Institut für
Robotik und Prozessinformatik

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Umstellungsosteotomien am Unterschenkel

Projektbeschreibung

Problemstellung

In Kooperation mit der Unfallchirurgischen Klinik der Medizinischen Hochschule Hannover(External) und dem Institut für Werkstoffkunde der Leibniz Universität Hannover(External) werden in diesem Projekt neuartige Verfahren für roboterunterstützte Korrekturoperationen bei Fehlstellungen der unteren Extrimitäten erforscht.

Angeborene oder z.B. nach Frakturen oder Tumoren erworbene Fehlstellungen der unteren Extremitäten des menschlichen Skeletts führen unter Belastung in der Regel zu einer ungleichmäßigen Druckverteilung in den angrenzenden Gelenken (Knie/Hüfte). Bleiben diese Fehlstellungen unbehandelt, kommt es in der Folge nicht selten zu Abnutzungserscheinungen, die schließlich einen Gelenkersatz erforderlich machen. Eine rechtzeitig durchgeführte und erfolgreiche Korrekturoperation kann somit dazu beitragen, die Prothesenimplantation zu vermeiden oder zumindest entscheidend zu verzögern. Die exakte Herstellung der optimalen Druckverteilung im Knie ist ein entscheidender Faktor für eine erfolgreiche Operation mit den gewünschten positiven Langzeitergebnissen beim Patienten. Allerdings stehen intraoperativ derzeit keine Hilfsmittel zur Verfügung, mit denen die Druckverteilung bei belastetem Knie zuverlässig gemessen werden könnte. Darüber hinaus ist die unter biomechanischen Gesichtspunkten optimale Osteotomieform (Schnittführung) der Focal-dome Osteotomie aufgrund der schwierigen technischen Durchführung klinisch nicht etabliert, sodass in der Praxis auf andere, suboptimale Osteotomieformen ausgewichen wird.

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Osteotomieformen

Zielsetzung

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung und Erprobung neuartiger Operationsmethoden, durch die eine Steigerung der Qualität der oben genannten chirurgischen Eingriffe erreicht werden kann, indem eine präzise OP-Planung und OP-Durchführung gewährleistet wird. Mithilfe einer robotisch-/sensorischen Analyse der Kraft-/Belastungsverteilung im Kniegelenk wird automatisch ein Operationsplan generiert, der sowohl eine optimal platzierte Osteotomie (Schnittebene bzw. -kurve) als auch einen optimalen Korrekturwinkel beinhaltet. Bei der Schnittführung sollen neue Technologien zum Einsatz kommen, die die konventionellen Methoden hinsichtlich Qualität (Oberflächenglätte) der Schnittflächen und thermischer Effekte während des Schneidprozesses übertreffen. Das Wasserstrahlschneiden ist eine Technologie, die beide Bedingung erfüllt und die im Rahmen dieses Antrags für diese klinische Anwendung weiterentwickelt und erprobt werden soll. Das Führen des Wasserstrahlschneidinstruments wird hochpräzise durch einen Roboter erfolgen, der schließlich auch die Korrekturbewegung unter Verwendung von Kraft-/Momentensensorik, Röntgenbildgebung und chirurgischer Navigation durchführt.


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Wasserstrahlosteotomie

In einem ersten Schritt haben wir ein Verfahren zur Druckvorhersage innerhalb des Knies entwickelt. Aus CT-Aufnahmen des Knies erstellen wir ein detailliertes Oberflächenmodell des Knies. Dieses Modell dient als Grundlage für eine Druckanalyse mit Hilfe der Rigid Body Spring Model Methode (RBSMM). Femur und Tibia werden hierbei als starre Körper modelliert. Das Knorpelgewebe innerhalb des Knies wird als eine Reihe von Federn modelliert, die auf der Tibiaoberfläche gleichverteilt werden. Für eine Eingangskraft F kann nun mit Hilfe der Methode der virtuellen Verschiebung eine lokale Federkraft für jede Feder berechnet werden. Die Gesamtheit der lokalen Federkräfte resultiert dann in einer Oberflächendruckverteilung, wie sie in der folgenden Abbildung visualisiert ist.

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Druckverteilung auf dem Tibiaplateau

Weitere Informationen


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