Institut für
Robotik und Prozessinformatik

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Reposition von Femurschaftfrakturen

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Projektbeschreibung

Problemstellung

In Kooperation mit der Unfallchirurgischen Klinik der Medizinischen Hochschule Hannover(External) werden in diesem Projekt die Möglichkeiten einer roboterunterstützten chirurgischen Fixierung von Schaftfrakturen des Oberschenkels (Femur) untersucht. Diese Frakturen entstehen z.B. bei Unfällen im Straßenverkehr und werden häufig mit Hilfe eines Marknagels fixiert. Die folgende Abbildung zeigt eine solche Fraktur.

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Rötgenaufnahmen eines Femurs [Quelle: AO Principles of Fracture Management]

Um den Nagel in den Markraum des Knochens einzubringen, muss zunächst am oberen Ende des Oberschenkels (an der Hüfte) ein Loch in den Knochen gebohrt werden. In dieses wird der Marknagel eingeführt und bis zur Bruchstelle vorgetrieben. Ist die Spitze des Marknagels an der Bruchstelle angekommen, wird unter großem Krafteinsatz das untere Frakturstück durch den Chirurgen in die richtige Position gebracht und dort gehalten, während der Nagel weiter Richtung Knie geschlagen wird. Zum Schluss wird der Nagel auf beiden Seiten der Fraktur verschraubt.

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Der Ablauf einer Marknagelungsoperation

Die Qualität des Ergebnisses eines solchen Eingriffs lässt sich im Wesentlichen durch zwei Kriterien beschreiben: Beinlänge und Rotation um die Knochenachse. Abhängig von der Art der Fraktur, ist es zum Teil sehr schwierig diese Parameter wieder exakt zu rekonstruieren. Bei zu starken Abweichungen von den ursprünglichen Werten, kann eine weitere Korrekturoperation nötig werden.

Zielsetzung

Das Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung von Verfahren, die eine roboterunterstützte Durchführung dieser Operationen ermöglichen. Durch Kombination bildgebender Verfahren, Kraft-Momenten-gesteuerter Roboterbewegungen und präoperativer Operationsplanung bzw. Simulation soll die erreichbare Genauigkeit der Reposition erhöht werden.
Der Vorteil einer exakt repositionierten Fraktur für den Patienten besteht darin, dass das Bein nach Abschluss der Therapie in gewohnter Weise bewegt werden kann, wodurch der Gang weitgehend unbeeinträchtigt bleibt. Des Weiteren wird die Wahrscheinlichkeit einer evtl. nötigen Korrekturoperation vermindert.
Für den Chirurgen ergibt sich neben der gesteigerten Qualität des Eingriffs der Vorteil, einer wesentlichen Vereinfachung des Operationsablaufs. Die Reposition und das Halten der Frakturteile in der korrekten Position ist nach der herkömmlichen Methode eine sehr schwierige Aufgabe und mit einem großen Kraftaufwand verbunden. Die Reduzierung der teils beträchtlichen Strahlenbelastung des OP-Personals ist ein weiteres wichtiges Ziel dieses Projekts.

Weitere Fragestellungen

Dieses Projekt beschränkt sich nicht ausschließlich auf den Vorgang der roboterunterstützten Reposition. Es werden auch Fragestellungen die am Rande einer solchen Operation auftreten untersucht. Ein wichtiger und schwieriger Punkt ist beispielsweise das Finden der Eintrittsposition des Marknagels in den Knochen. Hierzu soll ein Roboter vision-gesteuert als Führungs- und Positionierungshilfe eingesetzt werden.

Lageschätzung von Zylinderfragmenten zur semi-automatischen Reposition von Knochenfrakturen

Zusammenfassung

Im Folgenden werden die Ergebnisse unseres Ansatzes zur relativen Lagebestimmung von Fragmenten einer zerbrochenen dreidimensionalen zylindrischen Strukturen präsentiert.
Der Ansatz zur Lösung dieses Registrierungsproblems berechnet zuerst die Position und Orientierung der Zylinderachsen jedes Fragments. Dies geschieht durch eine spezielle Art von Hough Transformation. Die Zylinderachsen sind ein wichtiges Merkmal für die Segmentierung von frakturierten Bereichen und können außerdem für eine initiale Repositionierungslösung herangezogen werden (Einschränkung von 4 Freiheitsgeraden).
Nach diesen Vorverarbeitungsschritten kann die relative Transformation zwischen korrespondierenden Fragmenten mittels bekannter Oberflächenregistrierungsverfahren berechnet werden. In unserem Fall nutzen wir eine spezielle 2d-Tiefenbildkorrelation und eine Variante des ICP (Iterative Closest Point) Algorithmus. Ein Ziel unseres Projektes ist die Anwendung der vorgestellten Technik zur Bestimmung der relativen Transformation von Fragmenten eines gebrochener Oberschenkelknochen für die computer-gestützte semi-automatische Knochenausrichtung und Frakturreduktion in der Chirurgie.

Matching-Ergebnisse

Weitere Informationen zur automatischen Ziellagenberechnung von Knochenfragmenten befinden sich hier: 3D Puzzle

Frakturreponierung mit Hilfe eines Telemanipulators mit haptischem Feedback

Zusammenfassung

Es wurde ein System entwickelt, welches den Einsatz eines Roboters als Telemanipulator vorsieht. Der verwendete Roboter vom Typ Stäubli RX 90 wird durch den Chirurgen mithilfe eines Joystick mit haptischem Feedback gesteuert. Ein intraoperativer 3D Röntgenscan dient als Basis für die Reponierung. Dieses 3D Volumenbild wird im Rechner automatisch segmentiert, sodass hoch detaillierte Oberflächenmodelle (siehe folgende Abbildung, unten rechts) daraus errechnet werden können. Diese Modelle dienen schließlich dem Chirurgen zur visuellen Orientierung während der Frakturreponierung. Ein optisches Navigationssystem stellt sicher, dass diese 3D Szene auf dem Computerbildschirm zu jeder Zeit der realen Bruchsitation im OP-Gebiet entspricht, sich also die virtuellen 3D Modelle in gleicher Weise bewegen, wie die realen, durch den Roboter bewegten Fragmente.
Durch einen am Roboterhandflansch montierten Kraftmomentensensor werden alle im OP-Gebiet wirkenden Kräfte und Drehmomente an den Joystick zurückgegeben. Der Chirurg spürt dadurch, wenn die Muskeln zu weit distrahiert werden oder es zum Kontakt zwischen den beiden Knochenfragmenten kommt.

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Das Interaktionsprinzip für eine 3D telemanipulierte Reponierung

Resultate

In einer ersten Versuchsreihe wurde der Telemanipulator im Anatomielabor an gebrochenen menschlichen Knochen (ohne umgebene Weichteile) getestet. Es hat sich gezeigt, dass bei einfachen Frakturen eine mittlere Genauigkeit besser als 2° und 2mm erreicht werden kann und selbst bei komplexen Frakturen die mittlere Genauigkeit bei einer Abweichung von unter 4° bleibt. Diese Werte können klinisch als überaus akzeptabel angesehen werden.
Darüber hinaus wurde das Telemanipulatorsystem auch an menschlichen Ganzkörperspendern evaluiert, also Knochen mit intaktem Weichteilgewebe. Auch hier konnten ähnliche Genauigkeiten erzielt werden. Zudem wurden in einer Vergleichsgruppe dieselben Frakturen von einem Chirurgen in der konventionellen manuellen OP-Methode eingerichtet. Dabei hat sich gezeigt, dass die telemanipulierte Reponierung der konventionellen Methode hinsichtlich der erreichbaren Genauigkeiten signifikant überlegen ist.

Schlussfolgerung

Die vorgestellte Art der Visualisierung und Interaktion zur telemanipulierten Frakturreponierung hat sich als effizient und intuitiv erwiesen. Alle Testpersonen waren nach nur kurzer Trainigszeit in der Lage, das System sicher zu bedienen und hoch präzise Ergebnisse zu erzielen. Diese Ergebnisse zeigen das Potential der robotischen Frakturreponierung, mit der in Zukunft eine hohe Qualität solcher Eingriffe gewährleistet werden könnte.

Weitere Informationen


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