Verfahren und Vorrichtungen zur prä-oder intraoperativen Bestimmung der Lage bzw. Ausrichtung von Extremitäten eines Säugetiers, insbesondere des Menschen, und/oder von Operationsinstrumenten und/oder zum Einsetzen in den Körper be- stimmten Endoprothesenteilen sind seit einigen Jahren bekannt und in zunehmen- dem Maße im klinischen Einsatz.

So sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Drehzentrums von Körpergelenken des Menschen, insbesondere des Hüft-oder Kniegelenks, mittels eines optischen Erfassungssystems aus der FR 2 785 517 bekannt. Die WO 95/00075 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lokalisierung von Funktionsstrukturen des Unterschenkels während einer Knieoperation unter Einsatz eines Navigationssystems der in Rede stehenden Art. Ein ähnliches Verfahren ist auch aus der WO 99/23956 bekannt, welche den im wesentlichen gleichzeitigen Einsatz knochenfester Lokatoren (hier bezeichnet als Referenzkörper) und manuell manipulierbarer Lokatoren, auch bezeichnet als handgeführte Taster, lehrt. Die DE 197 09 960 AI beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur präoperativen Bestimmung der Positionsdaten von Endoprothesenteilen eines mittleren Gelenkes des menschlichen Körpers relativ zu den benachbarten Knochen.

Die bei diesen Systemen eingesetzten knochenfesten Lokatoren (Markierungsele- mente, Referenzkörper o. ä.) weisen üblicherweise drei oder mehr Strahlungssender (IR-LED) oder Strahlungsreflektoren (IR-Reflektoren) auf, was ihre selbstständige

Lokalisierung im Raum ermöglicht. Hierzu sind im Grunde drei Sende-oder Reflek- torelemente ausreichend, während 4 oder mehr aus physikalischer Sicht redundant ist, aber zusätzliche Prüfschritte bzw. Aussagen zur Schlüssigkeit gewonnener Posi- tionsdaten ermöglicht.

Vielfach haben diese Lokatoren eine annähernde T-oder Y-Form, wobei häufig ei- nes der Sende-oder Reflektorelemente gegenüber einer Ebene in der die übrigen drei liegen, erhöht angeordnet ist. Es gibt aber auch Lokatoren mit im wesentli- chen rechteckigem oder rhomboedrischem Grundkörper mit angesetztem stabför- migem Halter, sowie auch Lokatoren mit nur drei Sende-bzw. Reflektorelementen auf einem im wesentlichen linearen Grundkörper.

All diesen Lokatoren ist gemeinsam, dass sie-mit Rücksicht auf den erforderli- chen Abstand der Sende-bzw. Reflektorelemente zur zuverlässigen Erfassung durch die optische Erfassungseinrichtung-relativ große Abmessungen und, wegen der erforderlichen Steifigkeit, auch ein relativ hohes Gewicht haben. Zur Befesti- gung am Knochen werden daher üblicherweise relativ großvolumige und aufwendi- ge Klernm-bzw. Schraubvorrichtungen verwendet, die eine entsprechend großflä- chige Freilegung des Knochenbereiches erfordern, was dem generellen medizini- schen Anliegen zuwiderläuft, erforderliche Eingriffe möglichst minimal invasiv aus- zuführen. Einfachere Befestigungsmittel, wie die in der DE 197 09 960 Al be- schriebenen Schneidgewindeschrauben zum direkten Eindrehen in den Knochenab- schnitt, haben sich mit Blick auf die relativ hohen Lasten der konventionellen Loka- toren nicht durchsetzen können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe der Bereitstellung eines kleineren, leichteren und in minimalinvasiver Weise am Knochen anbringbaren Lokators der gattungs- gemäßen Art zugrunde. Weiterhin soll ein an derartige verbesserte Lokatoren an- gepasstes medizinisches Navigationssystem bereitgestellt werden.

Diese Aufgabe wird in ihrem ersten Aspekt durch einen Lokator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und in ihrem zweiten Aspekt durch ein Navigationssystem mit dem Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.

Die Erfindung schließt den grundlegenden Gedanken ein, auf die selbstständige Ortbarkeit bzw. Möglichkeit der Bestimmung eines vollständigen Positionsdatensat- zes eines einzelnen Lokators mit Blick auf die spezifischen Bedingungen des medi- zinischen Einsatzes zu verzichten. Diese Spezifik besteht darin, dass das Körperteil, dessen Position bzw. Orientierung im Raum zu bestimmen ist, als solches eine starre Verbindung zwischen zwei oder mehreren Lokatorelementen herstellen kann, welche ihrerseits starr mit diesem Körperteil (Knochen, Gelenkteil etc. ) verbunden sind. Die Erfindung fußt also gewissermaßen auf dem Gedanken, funktionell unvoll- ständige, reduzierte Lokatoren einzusetzen, welche erst in einem durch den Kno- chen geschaffenen starren Verbund miteinander die Gewinnung eines vollständigen Positionsdatensatzes ermöglichen.

Mit der Erfindung wird es möglich, die nun wesentlich kleiner und leichter ausführ- baren Lokatoren mit einer weit weniger invasiven Befestigung als die herkömmli- chen Lokatoren zu fixieren, denn die wirkenden Kräfte werden wesentlich redu- ziert. Zudem ergibt sich in vorteilhafter Weise eine deutliche Reduzierung der un- erwünschten Beeinflussung von Bändern im Operationsbereich und/oder einer Irri- tation der benachbarten Weichteile. Es ist klar, dass die verringerte Größe und das verringerte Gewicht sowie der vereinfachte Befestigungsmechanismus auch eine größere Flexibilität hinsichtlich der Anwendung und konkreten Platzierung der er- findungsgemäßen Lokatoren ergeben.

Weiterhin ergibt sich als Vorteil gegenüber den bekannten Navigationsprinzipien eine Verbreiterung der Messbasis zwischen den zueinander in Beziehung zu setzen- den Referenzpunkten bzw. Zielmarken (Sende-bzw. Reflektorelementen) gegen- über einer in vollem Maße selbstständigen Positionsdatengewinnung aus den Mess- signalen einzelner Lokatoren. Bei diesen ist die Größe der Messbasis mit Blick auf ihre Gesamtgröße und das Gewicht natürlich sehr begrenzt, während die vorge- schlagen Lösung eine in weiten Grenzen wählbare Platzierung der gemeinsam ei- nen Positionsdatensatz liefernden Lokatoren und damit im Bedarfsfall die Realisie- rung einer wesentlich vergrößerten Messbasis erlaubt. Hierbei ist auch zu beach- ten, dass sich auch während des Systembetriebes auftretende kleine Fehler, etwa

unbeabsichtigte Verschiebungen eines einzelnen Lokators, für das Gesamtergebnis der Positionsbestimmung bei vergrößerter Messbasis weniger stark auswirken.

Schließlich ist darauf hinzuweisen, dass die vereinfachte Befestigung jederzeit ein vollständiges Drehen des Lokators um seine Achse erlaubt, was mit sehr geringem Aufwand eine Optimierung der optischen Erfassungssituation ermöglicht. Zwar las- sen sich drehbare knochenfeste Lokatoren auch beim herkömmlichen Aufbau reali- sieren, dies würde aber zusätzliche Gelenke bzw. Drehachsen an der Befestigungs- vorrichtung erfordern und diese somit noch massiver ausfallen lassen. Bei her- kömmlichen Navigationssystemen ist zudem ein Drehen der Lokatoren aufgrund des anderen Messprinzips nur vor Beginn des Erfassungs-Ablaufs erlaubt, danach aber verboten.

Zur Realisierung dieser vorteilhaften Drehbarkeit liegt bei einer Lokator-Ausfüh- rung mit zwei Zielmarken die Drehachse insbesondere in einer Verbindungslinie dieser Zielmarken. Diese ist bei den weit verbreiteten sphärischen Zielmarken zwi- schen den Kugelmittelpunkten definiert, kann aber bei flächigen Zielmarken auch außerhalb der jeweiligen Flächenmittelpunkte liegen.

In einer bevorzugten Ausführung umfasst der Lokator zwei an einem im wesentli- chen linearen oder L-förmigen Grundkörper vorgesehene Reflektor-oder Sende- elemente. Auch ein Lokator mit einem einzigen Reflektor-oder Sendeelement liegt im Bereich der Erfindung, dessen Einsatz in einem medizinischen Navigationssys- tem erfordert aber die knochenfeste Fixierung und auswertungsseitige Kombination der Signale von mindestens drei Lokatoren und ist auch hinsichtlich der Fehlers- cherheit weniger vorteilhaft als die Ausführung mit zwei Markern.

In einer weiter bevorzugten Ausführung ist der Eingriffsabschnitt als Selbst- schneid-Gewinde-und weiter bevorzugt auch selbstbohrend-ausgebildet. Mit ei- ner solchen Schraube lässt sich der erfindungsgemäße Lokator mit wenigen einfa- chen Handhabungen und in wenig invasiver Weise an dem der Positionsbestim- mung zu unterziehenden Knochen bzw. Knochenabschnitt zuverlässig fixieren. Posi- tionsverschiebungen in Längsrichtung sind dabei praktisch ebenso ausgeschlossen

wie ein unbeabsichtigtes Lockern. Die Gewindeachse liegt bei einer Lokator-Aus- führung mit zwei Zielmarken bevorzugt in deren (weiter oben erwähnten) Verbin- dungslinie.

Grundsätzlich ist der vorgeschlagene Lokator auch mit einer allein auf Reibungs- kraft basierenden Befestigung nach dem Nagel-Prinzip ausführbar. In dieser Aus- führung ist er ebenfalls leicht-wenn auch mit zusätzlichem Werkzeug (Hammer)- handhabbar, die Stabilität dieser Befestigung reicht aber nicht an diejenige eines Gewindes heran.

In einer besonders einfachen Ausführung verläuft die Längsachse des Befesti- gungselementes im wesentlichen in der Achse der Marker, grundsätzlich sind aber auch Ausführungen mit gegenüber dem Lokator-Grundkörper geneigtem Befesti- gungsgewinde möglich. Bei diesen wäre allerdings ein Drehen des Lokators um die eigene Achse ein geometrisch komplexerer Vorgang, und unbeabsichtigte kleine Drehungen um die Gewindelängsachse würden sich in der Lage der Marker (Reflek- tor-oder Sendeelemente) bemerkbar machen.

In einer weiter bevorzugten Ausführung des vorgeschlagenen Lokators sind die Re- flektorelemente als retro-reflektierende Kugeln ausgebildet, der Lokator ist also vom passiven Typ. Wegen der aufgrund des Fortfalls einer eigenen Stromversor- gung geringeren Komplexität und flexibleren Einsetzbarkeit ordnen sich diese pas- sive Ausführung besonders vorteilhaft in das der Erfindung zugrundeliegende Kon- zept ein.

Hierzu ist insbesondere in der Steuer-und Auswertungseinrichtung (11) ein Aus- wertungsprogramm zur zusammenhängenden Auswertung von durch Zielmarken (3c, 3d, 5c, 5d) an den zwei oder mehr Lokatoren (3,5) gegebenen Signalen der- art implementiert, dass die Signale höchsten zweier Zielmarken an ein und demsel- ben Lokator in die Positionsbestimmung einbezogen werden. Auch wenn also in ei- nem Navigationssystem der erfindungsgemäßen Art Lokatoren mit drei oder mehr Zielmarken zum Einsatz kommen sollten, so wird durch diese Ausführung der Steu- er-und Auswertungseinrichtung sichergestellt, dass die Positionsbestimmung auf-

grund der Daten jeweils mehrerer über den Knochen starr verbundener Lokatoren und nicht aufgrund der Signale eines einzelnen Lokators erfolgt. In diesem Sinne wären dann auch beispielsweise Lokatoren mit drei oder mehr Zielmarken, von de- nen nur zwei aber im Sinne der Erfindung eingesetzt werden, als im Schutzbereich der Erfindung liegende Lokatoren anzusehen.

Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus den ab- hängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der einzigen Figur.

Die Figur zeigt in vereinfachter schematischer Darstellung ein optisches Navigati- onssystem 1 für den medizinischen Einsatz, dessen wesentliche Komponenten zwei knochenfeste Lokatoren 3 und 5 der erfindungsgemäßen Art, IR-Beleuchtungs- quellen 7A und 7B, eine Stereokameraanordnung 9 mit zwei IR-Kameras 9a und 9b und eine mit dieser verbundene Auswertungseinheit 11 sind. Bezüglich der Be- leuchtu ngseinheit 7 und der Stereokameraanordnung 9 hat dieses System keine Besonderheiten gegenüber bekannten Navigationssystemen. In der Auswertungs- einheit 11 ist aber ein spezielles Auswertungsprogramm implementiert, welches ei- ne zusammenfassende Auswertung der von den beiden Lokatoren 3 und 5 kom- menden Lichtsignale zur Erstellung eines Positionsdatensatzes erlaubt.

Die Lokatoren 3 und 5 haben identischen Aufbau aus einem L-förmigen Grundkör- per 3a bzw. 5a, einem an diesen angesetzten Selbstschneidgewinde 3b bzw. 5b und jeweils zwei retro-reflektierenden Kugeln 3c, 3d bzw. 5c, 5d auf dem langge- streckten Teil des Grundkörpers. Sie sind mit Abstand zueinander in eine Tibia T eines Patienten eingeschraubt, und definieren die Referenz der Tibia T. Das Ein- schrauben erfolgt ohne wesentliche vorherige Freilegung des Fixierungsbereiches und weitgehend frei von Weichteilirritationen und Beeinträchtigungen der Bänder im Knie-bzw. Fußgelenkbereich.

Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen. Insbesondere sind Abwandlungen hinsichtlich der Form des Loka- tor-Grundkörpers und der Art und Anordnung der zugehörigen Befestigungseinrich- tung (wie weiter oben beschrieben) möglich, aber auch Abwandlungen hinsichtlich der Anzahl, Form und Anordnung der Markerelemente auf den Lokatoren.