn des chirurgischen Eingriffs wird eine anatomische Registrierung ausgeführt, die die Patientenanatomie an das auf dem Monitor angezeigte digitaliserte 3D-Modell so anpasst, dass die Position des Werkzeugs in Echtzeit in Bezug auf das angezeigte Modell des Patienten graphisch gezeigt werden kann.
Die Länge der Bohrspitze wird vorzugsweise so gewählt, dass die Bohrspitze dann, wenn das Bohrfutter gegen die Stirnkappe 26 der Bohrführung gedrückt wird, in der Weise durch sie verläuft, dass sie gerade die Werkstückoberfläche erreicht. Eine kürzere Bohrspitze kann ebenfalls aufgenommen werden, wobei aber die Bestimmung des Nullpunkts oder der Verfolgerposition, wenn die Spitze der Bohrspitze gerade die Werkstückoberfläche berührt, bekannt sein muss, um die Tiefe des nachfolgend gebohrten Lochs genau zu bestimmen. Durch schnelle Bewegung des beweglichen Abschnitts der Bohrführung, an der das verfolgbare Element in Eingriff ist, zu dem Werkstück wird der Nullpunkt dann gefunden, wenn die Spitze des Bohrspitzenabschnitts des Bohrers mit der Werkstückoberfläche in Kontakt gelangt. Die Position des im Folgenden ausführlicher beschriebenen verfolgbaren Elements, wenn es zu einem plötzlichen Halt kommt, definiert die Nullposition. Somit kann das CAS-System diesen Punkt als eine Referenz verwenden, von der die Lochtiefe zu berechnen ist, wodurch irgendeine Weiterbewegung des Bohrers zu der Werkstückoberfläche durch das CAS-System in der Weise registriert wird, dass sie in dem Werkstück ein Loch erzeugt. Außerdem ermöglicht dies, dass die Bohrspitzen-Spitzenposition durch das CAS-System in der Weise registriert wird, dass die Bohrspitze auf den CAS-Monitoren in Bezug auf das dreidimensionale digitalisierte Modell des Knochens des Patienten angezeigt werden kann. Außerdem könnte die Länge der verwendeten Bohrspitze durch den Chirurgen oder durch den CAS-Systembetreiber aus einer Liste von Bohrspitzentypen in der CAS-Software derart im Voraus gewählt werden, dass die Position der Bohrspitzenspitze in Bezug auf die Bohrführung bekannt ist und in Bezug auf das Knochenmodell auf den CAS-Monitoren angezeigt werden kann, wenn die Bohrführung registriert ist.
Die Tiefe des in das Werkstück gebohrten Lochs wird durch das CAS-System berechnet und kann auf CAS-System-Monitoren visuell angezeigt werden. Dies liefert dem Chirurgen eine genaue Echtzeitangabe der Lochtiefe. Wie im Folgenden beschrieben wird, kann diese mittels CAS berechnete Tiefe mit der physikalischen sichtbaren Tiefensicht an der Bohrführung auf Übereinstimmung geprüft werden, um sicherzustellen, dass die Lochtiefe genau auf dem Monitor angezeigt wird. Zunächst fordert das CAS-System dazu auf, unter Verwendung einer Maus, eines Fußpedals oder einer anderen ähnlichen Auswahlvorrichtung auf der Außenoberfläche des digitalisierten 3D-Modells einen Locheinführungspunktort auszuwählen. Daraufhin kann die zwischen der Spitze der Bohrspitze und dem gewählten Einführungspunkt gemessene Entfernung berechnet werden, wobei sie die Tiefe in dem Werkstück angibt, die die Bohrspitzenspitze zurückgelegt hat.
Außerdem kann die durch das CAS-System berechnete Lochtiefe durch die CAS-Software verwendet werden, um die zu verwendende geeignet bemessene Schraube auswählen zu helfen. Der Lochtiefen-Berechnungsalgorithmus kann so mit einer Datenbank von Schrauben oder anderen Befestigungen für das zu verwendende Implantatsystem verknüpft werden, dass anhand der Größe und Tiefe des erzeugten Lochs der geeignetste Schraubentyp und die geeignetste Schraubengröße ausgewählt und dem Chirurgen empfohlen werden können. Die empfohlene Schraube kann als eine visuelle 3D-Darstellung oder im Textformat, das die wahrscheinlichste Schraubenlänge angibt, angezeigt werden.
Ein Schlitz 36 in dem Kranzelement stellt in der Weise eine visuelle Tiefensicht bereit, dass dann, wenn das Kranzelement teleskopisch oder auf andere Weise über dem Führungselement gleitet, die Position eines distalen Endes des Führungselements 14 durch den Sichtmesslehrenschlitz 36 zu sehen ist. Somit kann die Tiefe des durch die Bohrspitze in dem Werkstück erzeugten Lochs, die direkt der durch den Kranz an der Führung zurückgelegten Strecke entspricht, wenn eine Bohrspitze der bevorzugten Länge wie oben beschrieben verwendet wird, direkt von den Maßeinteilungen 34 auf der äußeren Oberfläche 13 des Kranzelements 12 abgelesen werden. Dies gibt dem Chirurgen eine visuelle Überprüfung der Lochtiefe und kann außerdem verwendet werden, um die auf dem Monitor angezeigten mittels CAS berechneten Ergebnisse noch einmal zu prüfen oder zu kalibrieren.
Eine Seitenwand des Kranzelements 12 ist in der Nähe des proximalen Endes von zwei gegenüberliegenden, aber versetzten Löchern 40 durchlocht. Diese dienen als Reinigungslöcher und ermöglichen, dass Wasser oder ein anderes Reinigungsfluid in den Kranz injiziert wird, um sicherzustellen, dass irgendwelche Trümmer leicht herausgespült werden können. Dies hemmt mögliche Zunahmen von Trümmern, die verhindern könnten, dass das Kranzelement problemlos auf dem Führungselement gleitet.
Das verfolgbare Element 16 umfasst im Allgemeinen einen Haltestab 28 und einen Verfolgerkopf 30 mit Armabschnitten 31, die im Allgemeinen radial verlaufen und am Ende jedes Arms 31 Befestigungsständer 32 des erfassbaren Elements aufweisen. An jedem Befestigungsständer 32 ist lösbar eine optisch erfassbare Kugel 35 befestigt. Die erfassbaren Kugeln sind mit einer rückstrahlenden Schicht beschichtet, damit sie z. B. unter Verwendung axialer Beleuchtung durch einen Infrarotsensor erfasst werden. Somit können Kameras des CAS-System die Position jeder durch Infrarot beleuchteten optisch erfassbaren Kugel 35 erfassen. Jedes erfassbare Element 35 kann ebenso irgendein anderer Typ eines Positionsindikators wie etwa eine Lichtemitterdiode oder ein erfassbarer elektromagnetischer Indikator sein, sofern jeder durch den von dem CAS-System verwendeten Sensortyp erfasst werden kann.
Der Haltestab 28 ist an der Stirnkappe 26 so an dem Kranzelement 12 befestigt, dass alle Bewegungen des Kranzelements und somit des Bohrers und der Bohrspitze durch das verfolgbare Element 16 reproduziert werden.
Das Bohrführungselement 14 besitzt einen radial verlaufenden Stirnumfangsflansch 15, der so beschaffen ist, dass er eng in der Innenbohrung 11 des Kranzelements 12 aufgenommen ist. Wenn die Feder vollständig ausgefahren ist, liegt der Stirnflansch 15 des Führungselements an dem Innenanschlag 42 an, der sich in dem Kranzelement 12 befindet. Das Führungselement besitzt eine Mittelbohrung 19, die so bemessen ist, dass sie die Bohrspitze des Bohrwerkzeugs aufnimmt. An der Außenoberfläche des Führungselements 14 ist in der Nähe des proximalen Endes an einem Punkt, der eine ausreichende Vorbelastungskraft an der Feder erzeugt, eine Klemme 24 befestigt, die einen zweiten Reaktionspunkt für die Feder 20 bereitstellt. Die Klemme umfasst ein äußeres axial vorstehendes Element 25. Dieses stellt einen Befestigungspunkt für ein Kalibrierungswerkzeug des CAS-Instruments bereit, falls es von dem verwendeten CAS-System benötigt wird.
An der Klemme 24 ist ein im Allgemeinen radial verlaufendes Griffelement 18 befestigt, um dem Chirurgen eine größere Steuerung über die Orientierung der Bohrführung zu geben. Die durch den Griff 18 mögliche zusätzliche Hebelkraft ermöglicht eine erheblich verbesserte Steuerung der Bohrführungsanordnung. Das Griffelement 18 kann durch Drehen der Klemme 24, an der der Griff befestigt ist, wahlweise über dem Kranzelement 12 positioniert werden. Somit kann der Chirurg den Griff leicht um die Bohrführung drehen, um eine zweckmäßige Bohrposition zu finden, während er den optimalen Sichtkontakt zwischen den Verfolgermarkierungen des verfolgbaren Elements und den zum Definieren der Position der Bohrführung verwendeten Positionslokalisierungskameras erhält.
In einer alternativen Ausführungsform kann das verfolgbare Element wahlweise dadurch um das Kranzelement 12 positioniert werden, dass die Stirnkappe 26 gedreht wird, an der der Haltestab 28 des verfolgbaren Elements befestigt ist. Ein Sperrklinkenmechanismus in der Stirnkappe könnte feste Drehungen des verfolgbaren Elements derart erzeugen, dass der Chirurg das verfolgbare Element leicht um die Bohrführungsachse drehen kann, um einen optimalen Sichtkontakt zwischen den Verfolgermarkierungen zu halten.
Von dem Stirnflansch 15 des Führungselements 14 steht die radial verlaufende Führungszunge 21 vor. Die Zunge 21 schafft sowohl eine Sichtmesslehrenmarkierung in dem Tiefensichtschlitz 36 des Kranzelements 12 als auch einen Drehungsverhinderungsschutz für das Führungselement in dem Kranzelement. Die durch den radial nach innen vorstehenden Anschlag 42 definierte Innenbohrung 44 ist so beschaffen, dass sie das Führungselement in der Weise eng aufnimmt, dass das Kranzelement 12 mit im Wesentlichen konzentrischer Verlagerung auf der Außenoberfläche des Führungselements 14 axial verschoben werden kann. Um dies sicherzustellen, befindet sich in dem Kranzelement 12 an dem proximalen Ende außerdem eine Metalllaufbuchse 22.
Im Allgemeinen sind das erste Element, das an dem Werkstück anliegt, und das zweite Element, das an der Bohrspitze in dem Bohrfutter anliegt, die in der beispielhaften Ausführungsform als das Führungselement 14 bzw. als das Kranzelement 12 gezeigt sind, vorzugsweise in Bezug auf die Form im Allgemeinen lang gestreckt, während sie teleskopartig ineinander geschoben sind. Allerdings können das erste und das zweite Element irgendeine andere Form haben, die nur der Realisierbarkeit und Leichtigkeit der Verwendung durch den Chirurgen unterliegt, und brauchen sich lediglich relativ zueinander entlang eines Wegs zu bewegen, der im Wesentlichen ähnlich dem der Bohrspitze ist. Die zwei Elemente brauchen nicht in Eingriff miteinander zu sein und könnten somit durch ein drittes Zwischenelement getrennt sein, sofern zwischen dem an dem Werkstück anliegenden Element und dem an dem Bohrfutter anliegenden Element eine Relativbewegung vorhanden ist.
In der bevorzugten Ausführungsform befindet sich die Schraubendruckfeder 20 auf der Außenseite der Bohrführungsanordnung 10, wobei das Element, das an dem Werkstück anliegt, der Führungsabschnitt der teleskopartig ineinander geschobenen Anordnung ist, während das an dem Bohrfutter anliegende Element das Außenkranzelement ist, wobei die vorliegende Erfindung aber selbstverständlich gleichfalls funktional wäre, wenn das Kranzelement und das Führungselement vertauscht wären oder wenn sich die Feder innerhalb der Anordnung befinden würde. Allerdings ermöglicht die Feder auf der Außenseite der Anordnung eine vereinfachte Reinigung. Somit ist die Wahrscheinlichkeit, dass Knochentrümmer oder anderes Material das Zusammendrücken der Feder und somit die Verschiebung des Kranzelements auf dem Führungselement behindern, minimal. Dies stellt eine problemlose Bohrspitzenbewegung innerhalb des Werkstücks sicher. Außerdem kann die Feder äquivalent durch irgendein anderes ausgefahren vorbelastetes Element wie etwa einen Federscherenmechanismus ersetzt sein.
Ein Prozentsatz der Schraubenfeder muss immer unkomprimiert bleiben. Dadurch, dass die Feder außen angeordnet ist, kann der distale Federreaktionspunktflansch 38 an irgendeinem Punkt an dem Kranzelement positioniert sein. Dies ermöglicht somit eher, die minimale unkomprimierte Länge der Feder auf dem Kranz aufzu nehmen, als zu fordern, dass die Gesamtlänge um diesen Betrag erweitert wird, falls sich die Feder innen befinden würde. Somit ermöglicht der äußere Ort der Feder zusätzlich eine kürzere Gesamtwerkzeuglänge, was folglich das Leistungsmerkmal durch den Chirurgen verbessert.
Eine axial vorbelastete Anordnung gemäß der folgenden Erfindung stellt einen beträchtlichen Vorteil dar gegenüber Bohrführungsanordnungen mit Elementen, die radial oder reibschlüssig zueinander vorbelastet sind. In einer solchen Anordnung kehrt das an dem Bohrfutter anliegende Element nicht automatisch in seine voll ausgefahrene Position zurück, sondern bleibt in der am meisten zusammengedrückten Position. Obgleich dies ermöglicht, dass die Lochtiefensicht nach Bohren des Lochs abgelesen wird, macht es das Bohren mehrerer Löcher in schneller Folge unpraktisch und zeitaufwändiger. Das axial vorbelastete Federsystem der vorliegenden Erfindung stellt die Bohrführung, nachdem jedes Loch gebohrt worden ist, in ihre vollständig ausgefahrene Ruheposition zurück und ermöglicht somit ein vereinfachtes Bohren mehrerer Löcher, während das CAS-System die Tiefe jedes erzeugten Lochs genau misst.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sollen lediglich beispielhaft sein. Somit soll der Umfang der Erfindung lediglich durch den Umfang der beigefügten Ansprüche beschränkt sein.

Claims

Computergestützte chirurgische Bohrführungsanordnung (CAS-Bohrführungsanordnung) (10) für ein Bohrwerkzeug (50), das ein Futter (52) besitzt, das mit einem Bohrspitzenabschnitt (54) in Eingriff ist, der eine Spitze (62) und einen von dem Futter sich erstreckenden Abschnitt aufweist, wobei die Bohrführungsanordnung so beschaffen ist, dass sie durch ein CAS-System lokalisiert und verfolgt werden kann, umfassend: ein erstes Element (14), das so beschaffen ist, dass es an einer Werkstückoberfläche anliegt, und durch das eine Mittelöffnung (19) definiert ist, die den Bohrspitzenabschnitt des Bohrwerkzeugs aufnehmen kann; ein zweites Element (12), das so beschaffen ist, dass es in Bezug auf das erste Element axial verlagert werden kann und hiervon axial vorbelastet ist, und durch das eine Mittelöffnung (11) definiert ist, die so beschaffen ist, dass sie den Bohrspitzenabschnitt des Bohrwerkzeugs aufnehmen kann; und ein verfolgbares Element (16), das an dem zweiten Element befestigt ist und ein detektierbares Element (35) umfasst, das so beschaffen ist, dass es im dreidimensionalen Raum durch das CAS-System lokalisiert und verfolgt werden kann, wodurch die Position und die Bewegung des zweiten Elements und daher jene des Bohrspitzenabschnitts des Bohrwerkzeugs definiert werden.
Bohrführungsanordnung nach Anspruch 1, bei der das erste und das zweite Element lang gestreckt und teleskopartig ineinander geschoben sind.
Bohrführungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Länge des Bohrspitzenabschnitts des Bohrwerkzeugs so gewählt ist, dass die Spitze die Werkstückoberfläche erreicht, wenn das erste und das zweite Element vorbelastet vollständig ausgefahren sind.
Bohrführungsanordnung nach Anspruch 2, bei der eine Strecke, um die sich das lang gestreckte zweite Element zu dem lang gestreckten ersten Element teleskopartig bewegt, einer Lochtiefe entspricht, die durch den Bohrspitzenabschnitt des Bohrwerkzeugs in einem Werkstück erzeugt wird.
Bohrführungsanordnung nach Anspruch 1, bei der das detektierbare Element eine an drei Punkten visuell lokalisierte Achse umfasst.
Bohrführungsanordnung nach Anspruch 1, bei der die Mittelöffnung (11) des zweiten Elements (12) so bemessen ist, dass es das erste lang gestreckte Element (14) eng aufnimmt.
Bohrführungsanordnung nach Anspruch 1, bei der das zweite Element in Bezug auf das erste Element federbelastet ist.
Bohrführungsanordnung nach Anspruch 7, bei der eine äußere Klemme (24) mit dem ersten Element (14) in Eingriff ist, ein Umfangsflansch (38) sich von dem zweiten Element (12) radial erstreckt und die Klemme und der Flansch Endreaktionspunkte für eine Schraubenfeder (20) schaffen und das federbelastete zweite Element ergeben.
Bohrführungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Bohrführungsanordnung (10) ein Griffelement (18) umfasst.
Bohrführungsanordnung nach Anspruch 9, bei der das Griffelement (18) wenigstens einen Abschnitt aufweist, der sich von dem ersten und dem zweiten Element im Allgemeinen radial erstreckt.
Bohrführungsanordnung nach Anspruch 9, bei der das Griffelement um die Bohrführungsanordnung wahlweise drehbar ist, um das Verfolgungselement in einem detektierbaren Kontakt mit einem Sensor eines computergestützten chirurgischen Systems zu halten.
Bohrführungsanordnung nach Anspruch 10, bei der das Griffelement mit dem ersten Element in Eingriff ist.
Bohrführungsanordnung nach Anspruch 1, bei der ein proximales Ende des zweiten Elements eine Hülse (22) aufweist.
Bohrführungsanordnung nach Anspruch 1, bei der das detektierbare Element (35) optisch detektierbare Kugeln aufweist.
Bohrführungsanordnung nach Anspruch 14, bei der die optisch detektierbaren Kugeln mit dem verfolgbaren Element in lösbarem Eingriff sind.
Computergestütztes chirurgisches Bohrsystem (CAS-Bohrsystem), das einen Bohrer (50) und eine Bohrführungsanordnung (10) umfasst, wobei der Bohrer ein Futter (52) besitzt, das mit einem Bohrspitzenabschnitt (54) in Eingriff ist, der eine Spitze (62) besitzt und sich von dem Futter über eine vorgegebene Länge erstreckt, wobei die Bohrführungsanordnung so beschaffen ist, dass sie durch ein CAS-System lokalisiert und verfolgt werden kann, und umfasst: ein Führungselement (14), durch das eine Mittelöffnung (18) definiert ist, die so beschaffen ist, dass sie den Bohrspitzenabschnitt des Bohrwerkzeugs aufnehmen kann; ein Kranzelement (12), durch das eine Mittelöffnung (11) definiert ist, die so bemessen ist, dass sie das Führungselement eng aufnimmt; wobei das Kranzelement und das Führungselement axial vorbelastet und so beschaffen sind, dass sie teleskopartig ineinander geschoben sind; wobei entweder das Führungselement oder das Kranzelement so beschaffen ist, dass es an einer Werkstückoberfläche anliegt, während das jeweils andere des Führungselements bzw. des Kranzelements so beschaffen ist, dass es in Bezug auf das Führungselement bzw. das Kranzelement axial verlagerbar ist; und ein verfolgbares Element (16), das an dem anderen des Führungselements bzw. des Kranzelements befestigt ist und ein detektierbares Element (35) besitzt, das so beschaffen ist, dass es im dreidimensionalen Raum durch das CAS-System lokalisiert und verfolgt werden kann, wobei das detektierbare Element die Position und die Bewegung des anderen des Führungselements bzw. des Kranzelements und daher die Position und die Bewegung des Bohrspitzenabschnitts des Bohrers definiert.
Bohrsystem nach Anspruch 16, bei dem die vorgegebene Länge des Bohrspitzenabschnitts des Bohrwerkzeugs derart ist, dass die Spitze die Werkstückoberfläche erreicht, wenn das Führungs- und das Kranzelement vorbelastet vollständig ausgefahren sind.
Bohrsystem nach Anspruch 16, bei dem die Mittelöffnung des zweiten Kranzelements so bemessen ist, dass es das Führungselement eng aufnimmt.
Bohrsystem nach Anspruch 16, bei dem das Kranzelement in Bezug auf das Führungselement federbelastet ist.
Bohrsystem nach Anspruch 19, bei dem eine äußere Klemme (24) an dem einen des Führungselements bzw. des Kranzelements befestigt ist, ein Umfangsflansch (38) sich von dem anderen des Führungselements bzw. des Kranzelements radial erstreckt und die Klemme und der Flansch Endreaktionspunkte für eine Schraubenfeder (20) schaffen und das federbelastete Kranzelement ergeben.
Bohrsystem nach Anspruch 16, bei dem die Bohrführungsanordnung ein Griffelement (18) aufweist.
Bohrsystem nach Anspruch 21, bei der das Griffelement wenigstens einen Abschnitt aufweist, der sich im Allgemeinen radial von dem Kranzelement und dem Führungselement erstreckt.
Bohrsystem nach Anspruch 16, bei dem das Griffelement um die Bohrführungsanordnung wahlweise drehbar ist, um das Verfolgungselement in einem detektierbaren Kontakt mit einem Sensor des computergestützten chirurgischen Systems zu halten.
Bohrsystem nach Anspruch 21, bei dem das Griffelement mit dem einen des Führungselements und des Kranzelements in Eingriff ist.
Bohrsystem nach Anspruch 16, bei dem ein proximales Ende des Kranzelements eine Hülse (22) aufweist.
Bohrsystem nach Anspruch 16, bei dem das detektierbare Element (35) optisch detektierbare Kugeln umfasst.
Bohrsystem nach Anspruch 26, bei dem die optisch detektierbaren Kugeln mit dem verfolgbaren Element in lösbarem Eingriff sind.
Verfahren zum Verwenden der Bohrführungsanordnung nach Anspruch 1, um die Position und die Bewegung eines Bohrers mit einem in einem Futter in Eingriff befindlichen Bohrspitzenabschnitt zu definieren, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen einer Bohrführung, die so beschaffen ist, dass sie den Bohrspitzenabschnitt des Bohrers aufnehmen kann; Befestigen eines verfolgbaren Elements, das ein detektierbares Element umfasst, an einem beweglichen Abschnitt der Bohrführung, wobei das detektierbare Element eine eindeutige Position und eine eindeutige Orientierung im dreidimensionalen Raum des verfolgbaren Elements und daher der Bohrführung definiert; Einsetzen des Bohrspitzenabschnitts des Bohrers in die Bohrführung; Positionieren des Bohrspitzenabschnitts über einer Werkstückoberfläche und Herstellen eines Eingriffs zwischen der Werkstückoberfläche und einem proximalen Ende entweder des Bohrspitzenabschnitts oder der Bohrführung; und Lokalisieren einer Position und Verfolgen der Bewegung des an der Bohrführung befestigten verfolgbaren Elements durch ein CAS-System und dadurch Lokalisieren der Position und Verfolgen der Bewegung des Bohrspitzenabschnitts, wobei das Werkstück kein Teil eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers ist.
Verfahren nach Anspruch 28, das ferner den Schritt des Kalibrierens einer Länge des Bohrspitzenabschnitts des Bohrers umfasst.
Verfahren nach Anspruch 29, das ferner das schnelle Bewegen des beweglichen Abschnitts der Bohrführung zu der Werkstückoberfläche durch Niederdrücken des an der Bohrführung anliegenden Bohrfutters, bis ein plötzlicher Halt erfolgt, wenn die Spitze des Bohrspitzenabschnitts des Bohrers mit der Werkstückoberfläche in Kontakt gelangt, und das Erfassen des plötzlichen Halts, um eine Nullposition zu definieren, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 28, das ferner das Verwenden des verfolgbaren Elements, um eine durch das verfolgbare Element zurückgelegte Strecke festzusetzen, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 31, das ferner das Verwenden der Strecke für die Berechnung der Tiefe des durch den Bohrspitzenabschnitt des Bohrers gebohrten Lochs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 28, das ferner den Schritt des Verwendens eines computergestützten Verfolgungssystems umfasst, um die Position des verfolgbaren Elements zu lokalisieren und seine Bewegung zu verfolgen.
Verfahren nach Anspruch 33, bei dem der Schritt des Lokalisierens der Position und des Verfolgens der Bewegung des verfolgbaren Elements durch ein optisches, computergestütztes Verfolgungssystem ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 28, das ferner den Schritt des wahlweisen Drehens des verfolgbaren Elements um den beweglichen Abschnitt der Bohrführung, um das verfolgbare Element in einem detektierbaren Kontakt mit einem Sensor eines computergestützten chirurgischen Systems zu halten, umfasst.