Die vorliegende Erfindung betrifft ein medizintechnisches System und ein Verfahren zum Erm itteln einer Kinematik von an einem Gelenk m iteinander verbundenen Knochen eines Patienten, insbesondere im Hinblick auf eine bessere Versorgung des Patienten.

Die vorliegende Erfindung erweist sich beispielsweise als vorteilhaft zur Verm ittlung der Kinematik von Beinknochen, insbesondere dem Femur und der Tibia relativ zueinander, die über das Kniegelenk m iteinander verbunden sind. Eine Anwendung kann die vorliegende Erfindung beispielsweise auch zur Erm ittlung der Kinematik des Femurs relativ zum Beckenknochen finden. Weitere beispielhafte Anwendungen finden sich im Bereich des Ellenbogengelenks, des Schultergelenks und/oder der Wirbelsäule.

Zur Erm ittlung der Beinkinematik, beispielsweise des Kniegelenks und/oder des Hüftgelenks, kom men heutzutage in Ganglaboren komplexe Systeme zum Einsatz, die zum Beispiel I nfrarotkameras, reflektierende Markerelemente, Kraftmessplatten am Boden und Fluoroskope aufweisen, um patientenindividuell klinisch verwendbare Kinematikdaten zu erm itteln. Trotz zuverlässiger Ergebnisse eignet sich das System aufgrund des beträchtlichen apparativen Aufwandes nicht für den Einsatz in der täglichen klinischen Praxis.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein medizintechnisches System und ein medizintechnisches Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, m it dem die Kinematik der Knochen konstruktiv einfach und vorzugsweise patientenindividuell bestim mbar ist.

Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes medizintechnisches System zum Ermitteln einer Kinematik von an einem Gelenk m iteinander verbundenen Knochen eines Patienten gelöst, umfassend eine Aufnahmeeinheit zum Erstellen m indestens einer Aufnahme einer zum indest die Knochen umfassenden Knochenanordnung in einer definierten Ausrichtung der Knochen zueinander, vorzugsweise in einer definierten Blickrichtung auf die Knochen, eine Datenverarbeitungseinheit, die ausgebildet und program m iert ist, anhand der m indestens einen Aufnahme m indestens einen Ausgangsdatensatz der Knochen bereitzustellen, eine Speichereinheit, in der m indestens ein dem jeweiligen Knochen zuordenbarer Musterdatensatz gespeichert ist, wobei die Datenverarbeitungseinheit ausgebildet und programm iert ist, einen jeweiligen Musterdatensatz rechnerisch an den mindestens einen Ausgangsdatensatz anzupassen und einen patientenindividuellen statischen Modelldatensatz der Knochen bereitzustellen, eine Sensoreinheit m it jeweiligen in definierter räum licher Beziehung zum jeweiligen Knochen an einem die Knochen umfassenden Körperteil des Patienten anordenbaren Sensorelementen, wobei die Datenverarbeitungseinheit ausgebildet und programm iert ist, unter Zugrundelegung des statischen Modelldatensatzes und basierend auf I nformationen der Sensorelemente infolge einer vorzugsweise definierten Bewegung der Knochen relativ zueinander, einen dynamischen Modelldatensatz der Knochen bereitzustellen, der eine I nformation über die Relativposition und/oder die relative Beweglichkeit der Knochen zueinander umfasst.

I nsbesondere wird also ein medizintechnisches (Kinern atikerfassungs-)System zum Ermitteln einer Kinematik von an einem Gelenk m iteinander verbundenen Knochen eines Patienten (bzw. zumindest einen ersten und zweiten Knochen eines Gelenks des Patienten) vorgeschlagen und bereitgestellt, m it: einer Aufnahmeeinheit zum Erstellen mindestens einer (patientenspezifischen, realen) Aufnahme einer zum indest die Knochen (des Gelenks) umfassenden Knochenanordnung, insbesondere in einer definierten Ausrichtung der Knochen zueinander, vorzugsweise in einer definierten Blickrichtung auf die Knochen, vorzugsweise einem Röntgengerät zur Erstellung einer Röntgenaufnahme der Knochen des Gelenks, - einer Datenverarbeitungseinheit (Steuereinheit) , die dafür angepasst/ ausgebildet ist, anhand der zum indest einen Aufnahme m indestens einen digitalen Ausgangsdatensatz (m it Parametern) der real aufgenommenen Knochen bereitzustellen, insbesondere mit geometrischen Parametern zu dem zum indest ersten und zweiten Knochen des Gelenks und/oder einer Dichteinformation von zumindest einem Knochen des Gelenks, besonders bevorzugt mit geometrischen Parametern einer Länge des jeweiligen ersten und zweiten Knochens und/oder eines Varus- Valgus-Winkels zwischen einem Fem ur und einer Tibia, einer Speichereinheit, in der m indestens ein (parametrisches Knochen- modell-) Musterdatensatz jeweils zu dem zumindest einen ersten Knochen und dem zweiten Knochen des Gelenks hinterlegt/ gespeichert ist, der insbesondere dem jeweiligen Knochen zuordenbarer ist, wobei die Datenverarbeitungseinheit dafür ausgebildet ist, ein parametrisches Knochenmodell aus dem hinterlegten Musterdatensatz hinsichtlich zum indest eines Parameters an den m indestens (einen Parameter) des Ausgangsdatensatzes anzupassen, insbesondere an die Dimension des (realen) Knochens der Aufnahme, und dam it einen patientenindividuellen dreidimensionalen Modelldatensatz des ersten und zweiten Knochens bereitzustellen, einer Sensoreinheit mit jeweiligen in definierter räum licher Beziehung zum jeweiligen Knochen, insbesondere an einem die Knochen umfassenden Körperteil des Patienten, anordenbaren Sensorelementen, wobei die Datenverarbeitungseinheit dafür angepasst ist, unter Zugrundelegung des patientenindividuellen dreidimensionalen Modelldatensatzes und basierend auf I nformationen der Sensorelemente, vorzugsweise infolge einer definierten Bewegung der Knochen relativ zueinander, einen patientenindividuellen dynam ischen Kinematik-Modelldatensatz der Knochen bereitzustellen, der zumindest eine I nformation über die Relativposition und/oder die relative Beweglichkeit der Knochen (des Gelenks) zueinander umfasst. Dieser dynamische (Kinematik-)Modelldatensatz, insbesondere ein dynam isches Knochenmodell des Gelenks, kann vorzugsweise über eine visuelle Darstellungsvorrichtung wie beispielsweise einen OP-Monitor, ausgegeben werden, vorzugsweise m it Annotationen, um eine Bewertung der Kinematik und damit etwa eines medizinischen Eingriffs zu vereinfachen. Auch können diese I nformationen verwendet werden, um eine Kalibrierung der Sensorelemente zu vereinfachen und eine Präzision dieser Sensorelemente zu erhöhen. Durch die I ntegration von patientenspezifischen Daten kann ein dynamisches Modell des Gelenks noch besser erfasst und sim uliert werden, beispielsweise um eine Bewertung durchzuführen, beispielsweise für Gelenkbelastungen, um hierüber auf I mplantatbelastungen zurückzuschließen und eine Überbelastung des I mplantats zu vermeiden und eine lange Standzeit und Patientenzufriedenheit zu gewährleisten.

I n die vorliegende Erfindung fließt die Überlegung mit ein, dass insbesondere zur Ermittlung der Kinematik der über das Gelenk verbundenen Knochen eine Bewegung der Knochen relativ zueinander erforderlich ist. Über die Sensoreinheit, bei denen jeweils m indestens ein Sensorelement an dem einen Knochen umfassenden Körperteil festlegbar ist, können bevorzugt definierte Bewegungen, beispielsweise unter Anleitung eines Arztes, durchgeführt werden. I nformationen der Sensorelemente können von der Datenverarbeitungseinheit zu einem patientenindividuellen dynam ischen Modelldatensatz verrechnet werden, um insbesondere die relative Beweglichkeit der Knochen und/oder deren Relativposition zueinander zu bestim men. Zum Erm itteln des statischen patientenindividuellen Modelldatensatzes kann auf konstruktiv einfache Weise zunächst m indestens eine Aufnahme der Knochen und/oder einer die Knochen umfassenden Knochenanordnung erstellt werden. Durch rechnerische Anpassung m indestens eines vorgegebenen, einem jeweiligen Knochen zuordenbaren Musterdatensatzes kann auf diese Weise ein patientenindividueller statischer Modelldatensatz konstruktiv einfach bereitgestellt werden.

Der patientenindividuelle dynam ische Modelldatensatz kann zum Beispiel einer späteren Versorgung des Patienten zugrunde gelegt werden und beispielsweise zur vereinfachten Auswahl eines geeigneten I mplantates dienen.

Die Relativposition im dynam ischen Modelldatensatz kann beispielsweise zum indest eines der Folgenden umfassen: einen Winkel, unter dem die Knochen in einer statischen Stellung zueinander ausgerichtet sind, wobei beispielsweise von dem Knochen definierte Achsen unter dem Winkel ausgerichtet sind; die Lage eines Gelenkzentrums des Gelenks zwischen den Knochen; die Lage eines Gelenkzentrums eines Gelenks, über das einer der Knochen mit einem weiteren Knochen verbunden ist.

Die relative Beweglichkeit des dynam ischen Modelldatensatzes kann vorzugsweise zumindest eines der Folgenden umfassen: m indestens einen Winkelumfang, unter dem die Knochen relativ zueinander am Gelenk bewegbar sind; m indestens einen Winkelumfang, unter dem ein Knochen über ein Gelenk an einem weiteren Knochen bewegbar ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aufnahmeeinheit beispielsweise eine Röntgeneinheit, und der m indestens eine Ausgangsdatensatz umfasst bevorzugt eine zweidimensionale Repräsentation der Knochen. Auf diese Weise kann konstruktiv einfach der Ausgangsdatensatz erstellt werden. Bei der Untersuchung eines Beines kann beispielsweise ein Röntgenbild in Frontalansicht und/oder in Seitenansicht (von lateral) erstellt und nachfolgend von der Datenverarbeitungseinheit analysiert werden.

Denkbar ist, dass als Aufnahmeeinheit eine CT-Einheit eingesetzt wird, wobei der m indestens eine Ausgangsdatensatz eine dreidimensionale Repräsentation der Knochen umfasst. Gegenüber der CT-Einheit erweist sich indessen die Röntgeneinheit mit zweidimensionaler Repräsentation der Knochen infolge der verringerten Strahlenbelastung als vorteilhaft.

Vorteilhafterweise ist die Datenverarbeitungseinheit ausgebildet und programm iert, im mindestens einen Ausgangsdatensatz charakteristische Landmarken und/oder ein Gelenkzentrum des Gelenks rechnerisch zu bestim men. Vorzugsweise kann eine diesbezügliche I nformation im mindestens einen Ausgangsdatensatz gespeichert werden. Bereits auf der Grundlage des m indestens einen Ausgangsdatensatzes können wertvolle verwertbare I nformationen für den späteren dynamischen Modelldatensatz gewonnen werden.

Für denselben Zweck ist es günstig, wenn das System eine Anzeigeeinheit zum Anzeigen einer graphischen Repräsentation des mindestens einen Ausgangsdatensatzes, insbesondere der Darstellung des Knochens, und eine Eingabeeinheit für einen Benutzer aufweist, und wenn charakteristische Landmarken und/oder ein Gelenkzentrum des Gelenks vom Benutzer an der Eingabeeinheit vorgebbar und/oder veränderbar sind, beispielsweise korrigierbar. Günstigerweise sind diesbezügliche I nformationen im m indestens einen Ausgangsdatensatz speicherbar.

Obige vorteilhafte Ausführungsformen können zum Beispiel bei einer Anwendung des Kniegelenks vorsehen, dass dessen Gelenkzentrum und/oder anatom ische Landmarken wie zum Beispiel Epikondylen am Femur, der Trochanter am Fem ur und/oder das Hüftzentrum am Fem ur bereits bestimmt werden.

Basierend auf obigen Abschätzungen und/oder Messungen lassen sich vorteilhafterweise bereits am m indestens einen Ausgangsdatensatz Abschätzungen und/oder Messungen vornehmen. Vorzugsweise kann bei einer Anwendung für das Kniegelenk ein Varus- Valgus-Winkel zwischen Fem ur und Tibia bestimmt werden und/oder die Länge dieser beiden Knochen. I m Fall von Röntgenaufnahmen können jedoch diese Abschätzungen und/oder Messungen auf nur zwei Dimensionen beschränkt sein.

Der mindestens eine Ausgangsdatensatz kann, insbesondere für die vorstehend genannten Abschätzungen und/oder Messungen, einen Maßstab umfassen, wobei die Datenverarbeitungseinheit ausgebildet und programm iert ist, von den Knochen definierte Achsen und/oder einen Winkel zwischen den Knochen zu bestim men und vorzugsweise im m indestens einen Ausgangsdatensatz zu speichern. Hierbei wird der Winkel beispielsweise von den Achsen definiert. Von Vorteil ist es, wenn in der Speichereinheit einem jeweiligen Knochen zuordenbar eine Mehrzahl von Musterdatensätzen gespeichert ist und wenn die Datenverarbeitungseinheit ausgebildet und program m iert ist, aus der Mehrzahl der Musterdatensätze anhand eines statistischen Form modells den am besten geeigneten Musterdatensatz zu ermitteln und an den Knochen anzupassen. I n Bezug auf einen jeweiligen Knochen können vorzugsweise mehrere und insbesondere eine Vielzahl von Musterdatensätzen gespeichert sein. Günstig ist es hierbei, wenn der am besten geeignete Musterdatensatz ausgewählt und rechnerisch angepasst werden kann. Ein entsprechender Algorithm us, der von der Datenverarbeitungseinheit ausgeführt wird, kann beispielsweise mindestens eine der nachfolgend nicht abschließend genannten Eigenschaften des Patienten berücksichtigen: Alter, Größe, Geschlecht, Anam nese, Ethnizität, soziokultureller Hintergrund...

Von Vorteil ist es, wenn der Musterdatensatz eine dreidimensionale Repräsentation des Knochens umfasst und wenn die Datenverarbeitungseinheit ausgebildet und program m iert ist, einen dreidimensionalen statischen Modelldatensatz und hierauf basierend einen dreidimensionalen dynamischen Modelldatensatz bereitzustellen. Auf diese Weise kann ein dreidimensionaler patientenindividueller Modelldatensatz generiert werden, der insbesondere räum liche I nformationen über die Knochen und die Position der Knochen relativ zueinander umfasst.

I m Fall der beispielhaften Anwendung des Kniegelenks m it Fem ur und Tibia können zum Beispiel mechanische und/oder anatom ische Achsen, eine Epikon- dylenachse, das Kniezentrum und, unter Berücksichtigung des Beckenknochens, zum Beispiel das Hüftzentrum bestimmt werden.

Vorzugsweise kann bei der Anwendung beim Kniegelenk zum Beispiel die räumliche Position von Fem ur, Tibia und gegebenenfalls Becken zueinander in aufrechter, stehender Position bestimmt werden. Möglich ist zum Beispiel eine Bestim mung des Varus- Valgus-Winkels im Stand und dam it die Ausrichtung knöcherner Strukturen in der Frontalebene, sondern auch deren Ausrichtung und Position zueinander in einer Sagittalebene. Von Vorteil ist es, wenn der Musterdatensatz I nformationen über charakteristische Landmarken des Knochens umfasst und die Datenverarbeitungseinheit ausgebildet und program m iert ist, im statischen Modelldatensatz I nformationen über von den Knochen definierte Achsen, Abmessungen der Knochen, insbesondere deren Längen, charakteristische Landmarken, Gelenkzentren zwischen den Knochen und/oder einen Winkel zwischen den Knochen zu speichern.

Günstig ist es, wenn die Sensorelemente eine Befestigungseinrichtung umfassen oder eine solche diesen zugeordnet vom System umfasst ist, über welche Befestigungseinrichtung die Sensorelemente nichtinvasiv an den die Knochen umfassenden Körperteilen anbringbar sind. Jedem Sensorelement kann eine eigene Befestigungseinrichtung zugeordnet sein. Durch die nichtinvasive Möglichkeit der Befestigung wird das Trauma für den Patienten während des Eingriffs möglichst gering gehalten. Günstig ist es, zum Beispiel eine Kompression von Weichteilgewebe oberhalb des Knochens so zu erzielen, dass das Sensorelement möglichst ortsfest in Bezug auf den Knochen zur Definition einer validen Referenz ist.

Bei einer Anwendung am Femur wird das Sensorelement beispielsweise im Bereich der Epikondylen am Oberschenkel angebracht. Bei der Tibia kann das Sensorelement zum Beispiel nah am Knie oder weit unten nahe dem Sprunggelenk angebracht werden, vorzugsweise an der vorderen Tibiakante.

Vorzugsweise umfassen die Sensorelemente einen Beschleunigungssensor, wobei die Datenverarbeitungseinheit ausgebildet und program miert ist, einen Bewegungsumfang eines Knochens basierend auf einem Signal des Beschleunigungssensors unter Berücksichtigung der Zeit zu bestim men. Aus den Beschleunigungswerten des Beschleunigungssensors kann die vom Beschleunigungssensor zurückgelegte Strecke in Betrag und vorzugsweise in der Richtung bestim mt werden. Anhand dieser I nformationen kann die Datenverarbeitungseinheit eine Bewegung der Knochen und insbesondere der Knochen relativ zueinander erm itteln. I nsbesondere kom mt als Sensorelement beispielsweise ein I MU-Sensor zum Einsatz ( I MU, I nertial Measurement Unit) .

I nsbesondere kann ein erster I MU-Sensor starr gegenüber einem ersten Knochen des Gelenks angeordnet sein und ein zweiter I MU-Sensor starr gegenüber einem zweiten Knochen desselben Gelenks angeordnet sein, beispielsweise ein erster I MU-Sensor an der Tibia, und ein zweiter I MU-Sensor an dem Fern ur.

I nsbesondere kann die Datenverarbeitungseinheit dafür angepasst sein, das statistische Knochenmodell auf die in der Aufnahme gesetzten Landmarken und Dimensionen anzupassen. So entsteht ein dreidimensionales patientenspezifisches Knochenmodell, in welchem sich beispielsweise Achsen, etwa mechanische und/oder anatomische Achsen, insbesondere Epikondylenachsen und/oder ein Kniezentrum und/oder ein Hüftzentrum und/oder eine Beckenneigung bestim men lassen und etwa für eine Bewertung herangezogen werden können.

Die Sensorelemente können mit der Datenverarbeitungseinheit zur Erzielung einer konstruktiv einfachen Ausführungsform beispielsweise kabellos gekoppelt sein.

Günstig ist es, wenn das System eine Hinweiseinheit umfasst, insbesondere eine optische Anzeigeeinheit, an der Hinweise zur Ausführung charakteristischer Bewegungen durch den Patienten ausgebbar sind. Beispielsweise kann der Patient unter Anleitung eines Benutzers wie etwa eines Arztes oder auch eigenständig die charakteristischen Bewegungen ausführen, die ihm an der Hinweiseinheit vorgegeben werden.

Die Datenverarbeitungseinheit bezieht bei Ausführung der Bewegungen die von der Sensoreinheit bereitgestellten I nformation vorzugsweise in die Bestimm ung der Relativposition und/oder der relativen Beweglichkeit der Knochen ein. Die Bewegungen sind insbesondere indikativ für einen Zustand des Knochens und des Gelenks, speziell für die Kinematik der Knochen über das Gelenk. Zum Beispiel kann in der Datenverarbeitungseinheit ein gespeichertes Program m ausgeführt werden, das, insbesondere über einen Workflow, nacheinander Hinweise zur Ausführung verschiedenartiger Bewegungen bereitstellt. Bei jeder Bewegung können I nformationen, die von den Sensorelementen bereitgestellt werden, von der Datenverarbeitungseinheit ausgewertet werden.

Die Bewegungen können verpflichtend sein oder optional sein.

Der Benutzer und/oder der Patient können zum Beispiel über einen Workflow durch die Hinweise geführt werden. Vorgesehen sein kann, dass auf die Betätigung eines Betätigungselementes die Datenverarbeitungseinheit in einen Zustand überführt wird, indem sie zum Empfang der Daten der Sensorelemente bereit ist.

Von Vorteil ist es, wenn die Datenverarbeitungseinheit ausgebildet und program miert ist, auf der Basis von I nformationen der Sensorelemente seine räumliche Beziehung der Sensorelemente zu den Knochen im dynam ischen Modelldatensatz zu ermitteln und zu speichern. Die Position der Sensorelemente an den die physischen Knochen umfassenden Körperteilen können gewissermaßen virtuell in den dynam ischen Modelldatensatz übertragen werden. Auf diese Weise können Bewegungen der Sensorelemente unmittelbar im dynamischen Modelldatensatz abgebildet werden.

Vorzugsweise besteht die Möglichkeit, durch die I nformationen der Sensorelemente ein dreidimensionales Bewegungsbild der Knochen im dynamischen Modelldatensatz umzusetzen. Gewissermaßen können die Knochen im dynam ischen Modelldatensatz ebenso bewegt werden wie die physischen Knochen, wobei zusätzlich der Modelldatensatz über I nformationen wie Achsenlage, Länge von Knochen, Gelenkzentren, Bewegungsumfang, Winkel etc. ergänzt ist. Von Vorteil ist es, wenn die Datenverarbeitungseinheit ausgebildet und program miert ist, auf der Basis von I nformationen der Sensorelemente Achsen der Knochen und einen Schnittpunkt der Achsen zu bestim men und mit dem statischen Modelldatensatz derart in Beziehung zu setzen, dass darin enthaltene Achsen der Knochen m it den anhand der I nformationen der Sensorelemente ermittelten Achsen in Deckung gebracht werden. Auf diese Weise können die Sensorelemente gewissermaßen im Modelldatensatz kalibriert werden. Die über die Sensorelemente erm ittelten Achsen schneiden sich, wodurch ein Gelenkzentrum bestimmt werden kann. Die jeweiligen Achsen können den im statischen Modelldatensatz enthaltenen Achsen überlagert werden. Bei einem vorzugsweise mit einem Maßstab versehenen dreidimensionalen statischen Modelldatensatz kann zum Beispiel die Länge der Knochen (über die Achsen definiert) für die Kalibrierung der Sensorelemente herangezogen werden.

Hierauf basierend wird im dynamischen Modelldatensatz beispielsweise eine Lage der Achsen der Knochen, ein Schnittpunkt der Achsen und eine Länge der Knochen gespeichert.

I m Fall eines Beines kann zum Beispiel das Kniegelenk, die Länge des Femurs und der Tibia bestim mt werden. Unter Hinzuziehung von I nformationen des Beckenknochens kann zum Beispiel auf die Position des Hüftgelenkszentrums und, bei Fußgelenkknochen, auf das Sprunggelenkzentrum geschlossen werden.

Man erhält vorzugsweise ein virtuelles Modell der Knochen, an denen die virtuellen Äquivalente der Sensorelemente gewissermaßen angeheftet sind. Es entsteht gewissermaßen ein digitales Ebenbild ("Zwilling") der Sensorelemente an den Knochen, beispielsweise den Beinknochen.

Wie bereits erwähnt, können die Knochen der Fem ur und die Tibia des Patienten sein. I m dynam ischen Modelldatensatz ist vorzugsweise zum indest eine der folgenden I nformationen gespeichert: mechanische und/oder anatom ische Fem urachse und/oder Tibiachse; Position des Kniegelenkzentrums;

Position des Hüftgelenkzentrums;

Position des Sprunggelenkzentrums;

Varus- Valgus-Stellung von Femur und Tibia;

I nformationen zum Bewegungsumfang bei Flexion und/oder Extension; I nformationen zur internen und/oder externen Rotation von Femur und Tibia;

I nformationen zur Translation der Tibia zum Fem ur;

I nformationen zur Schrittlänge. Über zusätzliche Berücksichtigung der Zeit kann zum Beispiel ein Bewegungsbild des Patienten erstellt werden, wobei die Geschwindigkeit und die zurückgelegte Wegstrecke erm ittelt werden.

I nformationen über charakteristische Landmarken, beispielsweise von Epikondylen und/oder Trochanter.

Bei einer andersartigen Anwendung ist ein Knochen zum Beispiel der Fem ur und der andere Knochen der Beckenknochen. Die Sensorelemente werden zum Beispiel am Trochanter Major des Fem urs und am I liosakralgelenk oder den Spinae anterior superior des Beckenknochens angeordnet. Auf diese Weise kann beispielsweise die Beckenkippung in unterschiedlichen Situationen und während unterschiedlicher Bewegungen verfolgt und aufgenom men werden.

Vorgesehen sein kann, dass die Datenverarbeitungseinheit ausgebildet und programm iert ist, den dynam ischen Modelldatensatz m it einem experimentell gewonnenen Messdatensatz, beispielsweise auf Basis einer Ganganalyse in einem Ganglabor, zu vergleichen, etwaige Abweichungen zu erm itteln und an einer Hinweiseinheit dem Benutzer diesbezügliche I nformationen bereitzustellen.

Die m ittels des erfinderischen Systems gewonnenen I nformationen können dadurch auf Plausibilität m it einem Modelldatensatz überprüft werden. Über die Hinweise kann ein Benutzer zum Beispiel über den Grad der Übereinstimm ung und/oder etwaige Abweichungen informiert werden. Beispielsweise besteht die Möglichkeit, das System im Hinblick auf eine verbesserte Übereinstim mung einzulernen. Wie eingangs erwähnt, betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren.

Ein erfindungsgemäßes, die eingangs genannte Aufgabe lösendes medizintechnisches Verfahren zum Erm itteln einer Kinematik von an einem Gelenk m iteinander verbundenen Knochen eines Patienten, umfasst:

Erstellen m indestens einer Aufnahme einer zum indest die Knochen umfassenden Knochenanordnung in einer definierten Ausrichtung der Knochen zueinander, vorzugsweise in einer definierten Blickrichtung auf die Knochen;

Bereitstellen, anhand der mindestens einen Aufnahme, mindestens eines Ausgangsdatensatzes der Knochen, mittels einer Datenverarbeitungseinheit;

Anpassen, rechnerisch m ittels der Datenverarbeitungseinheit, eines in einer Speichereinheit gespeicherten und dem jeweiligen Knochen zuordenbaren Musterdatensatzes, und Bereitstellen eines patientenindividuellen statischen Modelldatensatzes;

Bereitstellen eines dynam ischen Modelldatensatzes der Knochen, der eine I nformation über die Relativposition und/oder die relative Beweglichkeit der Knochen zueinander umfasst, unter Zugrundelegung des statischen Modelldatensatzes und basierend auf I nformationen von Sensorelementen infolge einer vorzugsweise definierten Bewegung der Knochen relativ zueinander.

Die Vorteile, die bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung des erfindungsgemäßen Systems erwähnt werden, können bei Umsetzung des Verfahrens ebenfalls erzielt werden. Diesbezüglich wird auf die voranstehenden Ausführungen verwiesen.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich durch vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden hinsichtlich eines computerlesbaren Speichermediums dadurch gelöst, dass dieses Befehle umfasst, welches bei einer Ausführung durch einen Computer, diesen veranlassen die Schritte des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen.

Die Aufgaben werden hinsichtlich eines Computerprogramms dadurch gelöst, dass dieses Befehle umfasst, welches bei einer Ausführung durch einen Computer, diesen veranlassen die Schritte des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen.

Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient im Zusam menhang m it der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Mit der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems kann ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden. Es zeigen:

Figur 1 : eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen medizintechnischen Systems in bevorzugter Ausführungsform zur Durchführung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 2: eine schematische Darstellung einer Aufnahme von Knochen, vorliegend Femur und Tibia in einer Knochenanordnung, umfassend ferner den Beckenknochen und die Fußknochen;

Figur 3: schematische Darstellungen des Fem urs und der Tibia im Ausgangsdatensatz von Frontal (links) und von der Seite (von lateral, rechts) ;

Figur 4: schematische Darstellungen von Knochen in Musterdatensätzen, die in einer Speichereinheit des Systems gespeichert sind;

Figur 5: eine Darstellung einer Knochenanordnung in einem statischen Modelldatensatz von Frontal sowie exemplarische Markierungen zur Bestim mung eines Varus-Valgus- Winkels; Figur 6: eine Darstellung entsprechend Figur 5 von der Seite zur Bestimm ung eines Flexionswinkels;

Figur 7: die Knochen im statischen Modelldatensatz und Sensorelemente einer Sensoreinheit des Systems in schematischer Darstellung; und

Figuren

8 bis 15: Piktogramme als Hinweise zur Ausführung von Bewegungen durch den Patienten, wobei die Piktogramme an einer Anzeigeeinheit des Systems dargestellt werden können.

Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 belegte vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen medizintechnischen Systems. Mit dem System 10 kann ein erfindungsgemäßes Verfahren in bevorzugter Ausführungsform ausgeführt werden.

Das System 10 umfasst eine Datenverarbeitungseinheit 12, eine Aufnahmeeinheit 14, eine Speichereinheit 16, eine Sensoreinheit 18 und eine Hinweiseinheit 20. Die Datenverarbeitungseinheit 12 ist mit den Einheiten 14, 16, 18 und 20 zum Übertragen von I nformationen und/oder Signalen gekoppelt. Denkbar ist, dass zwei oder mehr der Einheiten 12, 14, 16, 18 und 20 räumlich und/oder funktional ineinander integriert sind.

Das System 10 erlaubt es, die Kinematik von Knochen eines Patienten 22 zu untersuchen. Dies dient insbesondere dazu, patientenindividuelle I nformationen für eine spätere Versorgung zu erm itteln, beispielsweise zur I mplantation eines I mplantates, insbesondere zur I mplantatauswahl und/oder I mplantationstechnik.

Wie bereits vorstehend beschrieben wurde und nachfolgend noch erläutert wird, werden die Knochen über die Aufnahmeeinheit 14 erfasst, ein diesbezüglicher Ausgangsdatensatz erstellt, basierend auf einem Musterdatensatz ein statischer Modelldatensatz und hierauf basierend unter Zuhilfenahme der Sensoreinheit 18 ein dynam ischer Modelldatensatz erstellt. Die Modelldatensätze sind ebenso patientenindividuell wie der Ausgangsdatensatz.

Als Knochen 24, die an einem Gelenk 26 gelenkig m iteinander verbunden sind, dienen vorliegend der Fem ur 28 und die Tibia 30, wobei das Gelenk 26 das Kniegelenk ist. Die Erfindung ist jedoch, wie bereits vorstehend erläutert, hierauf nicht beschränkt. Mittels des Systems 10 kann insbesondere die Relativposition von Fem ur 28 und Tibia 30 sowie deren relative Beweglichkeit bestim mt werden.

Die Aufnahmeeinheit 14 ist vorliegend eine Röntgeneinheit 46. Mittels der Röntgeneinheit 46 können Aufnahmen einer Knochenanordnung 34 erstellt werden. Vorliegend umfassen die Aufnahmen 36 jeweils einen Maßstab 48.

Figur 2 zeigt eine Aufnahme 36, wobei die Knochenanordnung 34 außer dem Fem ur 28 und der Tibia 30 ferner den Beckenknochen 38 und den Fußknochen 40 zeigt. Dargestellt sind jeweils beide Beine, d. h. die Aufnahme 36 umfasst zwei Fem ura 28, zwei Tibiae 30 und zwei Fußknochen 40. Darüber hinaus werden in der Aufnahme 36 die Hüftgelenke 42 und die Sprunggelenke 44 abgebildet. Die Gelenke 26, 42 und 44 umfassen jeweils ein Gelenkzentrum 27, 43 bzw. 45.

Figur 2 zeigt beispielhaft eine frontale Aufnahme 36 der Knochenanordnung 34. Es wird ferner vorzugsweise m indestens eine Aufnahme 36 von der Seite (lateral) erstellt.

Die Datenverarbeitungseinheit 12 ist ausgebildet und program m iert, basierend auf den Aufnahmen 36 einen patientenindividuellen Ausgangsdatensatz 50 zu erstellen. Der Ausgangsdatensatz 50 umfasst insbesondere mindestens eine zweidimensionale Repräsentation der Knochen 24, im vorliegenden Beispiel auch der weiteren Knochen Knochenanordnung 34. Die Hinweiseinheit 20 ist im vorliegenden Fall insbesondere als Anzeigeeinheit 52 ausgestaltet, die eine ansteuerbare Bildanzeige 54 umfasst. An der Anzeigeeinheit 52 können graphische Repräsentationen der Knochen 24 einem Benutzer 56, insbesondere einem Arzt, angezeigt werden.

Charakteristische Landmarken und/oder ein Gelenkzentrum , insbesondere das Gelenkzentrum 27, können vom Benutzer 56 auf der Grundlage der Darstellung an einer Eingabeeinheit 58 vorgegeben und diesbezügliche I nformationen im Ausgangsdatensatz 50 gespeichert werden.

Ferner kann bevorzugt vorgesehen sein, dass die Datenverarbeitungseinheit 12 selbst, ohne Zutun des Benutzers 56, I nformationen beispielsweise über die Landmarken und/oder das Gelenkzentrum 27 ermittelt und die diesbezüglichen I nformationen im Ausgangsdatensatz 50 speichert.

Aufgrund des Maßstabs 48 können beispielsweise Achsen der Knochen 24 bestim mt und/oder einen Winkel zwischen den Knochen 24 ermittelt und im Ausgangsdatensatz 50 gespeichert werden. Hierbei kann es sich beispielsweise um die mechanische Fem urachse 60 und die mechanische Tibiaachse 62 handeln, wie Figur 3 schematisch darstellt. Dies ermöglicht es der Datenverarbeitungseinheit 12, basierend auf den Achsen 60, 62, bereits einen Varus- Valgus- Winkel zu bestim men (in Figur 3 nicht dargestellt) .

Die Repräsentationen der Knochen 24 im Ausgangsdatensatz 50 sind zweidimensional. Für die Erstellung eines dreidimensionalen Patientenmodels zieht die Datenverarbeitungseinheit 12 Musterdatensätze 64 heran, die in der Speichereinheit 16 gespeichert sind. Figur 4 zeigt beispielhaft jeweils eine Mehrzahl von Musterdatensätzen 64 für den Femur 28 und die Tibia 30.

Die Musterdatensätze 64 unterscheiden sich dabei beispielsweise hinsichtlich Größe und/oder Form , wobei insbesondere weitere Kriterien zur Unterscheidung der Musterdatensätze herangezogen werden können, zum Beispiel Geschlecht, Alter, Anam nese, soziokultureller Hintergrund, Ethnizität... Die Musterdatensätze 64 umfassen jeweils eine dreidimensionale Repräsentation der Knochen 24.

Die Datenverarbeitungseinheit 12 ist ausgebildet und programm iert, dem Fem ur 28 den am besten geeigneten Musterdatensatz 64 rechnerisch anzupassen. I n entsprechender Weise wird der Tibia 30 der am besten geeignete Musterdatensatz 64 rechnerisch angepasst. Es versteht sich, dass hierbei Fem ur 28 und Tibia 30 im Ausgangsdatensatz 50 gemeint sind.

Die Datenverarbeitungseinheit 12 erstellt auf der Basis der Datensätze 50 und 64 einen statischen Modelldatensatz 66. Der Modelldatensatz 66 ist patientenindividuell und umfasst insbesondere eine dreidimensionale Repräsentation der Knochen 24.

I m Modelldatensatz 66 lassen sich beispielsweise verschiedene Achsen und Gelenkzentren sowie charakteristische Landmarken bestimmen und ableiten.

Aus der Anpassung der Modelldatensätze 64 an den Ausgangsdatensatz 50 kann insbesondere eine Abschätzung der räumlichen Position von Fem ur 28, Tibia 30 und gegebenenfalls Beckenknochen 38 und/oder Fußknochen 40 zueinander im Stand abgeschätzt werden.

Die Figuren 5 und 6 zeigen dies beispielhaft auf der Grundlage einer Frontalansicht (Figur 5) bzw. einer Seitenansicht (Figur 6) . Hierbei beruhen die Darstellungen jedoch jeweils auf der dreidimensionalen Repräsentation der Knochen 24 im statischen Modelldatensatz 66.

Beispielweise zeigt Figur 5 die mechanische Fem urachse 60 und die mechanische Tibiaachse 62, aus denen ein Varus-Valgus-Winkel 70 bestimmt werden kann. Figur 2 zeigt ferner die anatom ische Fem urachse 68.

Figur 6 zeigt beispielhaft einen im Stand bestehenden Flexionswinkel 72 zwischen der mechanischen Fem urachse 60 und der mechanischen Tibiaachse 62. Das Gelenkzentrum 27 kann im statischen Modelldatensatz 66 ebenfalls bestim mt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, aufgrund des Maßstabs 48 die jeweilige Länge von Fem ur 28 und Tibia 30 zu bestim men.

Dies gibt zum Beispiel die Möglichkeit, das Gelenkzentrum 43 des Hüftgelenkes 42 und/oder das Gelenkzentrum 45 des Sprunggelenkes 44 ebenfalls zu bestim men.

Möglich kann es sein, zum Beispiel aufgrund des Flexionswinkels 72, ein eventuelles Streckdefizit im dreidimensionalen Modell bereits im statischen Modelldatensatz 66 zu bestim men. Erforderlichenfalls kann ergänzend eine Messung m it einem Winkelmesser (beispielsweise Goniometer) zur Überprüfung des rechnerisch erm ittelten Wertes eingesetzt werden.

Die Figuren 5 und 6 zeigen jeweils nur die Knochen 24 eines Beines des Patienten 22. Es versteht sich, dass der Modelldatensatz 66 für beide Beine dreidimensionale Repräsentationen sowie die entsprechenden I nformationen über Geometrien und/oder charakteristische Landmarken aufweisen kann. Die Knochen 24 des in diesem Fall linken Beines sind in den Figuren 5 und 6 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

Aus dem statischen Modelldatensatz 66 kann die Datenverarbeitungseinheit 12 unter Nutzung von I nformationen der Sensoreinheit 18 einen dynam ischen Modelldatensatz 74 rechnerisch bestim men. Der dynam ische Modelldatensatz 74 umfasst insbesondere eine dreidimensionale Repräsentation der Knochen 24. Darüber hinaus ist im dynam ischen Modelldatensatz 74 zum indest eine der folgenden I nformationen gespeichert: mechanische und/oder anatomische Femurachse 60, 68 und/oder Tibiaachse 62;

Position des Kniegelenkzentrums 27;

Position des Hüftgelenkzentrums 43;

Position des Sprunggelenkzentrums 45;

Varus- Valgus-Stellung von Fem ur 28 und Tibia 30; I nformationen zum Bewegungsumfang bei Flexion und/oder Extension;

I nformationen zur internen und/oder externen Rotation von Femur 28 und Tibia 30;

I nformationen zur Translation der Tibia 30 zum Fem ur 28;

I nformationen zur Schrittlänge;

I nformationen über charakteristische Landmarken, beispielsweise von

Epikondylen und/oder Trochanter.

Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, m ittels des Systems 10 I nformationen über die Relativposition und die relative Beweglichkeit der Knochen 24 - hier insbesondere Femur 28 und Tibia 30 - zu gewinnen. Es liegt ein dreidimensionales kinetisches Modell vor, das darüber hinaus vorzugsweise auch I nformationen über den Beckenknochen 38 und/oder den Fußknochen 40 sowie der Gelenkzentren 43 oder 45 umfasst.

Hierauf basierend kann beispielsweise eine individuelle Versorgung des Patienten 22 auf der Grundlage des patientenindividuellen dynam ischen Modelldatensatzes 74 erfolgen.

Die Sensoreinheit 18 umfasst vorliegend zwei Sensorelemente 76. Hierbei handelt es sich beispielsweise um I MUs ( I nertial Measurement Unit) m it jeweils m indestens einem Beschleunigungssensor 78.

Ein jeweiliges Sensorelement 76 umfasst eine Befestigungseinrichtung 80. Über die jeweilige Befestigungseinrichtung 80 kann das Sensorelement 76 günstigerweise nichtinvasiv an einem den Knochen 24 umfassenden Körperteil festgelegt werden. Beispielsweise wird ein Sensorelement 76 nichtinvasiv am Oberschenkel (in der Zeichnung nicht dargestellt) und ein Sensorelement 76 nichtinvasiv am Unterschenkel (in der Zeichnung nicht dargestellt) festgelegt.

Hierbei erfolgt vorzugsweise eine Festlegung derart, dass eine valide Referenz der Sensorelemente 76 zum jeweiligen Knochen 24 erzielt werden kann, indem eine Weichteilbewegung möglichst verhindert wird. Zu diesem Zweck kann die Befestigungseinrichtung 80 zum Beispiel als Gurt oder Bandage ausgestaltet sein, der bzw. die eine Kompression des Weichteilgewebes bewirkt und dadurch das Sensorelement 76 im Wesentlichen frei von Bewegung zum Knochen 24 befestigt.

I nformationen der Sensorelemente 76 werden von der Datenverarbeitungseinheit 12 erfasst und hierauf basierend aus dem statischen Modelldatensatz 66 der dynam ische Modelldatensatz 74 berechnet.

Hierbei besteht insbesondere die Möglichkeit, die Sensorelemente 76 gewissermaßen auf der Grundlage des Modelldatensatzes 66 zu kalibrieren. Beispielsweise können infolge der Bewegung der Sensorelemente 76 Achsen (beispielsweise die Achsen 60 und 62) sowie deren Schnittpunkt und ein Winkel zwischen diesen Achsen bestim mt werden, wobei die räum liche Beziehung zu den entsprechenden Achsen und Winkeln im statischen Modelldatensatz 66 zur Erzeugung des dynam ischen Modelldatensatzes 74 von der Datenverarbeitungseinheit 12 vorgenom men wird. Beispielsweise können die über die Sensorelemente 76 festgestellten Achsen 60, 62 m it den entsprechenden Achsen 60, 62 im Modelldatensatz 66 zur Deckung gebracht werden. Anhand der jeweiligen Länge der Knochen 42 kann auf diese Weise die Kalibrierung der Sensorelemente 76 im Messsystem der Sensoreinheit 18 erfolgen.

Umgekehrt kann im dynam ischen Modelldatensatz 74 eine räum liche Beziehung der Sensorelemente 76 zu den Knochen 24 ermittelt und gespeichert werden. Gewissermaßen werden virtuelle Äquivalente der Sensorelemente 76 im Modelldatensatz 74 gespeichert.

I m Hinblick auf eine möglichst vollständige und zuverlässige Datenaufnahme kann es vorteilhaft sein, wenn über die Datenverarbeitungseinheit 12 eine Anleitung des Benutzers 56 und/oder des Patienten 22 über entsprechende Hinweise vorgenom men wird, zum Beispiel an der Anzeigeeinheit 52. Zu diesem Zweck kann von der Datenverarbeitungseinheit 12 beispielsweise über ein Program m ein Workflow ausgeführt werden, der aufeinanderfolgend eine Mehrzahl von Hinweisen ausgibt. Die Bewegungen selbst können verpflichtend oder optional sein. Eine Auswahl kann zum Beispiel vom Benutzer 56 und/oder vom Patienten 22 getroffen werden.

Die Figuren 8 bis 15 zeigen beispielhaft Piktogram me 82, anhand derer verdeutlicht wird, welche Bewegung auszuführen ist. Die Piktogram me 82 können insbesondere an der Anzeigeeinheit 52 dargestellt werden.

Das Piktogramm 82 gemäß Figur 8 schlägt eine Bewegung vor, bei der der Patient 22 für zum Beispiel einige Meter geradlinig geradeaus läuft.

Das Piktogram m 82 gemäß Figur 9 schlägt beispielsweise vor, eine vorgegebene Anzahl von Stufen zu steigen und anschließend wieder hinunterzugehen.

Das Piktogram m 82 gemäß Figur 10 schlägt beispielsweise vor, der Patient 22 möge sich hinsetzen und wieder aufstehen.

Das Piktogram m 82 gemäß Figur 1 1 schlägt beispielsweise vor, der Patient 22 möge eine vorgegebene Anzahl von Kniebeugen ausführen, insbesondere zur Aufnahme der Flexion und/oder Extension.

Das Piktogram m 82 gemäß Figur 12 schlägt beispielsweise vor, das Knie von einer maximalen Extension zur Flexion zu bringen.

Das Piktogram m 82 gemäß Figur 13 schlägt beispielsweise vor, das Knie lateral und medial zu belasten, um des Patienten maximalen Varus und Valgus zu erm itteln.

Das Piktogram m 82 gemäß Figur 14 schlägt beispielsweise vor, die Tibia maximal nach vorne zu ziehen oder nach hinten zu schieben.

Das Piktogram m 82 gemäß Figur 15 schlägt beispielsweise vor, die Tibia intern und extern bis zum maximalen möglichen Winkel zu rotieren. Bezugszeichenliste:

10 System

12 Datenverarbeitungseinheit

14 Aufnahmeeinheit

16 Speichereinheit

18 Sensoreinheit

20 Hinweiseinheit

22 Patient

24 Knochen

26 Kniegelenk

27 Gelenkzentrum

28 Fem ur

30 Tibia

34 Knochenanordnung

36 Aufnahme

38 Beckenknochen

40 Fußknochen

42 Hüftgelenk

43 Gelenkzentrum

44 Sprunggelenk

45 Gelenkzentrum

46 Röntgeneinheit

48 Maßstab

50 Ausgangsdatensatz

51 , 52 Anzeigeeinheit

54 Bildanzeige

56 Benutzer

58 Eingabeeinheit

60 mechanische Fem urachse

62 mechanische Tibiaachse

64 Musterdatensatz

66 statischer Modelldatensatz anatom ische Fem urachse Varus- Valgus-Winkel Flexionswinkel dynamischer Modelldatensatz Sensorelement Beschleunigungssensor Befestigungseinrichtung Piktogramm