DE602004007307T2 - Einstellbares Wirbelsäulenimplantat und Gerät zur postoperativen Einstellung desselben - Google Patents
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- A61F2002/30537—Special structural features of bone or joint prostheses not otherwise provided for adjustable
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- A61F2002/30535—Special structural features of bone or joint prostheses not otherwise provided for
- A61F2002/30565—Special structural features of bone or joint prostheses not otherwise provided for having spring elements
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- A61F2002/30535—Special structural features of bone or joint prostheses not otherwise provided for
- A61F2002/30576—Special structural features of bone or joint prostheses not otherwise provided for with extending fixation tabs
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- A61F2002/30535—Special structural features of bone or joint prostheses not otherwise provided for
- A61F2002/30579—Special structural features of bone or joint prostheses not otherwise provided for with mechanically expandable devices, e.g. fixation devices
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- A61F2002/30316—The prosthesis having different structural features at different locations within the same prosthesis; Connections between prosthetic parts; Special structural features of bone or joint prostheses not otherwise provided for
- A61F2002/30535—Special structural features of bone or joint prostheses not otherwise provided for
- A61F2002/30581—Special structural features of bone or joint prostheses not otherwise provided for having a pocket filled with fluid, e.g. liquid
- A61F2002/30586—Special structural features of bone or joint prostheses not otherwise provided for having a pocket filled with fluid, e.g. liquid having two or more inflatable pockets or chambers
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- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/02—Prostheses implantable into the body
- A61F2/30—Joints
- A61F2002/30001—Additional features of subject-matter classified in A61F2/28, A61F2/30 and subgroups thereof
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- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/02—Prostheses implantable into the body
- A61F2/30—Joints
- A61F2002/30001—Additional features of subject-matter classified in A61F2/28, A61F2/30 and subgroups thereof
- A61F2002/30621—Features concerning the anatomical functioning or articulation of the prosthetic joint
- A61F2002/30649—Ball-and-socket joints
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- A61F2/46—Special tools or methods for implanting or extracting artificial joints, accessories, bone grafts or substitutes, or particular adaptations therefor
- A61F2002/4681—Special tools or methods for implanting or extracting artificial joints, accessories, bone grafts or substitutes, or particular adaptations therefor by applying mechanical shocks, e.g. by hammering
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- A61F2220/00—Fixations or connections for prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof
- A61F2220/0025—Connections or couplings between prosthetic parts, e.g. between modular parts; Connecting elements
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- A61F2220/00—Fixations or connections for prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof
- A61F2220/0025—Connections or couplings between prosthetic parts, e.g. between modular parts; Connecting elements
- A61F2220/0091—Connections or couplings between prosthetic parts, e.g. between modular parts; Connecting elements connected by a hinged linkage mechanism, e.g. of the single-bar or multi-bar linkage type
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- A61F2250/00—Special features of prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof
- A61F2250/0001—Means for transferring electromagnetic energy to implants
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- A61F2250/00—Special features of prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof
- A61F2250/0001—Means for transferring electromagnetic energy to implants
- A61F2250/0002—Means for transferring electromagnetic energy to implants for data transfer
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- A61F2250/00—Special features of prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof
- A61F2250/0004—Special features of prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof adjustable
- A61F2250/0006—Special features of prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof adjustable for adjusting angular orientation
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- A61F2250/00—Special features of prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof
- A61F2250/0004—Special features of prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof adjustable
- A61F2250/0013—Special features of prostheses classified in groups A61F2/00 - A61F2/26 or A61F2/82 or A61F9/00 or A61F11/00 or subgroups thereof adjustable for adjusting fluid pressure
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Anpassen oder Einstellen eines Implantats und insbesondere das präoperative Planen der Auswahl eines Implantats und einer Technik und das postoperative Einstellen des Implantats durch ein telemetrisches oder ein minimal invasives Verfahren.
- Hintergrund der Erfindung
- Bildgeführte medizinische und chirurgische Verfahren nutzen Patientenbilder, die vor oder während eines medizinischen Verfahrens gewonnen wurden, um einen Arzt, der das Verfahren durchführt, zu führen. Kürzliche Fortschritte in der Bildgebungstechnik, insbesondere bei Bildgebungstechniken, die stark detaillierte, computergenerierte zwei-, drei- und vierdimensionale Bilder produzieren, wie etwa Computertomografie (CT), Magnetresonanzbildgebung (MRI), isozentrische, fluoroskopische C-Arm-Bildgebung, Fluoroskope oder Ultraschall, haben das Interesse an bildgeführten medizinischen Verfahren gesteigert. Während dieser bildgeführten medizinischen Verfahren wird der interessierende Bereich des Patienten, der abgebildet wurde, auf einer Anzeige angezeigt. Chirurgische Instrumente und/oder Implantate, die während dieses medizinischen Verfahrens verwendet werden, werden auf dieser Anzeige verfolgt und in Überdeckung gebracht, um die Lage des chirurgischen Instruments in Bezug auf den interessierenden Bereich in dem Körper zu zeigen.
- Andere Arten von Navigationssystemen funktionieren als bildloses System, wobei vor dem medizinischen Verfahren kein Bild des Körpers durch eine Bildgebungsvorrichtung festgehalten wird. Mit dieser Art von Verfahren kann das System eine Sonde benutzen, um bestimmte Landmarken in dem Körper, wie etwa Landmarken auf Knochen, zu kontaktieren, wobei das System entweder ein zweidimensionales oder ein dreidimensionales Modell des interessierenden Bereichs basierend auf diesen Kontakten generiert. Wenn das chirurgische Instrument oder ein anderes Objekt in Bezug auf diesen Bereich verfolgt wird, kann es auf diese Weise mit diesem Modell in Überdeckung gebracht werden.
- Die meisten Arten von orthopädischen medizinischen Verfahren werden unter Verwendung konventioneller chirurgischer Techniken angewandt. Diese Techniken schließen im Allgemeinen das Öffnen des Patienten in einer relativ invasiven Weise ein, um ein angemessenes Betrachten durch den Chirurgen während des medizinischen Verfahrens zu ermöglichen. Diese Arten von Verfahren verlängern jedoch im Allgemeinen den Genesungszeitraum für den Patienten infolge des Umfangs von Weichgewebe- und Muskelschnitten, die aus dem medizinischen Verfahren resultieren. Die Benutzung bildgeführter Technik bei orthopädischen medizinischen Verfahren würde ermöglichen, dass eine minimaler invasive Art von Verfahren durchgeführt wird, um dadurch die Gesamtgenesungszeit und die Kosten des Verfahrens zu verringern. Die Benutzung des bildgeführten Verfahrens kann auch eine präzisere und genauere Platzierung eines Implantats innerhalb des Patienten ermöglichen.
- Sobald das Implantat chirurgisch innerhalb des Patienten positioniert wurde, verheilt im Allgemeinen die umgebende Anatomie des Patienten im Laufe der Zeit mit der umgebenden Skelett- und Muskelstruktur und erlangt wieder einen gesunden Zustand. Da das Implantat im Allgemeinen implantiert wird, wenn der Patient dysfunktional ist, kann diese Muskel- und Skelettanpassung oder Verheilung jedoch den/die spätere(n) Bewegungsumfang, Wirksamkeit, Lebenserwartung des Implantats, Leistungsfähigkeit des Implantats beeinflussen und möglicherweise eine Verschlechterung von umgebenden Scheiben oder Implantaten bewirken. Bei einem Wirbelsäulenimplantat zum Beispiel kann sich die Wirbelsäule später angleichen, sobald die Stärkung der Bauch- und Rückenmuskeln nach dem Implantationsverfahren erfolgt. Diese Angleichung kann dazu führen, dass das Implantat oder die Anlenkungsflächen des Implantats aufgrund der resultierenden Angleichung zum Auftreffen gebracht werden. Das kann zu einem chirurgischen Wiederholungseingriff führen, der erforderlich macht, dass das Implantat entfernt und ein nachfolgendes Implantat an der Implantationsstelle neu positioniert wird.
- Die chirurgischen Verfahren, die während orthopädischer medizinischer Verfahren, einschließlich Wirbelsäulenverfahren, durchgeführt werden, machen die Anwendung von verschiedenen Instrumenten, Baugruppen und Lehren erforderlich, um das Verfahren durchzuführen. Typischerweise werden Lehren verwendet, um ein einzelnes Instrument zu halten, das am interessierenden Bereich angebracht werden muss, wenn das Instrument benutzt wird. Folglich ist es typischerweise erforderlich, dass mehrere Lehren am interessierenden Bereich angebracht und davon entfernt werden, wenn das Verfahren voranschreitet. Die Benutzung von mehreren Lehren und Instrumenten zusammen mit dem Anbringen und erneuten Anbringen am interessierenden Bereich, sorgt für ein mühsames und zeitaufwendiges Verfahren. Außerdem können inhärente Ungenauigkeiten infolge dieses Verfahrens nicht wirklich akzeptable Ergebnisse liefern.
- Es ist daher wünschenswert, ein Verfahren und eine Vorrichtung für die postoperative Anpassung oder Einstellung eines Implantats, wie etwa eines Wirbelsäulenimplantats, bereitzustellen, das/die telemetrische oder minimal invasive Techniken anwendet. Es ist ebenfalls wünschenswert, eine Instrumentenbaugruppe bereitzustellen, die an der Implantationsstelle, wie etwa einer Wirbelsäulenimplantationsstelle, einmal während des gesamten Verfahrens angebracht werden kann, wodurch die Zeit des chirurgischen Eingriffs und die Kosten gesenkt sowie die chirurgische Genauigkeit gesteigert werden können. Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, solche Verfahren und eine solche Vorrichtung zur Benutzung in medizinischen Verfahren bereitzustellen.
- Ein einstellbares Implantat gemäß dem Obergriff des Anspruches 1 wird in
EP 0820731 A2 offenbart. - Kurze Darstellung der Erfindung
- In Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein einstellbares Implantatsystem, ein Verfahren und dazugehörige Instrumente zur Benutzung beim Implantieren und Anpassen des einstellbaren Implantats, nachdem das Implantat innerhalb des Patienten positioniert wurde, offenbart. Das einstellbare Implantat kann irgendeine Art von Implantat sein, wie etwa ein Wirbelsäulenimplantat.
- In einer Ausführungsform wird ein einstellbares Implantatsystem zur Benutzung beim Anpassen eines einstellbaren Implantats eines Patienten bereitgestellt. Dieses einstellbare Implantatsystem umfasst ein einstellbares Implantat mit einem anpassbaren Abschnitt, der so betreibbar ist, dass er die Anpassung des einstellbaren Implantats gestattet, nachdem das Implantat innerhalb des Patienten positioniert wurde. Ein telemetrisches System wird bereitgestellt und ist so betreibbar, dass es telemetrisch Daten aus dem einstellbaren Implantat empfangen kann, wobei die Daten verwendet werden, um die Anpassung des einstellbaren Implantats zu bestimmen.
- Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgend bereitgestellten ausführlichen Beschreibung offensichtlich werden. Es ist wohlverstanden, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele zwar die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, aber ausschließlich dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht den Schutzumfang der Erfindung beschränken sollen.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Die vorliegende Erfindung wird auf der Grundlage der ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen besser verständlich, wobei:
-
1 eine schematische Darstellung eines Navigationssystems ist, das eine Anzeige gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung verwendet; -
2a und2b schematische Darstellungen sind, die unverzerrte und verzerrte Ansichten einer fluoroskopischen C-Arm-Bildgebungsvorrichtung zeigen; -
3a und3b logische Blockdiagramm sind, die ein Verfahren zum Verwenden der Anzeige entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigen; -
4a –4e ein medizinisches Verfahren zeigen, welches die Anzeige entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung verwendet; -
5 eine Figur der Anzeige entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung ist; -
6 eine geteilte Bildschirmansicht der Anzeige entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung ist; -
7 eine zusätzliche geteilte Bildschirmansicht der Anzeige entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung ist; -
8a –8g ein weiteres medizinisches Verfahren zeigen, welches die Anzeige entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung verwendet; -
9 eine Darstellung einer Doppelanzeige entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung ist; -
10 ein logisches Blockdiagramm ist, das ein Verfahren zum präoperativen Planen und postoperativen Untersuchen und Einstellen eines Implantats entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung zeigt; -
11 eine Perspektivansicht einer Plattform und einer Lehre ist, die in einem minimal invasiven chirurgischen Navigationswirbelsäulenverfahren benutzt werden; -
12 eine Perspektivansicht der Lehre ist, die so betreibbar ist, dass sie an der Plattform von11 angebracht werden kann; -
13 eine Seitenansicht eines zervikalen Bandscheibenimplantats mit einem minimal invasiven Anpassungsmechanismus ist; -
14 eine Seitenansicht eines zervikalen Bandscheibenimplantats mit einem telemetrischen Anpassungsmechanismus ist; -
15 ein Implantat der14 und15 zeigt, das in eine Wirbelsäule implantiert wurde; -
16 eine Seitenquerschnittansicht eines zervikalen Bandscheibenimplantats entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung ist; -
16a –16c eine ungefaltete und eine teilweise gefaltete Ansicht einer anderen Ausführungsform eines zervikalen Bandscheibenimplantats entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung sind; -
17 eine Seitenquerschnittansicht eines weiteren zervikalen Bandscheibenimplantats entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung ist; -
18 ein zervikales Bandscheibensystem zeigt, das mehrere zervikale Bandscheibenimplantate entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung verwendet; -
19 ein Übertragungs-/Empfangsmodul zeigt, das während der Bewegungsanalysestudie eines Patienten entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung benutzt wird; und -
20 ein heimbasiertes Übertragungs-/Empfangsmodul zeigt, das für eine Bewegungsanalysestudie entsprechend den Lehren der vorliegenden Erfindung benutzt wird. - Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
- Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist rein beispielhafter Natur und soll die Erfindung, ihre Anwendung oder Nutzungen in keiner Weise beschränken. Obwohl die Erfindung nachfolgend ausführlich im Hinblick auf orthopädische/chirurgische Wirbelsäulenverfahren erörtert wird, kann die vorliegende Erfindung bei jeder Art von medizinischem Verfahren, einschließlich orthopädische, kardiovaskuläre, neurovaskuläre, Weichgewebeverfahren oder irgendwelche sonstigen medizinischen Verfahren, verwendet werden.
-
1 ist eine schematische Darstellung, die eine Ausrichtungsanzeige10 mit fünf oder sechs Freiheitsgraden (5 oder 6 DOF) zeigt, die mit einem bildgeführten Navigationssystem12 zur Benutzung beim Navigieren eines chirurgischen Instruments oder eines Implantats während eines medizinischen Verfahrens verwendet wird. Es sollte auch beachtet werden, dass die Anzeige10 in einem bildlos basierten Navigationssystem, dass hierin weiter erörtert wird, genutzt oder verwendet werden kann. Das Navigationssystem12 kann benutzt werden, um irgendeine Art von Instrument oder Zuführsystem, wie etwa einen Aufreiber, ein Einschlaginstrument, Schneidblock, Sägeblatt, Katheter, Führungsdrähte, Nadeln, Arzneimittelzuführungssysteme und Zellenzuführungssysteme, zu navigieren. Das Navigationssystem12 kann auch benutzt werden, um irgendeine Art von Implantat, einschließlich orthopädische Implantate, Wirbelsäulenimplantate, kardiovaskuläre Implantate, neurovaskuläre Implantate, Weichgewebeimplantate oder irgendwelche anderen Vorrichtungen, die in einen Patienten14 implantiert werden, zu navigieren. Das Navigationssystem12 kann auch benutzt werden, um Implantate oder Vorrichtungen, die als Baugruppe oder aus mehreren Komponenten gebildet werden, wobei Lage und Orientierung jeder Komponente voneinander abhängig sind, um in ihrer Nutzung wirksam zu sein. Während eines Wirbelsäulenverfahrens zum Beispiel kann die Anzeige benutzt werden, um eine Wirbelsäulenschraube mit einem Wirbelsäulenstab zu verfolgen und auszurichten, um die Anbringung jeder Vorrichtung zu gewährleisten. - Das Navigationssystem
12 umfasst eine Bildgebungsvorrichtung16 , die benutzt wird, um präoperative oder Echtzeitbilder des Patienten14 zu erfassen. Die Bildgebungsvorrichtung16 ist eine fluoroskopische C-Arm-Röntgenbildgebungsvorrichtung, die einen C-Arm18 , eine Röntgenstrahlenquelle20 , einen Röntgenstrahlenempfangssektion22 , ein optionales Kalibrierungs- und Trackingziel24 und optionale Strahlungssensoren26 umfasst. Das optionale Kalibrierungs- und Trackingziel24 umfasst Kalibrierungsmarker28 (siehe2a –2b ), die hierin weiter erörtert werden. Eine C-Arm-Steuereinheit30 hält die Röntgenbilder fest, die an der Empfangssektion22 empfangen wurden, und speichert die Bilder für die spätere Benutzung. Die C-Arm-Steuereinheit30 kann auch die Drehung des C-Arms18 steuern. Zum Beispiel kann sich der C-Arm18 in die Richtung von Pfeil32 bewegen oder sich um die lange Achse des Patienten14 drehen, wodurch Vorder- oder Seitenansichten des Patienten14 abgebildet werden können. Jede dieser Bewegungen schließt die Drehung um eine mechanische Achse34 des C-Arms18 ein. In diesem Beispiel ist die lange Achse des Patienten14 im Wesentlichen in Übereinstimmung mit der mechanischen Achse34 des C-Arms18 . Dadurch kann der C-Arm18 in Bezug auf den Patienten14 gedreht werden, wodurch Bilder des Patienten14 aus mehreren Richtungen oder über mehrere Ebenen aufgenommen werden können. Ein Beispiel einer fluoroskopischen C-Arm-Röntgen-Bildgebungsvorrichtung16 ist das "Series 9600 Mobile Digital Imaging System" (mobiles digitales Bildgebungssystem der Serie 9600) von OEC Medical Systems, Inc., aus Salt Lake City, Utah. Weitere beispielhafte Fluoroskope schließen fluoroskopische Zwei-Ebenen-Systeme, fluoroskopische Deckensysteme, fluoroskopische Cath-Lab-Systeme, fluoroskopische Systeme mit feststehendem C-Arm, etc. ein. - Im Betrieb erzeugt die Bildgebungsvorrichtung
16 Röntgenstrahlen aus der Röntgenstrahlenquelle20 , die sich durch den Patienten14 und das Kalibrierungs- und/oder Trackingziel24 in die Röntgenstrahlenempfangssektion22 ausbreiten. Die Empfangssektion22 erzeugt ein Bild, das die Intensitäten der empfangenen Röntgenstrahlen darstellt. Typischerweise umfasst die Empfangssektion22 einen Bildverstärker, der zuerst die Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandelt, und eine Videokamera mit ladungsgekoppelter Vorrichtung (CCD), die das sichtbare Licht in digitale Bilder umwandelt. Die Empfangssektion22 kann auch eine digitale Vorrichtung sein, die die Röntgenstrahlen direkt in digitale Bilder umwandelt, wodurch potentiell Verzerrungen vermieden werden, die dadurch eingeführt werden, dass erst eine Umwandlung in sichtbares Licht erfolgt. Mit dieser Art von digitalem C-Arm, der im Allgemeinen eine flache Plattenvorrichtung ist, können das Kalibrierungs- und/oder Trackingziel24 und der Kalibrierungsprozess, die nachfolgend erörtert werden, ausgemerzt werden. Der Kalibrierungsprozess kann auch für verschiedene Arten von medizinischen Verfahren ausgemerzt werden. Alternativ kann die Bildgebungsvorrichtung16 nur ein einziges Bild aufnehmen, wobei das Kalibrierungs- und Trackingziel24 an Ort und Stelle ist. Danach kann das Kalibrierungs- und Trackingziel24 aus der Visierlinie der Bildgebungsvorrichtung16 entfernt werden. - Zweidimensionale fluoroskopische Bilder, die durch die Bildgebungsvorrichtung
16 aufgenommen wurden, werden in der C-Arm-Steuereinheit30 festgehalten und gespeichert. Diese Bilder werden aus der C-Arm-Steuereinheit30 zu einer Steuereinheit oder Workstation36 mit der Anzeige10 weitergeleitet, die entweder eine Einzelanzeige10 oder eine Doppelanzeige10 und eine Benutzerschnittstelle38 umfassen kann. Die Workstation36 stellt Einrichtungen zum Anzeigen auf der Anzeige10 , Speichern, digitalen Bearbeiten oder Drucken einer Hardcopy der empfangenen Bilder sowie die Anzeige mit fünf oder sechs Freiheitsgraden bereit. Die Benutzerschnittstelle38 , die eine Tastatur, ein Joystick, eine Maus, ein Berührungsstift, ein Berührungsbildschirm oder eine andere geeignete Vorrichtung sein kann, gestattet einem Arzt oder Benutzer Eingaben bereitzustellen, um die Bildgebungsvorrichtung16 über die C-Arm-Steuereinheit30 zu steuern oder die Anzeigeeinstellungen wie etwa sichere Zonen der Anzeige10 , die hierin weiter erörtert werden, anzupassen. Die Workstation36 kann auch die C-Arm-Steuereinheit30 anweisen, die Drehachse34 des C-Arms18 anzupassen, um verschiedene zweidimensionale Bilder entlang verschiedener Ebenen zu erhalten, um repräsentative zweidimensionale und dreidimensionale Bilder zu generieren. Wenn die Röntgenstrahlenquelle20 die Röntgenstrahlen erzeugt, die sich zu der Röntgenstrahlenempfangssektion22 ausbreiten, erkennen die Strahlungssensoren26 das Vorhandensein von Strahlung, was an die C-Arm-Steuerungseinheit30 weitergeleitet wird, um zu erkennen, ob die Bildgebungsvorrichtung16 aktiv Bilder macht oder nicht. Diese Informationen werden auch an eine Spulenanordnungssteuereinheit48 , die hierin weiter erörtert wird, gesendet. Alternativ kann eine Person oder ein Arzt manuell anzeigen, wenn die Bildgebungsvorrichtung16 aktiv Bilder macht, oder diese Funktion kann in die Röntgenstrahlenquelle20 , die Röntgenstrahlenempfangssektion22 oder den Steuercomputer30 eingebaut werden. - Fluoroskopische C-Arm-Bildgebungsvorrichtungen
16 , die keine digitale Empfangssektion22 aufweisen, machen im Allgemeinen das Kalibrierungs- und/oder Trackingziel24 erforderlich. Das ist darauf zurückzuführen, dass die durch die Empfangssektion22 generierten Rohbilder dazu neigen, an unerwünschter Verzerrung zu leiden, die durch eine Anzahl von Faktoren, einschließlich inhärente Bildverzerrung im Bildverstärker und externe elektromagnetische Felder, verursacht wird. Ein leeres unverzerrtes oder ideales Bild und ein leeres verzerrtes Bild werden in2a beziehungsweise2b gezeigt. Die in2a gezeigte Schachbrettform stellt das Idealbild40 der schachbrettartig angeordneten Kalibrierungsmarker28 . Das durch die Empfangssektion22 aufgenommene Bild kann jedoch an Verzerrung leiden, wie durch das verzerrte Kalibrierungsmarkerbild42 veranschaulicht wird, das in2b gezeigt wird. - Eigenkalibrierung, worunter der Prozess des Korrigierens von Bildverzerrung in einem empfangenen Bild und das Herstellen der projektiven Transformation für dieses Bild zu verstehen ist, umfasst das Platzieren der Kalibrierungsmarker
28 im Weg des Röntgenstrahls, wobei die Kalibrierungsmarker28 für die Röntgenstrahlen opak oder halbopak sind. Die Kalibrierungsmarker28 sind starr in vorbestimmten Mustern in einer oder mehreren Ebenen im Weg der Röntgenstrahlen angeordnet und in den aufgezeichneten Bildern sichtbar. Da die wahre relative Position der Kalibrierungsmarker28 in den aufgezeichneten Bildern bekannt ist, kann die C-Arm-Steuereinheit30 oder die Workstation oder der Computer36 eine Verzerrungsbetrag bei jedem Pixel in dem Bild berechnen (wobei ein Pixel ein einzelner Punkt in dem Bild ist). Demgemäß kann der Computer oder die Workstation36 die Verzerrung in dem Bild digital ausgleichen und generiert ein verzerrungsfreies oder mindestens ein bezüglich der Verzerrung verbessertes Bild40 (siehe2a ). Eine ausführlichere Erläuterung von beispielhaften Verfahren zum Durchführen von Eigenkalibrierung wird in folgenden Quellen gegeben: B. Schuele, et al., "Correction of Image Intensifier Distortion for Three-Dimensional Reconstruction" (Korrektur von Bildverstärkerverzerrung für dreidimensionale Rekonstruktion", dargelegt in SPIE Medical Imaging, San Diego, Kalifornien, 1995; G. Champleboux, et al., "Accurate Calibration of Cameras and Range Imaging Sensors: the NPBS Method" (Genaue Kalibrierung von Kameras und Range-Imaging-Sensoren: das NPBS-Verfahren), Beratungen der Internationalen IEEE-Konferenz zu Robotertechnik und Automatisierung, Nizza, Frankreich, Mai, 1992; und US-Patent Nr. 6.118.845 mit dem Titel "System and Methods for the Reduction and Elimination of Image Artifacts in the Calibration of X-Ray Imagers" (System und Verfahren zur Verringerung und Eliminierung von Bildartefakten bei der Kalibrierung von Röntgenstrahlenbildgebungseinheiten), erteilt am 12. September 2000. - Obwohl in
1 die fluoroskopische C-Arm-Bildgebungsvorrichtung16 gezeigt wird, kann auch irgendeine alternative Bildgebungsmodalität benutzt oder eine bildlos basierte Anwendung kann ebenfalls verwendet werden, wie hierin weiter erörtert wird. Zum Beispiel können auch isozentrische Fluoroskopie, Zwei-Ebenen-Fluoroskopie, Ultraschall, Computertomographie (CT), Mehrschicht-Computertomographie (MSCT), Magnetresonanzbildgebung (MRI), Hochfrequenz-Ultraschall (HIFU), optische Kohärenztomographie (OCT), intravaskulärer Ultraschall (IVUS), 2D-, 3D- oder 4D- Ultraschall, intraoperative CT, MRI oder O-Arme mit einem oder mehreren flachen Plattenempfängern, die sich zum Erfassen fluoroskopischer Bilder um den Ring bewegen, benutzt werden, um präoperative oder Echtzeitbilder oder Bilddaten des Patienten14 zu erfassen. Bilddatensätze aus Hybrid-Modalitäten wie etwa Positronenemissionstomographie (PET) kombiniert mit CT oder Einzelphotonenemissionscomputertomographie (SPECT) kombiniert mit CT könnten ebenfalls funktionale Bilddaten bereitstellen, die mit anatomischen Daten in Überdeckung gebracht werden, die verwendet werden, um zuverlässig Zielansichten innerhalb des interessierenden Bereichs zu erreichen. Es sollte weiterhin beachtet werden, dass die fluoroskopische C-Arm-Bildgebungsvorrrichtung16 , wie in1 gezeigt, ein virtuelles Zwei-Ebenen-Bild unter Benutzung eines Einzelkopf-C-Arm-Fluoroskops16 einfach durch Drehen des C-Arms18 um mindestens zwei Ebenen, die orthogonale Ebenen sein könnten, bereitstellt, um zwei-dimensionale Bilder zu generieren, die in drei-dimensionale volumetrische Bilder konvertiert werden können, die auf der Anzeige10 mit sechs Freiheitsgraden angezeigt werden können. - Das Navigationssystem
12 umfasst darüber hinaus ein elektromagnetisches Navigations- oder Trackingsystem44 , das eine Senderspulenanordnung46 , die Spulenanordnungssteuereinheit48 , eine Navigationssondenschnittstelle50 , ein Instrument52 , das einen elektromagnetischen Tracker hat, und einen dynamischen Referenzrahmen54 . Es sollte auch beachtet werden, dass das gesamte Trackingsystem44 oder Teile des Trackingsystems44 in die Bildgebungsvorrichtung16 eingebaut werden können, einschließlich die Workstation36 und die Strahlungssensoren26 . Einbauen des Trackingsystems44 wird ein integriertes Bildgebungs- und Trackingsystem bereitstellen. Irgendeine Kombination dieser Komponenten kann auch in das Bildgebungssystem16 eingebaut werden, welches wieder eine fluoroskopische C-Arm-Bildgebungsvorrichtung oder irgendeine andere geeignete Bildgebungsvorrichtung aufweisen kann. Wenn ein bildloses Verfahren durchgeführt wird, ist das Navigations- und Trackingsystem offensichtlich eine selbständige Einheit. - Die Senderspulenanordnung
46 wird an der Empfangssektion22 des C-Arms18 angebracht gezeigt. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Senderspulenanordnung46 darüber hinaus auch an irgendeiner anderen Stelle positioniert werden kann, insbesondere wenn die Bildgebungsvorrichtung16 nicht verwendet wird. Zum Beispiel kann die Senderspulenanordnung46 an der Röntgenstrahlenquelle20 innerhalb des unter dem Patienten14 positionierten OR-Tisch auf Seitenschienen, die mit dem OR-Tisch56 zusammengehören, positioniert werden oder am Patienten14 in Nähe des navigierten Bereichs, wie etwa am Beckenbereich des Patienten positioniert werden. Die Senderspulenanordnung46 umfasst eine Vielzahl von Spulen, die jeweils so betreibbar sind, dass sie scharf begrenzte elektromagnetische Felder in dem Navigationsbereich des Patienten14 erzeugen, der manchmal als Patientenraum bezeichnet wird. - Repräsentative elektromagnetische Systeme werden im US-Patent Nr. 5.913.820 mit dem Titel "Position Location System" (Positionslokalisierungssystem), erteilt am 22. Juni 1999, und US-Patent Nr. 5.592.939 mit dem Titel "Method and System for Navigating a Catheter Probe" (Verfahren und System zum Navigieren einer Kathetersonde), erteilt am 14. Januar 1997, dargelegt.
- Die Senderspulenanordnung
46 wird durch die Senderspulenanordnungssteuereinheit48 gesteuert oder angetrieben. Die Senderspulenanordnungssteuereinheit48 treibt jede Spule in der Senderspulenanordnung46 in einer Zeitmultiplex- oder einer Frequenzmultiplexweise an. Diesbezüglich kann jede Spule separat zu einer bestimmten Zeit angetrieben werden oder alle Spulen können gleichzeitig angetrieben werden, wobei jede durch eine andere Frequenz angetrieben wird. Beim Antreiben der Spulen in der Senderspulenanordnung46 mit der Spulenanordnungssteuereinheit48 werden elektromagnetische Felder innerhalb des Patienten14 in dem Bereich erzeugt, wo das medizinische Verfahren durchgeführt wird, welches wieder manchmal als Patientenraum bezeichnet wird. Die in dem Patientenraum erzeugten elektromagnetischen Felder induzieren Ströme in Sensoren58 , die in dem Instrument52 , das hierin weiter erörtert wird, positioniert sind. Diese induzierten Signale aus dem Instrument52 werden an die Navigationssondenschnittstelle50 geliefert und anschließend an die Spulenanordnungssteuereinheit48 weitergeleitet. Die Navigationssondenschnittstelle50 stellt die gesamte erforderliche elektrische Isolation für das Navigationssystem12 bereit. Die Navigationssondenschnittstelle50 umfasst auch Verstärker, Filter und Puffer, die erforderlich sind, um mit den Sensoren58 im Instrument52 direkt zu koppeln. Alternativ kann das Instrument52 im Gegensatz zu seiner direkten Kopplung an die Navigationssondenschnittstelle50 einen drahtlosen Kommunikationskanal verwenden. - Das Instrument
52 ist mit mindestens einem Lokalisierungssensor58 ausgerüstet und kann mehrere Lokalisierungssensoren58 aufweisen. Diesbezüglich kann das Instrument52 einen Sensor58 mit orthogonalem Spulenpaar oder einen triaxialen Spulensensor58 oder mehrere einzelne Spulensensoren58 , die um das Instrument52 positioniert sind, aufweisen. Das Instrument52 kann hier wieder irgendeine Art von medizinischem Instrument oder Implantat sein. Zum Beispiel kann das Instrument ein Katheter sein, der benutzt werden kann, um eine medizinischen Leitung einzusetzen, der für die Gewebeabtragung benutzt werden kann oder benutzt werden kann, um ein pharmazeutisches Mittel zuzuführen. Das Instrument52 kann auch ein orthopädisches Instrument sein, das für ein orthopädisches Verfahren benutzt wird, wie etwa Aufreiber, Einschlaginstrumente, Schneidblöcke, Sägeblätter, Bohrer etc. Das Instrument52 kann auch irgendeine Art neurovaskuläres Instrument, kardiovaskuläres Instrument, Weichgewebeinstrument etc. sein. Schließlich kann das Instrument52 ein Implantat sein, das verfolgt wird, sowie irgendeine andere Art von Vorrichtung, die innerhalb des Patienten14 positioniert und angeordnet ist. Diese Implantate können orthopädische Implantate, neurovaskuläre Implantate, kardiovaskuläre Implantate, Weichgewebeimplantate oder irgendwelche anderen Vorrichtungen, die in den Patienten14 implantiert werden, umfassen. Insbesondere Implantate, die aus mehreren Komponenten gebildet werden, wo die Lage und Orientierung jeder Komponente von der Lage und Orientierung der anderen Komponente abhängig ist, so dass jede dieser Komponenten durch das Navigations- und Trackingsystem44 so verfolgt oder navigiert werden kann, dass sie auf der Anzeige10 mit sechs Freiheitsgraden angezeigt werden kann. - In einer alternativen Ausführungsform können die elektromagnetischen Quellen oder Generatoren innerhalb des Instruments
52 angeordnet werden und eine oder mehrere Empfängerspulen können extern zu dem Patienten14 bereitgestellt werden, die eine Empfängerspulenanordnung ähnlich der Senderspulenanordnung46 bilden. Diesbezüglich würden die Sensorspulen58 elektromagnetische Felder erzeugen, die durch die Empfangsspulen in der Empfangsspulenanordnung ähnlich der Senderspulenanordnung46 empfangen werden würden. Andere Arten der Lokalisierung oder Verfolgung können auch mit anderen Arten von Navigationssystemen benutzt werden, die einen Emitter aufweisen können, der Energie emittiert, wie etwa Licht, Ton oder elektromagnetische Strahlung, und einen Empfänger, der die Energie an einer vom Emitter entfernten Stelle erkennt. Diese Energieänderung vom Emitter zum Empfänger wird benutzt, um die Lage des Empfängers in Bezug auf den Emitter zu bestimmen. Diese Arten von Lokalisierungssystemen umfassen leitende, aktive optische, passive optische, Ultraschall-, Schall-, elektromagnetische etc. Ein zusätzliches repräsentatives alternatives Lokalisierungs- und Trackingsystem wird im US-Patent Nr. 5.983.126 mit dem Titel "Catheter Location System and Method" (System und Verfahren zur Katheterlokalisierung), erteilt am 9. November 1999, dargelegt. Alternativ kann das Lokalisierungssystem ein Hybridsystem sein, das Komponenten aus verschiedenen Systemen aufweist. - Der dynamische Referenzrahmen
54 des elektromagnetischen Trackingsystems44 ist ebenfalls an die Navigationssondenschnittstelle50 gekoppelt, um die Informationen an die Spulenanordnungsteuereinheit48 weiterzuleiten. Der dynamische Referenzrahmen54 ist ein kleiner Magnetfelddetektor oder irgendeine andere Art von Detektor/Transmitter, der so konstruiert ist, dass er an dem Patienten14 angrenzend an den Bereich, der navigiert wird, fixiert werden kann, so dass jede Bewegung des Patienten14 als relative Bewegung zwischen der Senderspulenanordnung46 und dem dynamischen Referenzrahmen54 erkannt wird. Diese relative Bewegung wird an die Spulenanordnungssteuereinheit48 weitergeleitet, die die Registrierungskorrelation aktualisiert und eine genaue Navigation aufrechterhält, was hierin weiter erörtert wird. Der dynamische Referenzrahmen54 kann als ein Paar von orthogonal orientierten Spulen konfiguriert werden, wobei jede denselben Mittelpunkt hat, oder kann in irgendeiner anderen nicht axialen Spulekonfiguration konfiguriert werden. Der dynamische Referenzrahmen54 kann extern am Patienten14 angrenzend an den Navigationsbereich, wie etwa dem Wirbelsäulenbereich des Patienten, wie in1 gezeigt wird, oder auf irgendeinem anderen Bereich des Patienten angebracht werden. Der dynamische Referenzrahmen54 kann auf der Haut des Patienten durch ein haftendes Aufklebepatch angebracht werden. Der dynamische Referenzrahmen54 kann auch abnehmbar an Bezugsmarkern60 , die ebenfalls auf dem Körper des Patienten positioniert sind und hierin weiter erörtert werden, anzubringen sein. - Alternativ kann der dynamische Referenzrahmen
54 intern zum Beispiel an der Wirbelsäule oder Wirbeln des Patienten unter Benutzung von Knochenschrauben, die direkt am Knochen angebracht werden, angebracht werden. Das sorgt für erhöhte Genauigkeit, da dies jede Bewegung des Knochens verfolgen wird. Außerdem können auch mehrere dynamische Referenzrahmen54 benutzt werden, um die Position von zwei Knochen in Bezug auf ein Gelenk zu verfolgen. Zum Beispiel kann ein dynamischer Referenzrahmen54 an einem ersten Wirbel angebracht werden, während ein zweiter dynamischer Referenzrahmen54 an einem zweiten Wirbel angebracht werden kann. Auf diese Weise kann die Bewegung der Wirbelsäule oder der Wirbel durch die dynamischen Doppelreferenzrahmen54 erkannt werden. Ein beispielhafter dynamischer Referenzrahmen54 und Bezugsmarker60 werden in US-Patent Nr. 6.381.485 mit dem Titel "Registration of Human Anatomy Integrated for Electromagnetic Localization (Registrierung menschlicher Anatomie integriert für elektromagnetische Lokalisierung), erteilt am 30. April 2002, dargelegt. - Kurz gefasst funktioniert das Navigationssystem
12 wie folgt. Das Navigationssystem12 erstellt eine Translationskarte zwischen allen Punkten in dem radiologischen Bild, das aus der Bildgebungsvorrichtung16 generiert wurde, und den entsprechenden Punkten in der Anatomie des Patienten im Patientenraum. Nachdem diese Karte erstellt wurde, benutzt die Workstation36 in Kombination mit der Spulenanordnungssteuereinheit48 und der C-Arm-Steuereinheit30 die Translationskarte, wann immer ein verfolgtes Instrument52 benutzt wird, um den entsprechenden Punkt auf dem zuvor erfassten Bild, das auf der Anzeige10 angezeigt wird, zu identifizieren. Diese Identifizierung ist als Navigation oder Lokalisierung bekannt. Ein Symbol, welches den lokalisierten Punkt oder das lokalisierte Instrument darstellt, wird auf der Anzeige10 gezeigt, zusammen mit Anzeigern mit fünf oder sechs Freiheitsgraden. - Zur Ermöglichung der Navigation wird das Navigationssystem
12 sowohl die Position der Anatomie des Patienten14 als auch die Position des chirurgischen Instruments52 erkennen. Die Kenntnis der Lage dieser beiden Elemente gestattet dem Navigationssystem12 , die Position des Instruments52 in Bezug auf den Patienten14 zu berechnen und anzuzeigen. Das Trackingsystem44 wird benutzt, um das Instrument52 und die Anatomie gleichzeitig zu verfolgen. Während die Anzeige10 so konfiguriert ist, dass sie das Instrument mit einer Genauigkeit von sechs Freiheitsgraden zeigt. - Das Trackingsystem
44 arbeit im Wesentlichen durch Positionieren der Senderspulenanordnung46 angrenzend an den Patientenraum, um ein niederenergetisches Magnetfeld zu erzeugen, das im Allgemeinen als ein Navigationsfeld bezeichnet wird. Da jeder Punkt in dem Navigationsfeld oder Patientenraum mit einer eindeutigen Feldstärke assoziiert ist, kann das elektromagnetische Trackingsystem44 die Position des Instruments52 durch Messen der Feldstärke an der Stelle des Sensors58 bestimmen. Der dynamische Referenzrahmen54 wird am Patienten14 fixiert, um die Lage des Patienten14 in dem Navigationsfeld zu identifizieren. Das elektromagnetische Trackingsystem44 berechnet kontinuierlich erneut die relative Position des dynamischen Referenzrahmens54 und des Instruments52 während der Lokalisierung und setzt diese Rauminformationen mit den Patientenregistrierungsdaten in Bezug, um die Bildführung des Instruments52 innerhalb des Patienten14 zu ermöglichen. - Patientenregistrierung ist der Prozess des Bestimmens, wie die Position des Instruments
52 auf dem Patienten14 mit der Position auf den diagnostischen, zuvor erfassten oder Echtzeitbildern in Wechselbeziehung zu bringen ist. Um den Patienten14 zu registrieren, wird der Arzt oder Benutzer bestimmte Punkte aus den zuvor erfassten Bildern auswählen und speichern und dann die entsprechenden Punkte auf der Anatomie des Patienten mit einer Zeigersonde62 berühren. Das Navigationssystem12 analysiert die Beziehung zwischen den beiden Sätzen von Punkten, die ausgewählt werden, und berechnet einen Abgleich, der jeden Punkt in den Bilddaten mit seinem entsprechenden Punkt auf der Anatomie des Patienten oder dem Patientenraum in Wechselbeziehung bringt. Die Punkte, die ausgewählt werden, um die Registrierung durchzuführen, sind die Bezugsanordnungen oder Landmarken60 . Die Landmarken oder Bezugspunkte60 sind wieder auf den Bildern identifizierbar und auf dem Patienten14 identifizierbar und zugänglich. Die Landmarken60 können künstliche Landmarken60 sein, die auf dem Patienten14 positioniert werden, oder anatomische Landmarken60 , die in den Bilddaten leicht identifiziert werden können. Das System12 kann auch 2D- bis 3D-Registrierung durch Nutzung der erfassten 2D-Bilder durchführen, um 3D-Volumenbilder durch Benutzung von Konturalgorithmen, Punktalgorithmen, normalisierter gegenseitiger Information, Musterintensität oder Dichtevergleichsalgorithmen, die im Stand der Technik bekannt sind, zu registrieren. - Um die Registrierungsgenauigkeit aufrechtzuerhalten, verfolgt das Navigationssystem
12 kontinuierlich die Position des Patienten14 während der Registrierung und Navigation. Das ist erforderlich, weil der Patient14 , der dynamische Referenzrahmen54 und die Senderspulenanordnung46 sich alle während des Verfahrens bewegen können, auch wenn diese Bewegung nicht erwünscht ist. Wenn das Navigationssystem12 die Position des Patienten14 oder des Bereichs der Anatomie nicht verfolgt, würde daher jede Patientenbewegung nach der Bilderfassung zu einer ungenauen Navigation innerhalb dieses Bildes führen. Der dynamische Referenzrahmen54 gestattet der elektromagnetischen Trackingvorrichtung44 die Anatomie zu registrieren und zu verfolgen. Da der dynamische Referenzrahmen54 starr am Patienten14 fixiert ist, wird jede Bewegung der Anatomie oder der Senderspulenanordnung46 als die relative Bewegung zwischen der Senderspulenanordnung46 und dem dynamischen Referenzrahmen54 erkannt. Diese relative Bewegung wird an die Spulenanordnungssteuereinheit48 über die Navigationssondenschnittstelle50 übertragen, die die Registrierungskorrelation aktualisiert, um dadurch die genaue Navigation aufrechtzuerhalten. - Es sollte auch wohlverstanden sein, dass Lokalisierungs- und Registrierungsdaten für mehrere Ziele spezifisch sein können. Sollte zum Beispiel ein Wirbelsäulenverfahren durchgeführt werden, kann jeder Wirbel unabhängig verfolgt werden und das entsprechende Bild zu jedem Wirbel registriert werden. Mit anderen Worten jeder Wirbel würde seine eigene Translationskarte zwischen allen Punkten in dem radiologischen Bild und den entsprechenden Punkten in der Anatomie des Patienten im Patientenraum haben, um ein Koordinatensystem für jeden Wirbel, der verfolgt wird, bereitzustellen. Das Trackingsystem
44 würde jede Bewegung in jedem Wirbel durch Benutzung eines Trackingsensors58 , der mit jedem Wirbel assoziiert ist, verfolgen. Dabei können Doppelanzeigen10 , die hierin weiter erörtert werden, benutzt werden, wobei jede Anzeige einen entsprechenden Wirbel unter Benutzung seiner entsprechenden Translationskarte verfolgt, und ein chirurgisches Implantat oder Instrument52 kann zu jedem Wirbel registriert werden und auf der Anzeige10 angezeigt werden, wobei eine Ausrichtung eines Implantats in Bezug auf zwei gelenkige oder bewegliche Knochen weiter unterstützt wird. Außerdem kann jede separate Anzeige in der Doppelanzeige10 den anderen Wirbel in Überdeckung bringen, so dass er angrenzend an den verfolgten Wirbel positioniert wird, wodurch eine weitere Informationsebene auf der Anzeige10 mit sechs Freiheitsgraden hinzugefügt wird. - Als eine Alternative zur Benutzung des Bildgebungssystems
16 kann in Kombination mit dem Navigations- und Trackingsystem44 die Ausrichtungsanzeige10 mit fünf oder sechs Freiheitsgraden in einer bildlosen Weise ohne das Bildgebungssystem16 benutzt werden. Diesbezüglich kann nur das Navigations- und Trackingsystem44 verwendet werden, und die Sonde62 kann benutzt werden, um verschiedene Landmarken auf dem Patienten zu kontaktieren oder in Eingriff zu bringen. Diese Landmarken können knochige Landmarken auf dem Patienten sein, so dass bei Kontaktieren einer Anzahl von Landmarken für jeden Knochen die Workstation36 ein dreidimensionales Modell der Knochen generieren kann. Dieses Modell wird auf der Grundlage der Kontakte und/oder der Benutzung von Atlaskarten generiert. Die Workstation36 kann basierend auf den Sondenkontakten auch eine Drehungsmittelachse für das Gelenk oder die Ebenen generieren. Alternativ kann das Trackingsystem58 auf der Anatomie des Patienten platziert und die Anatomie bewegt und entsprechend durch das Trackingsystem44 verfolgt werden. Das Platzieren eines Trackingsensors58 auf dem Oberschenkelknochen und Fixieren des Beckens eines Patienten an Ort und Stelle und Drehen des Beines, während es mit dem Trackingsystem44 verfolgt wird, zum Beispiel, versetzt die Workstation36 in die Lage, eine Mittelpunkt der Achse des Hüftgelenks unter Benutzung von Kinematik- und Bewegungsanalysealgorithmen, die im Stand der Technik bekannt sind, zu generieren. Wenn das Becken nicht fixiert ist, kann ein weiterer Trackingsensor58 auf dem Becken platziert werden, um den Mittelpunkt der Achse des Hüftgelenks zu identifizieren. Wenn ein Trackingsensor58 auf dem Oberschenkelknochen platziert wird und ein Trackingsensor58 auf dem Schienbein platziert wird, kann bei Bewegung dieses Abschnitts der Anatomie ein Mittelpunkt der Achse des Kniegelenks identifiziert werden. In ähnlicher Weise kann durch Platzieren eines separaten Trackingsensors58 auf zwei benachbarten Wirbeln und Anlenken der Wirbelsäule auch der Mittelpunkt der Achse des Wirbelsäulenbereichs identifiziert werden. In dieser Weise kann ein Ziel und/oder Modell auf der Grundlage des Mittelpunkts des jeweiligen Gelenks auf der Anzeige10 mit sechs Freiheitsgraden bezeichnet und identifiziert werden. Bewegung des Instruments oder Implantats52 kann dann in Bezug auf dieses Ziel und/oder Modell verfolgt werden, um das Instrument oder Implantat52 in Bezug auf das Ziel und/oder Modell ordnungsgemäß auszurichten. - Unter Bezugnahme auf die
3a und3b zu, wird das Verfahren der Verwendung der Anzeige10 mit sechs Freiheitsgraden weiter ausführlich beschrieben. Das methodische Verfahren64 beginnt durch Bestimmen, ob ein bildbasiertes medizinisches Verfahren angewandt wird oder ein bildloses medizinisches Verfahren angewandt wird. Wenn das bildbasierte medizinische Verfahren angewandt wird, setzt sich das methodische Verfahren entlang des ersten Zweigs fort. Wenn ein bildbasiertes Verfahren genutzt wird, beginnt das methodische Verfahren diesbezüglich bei Block66 mit dem Identifizieren des Bildtrackingverfahrens. Von Block66 geht das methodische Verfahren weiter zu Block68 , wo Bilder durch das Bildgebungssystem16 generiert werden. Diese Bildgebung wird im interessierenden Bereich des Patienten14 durch irgendeine Art von Bildgebungsvorrichtung, wie zuvor erörtert, durchgeführt. Sobald Bilder in Block68 generiert wurden, geht das methodische Verfahren zu Block70 weiter, wo Kalibrierung und Registrierung erfolgen. In Block70 erfolgt die Kalibrierung der Bildgebungsvorrichtung16 unter Benutzung der Kalibrierungsziele28 . Außerdem wird die Registrierung der zuvor erfassten Bilder aus dem Block68 zum Patientenraum des medizinischen Verfahrens unter Benutzung der Bezugsmarker60 und Sonde62 , wie zuvor erörtert, registriert. Diese Registrierung registriert den aktuellen Patientenraum mit dem zuvor erfassten Bild, so dass das Instrument52 oder andere Vorrichtungen während des medizinischen Verfahrens verfolgt und genau mit den zuvor erfassten Bildern, die aus der Bildgebungsvorrichtung16 generiert wurden, in Überdeckung gebracht werden können. - Wenn ein bildloses medizinisches Verfahren ausgewählt wird, beginnt das methodische Verfahren bei Block
72 mit der Identifizierung, dass ein bildloses medizinisches Verfahren durchgeführt wird. Dieses methodische Verfahren geht entweder zu Block74 weiter, wobei ein erster Weg zum Generieren bildloser Modelle identifiziert wird, oder Block76 , wobei ein zweiter Weg zum Generieren bildloser Modelle identifiziert wird. Bei Block74 wird die Sonde62 benutzt, um den Körper an verschiedenen anatomischen Landmarken im interessierenden Bereich, wie etwa einen Knochen, zu kontaktieren. Zum Beispiel können durch Berühren des Beckens, Knies und Knöchels mit der Sonde62 Gelenkverbindungsebenen unter Benutzung bekannter Algorithmen definiert werden, und der Mittelpunkt jedes Gelenks kann auch definiert werden. Ein Beispiel dieser Art von Modellierung wird in US-Patent Nr. 5.682.886 dargelegt. Alternativ können mehrere anatomische Landmarken mit der Sonde62 kontaktiert werden, um ein 3D-Modell zu generieren, wobei das abgebildete Modell umso genauer wird, je mehr Punkte kontaktiert wurden. - Zweitens wird zum Generieren eines Modells bei Block
76 eine Trackingvorrichtung auf dem Körper platziert und der Körper um das Gelenk gedreht. Wenn das getan wird, können die Drehungsebene und der Gelenkmittelpunkt unter Benutzung bekannter kinematischer und/oder Bewegungsanalyse-Algorithmen oder Benutzung von Atlaskarten oder Tabellen, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, identifiziert werden. Sobald der interessierende Bereich mit der Sonde sondiert wurde, wird über Block74 oder Block76 ein Modell bei Block78 generiert. Dieses Modell kann ein gerendertes 3D-Oberflächenmodell, ein 2D-Modell, das anlenkende Ebenen identifiziert, oder ein 3D-Modell, das anlenkende Ebenen und Drehung sowie den Mittelpunkt der Gelenke identifiziert, sein. Das ermöglicht der Anzeige10 , die Gelenkmittelpunkte oder anlenkenden Ebenen als Ziel oder Trajektorie, die hierin weiter erörtert werden, zu benutzen. - Mit jedem der Verfahren
74 oder76 kann das Verfahren anfänglich auf die Benutzung von Atlasinformationen oder eines 3D-Modells, das zu einem patientenspezifischen Modell gemorpht wird, basiert werden. Sollte der Oberschenkelknochen der interessierende Bereich sein, kann diesbezüglich eine genaue Darstellung eines gewöhnlichen Oberschenkelknochens aus einer Atlaskarte ausgewählt werden, wodurch ein anfängliches 2D- oder 3D-Modell bereitgestellt wird, das einen typischen anatomischen Oberschenkelknochen darstellt. Bei Kontaktieren zahlreicher Gebiete auf dem eigentlichen Oberschenkelknochen mit der Sonde62 kann wie bei Block74 das Atlasmodell in ein patientenspezifisches 3D-Modell gemorpht werden, wobei das gemorphte Modell umso genauer wird, je mehr Punkte kontaktiert werden. Patientenspezifische Informationen können auch unter Benutzung einer Ultraschallsonde erfasst werden, um wieder die Form des natürlichen Oberschenkelknochens des Patienten zu identifizieren, um das Atlasmodell zu morphen. Auch ein fluoroskopisches Bild des Bereichs kann verwendet werden, um den Oberschenkelknochen des Patienten mit dem Atlasmodell zu morphen, um ein patientenspezifisches gemorphtes Modell bereitzustellen. Erfolgt die Fortsetzung unter Block76 und wird angenommen, dass der interessierende Bereich das Hüftgelenk ist, kann ein Atlasmodell des Oberschenkelknochens und des Beckens der anfängliche Ausgangspunkt sein. Beim Drehen und Bewegen des Oberschenkelknochens in Bezug auf das Becken, kann ein patientenspezifisches gemorphtes Modell erstellt werden, um genaue Gelenkmittelpunkte und -bewegungsachsen wieder unter Benutzung bekannter Kinematik- und/oder Bewegungsanalyse-Algorithmen zu generieren. - Sobald die Bilddaten bei Block
70 kalibriert und registriert wurden oder das Modell bei Block78 generiert wurde, geht das methodische Verfahren zu Block80 weiter. Bei Block80 wird die spezifische Art von Koordinatensystem ausgewählt, die durch Anzeiger auf der Anzeige10 mit sechs Freiheitsgraden angezeigt wird. Die Koordinatensysteme können ein Kartesisches Koordinatensystem, ein sphärisches Koordinatensystem oder ein polares Koordinatensystem sein. Als Beispiel wird das Kartesische Koordinatensystem ausgewählt. Das Kartesische Koordinatensystem wird die Achsen X, Y und Z und eine X-Drehung, Y-Drehung und Z-Drehung um seine jeweiligen Achsen umfassen. - Unter Bezugnahme auf
5 wird die Anzeige10 mit sechs Freiheitsgraden ausführlicher gezeigt, wobei das Kartesische Koordinatensystem verwendet wird. Diesbezüglich werden die X-Achse82 und die Y-Achse84 auf der Anzeige10 positioniert gezeigt. Die Z-Achse86 erstreckt sich aus der Anzeige10 heraus und wird in der oberen linken Ecke gezeigt. Drehung um die X-Achse wird durch das Balkendiagramm88 rechts von der Anzeige10 gezeigt und die Drehung um die Y-Achse wird durch das unten in der Anzeige10 positionierte Balkendiagramm90 gezeigt. Die Drehung um die Z-Achse wird mit dem bogenförmigen Balkendiagramm92 gezeigt, das um die X- und Y-Achse82 und84 orientiert ist. Jede Achse sowie die Drehachsen, die durch die Balkendiagramme identifiziert werden, können farbkodiert werden, um sichere Zonen oder Bereiche für das verfolgte oder navigierte Element zu identifizieren. Diesbezüglich können die sicheren Zonen als Bereiche um den geplanten Trajektorieweg oder das Ziel herum definiert werden, wobei die sicheren Zonen durch gefertigte bestimmte Parameter, vom Benutzer bestimmte Parameter oder patientenspezifische Parameter bestimmt werden, die hierin weiter erörtert werden. - Pfeilindikator
94 identifiziert den Grad der Drehung um die X-Achse82 . Pfeilindikator96 zeigt den Betrag der Drehung um die Y-Achse84 . Pfeil98 identifiziert die Drehung um die Z-Achse, während Pfeil100 die Tiefe identifiziert, die entlang der Z-Achse86 verfolgt wird. Der Ursprung102 kann so eingestellt werden, dass er die gewünschte Zielposition oder der gewünschte Trajektorieweg ist. Das Fadenkreuz104 stellt die Spitze des verfolgten Instruments52 dar, während der Kreis106 die hintere Fläche des verfolgten Instruments52 darstellt. Mit dem Wissen, dass das Instrument52 jede Art von medizinischer Vorrichtung oder von Implantat sein kann. Wenn Informationen mit fünf Freiheitsgraden bereitgestellt werden, wird auch einer der Anzeiger82 ,84 ,86 ,88 ,90 und92 entfernt. - Sobald das Koordinatensystem bei Block
80 ausgewählt wurde, geht das methodische Verfahren weiter zu Block108 , wo das Ziel oder die Trajektorie ausgewählt wird. Das/die bei Block108 ausgewählte Ziel oder Trajektorie wird typischerweise am Ursprung102 auf der Anzeige10 positioniert. In dieser Weise können das verfolgte oder ausgerichtete Objekt um den Ursprung102 verfolgt und ausgerichtet werden. Alternativ kann das Ziel an irgendeiner Koordinate innerhalb der Anzeige10 identifiziert werden, oder mehrere Ziele können auch innerhalb der Einzelanzeige10 identifiziert werden. Ein Anzeiger des Ziels kann auch auf der Anzeige10 positioniert werden. Das Ziel wird auf der Grundlage des gewünschten Gebiets ausgewählt, um das Instrument52 zu positionieren, und kann aus den zuvor erfassten Bildern oder aus dem 3D-Modell ausgewählt werden. Sobald das Ziel ausgewählt wurde, wird es mit der Anzeige10 korreliert und im Allgemeinen am Ursprung102 positioniert. - Sobald das Ziel/die Trajektorie am Block
108 ausgewählt wurde, wie etwa der Ursprung102 , geht das methodische Verfahren zu Block110 weiter, wo die sicheren Zonen für jeden Freiheitsgrad identifiziert werden. Unter erneuter Bezugnahme auf5 werden die sicheren Zonen112 für jeden Freiheitsgrad durch Farbkodierung identifiziert. Die sichere Zone112 für die X-Achse liegt zum Beispiel zwischen –2,5 und +2,5. Die sichere Zone112 für die Drehung um die X-Achse liegt zwischen –5° und +5° der Drehung um die X-Achse. Der Benutzer kann einfach das Instrument52 unter Benutzung des Fadenkreuzes104 und des Kreises106 führen, um das Instrument52 innerhalb dieser bezeichneten sicheren Zonen112 auszurichten. Diese sicheren Zonen112 können wieder durch Fertigungsspezifikationen bestimmt werden, wie etwa als Toleranzbereich der Instrumente oder Positionen für Implantate. Die sicheren Zonen112 können auch auf Grundlage des Patienten, des Chirurgen, der das Verfahren durchführt, oder irgendwelcher anderer Faktoren zur Unterstützung eines Chirurgen bei der Navigation des Instruments52 durch den Patienten14 bestimmt werden. Diese sicheren Zonen112 können auch über ein akustisches Signal oder einen Ton oder einen sich verändernden Ton identifiziert werden. Die sicheren Zonen112 können auch durch irgendeine andere bequeme Art und Weise, die auf der Anzeige10 darzustellen ist, identifiziert werden. - Sobald die sicheren Zonen
112 für jeden Freiheitsgrad in Block110 identifiziert wurden, geht das methodische Verfahren weiter zu Block114 , wo die Zieltrajektorie in dem ausgewählten Koordinatensystem mit den sicheren Zonen112 , wie in5 gezeigt, dargestellt wird. Wenn ein bildbasiertes Verfahren durchgeführt wird, wird bei Block116 eine Entscheidung getroffen, ob das Bild mit dem Ziel/der Trajektorie in Überdeckung gebracht wird. Alternativ kann das Bild angrenzend an die Zieltrajektorieanzeige platziert werden, wie in6 gezeigt und hierin weiter erörtert wird. Sollte das bildlos-basierte medizinische Verfahren durchgeführt werden, wird bei Block118 bestimmt, ob das Modell, das bei Block78 generiert wurde, in Überdeckung gebracht wird. Hier kann dieses Modell wieder mit der Ziel-/Trajektorieanzeige auf Anzeige10 in Überdeckung gebracht werden oder kann angrenzend an die Ziel-/Trajektorieanzeige in einem geteilten Bildschirm oder auf einer separaten Anzeige positioniert werden. - Sobald das Ziel/die Trajektorie
102 zusammen mit den sicheren Zonen112 in dem richtigen Koordinatensystem, wie in5 gezeigt, angezeigt wird, geht das methodische Verfahren weiter zu Block120 , wo das erste Implantat/Instrument52 mit dem Navigationssystem44 verfolgt wird. Mit dem bei Block120 verfolgten Implantat/Instrument52 geht das methodische Verfahren weiter zu Block122 , wobei Anzeiger, die das Implantat/Instrument52 darstellen, auf der Anzeige10 mit Informationen mit entweder fünf oder sechs Freiheitsgraden angezeigt werden. Unter Bezugnahme auf5 sind die Anzeiger, die das Implantat/Instrument52 darstellen, hier wieder das Fadenkreuz104 und der Kreis106 , die die Spitze beziehungsweise das Ende bezeichnen. Die Spitze104 und das Ende106 werden in Bezug auf das Ziel/den Trajektorieweg102 in sechs Freiheitsgraden dargestellt. Diese sechs Freiheitsgrade umfassen die X- und Y-Lage sowie die Tiefe Z des angezeigten Implantats/Instruments52 . Zusätzlich wird auch die Drehung um jede der Achsen bereitgestellt. Diese Drehung kann bei vielen Anwendungen, orthopädische eingeschlossen, hilfreich sein, wo drehungsspezifische Komponenten in Bezug zueinander positioniert werden müssen. Bei einer Wirbelsäulenanwendung zum Beispiel würde die Ausrichtung einer Pedikelschraube in Bezug auf einen Wirbelsäulenstab Informationen hinsichtlich der Drehung der Schraube in Bezug auf den Stab erforderlich machen. Bei kardiologischen Verfahren kann das nützlich sein, wo Ablation auf einer bestimmten Seite einer Arterie erforderlich ist und die Ablationselektrode nur auf einer Seite des Katheters positioniert ist. In dieser Situation ist die Drehung des Katheters in Bezug auf das Ziel in der Arterie kritisch. Bei einem neurologischen Verfahren kann eine Biopsienadel nur eine Biopsieöffnung haben, die auf einem Abschnitt des Nadelumfangs positioniert ist, wodurch die Drehung der Biopsienadel bekannt sein muss, um das richtige Festhalten der betreffenden Biopsieprobe sicherzustellen. Ohne diese Anzeige wären diese Informationen nicht verfügbar. - Mit den angezeigten Anzeigern des Implantats/Instruments
52 wird das Implantat/Instrument52 mit dem Ziel/der Trajektorie102 bei Block124 ausgerichtet oder fixiert. Diesbezüglich werden die Spitze104 und das Ende106 in Bezug auf das Ziel/die Trajektorie102 am Ursprung ausgerichtet und fixiert und die Drehungsorientierung wird ebenfalls auf die gewünschte Position ausgerichtet. Das Ziel/die Trajektorie102 darf wieder nicht am Ursprung positioniert werden und kann, falls gewünscht, irgendwo innerhalb des Koordinatensystems positioniert werden. Wie in5 gezeigt, wird die Spitze104 des Implantats/Instruments52 ausgerichtet mit dem Ziel102 gezeigt, während das Ende106 geringfügig vom Ziel/der Trajektorie102 versetzt ist. Sobald das Implantat/Instrument52 in Bezug auf das Ziel/die Trajektorie102 ausgerichtet und fixiert ist, geht das methodische Verfahren zu Block126 weiter. - Bei Block
126 wird bestimmt, ob es ein zweites zu verfolgendes Implantat/Instrument52 gibt. Gibt es kein zweites zu verfolgendes Implantat/Instrument52 , endet das methodische Verfahren bei Block128 . Sollte es ein zweites zu verfolgendes Implantat/Instrument52 geben, wie etwa eine entsprechende Implantatkomponente, die mit dem ersten Implantat gelenkig verbunden ist, geht das methodische Verfahren zu Block130 weiter. Bei Block130 wird eine zweites Ziel/eine zweite Trajektorie102 ausgewählt, das/die auf der Ausrichtung oder Fixierung des ersten Implantats/Instruments52 in Bezug auf das erste Ziel/die erste Trajektorie102 basiert. Wenn der Chirurg nicht in der Lage ist, das erste Implantat/Instrument52 an dem/der gewünschten Ziel/Trajektorie102 zu positionieren, kann diesbezüglich diese Versetzung von dem Ziel/der Trajektorie102 das zweite Implantat beeinflussen, das möglicherweise mit dem ersten Implantat gelenkig verbunden ist oder mit ihm in Eingriff steht. Wenn dies der Fall ist, wird das/die zweite Ziel/Trajektorie102 diesen Versatz berücksichtigen müssen, um die ordnungsgemäße Anlenkung und Ausrichtung der ersten Implantatkomponente mit der zweiten Implantatkomponente bereitzustellen. - Bei minimal invasiven Arten von Verfahren kann das Implantat auch zahlreiche Komponenten aufweisen, wobei jede Komponente mit einer anderen Komponente anlenkt oder in Eingriff steht, wodurch die Verfolgung jeder Komponente, wenn sie während des minimal invasiven Verfahrens implantiert wird, erforderlich wird. Diese(s) zweite Ziel/Trajektorie
102 kann auf einer separaten Anzeige10 (siehe1 ) angezeigt werden, positioniert über einen geteilten Bildschirm einer Einzelanzeige10 , oder kann mit der vorhandenen Anzeige, die das erste Ziel102 und die Implantatposition anzeigt, in Überdeckung gebracht werden. Auf diese Weise können Orientierung und Platzierung sowohl des ersten als auch des zweiten Implantats, die voneinander abhängig sind, in der Anzeige10 gezeigt werden, die dem Chirurgen die Möglichkeit gibt, jede der beiden Positionen jedes der beiden Implantate intraoperativ anzupassen, bevor die Implantate dauerhaft am Patienten14 angebracht werden. Diese Arten von Implantaten umfassen Knieimplantate, Hüftimplantate, Schulterimplantate, Wirbelsäulenimplantate oder irgendeine andere Art von Implantat, die eine tragende Oberfläche und eine anlenkende Oberfläche haben oder irgendeine Art von Implantat, das mehrere in Eingriff stehende und in Verbindung tretende Komponenten aufweist. - Sobald das/die zweite Ziel/Trajektorie
102 bei Block130 ausgewählt wurde, geht das methodische Verfahren weiter zu Block132 . Bei Block132 werden die sicheren Zonen112 für jeden Freiheitsgrad für das zweite Implantat/Instrument52 in ähnlicher Weise ausgewählt, wie der erste Satz von sicheren Zonen112 für das erste Implantat/Instrument52 ausgewählt wurde. Sobald die zweiten sicheren Zonen112 ausgewählt wurden, geht das methodische Verfahren weiter zu Block134 . Bei Block134 zeigt die Anzeige10 das/die zweite Ziel/Trajektorie102 in demselben Koordinatensystem mit den zweiten sicheren Zonen112 an. Wenn es ein bildbasiertes medizinisches Verfahren ist, kann hier bei Block136 wieder das zuvor erfasste Bild mit dem Ziel/der Trajektorie102 in Überdeckung gebracht werden. Alternativ kann dieses Bild neben dem Zielbildschirm in einer geteilten Bildschirmkonfiguration (siehe6 und7 ) positioniert werden. Wenn das methodische Verfahren als ein bildloses medizinisches Verfahren weitergeht, wird bei Block138 die Entscheidung getroffen, ob das generierte Modell aus Block78 in Überdeckung gebracht wird. Sobald das Ziel/die Trajektorie102 in dem richtigen Koordinatensystem ist, wobei die sichere Zone112 an der Anzeige10 angezeigt wird, wird das chirurgische Implantat/Instrument52 bei Block140 verfolgt. Das zweite Implantat/Instrument52 kann hier wieder auf einer separaten Anzeige10 verfolgt werden oder kann auf derselben Anzeige wie das erste Implantat/Instrument52 verfolgt werden. - Alternativ können separate Anzeigen
10 verwendet werden, wo Informationen zwischen den Anzeigen, die das zweite Implantat/Instrument in Bezug auf das erste Implantat/Instrument52 zeigen, verknüpft werden. Während das zweite Implantat/Instrument52 bei Block140 verfolgt wird, wird das zweite Implantat/Instrument52 in Bezug auf das/die zweite Ziel/Trajektorie102 in fünf oder sechs Freiheitsgraden bei Block142 angezeigt. Das kann wieder eine separate Anzeige10 , eine Anzeige10 mit geteiltem Bildschirm mit sowohl dem/der ersten Ziel/Trajektorie102 als auch dem/der zweiten Ziel/Trajektorie oder dieselbe Anzeige10 , die beide Ziele/Trajektorien102 anzeigt, sein. Während das zweite Implantat/Instrument52 angezeigt wird, wird das zweite Implantat/Instrument52 bei dem/der zweiten Ziel/Trajektorie102 bei Block144 ausgerichtet und fixiert. Sobald das zweite Implantat/Instrument52 bei Block144 fixiert wurde, geht das methodische Verfahren zu Block146 weiter. - Bei Block
146 wird bestimmt, ob die Ausrichtung oder Fixierung des ersten und des zweiten Implantats/Instruments52 korrekt ist. Mit zwei verbundenen separaten Anzeigen10 oder mit einer einzelnen Anzeige10 , die beide Ziele/Trajektorien102 zeigen, kann ein Chirurg diesbezüglich bestimmen, ob jedes Implantat/Instrument102 innerhalb seiner gewünschten sicheren Zonen112 und daher optimal für die richtige Gelenkverbindung positioniert ist. Diese sicheren Zonen112 können hier wieder für die verschiedenen bereitgestellten sicheren Zonen farbkodiert werden. Wenn beide Implantate an den richtigen Zielen positioniert und fixiert sind, endet das methodische Verfahren bei Block148 . Wenn eines oder beide der Implantate nicht ordnungsgemäß positioniert sind, wird die Anpassung des/der ersten oder des/der zweiten Ziels/Trajektorie102 bei Block150 durchgeführt. Sobald eines der beiden oder beide Ziele angepasst wurden, wird die erneute Ausrichtung des ersten und/oder des zweiten Implantats/Instruments52 bei Block152 durchgeführt. Da Mehrkomponentenimplantate bezüglich ihrer Position und Orientierung voneinander abhängig sind, können Ausrichtung und Anpassungen der Ziele/Trajektorien102 hier wieder mehrmals durchgeführt werden, bis die optimale Platzierung für jedes/jede bei Wiederholungsblock154 durchgeführt wird. Danach endet das Verfahren bei Endblock156 . - Obwohl das vorstehend identifizierte Verfahren in Bezug auf ein orthopädisches medizinisches Verfahren erörtert wird, bei dem ein Implantat, das mehrere Implantatkomponenten aufweist, innerhalb eines Patienten unter Benutzung einer Anzeige
10 mit sechs Freiheitsgraden implantiert wird, sollte beachtet werden, dass die Anzeige10 mit den sechs Freiheitsgraden verwendet werden kann, um ebenso andere medizinische Vorrichtungen zu verfolgen. Wie kurz erörtert wurde, hat zum Beispiel ein Ablationskatheter im Allgemeinen eine Elektrode, die nur an einem Winkelabschnitt auf seinem Umfang positioniert ist. Ebenso hat die Wand einer Arterie typischerweise eine größere Belagansammlung auf einer Seite. Daher ist es wünschenswert, jene Ablationselektrode mit der richtigen Seite der Arterienwand während des Verfahrens auszurichten. Mit der Anzeige10 mit sechs Freiheitsgraden kann der Chirurg leicht die Lage, Tiefe und Winkeldrehung des Katheters in Bezug auf die Arterienwand identifizieren. Andere Arten von Verfahren, wie etwa das Identifizieren und Verfolgen von Tumoren, Weichgewebe, etc. können erforderlich machen, dass das medizinische Instrument oder die Sonde ordnungsgemäß innerhalb des Patienten orientiert und angeordnet wird. Durch Kenntnis und Anzeige der Bewegung der medizinischen Vorrichtung auf der Anzeige10 mit sechs Freiheitsgraden, wird das medizinische Verfahren optimiert. - Es sollte auch hervorgehoben werden, dass das vorstehend erörterte Verfahren erforderlich macht, dass das Implantat/Instrument
52 einen dazu gehörigen Trackingsensor hat, um die Lage der verfolgten Vorrichtung in sechs Freiheitsgraden zu identifizieren und sie auf der Anzeige10 anzuzeigen. Die Trackingsensoren können direkt an Implantaten angebracht werden, an den Instrumenten angebracht werden, die die Implantate in Eingriff bringen, oder an Elementen angebracht werden, die sich aus den Implantaten heraus erstrecken. Diese Trackingsensoren können wieder elektromagnetische Trackingsensoren, optische Trackingsensoren, akustische Trackingsensoren etc. sein. Beispiele verschiedener Ziele, die auf der Anzeige in Überdeckung gebracht werden können oder nicht, umfassen orthopädische Ziele, Wirbelsäulenziele, kardiovaskuläre Ziele, neurovaskuläre Ziele, Weichgewebeziele etc. Spezifische Beispiele umfassen wieder die Lage des Belags auf einer Wand einer Arterie, den Mittelpunkt eines gelenkig verbundenen Gelenks, das ersetzt wird, den Mittelpunkt der Implantatplatzierung etc. Durch Anzeigen von zwei Zielen entweder auf separaten Anzeigen oder auf derselben Anzeige kann der Chirurg dynamisch Implantatplatzierungen durch Bewegen einer Komponente des Implantats planen und ausprobieren, um zu sehen, wo die andere anlenkende Komponente des Implantats positioniert werden sollte. Auf diese Weise kann der Chirurg über die Anzeige10 versuchen, dass das Implantat seine Platzierung und Orientierung bestätigt, bevor das Implantat dauerhaft am Patienten14 angebracht wird. - Bei einem Wirbelsäulenverfahren können zwei benachbarte Wirbelkörper auf zwei separaten Anzeigen verfolgt und angezeigt werden. Wenn eine einzelne Lehre, wie etwa eine Schneidlehre verwendet wird, um sowohl die Oberfläche des ersten Wirbels als auch die Oberfläche des zweiten Wirbels zu schneiden, kann auf diese Weise die Orientierung der Lehre auf jeder separaten Anzeige in Bezug auf den entsprechenden Wirbel, auf den eingewirkt wird, angezeigt werden, wodurch das gleichzeitige Verfolgen der zwei Ebenen, die reseziert werden, für jeden separaten Wirbel auf einem Doppelanzeigesystem ermöglicht wird. Außerdem kann jeder Wirbel auf jeder der doppelten Anzeigen angezeigt werden, so dass der verfolgte Wirbel mit dem benachbarten Wirbel angezeigt werden kann, der daran angrenzend in Überdeckung gebracht wurde. Sobald die Wirbelkörper vorbereitet wurden, wird das Implantat typischerweise zwischen jedem Wirbel an der vorbereiteten Stelle platziert. Andere Arten der Vorbereitung dieser Stelle stützen sich auf die Benutzung von Bohrern, Aufreibern, Fräsen, Trepanen oder anderen geeigneten Schneid- oder Fräsvorrichtungen.
- Das methodische Verfahren, wie in den
3a und3b gezeigt, demonstriert kurz, dass die Anzeige10 sowohl die Position als auch die Orientierung eines Objekts in Bezug auf eine gewünschte Position und Orientierung mit einer Genauigkeit von sechs Freiheitsgraden veranschaulichte. Die Anzeige10 kann automatisch in Echtzeit unter Verwendung des Navigationssystems44 zum Protokollieren der Orientierung der verfolgten Vorrichtung aktualisiert werden. Der Benutzer kann auch die Anzeige10 anpassen, um die Orientierung einer Vorrichtung zu steuern. Die Anzeige10 besteht wieder aus drei Drehindikatoren (RX, RY, RZ) und drei translatorischen Indikatoren oder Anzeigern (TX, TY, TZ). Jeder Indikator zeigt sowohl visuelle als auch quantitative Informationen über die Orientierung der Vorrichtung. Jeder Indikator zeigt auch eine vorbestimmte sichere Zone112 und ein anwendungsspezifisches Label für jeden Freiheitsgrad an. Wie angemerkt, kann es auch relevant sein, die Anzeige10 über anatomische Bilddaten aus der Bildgebungsvorrichtung16 zu legen. Wenn mit 3-D-Bilddatensätzen gearbeitet wird, kann die Anatomienormale zu der Spitze104 der positionierten Vorrichtung den Benutzer mit zusätzlichen Positionsinformationen versorgen. - Töne, Labels, Farben, Farbtöne, Überlagerung mit Bilddaten können alle modifiziert und in die Anzeige
10 einbezogen werden. Die aktuelle Anzeige10 wird auch als Kartesische Koordinaten-basierte Anzeige gezeigt, könnte aber wieder auf einer polarbasierten Anzeige oder sphärischbasierten Anzeige basieren, und ein schnelles Umschalten zwischen beiden kann bereitgestellt oder gleichzeitig angezeigt werden. Die Anzeige kann durch den Benutzer auch so konfiguriert werden, dass er Parameter, Lage, Größe, Farben, Labels, etc. verbergen kann. - Einige medizinische Anwendungen, die üblicherweise angezeigt und mit der Anzeige
10 verknüpft werden können, sind: 1) Aufreiben einer Hüftpfanne mit Schwerpunkt auf RY und RZ, 2) Beinlänge während Hüft- und Knieverfahren mit Schwerpunkt auf TZ und RZ, 3) Biopsien und Ablationen mit Schwerpunkt auf RX, RY und RZ zur Anweisung der Therapievorrichtung, und 4) Katheter mit Seitenöffnungen für Abtastinformationen oder Zuführung von Vorrichtungen, Therapien, Arzneimitteln, Stammzellen etc. mit Schwerpunkt auf Informationen mit sechs Freiheitsgraden. - Bezug nehmend jetzt auf die
4a –4e wird ein medizinisches Verfahren, das eine Ausrichtungsanzeige10 mit sechs Freiheitsgraden verwendet, ausführlicher gezeigt. In diesem Beispiel wird ein orthopädisches, medizinisches Verfahren, welches das Hüftgelenk ersetzt, gezeigt. Während dieses Verfahrens werden verschiedene Instrumente52 sowie die Implantate52 unter Benutzung der Anzeige10 mit sechs Freiheitsgraden verfolgt und ausgerichtet. Unter spezieller Bezugnahme auf4a wird ein Oberschenkelknochen160 mit einem Oberschenkelknochenkopf162 zusammen mit einem Becken164 mit einem Hüftpfanneknochen166 gezeigt. Angenommen, dass das durchgeführte medizinische Verfahren ein bildbasiertes System ist, wird dieser interessierende Bereich durch die Bildgebungsvorrichtung16 abgebildet. Der dynamische Referenzrahmen54 kann hier wieder am Oberschenkelknochen154 oder am Becken164 angebracht werden, oder zwei dynamische Rahmen54 , einer an jedem Knochen, können angebracht werden, um zusätzliche Genauigkeit während des medizinischen Verfahrens zu bieten. Bei aus dem Hüftpfannenknochen166 ausgerenktem Kopf162 wird ein Mittelpunkt der Gelenkverbindung des Hüftpfanneknochens166 als das Ziel168 identifiziert, das in6 gezeigt wird. - Diesbezüglich zeigt
6 die Anzeige10 , die als geteilter Bildschirm konfiguriert ist, wobei der rechte die Anzeige mit sechs Freiheitsgraden identifiziert und der linke das zuvor erfasste Bild zeigt, wobei der Mittelpunkt der Gelenkverbindung168 der Schnittpunkt der X-, Y- und Z-Achse ist. Wie in4a gezeigt, wird ein Aufreiber170 mit einem Trackingsensor58 beim Aufreiben des Hüftpfannenknochens166 gezeigt. Das Trackingsystem kann genau die Navigation der Spitze und des Endes des Aufreibers170 identifizieren. Wie in6 gezeigt, kann man in der rechten Hälfte des geteilten Bildschirms beobachten, dass die Spitze, die durch das Fadenkreuz172 dargestellt wird, richtig entlang der X- und der Y-Koordinate und innerhalb der entsprechenden sicheren Zonen112 positioniert ist, der hintere Abschnitt des Instruments170 , identifiziert durch den Kreis174 , ist jedoch winkelig von dem Ziel168 am Ursprung versetzt. Der Chirurg kann dann den hinteren Abschnitt174 des Instruments170 winkelig anpassen, bis der hintere Abschnitt174 in der Anzeige10 als über dem Fadenkreuz172 positioniert gezeigt wird, wodurch die richtige Ausrichtung der Aufreibvorrichtung170 für die nachfolgende richtige Platzierung des Hüftpfannenimplantats sichergestellt wird. Durch Verfolgen des Aufreibers170 kann der Chirurg relativ überzeugt sein, dass ein Hüftpfannenimplantat ordnungsgemäß positioniert ist, noch bevor das Implantat in den Hüftpfanneknochen166 eingeschlagen wird. - Unter Bezugnahme auf
4b wird gezeigt, wie eine Hüftpfanne178 in den aufgeriebenen Hüftpannenknochen166 über das verfolgte Führungswerkzeug180 mit einem Einschlaginstrument182 eingeschlagen wird. Das Führungswerkzeug180 hat ein distales Ende, das innerhalb der Hüftpfanne178 ineinander greifend aufgenommen wird. Durch Verfolgen des Instruments180 über den Trackingsensor58 kann folglich die Orientierung der Hüftpfanne178 auf der Anzeige10 in sechs Freiheitsgraden angezeigt werden. Bevor die Hüftpfanne178 in den Hüftpfannenknochen166 eingeschlagen wird, kann der Chirurg auf diese Weise auf der Anzeige10 sehen, ob die Hüftpfanne178 ordnungsgemäß mit der richtigen Winkelorientierung positioniert ist, wie in7 gezeigt, wobei das Einschlaginstrument180 so gezeigt wird, dass es über einem von der Bildgebungsvorrichtung16 generierten Bild in Überdeckung gebracht ist. Auf diese Weise wird die richtige Orientierung einschließlich Abduktion und Anteversion erreicht, bevor die Hüftpfanne178 dauerhaft implantiert wird. - Sobald die Hüftpfanne
178 eingeschlagen wurde, wird der Oberschenkelknochenkopf162 entlang einer Ebene184 durch Benutzung einer Schnittführung186 , die den Trackingsensor58 und ein Sägeblatt188 aufweist, reseziert. Unter Benutzung des Mittelpunktes des Oberschenkelknochenkopfes162 als zweitem Ziel kann die Schnittebene184 ordnungsgemäß definiert werden, um die richtige Gelenkverbindung mit der Hüftpfanne178 bereitzustellen, bevor ein Hüftschaft in den Oberschenkelknochen160 implantiert wird. Das zweite Ziel ist hier wieder abhängig vom ersten Ziel. Wenn die Hüftpfanne178 etwas versetzt von ihrem Ziel implantiert wurde, kann das zweite Ziel folglich durch die Benutzung der Anzeige10 ordnungsgemäß kompensiert werden, um diesem Versatz Rechnung zu tragen. Diesbezüglich kann eine zweite Anzeige, die das Ziel für die Schnittebene184 zeigt, bereitgestellt werden. - Sobald der Oberschenkelknochenkopf
162 des Oberschenkelknochens160 reseziert wurde, wie in4d gezeigt, wird ein Aufreiber190 verwendet, um den intramedullären Kanal192 des Oberschenkelknochens160 auszureiben. Um für die korrekte Winkelorientierung des Aufreibers190 sowie die Tiefe zu sorgen, kann auf der Anzeige10 ein nachfolgendes Ziel definiert und identifiziert werden und unter Benutzung des Trackingsensors58 verfolgt werden. Dieses Ziel kann separat oder in Kombination mit den zuvor erfassten Zielen angezeigt werden. Durch Sicherstellen, dass der richtige Winkel des Aufreibers190 in Bezug auf die Längsachse des Oberschenkelknochens160 auf der Anzeige10 verfolgt und angezeigt wird, kann dem Chirurgen ein höheres Maß an Überzeugung gegeben werden, dass der Hüftschaft ordnungsgemäß innerhalb des intramedullären Kanals192 positioniert wird. - Sobald der intramedulläre Kanal
192 durch den Aufreiber190 aufgerieben wurde, wird ein Hüftschaft194 mit einem Einschlaginstrument196 in den intramedullären Kanal192 eingeschlagen. Durch Zielen auf die Hüftpfannenlage zusammen mit der Resektionsebene184 und der Aufreibachse des Aufreibers190 beim Positionieren des Hüftschaftes194 innerhalb des Oberschenkelknochens160 , wird die richtige Gelenkverbindung und der richtige Bewegungsumfang zwischen der Hüftpfanne178 und dem Hüftschaft194 ohne zeitaufwendiges Versuchen, wie es in herkömmlichen orthopädischen Verfahren angewandt wird, erreicht. Durch Bereitstellen der sicheren Zonen112 in Bezug auf die Hüftschaft194 -Größe, wird folglich die korrekte Gelenkverbindung mit der Hüftpfanne178 erreicht. Obwohl ein Beispiel eines orthopädischen Hüftersatzes dargestellt wird, kann hier wieder die Anzeige10 mit sechs Freiheitsgraden bei irgendeiner Art von medizinischem Verfahren, welches die Visualisierung einer medizinischen Vorrichtung mit Informationen mit sechs Freiheitsgraden erforderlich macht, genutzt werden. - Die Anzeige
10 mit sechs Freiheitsgraden ermöglicht Implantaten, Vorrichtungen und Therapien, die eine bestimmte Orientierung in Bezug auf die Anatomie des Patienten14 haben, durch die Benutzung der Anzeige10 richtig positioniert zu werden. Wie angemerkt wurde, ist es schwierig, die korrekte Platzierung von Vorrichtungen zu visualisieren, die eine Ausrichtung mit fünf oder sechs Freiheitsgraden erforderlich machen. Die Orientierung von Mehrsegmentimplantaten, -vorrichtungen oder -therapien in fünf oder sechs Freiheitsgraden, so dass sie in der korrekten Orientierung zueinander platziert oder aktiviert werden, wird auch mit der Anzeige10 erreicht. Da die Lage und Orientierung voneinander abhängig sind, um wirksam zu sein, werden durch das Vorliegen der richtigen Orientierung die verbesserte Lebensdauer der Implantate, die richtigen Bewegungsgrade und das Patientenergebnis verbessert. Die Anzeige10 mit sechs Freiheitsgraden kann auch als ein Benutzereingabemechanismus durch Tastatur38 zum Steuern jedes Freiheitsgrades einer chirurgischen Robotervorrichtung benutzt werden. Diesbezüglich kann der Benutzer Steuergrößen mit dem Joystick, dem Berührungsbildschirm oder der Tastatur38 eingeben, um eine Robotervorrichtung zu steuern. Diese Vorrichtungen umfassen auch Bohrerführungshalter, Bohrerhalter, mechanisch angepasste oder Linienvorrichtungen wie etwa orthopädische Schneidblöcke, oder können verwendet werden, um die Ausrichtung des Bildgebungssystems16 oder irgendeiner anderen Art von Bildgebungssystem zu steuern und anzutreiben. - Da mehrere Implantate und Therapien oder Mehrsegment-/abteilimplantate mehrere Ausrichtungen erforderlich machen, kann die Anzeige
10 eine Stereoanzeige oder zwei Anzeigen10 umfassen. Diese Anzeigen können abhängig von dem jeweiligen Verfahren verknüpft sein oder nicht. Der/die Zielpunkt/-lage (Translation und Orientierung jeder Implantatkomponente) ist von der anderen Implantatplatzierung oder -lage abhängig). Daher muss die Anpassung oder dynamische Zielermittlung des abhängigen Implantats dem abhängigen Implantat eingegeben und visuell angezeigt werden. Das kann wieder durch zwei separate Anzeigen oder durch in Überdeckung bringen mehrerer Ziele auf einer einzigen Anzeige getan werden. Viele Implantate wie etwa Bandscheibenimplantate, kompletter Knie- und Hüftersatz reparieren die Anatomie des Patienten14 durch Ersetzen der Anatomie (Knochen etc.) und Wiederherstellen des Patienten14 auf die ursprüngliche Biomechanik, Größe und Kinematik. Der Nutzen der Ausrichtungsanzeige10 mit sechs Freiheitsgraden besteht darin, dass Originalpatientendaten, wie etwa Bilder, manuell oder kollektiv über die Bildgebungsvorrichtung16 oder ein bildloses System, welches zur Platzierung des Implantats benutzt wird, eingegeben werden können. Der Benutzer kann wieder manuell Daten über das Bildgebungssystem16 eingeben, Schablonen überlagern oder Daten sammeln. Ein hierin erörtertes Beispiel einer Anwendung ist die Ausrichtung eines Oberschenkelknochenhalses eines Hüftimplantats in der vorherigen Patientenausrichtung. Die vorherige Patientenausrichtung kann durch Versehen des Oberschenkelknochenkopfes des Patienten mit Landmarken, durch Benutzung von Biomechanik zum Bestimmen des Mittelpunkts und der Ausrichtung der aktuellen Linie und des aktuellen Winkels des Oberschenkelknochenkopfes erfasst werden. Diese Informationen können als Ziel auf der Anzeige10 benutzt werden, um das Implantat, das den Oberschenkelknochenkopf ersetzt, ordnungsgemäß auszurichten. - Die Anzeige
10 mit sechs Freiheitsgraden stellt Orientierungsführung auf einer einzigen Anzeige bereit. Auf der Anzeige10 werden auch separate visuelle und quantitative Angaben für jeden Freiheitsgrad angezeigt. Visuelle Darstellungen oder Anzeiger von verfahrensspezifischen akzeptierten Werten (d.h. eine "sichere Zone112 ") für jeden Freiheitsgrad werden auch deutlich auf der Anzeige10 angezeigt. Diese sicheren Zonen112 werden als Details oder Bereiche für den Benutzer angezeigt, um darin auszurichten oder zu platzieren. Die verfahrensspezifischen akzeptierten Werte für die sicheren Zonen112 können fertigungsbestimmt, benutzerbestimmt, patientenspezifisch (berechnet) oder aus Algorithmen (Finite-Elemente-Analyse, Kinematik etc., Atlas oder Tabellen) bestimmt sein. Es kann auch feststehend oder konfigurierbar sein. Sichere Zonen112 können auch als Bereiche um einen geplanten Trajektorieweg oder den spezifischen Trajektorieweg selbst (Bereich null) herum definiert werden. Die Trajektoriewege werden als durch den Benutzer ausgewählte Punkte oder Wege, die aus den Patientenbilddaten definiert wurden, (segmentierte vaskuläre Struktur, berechnete Mittelpunkte von Knochen/Gelenken, anatomischer Weg berechnet durch bekannte Rechenverfahren, etc.) eingegeben. - Unter Bezugnahme auf die
8a –8g wird jetzt ein weiteres medizinisches Verfahren, das die Ausrichtungsanzeige10 mit sechs Freiheitsgraden verwenden kann, zusammen mit9 , die die Verwendung der Anzeige10 während dieses medizinischen Verfahrens veranschaulicht, ausführlicher gezeigt. In diesem Beispiel wird ein medizinisches Wirbelsäulenverfahren, das eine zervikale Bandscheibe zwischen zwei Wirbeln implantiert, gezeigt. Während dieses Verfahrens werden verschiedene Instrumente52 sowie das Implantat52 unter Verwendung der Anzeige10 mit sechs Freiheitsgraden verfolgt und ausgerichtet. Die knochigen Strukturen werden während dieses Verfahrens auch verfolgt. - Speziell unter Bezugnahme auf
8a wird ein erster Wirbel oder Wirbelkörper200 gezeigt, der angrenzend an einen zweiten Wirbel oder Wirbelkörper202 im zervikalen Bereich der Wirbelsäule positioniert ist. Angenommen, dass das medizinische Verfahren in einem bildbasierten System durchgeführt wird, würde dieser interessierende Bereich durch die Bildgebungsvorrichtung16 abgebildet. Wieder kann ein dynamischer Referenzrahmen54 am ersten Wirbel200 angebracht werden und ein zweiter dynamischer Referenzrahmen54 kann am zweiten Wirbel202 angebracht werden. Diese dynamischen Referenzrahmen54 können auch mit den Trackingsensoren58 kombiniert werden, die angebracht an den Wirbelkörpern200 und202 gezeigt werden. Ein Mittelpunkt der Gelenkverbindung des Wirbels200 und ein Mittelpunkt der Gelenkverbindung eines Wirbels202 können als die Ziele168 auf der in9 dargestellten Doppelanzeige identifiziert werden. Auf diese Weise kann durch Nutzung des Mittelpunkts der Gelenkverbindung jedes Wirbelkörpers in Bezug aufeinander als Ziele168 , eine Verfolgung der während des Verfahrens verwendeten Instrumente52 sowie des Implantats52 in Bezug auf diese Mittelpunkte der Gelenkverbindung erreicht werden. Dieser Mittelpunkt der Gelenkverbindung oder augenblicklicher Drehungsmittelpunkt wird als das "X" entlang Achse Y identifiziert. Eine Ebene oder Achse X wird senkrecht zu der Längs- oder spinalen Achse Y gezeigt. Diese Achse ist dort, wo das Implantat sowie das Fräsen ausgeführt oder worum sie zentriert werden sollten. - Unter Bezugnahme auf
8b wird ein Nockendistraktorinstrument204 gezeigt, das den Wirbel200 in Bezug auf den Wirbel202 streckt. Der Nockendistraktor204 kann über einen anderen Trackingsensor58 , der am Nockendistraktor204 angebracht ist, verfolgt werden. Auf diese Weise kann die in9 gezeigte Anzeige10 mit sechs Freiheitsgraden eine Lage des Nockendistraktors204 in Bezug auf den Mittelpunkt jedes Wirbels200 und202 unabhängig auf der Anzeige zeigen. Da das Instrument204 starr ist, ist durch Anordnen des Trackingsensors58 auf dem Instrument204 das distale Ende des Instruments204 bekannt und kann unter Benutzung des Fadenkreuzes104 und des Kreises106 zur Darstellung von Spitze beziehungsweise Ende auf der Anzeige10 gezeigt werden. - Sobald jeder Wirbel
200 und202 durch den Nockendistraktor204 gestreckt wurde, wird ein Sagittalkeil206 , der auch einen Trackingsensor58 aufweist, benutzt und in8c gezeigt. Der Sagittalkeil206 wird benutzt, um jeden Wirbel200 und202 , entlang der Sagittalebene zu zentrieren und kann wieder auf der Anzeige10 mit sechs Freiheitsgraden verfolgt und angezeigt werden, wie in9 gezeigt wird. Diesbezüglich kann der Chirurg sowohl visuell als auch über die Anzeige10 bestätigen, dass der Sagittalkeil206 auf der Sagittalebene zwischen den Wirbeln200 und202 zentriert ist, und kann auch die richtige Tiefe über die Z-Achsen-Anzeige86 auf der Anzeige10 ermitteln, wie in9 gezeigt wird. - Sobald die Sagittalzentrierung mit dem Sagittalkeil
206 erreicht wurde, geht das medizinische Verfahren zum Fräsen über, wie in8d gezeigt. Diesbezüglich wird eine Fräse208 , der an einem Fräsenhandgriff210 angebracht ist, der auch einen Trackingsensor58 aufweist, benutzt, um einen Bereich zwischen dem ersten Wirbel200 und dem zweiten Wirbel202 zu fräsen. Hier kann wieder die Orientierung der Fräse208 in Bezug auf jeden Wirbel200 und202 auf der Anzeige10 mit Informationen mit sechs Freiheitsgraden angezeigt werden. Daher können das Fräsen entlang der richtigen X- und Y-Ebene sowie die richtige Tiefe visuell mit den geeigneten Anzeigern angezeigt werden, wie in9 gezeigt wird. Informationen bezüglich der Drehung um die entsprechenden X-, Y- und Z-Achsen werden auch angezeigt. Durch Fräsen innerhalb der sicheren Zonen112 unter Benutzung der Informationen, die das chirurgische Implantat52 als die sicheren Zonen112 betrachten, kann sich der Chirurg sicher sein, dass er das richtige Fräsen zwischen den Wirbeln200 und202 ausführt, um die richtig orientierte Passung für das chirurgische Implantat52 sicherzustellen. Durch Verfolgen der Fräse208 mit Informationen mit sechs Freiheitsgraden sind die Befestigungsanker212 für den Handgriff210 optional und können eventuell nicht erforderlich sein. Außerdem kann jede einzelne Anzeige in der Doppelanzeige10 , wie in9 gezeigt, auch ein Bild jedes Wirbels200 und202 in Bezug aufeinander auf der Anzeige in Überdeckung bringen, wobei ihr Koordinatensystem auf einen der Wirbel referenziert ist. Die resultierenden gefrästen Wirbel200 und202 werden in8e mit einem Ringabschnitt214 gezeigt, der gefräst wurde, um das Wirbelsäulenimplantat52 aufzunehmen. - Unter Bezugnahme auf die
8f und8g wird gezeigt, wie das Wirbelsäulenimplantat52 unter Benutzung eines Implantateinsetzers216 , der ebenfalls durch Trackingsensor58 verfolgt wird, zwischen den Wirbeln200 und202 implantiert wird. Das Wirbelsäulenimplantat52 kann irgendeine Art von zervikalem oder anderem Bandscheibenimplantat für irgendeinen Bereich der Wirbelsäule sein. Zum Beispiel kann das Wirbelsäulenimplantat das Wirbelsäulenimplantat sein, welches in US-Patent Nr. 5.674.296 mit dem Titel "Human Spinal Disc Prosthesis" (Bandscheibenprothese zur Anwendung beim Menschen), erteilt am 7. Oktober 1997, US-Patent Nr. 5.865.846 mit dem Titel "Human Spinal Disc Prosthesis" (Bandscheibenprothese zur Anwendung beim Menschen), erteilt am 2. Februar 1999, offenbart wird und auch als Bryan Cervical Disc System bekannt ist, das durch Medtronic Sofamor Danek aus Minneapolis, Minnesota, angeboten wird, oder das Prestige Cervical Disc System, das ebenfalls von Medtronic Sofamor Danek angeboten wird, oder irgendein anderes Bandscheibenimplantat sein. Durch Verfolgen des Implantateinsetzers216 in Bezug auf die Wirbel200 und202 kann die richtige Orientierung des Wirbelsäulenimplantats52 sowie die Drehungsorientierung um die Z-Achse deutlich auf der Anzeige10 mit sechs Freiheitsgraden, wie in9 gezeigt, angezeigt werden. Die Drehung um die Z-Achse wird angewandt, um sicherzustellen, dass die Flansche218 des Implantats52 entlang der Sagittalebene richtig orientiert und zentriert sind, wie in8g gezeigt wird. Durch Benutzung der Anzeige10 sind, wie in9 gezeigt, die Anker220 wieder optional, da die Orientierung des Implantats52 kontinuierlich verfolgt werden kann, wenn es zwischen die Wirbel200 und202 eingesetzt wird. Damit erübrigt sich hier wieder die Notwendigkeit der Bildung von Löchern in den Wirbeln200 und202 . Es sollte weiterhin beachtet werden, dass das in diesen Figuren gezeigte Implantat52 nur eine beispielhafte Art von Wirbelsäulenimplantat ist, und auch irgendwelche bekannten Wirbelsäulenimplantate in ähnlicher Weise verfolgt werden können. Zum Beispiel wird eine andere übliche Art von Wirbelsäulenimplantat aus einer zweiteiligen Einheit gebildet, die eine gelenkige Kugel- und Pfannenstruktur hat, die ebenso unabhängig verfolgt werden kann, um die richtige Passung und Anordnung sicherzustellen. - Auch hier unterstützt die Anzeige
10 mit sechs Freiheitsgraden, die als geteilte oder Doppelanzeige10 in9 dargestellt wird, einen Chirurgen beim Implantieren eines Wirbelsäulenimplantats52 , um die richtige Fixierung und Orientierung des Implantats52 in Bezug auf die zwei beweglichen Wirbel200 und202 zu erreichen. Durch unabhängiges Verfolgen jedes Wirbels200 und202 und Verfolgen seiner Resektion, wenn ein Wirbel infolge anatomischer Anomalien außerhalb der Ebene reseziert werden sollte, kann die Anpassung der Ebene am benachbarten Wirbel erreicht werden, um dennoch eine richtige Passung für das Wirbelsäulenimplantat52 bereitzustellen. Auf diese Weise kann jeder Wirbel200 und202 unabhängig überwacht werden, so dass, wenn sich einer außerhalb der Achse befindet, der andere entsprechend manipuliert werden kann, um dieser Anpassung Rechnung zu tragen. Außerdem wurde durch Überwachung des gesamten Verfahrens, das über Informationen mit sechs Freiheitsgraden verfügt, über die Anzeige10 weitere Genauigkeit erreicht, wodurch ein größerer Bewegungsumfang für den Patienten nach Implantation des Implantats52 bereitgestellt wird. - Durch Benutzung der Anzeige mit sechs Freiheitsgraden können für die verschiedenen Arten von medizinischen Verfahren verbesserte Ergebnisse erreicht werden, indem der Chirurg mit den notwendigen Informationen, die er benötigt, versorgt wird. Im Hinblick auf chirurgische Implantate kann der Bewegungsumfang vergrößert werden, während das Aufprallen von zweiteiligen gelenkigen oder fixierten Implantaten verringert wird. Das gestattet auch maximale Kraftübertragung zwischen dem Implantat und dem Körper. Bei Therapiezuführverfahren wird durch Kenntnis der Lage des Katheterzuführschlauchs und der Orientierung der spezifischen Öffnung ein genaues Zielen vor Ort möglich, um die maximale Zuführung der Therapie an der richtigen Stelle bereitzustellen. Dieses Verfahren verbessert auch und ermöglicht bessere Ergebnisse bei Verwendung eines Ablationskatheters wieder durch Kenntnis der Drehungsorientierung des Ablationskatheters und der Ablationselektrode in Bezug auf den Bereich in der Arterienwand, der der Ablation bedarf. Schließlich kann durch Kenntnis der Drehungsorientierung eines Ablations- oder Biopsiekatheters diese Art von Katheter auch leicht zu Tumoren, Stammzellen oder anderen gewünschten Stellen in leichter und effizienter Weise gelenkt und darauf ausgerichtet werden.
- Unter Bezugnahme auf
10 wird ein methodisches Verfahren230 zur postoperativen Anpassung oder Einstellung von Implantaten, wie etwa Wirbelsäulenimplantaten, gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung offenbart. Das methodische Verfahren230 umfasst auch das präoperative Planungs-, das Implantierungs- sowie das posteroperative Untersuchungsverfahren. Diesbezüglich beginnt das methodische Verfahren230 bei Block23 , wo die präoperative Planung des medizinischen Verfahrens beginnt. Die präoperative Planung geht von Block232 entweder zu Block234 über, wenn eine bildbasierte präoperative Planung durchgeführt wird, oder zu Block236 , wenn sowohl ein präoperativer Bild- als auch Abtastplan realisiert wird. Wenn ein bildbasierter präoperativer Plan realisiert wird, geht das methodische Verfahren zu Block238 weiter, wo präoperative Bilddaten erfasst werden. Die präoperativen Bilder können aus einem vierdimensionalen CT-Scan festgehalten werden, der das Festhalten von Bildern über einen spezifischen Zeitrahmen bereitstellt. Diesbezüglich kann der Patient/die Patientin, wenn die präoperative Planung zur Implantation einer zervikalen Bandscheibe erfolgt, gebeten werden, seinen oder ihren Hals auf verschiedene Weise zu bewegen, um Bilddaten im Zeitverlauf festzuhalten. Alternativ kann irgendeine andere Art von Bildgebungsvorrichtung16 verwendet werden, um entweder einfach statische Bilddaten oder Bilddaten im Zeitverlauf zu sammeln. Die festgehaltenen Bilddaten können auch im Zusammenhang mit dem elektromagnetischen Trackingsystem44 , wie hierin erörtert, benutzt werden. Ein weiteres Beispiel der präoperativen Planung, das ein Trackingsystem benutzt, wird in US-Patent Nr. 6.470.207 mit dem Titel "Navigation Guidance Via Computer-Assisted Fluoroscopic Imaging" (Navigationsführung durch computergestützte fluoroskopische Bildgebung), erteilt am 22. Oktober 2002, offenbart. Andere Arten der präoperativen Planung, die ein Trackingsystem benutzen, können auch verwendet werden. Diese Bilddaten werden dann beim Analysedatenblock240 analysiert, wie hierin weiter erörtert wird. - Sollte die präoperative Planung zu Block
236 weitergehen, der die bild- und abtastbasierte präoperative Planung verwendet, wird dieses Verfahren bei Block242 Bilddaten festhalten und Parameter abtasten. Diesbezüglich können die festgehaltenen Bilddaten dieselben Bilddaten sein, die bei Block238 festgehalten werden. Zusätzlich zu den festgehaltenen Bilddaten können verschiedene Parameter in dem interessierenden Bereich auch während des präoperativen Planungsstadiums abgetastet werden. Diesbezüglich können Sonden oder Sensoren im interessierten Bereich platziert werden, um die Parameter wie etwa Temperatur, Druck, Dehnung und Kraftbewegungen abzutasten. In einem zervikalen Bandscheibenimplantat können zum Beispiel Sensoren zwischen benachbarten interessierenden Wirbeln positioniert werden, um die Temperatur in bestimmten Bereichen zu messen, die Reibung oder Aufprall angeben kann. Ebenso können Dehnungsmesser zum Messen von Kräften positioniert werden, um Bereiche mit inakzeptabel hohen Kräften zwischen den Wirbeln zu identifizieren. Diese Daten werden dann wieder bei Block240 analysiert. - Bei Block
240 werden die Daten aus entweder der bildbasierten oder der bild-abtastbasierten präoperativen Planung analysiert. Sollten die Daten nur Bilddaten aus Block238 umfassen, können diese Bilddaten benutzt werden, um interessierende Bereiche, die Patientengröße zu identifizieren, und können benutzt werden, um die Vorbereitung des chirurgischen Plans zu unterstützen. Durch Betrachten dieser Daten, wie etwa 4D-Daten, die im wesentlichen 3D-Daten im Zeitverlauf oder statische Bilddaten sind, können bestimmte anormale oder irreguläre Bewegungen im interessierenden Bereich identifiziert werden. Diese Bereiche können durch Sichtuntersuchung, durch Durchführung einer Finite-Elemente-Analyse oder anderer bekannter Bewegungsanalysen identifiziert werden, um ein 3D-Modell des festgehaltenen Bildes zu erstellen. Die Finite-Elemente-Analyse kann die Berechnung des momentanen Drehungsmittelpunkts "x" umfassen oder diese Bestimmung aus den Bilddaten selbst vornehmen. Die Gesamtform der Wirbelsäule kann auch über die Bilddaten identifiziert werden, um verschiedene Kraftvektoren auf den interessierenden Bandscheiben durch Analysieren der gesamten Wirbelsäule, der Krümmung der Wirbelsäule und des Gelenkverbindungsbereichs des Winkels der Wirbelsäule in Bezug auf den Boden zu identifizieren und zu bestimmen. Diese Informationen können benutzt werden, um Kraftvektoren und Belastung auf den verschiedenen Bereichen der interessierenden Wirbel festzustellen. Sollten auch die abgetasteten Parameter benutzt werden oder alternativ ausschließlich benutzt werden, werden diese Sensorerfassungswerte, die statisch oder aktiv, während der Patient in Bewegung ist, gemessen werden können, verwendet werden, um wieder interessierende Punkte oder potentiell anormale Aktivitäten durch Abtasten von Parametern, wie etwa Temperatur, Druck, Spannung und Dehnung im interessierenden Bereich zu identifizieren. - Sobald die Daten bei Block
240 analysiert wurden, geht das methodische Verfahren weiter zu Block243 , wo das Implantat und die Art des Verfahrens ausgewählt werden. Das Implantat wird basierend auf den verschiedenen, identifizierten Anormalitäten ausgewählt, um den Chirurgen in die Lage zu versetzen, die bemerkten Anormalitäten zu beheben. Das Implantat wird basierend auf verschiedenen Parametern, wie etwa Materialauswahl, Leistungskennwerte, Steifigkeit, Ausführung oder Implantatart und Größe, ausgewählt. Sobald die Art des Implantats ausgewählt wurde, kann auch die Größenfestlegung des Implantats präoperativ durchgeführt werden, basierend auf den Daten, die bei Block240 erfasst und analysiert wurden. Die Größenfestlegung kann unter Benutzung bekannter Größenfestlegungsschablonen durchgeführt werden, die dem Chirurgen visuelle Mittel zum Korrelieren der Größe des Implantats zum interessierenden Bereich bereitstellen. Alternativ können in der Software automatisierte Schablonen verschiedener Größe auch innerhalb der Workstation36 abgelegt und gespeichert werden und im interessierenden Bereich in Überdeckung gebracht werden, um eine visuelle Angabe des zu wählenden Implantats, dessen Größe festgelegt wurde, bereitzustellen. Zusätzlich zur Auswahl der Art und Größe des Implantats kann die Art des Verfahrens zum Positionieren des Implantats präoperativ festgelegt werden. - Sobald die Größe und Art des Implantats ausgewählt wurde, sowie die Art des Verfahrens, geht das Verfahren weiter zu Block
244 . Bei Block244 wird das ausgewählte Implantat im Allgemeinen unter chirurgischer Führung im interessierenden Bereich implantiert. Zum Beispiel kann ein zervikales Bandscheibenimplantat, wie in den8a –8g gezeigt, implantiert werden. Es kann jedoch auch irgendeine andere Art von Implantationsverfahren durchgeführt werden, um das ausgewählte Implantat zu platzieren, was auch ein nicht chirurgisch geführtes Verfahren umfassen kann. Weitere beispielhafte Arten von chirurgisch geführten Verfahren werden im US-Patent Nr. 6.470.207 mit dem Titel "Navigation Guidance Via Computer-Assisted Fluoroscopic Imaging" (Navigationsführung durch computergestützte fluoroskopische Bildgebung), erteilt am 22. Oktober 2002; US-Patent Nr. 6.434.415 mit dem Titel "System for Use in Displaying Images Of A Body Part" (System zur Verwendung bei der Anzeige von Bildern eines Körperteils), erteilt am 13. August 2002; und US-Patent Nr. 5.592.939 mit dem Titel "Method and System for Navigating a Catheter Probe" (Verfahren und System zum Navigieren einer Kathetersonde), erteilt am 14. Januar 1997, dargelegt. - Nach der Implantation gibt es einen Genesungszeitraum, der beispielhaft durch Block
246 dargestellt wird. Der Genesungszeitraum wird abhängig von der Art des Verfahrens, der Art des Implantats, der Krankengeschichte und dem Alter des Patienten und anderen Variablen unterschiedlich sein. Während dieses Zeitraums kann auch der Anormalitätsbereich, der das Implantat umgibt, heilen und genesen. Wenn zum Beispiel eine zervikale Bandscheibe implantiert wurde, kann jetzt die, diesen Bereich umgebende Muskelstruktur, die zuvor aufgrund der Anormalität überkompensierend gewesen sein kann, wieder in ihren normalen Zustand zurückgekehrt sein. Diese Veränderungen der umgebenden Struktur können die Art und Weise, in der das Implantat innerhalb des Patienten positioniert wurde, oder die Leistungskennwerte des Implantats beeinflussen. Wenn das Implantat basierend auf anormaler umgebender Struktur positioniert wurde, kann diesbezüglich das Implantat nachher nicht wie angenommen den vollen Bewegungsumfang bereitstellen, was möglicherweise dazu führen kann, dass weitere chirurgische Eingriffe erforderlich werden. Alternativ können sich die anfänglich ausgewählten Leistungskennwerte des Implantats infolge der nachfolgenden Heilung oder anderer Vorgänge geändert haben, wodurch die anfänglichen Leistungskennwerte für den aktuellen Zustand des Patienten ungeeignet wurden. Diese Leistungskennwerte können irgendeine Art von Kennwerten bezüglich des Implantats sein, einschließlich Steifigkeit, Betätigung, Belastung, Bewegungsumfang etc. Wenn das Implantat ein anpassbares oder einstellbares Implantat ist, können Korrekturen vorgenommen werden, um durch den Chirurgen beobachtete nachfolgende Anomalien zu kompensieren. Die Anomalien können wieder aus der Heilung von umgebendem Gewebe, nicht korrekter anfänglicher Platzierung, Änderungen der Leistungskennwerte oder anderen Ursachen resultieren. Es sollte auch hervorgehoben werden, dass, wenn sich unerwünschte Leistungskennwerte nach der Heilung ergeben, das umgebende Gewebe und die umgebenden Scheiben auch beschädigt werden oder sich verschlechtern können, wodurch die Genesungszeit verlängert wird und möglicherweise zusätzliche Implantate erforderlich werden. Aus diesem Grund ist das Bereitstellen der richtigen Leistungskennwerte nach der Heilung so kritisch. - Nach Heilung des Patienten für einige Zeit wird eine postoperative Untersuchung durchgeführt, die bei Block
248 beispielhaft dargestellt wird. Diese postoperative Untersuchung kann auf verschiedene Weise durchgeführt werden, abhängig von der Art des Implantats, der Art des Sensors und der Steuergrößen, die bei dem Implantat verfügbar sind, sowie den Arten der Anpassung, die bei dem Implantat verfügbar sind. Einige Implantate können Anpassungsressourcen haben, die minimal invasive perkutane Verfahren erforderlich machen, während andere Implantate telemetrisch oder adaptiv angepasst werden können, wie hierin weiter erörtert werden wird. Die präoperative Untersuchung kann auch unter Benutzung verschiedener Arten von Ausrüstung durchgeführt werden, wieder abhängig von den Ressourcen der implantierten Vorrichtung, die hierin weiter erörtert werden. - Die präoperative Untersuchung umfasst eine Bewegungsanalysestudie, die durch Block
250 dargestellt wird. Diese Bewegungsanalysestudie umfasst im Allgemeinen die Gelenkbewegung im interessierenden Bereich, um Bewegungsumfang, Kraft etc. zu bestimmen. Während dieser Bewegungsanalysestudie wird der Patient14 typischerweise verschiedenen Bewegungstest unterworfen. Diese Tests können verschiedene Körperübungen, Laufbandleistung, Gewichtheben, Ganganalyse etc. umfassen. Die Bewegungsanalyse250 kann unter Benutzung eines bildbasierten Verfahrens, das bei Block252 dargestellt wird, eines sensorbasierten Verfahrens, das bei Block254 dargestellt wird, oder eines bild- und sensorbasierten Verfahrens, das bei Block256 dargestellt wird, durchgeführt und untersucht werden. Es sollte auch hervorgehoben werden, dass obwohl Block250 mit Bewegungsanalyse beschriftet ist, die Analyse über statische bildbasierte Verfahren oder statische sensorbasierte Verfahren durchgeführt werden kann, die in der Bewegungsanalysestudie250 enthalten sind und betrachtet werden. Statt den Patienten verschiedenen Bewegungstests zu unterwerfen, können diesbezüglich die statischen Bilddaten oder abgetasteten Daten über den bildbasierten Block252 oder den sensorbasierten Block254 gewonnen und überprüft werden, um zu ermitteln, ob die Leistungskennwerte sich verändert haben. Diese statischen Studien würden einfach die richtige Platzierung, Aufprall etc. in den interessierenden Bereichen zu betrachten, um für die nachfolgende postoperative Einstellung, die hierin weiter erörtert wird, verwendet zu werden. - Das bildbasierte Verfahren kann entweder durch Verwendung eines Lokalisierungs- oder Navigations-/Trackingsystems oder durch Festhalten von Bilddaten wie etwa 3D- oder 4D-Bilddaten, durch eine Bildgebungsvorrichtung wie etwa eine 4D-CT-Bildgebungsvorrichtung durchgeführt werden. Sollte die Bewegungsanalysestudie unter Benutzung von Lokalisierungs- oder Navigationstechnik durchgeführt werden, erfolgen das Festhalten von Bilddaten und Registrieren wie hierin offenbart. US-Patent Nr. 6.434.415 mit dem Titel "System for Use in Displaying Images Of A Body Part" (System zur Verwendung bei der Anzeige von Bildern eines Körperteils), erteilt am 13. August 2002, offenbart auch präoperative Planung unter Verwendung von Navigationstechnik. Im Allgemeinen können zuvor erfasste Bilddaten zum Beispiel in der zervikalen Wirbelsäulenregion gewonnen werden. Bevor diese Bilddaten gewonnen werden, können an jedem interessierenden Wirbel Bezugsmarker und Lokalisierungssensoren angebracht werden. Sobald die Bilddaten mit diesen an Ort und Stelle platzierten Sensoren festgehalten wurden, kann der Patient
14 auf einem Laufband positioniert werden, wobei sich das Trackingsystem44 in der Nähe befindet, um die Bewegung jedes Wirbels zu verfolgen. Diese Bewegung kann auch eine Ganganalysestudie der Bewegung des Patienten einschließen. Bevor die Bewegungsanalyse beginnt, wird der Bewegungsraum des Patienten14 auf den zuvor erfassten Bildern registriert. Sobald der Patient14 mit der Bewegung oder Fortbewegung für die Bewegungsanalyse250 beginnt, kann das Tracking der sich bewegenden Wirbel festgehalten und auf einer Anzeige, wie etwa der Anzeige10 oder einer anderen Anzeige, gezeigt werden. - Wenn keine Lokalisierungs- oder Navigationstechnik angewandt wird, können die Bilddaten einfach im Zeitverlauf während der Bewegungsanalyse
250 festgehalten werden, zum Beispiel durch die Anwendung eines vierdimensionalen CT-Scans. Mit diesen festgehaltenen Bilddaten kann jeder einzelne Wirbel unter Verwendung bekannter Segmentierungsalgorithmen heraussegmentiert werden. Diese Arten von Algorithmen umfassen im allgemeinen Schwellenwertbildung oder Schablonen, die jeden Wirbel im Scan heraussegmentieren werden. Sobald jeder einzelne Wirbel heraussegmentiert wurde, kann eine Finite-Elemente-Analyse unter Verwendung bekannter Finite-Elemente-Analyse durchgeführt werden. Die Finite-Elemente-Analyse kann auch angewandt werden, um den momentanen Drehungsmittelpunkt "x" zu berechnen. Die während der Bewegungsanalyse250 gesammelten Informationen werden verwendet, um die notwendige Anpassung des Implantats bei Block258 zu bestimmen. Diese Informationen können die Visualisierung von aufgeprallten Bereichen rund um das Implantat, Versetzung etc. umfassen. - Sollte die Bewegungsanalyse sensorbasiert sein, wie bei Block
254 gezeigt, werden die Sensorerfassungswerte verschiedener Parameter verwendet, um zu bestimmen, ob es irgendeine erforderlich Anpassung bei Block258 gibt. Die sensorbasierte Herangehensweise kann entweder Erfassungswerte aus Sensoren aufnehmen, die innerhalb des Implantats angeordnet sind, oder aus Sensoren, die während dieser Analyse am Patienten angebracht sind. Die Sensoren können Temperaturerfassungswerte, die mögliche Reibung und höhere Kräfte angeben, Dehnungs- oder Spannungserfassungswerte sowie Belastungserfassungswerte oder irgendwelche anderen Parametererfassungswerte aufnehmen. Diese Informationen werden wieder bei Block258 verwendet, um die notwendige Anpassung an das Implantat zu bestimmen. - Bei Block
256 kann sowohl eine bild- als auch eine sensorbasierte Bewegungsanalyse durchgeführt werden. Diese Analyse kombiniert im Wesentlichen die Bilddaten bei Block252 und die Sensordaten bei Block254 , um die postoperative Analyse des Patienten durchzuführen. Diese Informationen werden wieder bei Block258 verwendet, um notwendige Anpassungen des Implantats zu bestimmen. Bei Benutzung sowohl der bild- als auch der sensorbasierten Bewegungsanalyse können die abgetasteten Parameter zeitlich mit den Bilddaten synchronisiert werden, um Informationen darüber bereitzustellen, wann die abgetasteten Parameter in Bezug auf die Zeit und das Bild festgehalten wurden. - Bei Block
258 werden die während der Bewegungsanalyse250 festgehaltenen Daten untersucht, um zu bestimmen, ob Anpassungen in Bezug auf das Implantat erforderlich sind. Wenn zum Beispiel eine zervikale Bandscheibe implantiert wurde, die Heilung des Patienten und die nachfolgende Wirbelsäulenangleichung erfolgte, kann der Bewegungsumfang gefährdet sein. Um den richtigen Bewegungsumfang bereitzustellen, kann das postoperative Einstellen des Implantats erforderlich sein, basierend auf der Bewegungsanalysenstudie250 . - Das postoperative Einstellen des Implantats kann auch erforderlich sein, wenn die Leistungskennwerte des Implantats sich verändert haben. Leistungskennwerte können basierend auf verschiedenen Kriterien ausgewählt werden, wie etwa wenn der Patient in einem relativ statischen Zustand ist, macht das bestimmte Leistungskennwerte erforderlich, anders als wenn der Patient in einem energischen, aktiven Zustand ist, wo die Leistungskennwerte geändert werden müssen. Zum Beispiel braucht das Wirbelsäulenimplantat unter relativ statischen Bedingungen eventuell keine wesentliche Steifigkeit, während das Wirbelsäulenimplantat unter sehr aktiven Bedingungen eine steifere Polsterung benötigen kann. Der Leistungskennwert kann ausgewählt worden sein, als der Patient behindert war, so dass der Leistungskennwert eventuell entsprechend angepasst werden muss, sobald die Heilung des Patienten erfolgt. Diese Anpassung kann unter Verwendung eines minimal invasiven Anpassungsverfahrens bei Block
260 oder eines telemetrischen Anpassungsverfahrens bei Block262 durchgeführt werden. - In der minimal invasiven Anpassung bei Block
260 kann die perkutane Anpassung des Implantats durch Betätigen verschiedener Anpassungsmechanismen innerhalb des Implantats durchgeführt werden, die hierin weiter erörtert werden. Zum Beispiel können Anpassungsschrauben an Scharnierpunkten innerhalb des Implantats positioniert werden und durch einen Treiber in einem minimal invasiven Anpassungsverfahren in Eingriff gebracht werden, um die richtige Anpassung bereitzustellen, wodurch der richtige Bewegungsumfang über das Anpassen der anlenkenden Oberflächen des Implantats wiedererlangt wird. Anpassung der Leistungskennwerte, wie etwa Steifigkeit, kann auch durchgeführt werden, wie hierin weiter erörtert wird. - Sollte ein telemetrisches Anpassungsverfahren bei Block
262 durchgeführt werden, würde eine nicht chirurgische Anpassung durchgeführt. Diesbezüglich kann das Implantat unter Verwendung drahtloser Systeme telemetrischer Art, wie etwa jenem, das im US-Patent Nr. 6.474.341 mit dem Titel "Surgical Communication Power System" (Chirurgisches Kommunikationsleistungssystem), erteilt am 5. November 2002, oder anderer bekannter drahtloser telemetrischer Systeme telemetrisch angetrieben werden. Das telemetrische System kann ein HF-basiertes oder elektromagnetisch-basiertes telemetrisches System sein, wie es im Fachgebiet bekannt ist. Das Implantat kann eine passive oder aktive batteriegespeiste Vorrichtung sein, die Motoren, Pumpen oder andere Vorrichtungen umfasst, die zum Anpassen des Implantats benutzt werden, wie hierin weiter erörtert werden wird. - Sobald die Anpassungen durchgeführt wurden, geht das Verfahren weiter zu Block
264 , wo die Anpassung bestätigt wird. Wenn die Anpassung richtig ist, endet das Verfahren bei Block266 . Wenn nicht, werden weitere Anpassungen durchgeführt. Dieses präoperative und postoperative Verfahren stellt bessere anfängliche Implantationsgenauigkeit und Implantatauswahl bereit, sowie die Möglichkeit zum postoperativen Einstellen oder Anpassen des Implantats. Das postoperative Einstellen ermöglicht das Anpassen von anlenkenden Oberflächen, Hilfsmitteln oder anderen Parametern innerhalb des Implantats postoperativ, ohne dass ein chirurgischer Wiederholungseingriff erforderlich wird. - Bezug nehmend auf die
11 und12 wird eine Instrumentbaugruppe dargestellt, die eine Montageplattform268 und eine Anbringungslehre270 zur Benutzung in einem chirurgischen navigierten Wirbelsäulenverfahren umfasst. Die Montageplattform268 ist perkutan an einer Reihe von Wirbeln272 über mehrere K-Drähte274 angebracht. Diesbezüglich wird die Montageplattform268 außerhalb des Körpers des Patienten und über den interessierenden Wirbeln272 positioniert. Die Größe der Montageplattform268 kann so bemessen werden, dass sie irgendeine Anzahl von Wirbeln272 überspannt. In diesem Beispiel werden vier Wirbel272 mit der Montageplattform268 überspannt, wobei der erste und der vierte Wirbel über K-Drähte274 an der Montageplattform befestigt sind. Die Montageplattform268 ist so ausgelegt, dass sie die überspannten oder erfassten Wirbel272 während des Bandscheibenimplantationsverfahrens in einer relativ fixierten oder starren Weise hält. Während der erste und der letzte Wirbel über die K-Drähte erfasst werden, werden die dazwischen liegenden Wirbel272 im Allgemeinen in einer im Wesentlichen fixierten Weise gehalten. Beim Entfernen von Knorpel und anderem dazwischen liegenden Material zwischen benachbarten Wirbeln können zusätzliche K-Drähte erforderlich sein, damit die dazwischen liegenden Wirbel272 die starre Struktur beibehalten. - Die Montageplattform
268 umfasst im Allgemeinen einen rechteckig geformten Balken276 und ein Paar äußere Anbringungselemente278 . Der rechteckige Balken276 definiert eine Vielzahl von Zapfenlöchern280 , die benutzt werden, um die Lehre270 anpassbar und abnehmbar entlang dem Element276 zu halten. Der rechteckige Balken276 definiert auch Zugangs- und Sichtlöcher oder Öffnungen282 , die den Zugang von oben und das Betrachten der betreffenden Wirbel ermöglichen. Diese Zugangsfenster282 können auch verwendet werden, um während des medizinischen Verfahrens chirurgische Instrumente aufzunehmen oder durchzulassen. Jedes Anbringungselement276 definiert K-Draht-Löcher284 , die die K-Drähte274 verschiebbar aufnehmen, um die Montageplattform268 in Bezug auf die Wirbel272 zu halten und zu befestigen. - Eine beispielhafte Positionierungslehre
270 wird ausführlicher in12 gezeigt und ist so betreibbar, dass sie abnehmbar an der Montageplattform268 angebracht werden kann, wie in11 gezeigt wird. Diesbezüglich umfasst die Lehre270 den Anbringungszapfen286 , der verschiebbar innerhalb der Löcher280 aufgenommen wird. Angrenzend an den Zapfen286 ist ein Paar Schultern288 positioniert, die sich auf beiden Seiten des rechteckigen Balkens276 erstrecken, wenn der Zapfen286 innerhalb des Loches280 aufgenommen wird. Die Lehre270 kann entlang irgendeines Teils des rechteckigen Balkens276 positioniert werden, indem einfach der Zapfen286 in eines der ausgewählten Löcher280 verschiebbar eingesetzt wird. Alternativ kann irgendeine Art von Anbringungsmechanismus zum Anbringen der Lehre270 an der Montageplattform268 benutzt werden. Sobald der Zapfen286 in einem der ausgewählten Löcher280 positioniert wurde, ist die Lehre270 im Wesentlichen zwischen einem Paar von Wirbeln272 in denen das chirurgische Verfahren durchgeführt wird, positioniert. Die Lehre270 umfasst darüber hinaus eine Arbeitsplattform290 , die einen Durchgang292 definiert und einen Befestigungsmechanismus295 umfasst. Die Arbeitsplattform290 ist in einem Winkel in Bezug zu der Montageplattform268 positioniert, um Zugang zum Zwischenwirbelkörper bereitzustellen. Der Winkel296 , der mit der Lehre270 gezeigt wird, stellt eine 45°-Arbeitsplattform290 bereit. Es sollte auch hervorgehoben werden, dass mehrere Lehren270 bereitgestellt werden können, wobei die Arbeitsplattform290 in verschiedenen Winkeln positioniert ist, oder die Lehre270 kann anpassbar sein, um den Winkel über ein Scharnier oder einen Anpassungsmechanismus zwischen der Arbeitsplattform und dem Körper der Lehre270 zu variieren. - Die Arbeitsplattform
290 ermöglicht, dass verschiedene Instrumente an der Arbeitsplattform über den Anbringungsmechanismus294 , der eine Schraubanbringung, Schnellverriegelungsanbringung, Schnappanbringung oder irgendeine andere Art von Anbringungsmechanismus sein kann, angebracht werden können. In einer Ausführungsform kann ein Roboter298 an der Arbeitsplattform290 angebracht werden. Dieser Roboter298 kann ferngesteuert werden und kann verwendet werden, um Fräs-, Bohr-, Resektions- oder andere Instrumente300 durch den Durchgang292 anzutreiben. Der Roboter298 kann entweder den Motor für das Instrument300 betätigen oder kann einfach ein anpassbares Führungsrohr bereitstellen und als dieses fungieren, das direkt oder ferngesteuert werden kann. Irgendeine Art von bekanntem robotergesteuerten Instrument kann genutzt werden. Alternativ kann die Lehre270 ein manuell anpassbares Führungsrohr halten, das verschiedene Instrumente aufnimmt, die während des Verfahrens zu benutzen sind. Das anpassbare Führungsrohr kann auch in eine gewünschte Position verriegelbar sein, um ein starres Führungsrohr bereitzustellen. Noch darüber hinaus kann die Lehre270 einfach verwendet werden, um verschiedene Instrumente zwischen den Wirbelkörpern272 durchzulassen und zu führen. Diesbezüglich können die Instrumente wie sie in den8a –8g gezeigt werden, in Übereinstimmung mit der Lehre270 oder anderen Lehren verwendet werden, die verschiedene Arten von Zugangsöffnungen292 bereitstellen. Diese Zugangsöffnungen können kreisförmige, schlitzförmige oder irgendwelche anders geformten Öffnungen sein, die den Zugang zwischen den Wirbelkörpern272 ermöglichen. - Im Allgemeinen wird die Montageplattform
268 keine Lokalisierungssensoren58 oder Bezugsmarker60 aufweisen. Die Lokalisierungssensoren58 werden im Allgemeinen in Bezug zu der Lehre270 positioniert. Die Lokalisierungssensoren58 können auf dem Führungsrohr und auf dem chirurgischen Instrument positioniert werden, um Orientierung beziehungsweise Tiefe des chirurgischen Instruments300 zu bestimmen. Der Lokalisierungssensor58 kann auch auf der robotergesteuerten Vorrichtung298 positioniert werden, um sowohl Orientierung als auch Tiefe des Instruments300 zu bestimmen. Die Montageplattform268 kann, wenn gewünscht, auch Lokalisierungssensoren58 aufweisen, die benutzt werden, um weitere Lokalisierung der Wirbel272 bereitzustellen. Es sollte weiter hervorgehoben werden, dass der dynamische Referenzrahmen54 an der Montageplattform268 angebracht oder in sie integriert werden kann, um höhere Genauigkeit während des Implantationsverfahrens bereitzustellen. Da jede Bewegung der Montageplattform268 über einen integrierten dynamischen Referenzrahmen54 identifiziert werden würde, wird diesbezüglich diese Bewegung im Wesentlichen angrenzend an den interessierenden Bereich und den Bereich, an dem operiert wird, positioniert, wodurch verbesserte Registrierung und Verfolgung der Instrumente während des Verfahrens bereitgestellt werden. - Durch Bereitstellen der Montageplattform
268 , die mehrere Wirbel überspannt, kann eine Implantation von mehreren Segmenten in einer minimal invasiven und chirurgischen, navigierten Weise zwischen den mehreren Wirbeln272 durchgeführt werden. Zum Beispiel können, wie gezeigt wird, drei separate zervikale Bandscheiben zwischen den vier Wirbeln272 positioniert werden, ohne dass das Entfernen oder Austauschen von mehreren Lehren erforderlich wird, wie es typischerweise notwendig wäre. Durch Bereitstellen einer Montageplattform268 , die Lehren verschiedener Größe aufnehmen kann und zwischen verschiedenen Wirbeln272 positioniert werden kann, kann eine präzisere und genauere Implantation in einer minimaler invasiven und wirksameren Weise erreicht werden. - Ein kugel- und pfannenartiges zervikales Bandscheibenimplantat
302 , das perkutane Anpassung vorsieht, wird in13 gezeigt. Das zervikale Bandscheibenimplantat302 basiert auf dem Prestige Cervical Disc System, das von Medtronic Sofamor Danek aus Minneapolis, Minnesota, bereitgestellt wird, umfasst aber eine Einstell- oder Anpassungsfähigkeit. Es sollte auch hervorgehoben werden, dass obwohl hierin ein zervikales Bandscheibenimplantat offenbart wird, die vorliegende Erfindung nicht ausschließlich auf zervikale Bandscheibenimplantate beschränkt ist, sondern auch thorakale und lumbale Wirbelsäulenimplantate umfassen kann sowie irgendeine andere Art orthopädisches Implantat, das eine postoperative Einstellung erforderlich machen kann. Die zervikale Bandscheibe302 weist zwei anlenkende Elemente auf, die ein Pfannenelement304 und ein Kugelelement306 umfassen. Das Pfannenelement304 umfasst einen Montageflansch308 , der im Allgemeinen zwei Montagelöcher310 zum Aufnehmen von Knochenschrauben312 definiert. Das Pfannenelement304 definiert auch die anlenkende Pfanne314 und wird im Allgemeinen in einem Winkel in Bezug auf den Flansch308 platziert. Ein Anpassungs- oder Scharnierbereich316 , der einen Anpassungsschlitz318 definiert, ist an der Verbindung zwischen dem Flansch308 und der Pfanne314 angeordnet. Eine Anpassungsschraube320 ist innerhalb des Anpassungsschlitzes318 angeordnet. Beim perkutanen In-Eingriff-Bringen eines Kopfes321 der Anpassungsschraube320 über ein bekanntes Treibinstrument kann der Winkel324 zwischen dem Flansch und der Pfanne314 über einen Keilabschnitt322 in einer minimal invasiven Weise angepasst werden. Der Kopf321 kann einen Sechskant-, einen Kreuzschlitz-, einen Schlitz- oder irgendeine andere Art von in Eingriff zu bringenden Treibmechanismus umfassen, der durch irgendeine Art von Instrument in Eingriff gebracht werden kann. Außerdem kann die Anpassungsschraube320 umgekehrt werden, so dass der Kopf321 entgegengesetzt, in 90° oder einer anderen Orientierung als der gezeigten angeordnet ist, um einen anderen Zugangspunkt für den Kopf321 bereitzustellen. - Das Kugelelement
306 umfasst auch einen Flansch326 , der Schraublöcher328 definiert, um Knochenschrauben312 aufzunehmen. Das Kugelelement306 umfasst auch eine anlenkende Kugel oder kugelförmige Oberfläche330 , die mit der Pfanne314 gelenkig verbunden ist. Der Flansch306 umfasst auch einen Anpassungs- oder Einstellabschnitt332 , der einen Schlitz334 zum Aufnehmen einer weiteren Stellschraube320 , die einen Kopf322 hat, definiert. Bei Anpassung der Stellschraube320 wird wieder der Winkel336 zwischen dem Flansch326 und der Kugel330 in einer minimal invasiven Weise über perkutane Platzierung eines chirurgischen Treibers, der sich mit dem Kopf321 der Anpassungsschraube320 in Eingriff bringt, angepasst. - Durch Bereitstellen von Einstell- oder Anpassungsabschnitten
316 und332 in Bezug auf die Kugel330 und Pfanne314 , kann die Anpassung der gelenkig verbundenen Kugel330 in Bezug auf die Pfanne314 erfolgen. Nachdem eine Bewegungsanalyse250 durchgeführt wurde, kann wieder eine minimal invasive Anpassung des Implantats302 , wie etwa das in13 gezeigte Implantat, durchgeführt werden, indem einfach Stellschrauben320 angepasst werden. Diese Anpassung kann den Aufprall entlasten, den Bewegungsumfang vergrößern oder andere postoperative Anpassungen bereitstellen, die vorher einen chirurgischen Wiederholungseingriff erforderlich gemacht hätten. - Unter Bezugnahme auf
14 wird nun eine modifizierte Ausführungsform der zervikalen Bandscheibe302 gezeigt. Diesbezüglich werden gleiche Bezugszahlen verwendet, um gleiche Strukturen, wie in13 gezeigt, zu identifizieren. Das Implantat302 sieht eine telemetrische Anpassung sowie telemetrische Abtastfähigkeiten vor. Diesbezüglich umfasst das Pfannenelement304 einen Aktuator/eine Steuereinheit338 und einen Sensor340 , die entlang der anlenkenden Oberfläche der Pfanne314 positioniert sind. Ebenso umfasst das Kugelelement306 einen Aktuator/eine Steuereinheit342 und einen Sensor344 , die entlang der anlenkenden Kugeloberfläche330 positioniert sind. Die Sensoren340 und344 können verwendet werden, um verschiedene Parameter des gelenkig verbundenen Gelenks, einschließlich Temperatur, Druck, Spannungen, Dehnung und andere Belastungseigenschaften, abzutasten. Diese Sensoren340 und344 können während der sensorbasierten Bewegungsanalyse254 benutzt werden, um die angegebenen Parameter während der Bewegungsanalysestudie250 abzutasten. Diese abgetasteten Informationen werden an seine(n) entsprechende(n) Aktuator/Steuereinheit338 oder342 gesendet, der/die in der Lage ist, während dieser sensorbasierten Bewegungsanalyse354 Informationen telemetrisch zu übertragen, was hierin weiter erörtert werden wird. - Jeder Aktuator/jede Steuereinheit
338 und342 kann entweder eine passive Vorrichtung oder eine aktive, mit einer wieder aufladbaren Batterie gespeiste Vorrichtung sein. Wenn Aktuator/Steuereinheit338 und342 passive Vorrichtungen sind, können sie resonante LC-Schaltungen umfassen, die in Resonanz treten, wenn benachbarte erzeugende Spulen ein elektromagnetisches Feld erzeugen, wodurch die Übertragung der abgetasteten Informationen von den Sensoren340 und344 ermöglicht wird. Ein Beispiel eines solchen Systems wird in US-Patent Nr. 6.474.341 mit dem Titel "Surgical Communication and Power System" (Chirurgisches Kommunikations- und Leistungssystem), erteilt am 5. November 2002, gezeigt. Andere Arten bekannter drahtloser telemetrischer Systeme können auch genutzt werden. Aktuator/Steuereinheit338 und342 können unter Verwendung von wieder aufladbaren Batterien, die entweder innerhalb des Implantats eingebettet sind oder entfernt von dem Implantat positioniert sind und innerhalb des Patienten implantiert werden, ähnlich der bekannten Schrittmachertechnik, auch batteriegespeist werden. Diese wieder aufladbaren Batterien können telemetrisch, ähnlich wie vorhandene Schrittmacherbatterien wieder aufgeladen werden, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. - Wenn das System ein passives System ist, können die Daten aus dem entsprechenden Sensor während der Bewegungsanalysestudie
250 in der postoperativen Untersuchung248 erfasst werden, während die verschiedenen Bewegungstests am Patienten14 durchgeführt werden. Diese Informationen werden zum Zeitpunkt der Studie gesammelt und werden verwendet, um zu analysieren, ob weitere Anpassungen am Implantat302 erforderlich sind oder nicht. - Alternativ können, wenn das System ein aktives System ist und batteriegespeist wird, Daten im Lauf der Zeit gesampelt, im Speicher gespeichert und während der Bewegungsanalysestudie
250 oder während anderer Übertragungszeiträume, wie hierin weiter erörtert wird, übertragen werden. Mit dieser Art von telemetrischem System kann das Implantat302 fernangepasst werden, indem entweder Aktuator/Steuerungseinheit338 oder342 angetrieben wird, um die anpassbare Stellschraube320 über bekannte Betätigungsmechanismen fernanzupassen. Obwohl ein Stellschrauben-Anpassungsmechnismus mit Scharnier gezeigt wird, kann wieder irgendein anderer geeigneter Anpassungsmechanismus wie etwa Schneckentrieb, Zahntrieb, etc. verwendet werden. Folglich kann die telemetrische Anpassung262 durchgeführt werden, indem einfach ein entsprechendes Übertragungs- und Empfangsinstrument angrenzend an der Implantationsstelle positioniert wird, um sowohl Sensorinformationen zu empfangen als auch die Aktuatoren/Steuereinheiten338 und342 fernanzutreiben, um die telemetrische Fernanpassung des Implantats in einer nicht chirurgischen Weise bereitzustellen. Durch Anpassen entweder des Winkels324 oder des Winkels336 können in einer postoperativen Einstelltechnik Anpassungen von Bewegungsumfang, Kontakt, anlenkender Oberfläche oder andere Arten von Anpassungen durchgeführt werden, um den Aufprall zu entlasten und den Bewegungsumfang zu vergrößern.15 zeigt kurz das Implantat302 implantiert zwischen einem Paar Wirbeln272 und so ausgerichtet, dass der momentane Drehungsmittelpunkt ordnungsgemäß innerhalb der mittleren gelenkigen Längsachse Y der Wirbelsäule positioniert ist (siehe8a ). - Unter Bezugnahme auf
16 wird eine weite Ausführungsform eines zervikalen Wirbelsäulenimplantats346 gezeigt. Das Wirbelsäulenimplantat346 basiert auf der Bandscheibenprothese, die in US-Patent Nr. 5.674.296 mit dem Titel "Human Spinal Disc Prosthesis" (Bandscheibenprothese zur Anwendung beim Menschen), erteilt am 7. Oktober 1997, und US-Patent Nr. 5.865.846 mit dem Titel "Human Spinal Disc Prosthesis" (Bandscheibenprothese zur Anwendung beim Menschen), erteilt am 2. Februar 1999, dargelegt wird. Diese ist auch bekannt als "Bryan Cervical Disc System", das durch Medtronic Sofamor Danek aus Minneapolis, Minnesota, angeboten wird. Das Wirbelsäulenimplantat346 umfasst jedoch auch einen Einstell- und Anpassungsmechanismus. Das Wirbelsäulenimplantat umfasst ein Paar starre Stützplatten348 und ein Paar Anbringungsflansche350 , die Anbringungslöcher definieren, um Knochenschrauben aufzunehmen (siehe8g ). Eine flexible Blasenvorrichtung352 ist zwischen den Stützplatten348 positioniert. - Um entweder minimal invasive oder telemetrische Anpassung des Implantats
346 bereitzustellen, ist der Blasenmechanismus352 in eine Vielzahl von einzelnen Blasen354 geteilt. Wie gezeigt, umfasst das Implantat346 drei benachbarte Blasen354 . Ein Sensor358 ist in jeder Blase354 angeordnet, der zum Abtasten des Drucks innerhalb jeder Blase354 verwendet wird. Diese Sensorerfassungswerte werden zu einem Blasensteuerungssystem358 weitergegeben. Das Blasensteuerungssystem358 kann wieder eine passive Vorrichtung oder eine aktive batteriegespeiste Vorrichtung sein. Wenn passiv, werden die Sensorinformationen während der Bewegungsanalysestudie250 empfangen und die Anpassung kann telemetrisch während dieser Studie unter Benutzung bekannter telemetrischer Antriebsvorrichtungen durchgeführt werden. Wenn das Blasensteuerungssystem358 ein aktives System mit Kraftbetrieb ist, kann das System entweder ähnlich wie das passive System arbeiten oder kann ein adaptives System sein, das Echtzeitanpassung für das Implantat346 bereitstellt. Diesbezüglich kann jeder Sensor356 Druckunterschiede in jeder Blase354 abtasten, während das Blasensteuerungssystem358 versucht, den Druck in den Blasen354 in Echtzeitweise auszugleichen. Das Blasensteuerungssystem358 umfasst eine Prozessorsteuereinheit358 und entweder eine Batterie oder eine bekannte passive Antriebsvorrichtung. Das Blasensteuerungssystem358 umfasst auch eine Pumpe, die verwendet wird, um Flüssigkeit, die innerhalb der Blasen354 gehalten wird, durch Steuern der entfernten Ventile360 und eines Speichers, wenn zum Speichern gesampelter Daten erforderlich, zu übertragen. - Das Implantat
346 kann auch ein Reservoir361 umfassen, das ein Arzneimittel enthält, das durch das externe Ventil360 zugeführt und durch das Blasensteuerungssystem358 gesteuert werden kann. Auf diese Weise kann auch eine gesteuerte Arzneimittelzuführung zu dem umgebenden Knochen mit dem Implantat346 erreicht werden. Das Arzneimittel kann ein morphogenetisches Knochenprotein (BMP) enthalten, das die Knochendichte und Fusion von gebrochenen Knochen steigern kann, indem das BMP im Laufe der Zeit zu den umgebenden infizierten Knochen zugeführt wird. Diese Arzneimittelzuführfähigkeit des Implantats346 kann aktiv zugeführt werden, wenn das System batteriegespeist ist, oder telemetrisch über eine aktive oder passive Vorrichtung während der Untersuchungen des Patienten zugeführt werden. - Im Betrieb kann das Implantat
346 verwendet werden, um Druck in jeder einzelnen Blase354 über die Sensoren356 während der postoperativen Bewegungsanalyse250 abzutasten. Mit diesen Informationen kann ein Chirurg das Blasensteuerungssystem358 anweisen, irgendwelche Druckanormalitäten in den Blasen354 auszugleichen, um zu versuchen, einen gleichmäßigen Druck überall im Implantat346 zu erreichen. Die Blasen354 umfassen im Allgemeinen eine Salzlösung, die zwischen den Blasen354 über das Blasensteuerungssystem358 und Steuerventile360 übertragen werden kann. Außerdem gibt es ein externes Ventil360 , das verwendet werden kann, um Salzflüssigkeit unschädlich in den Körper abzulassen, um Druck abzulassen. Alternativ kann das externe Ventil360 verwendet werden, um zusätzliche Flüssigkeit perkutan in einer minimal invasiven Weise aufzunehmen. Folglich kann das Implantat346 postoperativ abhängig von der Heilung des Patienten, postoperativem Trauma oder um weitere Verfeinerung und bessere Leistung des Implantats346 bereitzustellen, angepasst oder eingestellt werden. - Alternative Ausführungsformen des Implantats
346 werden in16a –16c gezeigt. Erneut werden hier gleiche Bezugszahlen zum Identifizieren gleicher Strukturen verwendet. Das Wirbelsäulenimplantat346 ist im Wesentlichen ähnlich dem in16 gezeigten Wirbelsäulenimplantat, mit der Ausnahme, dass die in16a –16c gezeigten Wirbelsäulenimplantate mehrteilige Wirbelsäulenimplantate346 sind, die eine minimal invasive Technik und eine hintere Implantationsmethode gestatten. Das in16a gezeigte Implantat346 umfasst ein Paar starre Stützplatten348 , die einen mit Scharnier versehenen Bereich369 umfassen. Dieser mit Scharnier versehene Bereich349 umfasst ein einziges Scharnier, durch welches das Implantat346 im Wesentlichen so zusammengedrückt werden kann, dass die Platten348 aneinander angrenzend sind. Sobald sie aneinander angrenzend sind, können die Platten348 über den Scharnierbereich349 gefaltet werden, wodurch eine Halbkreisform erzeugt wird, die wesentlich kleiner als das ganze Implantat346 ist. Dadurch kann das Implantat hinten in einer minimal invasiven Weise implantiert zu werden, indem das gefaltete Implantat346 einfach in einen kleinen Einschnitt geschoben wird und das Implantat346 entlang dem Scharnierbereich349 im Implantationsbereich wieder zusammengesetzt oder entfaltet wird. Das Scharnier349 umfasst auch eine Verriegelung351 , die verwendet wird, um das Scharnier349 zu verriegeln, um sicherzustellen, dass jede Platte348 in ebener Weise verriegelt ist. Sobald das Implantat346 verriegelt ist, wird es zwischen den benachbarten Wirbeln242 ähnlich jenem, das in16 gezeigt wird, positioniert. - Implantat
346 , das in den16b und16c gezeigt wird, umfasst auch einen mit Scharnier versehenen Bereich349 , der aus einem Paar Scharnieren besteht, die auf beiden Seiten des Flansches350 positioniert sind. Der Scharnierbereich349 ermöglicht wieder, dass die Endplatten348 gefaltet werden, wie in16c gezeigt wird, um ein hinteres minimal invasives Verfahren zu ermöglichen. Dieses Implantat346 umfasst auch eine Verriegelung351 , die sich dreht, um das Paar Scharniere im Scharnierbereich349 in einer im Wesentlichen ebenen Weise zu verriegeln. - Eine weitere Ausführungsform des Wirbelsäulenimplantats
346 , die einen anderen Anpassungsmechanismus bereitstellt, wird in17 gezeigt. Erneut werden hier gleiche Bezugszahlen zum Identifizieren gleicher Strukturen verwendet. Das Wirbelsäulenimplantat346 umfasst wieder ein Paar Stützplatten348 , ein Paar Flansche350 und eine Stütz- oder Blasenvorrichtung352 . Eine einzige Blase354 , die mit einer Salzlösung gefüllt oder optional nicht mit Flüssigkeit gefüllt werden kann, ist innerhalb der Blasenvorrichtung352 angeordnet. Wieder sind Sensoren356 in verschiedenen Bereichen innerhalb der Blase354 angeordnet und werden verwendet, um entweder den Flüssigkeitsdruck abzutasten, oder werden als Dehnungsmesser verwendet, um Belastungskräfte zu messen. Die Erfassungswerte aus den Sensoren356 werden durch ein Kraftsteuerungssystem362 gelesen, das wieder entweder eine passive Vorrichtung oder aktive, batteriegespeiste Vorrichtung sein kann. Das Kraftsteuerungssystem362 arbeitet ähnlich wie das Blasensteuerungssystem358 , mit der Ausnahme, dass es, statt Flüssigkeit zwischen verschiedenen Blasenkammern zu lenken, Kraftsteuerbalken oder -elemente364 aufweist, die benutzt werden, um eine Kraft auf die Vielzahl von Federn366 auszuüben, die innerhalb der Blase354 positioniert ist. Durch Zusammendrücken der Federn366 in verschiedenen Quadranten mit den Steuerbalken364 , wird die Spannung in den Federn366 vergrößert, wodurch zusätzlich Unterstützung innerhalb des Implantats346 bereitgestellt wird. Jede Feder kann abhängig von der gewünschten Einstellung oder notwendigen Anpassung selektiv angepasst werden. Diese Anpassung basiert wieder auf der Bewegungsanalysestudie, die während der postoperativen Untersuchung248 durchgeführt wird. - Das Kraftsteuerungssystem
362 kann verwendet werden, um das Implantat346 adaptiv oder aktiv anzupassen, wenn das Kraftsteuerungssystem ein aktives batteriegespeistes System ist. Alternativ kann das Kraftsteuerungssystem362 die Kraft innerhalb des Implantats346 während der telemetrischen Anpassung262 anpassen, wenn das System einfach passiv ist. Das Blasensteuerungssystem358 und das Kraftsteuerungssystem362 können unter Verwendung herkömmlicher Mikroelektronik und mechanischer Vorrichtungen gebildet werden, oder können aus mikroelektromechanischer Systemtechnologie (MEMS), die im Stand der Technik bekannt ist, gebildet werden. - Eine Mehrsegmentimplantation wird in
18 gezeigt, die mehrere Implantate368 aufweist. Jedes Implantat368 kann unter Verwendung der Montageplattform268 und Lehre270 , wie in11 und12 dargestellt, implantiert werden. Implantate368 können auch unter Verwendung anderer Verfahren implantiert werden, wie etwa jener die in den8a –8g gezeigt werden. Jedes Implantat368 umfasst einen Sensor370 und einen Anpassungsaktuator372 ähnlich jenem, der in14 ,16 und17 gezeigt wird. Jedes Implantat368 wird jedoch über eine aktive, externe mit wieder aufladbarer Batterie gespeiste Steuereinheit374 gesteuert und betätigt. Optional kann jedes Implantat368 seine eigene individuelle interne Steuereinheit374 aufweisen, die mit den anderen Implantaten368 über eine drahtlose oder Drahtverbindung kommunizieren kann. Alternativ kann eine einzige interne Mastersteuereinheit374 innerhalb eines der Implantate368 positioniert werden, die verwendet wird, um die restlichen Implantate368 in einer Master-/Slave-Beziehung zu steuern und anzutreiben. - Steuereinheit
374 wird verwendet, um wieder verschiedene Parameter abzutasten, wie etwa Temperatur, Druck, etc., wo Aktuatoren372 verwendet werden, um jedes Implantat368 entsprechend einzustellen oder anzupassen. Die Steuereinheit374 kann angrenzend an den Wirbelsäulenbereich implantiert werden, ähnlich einer Steuereinheit und Batterie für einen Schrittmacher. Die Mehrsegmentimplantation, bei der jedes Implantat368 mit den anderen umgebenden Implantaten368 kommuniziert, ermöglicht adaptive Echtzeitsteuerung dieses Wirbelsäulenbereichs, wie etwa des zervikalen Wirbelsäulenbereichs des Patienten14 . Mit anderen Worten die Steuereinheit374 kann über die Sensoren370 abtasten, ob eines der Implantate368 unter zu großem Druck steht oder eines zu locker ist, und es abhängig von den Bewegungen des Patienten entsprechend anpassen. Diesbezüglich kann zusätzliche Unterstützung zwischen den Wirbeln272 nicht notwendig sein, wenn der Patient ruht. Wenn der Patient14 physische Aktivitäten oder Übungen ausübt, kann jedoch zusätzliche Unterstützung zwischen den Wirbeln272 erforderlich sein und jedes Implantat368 kann während dieses Zeitraums in adaptiver Weise erweitert werden. Alternativ kann die Steuereinheit wieder einfach eine passive Steuereinheit oder eine aktive Steuereinheit sein und verwendet werden, um Informationen zu senden und zu empfangen sowie die Implantate368 während der postoperativen Untersuchung248 über die telemetrische Anpassung262 anzupassen. - Unter Bezugnahme auf
19 wird ein beispielhaftes telemetrisches System gezeigt, das zum Durchführen der Bewegungsanalyse250 verwendet wird. Diesbezüglich kann der Patient14 durch Trainieren auf einem Laufband376 der Bewegungsanalyse250 unterworfen werden. Das Laufband376 wird innerhalb eines Übertragungs-/Empfangsmoduls378 positioniert. Wenn der Patient innerhalb des Übertragungs-/Empfangsmoduls378 positioniert wird und auf dem Laufband376 trainiert, können Informationen aus dem bestimmten Implantat während der Bewegungsanalyse250 unter Verwendung der sensorbasierten252 Datenanalyse über die telemetrische Anpassung262 gesammelt werden. Mit anderen Worten das Übertragungs-/Empfangsmodul378 umfasst Signalgeber und -empfänger, um entweder eine passive oder aktive Steuereinheit zu betätigen, um abgetastete Informationen zu empfangen. Diese Informationen werden an einen Steuerprozessor380 weitergeleitet, wo der Chirurg die gesammelten abgetasteten Daten analysieren kann. Sobald die Daten analysiert wurden, wird die Steuereinheit380 verwendet, um das Übertragungs-/Empfangsmodul378 zu betätigen, um ein oder mehrere Implantate in dem Patienten über die Steueraktuatorschaltungen, die vorstehend offenbart werden, anzupassen. Es sollte auch hervorgehoben werden, dass eine Bildgebungsvorrichtung auch neben dem Patienten14 positioniert werden kann, während der Patient auf dem Laufband376 läuft, um sowohl eine bildbasierte als auch eine sensorbasierte Bewegungsanalyse250 , wie vorstehend erörtert, bereitzustellen. - Jetzt Bezug nehmend auf
20 wird ein weiteres telemetrisches System offenbart, das verwendet wird, um Bewegungsanalyseinformationen an einen Arzt zu übertragen. Mit dieser Technik kann der Patient/die Patientin14 einfach eine Eigenanalyse durchführen, indem er/sie sich neben einem Computer382 positioniert. Ein Übertragungs-/Empfangsmodul384 ist am Computer382 angebracht. Das Übertragungs-/Empfangsmodul384 arbeitet ähnlich wie das Übertragungs-/Empfangsmodul378 , mit der Ausnahme, dass der Patient14 einfach eine Gruppe von vorgeschlagenen Bewegungen durchlaufen kann, während das Übertragungs-/Empfangsmodul382 telemetrisch Informationen vom Implantat empfängt, das innerhalb des Patienten14 positioniert ist. Diese Informationen können über den Computer382 online zu einem empfangenden Krankenhaus oder einer empfangenden Arztpraxis übertragen werden. Der Arzt kann dann diese Informationen analysieren, dem Patienten14 eine Empfehlung geben, ob der Patient14 zu einer telemetrischen Anpassung362 des Implantats des Patienten in die Praxis kommen sollte. Alternativ kann der Arzt auch einfach das Übertragungs-/Empfangsmodul384 über den Computer382 anweisen, die telemetrische Anpassung des Patienten14 beim Patienten zu Hause durchzuführen. - Das Verfahren
230 sowie die dazugehörigen Implantate, Systeme und Instrumente ermöglichen sowohl die präoperative als auch postoperative Überprüfung und Analyse. Außerdem kann auch das postoperative Einstellen des Implantats erreicht werden, ohne dass ein chirurgischer Wiederholungseingriff oder stark invasive Arten von Verfahren erforderlich sind. Diesbezüglich können entweder minimal invasive oder telemetrische Anpassungen des Implantats erreicht werden. - Die Beschreibung der Erfindung ist rein beispielhaft und folglich sollen Variationen, die nicht vom Schutzumfang der Ansprüche abweichen, in den Schutzumfang der Erfindung fallen.
Claims (34)
- Einstellbares Implantatsystem, das aufweist: ein in einem Patienten zu positionierendes, einstellbares Implantat (
302 ) mit einem Befestigungsmechanismus (308 ,312 ,326 ), der so betreibbar ist, dass das Implantat innerhalb des Patienten befestigt werden kann; einem Betätigungsabschnitt (314 ,330 ), der so betreibbar ist, dass er dem einstellbaren Implantat ermöglicht, sich anzupassen; und einem anpassbaren Abschnitt (316 ,322 ), der so betreibbar ist, dass er die Anpassung des einstellbaren Implantats ermöglicht, nachdem das einstellbare Implantat innerhalb des Patienten positioniert wurde, und das dadurch gekennzeichnet ist, dass es darüber hinaus aufweist ein Trackingsystem (44 ;378 ), das so betreibbar ist, dass es einen Abschnitt des Patienten in Bezug auf das einstellbare Implantat (302 ) verfolgt und die Bestimmung einer Anpassung des anpassbaren Abschnitts unterstützt. - Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsmechanismus einen Flansch (
308 ,326 ) umfasst, der so betreibbar ist, dass er mit einem Knochen des Patienten in Eingriff tritt. - Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch einen Durchgang definiert, der so betreibbar ist, dass er eine Knochenschraube (
312 ) aufnimmt, um das einstellbare Implantat am Knochen zu befestigen. - Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 2 oder 3, das darüber hinaus ein Paar Flansche (
308 ,326 ) aufweist, das so betreibbar ist, dass es einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt des einstellbaren Implantats an einem Paar gelenkiger Knochen befestigt. - Einstellbares Implantatsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Betätigungsabschnitt eine erste anlenkende Oberfläche (
330 ) und eine zweite anlenkende Oberfläche (314 ) umfasst, wobei die erste anlenkende Oberfläche so betreibbar bist, dass sie mit der zweiten anlenkenden Oberfläche zusammenwirkt. - Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 5, wobei die erste anlenkende Oberfläche eine Kugel (
330 ) ist und die zweite anlenkende Oberfläche eine Pfanne (314 ) ist, wobei die Kugel innerhalb der Pfanne gelenkig befestigt ist. - Einstellbares Implantatsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsabschnitt einen Blasenabschnitt (
352 ) umfasst, der so betreibbar ist, dass er dem einstellbaren Implantat ermöglicht, sich in Bezug auf Knochen zu bewegen. - Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Blasenabschnitt mit Flüssigkeit gefüllt ist.
- Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Blasenabschnitt eine Vielzahl von Blasen (
354 ) umfasst. - Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsabschnitt ein Blasensteuerungssystem (
358 ) umfasst, das so betreibbar ist, dass es den Druck innerhalb jeder der Vielzahl von Blasen anpasst. - Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Blasensteuerungssystem den Druck in jeder der Vielzahl von Blasen adaptiv steuert.
- Einstellbares Implantatsystem nach einem der Ansprüche 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass die Blase mindestens einen mechanischen Anpassungsmechanismus umfasst.
- Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 12, das darüber hinaus ein Kraftsteuerungssystem aufweist, das so betreibbar ist, dass es den mechanischen Anpassungsmechanismus innerhalb der Blase steuert.
- Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 10 oder 13, das darüber hinaus mindestens einen Sensor (
356 ) aufweist, der so betreibbar ist, dass er einen Parameter innerhalb der/jeder Blase erfasst. - Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem darüber hinaus so betreibbar ist, dass es die Sensorerfassungswerte aus jedem der Sensoren empfängt.
- Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 10 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem eines von mindestens einem passiven und einem aktiven Steuerungssystem ist.
- Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 10 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungssystem so betreibbar ist, dass es in einem nicht chirurgischen Verfahren telemetrisch gesteuert werden kann.
- Einstellbares Implantatsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das darüber hinaus mindestens einen Sensor aufweist, der innerhalb des Implantats positioniert und so betreibbar ist, dass er einen Parameter erfasst.
- Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter aus einer Gruppe ausgewählt wird, die Temperatur, Druck, Spannung, Dehnung, Belastungskraft, Drehkraft und Reibungskraft aufweist.
- Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 18 oder 19, das darüber hinaus eine Steuereinheit aufweist, die so betreibbar ist, dass sie erfasste Informationen aus dem mindestens einen Sensor empfängt, wobei die Steuereinheit innerhalb des Implantats positioniert ist.
- Einstellbares Implantatsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsabschnitt ein mechanischer Betätigungsabschnitt ist, der so betreibbar ist, dass er während eines minimal invasiven Verfahrens durch ein Instrument betätigt werden kann.
- Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 21, dadurch gekennnzeichnet, dass der Betätigungsabschnitt einen mit Scharnier versehenen Bereich (
316 ) und eine anpassbare Schraube (320 ) umfasst, die so betreibbar sind, dass sie während des minimal invasiven Verfahrens durch das Instrument in Eingriff gebracht werden können. - Einstellbares Implantatsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsabschnitt ein Aktuator ist, das so betreibbar ist, dass er in einem nicht chirurgischen Verfahren telemetrisch betätigt werden kann.
- Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 23, wobei der Betätigungsabschnitt einen mit Scharnier versehenen Bereich und eine anpassbare Schraube umfasst, wobei der Aktuator so betreibbar ist, dass er während des nicht chirurgischen Verfahrens die anpassbare Schraube telemetrisch anpasst.
- Einstellbares Implantatsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das darüber hinaus eine Vielzahl von einstellbaren Implantaten aufweist, wobei jedes den Befestigungsmechanismus, den Betätigungsabschnitt und den Anpassungsabschnitt umfasst.
- Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 25, das darüber hinaus mindestens eine Steuereinheit aufweist, die so betreibbar ist, dass sie die Anpassung in jedem aus der Vielzahl von einstellbaren Implantaten steuert.
- Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 26, das darüber hinaus mindestens einen Sensor aufweist, der in jedem Implantat positioniert und so betreibbar ist, dass er erfasste Informationen an die mindestens eine Steuereinheit weiterleitet.
- Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Steuereinheit so betreibbar ist, dass sie jedes aus der Vielzahl von Implantaten adaptiv steuert.
- Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 26–28, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Steuereinheit innerhalb mindestens eines Implantats angeordnet ist.
- Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 26–28, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Steuereinheit entfernt von jedem der Implantate ist und innerhalb des Patienten positioniert ist.
- Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 26–30, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Steuereinheit so betreibbar ist, dass sie telemetrisch gesteuert werden kann.
- Einstellbares Implantatsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das darüber hinaus einen segmentierten Abschnitt aufweist, der so betreibbar ist, dass er dem Implantat ermöglicht, so gefaltet zu werden, dass das Implantat wesentlich kleiner als im ungefalteten Zustand ist.
- Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trackingsystem (
44 ) so adaptiert ist, dass es die Führung des Implantats (302 ) innerhalb des Patienten ermöglicht. - Einstellbares Implantatsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trackingsystem (
378 ) so adaptiert ist, dass es eine Bewegungsanalyse des Patienten durchführt.
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