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Title:
METHOD FOR SIMULATING MUSCULOSKELETAL STRAINS ON A PATIENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2004/095341
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to a method and a device for simulating musculoskeletal strains on a patient, especially for preparing or monitoring surgical interventions and/or planning and/or monitoring rehabilitation. According to the invention, individual musculoskeletal parameters of the patient are determined first, particularly by automatically measuring anthropometric parameters and/or the position and/or alignment of joints, especially also gait-related data such that individual musculoskeletal strains are automatically determined from the determined musculoskeletal parameters of the patient. The individual musculoskeletal strains thus determined are evaluated in a computer-assisted manner regarding at least one target criterion, particularly the contact forces or the degree of motion of a joint or the fragment movements of a fracture. The aim of the invention is to create a method for evaluating musculoskeletal strains on a patient, by means of which above all surgical interventions or rehabilitative measures can be improved.

Inventors:
DUDA GEORG N (DE)
HELLER MARKUS O (DE)
TAYLOR WILLIAM R (DE)
Application Number:
PCT/DE2004/000839
Publication Date:
November 04, 2004
Filing Date:
April 16, 2004
Export Citation:
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Assignee:
DUDA GEORG N (DE)
HELLER MARKUS O (DE)
TAYLOR WILLIAM R (DE)
International Classes:
A61B5/103; A61B5/11; G06F19/00; G06T7/00; (IPC1-7): G06F19/00
Other References:
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TECHTRAN, LTD: "Osteotomy Analysis Simulation System; OASIS - A Boon to Osteoarthritis Patients" JAPAN HEALTH CARE INDUSTRY NEWS - NEWS CLIPS FROM INDUSTRY PAPERS, [Online] November 1998 (1998-11), Seiten 1-3, XP002324308 Gefunden im Internet: URL:http://www.techtran.co.jp/techtr_e/healthcare/199811.html> [gefunden am 2005-04-11]
BIOMECHANICS RESEARCH LABORATORY: "Pre-operative Planning for Knee Osteotomies" ORTHOPAEDIC BIOMECHANICS LABORATORY, [Online] Januar 2003 (2003-01), Seiten 1-3, XP002324309 JOHNS HOPKINS UNIVERSITY, BALTIMORE, MARYLAND, USA Gefunden im Internet: URL:http://web.archive.org/web/20030115200450/http://www.biomech.jhu.edu/Projects/oasis/Default.htm> [gefunden am 2005-04-11]
BLUMENTRITT S: "Die Beziehung zwischen dem Gang des Menschen und dem Hüftgelenkaufbau in der Frontalebene [The relationship between the gait of humans and the hip joint structure in the frontal plane]" GEGENBAURS MORPHOLOGISCHES JAHRBUCH. 1990, Bd. 136, Nr. 6, 1990, Seiten 677-693, XP008045570 ISSN: 0016-5840
BERGMANN G ET AL: "Hip contact forces and gait patterns from routine activities." JOURNAL OF BIOMECHANICS. JUL 2001, Bd. 34, Nr. 7, Juli 2001 (2001-07), Seiten 859-871, XP008045554 ELSEVIER UK ISSN: 0021-9290
HELLER M O ET AL: "Musculo-skeletal loading conditions at the hip during walking and stair climbing" JOURNAL OF BIOMECHANICS, Bd. 34, Nr. 7, Juli 2001 (2001-07), Seiten 883-893, XP008045615 ELSEVIER UK ISSN: 0021-9290
Attorney, Agent or Firm:
Gross, Felix (Postfach 15 09 20, Berlin, DE)
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Claims:
Ansprüche
1. Verfahren zur Simulation muskuloskelettaler Belastungen eines Patienten, insbesondere zur Vorbereitung bzw. Überwachung operativer Eingriffe und/oder zur Planung bzw. Überwachung der Rehabilitation, mit den Schritten : a. Ermitteln individueller muskuloskelettaler Parameter des Patienten, insbesondere durch automatische Mes sung anthropometrischer Parameter, automatische Ab leitung anthroprometrischer Parameter aus einem Sys tem für die Computer Assistierte Chirurgie, insbeson dere einem chirurgischen Navigationssystem, und/oder der Lage und/oder Orientierung von Gelenken ; b. Automatische Bestimmung der individuellen muskulo skelettalen Belastungen aus den ermittelten muskulo skelettalen Parametern des Patienten ; c. Rechnergestützte Bewertung der individuellen muskulo skelettalen Belastungen hinsichtlich mindestens eines Zielkriteriums, insbesondere hinsichtlich der Kon taktkräfte oder des Bewegungsausmaßes eines Gelenkes oder hinsichtlich der Fragmentbewegungen einer Frak tur.
2. Verfahren nach Anspruch 1 mit den zusätzlichen Schrit ten : d. Variation mindestens eines muskuloskelettalen Para meters, insbesondere der Lage und/oder der Orientie rung eines Gelenks ; e. Erneute automatische Bestimmung der individuellen muskuloskelettalen Belastungen unter Berücksichti gung des mindestens einen variierten muskulo skelettalen Parameters ; f. Erneute rechnergestützte Bewertung der individuellen muskuloskelettalen Belastungen hinsichtlich des min destens einen Zielkriteriums.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte d. bis f. wiederholt werden, bis ein fest gelegter Zielwertmindestens eines Zielkriteriums er reicht wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Zielwert korrespondierenden muskulo skelettalen Parameter auf einem Ausgabegerät ausgegeben werden, in einem Speichergerät gespeichert und/oder an ein Computer Assistiertes Chirurgiesystem und/oder an ein chirurgisches Navigationssystem übertragen werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich net, dass die mit dem Zielwert korrespondierenden indi viduellen und variierten muskuloskelettalen Parameter als Grundlage für die Planung eines operativen Ein griffs, insbesondere als Grundlage für die Wahl von Kom ponenten, der Positionierung von Komponenten oder der Entscheidung über die Entfernung temporärer Implantate, dienen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge kennzeichnet, dass die Variation der individuellen muskuloskelettalen Parameter in Schritt d. unter Be rücksichtigung vorgebbarer Daten von Implantaten, insbe sondere deren Abmessungen und Bewegungsbereiche, durch geführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur automatischen Bestimmung der individuellen muskuloskelettalen Belastungen die indi viduellen bzw. die variierten muskuloskelettalen Para meter mit in einer Datenbank hinterlegten muskulo skelettalen Referenzparametern verglichen werden, wobei zu den muskuloskelettalen Referenzparametern korrespon dierende muskuloskelettale Referenzbelastungen als die individuellen muskuloskelettalen Belastungen bestimmt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die muskuloskelettalen Referenzparameter als diskrete Werte in der Datenbank vorliegen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die muskuloskelettalen Referenzparameter mit den indi viduellen muskuloskelettalen Parametern mittels funkti oneller Zusammenhänge, insbesondere mittels Interpolati on, verglichen werden.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die individuellen muskulo skelettalen Belastungen aus den ermittelten individuel len muskuloskelettalen Parametern berechnet werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Berechnung der individuellen muskuloskelettalen Be lastungen ein biomechanisches und/oder ein mathemati sches Modell zugrunde gelegt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das biomechanische und/oder mathematische Modell an die individuellen muskuloskelettalen Parameter angepasst wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich net, dass das biomechanische und/oder mathematische Mo dell aufgrund der ermittelten individuellen muskulo skelettalen Parameter aus mindestens einer Datenbank ausgewählt wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die individuellen muskulo skelettalen Belastungen mit Hilfe eines muskulo skelettalen Modells unter Berücksichtigung der individu ellen Patientenanatomie berechnet wird.
15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die individuellen muskulo skelettalen Belastungen zur Bewertung visualisiert wer den.
16. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die individuellen muskulo skelettalen Belastungen anhand eines anatomischen Mo dells, insbesondere graphisch und/oder numerisch darge stellt werden.
17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bewertung der individuel len muskuloskelettalen Belastungen ein Rehabilitations prozess bewertet und/oder gesteuert wird, insbesondere mittels eines Zugriffs über das Internet.
18. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die individuellen muskulo skelettalen Parameter des Patienten durch Messungen er mittelt werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der individuellen muskuloskelettalen Parameter automatisch gemessen wird, insbesondere durch Bilderkennung, Computertomographie und/oder Bewegungs sensoren.
20. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass individuelle Bewegungsparameter, insbesondere Gangparameter ermittelt werden und diese zur automatischen Bestimmung individueller muskulo skelettaler Belastungen verwendet werden.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die individuellen Gangparameter aus in einer Datenbank gespeicherten Personendaten ermittelt werden und/oder für eine Person individuell erfasst werden.
22. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage und/oder Orientierung von Gelenken für ein Navigationssystem für die computerun terstützte Chirurgie verwendet werden und/oder die Da ten von einem Navigationssystem für die computerunter stützte Chirurgie verwendet werden.
23. Vorrichtung zur Bewertung muskuloskelettaler Belastun gen eines Patienten mit Mitteln zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche.
24. Bewegungsanalysesystem, insbesondere Ganganalysesystem, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Vorrichtung nach Anspruch 23 gekoppelt ist.
25. Navigationssystem für die computerunterstütze Chirurgie zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der Ansprüche 1 bis 22 * * * * *.
Description:
Verfahren zur Simulation muskulo-skelettaler Belastungen eines Patienten Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Simulation muskulo- skelettaler Belastungen eines Patienten gemäß dem Obergriff des Anspruchs 1.

Es ist ein gesellschaftlicher Trend hin zu einem aktivem Le- bensstil, geprägt unter anderem auch durch das Ausüben von Hochrisiko Sportarten gepaart mit einer vermehrten körperli- chen Aktivität, auch im Alter, zu beobachten. Zusätzlich steigt die Lebenserwartung und eine generelle Alterung der Bevölkerung ist zu beobachten. Mit beiden Phänomenen geht eine Zunahme muskulo-skelettaler Erkrankungen einher. Deren besondere Relevanz wird unter anderem auch durch die von der WHO ausgerufene Bone & Joint Decade ersichtlich.

Konkret bedeutet dies, dass die Anzahl der Menschen, die beispielsweise künstliche Gelenke benötigen, die eine Frak- tur erleiden oder für die Rehabilitationsmaßnahmen erforder-

lich werden, steigt. Diese Entwicklung hat sowohl eine enor- me ökonomische Bedeutung auf Grund der damit verbundenen Kosten durch Operationen und Rehabilitationsmaßnahmen bzw. der indirekte Kosten der Arbeitsfähigkeit, aber auch eine wichtige sozio-kulturelle Komponente, nämlich den Erhalt von Lebensqualität. Insgesamt folgt, dass eine Optimierung der entsprechenden Maßnahmen wie beispielsweise Operationen und Rehabilitationsmaßnahmen eine hohe Bedeutung für die Ent- wicklung der Gesellschaft hat.

Der Erfolg einer Behandlung, insbesondere im Rahmen eines Gelenkersatzes oder bei der Frakturversorgung hängt jedoch sehr stark von den davor und danach erreichten individuellen muskulo-skelettalen Belastungen ab. Im Rahmen der Maßnahmen wird versucht, diese aktiv zu ändern bzw. einen"normalen Zustand", der in der Regel auch der optimale Zustand ist, wieder herzustellen. Die Kenntnis über muskulo-skelettale Belastungen ist derzeit beschränkt, da es sich dabei um kom- plexe Systeme handelt. Eine Einbeziehung der muskulo- skelettalen Belastung in die Planung bzw. die Durchführung von Operationen und/oder Rehabilitationsmaßnahmen erfolgt derzeit nicht. Das Ergebnis der durchgeführten Operation bzw. der Rehabilitationsmaßnahmen ist daher in hohem Maße von der Erfahrung des Chirurgen bzw. des Therapeuten abhän- gig- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren zur Bewertung muskulo-skelettaler Belastungen eines Patien- ten anzugeben, mit dem insbesondere operative Eingriffe bzw.

Rehabilitationsmaßnahmen verbessert werden können.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Simulation muskulo- skelettaler Belastungen mit den Merkmalen des Anspruch 1 ge- löst.

Dem gemäß werden zunächst individuelle muskulo-skelettale Parameter des Patienten ermittelt. Insbesondere werden durch automatische Messung anthropometrische Parameter, automati- sche Ableitung anthroprometrischer Parameter aus einem Sys- tem für die Computer Assistierte Chirurgie, insbesondere ei- nem chirurgischen Navigationssystem, und/oder die Lage und/oder Orientierung von Gelenken ermittelt. Ein chirurgi- sches Navigationssystem stellt dem Operateur eine virtuelle Darstellung des Operationsbereiches zur Verfügung. Diese Darstellung wird z. B. anhand von vor der OP aufgenommener CT-Bilder erstellt. Dabei kann der Operateur die Bewegungen von Instrumenten auch in der virtuellen Darstellung beobach- ten, wobei er einem vorher in der virtuellen Darstellung an- geordneten Behandlungsplan folgen kann. Damit ist auch ein Vergleich der realen OP-Situation mit der geplanten Situati- on möglich. Auch ist es möglich, mit Hilfe des Navigations- systems aktiv Instrumente zu steuern. Das Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens können z. B. auf einem zentralen Server installiert sein. Die Nutzer (z. B.

Therapeuten, Chirurgen, Techniker) würden in diesem Fall nicht lokal auf Daten zugreifen, sondern könnten über das Internet die benötigten Informationen erhalten oder ggf. auch eingeben. Damit können die Daten während der Planung und auch nachfolgenden Schritten therapiebegleitend genutzt werden. Auch kann ein Zentrum eingerichtet werden, dass zentral Daten für unterschiedliche Nutzer pflegt und ver- teilt.

Aus den ermittelten individuellen muskulo-skelettalen Para- metern werden im zweiten Schritt die individuellen muskulo- skelettalen Belastungen automatisch bestimmt. Im dritten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die indivi- duellen muskulo-skelettalen Belastungen hinsichtlich mindes- tens eines Zielkriteriums rechnergestützt bewertet. Als Zielkriterium können dabei insbesondere die Kontaktkräfte bzw. das Bewegungsausmaß eines Gelenkes oder die Fragmentbe- wegungen einer Fraktur dienen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können chirurgische Vor- gehensweisen, wie beispielsweise Eingriffe zum totalen Ge- lenkersatz, Eingriffe an Bandstrukturen, Eingriffe in Rahmen von Umstellungsosteotomien sowie Eingriffe im Rahmen der Frakturversorgung von Menschen und Tieren unterstützt wer- den.

Durch die Ermittlung einer Bewertung der individuellen muskulo-skelettalen Belastungen hinsichtlich mindestens ei- nes Zielkriteriums können chirurgischen Verfahren in Pla- nung, Durchführung und Evaluierung unterstützt werden. Der Chirurg bzw. Therapeut kann mit Hilfe des Verfahrens direkt die Auswirkungen eines geplanten Eingriffes nichtinvasiv ab- schätzen und seinen Operations-bzw. Therapieplan dement- sprechend bewerten und anpassen. Durch die Verwendung indi- vidualisierter, biomechanischer muskulo-skelettaler Be- lastungs-und Beanspruchungsanalysen kann daher die Planung, Durchführung und Evaluierung chirurgischer Verfahren bereits vor dem Eingriff objektiviert werden.

In einer Variante des Verfahrens wird nach der Bewertung der individuellen muskulo-skelettalen Belastungen mindestens ei- ner der muskulo-skelettalen Parameter, insbesondere die Lage

und/oder die Orientierung eines Gelenkes variiert. Danach werden erneut die individuellen muskulo-skelettalen Belas- tungen unter Berücksichtigung des mindestens einen variier- ten muskulo-skelettalen Parameters automatisch bestimmt.

Darauf wird erneut eine rechnergestützte Bewertung für indi- viduelle muskulo-skelettale Belastungen hinsichtlich des mindestens einen Zielkriteriums vorgenommen. Auf diese Weise kann ein Vergleich zwischen zwei möglichen Situationen bzw.

Operationsplänen vorgenommen werden. Beispielsweise kann un- tersucht werden, wie sich eine unterschiedliche Lage eines Gelenkes im Hinblick auf das mindestens eine Zielkriterium, beispielsweise im Hinblick auf die dabei auftretenden Kon- taktkräfte des Gelenkes, verhält. Eine genaue Operationspla- nung wird hierdurch möglich. Der variierte Parameter kann in einer Weiterentwicklung der Erfindung optimiert werden, in- dem die Variation des mindestens einen Parameters solange wiederholt wird, bis ein festgelegter Zielwert mindestens eines Zielkriteriums erreicht wird. Hierdurch wird iterativ eine Optimierung des Zielkriteriums und damit auch des Para- metersatzes erreicht. Auf diese Weise kann beispielsweise die optimale Lage eines künstlichen Gelenkes ermittelt wer- den.

Die so ermittelten muskulo-skelettalen Parameter, beispiels- weise die Lage eines Gelenkes werden vorteilhaft auf einem Ausgabegerät ausgegeben und/oder in einem Speichergerät ge- speichert. Zusätzlich oder alternativ können die Ausgabeda- ten auch an ein Computer Assistiertes Chirurgiesystem und/ oder eim chirurgisches Navigationssystem übermittelt werden, so dass diese Daten auch intra-operativ zur Verfügung stehen können.

Die in diesem iterativen Verfahren gewonnenen und mit dem Zielwert korrespondierenden individuellen und variierten muskulo-skelettalen Parameter dienen mit Vorteil als Grund- lage für die Planung eines operativen Eingriffs. Insbesonde- re dienen sie als Grundlage für die Wahl von Komponenten, beispielsweise unterschiedlichen Gelenktypen, bezüglich der Positionierung der Komponenten oder der Entscheidung über die Entfernung temporärer Implantate.

Um die Auswirkungen unterschiedlicher Implantate auf die muskulo-skelettale Belastung des Patienten ermitteln zu kön- nen, kann die Variation der individuellen muskulo- skelettalen Parameter unter Berücksichtigung der Daten von Implantaten, insbesondere deren Abmessungen und Bewegungsbe- reichen, durchgeführt werden. So können beispielsweise un- terschiedliche Implantate gegeneinander getestet werden und das für die jeweilige Patientenanatomie optimale Implantat unter Berücksichtigung der jeweiligen Zielkriterien gewählt werden.

Zur automatischen Bestimmung der individuellen muskulo- skelettalen Belastungen sind in Weiterbildungen des erfin- dungsgemäßen Verfahrens zwei unterschiedliche Verfahrensty- pen vorgesehen : Zum Einen werden die individuellen bzw. die variierten muskulo-skelettalen Parameter mit in einer Datenbank hinter- legten, muskulo-skelettalen Referenzparametern verglichen, wobei zu den muskulo-skelettalen Referenzparametern korres- pondierende muskulo-skelettale Referenzbelastungen als die individuellen muskulo-skelettalen Belastungen bestimmt wer- den. Die muskulo-skelettalen Referenzparameter können in der Datenbank dabei als diskrete Werte vorliegen. Beim Vorliegen

diskreter Werte bietet es sich an, die Referenzparameter mit den individuellen muskulo-skelettalen Parametern mittels funktioneller Zusammenhänge, insbesondere mittels Interpola- tion zu vergleichen.

Zum Anderen werden die individuellen muskulo-skelettalen Be- lastungen in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens aus dem ermittelten individuellen muskulo- skelettalen Parametern berechnet. Dabei liegt der Berechnung vorteilhaft ein biomechanisches und/oder ein mathematisches Modell zugrunde. In einer Weiterbildung des erfindungsgemä- ßen Verfahrens findet bereits eine Anpassung des jeweiligen verwendeten biomechanischen bzw. mathematischen Modells an die individuellen muskulo-skelettalen Parameter statt. Dazu kann ein biomechanisches und/oder ein mathematisches Modell aufgrund der ermittelten individuellen muskulo-skelettalen Parameter aus mindestens einer Datenbank ausgewählt werden.

Es findet dann eine Optimierung und Anpassung des ausgewähl- ten Modells an die ermittelten individuellen muskulo- skelettalen Parameter statt. Vorteilhaft findet daher eine Berechnung der individuellen muskulo-skelettalen Belastungen mit Hilfe eines muskulo-skelettalen Modells unter Berück- sichtigung der individuellen Patientenanatomie bzw. unter Berücksichtigung der individuellen anthropometrischen Daten des Patienten statt.

Zur Vereinfachung der rechnergestützten Bewertung der jewei- ligen Verfahrensergebnisse werden diese individuellen musku- lo-skelettalen Belastungen vorteilhaft visualisiert. Der je- weilige behandelnde Arzt bzw. Therapeut kann so anhand der Visualisierung schnell und einfach seinen Behandlungsplan überprüfen und abändern. Dabei werden vorteilhaft die indi-

viduellen muskulo-skelettalen Belastungen anhand eines ana- tomischen Modells graphisch und/oder numerisch dargestellt.

Durch die Bewertung der individuellen muskulo-skelettalen Belastungen kann weiterhin ein Rehabilitationsprozess bewer- tet und/oder gesteuert werden, indem beispielsweise erkannt werden können. So kann z. B. über das Internet auf entspre- chende Daten zugegriffen werden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens werden die individuellen muskulo-skelettalen Parameter des Patien- ten durch Messungen ermittelt. Zur Vereinfachung und Objek- tivierung des Verfahrens kann mindestens einer der individu- ellen muskulo-skelettalen Parameter automatisch gemessen werden. Eine solche Messung kann insbesondere durch Bilder- kennung, Computertomographie und/oder durch Bewegungssenso- ren stattfinden.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn individuelle Bewegungspa- rameter, insbesondere Gangparameter ermittelt werden und diese zur automatischen Bestimmung individueller muskulo- skelettaler Belastungen verwendet werden. Zum Beispiel kön- nen individuelle Gangparameter durch Bildaufnahmen von Bei- nen in Bewegung gewonnen werden. Aus den Aufnahmen können dann dreidimensionale Positionen der Körperteile bestimmt werden. Auch wird dabei die Bodenreaktionskraft gemessen, die vom Boden auf den Fuß wirkt. Dabei ist es besonders vor- teilhaft, wenn die individuellen Gangparameter aus in einer Datenbank gespeicherten Personendaten ermittelt werden und/ oder für eine Person individuell erfasst werden.

Die Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkma- len des Anspruchs 22 gelöst. Eine solche Vorrichtung kann

als software-und/oder hardwaregestützte Variante in einer Datenverarbeitungsanlage implementiert sein. Diese Datenver- arbeitungsanlage weist dann eine Kopplung mit einer Daten- bank auf, mit der muskulo-skelettakle Belastungen und/oder individuelle Bewegungsparameter speicherbar sind.

Das Verfahren wird im Folgenden anhand der Zeichnungen der Figuren weiter erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer ersten Ausführungsform ; Fig. 2 das Verfahren in einer zweiten, detaillierteren Aus- führungsform ; Fig. 3 Ausschnitt aus dem in Figur 2 gezeigten Verfahren be- züglich der Betimmung individueller muskulo- skelettaler Belastungen aus einer Datenbank ; Fig. 4 detaillierter Ausschnitt aus dem Verfahren der Figur 2, wobei die Berechnung muskulo-skelettaler Belastun- gen gezeigt ist ; Fig. 5 weiter Ausschnitt aus dem Verfahren der Figur 2, der sich auf die Visualisierung bezieht ; und Fig. 6 Darstellung einer möglichen Visualisierung muskulo- skelettaler Belastungen.

In Figur 1 ist schematisch des erfindungsgemäße Verfahren gezeigt. Im ersten Schritt werden die individuellen muskulo- skelettalen Parameter des jeweiligen Patienten ermittelt.

Dazu zählen insbesondere anthropometrische Daten, wie bei-

spielsweise die Knochenabmessungen und deren Massen, die Schwerpunkte der Knochen und andere Trägheitsparameter, die Beckenabmessungen, die jeweiligen Ober-und Unterschenkel- längen oder die Fußlänge. Hierein können auch andere anthro- pometrische Daten eingehen, die im Zusammenhang mit der je- weiligen automatischen Bestimmung der individuellen muskulo- skelettalen Belastungen im Zusammenhang stehen.

Die Ermittlung der individuellen muskulo-skelettalen Parame- ter im Schritt 1 kann durch automatische Messungen, die bei- spielsweise aus der Computertomographie entnommen sind, durch Außenmessungen des Patienten, durch Bewegungsanalysen oder durch andere Messverfahren ermittelt werden. Zusätzlich oder alternativ können anthropometrischen Parameter automa- tisch von einem Navigationssystem übernommen werden.

Dabei können in Schritt 40 z. B. individuelle Bewegungspara- meter in das Verfahren eingehen. Im Fall der unteren Extre- mitäten kann dazu eine Ganganalyse verwendet werden. Dabei werden z. B. mit einem optischen Messsystem die Bewegungen der einzelnen Beinsegmente bei bestimmten Aktivitäten (z. B.

Laufen, Treppensteigen, Aufstehen von einem Stuhl, Kniebeu- gen etc. ) erfasst. Damit die optische Erfassung durchführbar ist, werden auf einen Patienten reflektierende Marker ange- ordnet, die vom Messsystem erfassbar sind. Damit kann dann die räumliche und zeitliche Position der Körpersegmente (z. B. Becken, Oberschenkel, Knie, Unterschenkel, Fuß) ermit- telt werden. In Verbindung mit mehreren Kameras kann aus den zweidimensionalen Bildern ein dreidimensionales Bewegungs- bild der Körpersegmente gewonnen werden. Auch wird bei der Ganganalyse die Reaktionskraft des Bodens auf die Füße ge- messen. Die Bewegungsparameter können dabei aus Datenbank- werten eines Patienten (z. B. Größe, Gewicht) berechnet wer-

den und/oder am Patienten direkt erhoben werden. Auch wenn im Folgenden auf Gangparameter abgehoben wird, so können grundsätzlich auch Bewegungsparameter anderer Körperteile verwendet werden.

Im Schritt 2 werden die individuellen muskulo-skelettalen Belastungen automatisch aus den ermittelten individuellen muskulo-skelettalen Parametern und ggf. aus den individuel- len Bewegungsparametern bestimmt. Diese Bestimmung kann bei- spielsweise durch Vergleich der ermittelten muskulo- skelettalen Parameter mit in einer Datenbank hinterlegten Referenzparametern, oder aber durch Berechnung der jeweili- gen individuellen muskulo-skelettalen Belastungen erfolgen.

Aus diese Verfahren wird bei der Beschreibung der folgenden Figuren weiter eingegangen werden.

Im Schritt 3 des in Figur 1 gezeigten Verfahrens werden nun die automatisch bestimmten, individuellen muskulo- skelettalen Belastungen bezüglich eines Zielkriteriums rech- nergestützt bewertet. Als Zielkriterium können dabei bei- spielsweise die Kontaktkräfte oder das Bewegungsausmaß eines Gelenkes oder die notwendigen Fragmentbewegungen einer Frak- tur dienen. Auch eine Kombination mehrerer Zielkriterien kann hierbei betrachtet und bewertet werden.

In einer einfachen Ausführung des Verfahrens werden die Wer- tung bzw. die individuellen Belastungen dann mit Schritt 6 ausgegeben bzw. dokumentiert.

Zur Optimierung eines Parametersatzes kann in einer Weiter- bildung des Verfahrens weiterhin im Schritt 4 überprüft wer- den, ob das Zielkriterium einen vorher festgelegten Zielwert erreicht hat. Ist dies nicht der Fall, so wird im Schritt 5

mindestens einer der individuellen Parameter variiert. Die automatische Bestimmung der individuellen Belastungen im Schritt 2 und die Bewertung dieser individuellen Belastungen bezüglich eines Zielkriteriums im Schritt 3 schließt sich daran an. Ist der Zielwert im Schritt 4 immer noch nicht er- reicht, so erfolgt eine neue Variation mindestens eines Pa- rameters in Schritt 5. Ist der Zielwert hingegen erreicht, so erfolgt die Ausgabe bzw. Dokumentation im Schritt 6. Auch ist es möglich, dass die Datenausgabe automatisch an ein chirurgisches Navigationssystem erfolgt.

Durch dieses iterative Vorgehen kann ein Parametersatz be- züglich eines oder mehrerer Zielkriterien optimiert werden.

Der bezüglich der individuellen muskulo-skelettalen Belas- tungen bzw. bezüglich des Zielkriteriums optimierte indivi- duelle Parametersatz kann dann zur Planung beispielsweise eines operativen Eingriffs bzw. zur Planung therapeutischer Maßnahmen verwendet werden.

Die Variation des mindestens einen Parameters in Schritt 5 der Figur kann auch die Abmessungen bzw. andere Parameter von Implantaten berücksichtigen. So können durch die Varia- tionen der Parameter in Schritt 5 unterschiedliche Implanta- te gegeneinander getestet werden.

Die gewonnenen und verarbeiteten Daten werden gespeichert und können für die Rehabilitation verwendet werden. Dabei kann z. B. der zuständige Arzt über das Internet auf die Da- ten zugreifen, um einen speziell angepassten Rehabilitati- onsplan, z. B. für die Krankengymnastik zu gestalten.

In Figur 2 ist das erfindungsgemäße Verfahren in einer er- weiterten Ausführungsform gezeigt. Zunächst werden im

Schritt 1 die individuellen muskulo-skelettalen Parameter des jeweiligen Patienten, beispielsweise durch automatische Messung, ermittelt. Die automatische Bestimmung der indivi- duellen muskulo-skelettalen Belastungen aus den ermittelten individuellen muskulo-skelettalen Parametern kann danach entweder im Schritt 20 über eine Datenbankabfrage oder aber im Schritt 21 über eine Berechnung des individuellen musku- lo-skelettalen Belastung erfolgen. Dabei gehen auch die in- dividuellen Gangparameter ein (Schritt 40).

Aus dem Schritt 20 bzw. dem Schritt 21 ergibt sich dann im Schritt 22 die individuelle muskulo-skelettale Belastung des jeweiligen Patienten. Die individuelle muskulo-skelettale Belastung wird nun für die Visualisierung im Schritt 30 auf- bereitet. Wie dies im einzelnen vor sich geht wird bei der Beschreibung der weiteren Figuren thematisiert.

Im Schritt 31 werden die jeweiligen individuellen muskulo- skelettalen Belastungen visualisiert. Aus der Visualisierung heraus werden die muskulo-skelettalen Belastungen nun dahin- gehend rechnergestützt bewertet, ob mindestens ein Zielkri- terium einen vorgegebenen Zielwert erreicht hat. Ist dies im Schritt 4 der Fall, so werden die entsprechenden Parameter sowie die muskulo-skelettalen Belastungen im Schritt 6 aus- gegeben bzw. dokumentiert. Ist der Zielwert im Schritt 4 nicht erreicht, so wird mindestens ein Parameter an Hand der Visualisierung im Schritt 50 verändert bzw. variiert.

Mit dem in Schritt 50 erzeugten, neuen Parametersatz wird dann wiederum eine automatische Bestimmung der individuellen muskulo-skelettalen Belastungen im Schritt 20 bzw. im Schritt 21 durchgeführt. Dieser iterative Prozess wird so-

lange vorgeführt, bis in Schritt 4 der Zielwert mindestens eines Zielkriteriums erreicht ist.

In den Figuren 3 und 4 wird nun die automatische Bestimmung der individuellen muskulo-skelettalen Belastungen in den beiden genannten Varianten dargestellt.

In Figur 3 werden die im Schritt 2 ermittelten individuellen muskulo-skelettalen Parameter mit in einer Belastungsdaten- bank 200 hinterlegten Referenzparametern verglichen. Die Re- ferenzparameter der Belastungsdatenbank 200 können dabei entweder als diskrete Werte, oder als kontinuierliche Werte vorliegen.

Beim Vorliegen diskreter Werte wird der Vergleich zwischen den ermittelten individuellen muskulo-skelettalen Parametern und den Referenzparametern der Belastungsdatenbank über funktionelle Zusammenhänge, insbesondere über eine Interpo- lation durchgeführt. Die den den ermittelten Parametern nächstliegenden Referenzparameter entsprechenden Referenzbe- lastungen werden dann als die individuelle muskulo- skelettale Belastung im Schritt 22 ausgegeben.

In diese Variante ist vor der Durchführung des erfindungsge- mäßen Verfahrens eine größere Menge empirischer Daten zu er- heben, an Hand derer die Belastungsdatenbank 200 aufgebaut werden kann.

In Figur 4 ist die zweite Variante der automatischen Bestim- mung der muskulo-skelettalen Belastungen gezeigt. Aus den ermittelten individuellen muskulo-skelettalen Parametern in Schritt 1 wird aus einer Datenbank 210 ein passendes anato-

misches mechanisches und/oder biomechanisches Modell bzw. ein passendes Bewegungsmodel auszuwählen.

Das ausgewählte Modell wird im Schritt 211 an die ermittel- ten individuellen muskulo-skelettalen Parameter 1 angepasst.

Im Schritt 212 erhält man daraus ein individuelle biomecha- nischen Modell, das an den jeweiligen Patienten individuelle angepasst ist. Dabei gehen auch individuelle Gangparameter 40 ein.

Mit dem individuellen biomechanischen Modell werden nun im Schritt 213 die individuellen muskulo-skelettalen Belastun- gen berechnet. Diese individuellen muskulo-skelettalen-Be- lastungen werden dann der individuellen muskulo-skelettalen Belastung in Schritt 22 zugeordnet.

Figur 5 zeigt die einzelnen Verfahrensschritte zur Visuali- sierung der individuellen muskulo-skelettalen Belastungen.

Die individuellen muskulo-skelettalen Belastungen des Schrittes 22 werden zusammen mit den Daten einer Datenbank 310 eines anatomischen Modells im Schritt 311 aufbereitet.

Dabei können beispielsweise die individuellen muskulo- skelettalen Belastungen einzelnen anatomischen Partien zuge- ordnet werden. Dabei können auch Daten in einem chirurgi- schen Navigationssystem verarbeitet werden. Die so verknüpf- ten und aufbereiteten Daten werden im Schritt 312 visuali- siert.

Eine solche Visualisierung ist beispielsweise in Figur 6 ge- zeigt. Einzelne Parameter 1 bis m können an Hand der Visua- lisierung, beispielsweise an Hand einer grafischen Darstel- lung, auf einem Computerschirm mit Hilfe eines Schiebers 500 variiert werden. Der Wert des jeweiligen Parameters wird in

einer separaten Anzeige 501 angezeigt. Hier kann es sich beispielsweise um einen Winkel oder einen Abstand handeln.

Die muskulo-skelettale Belastung wird an Hand einer Kurve 502, die die Belastungen beispielsweise während eines Geh- zyklus bzw. während des Treppensteigens zeigt, visualisiert.

Der behandelnde Arzt oder der Therapeut kann nun durch ver- schieben des Schiebers 500 unterschiedliche Werte des jeweiligen Parameters einstellen und dabei betrachten, wie sich die Belastungsdaten verändern.

Über diese Visualisierung und die gleichzeitige Veränderung der Parameter ist ein Ausfinden einer optimalen Lösungen bzw. das Planen eines Eingriffes schnell und effizient mög- lich. Der jeweilige behandelnde Arzt bzw. Therapeut kann so auf einen Blick überschauen, welche Konsequenzen eine Verän- derung eines Parameters hinsichtlich eines Zielkriteriums bewirkt.

Die Figurenbeschreibung bezieht sich auf ein spezielle Ge- lenk, nämlich ein Hüftgelenk. Die erfindungsgemäße Lehre ist aber grundsätzlich für alle Gelenke, insbesondere auch Knie- gelenke, Schultergelenke, Sprunggelenke, Kiefergelenke, El- lenbogengelenke und/oder Wirbelsäulengelenke anwendbar.