Knochennachverfolgungsverfahren, Knochennachverfolgungsverfahren sowie Knochen-TrackersetBone tracking method, bone tracking method and bone tracker set
BeschreibungDescription
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Knochennachverfolgungssystem, ein Knochennachverfolgungsverfahren sowie ein Knochen-Trackerset (mit zumindest zwei Knochen-Trackern) für ein/das Knochennachverfolgungssystem zur Nachverfolgung, und ferner vorzugsweise zur Registrierung, von zumindest zwei Knochen (mehrerer Knochen) relativ zueinander, insbesondere von zwei Wirbel(säulen)knochen zueinander.The present disclosure relates to a bone tracking system, a bone tracking method and a bone tracker set (with at least two bone trackers) for a/the bone tracking system for tracking, and further preferably for registration, of at least two bones (several bones) relative to each other, in particular of two vertebral (column) bones relative to each other.
Technischer HintergrundTechnical background
Wirbelsäulennavigation und Wirbelsäulenrobotik sind heute etablierte Methoden bei einem chirurgischen Eingriff an einem Patienten. Die meisten aktuellen Navigationssysteme erlauben jedoch, wenn überhaupt, nur die räumliche Nachverfolgung jeweils eines einzelnen (Wirbelsäulen-)Knochens, da sie zu von den Maßen her zu groß und zudem zu invasiv (mit einhergehenden Gewebeschäden des Patienten) sind, um Referenzrahmen („reference frames“) am Knochen zu befestigen, welche in den meisten Fällen am Dornfortsatz befestigt werden. Dadurch können zwar die einzelnen Pedikelschrauben präzise in der Wirbelsäule implantiert werden, es ist jedoch nicht möglich, die tatsächliche Rekonstruktion der Wirbelsäule zu überwachen, um die Funktion der Wirbelsäule des Patienten wiederherzustellen.Spinal navigation and spinal robotics are now established methods for surgical interventions on a patient. However, most current navigation systems only allow spatial tracking of a single (spinal) bone at a time, if at all, because they are too large and too invasive (with associated tissue damage to the patient) to attach reference frames to the bone, which are usually attached to the spinous process. While this allows the individual pedicle screws to be precisely implanted in the spine, it is not possible to monitor the actual spinal reconstruction to restore the patient's spinal function.
Für die Verfolgung von Wirbelsäulen mit mehreren Ebenen wurde die Verwendung von EM-Tracking (Elektromagnetisches Tracking/ Electro-Magnetic-Tracking) vorgeschlagen, jedoch leidet EM-Tracking oft unter einer eingeschränkten Genauigkeit aufgrund von EM-Störungen durch andere Geräte im OP. Diese elektrischen Geräte beeinflussen aufgrund des Materials oder einer Eigen-Strahlung das elektromagnetische Feld, so dass die Nachverfolgung nicht robust genug ist oder ein hoher Kalibrierungsaufwand betrieben werden muss, um wenigstens halbwegs akzeptable Ergebnisse zu erhalten.For multi-level spinal tracking, the use of EM tracking (Electromagnetic Tracking) has been proposed, but EM tracking often suffers from limited accuracy due to EM interference from other devices in the operating room. These electrical devices, due to their material or their own radiation, affect the electromagnetic field, so that the tracking is not robust enough or a lot of calibration effort is required to get at least halfway acceptable results.
Es wurden auch optische Referenzkörper wie Starrkörper mit Markern vorgeschlagen, die an mehreren Ebenen angebracht sind. Um jedoch jeden nachzuverfolgenden Wirbelkörper mit sechs Freiheitsgraden (6 DOF/sechs Degrees Of Freedom) zu lokalisieren (drei Freiheitsgrade Position - etwa x,y,z; drei Freiheitsgrade Orientierung - etwa drei Winkel), braucht der Referenzkörper (etwa Starrkörper) als Tracker ein sperriges und großes Design und hat beispielsweise mechanische Klemmen oder Stifte mit einer zusätzlichen Klaue zur Rotationsfixierung. Auch wird aufgrund des geometrisch großen Aufbaus eine Sichtverbindung erschwert und eine (nachteilige) Line-of-Sight Problematik (Sichtlinienproblematik) wird sehr relevant. Außerdem muss der Referenzkörper eine ausreichende dreidimensionale (3D) Ausdehnung aufweisen, um eine präzise räumliche Nachverfolgung mit sechs Freiheitsgraden (6 DOF-Verfolgung) zu ermöglichen. Ein sperriger Tracker erhöht jedoch die Invasivität für den Patienten, insbesondere bei Operationen auf mehreren Ebenen, etwa bei drei oder mehr Ebenen (3+), und ein Referenzkörper mit größerer Ausdehnung birgt zudem das Risiko von Kollisionen zwischen den Referenzkörpern der einzelnen Wirbelkörper sowie auch von Kollisionen zwischen den Referenzkörpern und einem chirurgischen Instrument.Optical reference bodies, such as rigid bodies with markers attached at multiple levels, have also been proposed. However, in order to localize each vertebral body to be tracked with six degrees of freedom (6 DOF/six degrees of freedom) (three degrees of freedom position - approximately x, y, z; three degrees of freedom orientation - approximately three angles), the reference body (e.g., rigid body) as a tracker requires a bulky and large design and, for example, has mechanical clamps or pins with an additional claw for rotational fixation. Due to the large geometric structure, line-of-sight is also difficult, and a (disadvantageous) line-of-sight problem becomes very relevant. Furthermore, the reference body must have a sufficient three-dimensional (3D) extent to enable precise spatial tracking with six degrees of freedom (6 DOF tracking). However, a bulky tracker increases the invasiveness for the patient, especially in multi-level surgeries, such as three or more levels (3+), and a reference body with a larger extension also carries the risk of collisions between the reference bodies of the individual vertebral bodies as well as collisions between the reference bodies and a surgical instrument.
Die US 2022/0192752 A1 offenbart beispielsweise ein System zur Registrierung mit einem Röntgengerät und einer Kamera für sichtbares Licht. Das Röntgengerät nimmt ein erstes Röntgenbild auf, und die Kamera für sichtbares Licht nimmt gleichzeitig ein weiteres Bild für sichtbares Licht auf. Zudem wird eine weitere Aufnahme mit einem gesetzten Positionierungsmarker aufgenommen und ein Computersystem stellt eine Navigationsschnittstelle bereit.US 2022/0192752 A1, for example, discloses a registration system with an X-ray device and a visible-light camera. The X-ray device acquires a first X-ray image, and the visible-light camera simultaneously acquires another visible-light image. In addition, a further image is acquired with a set positioning marker, and a computer system provides a navigation interface.
Die US 2021/0174950 A1 offenbart eine stereoskopische Markierungsvorrichtung mit einem polyedrischen Würfel. Dieser Würfel weist mindestens vier flache Oberflächen auf, wobei die mindestens vier flachen Oberflächen als ein primärer Marker verwendet werden. Der primäre Marker weist einen primären graphischen Code auf, während drei sekundäre Marker einzeln einen ersten sekundären graphischen Code, einen zweiten sekundären graphischen Code und einen dritten sekundären graphischen Code aufweisen und der primäre graphische Code dazu verwendet wird, räumliche Koordinateninformationen bereitzustellen, die für eine Berechnung von sechs Freiheitsgrad (6 DOF)-Lagedaten verwendet werden. Der polyedrischen Würfel ist so konfiguriert, dass er an einer Operationsstelle an einem Wirbelkörper befestigt werden kann.US 2021/0174950 A1 discloses a stereoscopic marking device comprising a polyhedral cube. This cube has at least four flat surfaces, wherein the at least four flat surfaces are used as a primary marker. The primary marker has a primary graphic code, while three secondary markers individually comprise a first secondary graphic code, a second secondary graphic code, and a third secondary graphic code, and the primary graphic code is used to provide spatial coordinate information used to calculate six-degree-of-freedom (6-DOF) attitude data. The polyhedral cube is configured to be attached to a vertebral body at a surgical site.
Die WO 2021/069449 A1 betrifft ein medizinisches System, mit mehreren Adaptern und mehreren Fiducial-Markern.WO 2021/069449 A1 relates to a medical system with multiple adapters and multiple fiducial markers.
Die EP 4 104 786 A1 betrifft eine Verfahren zur Bestimmung von Posen von nachverfolgten Wirbelkörpern.EP 4 104 786 A1 relates to a method for determining poses of tracked vertebral bodies.
Zusammenfassung der vorliegenden OffenbarungSummary of the present disclosure
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder zumindest zu mindern und insbesondere Knochennachverfolgungssystem, ein Knochennachverfolgungsverfahren sowie ein Knochen-Trackerset bereitzustellen, mit welchem noch besser Knochen relativ zueinander nachverfolgbar sind. Eine Teilaufgabe kann insbesondere darin gesehen werden, mittels einer optischen Erfassung sowie einer Röntgenerfassung eine Registrierung durchzuführen.It is therefore the object of the present disclosure to avoid or at least mitigate the disadvantages of the prior art and, in particular, to provide a bone tracking system, a bone tracking method, and a bone tracker set with which bones can be tracked even better relative to one another. One sub-objective can be seen, in particular, in performing registration using optical detection and X-ray detection.
Die Aufgabe der vorliegenden Offenbarung wird hinsichtlich eines Knochennachverfolgungssystem durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, hinsichtlich eines Knochennachverfolgungsverfahrens bzw. eines Knochen-Trackersets durch die Merkmale der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object of the present disclosure is achieved with respect to a bone tracking system by the features of claim 1, and with respect to a bone tracking method or a bone tracker set by the features of the independent claims. Advantageous further developments are the subject of the dependent claims.
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Knochennachverfolgungssystem zur Nachverfolgung von zumindest zwei Knochen relativ zueinander, aufweisend: ein Knochen-Trackerset, wobei das Knochen-Trackerset zumindest zwei Knochenfixierungen mit jeweils einem distalen Knochenanker, der dazu vorgesehen und angepasst sind, direkt an oder in einem Knochen eines Patienten befestigt zu werden, sowie zumindest zwei (vorzugsweise jeweils starr mit jeweils einer der Knochenfixierungen verbindbare oder verbundene) Referenzadapter mit jeweils einem proximalen optischen Referenzmarker aufweist, eine optische Kamera zur optischen Erfassung der optischen Referenzmarker des Knochen-Trackersets zur räumlichen Nachverfolgung durch ein Navigationssystem, und eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit dafür angepasst ist, die zumindest zwei optischen Referenzmarker über die optische Kamera zu erfassen und räumlich nachzuverfolgen, wobei die Steuereinheit dafür angepasst ist, für einen ersten Referenzmarker der zwei Referenzmarker eine Lagebestimmung mit sechs Freiheitsgraden (Degree of Freedom, DoF) durchzuführen, für einen zweiten Referenzmarker der zwei Referenzmarker eine Lagebestimmung mit zumindest einem Freiheitsgrad durchzuführen und die Lagebestimmung des ersten Referenzmarkers durch die Lagebestimmung des zweiten Referenzmarkers zu überprüfen.The present disclosure relates to a bone tracking system for tracking at least two bones relative to each other, comprising: a bone tracker set, wherein the bone tracker set comprises at least two Bone fixations, each having a distal bone anchor, which is intended and adapted to be fastened directly to or in a bone of a patient, and at least two reference adapters (preferably each rigidly connectable or connected to one of the bone fixations) each having a proximal optical reference marker, an optical camera for optically capturing the optical reference markers of the bone tracker set for spatial tracking by a navigation system, and a control unit, wherein the control unit is adapted to capture and spatially track the at least two optical reference markers via the optical camera, wherein the control unit is adapted to carry out a position determination with six degrees of freedom (DoF) for a first reference marker of the two reference markers, to carry out a position determination with at least one degree of freedom for a second reference marker of the two reference markers and to check the position determination of the first reference marker by determining the position of the second reference marker.
Das heißt, dass eine 6 DoF + X DoF Trackinglösung vorgeschlagen wird, bei welcher ein erster Wirbelkörper bzw. Referenzmarker mit sechs Freiheitsgraden und ein zweiter, benachbarter Wirbelkörper bzw. Referenzmarker mit einer beliebigen Anzahl von Freiheitsgraden, vorzugsweise mittels Machine Vision, getrackt werden. So kann die Genauigkeit des Trackings erhöht werden und aufgrund der Redundanz die Robustheit des Trackings verbessert werden. Durch die beliebige Anzahl von Freiheitsgraden bei dem zweiten Wirbelkörper stehen viele Möglichkeiten zur Ausbildung des (zweiten) Referenzmarkers offen.This means that a 6 DoF + 1 DoF tracking solution is proposed, in which a first vertebral body or reference marker is tracked with six degrees of freedom and a second, adjacent vertebral body or reference marker is tracked with any number of degrees of freedom, preferably using machine vision. This increases tracking accuracy and, due to redundancy, improves tracking robustness. The optional number of degrees of freedom for the second vertebral body opens up many possibilities for designing the (second) reference marker.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, für den zweiten Referenzmarker die Lagebestimmung mit sechs Freiheitsgraden durchzuführen. Das heißt, dass eine 6 DoF + 6 DoF Trackinglösung vorgeschlagen wird, bei welcher ein erster Wirbelkörper bzw. Referenzmarker und ein zweiter, benachbarter Wirbelkörper bzw. Referenzmarker jeweils mit 6 Freiheitsgraden, vorzugsweise mittels Machine Vision, getrackt werden. So kann die Genauigkeit des Trackings noch weiter erhöht werden und aufgrund der hohen Redundanz die Robustheit des Trackings verbessert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, für den zweiten Referenzmarker die Lagebestimmung mit maximal vier oder maximal fünf Freiheitsgraden durchzuführen. Das heißt, dass eine 6 DoF + 4 DoF / 5 DoF Trackinglösung vorgeschlagen wird, bei welcher ein erster Wirbelkörper bzw. Referenzmarker mit sechs Freiheitsgraden und ein zweiter, benachbarter Wirbelkörper bzw. Referenzmarker mit (genau/maximal) vier oder fünf Freiheitsgraden, vorzugsweise mittels Machine Vision, getrackt werden. So kann die Genauigkeit des Trackings noch weiter erhöht werden und aufgrund der höheren Redundanz die Robustheit des Trackings verbessert werden. Durch die Anzahl der vier bzw. fünf Freiheitsgrade bei dem zweiten Wirbelkörper stehen viele Möglichkeiten zur Ausbildung des (zweiten) Referenzmarkers offen, wie etwa, dass keine Rotation um eine Referenzmarkerachse und/oder keine Translation entlang der Referenzmarkerachse bestimmt wird.According to a preferred embodiment, the control unit can be adapted to perform the position determination for the second reference marker with six degrees of freedom. This means that a 6 DoF + 6 DoF tracking solution is proposed, in which a first vertebral body or reference marker and a second, adjacent vertebral body or reference marker are each tracked with 6 degrees of freedom, preferably using machine vision. This allows the tracking accuracy to be further increased, and the robustness of the tracking to be improved due to the high redundancy. According to a preferred embodiment, the control unit can be adapted to determine the position of the second reference marker with a maximum of four or a maximum of five degrees of freedom. This means that a 6 DoF + 4 DoF / 5 DoF tracking solution is proposed, in which a first vertebral body or reference marker is tracked with six degrees of freedom and a second, adjacent vertebral body or reference marker is tracked with (exactly/maximum) four or five degrees of freedom, preferably using machine vision. This allows the accuracy of the tracking to be increased even further and, due to the higher redundancy, the robustness of the tracking to be improved. The four or five degrees of freedom for the second vertebral body opens up many possibilities for designing the (second) reference marker, such as determining no rotation around a reference marker axis and/or no translation along the reference marker axis.
Gemäß einem weiteren ggf. unabhängig beanspruchbaren Aspekt betrifft die vorliegende Offenbarung ein Knochennachverfolgungssystem zur Nachverfolgung von zumindest zwei Knochen relativ zueinander, aufweisend: ein Knochen-Trackerset, wobei das Knochen-Trackerset zumindest zwei Knochenfixierungen und zumindest zwei Referenzadapter aufweist, wobei die Knochenfixierungen jeweils einen distalen Knochenanker und einen proximalen Endabschnitt mit einem Koppelabschnitt haben, wobei der Knochenanker dazu vorgesehen und angepasst sind, direkt an oder in einem Knochen eines Patienten befestigt zu werden, wobei die Referenzadapter jeweils einen proximalen optischen Referenzmarker und eine Gegen-Koppelstruktur haben, wobei die Gegen-Koppelstruktur an dem Koppelabschnitt der Knochenfixierung angebracht oder anbringbar ist, insbesondere werkzeuglos an- und abkoppelbar ist, eine optische Kamera zur optischen Erfassung der optischen Referenzmarker des Knochen- Trackersets zur räumlichen Nachverfolgung durch ein Navigationssystem, und eine Steuereinheit, wobei die Steuereinheit dafür angepasst ist, die zumindest zwei optischen Referenzmarker über die optische Kamera zu erfassen und räumlich nachzuverfolgen und für jeden optischen Referenzmarker eine Lagebestimmung mit maximal fünf Freiheitsgraden durchzuführen, wobei die Steuereinheit ferner dafür angepasst ist, auf Basis von den zumindest zwei optischen Referenzmarkern zumindest den verbleibenden sechsten Freiheitsgrad zu bestimmen. Alternativ kann das Knochen- Trackerset zumindest zwei Knochenfixierungen mit jeweils einem distalen Knochenanker, der dazu vorgesehen und angepasst sind, direkt an oder in einem Knochen eines Patienten befestigt zu werden, sowie zumindest zwei (vorzugsweise jeweils starr mit jeweils einer der Knochenfixierungen verbindbare oder verbundene) Referenzadapter mit jeweils einem proximalen optischen Referenzmarker aufweisen.According to a further, possibly independently claimable aspect, the present disclosure relates to a bone tracking system for tracking at least two bones relative to one another, comprising: a bone tracker set, wherein the bone tracker set has at least two bone fixations and at least two reference adapters, wherein the bone fixations each have a distal bone anchor and a proximal end portion with a coupling portion, wherein the bone anchors are provided and adapted to be attached directly to or in a patient's bone, wherein the reference adapters each have a proximal optical reference marker and a counter-coupling structure, wherein the counter-coupling structure is attached or attachable to the coupling portion of the bone fixation, in particular can be coupled and uncoupled without tools, an optical camera for optically capturing the optical reference markers of the bone tracker set for spatial tracking by a navigation system, and a control unit, wherein the control unit is adapted to capture the at least two optical reference markers via the optical camera and to spatially track them and to perform a position determination with a maximum of five degrees of freedom for each optical reference marker. wherein the control unit is further adapted to determine at least the remaining sixth degree of freedom based on the at least two optical reference markers. Alternatively, the bone Tracker set at least two bone fixations, each with a distal bone anchor, which is intended and adapted to be attached directly to or in a bone of a patient, as well as at least two reference adapters (preferably each rigidly connectable or connected to one of the bone fixations) each with a proximal optical reference marker.
Ferner kann ein Grundgedanke der vorliegenden Offenbarung darin gesehen werden ein System zur (räumlichen) Nachverfolgung mehrerer Knochen in Relation bzw. im Verhältnis zueinander, insbesondere für die Wirbelsäulenchirurgie, bereitzustellen, bei dem mindestens zwei Knochen, insbesondere Wirbel(knochen) durch Befestigen/Verankern oder Einsetzen einer Knochenfixierung, insbesondere als bzw. in Form eines Stifts (als besondere Ausführungsform), (etwa in den Dornfortsatz) nachverfolgt werden, ohne dass eine Rotationsstabilität erforderlich ist. Die Knochenfixierungen, insbesondere die Stifte, haben einen proximalen Endabschnitt (der insbesondere dafür angepasst ist aus der Haut des Patienten hervorzustehen) an dem ein Referenzadapter, insbesondere eine Hülse, ankoppelbar, insbesondere befestigbar ist. Dieser Referenzadapter, insbesondere die Hülse als besondere Ausführungsform des Referenzadapters, hat oder trägt einen optischen Referenzmarker. Jeder optische Referenzmarker ermöglicht eine Posenbestimmung bzw. Lagebestimmung mit maximal fünf, insbesondere vier oder fünf Freiheitsgraden (zumindest eine Rotation ist noch unbestimmt). Zur Bestimmung des (zumindest) fehlenden sechsten Freiheitsgrades für eine eineindeutige Lagebestimmung wird der optische Referenzmarker einer, insbesondere benachbarten, Knochenfixierung und Referenzadapters, insbesondere eines Stifts und Hülse, verwendet.Furthermore, a basic idea of the present disclosure can be seen in providing a system for (spatial) tracking of multiple bones in relation to one another, in particular for spinal surgery, in which at least two bones, in particular vertebrae, are tracked by attaching/anchoring or inserting a bone fixation, in particular as or in the form of a pin (as a special embodiment), (for example, in the spinous process), without requiring rotational stability. The bone fixations, in particular the pins, have a proximal end portion (which is in particular adapted to protrude from the patient's skin) to which a reference adapter, in particular a sleeve, can be coupled, in particular fastened. This reference adapter, in particular the sleeve as a special embodiment of the reference adapter, has or carries an optical reference marker. Each optical reference marker enables pose determination or orientation determination with a maximum of five, in particular four or five, degrees of freedom (at least one rotation is still undetermined). To determine the (at least) missing sixth degree of freedom for an unambiguous position determination, the optical reference marker of a, in particular adjacent, bone fixation and reference adapter, in particular a pin and sleeve, is used.
Vorzugsweise ermöglicht das System ferner auch eine Registrierung des Patienten, wenn ein intraoperativer 3D-Röntgenscanner verwendet wird, indem der distale Teil des Stifts im Röntgenbild mit dem optischen Marker korreliert wird, der von einem optischen Kamerasystem verfolgt wird. Insbesondere können für eine Registrierung keine optischen Referenzmarker genutzt und damit auch nicht das optische Kamerasystem genutzt werden. Die Registrierung kann alleine durch die Knochenfixierung und einer entsprechenden Bestimmung (etwa über einen Software Algorithmus) erfolgen, der die Lage der Knochenfixierung in dem Knochen, vorzugsweise des Stifts als Knochenfixierung, in dem Dornfortsatz erkennt.Preferably, the system also enables patient registration when an intraoperative 3D X-ray scanner is used, by correlating the distal part of the pin in the X-ray image with the optical marker tracked by an optical camera system. In particular, no optical reference markers can be used for registration, and thus the optical camera system cannot be used either. Registration can be performed solely through bone fixation and a corresponding determination (e.g., via a software algorithm) that detects the position of the bone fixation in the bone, preferably the pin as bone fixation, in the spinous process.
Gemäß einem ggf. unabhängig beanspruchbaren Aspekt wird gemäß der vorliegenden Offenbarung ein Knochen-Trackerset bereitgestellt für ein, vorzugsweise das obenstehend bzw. untenstehend beschriebene, Knochennachverfolgungssystem zur Nachverfolgung, und vorzugsweise ferner zur Registrierung, von zumindest zwei Knochen (mehrerer Knochen) relativ zueinander, mit: zumindest zwei Knochenfixierungen, insbesondere Stiften, die dazu vorgesehen und angepasst sind, mittels eines distalen Knochenankers direkt an oder in einem Knochen eines Patienten (starr bzw. in gleichbleibender Relation zu dem Knochen) befestigt zu werden, wobei jeweils ein proximaler Endabschnitt Knochenfixierung, insbesondere des Stifts, einen Koppelabschnitt (oder Befestigungsabschnitt) aufweist, und zumindest zwei Referenzadapter, insbesondere Hülsen, die jeweils einen proximalen optischen Referenzmarker aufweisen oder tragen und die Referenzadapter, insbesondere Hülsen, dafür angepasst sind, an dem Koppelabschnitt der jeweiligen Knochenfixierung, insbesondere des jeweiligen Stifts, werkzeuglos ankoppelbar oder abkoppelbar zu sein.According to a possibly independently claimable aspect, the present disclosure provides a bone tracker set for a bone tracking system, preferably the one described above or below, for tracking, and preferably further for registering, at least two bones (multiple bones) relative to one another, comprising: at least two bone fixations, in particular pins, which are provided and adapted to be fastened directly to or in a bone of a patient (rigidly or in a constant relation to the bone) by means of a distal bone anchor, wherein a respective proximal end section of the bone fixation, in particular of the pin, has a coupling section (or fastening section), and at least two reference adapters, in particular sleeves, which each have or carry a proximal optical reference marker and the reference adapters, in particular sleeves, are adapted to be coupled to or uncoupled from the coupling section of the respective bone fixation, in particular of the respective pin, without the need for tools.
Der Vorteil besteht insbesondere darin, dass die relativen Positionen, insbesondere Lagen, der Knochen, insbesondere mehrerer Wirbelkörper, in Echtzeit intraoperativ nachverfolgt werden können, wodurch die erneute Positionierung der Knochen, insbesondere der Wirbelsäule, in einen gewünschten Zustand überwacht werden kann. Die Offenbarung ermöglicht es ferner durch einen Röntgenscan gleich mehrere Wirbelkörper zu registrieren und vermeidet auch ein erneutes Scannen des Patienten mit etwa einem Röntgenscanner, falls sich die Knochen, insbesondere Wirbelkörper gegeneinander bewegt haben. Die Offenbarung ermöglicht es, die Referenzadapter, insbesondere Hülsen, mit den optischen Referenzmarkern (als Tracker) jederzeit während der Operation zu entfernen, wenn die Navigation gerade nicht benötigt wird, und die optischen Referenzmarker wieder anzubringen, ohne die Registrierung zu verlieren, wodurch insbesondere eine minimalinvasive Nachführung ermöglicht wird. Mit anderen Worten wird ein Knochen-Trackerset mit zumindest zwei Knochen- Trackern vorgeschlagen, wobei jeder Knochen-Tracker dabei zumindest zwei separate Komponenten aufweist, nämlich eine Knochenfixierung, die dafür angepasst ist an oder in einem jeweiligen Knochen fixiert zu werden, und einen Referenzadapter mit einem optischen Referenzmarker, der mittels eines Koppel-Jnterface“ an die Knochenfixierung werkzeuglos an- als auch abkoppelbar ist. So kann intraoperativ schnell ein optischer Referenzmarker angebracht als auch wieder abgenommen werden. Über den optischen Referenzmarker kann der jeweilige Knochen (mit Hilfe des zweiten Knochen -Trackers) optisch nachverfolgt werden. Während ein einzelner Knochen -Tracker noch unterbestimmt ist (etwa 4DOF oder 5DOF), kann mittels zwei Knochen-Trackern eindeutig der Knochen-Tracker und damit der jeweilige Knochen nachverfolgt werden.The advantage lies in the fact that the relative positions, in particular locations, of the bones, in particular of several vertebral bodies, can be tracked in real time intraoperatively, thereby monitoring the repositioning of the bones, in particular of the spine, to a desired state. The disclosure further makes it possible to register several vertebral bodies at once using a single X-ray scan and also avoids rescanning the patient with, for example, an X-ray scanner if the bones, in particular vertebral bodies, have moved relative to one another. The disclosure makes it possible to remove the reference adapters, in particular sleeves, with the optical reference markers (as trackers) at any time during the operation when navigation is not needed, and to reattach the optical reference markers without losing registration, thereby enabling, in particular, minimally invasive tracking. In other words, a bone tracker set with at least two bone trackers is proposed, with each bone tracker having at least two separate components, namely a bone fixation that is adapted to be fixed to or in a respective bone, and a reference adapter with an optical reference marker that can be coupled to and detached from the bone fixation without the need for tools using a coupling interface. This allows an optical reference marker to be quickly attached and removed intraoperatively. The respective bone can be optically tracked (with the help of the second bone tracker) using the optical reference marker. While a single bone tracker is still under-determined (e.g. 4DOF or 5DOF), two bone trackers can be used to unambiguously track the bone tracker and thus the respective bone.
Es wird also insbesondere ein formschlüssiges Koppel-Jnterface“ zwischen der Knochenfixierung einerseits und dem (separaten aber an- und abkoppelbaren) Referenzadapter/Trackingadapter andererseits bereitgestellt, wobei der Formschluss nicht die Rotation mit einschließen muss, wodurch keine vollständige Bestimmung mit sechs Freiheitsgraden vorliegt (6DOF). Bei drehbaren/rotationsfähigen Referenzadaptern wird das Koordinatensystem insbesondere auf der Analyse von zwei, vorzugsweise benachbarten, Referenzadaptern (mit jeweils dem optischen Referenzmarker) aufgebaut, das heißt auf Basis von zwei mal vier bestimmbaren Freiheitsgraden (2x 4 DOF) zu einem vollständigen Satz bestimmter Freiheitsgrade (1x 6DOF) und damit der nachverfolgten Lage des jeweiligen (zu dem Referenzadapter gehörigen) Knochens.In particular, a form-fitting coupling interface is provided between the bone fixation on the one hand and the (separate but connectable and detachable) reference adapter/tracking adapter on the other hand, whereby the form-fitting connection does not have to include rotation, which means that complete determination with six degrees of freedom (6DOF) is not possible. For rotatable/rotatable reference adapters, the coordinate system is constructed in particular on the basis of the analysis of two, preferably adjacent, reference adapters (each with the optical reference marker), i.e., based on two times four determinable degrees of freedom (2x 4 DOF) to form a complete set of determined degrees of freedom (1x 6DOF) and thus the tracked position of the respective bone (belonging to the reference adapter).
Es kann also eine räumliche Nachverfolgung (Tracking) bereitgestellt werden, wobei als weitere Option eine Registrierung zusätzlich erfolgen kann. Man kann aber auch anders registrieren, etwa indem man einen 3D-Scanner nachverfolgt.Spatial tracking can be provided, with registration as an additional option. However, registration can also be performed in other ways, such as tracking a 3D scanner.
Gemäß einem unabhängigen Aspekt wird ein zugehöriges analoges Verfahren bereitgestellt, welches auf Basis von zwei (angekoppelten) Referenzadaptern (als Tracker) das 6 DOF Koordinatensystem jedes einzelnen Knochens, insbesondere Wirbelkörpers, bestimmen kann. Mit der vorliegenden Offenbarung können die Referenzadapter und die optischen Referenzmarker neben fünf Freiheitsgraden (5 DOF) auch nur über vier Freiheitsgrade bestimmbar sein (4 DOF), wenn man z.B. nur die Achse im Raum kennt aber nicht einen speziellen Punkt auf der Achse. Über die Kombination von zwei Achsen mit je 4 DOF kann man dann ein 6 DOF Koordinaten-System (und damit die Lage) bestimmen. Man kann auch sagen das jeder Tracker maximal fünf Freiheitsgrade (5 DOF) hat, wobei man dann durch Kombination immer 6 DOF bestimmen kann. Ein wesentlicher Grundgedanke ist also, dass eine einzelne Knochenfixierung mit angekoppeltem Referenzadapter (als ein einzelner Tracker) nicht sechs Freiheitsgrade (6 DOF) hat, er also nicht Rotations-fixiert sein muss und kleiner sein kann.According to an independent aspect, a corresponding analog method is provided which can determine the 6 DOF coordinate system of each individual bone, in particular vertebral body, based on two (coupled) reference adapters (as trackers). With the present disclosure, the reference adapters and the optical reference markers can be determined using only four degrees of freedom (4 DOF) in addition to five degrees of freedom (5 DOF), for example if only the axis in space is known but not a specific point on the axis. By combining two axes, each with 4 DOF, a 6 DOF coordinate system (and thus the position) can then be determined. One can also say that each tracker has a maximum of five degrees of freedom (5 DOF), whereby 6 DOF can then always be determined by combination. A key basic idea is that a single bone fixation with a coupled reference adapter (as a single tracker) does not have six degrees of freedom (6 DOF), i.e. it does not have to be rotationally fixed and can be smaller.
Gemäß einer Ausführungsform kann zumindest eine Knochenfixierung, vorzugsweise alle Knochenfixierungen, insbesondere ein Stift oder können die Stifte, einen Schraubenschaft mit einem (Schraub)Außengewinde als distalen Knochenanker aufweisen, um in den Knochen eingeschraubt zu werden. Insbesondere kann der Schraubenschaft ähnlich eines Schraubenschafts einer Pedikelschraube gestaltet sein, etwa mit unterschiedlichen Gewindesteigungen und/oder einem Hohlschaft und/oder scharfen Schneidkanten. Der Schraubenschaft erstreckt sich distal und vorzugsweise koaxial zu dem übrigen Abschnitt der Knochenfixierung, insbesondere des Stifts. Insbesondere weist die Knochenfixierung, insbesondere der Stift (als besondere Ausführungsform der Knochenfixierung), zwei gegenüberliegende „End“-Abschnitte auf, einerseits den distalen Schraubenschaft und andererseits den proximalen Koppelabschnitt. Insbesondere können Knochenfixierungen, insbesondere die Stifte, also ein schraubenförmiges distales Ende haben. Alternativ kann die Knochenfixierung, insbesondere der Stift, einen Pin als distalen Knochenanker aufweisen, um in den Knochen, vorzugsweise in einem Dornfortsatz, fixiert zu werden. Eine solche Fixierung mittels eines Pins kann einfach und effizient durchgeführt werden, insbesondere da die Fixierung des Freiheitsgrades um die Rotationsachse durch den (Knochen-)Tracker, der beispielsweise fünf Freiheitsgrade (5-DOF) hat, nicht erforderlich ist. Eine Rotation um die Längsachse des Pins ist als frei möglich und wird für die Nachverfolgung nicht zwangsweise benötigt. In einer Ausführungsform kann das Knochen -Trackerset auch ein Set mit zwei Knochenfixierungen aufweisen, wobei eine erste Knochenfixierung einen Schraubenschaft hat und die zweite Knochenfixierung einen Pin als Knochenanker. So kann beispielsweise in einem großen Knochen die erste Knochenfixierung mittels des Schraubenschafts eingeschraubt werden, welche besonders fest und stabil sitzt, und in einen kleineren Knochen die zweite Knochenfixierung mit dem Pin, welcher vorzugsweise in Form eines Nagels ausgeführt ist, fixiert werden.According to one embodiment, at least one bone fixation, preferably all bone fixations, in particular a pin or the pins, can have a screw shaft with an external (screw) thread as a distal bone anchor for screwing into the bone. In particular, the screw shaft can be designed similarly to a screw shaft of a pedicle screw, for example with different thread pitches and/or a hollow shaft and/or sharp cutting edges. The screw shaft extends distally and preferably coaxially to the remaining portion of the bone fixation, in particular the pin. In particular, the bone fixation, in particular the pin (as a special embodiment of the bone fixation), has two opposite "end" portions: on the one hand, the distal screw shaft and, on the other hand, the proximal coupling portion. In particular, bone fixations, in particular the pins, can thus have a screw-shaped distal end. Alternatively, the bone fixation, in particular the pin, can have a pin as a distal bone anchor for fixation in the bone, preferably in a spinous process. Such fixation by means of a pin can be carried out simply and efficiently, in particular since the fixation of the degree of freedom around the rotation axis by the (bone) tracker, which has, for example, five degrees of freedom (5-DOF), is not required. Rotation around the longitudinal axis of the pin is freely possible and is not necessarily required for tracking. In one embodiment, the bone tracker set can also comprise a set with two bone fixations, wherein a first bone fixation has a screw shaft and the second bone fixation has a pin as Bone anchors. For example, in a large bone, the first bone fixation can be screwed in using the screw shaft, which is particularly firm and stable, and in a smaller bone, the second bone fixation can be secured using the pin, which is preferably in the form of a nail.
Vorzugsweise weisen die Knochenfixierungen, insbesondere Stifte, an dem proximalen Endabschnitt einen (radial vorstehenden) Kragen als Anschlag auf. Insbesondere ist der Kragen der Abschluss oder End-Anschlag des Koppelabschnitts, sodass an der Knochenfixierung, insbesondere dem Stift, angekoppelte Referenzadapter, insbesondere Hülsen, insbesondere der optische Referenzmarker, stets eine feste geometrische Beziehung zu der Knochenfixierung, insbesondere dem Stift und dem distalen Knochenanker haben. Hierdurch kann durch Erfassung des optischen Referenzmusters über die statische, feste Relation direkt auf den distalen Knochenanker und damit auf den Knochen geschlossen werden. Insbesondere verbleibt lediglich eine Rotation als Freiheitsgrad, das heißt die Hülse mit den optischen Referenzmarkern kann um die eigene Achse auf dem Stift gedreht werden. Insbesondere haben die Stifte einen Kragen am oder im Bereich des proximalen Endes, so dass die angekoppelte Hülse eine feste geometrische Beziehung zu dem Stift und dem distalen Knochenanker hat. Mit dem Anschlag können also fünf Freiheitsgrade (5 DOF) bestimmt werden, wohingegen ohne Anschlag nur vier Freiheitsgrade bestimmbar sind (4DOF). In beiden Fälle ist die Rotation offen, so dass man immer zwei Tracker bzw. Knochenfixierungen mit Referenzadaptern braucht, um die vollständige Lage mit sechs Freiheitsgraden (6DOF Lage) zu bestimmen.Preferably, the bone fixations, in particular pins, have a (radially protruding) collar at the proximal end portion as a stop. In particular, the collar is the end or end stop of the coupling portion, so that reference adapters, in particular sleeves, in particular the optical reference marker, coupled to the bone fixation, in particular the pin, always have a fixed geometric relationship to the bone fixation, in particular the pin and the distal bone anchor. By detecting the optical reference pattern, the static, fixed relationship can be used to directly determine the distal bone anchor and thus the bone. In particular, only rotation remains as a degree of freedom, i.e., the sleeve with the optical reference markers can be rotated around its own axis on the pin. In particular, the pins have a collar at or in the region of the proximal end, so that the coupled sleeve has a fixed geometric relationship to the pin and the distal bone anchor. With the stop, five degrees of freedom (5 DOF) can be determined, whereas without the stop, only four degrees of freedom can be determined (4 DOF). In both cases, the rotation is open, so that two trackers or bone fixations with reference adapters are always needed to determine the complete position with six degrees of freedom (6DOF position).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Stifte eine zylinderförmige Außenkontur als Koppelabschnitt aufweisen und die Hülse einen hohlzylinderförmigen Gegen-Koppelabschnitt aufweisen, der entsprechend dafür angepasst ist, über die zylinderförmige Außenkontur werkzeuglos aufgesteckt zu werden bzw. aufsteckbar zu sein, insbesondere mittels Spielpassung etwa d"78 oder d )für ein leichtes an- und abkoppeln (mit auf- und abschieben) oder einer Übergangspassung für ein stabiles Koppeln (etwa d67, wobei vorzugsweise im Bereich der Stirnseite der zylinderförmigen Außenkontur des Koppelabschnitts ein Außengewinde vorgesehen ist und in der hohlzylinderförmigen Gegen-Koppelstruktur ein komplementäres Innengewinde, um ein werkzeugloses sicheres an- und abkoppeln bereitzustellen. Insbesondere in Kombination mit einem Gewinde kann zunächst die Hülse aufgeschoben werden und mittels etwa einer halben Umdrehung oder einer ganzen Umdrehung gesichert werden. Mittels der zylinderförmigen Außenkontur (des Koppelabschnitts) des Stifts, insbesondere mit einem Kragen an einem distalen Ende des Koppelabschnitts, und der hohlzylinderförmigen Hülse, welche sich einfach aufschieben lässt, kann ein effizientes und sicheres System bzw. Set zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere beträgt ein Durchmesser des Koppelabschnitts minimal 2mm, vorzugsweise 4mm und/oder maximal 10mm, vorzugsweise maximal 5mm. Die Hülse kann so während des Eingriffs leicht werkzeuglos angekoppelt (montiert) und abgekoppelt (demontiert) werden, so dass die Hülse nur dann angekoppelt wird, wenn eine Navigation erforderlich ist.According to a further embodiment, the pins can have a cylindrical outer contour as a coupling section and the sleeve can have a hollow cylindrical counter-coupling section, which is adapted to be plugged or pluggable over the cylindrical outer contour without tools, in particular by means of a clearance fit approximately d"78 or d ) for easy coupling and uncoupling (by pushing on and off) or a transition fit for stable coupling (approximately d67 , wherein an external thread is preferably provided in the area of the front side of the cylindrical outer contour of the coupling section and in the hollow cylindrical counter-coupling structure a complementary internal thread to provide tool-free, secure coupling and uncoupling. Particularly in combination with a thread, the sleeve can first be pushed on and secured by approximately half a turn or a full turn. By means of the cylindrical outer contour (of the coupling section) of the pin, in particular with a collar at a distal end of the coupling section, and the hollow cylindrical sleeve, which can be easily pushed on, an efficient and secure system or set can be provided. In particular, a diameter of the coupling section is a minimum of 2 mm, preferably 4 mm and/or a maximum of 10 mm, preferably a maximum of 5 mm. The sleeve can thus be easily coupled (mounted) and uncoupled (dismounted) during the procedure without tools, so that the sleeve is only coupled when navigation is required.
Insbesondere kann der Koppelabschnitt (als oder mit der Koppelstruktur) und die Gegen-Koppelstruktur im angekoppelten Zustand eine magnetische Verbindung/Kupplung (aus-)bilden, vorzugsweise zumindest einer der beiden Koppelstrukturen einen Magneten aufweisen, der die magnetische Verbindung bildet. Bei zwei Magneten müssen diese eine gegensätzliche Polarität aufweisen, bei einem Magneten reicht eine metallische (magnetisch anziehende) Struktur auf der Gegenseite. So kann mittels der magnetischen Anbringung ein Risiko einer Relativbewegung in axialer Richtung verhindert oder zumindest minimiert werden. Es wird mit anderen Worten also eine Magnet-Kupplung bereitgestellt, welche unabhängig von der Form des Koppelabschnitts und der Gegen-Koppelstruktur (als formschlüssiges Interface) ist. Die Magnet-Kupplung erlaubt eine stabile Verbindung ohne Werkzeug. Man kann auch sagen, dass eine Art Verschlusssicherung mittels der Magnet-Kupplung bereitgestellt wird.In particular, the coupling section (as or with the coupling structure) and the counter-coupling structure can form a magnetic connection/coupling when coupled, preferably at least one of the two coupling structures has a magnet that forms the magnetic connection. With two magnets, these must have opposite polarity; with one magnet, a metallic (magnetically attractive) structure on the opposite side is sufficient. Thus, the risk of relative movement in the axial direction can be prevented or at least minimized by means of the magnetic attachment. In other words, a magnetic coupling is provided which is independent of the shape of the coupling section and the counter-coupling structure (as a form-fitting interface). The magnetic coupling allows for a stable connection without tools. One could also say that a type of locking device is provided by means of the magnetic coupling.
Vorzugsweise beträgt eine Abmessung der zylinderförmigen Koppelstruktur in axialer Richtung mindestens 15mm, bevorzugt mindestens 30mm, sodass die Koppelstruktur eine ausreichende Länge für eine Kopplung bereitstellt.Preferably, a dimension of the cylindrical coupling structure in the axial direction is at least 15 mm, preferably at least 30 mm, so that the coupling structure provides a sufficient length for a coupling.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann auch die Knochenfixierung eine proximale Hülse aufweisen und der Referenzadapter als Stift ausgebildet sein, wobei vorzugsweise an einem proximalen Kopf der optische Referenzmarker angebracht ist. In dieser Ausführungsform ist also Stift und Hülse umgekehrt zu der vorstehend beschriebenen (besonderen) Ausführungsform.According to another embodiment, the bone fixation can also have a proximal sleeve and the reference adapter can be designed as a pin, wherein The optical reference marker is preferably attached to a proximal head. In this embodiment, the pin and sleeve are reversed compared to the (special) embodiment described above.
Vorzugsweise beträgt eine Abmessung des Endabschnitts der Knochenfixierung, insbesondere des Stifts, mindestens 30mm, um aus im implantierten Zustand aus einer Haut des Patienten hervorzustehen.Preferably, a dimension of the end portion of the bone fixation, in particular of the pin, is at least 30 mm in order to protrude from a skin of the patient in the implanted state.
Gemäß einer Ausführungsform kann zumindest einer der Referenzadapter oder die zumindest zwei Referenzadapter einen proximalen Kopf mit dem optischen Referenzmarker haben.According to one embodiment, at least one of the reference adapters or the at least two reference adapters may have a proximal head with the optical reference marker.
Gemäß einer Ausführungsform kann der proximale Kopf rotationssymmetrisch ausgebildet sein.According to one embodiment, the proximal head can be rotationally symmetrical.
Gemäß einer Ausführungsform kann der proximale Kopf als ein Rotationskörper ausgebildet sein.According to one embodiment, the proximal head may be designed as a rotational body.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Hülse einen proximalen Hülsenkopf, insbesondere einen konisch geformten Hülsenkopf (ähnlich eines Schirms) aufweisen, mit dem optischen Referenzmarker haben, auf dessen Außenfläche (des Hülsenkopfs) ein optisches Muster, insbesondere ein umlaufender QR-Code, als optischer Referenzmarker ein- oder aufgebracht ist, etwa aufgedruckt oder eingraviert ist. Der optische Referenzkörper kann also ein optisches Muster mit charakteristischen visuellen Merkmalen sein.According to one embodiment, the sleeve can have a proximal sleeve head, in particular a conically shaped sleeve head (similar to an umbrella), with an optical reference marker, on whose outer surface (of the sleeve head) an optical pattern, in particular a circumferential QR code, is incorporated or applied as an optical reference marker, for example, printed or engraved. The optical reference body can thus be an optical pattern with characteristic visual features.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Referenzadapter, insbesondere die Hülse, einen proximalen Kopf, insbesondere Hülsenkopf, in Form einer Flachscheibe (flachen Scheibe) mit dem optischen Referenzmarker aufweisen, auf dessen (proximalen) Außenfläche (der Flachscheibe nach proximal) ein optisches Muster, insbesondere ein um laufender QR-Code, als optischer Referenzmarker ein- oder aufgebracht ist, etwa aufgedruckt oder eingraviert ist. Eine flache Scheibe ist kostengünstig herzustellen und bietet einen guten Blick von proximal her auf den optischen Referenzmarker. Die Flachscheibe ist konzentrisch zu der Längsachse angeordnet, und insbesondere symmetrisch um die Längsachse. In einer Ausführungsform weist die Flachscheibe eine kreisförmige Kontur auf. Alternativ kann die Flachscheibe auch eine ovale Umfangskontur haben.According to a further embodiment, the reference adapter, in particular the sleeve, can have a proximal head, in particular a sleeve head, in the form of a flat disc (flat disc) with the optical reference marker, on whose (proximal) outer surface (proximal to the flat disc) an optical pattern, in particular a circumferential QR code, is incorporated or applied as an optical reference marker, for example, printed or engraved. A flat disc is inexpensive to produce and offers a good view from the proximal side of the optical reference marker. The flat disc is arranged concentrically to the longitudinal axis, and in particular symmetrically around the longitudinal axis. In one embodiment, the flat disc has a circular contour. Alternatively, the flat disc can also have an oval peripheral contour.
Insbesondere kann der Referenzadapter einen proximalen Kopf mit zwei beabstandeten, koaxial zu einer Längsachse des Referenzadapters angeordneten Marker-Kugeln aufweist, welche zusammen den proximalen optischen Referenzmarker bilden. Als optischer Referenzmarker werden also zwei auf der Längsachse des Referenzadapters liegende Marker-Kugeln verwendet, mit diesen Marker-Kugeln lässt sich eine Gerade im Raum durch einen Bezugspunkt (also 4DOF), ferner vorzugsweise sogar mit einem Bezugspunkt (5DOF) bestimmen.In particular, the reference adapter can have a proximal head with two spaced-apart marker spheres arranged coaxially with a longitudinal axis of the reference adapter, which together form the proximal optical reference marker. Two marker spheres located on the longitudinal axis of the reference adapter are used as the optical reference marker. These marker spheres can be used to determine a straight line in space through a reference point (i.e., 4DOF), and preferably even with a reference point (5DOF).
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Referenzadapter, insbesondere die Hülse, einen proximalen Kopf, insbesondere Hülsenkopf mit zumindest zwei konzentrischen Ringen aufweisen, insbesondere genau zwei Ringe haben, die zueinander beabstandet und sowohl konzentrisch zueinander als auch zu einer Längsachse der Hülse angeordnet sind, sodass die Ringe bei Kopplung des Referenzadapters mit der Knochenfixierung, insbesondere der Hülse mit dem Stift, auch ihren Mittelpunkt in der Achse der Knochenfixierung, insbesondere des Stifts, haben. Der optische Referenzkörper kann also insbesondere zwei Ringen aufweisen oder aus diesen bestehen, wobei beide Ringe letztlich im angekoppelten Zustand ihren Mittelpunkt in der Achse (insbesondere des Stifts) haben. Um die Ringe also besser nachzuverfolgen können, reicht es aus, wenn nur eine Position des Rings von der optischen Kamera erfassbar ist, damit der Ring (mittels der angepassten Steuereinheit) extrapoliert und der Mittelpunkt des Rings bestimmt werden kann.According to a further embodiment, the reference adapter, in particular the sleeve, can have a proximal head, in particular a sleeve head, with at least two concentric rings, in particular exactly two rings, which are spaced apart from one another and arranged both concentrically to one another and to a longitudinal axis of the sleeve, so that when the reference adapter is coupled to the bone fixation, in particular the sleeve to the pin, the rings also have their center point in the axis of the bone fixation, in particular the pin. The optical reference body can therefore in particular have or consist of two rings, whereby both rings ultimately have their center point in the axis (in particular of the pin) when coupled. In order to be able to track the rings better, it is sufficient if only one position of the ring can be detected by the optical camera so that the ring can be extrapolated (by means of the adapted control unit) and the center point of the ring can be determined.
Vorzugsweise können die zumindest zwei konzentrischen Ringe jeweils ein eindeutiges optisches Muster aufweisen und/oder einen unterschiedlichen Durchmesser haben, um die optische Nachverfolgung zu verbessern. Hierdurch kann direkt auf einen distalen und proximalen Ring geschlossen werden, wodurch die Lage bis auf etwa einen Rotationsgrade eineindeutig bestimmbar ist. Jeder Ring kann insbesondere ein eindeutiges optisches Musteraufweisen, um die Lokalisierung des Rings mit der optischen Kamera zu erleichtern.Preferably, the at least two concentric rings can each have a unique optical pattern and/or a different diameter to improve optical tracking. This allows a direct conclusion to be drawn about a distal and proximal ring, whereby the position can be determined unambiguously up to approximately one degree of rotation. Each ring can, in particular, have a have a unique optical pattern to facilitate localization of the ring with the optical camera.
Die vorliegende Offenbarung betrifft auch ein Knochennachverfolgungssystem zur Nachverfolgung, und ferner vorzugsweise zur Registrierung, von zumindest zwei Knochen (mehrerer Knochen) relativ zueinander, insbesondere von zumindest zwei Wirbelsäulenknochen, wobei dieses aufweist: ein Knochen-Trackerset gemäß der vorliegenden Offenbarung, eine optische Kamera zur optischen Erfassung der optischen Referenzmarker des Knochen-Trackersets und zur räumlichen Nachverfolgung durch ein Navigationssystem, eine visuelle Darstellungsvorrichtung, insbesondere einen OP-Monitor, und eine Steuereinheit die speziell dafür angepasst ist, die zumindest zwei optischen Referenzmarker über die optische Kamera zu erfassen und räumlich nachzuverfolgen und für jeden optischen Referenzmarker (den an die Knochenfixierung angekoppelten Referenzadapter, insbesondere der an den Stift gekoppelten Hülse) eine Lagebestimmung mit maximal fünf, insbesondere vier oder fünf, Freiheitsgraden (5DOF) durchzuführen und die Steuereinheit dafür angepasst ist, auf Basis von zwei, insbesondere benachbarten, optischen Referenzmarkern den verbleibenden sechsten Freiheitsgrad (bei 5 DOF) oder auch fünften und sechsten Freiheitsgrad (bei 4DOF) zu bestimmen, und in einem Live-Tracking-Modus die Lage der Knochen relativ zueinander über die Darstellungsvorrichtung visuell auszugeben, insbesondere mit eingeblendeten anatomischen Parametern, wie vorzugsweise einer sagittalen Ebene oder Balance. In dieser Offenbarung wird also ein Knochen -Tracking- System vorgeschlagen, das die Verfolgung mehrerer Knochen mit minimalinvasiven Knochenankern und (optischen) Referenzkörpern mit kleinem Profil ermöglicht.The present disclosure also relates to a bone tracking system for tracking, and further preferably for registering, at least two bones (multiple bones) relative to one another, in particular at least two spinal bones, said system comprising: a bone tracker set according to the present disclosure, an optical camera for optically capturing the optical reference markers of the bone tracker set and for spatial tracking by a navigation system, a visual display device, in particular a surgical monitor, and a control unit which is specifically adapted to capture the at least two optical reference markers via the optical camera and to spatially track them and to carry out a position determination with a maximum of five, in particular four or five, degrees of freedom (5DOF) for each optical reference marker (the reference adapter coupled to the bone fixation, in particular the sleeve coupled to the pin), and the control unit is adapted to determine the remaining sixth degree of freedom (in the case of 5 DOF) or also the fifth and sixth degrees of freedom (in the case of 4DOF) on the basis of two, in particular adjacent, optical reference markers, and in a live tracking mode, the position The bones are to be visually output relative to one another via the display device, in particular with superimposed anatomical parameters, such as preferably a sagittal plane or balance. This disclosure therefore proposes a bone tracking system that enables the tracking of multiple bones using minimally invasive bone anchors and (optical) reference bodies with a small profile.
Ein insbesondere stiftförmiger Knochenanker (Stift mit distalem Knochenanker als Ausführungsform der Knochenfixierung) wird in den Knochen, etwa einen Dornfortsatz, eingeführt, bis eine ausreichende Längsstabilität erreicht ist. Während der distale Abschnitt des Stifts (als Knochenfixierung) an oder in dem Knochen verankert ist, insbesondere innerhalb des Knochens sitzt, ragt der proximale Abschnitt des Stifts in einem implantierten Zustand außerhalb der Haut des Patienten heraus. Hierbei ist eine Rotationsstabilität nicht erforderlich. Vorliegend werden mindestens zwei Knochen (etwa Wirbelkörper) verankert. Der proximale Abschnitt des Stifts ist so gestaltet bzw. konfiguriert, dass er mit einer separaten Hülse koppelbar ist, insbesondere in eine separate Hülse passt, die über den proximalen Teil des Stifts mit einer festen geometrischen Beziehung zum distalen Teil des Stifts eingesetzt wird. Die Hülse wiederum trägt einen optischen Referenzmarker bzw. Referenzkörper, der die Verfolgung mit einer optischen Kamera ermöglicht. So kann insbesondere der Stift in den Knochen eingeschraubt werden, wobei eine End-Drehlage/End-Rotation des Stifts nicht zwingend eingehalten werden muss und eine Flexibilität und Handhabung am Operationstisch erhöht.A particularly pin-shaped bone anchor (pin with distal bone anchor as an embodiment of bone fixation) is inserted into the bone, for example a spinous process, until sufficient longitudinal stability is achieved. While the distal section of the pin (as bone fixation) is anchored to or in the bone, in particular sits within the bone, the proximal section of the pin protrudes outside the patient's skin when implanted. Rotational stability is not required here. In this case, at least two bones (for example vertebral bodies) are anchored. The proximal section of the pin is designed or... Configured to be coupled to a separate sleeve, specifically, to fit into a separate sleeve that is inserted over the proximal part of the pin with a fixed geometric relationship to the distal part of the pin. The sleeve, in turn, carries an optical reference marker or reference body that enables tracking with an optical camera. This allows, in particular, the pin to be screwed into the bone without necessarily maintaining a final rotational position of the pin, increasing flexibility and handling on the operating table.
Je Knochen können jedoch nur (maximal) fünf Freiheitsgrade bestimmt werden (5 DOF), insbesondere vier oder fünf Freiheitsgrade (4DOF oder 5DOF), da das Knochennachverfolgungssystem bzw. das Knochen-Trackingset eine Rotationssymmetrie um eine Achse des Stiftes aufweisen bzw. sich um die Achse drehen lassen. Genauer gesagt, wird insbesondere eine Achse im Raum lokalisiert, mit einem Bezugspunkt, das heißt mit fünf Freiheitsgraden (5 DOF). Der optische Referenzmarker, insbesondere das optische Muster, kann daher symmetrisch um die Achse des Stifts sein und ein niedriges Profil relativ zu der Achse des Stifts aufweisen. Um alle sechs Freiheitsgrade zu bestimmen (also die vollen 6 DOF), wird ein Stift und eine Hülse (als Referenzkörper) eines, insbesondere benachbarten, Knochens verwendet, um (zumindest) den fehlenden Rotationsfreiheitsgrad zu bestimmen, also den fehlende Rotations-Freiheitsgrad (Rotations-DOF) mit einzuschließen. Daher wird die Verfolgung der Lage und der beiden Rotationsparameter des ersten Knochens nicht durch die Lage des zweiten Knochens beeinflusst. Da die Rotation des ersten Knochens um die Achse des Stifts innerhalb der gegebenen Wirbelsäule sehr unwahrscheinlich, d. h. sehr klein ist, können Fehler einer solchen Bewegung vernachlässigt werden. Um den Fehler des sechsten Freiheitsgrads (6 DOF), der von einem weiteren, insbesondere benachbarten, Knochen bestimmt wird, weiter zu verringern, können mehrere, insbesondere benachbarte, Knochen zur Bestimmung des fehlenden sechsten Freiheitsgrads des ersten Knochens herangezogen bzw. verwendet werden. Die Knochen müssen nicht zwangsweise direkt benachbart sein. Es kann beispielsweise auch der übernächste Knochen, insbesondere übernächste Wirbelkörper verwendet werden, um (mittels des optischen Referenzmarkers) den fehlenden Freiheitgrad zu ermitteln. Vorzugsweise kann das Knochennachverfolgungssystem einen intraoperativen 3D-Röntgenscanner aufweisen, und die Steuereinheit dafür angepasst sein, den Stift, insbesondere einen distalen Abschnitt hiervon, in einer 3D-Röntgenaufnahme räumlich zu erfassen (und ggf. vorzugsweise auch nachzuverfolgen) und den Stift in der Röntgenaufnahme mit dem optischen Referenzmarker einer optischen Aufnahme der optischen Kamera zu korrelieren, um insbesondere eine Registrierung, vorzugsweise des Patienten, durchzuführen. Somit ist das Knochennachverfolgungssystem auch in der Lage, einen Patienten mit einem intraoperativen 3D-Röntgenscanner zu registrieren. Beispielsweise werden die Stifte zunächst in alle zu behandelnden Wirbelkörper eingesetzt. Dann wird ein 3D-Röntgenscan/3D-Röntgenaufnahme aufgenommen. Mit dem 3D-Röntgendatensatz bzw. der 3D-Röntgenaufnahme wird dann die Lage des distalen Endes der Stifte bestimmt. In dem 3D-Datensatz müssen die Wirbelkörper segmentiert und separat registriert werden. Die Korrelation zwischen dem distalen Ende der Stifte und der aufgesetzten Hülse ist konstruktionsbedingt bekannt. Mit der optischen Kamera werden die Hülsen mit dem optischen Referenzmarker (bzw. --körper) lokalisiert. Mit jedem Stift können fünf Freiheitsgrade (5 DOF) bestimmt werden (lediglich eine Rotation um den Stift fehlt). Bei Verwendung von zwei Stiften können die vollen sechs Freiheitsgrade (6 DOF) bestimmt werden, so dass ein vollständiges räumliches Tracking möglich ist. Somit werden auch für die räumliche Nachverfolgung (das Tracking) mindestens zweier Knochen zwei Stifte und Hülsen benötigt. Darüber hinaus kann ggf. mittels zusätzlicher Merkmale an dem Stift oder den Stiften, die in dem 3D-Röntgen-scan zu sehen sind, eine Registrierung erfolgen. Es ist jedoch so, dass auch in dem 3D-Röntgenscan die Hülse nur mit fünf Freiheitgraden detektierbar ist (5 DOF).However, only (a maximum of) five degrees of freedom (5 DOF) can be determined per bone, in particular four or five degrees of freedom (4 DOF or 5 DOF), because the bone tracking system or bone tracking set has a rotational symmetry around a pin axis or can rotate around the axis. More precisely, one axis in particular is localized in space, with a reference point, i.e., with five degrees of freedom (5 DOF). The optical reference marker, in particular the optical pattern, can therefore be symmetrical around the pin axis and have a low profile relative to the pin axis. To determine all six degrees of freedom (i.e., the full 6 DOF), a pin and a sleeve (as a reference body) of a bone, especially a neighboring bone, are used to determine (at least) the missing rotational degree of freedom, i.e., to include the missing rotational degree of freedom (rotational DOF). Therefore, the tracking of the position and the two rotational parameters of the first bone is not influenced by the position of the second bone. Since the rotation of the first bone around the axis of the pin is very unlikely, i.e. very small, within the given spine, errors of such a movement can be neglected. To further reduce the error of the sixth degree of freedom (6 DOF), which is determined by another, particularly adjacent, bone, several, particularly adjacent, bones can be consulted or used to determine the missing sixth degree of freedom of the first bone. The bones do not necessarily have to be directly adjacent. For example, the next but one bone, in particular the next but one vertebral body, can also be used to determine the missing degree of freedom (using the optical reference marker). Preferably, the bone tracking system can comprise an intraoperative 3D X-ray scanner, and the control unit can be adapted to spatially capture (and optionally preferably also track) the pin, in particular a distal portion thereof, in a 3D X-ray image and to correlate the pin in the X-ray image with the optical reference marker of an optical image of the optical camera, in particular to perform registration, preferably of the patient. Thus, the bone tracking system is also capable of registering a patient using an intraoperative 3D X-ray scanner. For example, the pins are first inserted into all vertebral bodies to be treated. Then, a 3D X-ray scan/3D X-ray image is taken. The position of the distal end of the pins is then determined using the 3D X-ray dataset or the 3D X-ray image. The vertebral bodies must be segmented and registered separately in the 3D dataset. The correlation between the distal end of the pins and the attached sleeve is known by design. The sleeves are located using the optical camera with the optical reference marker (or body). With each pin, five degrees of freedom (5 DOF) can be determined (only rotation around the pin is missing). When using two pins, the full six degrees of freedom (6 DOF) can be determined, enabling complete spatial tracking. Thus, two pins and sleeves are required for the spatial tracking of at least two bones. Furthermore, registration can be achieved if necessary using additional features on the pin(s) that are visible in the 3D X-ray scan. However, even in the 3D X-ray scan, the sleeve can only be detected with five degrees of freedom (5 DOF).
Insbesondere kann eine Registrierung mit zwei Knochenfixierungen, insbesondere Stiften, im 3D-Röntgenscan („X-Ray Bild“) vorgenommen werden. Hierbei liefern die Knochenfixierungen, insbesondere Stifte, zunächst nur vier Freiheitsgrade (4 DOF) (eine Gerade im Raum). Durch Auswertung von zwei Knochenfixierungen, insbesondere zwei Stiften, kann man dann aus 2x 4DOF eine 6 DOF Registrierung bestimmen (2 windschiefe Geraden spannen ein Koordinatensystem auf). Das geht allerdings nur, wenn die Geraden nicht parallel sind. Ansonsten muss man für mindestens einer der Geraden auch einen Punkt auf der Geraden bestimmen - das kann insbesondere das distale Ende sein. Damit hat man fünf Freiheitsgrade bestimmt (5 DOF) und kann auch bei parallelen Geraden eindeutig eine Registrierung durchführen.In particular, a registration with two bone fixations, especially pins, can be performed in the 3D X-ray scan ("X-ray image"). Here, the bone fixations, especially pins, initially only provide four degrees of freedom (4 DOF) (a straight line in space). By evaluating two bone fixations, especially two pins, one can then determine a 6 DOF registration from 2x 4 DOF (two skew lines span a coordinate system). However, this only works if the lines are not parallel. Otherwise, one must At least one of the lines also determines a point on the line—this can be the distal end, in particular. This determines five degrees of freedom (5 DOF), allowing for unambiguous registration even for parallel lines.
In einer Ausführungsform kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, bei optischen Referenzmarkern in Form von zumindest zwei Ringen die Position, insbesondere Lage, jedes Rings durch die optische Kamera zu erfassen und mittels Berechnung, insbesondere Extrapolation, den ersten Mittelpunkt des ersten Rings und den zweiten Mittelpunkt des zweiten Rings zu bestimmen, um mittels der Bestimmung der zwei Mittelpunkte die Lage des Stifts (und damit die Lage des zugehörigen Knochens) zu bestimmen.In one embodiment, the control unit can be adapted to detect the position, in particular the location, of each ring using the optical camera in the case of optical reference markers in the form of at least two rings and to determine the first center point of the first ring and the second center point of the second ring by means of calculation, in particular extrapolation, in order to determine the location of the pin (and thus the location of the associated bone) by means of the determination of the two center points.
Gemäß einer Ausführungsform kann die optische Kamera eine Weißlichtkamera oder eine Infrarotkamera sein.According to one embodiment, the optical camera may be a white light camera or an infrared camera.
Insbesondere kann das Knochennachverfolgungssystem einen medizinischen mobilen Wagen aufweisen, der die optische Kamera trägt und der insbesondere so angepasst ist, neben einen Operationstisch platzierbar zu sein. So kann die optische Kamera auf einem Wagen montiert werden, der neben dem OP-Tisch stehen kann.In particular, the bone tracking system may comprise a mobile medical cart carrying the optical camera, which is particularly adapted to be placed next to an operating table. Thus, the optical camera may be mounted on a cart that may be positioned next to the operating table.
Vorzugsweise kann während der Röntgenaufnahme die Position der optischen Referenzmarker auch mit einem Mikroskop erfasst werden, und die Position des 3D- Röntgenscanners/Röntgensystems kann ebenso mit dem Mikroskop erfasst werden, wobei das Röntgensystem bzw. Röntgengerät kalibriert ist. Auf diese Weise kann über zwei Erfassungsmodi die Lage der Referenzmarker bestimmt werden.Preferably, the position of the optical reference markers can also be recorded with a microscope during the X-ray image acquisition, and the position of the 3D X-ray scanner/X-ray system can also be recorded with the microscope, with the X-ray system or X-ray device being calibrated. In this way, the position of the reference markers can be determined using two acquisition modes.
Vorzugsweise kann das Knochennachverfolgungssystem einen medizinischen Roboter aufweisen und die optische Kamera an einem Roboterarm des Roboters angebunden sein, wobei die Kamera mittels des Roboterarms über einen Patienten positionierbar ist, um Sichtlinienprobleme zu vermeiden oder zu minimieren. Mit anderen Worten kann die optische Kamera an einem Roboterarm montiert werden, der über dem Patienten positionierbar ist, wodurch Probleme mit der Sichtlinie minimiert werden.Preferably, the bone tracking system may comprise a medical robot and the optical camera may be attached to a robot arm of the robot, wherein the camera may be positioned over a patient by means of the robot arm to avoid or minimize line-of-sight problems. In other words, the optical camera may be mounted on a robot arm that can be positioned above the patient, minimizing line-of-sight problems.
Insbesondere kann die optische Kamera ein chirurgisches Visualisierungssystem, insbesondere ein Exoskop sein oder in einem solchen vorkommen, welches zwei Funktionen ausführt, einer chirurgischen Visualisierung als auch einer optischen Nachverfolgung, oder die optische Kamera eine zu einem chirurgischen Visualisierungssystem, wie einem Exoskop, separate optische Kamera ist, die insbesondere neben einem Exoskop positionierbar ist. Mit anderen Worten kann die optische Kamera gleichzeitig ein chirurgisches Visualisierungssystem wie ein Exoskop oder eine separate Kamera sein, die neben dem Exoskop positionierbar ist.In particular, the optical camera can be a surgical visualization system, in particular an exoscope, or be present in such a system, which performs two functions: surgical visualization and optical tracking, or the optical camera can be a separate optical camera from a surgical visualization system, such as an exoscope, which can be positioned in particular next to an exoscope. In other words, the optical camera can simultaneously be a surgical visualization system, such as an exoscope, or a separate camera that can be positioned next to the exoscope.
In einer Ausführungsform kann neben dem Live-Tracking-Modus das Knochennachverfolgungssystem auch in einem Abtast-Modus betreibbar sein, in welchem die Steuereinheit dafür angepasst ist, die optische Kamera mittels eines Roboterarm derart zu bewegen, dass diese die optischen Muster abtastet und die Positionen, insbesondere Lagen, der Wirbelkörper in Bezug zueinander in einer statischen Anzeige über die Darstellungsvorrichtung visuell ausgibt. In anderen Worten kann also neben dem Live-Tracking-Modus kann auch ein Abtast-Modus vorgesehen sein, bei dem die optische Kamera die optischen Referenzmarker, insbesondere die optischen Muster, abfährt und abtastet und die Lagen der Wirbelkörper in Bezug zueinander in einer statischen Anzeige darstellt. Ein solcher Vorgang kann jedes Mal wiederholt werden, wenn die Knochen, insbesondere die Wirbelsäule, neu positioniert werden.In one embodiment, in addition to the live tracking mode, the bone tracking system can also be operated in a scanning mode, in which the control unit is adapted to move the optical camera by means of a robot arm such that the camera scans the optical patterns and visually outputs the positions, in particular the locations, of the vertebral bodies in relation to one another in a static display via the display device. In other words, in addition to the live tracking mode, a scanning mode can also be provided, in which the optical camera moves along and scans the optical reference markers, in particular the optical patterns, and displays the locations of the vertebral bodies in relation to one another in a static display. Such a process can be repeated each time the bones, in particular the spine, are repositioned.
Insbesondere weist der Stift solche Maße auf, mindestens 1 cm, vorzugsweise mindestens 3cm, in einem in dem Knochen verankerten Zustand aus der Haut des Patienten hervorzugstehen.In particular, the pin has dimensions such that it protrudes from the patient's skin by at least 1 cm, preferably at least 3 cm, when anchored in the bone.
Insbesondere kann die optische Kamera bei einer Montage an einem Roboterarm leicht positioniert werden, um die Ergonomie für die Chirurgen nicht zu beeinträchtigen und gleichzeitig eine gute Verfolgung zu ermöglichen. Vorzugsweise kann in einer Speichereinheit eine Pre-OP-Planungssoftware bereitgestellt werden, die es dem Navigationssystem ermöglicht, die gewünschten Lagen zwischen den Knochen, insbesondere den Wirbelkörpern, im Voraus zu planen.In particular, when mounted on a robotic arm, the optical camera can be easily positioned so as not to compromise ergonomics for the surgeons while still allowing good tracking. Preferably, pre-operative planning software can be provided in a storage unit, which enables the navigation system to plan the desired positions between the bones, in particular the vertebral bodies, in advance.
Insbesondere kann die Steuereinheit dafür angepasst sein, intraoperativ die Lagen der Wirbelkörper zueinander in einem Live-Tracking-Modus anzuzeigen, wobei insbesondere anatomische Parameter wie die sagittate Balance berechnet und zusätzlich mit angezeigt werden.In particular, the control unit can be adapted to display the positions of the vertebral bodies relative to each other intraoperatively in a live tracking mode, whereby in particular anatomical parameters such as the sagittal balance are calculated and additionally displayed.
Insbesondere können mit dem Knochennachverfolgungssystem chirurgische Instrumente ebenso als Patiententracker verfolgt werden, wobei entweder dieselbe optische Kamera verwendet wird, um die optischen Referenzkörper bzw. optischen Referenzkörper der Instrumente zu verfolgen, oder die Instrumente mit einer separaten optischen (Instrumenten-) Kamera verfolgt werden, wobei beide Kameras aufeinander kalibriert oder zueinander verfolgt werden müssen.In particular, the bone tracking system can also be used to track surgical instruments as patient trackers, either using the same optical camera to track the optical reference bodies of the instruments, or tracking the instruments with a separate optical (instrument) camera, whereby both cameras must be calibrated or tracked to each other.
Die vorliegende Offenbarung betrifft auch ein Knochennachverfolgungsverfahren zur Nachverfolgung von zumindest zwei Knochen relativ zueinander, insbesondere von zumindest zwei Wirbelsäulenknochen, wobei dieses die Schritte aufweist: Nachverfolgen mittels eines Knochennachverfolgungssystems, insbesondere einem Knochennachverfolgungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung, von zwei Knochen-Trackern eines Knochen-Trackersets mit jeweils einer Knochenfixierung und einem Referenzadapter, insbesondere eines Knochen-Trackersets gemäß der vorliegenden Offenbarung, wobei der Referenzadapter jeweils einen proximalen optischen Referenzmarker aufweist;The present disclosure also relates to a bone tracking method for tracking at least two bones relative to one another, in particular at least two spinal bones, comprising the steps of: tracking, by means of a bone tracking system, in particular a bone tracking system according to the present disclosure, two bone trackers of a bone tracker set, each having a bone fixation and a reference adapter, in particular a bone tracker set according to the present disclosure, wherein the reference adapter each has a proximal optical reference marker;
Bestimmen einer Achse der ersten Knochenfixierung, insbesondere eines Einheitsvektors eines ersten Stifts, welche mit der Hauptachse der Knochenfixierung zusammenfällt;Determining an axis of the first bone fixation, in particular a unit vector of a first pin, which coincides with the main axis of the bone fixation;
Bestimmen eines Koordinatenursprungs der ersten Knochenfixierung;Determining a coordinate origin of the first bone fixation;
Bestimmen einer zweiten Linie oder Achse, die in der durch das erste optische Referenzmuster aufgespannten Ebene liegt die die Achse der zweiten Knochenfixierung schneidet;Determining a second line or axis lying in the plane spanned by the first optical reference pattern that intersects the axis of the second bone fixation;
Bestimmen der dritten Achse durch das Vektorprodukt der ersten Achse und der zweiten Achse;Determine the third axis by the vector product of the first axis and the second axis;
Bestimmen eines kartesischen Koordinatensystems der ersten Knochenfixierung und damit des ersten Knochens mit dem Koordinatenursprung und den drei Achsen für eine Nachverfolgung der Knochenfixierung und damit des Knochens.Determining a Cartesian coordinate system of the first bone fixation and thus of the first bone with the coordinate origin and the three axes for tracking the bone fixation and thus the bone.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein computerlesbares Speichermedium sowie ein Computerprogramm, das jeweils Befehle umfasst, die bei einer Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, die Verfahrensschritte des Knochennachverfolgungsverfahrens auszuführen.Another aspect of the present disclosure relates to a computer-readable storage medium and a computer program, each comprising instructions which, when executed by a computer, cause the computer to carry out the method steps of the bone tracking method.
Insbesondere kann die Steuereinheit (analog) des Knochennachverfolgungssystems dafür angepasst sein, die entsprechenden Schritte desIn particular, the control unit (analog) of the bone tracking system can be adapted to carry out the corresponding steps of the
Knochennachverfolgungsverfahrens auszuführen.bone tracking procedure.
Kurzbeschreibung der FigurenShort description of the characters
Die vorliegende Offenbarung wird anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme der begleitenden Figuren nachstehend erläutert. Es zeigen:The present disclosure will be explained below using preferred embodiments with reference to the accompanying figures. They show:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Knochennachverfolgungssystems einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit einem Knochen-Trackerset gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;Fig. 1 is a schematic view of a bone tracking system of a preferred embodiment of the present disclosure having a bone tracker set according to a first preferred embodiment of the present disclosure;
Fig. 2 eine detaillierte Ansicht des Knochen-Trackersets aus Fig. 1 ;Fig. 2 is a detailed view of the bone tracker set from Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Knochen-Trackersets gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform;Fig. 3 is a schematic view of a bone tracker set according to another preferred embodiment;
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Stifts des Knochen-Trackersets in einer Röntgenaufnahme; Fig. 5 eine weitere schematische Ansicht von Stiften des Knochen-Trackersets;Fig. 4 is a schematic view of a pin of the bone tracker set in an X-ray image; Fig. 5 is another schematic view of pins of the bone tracker set;
Fig. 6 eine schematische Ansicht eines Knochen-Trackingsets zur Erläuterung der Berechnungen und Beziehungen zwischen den Stiften und Hülsen einzelner Knochen;Fig. 6 is a schematic view of a bone tracking set to explain the calculations and relationships between the pins and sleeves of individual bones;
Fig. 7 eine schematische Ansicht eines Knochen-Trackersets gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mit Marker-Kugeln;Fig. 7 is a schematic view of a bone tracker set according to another preferred embodiment with marker spheres;
Fig. 8 eine schematische Ansicht eines Knochen-Trackersets gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform mit einer Flachscheibe; undFig. 8 is a schematic view of a bone tracker set according to another preferred embodiment with a flat disc; and
Fig. 9 ein Flussdiagramm eines Knochennachverfolgungsverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.Fig. 9 is a flowchart of a bone tracking method according to a preferred embodiment.
Die Figuren sind schematischer Natur und sollen nur dem Verständnis der Erfindung dienen. Gleiche Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele können untereinander ausgetauscht werden.The figures are schematic in nature and are intended only to assist in understanding the invention. Like elements are provided with the same reference numerals. The features of the various embodiments can be interchanged.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDetailed description of preferred embodiments
Fig. 1 zeigt ein Knochen-Trackerset 1 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung und ein Knochennachverfolgungssystem 100 gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, wobei in Fig. 2 eine detaillierte Ansicht des Knochen-Trackersets 1 dargestellt ist.Fig. 1 shows a bone tracker set 1 according to a first preferred embodiment of the present disclosure and a bone tracking system 100 according to a first preferred embodiment of the present disclosure, wherein Fig. 2 shows a detailed view of the bone tracker set 1.
Konkret ist in Fig. 1 (und Fig. 2) ein Knochen-Trackerset 1 für das Knochennachverfolgungssystem 100 zur Nachverfolgung und Registrierung von zumindest drei Wirbel(säulen)knochen (als Knochen) relativ zueinander gezeigt. Das Knochen-Trackerset 1 hat drei Stifte 2 (als Ausführungsform einer Knochenfixierung), die jeweils angepasst sind, mittels eines distalen Knochenankers 4 direkt in einem Wirbelknochen eines Patienten P befestigt zu werden. Bis auf den Knochenanker 4 sind die Stifte 2 im Wesentlichen rotationssymmetrisch gestaltet. Jeder Stift 2 weist einen proximalen Endabschnitt 6 mit einem einen Koppelabschnitt 8 zur Ankopplung von jeweils einer Hülse 10 (als Ausführungsform eines Referenzadapters) auf. Konkret sind drei separate Hülsen 10 vorgesehen, die einen proximalen optischen Referenzmarker 12 zur optischen (räumlichen) Nachverfolgung tragen. Die Hülsen 10 sind entsprechend dafür angepasst, an dem Koppelabschnitt 8 des Stifts 2 werkzeuglos angekoppelt oder abgekoppelt zu werden. Hierbei weisen die Hülsen 10 eine Gegen-Koppelstruktur 14 auf, welche nachstehend noch detaillierter beschrieben wird.Specifically, Fig. 1 (and Fig. 2) shows a bone tracker set 1 for the bone tracking system 100 for tracking and registering at least three vertebral (column) bones (as bones) relative to each other. The bone tracker set 1 has three pins 2 (as an embodiment of a bone fixation), each adapted to be fixed by means of a distal bone anchor 4 directly in a Vertebrae of a patient P. Except for the bone anchor 4, the pins 2 are essentially rotationally symmetrical. Each pin 2 has a proximal end section 6 with a coupling section 8 for coupling a sleeve 10 (as an embodiment of a reference adapter). Specifically, three separate sleeves 10 are provided, each carrying a proximal optical reference marker 12 for optical (spatial) tracking. The sleeves 10 are adapted to be coupled or uncoupled from the coupling section 8 of the pin 2 without the need for tools. The sleeves 10 have a counter-coupling structure 14, which will be described in more detail below.
Das Knochennachverfolgungssystem 100 (nachfolgend nur System 100 genannt) zur Nachverfolgung und Registrierung von den drei Wirbel(säulen)knochen relativ zueinander ist in Form eines robotergeführten Operationsmikroskops ausgeführt und hat wiederum eine optische Kamera 102 zur optischen Erfassung der optischen Referenzmarker 12 des Knochen-Trackersets 1 zur räumlichen Nachverfolgung durch ein Navigationssystem 104. Hierbei wird der Mikroskopkopf selbst als optische Kamera 102 verwendet, sodass die Kamera 102 sowohl für die chirurgische Visualisierung als auch für die optischen Nachverfolgung herangezogen wird. Das System 100 hat ferner eine visuelle Darstellungsvorrichtung 106 in Form eines OP-Monitors, welche optional auch um ein Head-Mounted-Display ergänzt werden kann. Zudem ist eine Steuereinheit 108 des Systems 100 speziell dafür angepasst, die zumindest drei optischen Referenzmarker 12 über die optische Kamera 102 zu erfassen und räumlich nachzuverfolgen und für jeden optischen Referenzmarker 12 eine Lagebestimmung mit fünf Freiheitsgraden (5DOF) durchzuführen. Hierfür ist die Steuereinheit 108 ferner dafür angepasst ist, auf Basis von zwei benachbarten optischen Referenzmarkern 12 den verbleibenden sechsten Freiheitsgrad zu bestimmen, und in einem Live-Tracking- Modus die Lage der Knochen relativ zueinander über die Darstellungsvorrichtung 106 visuell auszugeben, insbesondere mit eingeblendeten anatomischen Parametern, wie vorzugsweise einer sagittalen Ebene oder Balance. Insbesondere ist die Steuereinheit 108 dafür angepasst, eine solche Bestimmung durchzuführen, wie sie zu Fig. 6 beschrieben wird. Neben der optischen Kamera 102 weist das System 100 auch noch eine (separate) Navigationskamera 118 auf, welche u.a. die optische Kamera 102 mittels eines Starrkörpers mit vier Markern nachverfolgt. Das System 100 insgesamt ist auf einem medizinischen Wagen 112 angeordnet, so dass dieser im Operationssaal mobil platzierbar ist.The bone tracking system 100 (hereinafter referred to as system 100) for tracking and registering the three vertebral (column) bones relative to one another is designed in the form of a robot-guided surgical microscope and, in turn, has an optical camera 102 for optically capturing the optical reference markers 12 of the bone tracker set 1 for spatial tracking by a navigation system 104. The microscope head itself is used as the optical camera 102, so that the camera 102 is used for both surgical visualization and optical tracking. The system 100 further has a visual display device 106 in the form of an operating room monitor, which can optionally be supplemented with a head-mounted display. In addition, a control unit 108 of the system 100 is specially adapted to capture and spatially track the at least three optical reference markers 12 via the optical camera 102 and to perform a position determination with five degrees of freedom (5DOF) for each optical reference marker 12. For this purpose, the control unit 108 is further adapted to determine the remaining sixth degree of freedom based on two adjacent optical reference markers 12 and, in a live tracking mode, to visually output the position of the bones relative to one another via the display device 106, in particular with superimposed anatomical parameters, such as preferably a sagittal plane or balance. In particular, the control unit 108 is adapted to perform such a determination as described for Fig. 6. In addition to the optical camera 102, the system 100 also includes a (separate) navigation camera 118, which, among other things, tracks the optical camera 102 using a rigid body with four markers. The entire system 100 is mounted on a medical cart 112, allowing it to be placed in a mobile manner in the operating room.
Das System 100 hat in dieser Ausführungsform als robotergeführtes Operationsmikroskop einen medizinischen Roboter 114 wobei die optische Kamera 102 an einem mehrgliedrigen Roboterarm 116 des Roboters 114 angebunden ist, sodass die Kamera 102 mittels des Roboterarms 116 über den Patienten P positionierbar ist, wie in Fig. 1 gezeigt, um Sichtlinienprobleme zu vermeiden und eine präzise Nachverfolgung zu gewährleisten.In this embodiment, the system 100 has a medical robot 114 as a robot-guided surgical microscope, wherein the optical camera 102 is connected to a multi-jointed robot arm 116 of the robot 114, so that the camera 102 can be positioned over the patient P by means of the robot arm 116, as shown in Fig. 1, in order to avoid line-of-sight problems and to ensure precise tracking.
Nachstehend wird nun das Knochen-Trackerset 1 aus Fign. 1 und 2 im Detail beschrieben. Konkret hat in dieser Ausführungsform der Fign. 1 und 2 jeder Stift 2 einen distalen Schraubenschaft 16 mit einem Außengewinde 18 als distalen Knochenanker 4, der jeweils in einen Dornfortsatz des Wirbelknochens eingeschraubt ist. So ist der Stift 2 sicher in dem jeweiligen Knochen fixiert.The bone tracker set 1 shown in Figs. 1 and 2 is now described in detail. Specifically, in this embodiment shown in Figs. 1 and 2, each pin 2 has a distal screw shaft 16 with an external thread 18 as a distal bone anchor 4, which is screwed into a spinous process of the vertebral bone. Thus, the pin 2 is securely fixed in the respective bone.
Ferner haben die Stifte 2 an dem proximalen Endabschnitt 6 einen Kragen 18 als Axial-Anschlag, hier als End-Anschlag des Koppelabschnitts 8, sodass die an dem Stift 2 angekoppelte Hülsen 10 und dessen optischer Referenzmarker 12 stets eine feste geometrische Beziehung zu dem Stift 2 und dem distalen Knochenanker 4 haben. Hier ist insbesondere eine Spitze der Knochenschraube bzw. des Schraubenschafts als Referenz relevant. Beispielsweise beträgt ein Abstand zwischen dem Mittelpunkt des einen Rings zu der Schraubenspitze 60mm und von dem Mittelpunkt des proximalen Rings 65mm. Auf diese Weise kann mittels des Navigationssystems 104 durch die Erfassung des optischen Referenzmarkers 12 direkt auf den jeweiligen Knochen geschlossen werden, insbesondere, wenn mittels eines 3D-Röntgengeräts 110 eine Aufnahme mit implantierten Stiften 2 (und ggf. einer Registrierung mit 3D-Daten des Patienten) bereits durchgeführt wurde. Die Stifte 2 haben jeweils eine zylinderförmige Außenkontur 20 als Koppelabschnitt 8 und die Hülse 10 hat einen hohlzylinderförmigen Gegen- Koppelabschnitt 14, der entsprechend dafür angepasst ist, über die zylinderförmige Außenkontur 20 manuell von einem medizinischen Fachpersonal wie einem Chirurgen werkzeuglos aufgesteckt zu werden. Hierdurch lässt sich einfach und sicher der optische Referenzmarker 12 an- und abkoppeln. Wird also eine Navigation benötigt, so können die Hülsen 10 schnell aufgesteckt werden und für einen weiteren Eingriff auch wieder abgenommen werden, um etwa ein Sichtfeld zu vergrößern oder eine bessere Handhabung des Chirurgen in dem Bereich der Wirbelsäule zu ermöglichen.Furthermore, the pins 2 have a collar 18 on the proximal end section 6 as an axial stop, here as the end stop of the coupling section 8, so that the sleeves 10 coupled to the pin 2 and their optical reference marker 12 always have a fixed geometric relationship to the pin 2 and the distal bone anchor 4. In particular, a tip of the bone screw or screw shaft is relevant as a reference. For example, the distance between the center of one ring and the screw tip is 60 mm, and from the center of the proximal ring, 65 mm. In this way, the navigation system 104 can directly determine the respective bone by detecting the optical reference marker 12, particularly if an image with implanted pins 2 (and possibly a registration with 3D data of the patient) has already been taken using a 3D X-ray device 110. The pins 2 each have a cylindrical outer contour 20 as the coupling section 8, and the sleeve 10 has a hollow-cylindrical counter-coupling section 14, which is adapted to be manually attached without tools over the cylindrical outer contour 20 by a medical professional such as a surgeon. This allows the optical reference marker 12 to be easily and safely attached and detached. If navigation is required, the sleeves 10 can be quickly attached and removed again for a subsequent procedure, for example, to enlarge the field of view or to enable better handling by the surgeon in the spinal region.
In dieser Ausführungsform hat die Hülse 10 einen proximalen Hülsenkopf 24 mit genau zwei konzentrischen Ringen 30, die zueinander beabstandet und sowohl konzentrisch zueinander als auch zu einer Längsachse 32 der Hülse 10 angeordnet sind, sodass die Ringe 30 im angekoppelten Zustand der Hülse 10 mit dem Stift 2 auch ihren Mittelpunkt in der Achse des Stifts 2 haben. Die Ringe 30 können wie vorliegend eine andere farbliche Markierung aufweisen oder ein spezielles optisches Muster und/oder einen unterschiedlichen Durchmesser haben, beispielsweise kann der distale Ring 30 einen größeren Durchmesser als der andere Ring 30 haben. Beispielsweise können die Ringe 30 mittels radialer Streben, etwa drei Streben, an der Hülse 10 befestigt sein.In this embodiment, the sleeve 10 has a proximal sleeve head 24 with exactly two concentric rings 30, which are spaced apart from one another and arranged both concentrically to one another and to a longitudinal axis 32 of the sleeve 10, so that the rings 30, when the sleeve 10 is coupled to the pin 2, also have their center point in the axis of the pin 2. The rings 30 can, as in the present case, have a different color marking or a special optical pattern and/or a different diameter; for example, the distal ring 30 can have a larger diameter than the other ring 30. For example, the rings 30 can be attached to the sleeve 10 by means of radial struts, such as three struts.
Die Steuereinheit 108 des Systems 100 ist entsprechend dafür angepasst, bei den drei optischen Referenzmarkern 12 in Form von jeweils genau zwei Ringen 30 die Lage jedes Rings 30 durch die optische Kamera 102 zu erfassen und mittels Berechnung, insbesondere Extrapolation, den ersten Mittelpunkt des ersten Rings und den zweiten Mittelpunkt des zweiten Rings zu bestimmen, um mittels der Bestimmung der zwei Mittelpunkte und der bekannten Referenz zu einer Spitze des Stiftes 2 die Lage des Stifts 2 und damit des zugehörigen Wirbelknochens zu bestimmen.The control unit 108 of the system 100 is adapted accordingly to detect the position of each ring 30 of the three optical reference markers 12 in the form of exactly two rings 30 each by the optical camera 102 and to determine the first center point of the first ring and the second center point of the second ring by means of calculation, in particular extrapolation, in order to determine the position of the pin 2 and thus of the associated vertebrae by means of the determination of the two center points and the known reference to a tip of the pin 2.
Mit dem System 100 kann damit eine räumliche Nachverfolgung der drei Wirbelknochen (zueinander) des Patienten P mit jeweils einem minimalinvasiven Knochenanker 4 in Form eines Schraubenschafts 16 und an- und abkoppelbare optischen Referenzmarkern 12 mit kleiner Bauweise erfolgen. Der Stift 2 mit distalem Knochenanker 4 wird also initial in den Dornfortsatz eingeschraubt, bis eine ausreichende Längsstabilität erreicht ist. Der proximale Abschnitt des Stifts 2 ragt aufgrund der geometrischen Anpassung, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, aus der Haut des Patienten P heraus um den Koppelabschnitt 8 außerhalb des Patienten P bereitzustellen. Jeder proximale Abschnitt des Stifts 2 ist mit der separaten Hülse 10 koppelbar, die wiederum jeweils den optischen Referenzmarker 12 trägt.The system 100 thus allows spatial tracking of the three vertebrae (relative to each other) of the patient P, each with a minimally invasive bone anchor 4 in the form of a screw shaft 16 and connectable and detachable optical reference markers 12 of a small design. The pin 2 with distal Bone anchor 4 is initially screwed into the spinous process until sufficient longitudinal stability is achieved. Due to the geometric adaptation, as shown in Figs. 1 and 2, the proximal section of pin 2 protrudes from the skin of patient P to provide coupling section 8 outside of patient P. Each proximal section of pin 2 can be coupled to the separate sleeve 10, which in turn carries the optical reference marker 12.
Je Wirbelknochen können mittels der optischen Kamera 102 der Steuereinheit 108 und dem Navigationssystem 104 nur fünf Freiheitsgrade bestimmt werden, da das System 100 bzw. das Knochen-Trackingset 1 jeweils eine Rotationssymmetrie um eine Achse des Stiftes 2 bzw. Längsachse 32 aufweist. Das System 100 lokalisiert für jeden Stift 2 mit optischen Referenzmarker 12 eine Achse im Raum mit einem Bezugspunkt, insbesondere der Schraubenschaftspitze, also mit fünf Freiheitsgraden.For each vertebral bone, only five degrees of freedom can be determined using the optical camera 102 of the control unit 108 and the navigation system 104, since the system 100 or the bone tracking set 1 each has a rotational symmetry about an axis of the pin 2 or longitudinal axis 32. The system 100 uses the optical reference marker 12 to locate an axis in space for each pin 2 with a reference point, in particular the screw shaft tip, thus with five degrees of freedom.
Um nun alle sechs Freiheitsgrade für eine eineindeutige Lage zu bestimmen (6DOF), wird der Stift 2 und die Hülse 10 des benachbarten Wirbelknochens verwendet, um den fehlenden Rotationsfreiheitsgrad zu bestimmen. Da die Rotation des ersten Wirbelknochens um die Achse des Stifts 2 innerhalb der Wirbelsäule sehr klein ist, werden Fehler aufgrund einer solchen Bewegung vernachlässigt, da weiterhin eine hinreichend hohe Präzision der räumlichen Nachverfolgung mit dem System 100 erreichbar ist. Auf diese Weise kann mit dem System 100 intraoperativ die Wirbelsäule bzw. deren Knochen einfach und präzise nachverfolgt werden.To determine all six degrees of freedom for a unique position (6DOF), pin 2 and sleeve 10 of the adjacent vertebra are used to determine the missing rotational degree of freedom. Since the rotation of the first vertebra around the axis of pin 2 within the spine is very small, errors due to such movement are neglected, as a sufficiently high spatial tracking precision can still be achieved with system 100. In this way, the spine and its bones can be easily and precisely tracked intraoperatively with system 100.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Knochen-Trackersets 1 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Das Knochen-Trackerset 1 ist im Wesentlichen gleich zu dem Knochen-Trackerset 1 der ersten bevorzugten Ausführungsform aus Fign. 1 und 2 gestaltet, unterscheidet sich jedoch zu der ersten bevorzugten Ausführungsform darin, dass der optische Referenzmarker 12 nicht in Form von zwei Ringen gestaltet ist, sondern in Form einer Hülse 10 mit einem proximalen konisch geformten Hülsenkopf 24, auf dessen Außenfläche 26 ein optisches Muster 28 in Form eines symmetrischen, umlaufenden QR-Codes als optischer Referenzmarker 12 aufgebracht ist. So kann mit einem flachen Profil ein optisches Muster 28 erfasst werden. Das Knochen-Trackerset 1 kann alternativ oder zusätzlich zu dem aus Fign 1 in dem System 100 aus Fig. 1 eingesetzt werden. Entsprechend ist die Steuereinheit 108 dafür angepasst zusätzlich zu den Ringen auch mittels des optischen Musters 28 eine Lagebestimmung für eine räumliche Nachverfolgung durchzuführen.Fig. 3 shows a further embodiment of the bone tracker set 1 according to the present disclosure. The bone tracker set 1 is designed essentially the same as the bone tracker set 1 of the first preferred embodiment from Figs. 1 and 2, but differs from the first preferred embodiment in that the optical reference marker 12 is not designed in the form of two rings, but in the form of a sleeve 10 with a proximal conically shaped sleeve head 24, on whose outer surface 26 an optical pattern 28 in the form of a symmetrical, circumferential QR code is applied as the optical reference marker 12. Thus, an optical pattern 28 can be detected with a flat profile. The bone tracker set 1 can be used alternatively or in addition to the one from Figs. 1 in the system 100 from Fig. 1 be used. Accordingly, the control unit 108 is adapted to perform a position determination for spatial tracking using the optical pattern 28 in addition to the rings.
Insbesondere kann dieses Knochen-Trackerset 1 der Fig. 3 einen Magneten in dem Referenzadapter aufweisen (der etwa innerhalb der Hülse an einer proximalen Seite eingebracht ist, so dass eine kraftschlüssige, magnetische werkzeuglose Verbindung (und damit auch Sicherung) bereitgestellt wird.In particular, this bone tracker set 1 of Fig. 3 can have a magnet in the reference adapter (which is inserted approximately inside the sleeve on a proximal side), so that a force-locking, magnetic, tool-free connection (and thus also securing) is provided.
Fig. 4 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Stift 2 in einer Röntgenaufnahme. Der Schraubenschaft 16 ist in den Dornfortsatz eingeschraubt und (bis auf das Gewinde) ist der Stift 2 um seine Längsachse rotationssymmetrisch gestaltet. In der Röntgenaufnahme lässt sich also mittels des Stifts 2, der insbesondere Metall als Material aufweist, um gut in der Röntgenaufnahme erkannt zu werden, sogar eine Registrierung des Patienten durchführen, indem die Steuereinheit dafür angepasst ist die Stifte 2 in der Röntgenaufnahme zu lokalisieren und mit den Stiften der optischen Aufnahme durch die optische Kamera 102 zu korrelieren und damit nachzuverfolgen und ferner insbesondere den Patienten zu registrieren. Nach der Erkennung der Stifte sowie der Segmentierung der Wirbelkörper erfolgt die Registrierung durch ein Matching der intraoperativen Röntgenaufnahmen mit den bereits bestehenden CT und MRI Scans.Fig. 4 shows a schematic view of a pin 2 in an X-ray image. The screw shaft 16 is screwed into the spinous process and (except for the thread) the pin 2 is designed to be rotationally symmetrical about its longitudinal axis. In the X-ray image, the pin 2, which in particular is made of metal to ensure good detection in the X-ray image, can even be used to register the patient. The control unit is adapted to locate the pins 2 in the X-ray image and correlate them with the pins in the optical image captured by the optical camera 102, thereby tracking them and, in particular, registering the patient. After the pins have been identified and the vertebral bodies have been segmented, registration is performed by matching the intraoperative X-ray images with the existing CT and MRI scans.
Werden nun, wie in Fig. 5 gezeigt, mehrere Stifte 2 in die Wirbelkörper eingeschraubt, was üblicherweise durchgeführt werden kann, so kann das System 100 den Fehler des zu bestimmenden sechsten Freiheitsgrads (6 DOF), der von einem benachbarten Knochen bestimmt wird, verringern, indem mehrere benachbarte Knochen zur Bestimmung des fehlenden sechsten Freiheitsgrads des ersten Knochens herangezogen bzw. verwendet werden, wie nachstehend unter Bezugnahme von Fig. 6 erläutert wird.If, as shown in Fig. 5, several pins 2 are screwed into the vertebral bodies, which can usually be done, the system 100 can reduce the error of the sixth degree of freedom (6 DOF) to be determined, which is determined by an adjacent bone, by using several adjacent bones to determine the missing sixth degree of freedom of the first bone, as will be explained below with reference to Fig. 6.
In Fig. 6 sind die Relationen zueinander gezeigt und die Schritte gezeigt bzw. angedeutet, wie die Koordinatensysteme für jeden Wirbelknochen (zur Nachverfolgung) konstruiert bzw. bestimmt werden: Hierbei ist Ox das (Koordinaten-)Zentrum des optischen Referenzmarkers 12 des ersten Stifts 2 der in den Wirbelknochen eingeschraubt ist. Der Einheitsvektor ez steht für die Hauptachse des optischen Referenzmarkers 12 (welche mit der Achse des Stifts 2 zusammenfällt). Konkret wird der Einheitsvektor in y-Richtung ey auf die Linie fixiert, die in der durch den ersten optischen Referenzmarker 12 (bzw. dessen optisches Muster; des ersten Stifts 2) definierten Ebene (C^, Normale zu dem Einheitsvektor in z- Richtung ez) liegt und die (zweite) Achse ( O2, ez2 ) des benachbarten zweiten Stifts 2 schneidet. Der verbleibende (und zu bestimmende) Einheitsvektor in x-Richtung ex ist dann eindeutig durch das Vektorprodukt von ez und ey bestimmt. Damit bilden Olf ex, ey, ez ein kartesisches Koordinatensystem und die Lage des optischen Referenzmarkers 12 und damit auch des zugehörigen Wirbelknochens (auf Grund der Einschraubung in diesen ist stets eine statische bestimmbare Transformation vorhanden).In Fig. 6 the relationships to each other are shown and the steps are shown or indicated how the coordinate systems for each vertebrae are constructed or determined (for tracking): Here, Ox is the (coordinate) center of the optical reference marker 12 of the first pin 2, which is screwed into the vertebral bone. The unit vectorez represents the main axis of the optical reference marker 12 (which coincides with the axis of the pin 2). Specifically, the unit vector in the y-direction ey is fixed to the line that lies in the plane defined by the first optical reference marker 12 (or its optical pattern; of the first pin 2) (C^, normal to the unit vector in the z-direction ez ) and intersects the (second) axis ( O2 , ez2 ) of the adjacent second pin 2. The remaining (and to be determined) unit vector in the x-direction ex is then uniquely determined by the vector product of ez and ey . Thus, Olf ex ,ey ,ez form a Cartesian coordinate system and the position of the optical reference marker 12 and thus also of the corresponding vertebral bone (due to the screwing into this, a statically determinable transformation is always present).
Wenn nun das System 100 für jeden optischen Referenzmarker 12 nun das „lokale“ KOS des Stifts bestimmt, so kann intraoperativ eine Nachverfolgung der Stifte und damit der jeweiligen Wirbelknochen durchgeführt werden.If the system 100 now determines the “local” KOS of the pin for each optical reference marker 12, the pins and thus the respective vertebrae can be tracked intraoperatively.
Man kann das Vorgehen der Bestimmung auch wie nachstehend in Formeln beschrieben zusammenfassen: ezl = Achse des (ersten)StiftsThe determination procedure can also be summarized as follows in formulas: ezl = axis of the (first) pin
(1 )(1 )
OJL = Koordinatenursprung des ersten StiftsOJL = coordinate origin of the first pin
(2) ex = Intersection Ebene ez2, OiO2) f Ebene (Olf ez)(2) ex = Intersection plane ez2 , OiO2 ) f plane (Olf ez )
(4) Entsprechend ist die Steuereinheit 108 des Systems 100 dafür angepasst, die Koordinatensysteme (KOS) zu bestimmen, um eine Nachverfolgung und sogar eine Registrierung des Patienten durchzuführen.(4) Accordingly, the control unit 108 of the system 100 is adapted to determine the coordinate systems (KOS) in order to perform tracking and even registration of the patient.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Knochen-Trackersets 1 der vorliegenden Offenbarung. Im Unterschied zu den vorstehenden optischen Mustern als Machine-Vision-Pattern werden nun zwei passive Marker-Kugeln 34 an dem proximalen Kopf vorgesehen. Diese Ausführungsform erlaubt auch eine einfache, effiziente Nachverfolgung sowie auch eine kostengünstige Herstellung. In dieser Ausführungsform ist in dem Referenzadapter (innerhalb der Hülse) ein Magnet vorgesehen (nicht dargestellt), so dass eine kraftschlüssige, magnetische Verbindung bereitgestellt wird.Fig. 7 shows another embodiment of a bone tracker set 1 of the present disclosure. In contrast to the above optical patterns as a machine vision pattern, two passive marker spheres 34 are now provided on the proximal head. This embodiment also allows for simple, efficient tracking as well as cost-effective production. In this embodiment, a magnet (not shown) is provided in the reference adapter (inside the sleeve), thus providing a force-fitting, magnetic connection.
Fig. 8 zeigt ebenso eine weitere Ausführungsform eines Knochen -Trackersets 1 der vorliegenden Offenbarung, mit dem Unterschied, dass an dem proximalen Kopf eine Flachscheibe 36 angeordnet ist, auf dessen (proximaler) Oberseite ein optisches Muster 28 eingebracht ist (hier nicht dargestellt da Blick auf die Unterseite der Flachscheibe 36).Fig. 8 also shows a further embodiment of a bone tracker set 1 of the present disclosure, with the difference that a flat disc 36 is arranged on the proximal head, on the (proximal) upper side of which an optical pattern 28 is introduced (not shown here since the view is onto the underside of the flat disc 36).
Alternativ zu der Knochenfixierung in Form eines Stifts 2 mit einem Schraubenschaft 16 mit Außengewinde 18 kann auch ein Pin als Knochenanker vorgesehen werden, welcher in dem Knochen fixiert wird. Beispielsweise kann der Pin in Form eines Nagels ausgestaltet sein, welcher in den Knochen eingepresst oder eingeschlagen wird.As an alternative to bone fixation in the form of a pin 2 with a screw shaft 16 with an external thread 18, a pin can also be provided as a bone anchor, which is fixed in the bone. For example, the pin can be designed in the form of a nail, which is pressed or driven into the bone.
Fig. 9 zeigt ein Knochennachverfolgungsverfahren gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Das Knochennachverfolgungsverfahren dient zur Nachverfolgung von zumindest zwei Knochen relativ zueinander, insbesondere von zumindest zwei Wirbelsäulenknochen,Fig. 9 shows a bone tracking method according to a preferred embodiment. The bone tracking method serves to track at least two bones relative to each other, in particular at least two spinal bones.
In einem ersten Schritt S1 erfolgt ein Nachverfolgen mittels eines Knochennachverfolgungssystems 100 gemäß der vorliegenden Offenbarung, von zwei Knochen-Trackern eines Knochen-Trackersets mit jeweils einer Knochenfixierung und einem Referenzadapter eines Knochen-Trackersets 1 gemäß der vorliegenden Offenbarung, wobei der Referenzadapter jeweils einen proximalen optischen Referenzmarker aufweist. In Schritt S2 erfolgt ein Bestimmen einer Achse ezl der ersten Knochenfixierung, insbesondere eines Einheitsvektors ezl eines ersten Stifts, welche mit der Hauptachse der Knochenfixierung zusammenfällt;In a first step S1, tracking is carried out by means of a bone tracking system 100 according to the present disclosure, of two Bone trackers of a bone tracker set, each having a bone fixation and a reference adapter of a bone tracker set 1 according to the present disclosure, wherein the reference adapter each has a proximal optical reference marker. In step S2, an axis ezl of the first bone fixation is determined, in particular a unit vector ezl of a first pin, which coincides with the main axis of the bone fixation;
In Schritt S3 erfolgt ein Bestimmen eines Koordinatenursprungs der ersten Knochenfixierung und in Schritt S4 ein Bestimmen einer Linie oder zweiten Achse eyl, die in der durch das erste optische Referenzmuster Olf Nomale ezl aufgespannten Ebene liegt die die Achse ez2 der zweiten Knochenfixierung schneidet.In step S3, a coordinate origin is determined the first bone fixation and in step S4 determining a line or second axis eyl which lies in the plane spanned by the first optical reference pattern Olf Nomale ezl and which intersects the axis ez2 of the second bone fixation.
In Schritt S5 erfolgt weiter ein Bestimmen einer dritten Achse exl durch das Vektorprodukt der ersten Achse ezl und der zweiten Achse eyl; und schließlich ein Bestimmen eines kartesischen Koordinatensystems der ersten Knochenfixierung und damit des ersten Knochens mit dem Koordinatenursprung und den drei Achsen exl, eyl, ezl für eine Nachverfolgung der Knochenfixierung und damit des Knochens.In step S5, a third axis exl is determined by the vector product of the first axis ezl and the second axis eyl ; and finally, a Cartesian coordinate system of the first bone fixation and thus of the first bone with the coordinate origin and the three axes exl , eyl , ezl for tracking the bone fixation and thus the bone.
BezuqszeichenlisteList of reference symbols
1 Knochen-T rackerset1 bone t racker set
2 Stift2 pins
4 Knochenanker4 bone anchors
6 Proximaler Endabschnitt6 Proximal end section
8 Koppelabschnitt8 coupling section
10 Hülse10 sleeves
12 optischer Referenzmarker12 optical reference markers
14 Gegen-Koppelstruktur14 Counter-coupling structure
16 Schraubenschaft16 screw shaft
18 Kragen18 collars
20 Zylinderförmige Außenkontur20 Cylindrical outer contour
22 Außengewinde22 external threads
24 Hülsenkopf24 sleeve head
26 Außenfläche26 Exterior area
28 optisches Muster28 optical pattern
30 Ring30 rings
32 Längsachse32 Longitudinal axis
34 Marker-Kugel34 marker balls
36 Flachscheibe36 flat washer
100 Knochennachverfolgungssystem/System100 Bone Tracking System
102 optische Kamera102 optical camera
104 Navigationssystem104 Navigation system
106 Darstellungsvorrichtung106 Display device
108 Steuereinheit108 Control unit
110 3D-Röntgenscanner/3D-Röntgengerät110 3D X-ray scanners/3D X-ray machines
112 Medizinischer Wagen112 Medical Cart
114 Medizinischer Roboter114 Medical Robot
116 Roboterarm116 Robot arm
118 Navigationskamera118 Navigation camera
P PatientPatient P
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