1. Computergestützte Knochensegmentnavigation

2. Markerlose Patientenregistrierung

 

 

1. Computergestützte Knochensegmentnavigation

Die präzise Rekonstruktion komplexer und ausgedehnter Knochenfehlstellungen ist eine Herausforderung für jeden Unfallchirurgen und plastischen Chirurgen. Solche Knochenfehlstellungen können angeboren oder aber auch Folge eines Unfalls sein. Das Durchtrennen des Knochens (die sogenannte Osteotomie) und sein Wiederaneinanderfügen in korrekter Position (die Osteosynthese nach Umstellungsosteotomie) sind erforderlich, um eine regelrechte Funktion von Gelenken und Organen wiederherzustellen. Im Bereich der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie spielt die Umstellungsosteotomie darüberhinaus auch in Hinblick auf Form und Ästhetik des Gesichts eine tragende Rolle.

Umstellungsosteotomien werden vor einem Eingriff am Patienten präzise im Labor simuliert; dennoch gab es bislang keine Möglichkeit, eine solche Operationsplanung exakt auf den Patienten zu übertragen.

Zusammen mit Carl Zeiss Oberkochen wurde ein vollkommen neues, patentiertes Navigationssystem entwickelt, das erstmals sowohl eine computergestützte Simulation von Umstellungsosteotomien als auch eine präzise intraoperative Navigation osteotomierter Knochensegmente zur Übertragung eines Operationsplans auf den Patienten ermöglicht und sich damit von der bisher üblichen einfachen Instrumentennavigation löst.

Technische Grundlagen

Die Entwicklung des SSN erfolgte am Klinikum der Universität Regensburg mit Unterstützung durch Carl Zeiss Oberkochen.

Der Surgical Segment Navigator basiert auf einem dreidimensionalen Infrarot-Lokalisationssystem, mit dem eine Orientierung und Bewegung von Knochensegmenten während einer Operation aufgezeichnet werden kann. Die Daten werden auf einer Microsoft Windows NT 4.0 Workstation auf einem Hewlett Packard LD Pro Netserver verrechnet und graphisch und numerisch wiedergegeben. Die Software der SSN-Workstation wurde mit den Programmierwerkzeugen des Microsoft Visual Studio 6.0 entwickelt.

 

 

Navigation mit dem SSN

Abb. 1

Der Surgical Segment Navigator im Operationssaal bei der Korrektur einer knöchernen Fehlbildung des Gesichtsschädels.

Eine Infrarotkamera zeichnet die Orientierung und Bewegung aller Knochensegmente auf.

Gegenüber vom Operateur findet sich ein Monitor, auf dem die Navigation eines Knochensegments verfolgt werden kann.

SSN im OP-Saal

Abb. 2

Simulation einer Knochenumstellung der Orbitawände auf der linken Seite auf der LUCAS-Workstation, der Planungseinheit des SSN.

Die Linien geben die virtuellen Osteotomielinien zur geplanten Knochendurchtrennung an.

Simulation auf der LUCAS-Workstation

Abb. 3

Intraoperative Navigation der fehlstehenden Orbitawände über einen coronaren Schnitt.

Die nachfolgende Abb. 4 gibt eine Orientierung über die OP-Anordnung dieser Abbildung.

Umstellungsosteotomie über coronaren Schnitt

Abb. 4

Schemazeichnung zu Abb. 3: Anordung von Patient, Infrarotkamera und SSN-Workstation im Operationssaal.

Schemazeichnung zu Abb. 3

Abb. 5

Intraoperativer Blick auf die Augenhöhlenwände auf dem SSN-Monitor. Die Ausgangsposition des fehlstehenden Knochens ist in gelb, die Zielposition in blau und die intraoperative Position des beweglichen Knochensegments ist in grün dargestellt. Wenn grüner und blauer Polygonenzug in Deckung gebracht sind, wurde das Knochensegment in seine Zielposition gefüht.

Monitoransicht des SSN



Interaktive Software, Multimediaprogramme, Filmdateien und Quellcode zur computergestützten Knochensegmentnavigation finden Sie auch auf einer CD-ROM, die zusammen mit einem Buch zu den Grundlagen dieses neuen Operationsverfahrens im Quintessenz-Verlag erschienen ist:

Rüdiger Marmulla:
Computergestützte Knochensegmentnavigation
Berlin: Quintessenz-Verlag, 2000, ISBN 3-87652-869-0

Eine kurze Demoversion der interaktiven Software können Sie auch hier downloaden.

 

 

2. Markerlose Patientenregistrierung

Eine weitere Entwicklung ist das Nachfolgenavigationssystem SSN++, das eine Registrierung der Patientenposition anhand eines Laserscans des Gesichtsweichteilmantels vornehmen kann.

Für einen computergestützten Eingriff ist eine Korrelation zwischen Operationssitus und Bilddatensatz (CT, MRT) erforderlich. Zu diesem Zweck werden üblicherweise künstliche Registriermarker verwendet. Diese werden vor der Erhebung des Bilddatensatzes am Patienten angebracht und müssen bis zum operativen Eingriff unverändert in situ bleiben. Dieses Vorgehen ist im klinischen Alltag mit einem hohen logistischen Aufwand verbunden. Mitunter muss - wenn bereits ein erstes markerloses Übersichts-CT eines Patienten existiert - ein zweites CT angefertigt werden, bei dem die Registriermarker installiert sind. Solch eine Situation ist mit einer unerwünschten zusätzlichen Strahlenbelastung für den Patienten verbunden.

Aus diesem Grund ist es anzustreben, die markerbasierte Patientenregistrierung ganz zu verlassen. Die Registrierung mittels anatomischer Landmarken - beispielsweise der Nasenspitze oder des Tragus am Ohr - bildet dabei jedoch nur eine schlechte Alternative, da das exakt reproduzierbare Wiederauffinden solcher Landmarken im Operationsfeld und dem Bilddatensatz schwierig bis unmöglich ist. Eine gute Alternative stellt die Referenzierung über anatomisch vorgegebene Flächen dar. Daß die markerlose Flächenreferenzierung anhand knöcherner Strukturen sehr gute Ergebnisse liefert, konnte bereits in früheren Untersuchungen mit dem Surgical Segment Navigator SSN gezeigt werden
(siehe oben).

Ob ein Verlegen der Flächenregistrierung aus der Etage der Knochenoberfläche in die Etage des darüber liegenden Weichteilmantels möglich ist, ohne die Präzision einer Datensatzkorrelation zu verringern, war jedoch bislang nicht untersucht worden: Knochen ist eine invariante Struktur, die sich in einem Datensatz und in einem Operationssitus mit identischer Geometrie darstellen kann. Der Weichteilmantel des Gesichts kann jedoch - in Abhängigkeit von Lage und Muskeltonus - prinzipiell Verschiebungen aufweisen. Ob auch trotz dieser Verschiebungen eine präzise Referenzierung zwischen Datensatz und Operationsfeld möglich ist, war Gegenstand zahlreicher Studien.

Für die laserscanbasierte Referenzierung wurde der Surgical Segment Navigator SSN um einen Minolta 3D-Scanner VI 900 erweitert. Sämtliche Softwareergänzungen wurden mit der Entwicklungsumgebung des Visual Studio 6.0 von Microsoft vorgenommen. Die SSN++ Workstation basiert auf einem Pentium 4 Prozessor mit einem Microsoft Windows XP Betriebssystem.

In den Studien wurden konventionelle röntgensichtbare Marker am Patienten angebracht. Diese Marker dienten zur Evaluierung, nicht zur Registrierung. Die Position dieser Evaluationsmarker wurde - nach markerloser Referenzierung der Patientenlage - mit einem Infrarotpointer bestimmt. Die metrische Abweichung zwischen der errechneten und der mit einem Pointer gemessenen Markerposition wurde als Maß für die Genauigkeit der markerlosen Registrierung gewertet. Die Marker wurden nach dem Datenmatchen mit einer Genauigkeit von durchschnittlich 1 mm aufgefunden. Damit konnte nachgewiesen werden, daß mit dem SSN++ eine markerlose Patientenregistrierung mit hoher Genauigkeit möglich ist.

Weitere Studien beschäftigten sich mit der Kongruenz von Grenzflächen in Computertomogramm und Laserscan sowie mit alternativen Oberflächen zur Patientenregistrierung: Oberkiefer, Unterkiefer und Ohrmuschel.

Abb. 6

Konzept des SSN++: Operationssaal (1), Infrarotkamera (2), 3D-Laserscanner von Minolta (3), Dynamic Reference Frame (4) zum schnellen Tracken der Kopfposition, Workstation (5), LUCAS Workstation zur Operationssimulation und -planung (6).

Schema SSN++

 

Abb. 7

SSN++ System im Operationssaal: Laserscanner, Infrarotkamera und Workstation im Hintergrund.

SSN++ mit Laserscanner, Infrarotkamera und Workstation

 

Abb. 8

Laserscan auf der Workstation des SSN++: die z-Koordinate wird farbkodiert wiedergegeben: Strukturen nah zum Laserscanner (z. B. die Nasenspitze) werden violett wiedergegeben, ferne Strukturen (z. B. die Temporalregion) rot. Sichtbar ist eine extraorale Schiene, die Evaluationsmarker trägt.

Laserscan auf der SSN++ Workstation

 

Abb. 9

Datenüberlagerung von Laserscan und CT-Rohdatensatz auf der SSN++ Workstation. Die Oberflächen von Laserscan und CT durchdringen sich als Hinweis auf eine nicht vollständige Kongruenz des Gesichtsweichteilmantels.

Datenüberlagerung von Laserscan und CT-Rohdatensatz auf der SSN++ Workstation

 

Ein kurzes Demoprogramm zum Navigationssystem SSN++ können Sie auch hier downloaden.