DE10141323A1

DE10141323A1 - Vorrichtung zur räumlichen Positionierung eines Werkzeuges relativ zum menschlichen oder tierischen Knochenapparat im Gelenkbereich

Info

Publication number: DE10141323A1
Application number: DE2001141323
Authority: DE
Inventors: Stefan Woesner; Jan Stallkamp; Michael Rager
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2001-08-28
Publication date: 2003-04-03
Anticipated expiration: 2021-08-29
Also published as: DE10141323B4

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zur räumlichen Positionierung eines Werkzeuges relativ zum menschlichen oder tierischen Knochenapparat im Gelenkbereich, in dem wenigstens zwei Knochen über ein Gelenk relativ zueinander um eine Beugeachse abwinkelbar sind, mit DOLLAR A - einer den Knochenapparat im Gelenkbereich unter einem vorgebbaren Beugewinkel, unter dem die beiden Knochen relativ zur Beugeachse gebeugt sind, aufnehmenden und fixierenden Haltevorrichtung, DOLLAR A - einer Trägereinheit, die drehbeweglich um eine erste Drehachse an der Haltevorrichtung angelenkt ist, wenigstens eine erste Linearachse, längs der die Trägereinheit teleskopartig verlängerbar ist und die orthogonal zur Beugeachse orientiert ist, und einen Linearabschnitt mit einer zweiten Linearachse aufweist, DOLLAR A - einem Werkzeughalter, der längsbeweglich zum Linearabschnitt an der Trägereinheit sowie drehbar um eine zweite, längs zur zweiten Linearachse orientierten Drehachse angebracht ist und eine Aufnahmevorrichtung für ein Werkzeug vorsieht, die drehbar um eine dritte Drehachse gelagert ist, die orthogonal zur zweiten Drehachse orientiert ist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur räumlichen Positionierung eines Werkzeuges relativ zum menschlichen oder tierischen Knochenapparat im Gelenkbereich, in dem wenigstens zwei Knochen über ein Gelenk relativ zueinander um eine Beugeachse abwinkelbar sind.

Stand der Technik

Bei Bandverletzungen in Gelenkbereichen, vorzugsweise am menschlichen Knie, werden häufig Innen-, Außen- und/oder die Kreuzbänder gedehnt oder gar gerissen, zu deren Behandlung vielerorts lokale chirurgische Eingriffe vorgenommen werden müssen. Insbesondere im Falle von vollständigen Bandabrissen im Innen-, Außen- oder Kreuzbandbereich sieht die moderne Medizin vor, anstelle des vollständig geschädigten Bandapparates natürliche oder künstliche Implantate in den Gelenkbereich zu implantieren, für deren Fixation am Knochen entsprechende Bohrlöcher geschaffen werden müssen. Die Positionierung der Bohrlöcher relativ zu den entsprechenden Knochen im Gelenkbereich muss dabei höchst präzise erfolgen, zumal hiervon die spätere Beweglichkeit, Stabilität und Strapazierfähigkeit des Gelenkes entscheidend abhängt.
Zur Vorbereitung einer derartigen Gelenkoperation wird der geschädigte Gelenk- bzw. Bandbereich vorab entsprechend non invasiv untersucht, wobei anhand geeigneter Röntgen- bzw. CT-Bildaufnahmen das Ausmaß der Bandschädigung präoperativ festgestellt wird. Anhand der Aufnahmen kann der Arzt manuell oder unter Zuhilfenahme geeigneter Computersysteme den chirurgischen Eingriff planen und die Positionen der an den Knochen vorzusehenden Bohrlöcher festlegen.
Bislang besteht jedoch in der konventionellen Band- bzw. Kreuzbandchirurgie am Knie das Problem, die anhand der Bildvorlage exakt ermittelten Positionen der Bohrlöcher an den tatsächlich geschädigten Gelenkbereich fehlerfrei zu übertragen. Durch die zumeist manuell durchgeführte Positionierung der für das Setzen der Bohrlöcher erforderlichen medizinischen Bohrgeräte sind Positionierschwankungen nahezu unvermeidbar, durch die jedoch, wie eingangs erwähnt, kein optimales Behandlungsergebnis erzielt werden kann.
Insbesondere für die Knie- speziell für die Kreuzbandchirurgie, ist neben der konventionellen Methode ohne gesonderte Positionierhilfen ein Roboter unterstütztes System bekannt, das auf der Grundlage präoperativ vorbestimmter Bohrlochkoordinaten voll automatisch einen Bohrkopf an die tatsächlich exakte Position an den entsprechenden Knochen navigiert und dort die Bohrung vornimmt. Das bekannte Robotersystem, das den Namen "CASPAR" trägt, und von der Firma u. r. s. orto vertrieben wird, ist aufgrund seines großen technischen und konstruktiven Aufwandes sehr kostspielig und bedarf im Umgang und in der Anwendung einer hochqualifizierten Einführung in das System, so dass es für viele praktizierende Ärzte zu teuer in der Anschaffung und zu umständlich in der Bedienung ist.

Darstellung der Erfindung

Es besteht die Aufgabe einem praktizierenden Arzt zur Durchführung von chirurgischen Eingriffen in den menschlichen oder tierischen Gelenkbereich ein Hilfsmittel zur Hand zu geben, mit dem es möglich sein soll, präzise und reproduzierbar präoperativ am geschädigten Gelenkbereich ermittelte Positionen von Bohrlöchern in den entsprechenden Knochen am tatsächlichen Knochenapparat des Menschen bzw. Tieres wiederzufinden, so dass bspw. ein Einbringen von Bohrlöchern mit einer exakt vorausbestimmten Positionierung möglich wird. Die hierfür vorzusehende Vorrichtung soll möglichst einfach in der Bedienung und darüber hinaus einen möglichst einfachen konstruktiven Aufbau aufweisen, so dass die Vorrichtung für den praktizierenden Arzt eine nicht mit hohen Kosten verbundene Anschaffung darstellt.
Zur Lösung der vorstehend beschriebenen Aufgabe sind zwei alternative Vorrichtungen angegeben, die im Anspruch 1 sowie Anspruch 6 näher beschrieben sind. Die den beiden alternativen Vorrichtungen zu Grunde liegenden Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Vorab sei zu den erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur räumlichen Positionierung eines Werkzeuges relativ zum menschlichen oder tierischen Knochenapparat im Gelenkbereich, in dem wenigstens zwei Knochen über ein Gelenk relativ zueinander um eine Beugeachse abwinkelbar sind, angemerkt, dass die Vorrichtung grundsätzlich für den Arm- als auch Beinbereich, vorzugsweise des Menschen anwendbar ist, insbesondere für Bandverletzungen im Ellbogen- und Kniebereich.
Die weiteren Ausführungen beschränken sich jedoch auf die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf das Kniegelenk, das aufgrund der großen Anzahl an Verletzung im diesbezüglichen Bandbereich von besonderem Interesse ist.
Die erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung zur räumlichen Positionierung eines Werkzeuges relativ zum menschlichen oder tierischen Knochenapparat im Gelenkbereich, in dem wenigstens zwei Knochen über ein Gelenk relativ zueinander um eine Beugeachse abwinkelbar sind, sehen grundsätzlich folgende Komponente vor:
Eine Haltevorrichtung auf die der verletzte Knochenapparat im Gelenkbereich unter einem vorgebbaren Beugewinkel α auflegbar ist, dient als Auflagestruktur, an der zudem der Knochenapparat mit geeigneten Befestigungsmechanismen fixiert werden kann. Im einfachsten Fall stellt die Haltevorrichtung einen keilförmig ausgebildeten Formkörper dar. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist die Haltevorrichtung in Art einer sog. Vakuummatratze ausgebildet, die eine um den Beugewinkel α geneigte Auflageflächen vorsieht und im Inneren mit speziellen kleinen Kugeln gefüllt ist, so dass sich die Oberfläche einer derartigen Vakuummatratze relativ einfach modellieren lässt und an die Konturen bspw. des Beugebereiches des Knies anpassen lässt. Eine derart ausgebildete Haltevorrichtung ist mit einer Abpumpvorrichtung verbunden, über die Luft aus dem Inneren der Vakuummatratze abgesaugt werden kann, wobei eine, über einen sich zwischen der Auflagefläche der Haltevorrichtung und dem Kniebereich ausbildenden Saugeffekt das Knie fixierende Wirkung hervorgerufen wird, durch die das Knie bzw. das Bein nahezu unbeweglich mit der Haltevorrichtung verbunden wird.
Derartige Vakuummatratzen werden in an sich bekannter Weise in Rettungsdiensten bei Verletzungen der Wirbelsäule eingesetzt, um eine Bewegung des Patienten zu verhindern.
Mit der vorstehenden Haltevorrichtung ist nun gemäß einer ersten erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung ein aus mehreren Einzelteilen bestehendes Rahmengestell verbunden, an dem letztlich ein Bohrwerkzeug anbringbar ist, das relativ zum fixierten Gelenkbereich in eine vorbestimmte Relativlage zu den einzelnen Knochen bringbar ist. Die Einzelteile des Rahmengestells sind dabei dreh- bzw. linearbeweglich zueinander gelagert, so dass das Werkzeug zur gezielten Navigation relativ zu dem zu behandelnden Gelenkbereich um 5 Freiheitsgrade räumlich frei bewegbar und positionierbar ist.
Im Einzelnen besteht das erfindungsgemäß ausgebildete Rahmengestell aus einem Halterahmen, der längs einer ersten Linearachse linear beweglich angeordnet ist, wobei die Linearachse mit der Beugeachse, um die der zu behandelnde Gelenkbereich gebeugt ist, einen Winkel β, vorzugsweise von 90° einschließt. Der Halterahmen ist vorzugsweise mit der Haltevorrichtung, also dem keilförmigen Auflagekissen, derart verbunden, so dass der Halterahmen relativ zur Haltevorrichtung längs der vorstehend bezeichneten ersten Linearachse linear beweglich angeordnet ist. Hierdurch ist es möglich den Halterahmen gegenüber dem Gelenkbereich in Längserstreckung der Knochen zu positionieren.
An geeigneter Stelle des Halterahmens ist weiterhin eine Trägereinheit drehbeweglich um eine erste Drehachse angelenkt, deren Achsorientierung vorzugsweise koparallel zur Beugeachse verläuft. Dabei ist die Trägereinheit in Form eines L-Winkelstückes ausgebildet, dessen kleinerer Winkelschenkel mit dem Halterahmen verbunden ist und dessen längerer Winkelschenkel vertikal vom Gelenkbereich beabstandet ist sich quer über diesen erstreckt. Eben der längere Winkelschenkel bildet einen Linearabschnitt der Trägereinheit, längs dessen eine Halteeinheit linearbeweglich angeordnet ist. Die Längserstreckung des längeren Winkelschenkels der Trägereinheit definiert demzufolge eine zweite Linearachse.
Auch die zweite Linearachse ist gleichsam der ersten Drehachse vorzugsweise koparallel zur Beugeachse orientiert.
Die an der Trägereinheit linearbeweglich angelenkte Halteeinheit selbst ist halbbogenförmig ausgebildet, d. h. in Form und Größe in etwa um die Außenkontur des Knochenapparates im Gelenkbereich stilisiert angepasst und überragt dabei die obere Peripherie des zu behandelnden Gelenkbereiches, der, wie vorstehend erwähnt, in einer definiert angewinkelten Haltung auf der Haltevorrichtung aufliegt. Längs der halbbogenförmig ausgebildeten Halteeinheit ist ein Werkzeughalter mit einer Aufnahmevorrichtung für ein entsprechendes Werkzeug, das bspw. ein medizinisches Bohrgerät oder Schneidegerät ist, derart angebracht, dass der Werkzeughalter relativbeweglich längs der durch die Halteeinheit vorgegebenen Trajektorie verschiebbar ist. Da die halbbogenförmige Halteeinheit zumindest die obere Raumhälfte des zu behandelnden Gelenkbereichs überragt, ist letztlich das Werkzeug in dem durch die Trajektorie der Halteeinheit definierten Halbraum um den Gelenkbereich beliebig verschiebbar und positionierbar.
Zusätzlich ist das Werkzeug relativ zu seiner Werkzeuglängserstreckung drehbar gelagert, bspw. im Fall eines Bohrers und zudem in Längsrichtung zur Drehachse linear absenkbar.
Durch die Summe der vorstehend aufgezeigten Freiheitsgrade, bezüglich der die Einzelkomponenten des Rahmengestells bewegbar sind, kann der Werkzeughalter und schließlich das Werkzeug in einer definiert vorbestimmten Position relativ zum Gelenkbereich positioniert und abgesenkt werden, um bspw. das Setzen eines Bohrloches in einen Knochen präzise durchzuführen. Alle dreh- bzw. linearbeweglichen Verbindungsstellen, an denen die einzelnen Komponenten des Rahmengestelles miteinander in Wirkverbindung treten, sind mit Winkel- bzw. Wegskalierungen versehen, gemäß denen eine bspw. numerisch bzw. rechnerisch ermittelte Positionsangabe höchst präzise eingestellt werden kann. Optional können alle dreh- bzw. linearbeweglichen Wirkverbindungen mit elektrischen Stellantrieben bzw. Inkrementgebern versehen sein, um eine Relativausrichtung aller vorstehend bezeichneten Einzelkomponenten höchst präzise durchzuführen. Die Navigation bzw. die Positionierung kann auf diese Weise mit Hilfe eines geeigneten Steuerrechners erfolgen.
Von besonderem Vorteil ist der mechanisch einfach gehaltene Aufbau des Rahmengestells sowie seine nur gering Baugröße, durch die die Handhabung durch den Operateur einfach bleibt.
Alternativ zum vorstehend beschriebenen Rahmengestell sei ferner auf eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtungsalternative hingewiesen, bei der an der vorstehend beschriebenen Haltevorrichtung, auf der der zu behandelnde Gelenkbereich in einer angewinkelten Stellung fixiert ist, eine Trägereinheit drehbeweglich um eine erste Drehachse angelenkt ist, die vorzugsweise orthogonal zur Beugeachse des Gelenkbereiches verläuft.
Die Trägereinheit ist in einer bevorzugten Ausführungsform in Form eines U- Schenkels ausgebildet, bei dem die beiden gegenüberliegenden Längsschenkel längs ihrer Längserstreckung teleskopartig verlängerbar sind. Die beiden Längsschenkel der Trägereinheit werden durch einen Linearabschnitt miteinander verbunden, der eine Linearachse festlegt, die koparallel zur ersten Drehachse verläuft, um die die Trägereinheit relativ zur Haltevorrichtung drehbar gelagert ist. Längs des vorstehend genannten Linearabschnittes ist ein Werkzeughalter längsbeweglich zu der damit verbundenen Linearachse angelenkt, der zudem drehbar um eine zweite, längs zur Linearachse orientierten Drehachse angebracht ist. Innerhalb des Werkzeughalters befindet sich gleichsam der ersten Vorrichtungsalternative eine Aufnahmevorrichtung für ein Werkzeug, die ihrerseits um eine weitere, eine dritte Drehachse drehbar gelagert ist, wobei die dritte Drehachse orthogonal zur vorstehend beschriebenen zweiten Drehachse orientiert ist.
Durch das Zusammenspiel vorstehender Dreh- und Linearachsen ist der Werkzeughalter einerseits vermittels der an der Haltevorrichtung drehbeweglich angelenkten Trägereinheit relativ zur Beugeachse um den Gelenkbereich verschwenkbar, so dass der Werkzeughalter und letztlich auch das Werkzeug um den gesamten Gelenkbereich, d. h. vom Bereich des Unterschenkelknochens bis hin zum Oberschenkelknochen, um beim Beispiel des Knies zu bleiben, verschwenkbar. Ferner ist das Werkzeug durch die zweite und dritte Drehachse in Verbindung mit der Verschiebbarkeit des Werkzeughalters längs der Linearachse räumlich nahezu uneingeschränkt an einen Oberflächenpunkt im zu behandelnden Gelenkbereich positionierbar. Dabei befindet sich das Knie zwischen beiden U- Schenkeln des Rahmengestells, die beim Auflegen des Knies auf die keilförmige Haltevorrichtung von dieser getrennt sind und nachträglich seitlich drehbeweglich mit dieser verbunden werden.
Auch die zweite Vorrichtungsvariante sieht an den drehbar bzw. linearbeweglich miteinander verbundenen Einzelkomponenten Winkel- bzw. Wegangaben vor, anhand derer genaue, räumliche Relativeinstellungen der einzelnen Komponenten zueinander möglich sind, um auf diese Weise letztlich das Werkzeug exakt an einen vorausbestimmten Punkt längs eines Knochens im Gelenkbereich zu positionieren und zu fixieren. In einer einfachen Ausführungsform sind die Verbindungsstellen des Rahmengestells manuell einstellbar und mittels geeigneter Feststellmechanismen entsprechend gegeneinander fixierbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die dreh- bzw. linearbeweglichen Gelenkeinheiten, an denen jeweils die Einzelkomponenten des vorstehend beschriebenen Rahmengestelles verbunden sind mit motorischen Antrieben, bspw. hochpräzisen Stellschrittmotoren versehen, um angesteuert durch eine Ansteuereinheit eine definierte räumliche Position des Werkzeuges relativ zum Gelenkbereich anfahren zu können.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1a, b perspektivische Draufsicht auf eine bevorzugte Vorrichtung gemäß erster Ausführungsalternative unter zwei Betrachtungspositionen,
Fig. 2, 3 perspektivische Darstellungen einer Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß zweiter Ausführungsalternative.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

Fig. 1a, b zeigen aus zwei unterschiedlichen Betrachtungswinkeln eine Vorrichtung zur chirurgischen Behandlung einer Bandverletzung im Gelenkbereich des menschlichen Knies, das aus Gründen einer deutlicheren Darstellung in den Fig. 1a, b nicht dargestellt ist. Der Unter- bzw. Oberschenkel des Knies werden in angewinkelter Stellung über die als winkelförmig ausgebildete Haltevorrichtung 2 aufgelegt, die über einen an sich bekannten Saugeffekt längs ihrer Auflagefläche das Knie in eine fest vorgegebene Position zu fixieren vermag. Die keilförmig ausgebildete Haltevorrichtung 2 ist vorzugsweise eine modifizierte Vakuummatratze, wie sie in der Unfallchirurgie insbesondere in Rettungsdiensten bei Verletzungen der Wirbelsäule eingesetzt wird, um Bewegungen des Patienten zu verhindern. Das Innere der Haltevorrichtung 2 weist eine Vielzahl spezieller kleiner Kugeln auf, die nach entsprechender Evakuierung des Inneren der Haltevorrichtung 2 eine bestimmte Raumform ergeben, die maßgeblich für das Beugeverhalten des zu operierenden Knies bestimmend ist. Grundsätzlich sei an dieser Stelle angemerkt, dass sich eine derartige Vorrichtung auch für die Behandlung des Ellbogenbereiches einsetzen läßt, doch sei im Folgenden, aufgrund der statistisch häufiger auftretenden Kniebandschädigungen die Vorrichtung am Beispiel einer Knieverletzung beschrieben.
Wie bereits eingangs erwähnt, definiert die keilförmig ausgebildete Haltevorrichtung aufgrund des durch ihr vorgegebenen Beugewinkels α eine Beugeachse 1, um die das menschliche Knie in definierter Weise gebeugt wird.
Vorzugsweise abnehmbar ist mit der Haltevorrichtung 2 ein Halterahmen 3 verbunden, der längs einer ersten Linearachse 4 linearbeweglich angeordnet ist, wobei die Linearachse 4 und die Beugeachse 1 einen Winkel β einschließen, der vorzugsweise 90° beträgt.
Der Halterahmen 3 weist einen Stegabschnitt 31 auf, an dem eine Trägereinheit 5 drehbeweglich um eine erste Drehachse 6 angelenkt ist. Die Trägereinheit 5 ist in einer einfachsten Ausführungsvariante gemäß Fig. 1a, b als Winkelelement in Form eines "L" ausgebildet, wobei der kleinere Schenkel 51 zusammen mit dem Stegabschnitt 31 in Parallelstellung eine Gesamtschenkelhöhe h ergeben, die größer als die Auflagehöhe des auf der Haltevorrichtung aufliegenden Knies ist. In einer bevorzugten Ausführungsform (nicht dargestellt) lassen sich der Längsschenkel 51 und der Stegabschnitt 31 in Längserstreckung des Stegabschnittes 31 kontinuierlich gegeneinander linear verschieben und in einer entsprechenden Stellung fixieren. Dies bspw. ist in einer einfachen Ausführungsform mittels einer in einem Längsloch geführten Schraubverbindung realisierbar.
Ferner weist die Trägereinheit 5 einen Linearabschnitt 7', auf, der eine Linearachse 7 definiert. Längs zur Linearachse 7 ist eine Halteeinheit 8 längsbeweglich angeordnet, die im Wesentlichen aus einer Halbbogenform besteht, die in Form und Größe in etwa an die Außenkontur des Knochenapparates im Gelenkbereich stilisiert angepasst ist und das Knie an seiner oberen Außenkontur überragt.
Längs der durch die Halteeinheit 8 definierten Trajektorie 8', ist ein Werkzeughalter 9 beweglich angebracht, der seinerseits über eine Aufnahmevorrichtung 10 verfügt, die ein Werkzeug 11 aufnimmt. Das Werkzeug 11 ist vorzugsweise ein medizinischer Bohrer, der längs seiner Werkzeugachse rotierbar gehalten ist. Ebenso ist das als Bohrer ausgebildete Werkzeug 11 längs seiner Erstreckung absenkbar bzw. anhebbar, um Bohrlöcher mit entsprechender Bohrtiefe in den ausgewählten Knochenbereich setzen zu können.
An allen dreh- oder linearbeweglichen Verbindungsstellen, an denen die einzelnen Komponenten miteinander in Verbindung stehen, im Einzelnen sind dies die Haltevorrichtung 2 mit dem Halterahmen 3, der Halterahmen 3 mit der Trägereinheit 5, die Trägereinheit 5 mit der Halteeinheit 8 sowie die Halteeinheit 8 mit dem Werkzeughalter 9, sind Winkel- bzw. Wegangaben vorgesehen, anhand derer die Relativpositionen der einzelnen Komponenten zueinander exakt eingestellt werden können. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die entsprechenden Verbindungsstellen mit entsprechenden elektromotorischen Schrittmotoren versehen sind, die allesamt über eine entsprechende Steuereinheit ansteuerbar sind, so dass die in den Fig. 1a, b dargestellte Vorrichtung ohne manuelle Unterstützung in eine vorgebbare Position überführbar ist, in der das Werkzeug 11 eine definierte Position gegenüber dem zu behandelnden Knie einnimmt.
In den Fig. 2 und 3 ist ebenso aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln jeweils eine weitere, alternative Vorrichtung zur räumlichen Positionierung eines Werkzeuges relativ zum menschlichen oder tierischen Knochenapparat im Gelenkbereich dargestellt. Die in beiden Fig. 2 und 3 eingezeichneten Bezugszeichen entsprechen einander, so dass die weitere Beschreibung auf beide Figuren zugleich zutrifft.
Gleichsam dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 ist bei dem in den Fig. 2 und 3 dargestellten U-förmigen Rahmengestell eine keilförmige Haltevorrichtung 2 in der Gestalt wie in Fig. 1 hinzuzufügen, die zwischen den U-Profillängsschenkel 52, 53 der Trägereinheit 5 zu positionieren ist, so dass die Trägereinheit 5 drehbeweglich längs der eingezeichneten ersten Drehachse 6 an der Haltevorrichtung angelenkt ist. Aus Gründen einer besseren Übersicht der in Fig. 2 und 3 dargestellten Vorrichtung ist auf die zeichnerische Darstellung der Haltevorrichtung verzichtet worden.
Die Trägereinheit 5 besteht im Wesentlichen aus den zwei vorstehend genannten U- Profillängsschenkeln 52, 53 die jeweils parallel zu einer ersten Linearachse 4 teleskopartig verlängerbar sind. Hierbei steht die Linearachse 4 senkrecht zur Drehachse 6, die in etwa mit der Beugeachse, um die bspw. das Knie, das auf der nicht dargestellten Haltevorrichtung aufgelegt ist, abgewinkelt ist, zusammenfällt. An den, der Drehachse 6 gegenüberliegenden Enden der U-Profillängsschenkeln 52, 53 ist die Trägereinheit 5 mit einem Linearabschnitt 7', verbunden, der in Längserstreckung die zweite Linearachse 7 definiert, längs der linearbeweglich der Werkzeughalter 9 angebracht ist. Gemäß der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform ist der Linearabschnitt 7' aus zwei parallel verlaufenden Stangen zusammengesetzt, die beide gemeinsam um eine zweite Drehachse 12, die im Wesentlichen koparallel zu der ersten Drehachse 6 verläuft, drehbar gelagert sind. Durch Verdrehung des Linearabschnittes 7', wird automatisch der längs des Linearabschnitts linearbeweglich angelenkte Werkzeughalter um die zweite Drehachse 12 mit verdreht.
Der Werkzeughalter 9 sieht eine Aufnahmevorrichtung 10 vor, in die ein Werkzeug, vorzugsweise eine medizinische Bohrvorrichtung einbringbar ist. Zusätzlich ist die Aufnahmevorrichtung 10 relativ zum linearbeweglichen Werkzeughalter 9 um eine weitere Drehachse 13 drehbeweglich gelagert, die orthogonal zur zweiten Drehachse 12 orientiert ist.
Durch das kinematische Zusammenspiel dreier Drehachsen sowie zweier Linearachsen sind für das Werkzeug 11 fünf Freiheitsgrade geschaffen, wodurch bspw. ein medizinischer Bohrer höchst präzise an eine vorab bestimmte Position gegenüber einem zu behandelnden Knie positionierbar ist.
Wie bereits vorstehend zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 angemerkt, sind auch hier jegliche Verbindungsstellen des in den Fig. 2 und 3 dargestellten Rahmengestelles mit Winkel- bzw. Wegangaben versehen, so dass die einzelnen drehbar- bzw. linearbeweglich zueinander beweglichen Komponenten in einer definierten räumlichen Lage gegeneinander gebracht und fixiert werden können. Ebenso wie im Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 1 können eben jene Verbindungsstellen zusätzlich mit elektromotorische Schrittmotoren versehen sein, die Rechner gesteuert, d. h. ohne manuelle Einstellmaßnahmen, in eine vorgebbare Position überführt werden können, so dass das Werkzeug eine bestimmte räumliche Lage relativ bspw. zu einem Knie einnehmen kann, um ein entsprechendes Bohrloch zu setzen.
Ein mögliches operatives Vorgehen zur Durchführung einer Knieoperation erfolgt unter Verwendung einer der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen in folgender Weise:
In einem ersten Schritt wird von dem beschädigten Knie eine CT-Aufnahme angefertigt, anhand derer der Arzt unter Verwendung eines Computers die Planung für den chirurgischen Eingriff in das Knie durchführt. So ist es für den Arzt möglich, mit Hilfe eines geeigneten, Software-unterstützten Planungssystems in das vorliegende CT-Bild die Positionen exakt einzuzeichnen, an denen später am Knochen die Bohrlöcher gesetzt werden müssen.
In einem weiteren Schritt erfolgt anschließend der tatsächliche chirurgische Eingriff in das Knie. Hierzu wird das zu behandelnde Knie auf die keilförmige Haltevorrichtung gelegt, die vorzugsweise, wie eingangs erwähnt, als eine Art Vakuummatratze ausgebildet ist, die das Knie gegen die keilförmige Haltevorrichtung regelrecht ansaugt und fixiert, sofern die Vakuummatratze nahezu luftleer gepumpt wird. Über das in einer vordefinierten Beugestellung fixierte Knie wird anschließend eines der vorstehend beschriebenen Rahmengestelle gesetzt, das in geeigneter Weise mit der Haltevorrichtung verbunden wird. Zunächst werden mit Hilfe des Rahmengestells markante Punkte im Gelenkbereich, insbesondere am Oberschenkel- und Unterschenkelknochen vermessen, dies können bspw. bereits während der CT- Aufnahme gesetzte künstliche Markierungsstellen sein. Hierzu wird das Werkzeug an die entsprechenden Referenzstellen verfahren, so dass ein Abgleich zwischen der realen Position am zu behandelnden Knie mit den Daten in Verbindung gebracht werden kann, die man durch das CT-Bild und die entsprechende Auswertung erhalten hat. Unter Zugrundelegung der vom Arzt am Planungssystem präoperativ bestimmten Koordinaten eines zu setzenden Bohrloches wird nun das Werkzeug in die vordefinierte räumliche Lage verfahren und nach Erreichen dieser Position relativ zum behandelnden Knie durch Absenken des Werkzeuges das Bohrloch mit vorgebbarer Bohrlochtiefe gesetzt.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, das zum Durchführen chirurgischer Eingriffe in den Gelenkapparat des tierischen aber insbesondere menschlichen Körpers, vorzugsweise im Kniebereich dem Arzt ein individuelles Hilfsmittel zur Hand gegeben ist, mit dem er in die Lage versetzt wird, Positionen im Gelenkbereich höchst genau anzusteuern und entsprechende chirurgische Maßnahmen zu treffen. Die Vorrichtung weist eine höchst kompakte Bauweise auf und ist von technisch einfacher Konstruktion, so dass sie für den Arzt nur einen geringen finanziellen Aufwand darstellt und daher von hohem wirtschaftlichen Interesse ist. Ferner ist die aufgezeigte Vorrichtung besonders bedienerfreundlich. Bezugszeichenliste 1 Beugeachse
2 Haltevorrichtung
3 Halterahmen
4 Erste Linearachse
5 Trägereinheit
51 Längsschenkel
52, 53 U-Profillängsschenkel
6 Erste Drehachse
7 Zweite Linearachse
7' Linearabschnitt
8 Halteeinheit
8' Trajektorie
9 Werkzeughalter
10 Aufnahmevorrichtung
11 Werkzeug
12 Zweite Drehachse
13 Dritte Drehachse

Claims

1. Vorrichtung zur räumlichen Positionierung eines Werkzeuges relativ zum menschlichen oder tierischen Knochenapparat im Gelenkbereich, in dem wenigstens zwei Knochen über ein Gelenk relativ zueinander um eine Beugeachse abwinkelbar sind, mit
einer den Knochenapparat im Gelenkbereich unter einem vorgebbaren Beugewinkel α, unter dem die beiden Knochen relativ zur Beugeachse (1) gebeugt sind, aufnehmenden und fixierenden Haltevorrichtung (2),
einem Halterahmen (3), der längs einer ersten Linearachse (4) linearbeweglich angeordnet ist, die mit der Beugeachse (1) einen Winkel β einschließt,
einer Trägereinheit (5), die drehbeweglich um eine erste Drehachse (6) am Halterahmen (3) angelenkt ist und einen Linearabschnitt (7') mit einer zweiten Linearachse (7) aufweist,
einer Halteeinheit (8), die längs des Linearabschnittes (7') an der Trägereinheit (5) angebracht ist, sowie
einem Werkzeughalter (9), der eine Aufnahmevorrichtung (10) für ein Werkzeug (11) vorsieht und relativbeweglich längs einer durch die Halteeinheit (8) vorgegebenen Trajektorie (8') an der Halteeinheit (8) angebracht ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass β gleich 90° beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (6) und die Linearachse (7) koparallel verlaufen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinheit (8) linearbeweglich längs des Linearabschnittes (7') angebracht ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinheit (8) einen halbbogenförmigen Abschnitt aufweist, der in Form und Größe in etwa an die Außenkontur des Knochenapparates im Gelenkbereich stilisiert angepasst ist und längs dem der Werkzeughalter bewegbar ist.

6. Vorrichtung zur räumlichen Positionierung eines Werkzeuges relativ zum menschlichen oder tierischen Knochenapparat im Gelenkbereich, in dem wenigstens zwei Knochen über ein Gelenk relativ zueinander um eine Beugeachse abwinkelbar sind, mit
einer den Knochenapparat im Gelenkbereich unter einem vorgebbaren Beugewinkel α, unter dem die beiden Knochen relativ zur Beugeachse (1) gebeugt sind, aufnehmenden und fixierenden Haltevorrichtung (2),
einer Trägereinheit (5), die drehbeweglich um eine erste Drehachse (6) an der Haltevorrichtung (2) angelenkt ist, wenigstens eine erste Linearachse (4), längs der die Trägereinheit (5) teleskopartig verlängerbar ist und die orthogonal zur Beugeachse (1) orientiert ist, und einen Linearabschnitt (7') mit einer zweiten Linearachse (7) aufweist,
einem Werkzeughalter (9), der längsbeweglich zum Linearabschnitt (7') an der Trägereinheit (5) sowie drehbar um eine zweite, längs zur zweiten Linearachse (7) orientierten Drehachse (12) angebracht ist und eine Aufnahmevorrichtung (10) für ein Werkzeug (11) vorsieht, die drehbar um eine dritte Drehachse (13) gelagert ist, die orthogonal zur zweiten Drehachse (12) orientiert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägereinheit (5) an der Haltevorrichtung (2) derart angelenkt ist, dass die Beugeachse (1) und die erste Drehachse (6) zumindest weitgehend zusammenfallen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (6) und die zweite Linearachse (7) koparallel verlaufen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägereinheit (5) sowie der Linearabschnitt (T) ein einseitig offenes U-Profil bilden, mit zwei U-Profillängsschenkeln (52, 53), die jeweils parallel zur ersten Linearachse (4) orientiert sind und die teleskopartig verlängerbar sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Relativbewegung sowie einer Positionsbestimmung zwischen den folgenden Komponenten jeweils ein elektrischer Antrieb sowie ein Inkrementgeber vorgesehen ist:
Haltevorrichtung-Trägereinheit, Halterahmen-Trägereinheit, Trägereinheit- Haltebogen, Haltebogen-Werkzeughalter.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Relativbewegung sowie einer Positionsbestimmung zwischen den folgenden Komponenten jeweils ein elektrischer Antrieb sowie ein Inkrementgeber vorgesehen ist:
Haltevorrichtung-Trägereinheit, Trägereinheit-Werkzeughalter.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeughalter eine Linearachse aufweist, längs der die Aufnahmevorrichtung oder das Werkzeug linearbeweglich ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug eine medizinische Bohrvorrichtung ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung eine die Beugestellung des Gelenkbereiches vorgebbare Unterlage ist mit einer Auflagefläche gegen die der Gelenkbereich fixierbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung mittels Unterdruck den Gelenkbereich gegen die Auflagefläche fixiert.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung ein Inneres Volumen aufweist, das mit Kugeln gefüllt ist absaugbar ist, so dass im abgesaugten Zustand die Form der Haltevorrichtung im wesentlichen durch die Konstellation der Kugeln bestimmt ist.