Table Of ContentNordrhein-Westfälische Akademie der Wissenschaften
Natur-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften Vorträge· N 444
Herausgegeben von der
Nordrhein-Westfälischen Akademie der Wissenschaften
HANS WALTER STAUDTE (Vortragender),
KLAUS RADERMACHER, GÜNTER RAU
Computergestützte Operationsplanung und -technik
in der Orthopädie mit CT-abgeleiteten individuellen
Bearbeitungsschablonen
Westdeutscher Verlag
416. Sitzung am 10. Januar 1996 in Düsseldorf
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
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Gedruckt auf säurefreiem Papier.
Herstellung: Westdeutscher Verlag
ISSN 0944-8799
ISBN 978-3-322-98703-7 ISBN 978-3-322-98702-0 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-98702-0
Inhalt
1. Einleitung ................................................ 7
2. Die Dimension der bildgeführten Chirurgie -
Problemfelder und Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3. Überblick zum Stand der Technik der bildgeführten Chirurgie -
Vorteile computergestützter Operationstechnik und -planung
und ihre Grenzen .......................................... 12
4. Das Prinzip der Individualschablonen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 15
- Am Beispiel der Pedikelbohrung ............................ 18
- Dekompression im Bereich der Halswirbelsäule ................ 18
- Tripelosteotomie des Beckens - klinische Anwendung
und Konzeptbewertung ................................... 21
5. Schlußbemerkung und Ausblick .............................. 24
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 25
1. Einleitung
Neue Operationstechniken haben in den letzten Jahren sowohl für Fach
leute als auch für Laien zu erstaunlichen Ergebnissen geführt.
Die operativ tätigen Orthopäden haben den Umgang mit zweidimensio
nalen Schichtaufnahmen und freihändig geführten Instrumenten gelernt und
zeigen eine gewisse Kontrolle über diese Verfahren. Dazu war ein erheb
licher Aufwand an Training von visuellen, taktilen und integrativen Fähigkei
ten erforderlich, um ein hohes Maß an Geschicklichkeit, angemessener Kraft
und Schnelligkeit zu erreichen, sowie ihre ständige Lernfähigkeit. So kann sich
ein guter Operateur während der Operation rechtzeitig korrigieren und den
einmal als falsch erkannten Weg für die nächsten Operationen weitgehend ver
meiden.
Trotz dieser Erfolge bleiben erhebliche Grenzen menschlicher operativer
Eingriffe.
Der Operateur kann mit der Hand nur schlecht akkurate geometrische
Schritte durchführen. Dies wird zum Problem, wenn es um einen numerisch
genau definierten anatomischen Ort geht, von dem aus ein weiterer Punkt
über eine definierte trajektorische Strecke anzusteuern ist. Auch eine genau
dosierte Krafteinleitung mit einem Instrument ist nicht möglich. Das Ope
rieren in beengten Lagen wie in engen Körperhöhlen mindert auf Dauer seine
Konzentrationsfähigkeit. Dazu kommt, daß Operateure nicht dauernd in
schädlichen Röntgenstrahlen stehen können, vor allem, wenn es täglich gefor
dert ist. Weitere menschliche Grenzen zeigen sich nach längeren Operations
zeiten: die Operateure werden müde und ungeschickt und fangen an zu zit
tern, vor allem, wenn sie etwas älter sind (Russ Taylor, vgl. 36, 37).
Ein ähnliches Bild von Fortschritt, aber auch klaren Grenzen zeigt sich in
der derzeitigen Praxis der Operationsplanung: In den meisten Krankenhäu
sern werden bereits orthopädische Eingriffe wie Operationen an der Wirbel
säule oder im Becken im Vorfeld genau geplant, da leicht zu verletzende Struk
turen wie Nerven und Gefäße, Darm oder andere gefährdete Organe die Ope
ration besonders verkomplizieren. Anhand von genauem Bildmaterial kann
die Strategie des Zugangs, die Isolierung des krankhaften Prozesses, die Aus
richtung krankhaft ausgebildeter Strukturen oder die Einfügung und Implan
tation von künstlichen Gelenken im Vorfeld konzipiert werden. Diese Pläne
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werden dann zur Orientierung im OP-Saal an einem Röntgenschirm als Kon
struktionszeichnungen oder Pausen mit dem zugehörigen bildgebenden Mate
rial aufgehängt. Durch diese Vorplanung wird ein dreidimensionales Bild
des auszuführenden operativen Eingriffes gewonnen, wobei z. B. Winkelwerte,
Sägeschnitthöhen, Bohrtiefen und Bohrkaliber vorgegeben sind.
Beim Eingriff kommt unverzichtbar die persönliche Erfahrung des Operie
renden hinzu, mittels dessen statistischen Bildes anatomischer Erfahrungen
der zu operierende Bereich freigelegt werden kann. Im nächsten Schritt wer
den einige markante Orientierungspunkte ertastet, eventuell unter Zuhilfe
nahme des Röntgen-Bildwandlers, wobei der Operateur bestimmte Knochen
strukturen im Röntgen-Bildwandler mit den vorher abgebildeten Strukturen
mental vergleicht. Auf diese Weise gut orientiert, kann er richtunggebende
Drähte unter Winkelmessergebrauch, z. B. zur Sicherung des geplanten Kno
chenkeils, einbringen. So kann gezielt ein möglichst kleiner Teil des zu operie
renden Bereiches freigelegt werden. Dieses an sich sehr genaue Verfahren hat
einen entscheidenden Nachteil, nämlich den unverhältnismäßig großen Zeit
aufwand.
Glücklicherweise haben viele Maschinen die Fähigkeiten, die menschlichen
Operateuren fehlen: Sie können mit großer Präzision sich selbst kontrollieren,
messen und in allen sechs Freiheitsgraden positionieren. Sie können ganz
gena~ numerisch festgelegte Positionen einnehmen und ganz genau definierte
Wege im Raum kontrolliert zurücklegen mit eindeutig programmierbaren
Kräften und werden dabei nie müde. Sie können ganz klein oder ganz groß
gebaut werden und widerstehen problemlos Röntgenstrahlen. Sie können dem
Chirurgen wesentliche Hilfsmittel z. B. zur individuellen und akkuraten
Orientierung im Raum bieten.
So ist theoretisch denkbar, daß ein Roboter als medizinischer Assistent,
der wie in der berufsgenossenschaftlichen Klinik in Frankfurt präzise Ober
schenkelknochen für Hüftendoprothesen ausfräst, ein alltäglicher Begleiter
wird. Wie weit Maschinen in Zukunft auf diese Weise die Funktionen von
Menschen übernehmen können, ist noch nicht absehbar. Bei der Wahl der
technischen Mittel ist davon abzuraten, den operativen Prozeß durch zusätz
liche komplexe technische Systeme und Interaktionen zu belasten.
Im Helmholtz-Institut und in der orthopädischen Abteilung des Kreiskran
kenhauses Würselen haben wir daher einen Zwischenweg beschritten, der
zwar alle Operateure und Maschinenpositionen so läßt wie bisher und den
OP-Saal nicht grundsätzlich verändert, aber durch Planung und Herstellung
von Operationshilfen außerhalb des OP-Saales unter Zusammenarbeit von
chirurgisch tätigem Orthopäden und Ingenieur doch eine Genauigkeit in
hohem Maße erlaubt.
Computergestützte Operationsplanung und -technik 9
2. Die Dimension der bildgeführten Chirurgie.
Problemfelder und Aufgaben
Seit einigen Jahren profitiert die medizinische Diagnostik von der zuneh
menden Qualität der verfügbaren Bildinformation zu Morphologie und Funk
tion des individuellen Organismus. Die Forschung im Bereich der digitalen
Bild- und Informationsverarbeitung konzentriert sich hierbei auf die Verbes
serung des diagnostischen Outputs.
In Abhängigkeit von der diagnostischen Fragestellung kann mittels
Computergraphik, Bildanalyse, Mustererkennung und 3D-Rekonstruktion ein
Maximum an Information extrahiert werden. Auch unterschiedliche Informa
tionen wie z. B. von CT, PET- und MR-Bildinformationen können rechner
gestützt überlagert werden (v gl. z. B. 12, 4, 37).
Während die diagnostische Aussagekraft von 3D-Rekonstruktionen in der
Radiologie umstritten ist, bieten diese dagegen in der Orthopädie eindeutig die
Bild 1: 3D-CT-Rekonstruktion zur Darstelllung eines ausgedehnten Defektes im Schädel bereich
(Quelle: Helmholtz-Institut Aachen)
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Möglichkeit einer verbesserten räumlichen Vorstellung komplexer Befunde.
In der orthopädischen Chirurgie verlangen knöcherne Strukturen nach einer
besonderen prä- bzw. intraoperativen räumlich-geometrischen Planung und
Umsetzung.
Mit Hilfe von bildgebenden Verfahren wie der Computertomographie und
computergestützten Bildverarbeitungssystemen können knöcherne Struk
turen des lebenden Organismus schichtweise erfaßt, dreidimensional rekon
struiert und visualisiert werden. Hierbei geht es z. B. um
- das Anvisieren eines Zielpunktes wie z. B. einer Knochenzyste,
- die Definition von Größe und Lage z. B. einer Pedikelschraube,
- die Umgehung kritischer Strukturen wie z. B. Blutgefäße, Nerven, Gelenk-
pfannen usw.,
- räumliches Eingrenzen und Umschreiben von Strukturen wie z. B. Mark
raumkavitäten oder Tumoren,
- Rekonstruktion optimaler biomechanischer Bedingungen, z. B. Umstel
lungsosteotomien, Referenzflächen für Totalendoprothesen oder auch ästheti
scher Bedingungen (Kieferorthopädie),
- Schaffung eines definierten Sitzes zwischen Implantat und Knochen, z. B.
Einpassen einer Hüft-TEP oder von Knochenfragmenten und Implantaten in
der plastischen Wiederherstellungschirurgie.
Von der Art der räumlichen Problematik her ist dabei zwischen rei
nen Navigations-Problemen (d. h. dem Zurechtfinden im Operationssitus)
und dem Problem der Rekonstruktion oder Übersetzung exakt geplanter
(mental, bild- oder rechnergestützt vorliegender) Geometrien zu unterschei
den.
Dabei ist besonders zu beachten, daß einige 3D-Bildverarbeitungssysteme
zwar auch eine dreidimensionale Operationsplanung intraoperativ ermög
lichen, dann aber jedoch häufig Orientierungsprobleme bestehen, da für eine
konsequente räumlich exakte Umsetzung der mit großem technischen Auf
wand individuell geplanten Bearbeitungsschritte keine adäquaten Hilfsmittel
zur Verfügung stehen. Hier kommt das eingangs erwähnte Problem zum Tra
gen, daß die Genauigkeit der Durchführung somit alleine auf der Erfahrung,
dem räumlichen Vorstellungsvermögen und dem handwerklichen Geschick
des Chirurgen basiert. Dies ist je nach Art und anatomischer Lage des Ein
griffes, selbst bei erfahrenen Operateuren, mit realen Risiken verbunden. All
gemein stehen nur freihändig geführte Instrumente, zweidimensionale
Schichtbildaufnahmen und prä- oder intraoperative Röntgenaufnahmen zur
Verfügung.
Computergestützte Operationsplanung und -technik 11
Für bestimmte Operationen werden Werkzeugführungen und Schablonen
eingesetzt, deren intraoperative Positionierung relativ zum Knochen freihand
erfolgt. Ein intraoperatives Messen und Ausrichten unter Röntgenkontrolle
führt zu einer erhöhten Strahlenbelastung für Patient und OP-Team und ver
längert die Operationsdauer zusätzlich. Schließlich stellt dies wiederum nur
eine indirekte und nicht eindeutig definierte Umsetzung der in der Ope
rationsplanung festgelegten Bearbeitungsstrategie dar. Hieraus resultieren
z. B. unpräzise Prothesensitzpräparationen oder Umstellungsosteotomien im
Extremitätenbereich. Die Präzision und der hohe technologische Standard
individuell gefertigter Implantate (2, 5) steht im krassen Widerspruch zu ihrer
freihändigen intraoperativen Positionierung.
Es stellt sich also die Frage nach einer Verbesserung der Operations technik,
deren Ziele sich wie folgt benennen lassen:
- Verbesserung der Genauigkeit, Reproduzicrbarkeit und Effizienz der
operativen Therapie,
- Verkürzung der Eingriffs- und Narkosezeit sowie eine Verringerung des
Blutverlustes,
- Reduzierung von Belastung und Beanspruchung für Patient und auch
Operationsteam,
- Qualitätsstandardisierung in der breiten klinischen Anwendung auf
Expertenniveau,
- Entwicklung neuer Werkzeuge und minimal invasiver Operationsstra
tegien.
Dem Chirurgen soll eine sichere, schnelle, exakt durch die Operations
planung definierte Bearbeitung knöcherner Strukturen für beliebige ortho
pädische Eingriffe ermöglicht werden, ohne notwendigerweise den intraope
rativen Prozeß durch zusätzliche komplexe technische Systeme und Inter
aktionen zu belasten. Hierbei sollen jedoch nach Möglichkeit nicht nur
Probleme heutiger Operationstechniken gelöst, sondern auch neue Therapie
formen erschlossen werden.
International bestehen Bestrebungen, mit Hilfe der Robotertechnik zu bes
seren Hilfsmitteln für schnellere, genauere und weniger belastende Eingriffe
zu kommen. Ein Hauptproblem stellt - neben den entstehenden Kosten -
die intraoperative Lageerkennung und Korrelierung der Bezugssysteme von
Objekt, rechnerinternem Objektmodell, Umwelt und Roboter dar. Ferner
müssen die Problembereiche der intraoperativen Mensch-Maschine-Inter
aktion sowie die Sicherheit und Reliabilität des Gesamtsystems betrachtet
werden.
