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Ein Assistenzsystem für die einzeitige,

alloplastische Tumorbehandlung in der Kopfchirurgie

vorgelegt von

Diplom-Ingenieur

Andreas Rose

an der Fakultät V – Verkehrs- und Maschinensysteme

der Technischen Universität Berlin

zur Erlangung des akademischen Grades

Doktor der Ingenieurswissenschaften

– Dr.-Ing. –

genehmigte Dissertation

Promotionsausschuss:

Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Marc Kraft

Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Jörg Krüger

Prof. Dr.-Ing. Erwin Keeve

Prof. Dr. med. Dr. med. dent. Martin Klein

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 30. September 2009

Berlin 2009

D 83

Vorwort

Die in dieser Dissertationsschrift dargestellten Konzepte, Verfahren und Ergebnisse über

ein Unterstützungssystem für die chirurgische Tumortherapie am Kopf wurden im Rahmen

meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Berliner Zentrum für Mechatroni-

sche Medizintechnik (BZMM), einer Kooperation aus dem Bereich Medizintechnik des

Fraunhofer Instituts für Produktionsanlage und Konstruktionstechnik (IPK) sowie dem Be-

reich Klinische Navigation der Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie an der

Charité – Universitätsmedizin Berlin, entwickelt, erarbeitet und durchgeführt.

Professor Dr.-Ing. Jörg Krüger (Leiter des Institutes für Werkzeugmaschinen und Fabrikbe-

trieb der Fakultät V an der Technischen Universität Berlin) danke ich für die Unterstützung

vor allem in der Anfangsphase der Arbeit. Dem Direktor des Zentrums Professor Dr.-Ing.

Erwin Keeve danke ich für die Ermöglichung des zeitnahen Abschlusses der Arbeit. Pro-

fessor Dr.-Ing. Marc Kraft danke ich für die Übernahme des Vorsitzes im Promotionsaus-

schuss.

Bei Professor Dr. med. Dr. med. dent. Martin Klein (Leitender Arzt der Abteilung für

Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie an der Fachklinik Hornheide) und Dr. med. Lars

Harfenmeister (ehemaliger Oberarzt an der Klinik für Hals-, Nasen- und Ohrenheilkunde

an der Charité – Universitätsmedizin Berlin) bedanke ich mich für die vielen Hinweise und

die gewährten Einblicke in die klinische Praxis, die eine essentielle Voraussetzung für die

erfolgreiche Durchführung dieser interdisziplinären Arbeit war.

Weiterer Dank gilt Dr. Timo Krüger, Emanuel Jank, Dr. Daniel Szymanski, Dr. Cyrill von

Tiesenhausen, Marcel Winkelmann, Dr. Dirk Mucha, Bartosz Kosmecki, Christian Winne,

Michael Beyer, Dan Eichel, Weichen Liu sowie den weiteren Kollegen und Mitarbeitern

des BZMM für die fachlichen Diskussionen, die Unterstützung und die angenehme Zusam-

menarbeit. Bei Ivette Grafe und Johannes Knöspel bedanke ich mich für die Durchsicht der

Arbeit und die vielen konstruktiven Hinweise.

Ein besonderer Dank gilt meiner Familie, meiner Frau Marion und meiner Tochter Fiona,

für den Rückhalt und Beistand. Ein außerordentlicher Dank gilt auch meinen Eltern, Chris-

tine und Joachim, für das Erschließen und die Förderung vieler Interessensgebiete sowie

für die Durchsicht der Arbeit.

Andreas Rose, November 2009

III

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung...............................................................................................................1

1.1 Medizinische Grundlagen..............................................................................1

1.2 Problemstellung aus medizinischer Sicht......................................................5

1.3 Problemstellung aus technischer Sicht...........................................................6

1.4 Aufbau der Arbeit...........................................................................................9

2 Stand der Technik..................................................................................................10

2.1 Bildgebende Verfahren.................................................................................10

2.1.1 Computertomographie.....................................................................10

2.1.2 Digitale Volumentomographie ........................................................11

2.1.3 Magnetresonanztomographie...........................................................12

2.2 Operationsplanung.......................................................................................13

2.2.1 Planung anhand von Bilddaten........................................................14

2.2.2 Planung anhand von Modellen........................................................14

2.2.3 Computergestützte Planung.............................................................17

2.3 Implantatkonstruktion..................................................................................20

2.3.1 Konstruktionsverfahren...................................................................21

2.3.2 Unterstützungssysteme....................................................................22

2.4 Implantatherstellung.....................................................................................22

2.4.1 Manuelle Fertigung..........................................................................23

2.4.2 Maschinelle Herstellung..................................................................24

2.5 Technische Grundprinzipien der computerassistierten Chirurgie................24

2.5.1 Patientenmodell...............................................................................25

2.5.2 Lagemesssysteme.............................................................................25

2.5.3 Registrierung....................................................................................27

2.5.4 Vermessung von chirurgischen Instrumenten..................................28

2.6 Spanende Bearbeitung von Knochen...........................................................28

2.6.1 Materialeigenschaften von Knochen...............................................28

2.6.2 Verwendete Instrumente..................................................................29

2.7 Unterstützung für die Resektion und Implantatinsertion.............................30

2.7.1 Schablonentechnik...........................................................................30

2.7.2 Robotergestützte Resektion.............................................................31

2.7.3 Navigationsgestützte Resektion.......................................................33

2.8 Nachteile bestehender Systeme und Methoden...........................................34

2.8.1 Operationsplanung...........................................................................34

2.8.2 Implantatkonstruktion .....................................................................34

2.8.3 Intraoperative Unterstützung...........................................................35

3 Zielsetzung............................................................................................................37

3.1 Ungelöste Probleme.....................................................................................37

3.2 Zielsetzung der Arbeit..................................................................................38

3.3 Abgrenzung..................................................................................................38

Inhaltsverzeichnis

4 Konzept..................................................................................................................42

4.1 Eigener Ansatz.............................................................................................42

4.2 Modellierung der chirurgischen Therapie....................................................43

4.2.1 Einordnung des Systems in den Therapievorgang...........................43

4.2.2 Abbildung der geometrischen Zusammenhänge..............................44

4.3 Benutzung des Systems................................................................................45

4.3.1 Präoperative Planung und Konstruktion..........................................46

4.3.2 Behandlung......................................................................................48

4.4 Statische Systembeschreibung ....................................................................50

4.4.1 Optischer Lagemesssensor...............................................................50

4.4.2 Patientenlokalisator..........................................................................51

4.4.3 Zeigeinstrument...............................................................................52

4.4.4 Fräsinstrument mit Steuereinheit und Fußpedal..............................52

4.4.5 Vermessungskörper..........................................................................54

4.4.6 Ein- und Ausgabegeräte...................................................................55

4.4.7 Steuerrechner...................................................................................56

4.5 Dynamische Systembeschreibung................................................................56

4.5.1 Schnittstellen....................................................................................59

4.5.2 Patientenmodell...............................................................................60

4.5.3 Behandlungsplanung und Implantatkonstruktion............................61

4.5.4 Instrumentenvermessung.................................................................62

4.5.5 Patientenregistrierung......................................................................64

4.5.6 Fräsassistent.....................................................................................65

4.5.7 Systemüberwachung........................................................................67

5 Realisierung...........................................................................................................69

5.1 Operationsplanung und Implantatkonstruktion............................................69

5.1.1 Überblick.........................................................................................69

5.1.2 Mensch-Maschine-Schnittstelle.......................................................72

5.1.3 Generierung der Implantatbasisform...............................................72

5.1.4 Generierung der Osteotomielinie.....................................................75

5.1.5 Zuschneiden der Implantatbasisform...............................................76

5.1.6 Export des Implantates....................................................................77

5.2 Behandlungunterstützung.............................................................................77

5.2.1 Instrumentarium...............................................................................78

5.2.2 Mensch-Maschine-Schnittstelle.......................................................81

5.2.3 Repräsentation geometrischer und zeitlicher Zusammenhänge......82

5.2.4 Fräsassistent.....................................................................................87

5.2.5 Systemüberwachung........................................................................93

5.3 Zulassung nach Medizinproduktegesetz......................................................98

6 Evaluierung..........................................................................................................100

6.1 Experiment: Genauigkeit der Planung und Konstruktion..........................100

6.1.1 Material..........................................................................................100

Inhaltsverzeichnis

6.1.2 Methode.........................................................................................101

6.1.3 Ergebnisse......................................................................................102

6.1.4 Diskussion......................................................................................104

6.2 Experiment: Genauigkeit des navigierten Fräsens.....................................105

6.2.1 Material..........................................................................................105

6.2.2 Methode.........................................................................................106

6.2.3 Ergebnisse......................................................................................107

6.2.4 Diskussion......................................................................................109

6.3 Experiment: Ergonomie der Behandlung...................................................109

6.3.1 Material und Methode....................................................................109

6.3.2 Ergebnisse und Diskussion............................................................111

6.4 Zusammenfassende Bewertung..................................................................111

7 Zusammenfassung und Ausblick.........................................................................114

8 Anhang.................................................................................................................116

8.1 Notation......................................................................................................116

8.2 Glossar........................................................................................................116

9 Literatur...............................................................................................................119

VII

1 Einführung

Der Einzug neuer Herstellungsverfahren in der Medizin führte in den letzten Jahren zu

Fortschritten in der patientenindividuellen Behandlung. Mit neuen Fräs- und Rapid-Proto-

typing-Verfahren wurden die Möglichkeiten geschaffen, patientenspezifische Rekonstruk-

tionen mit Hilfe von präoperativ hergestellten Implantaten durchzuführen. Diese Möglich-

keiten zogen einen Planungs- und Konstruktionsbedarf nach sich. Zunächst wurden her-

kömmliche Konstruktionsapplikationen aus dem CAD/CAM-Bereich verwendet. Die An-

forderungen an die klinischen Anwendungen unterscheiden sich jedoch durch die meist or-

ganische Formgebung. Zudem wurde durch die präoperative Herstellung das exakte Um-

setzen der Operationsplanung notwendig, um die Passung zu gewährleisten.

In der chirurgischen Behandlung von Tumorerkrankungen am Kopf liegen die beschriebe-

nen Bedürfnisse vor. Das in einer Operation entfernte Weich- und Hartgewebe sollte funk-

tional und ästhetisch wiederhergestellt werden. Dabei werden für den Einsatz am Gesichts-

und Hirnschädel vor allem Kraniotomfräser verwendet. Neben den Transplantaten sind die

präoperativ hergestellten Implantate mit der optimalen Form bzw. Struktur die bevorzugte

Wahl für die Rekonstruktion.

Diese Arbeit beschreibt neuartige Ansätze eines Assistenzsystem für das einzeitige Entfer-

nen und Rekonstruieren von Knochenstrukturen mit Hilfe von alloplastischen Materialien.

Die Unterstützung erstreckt sich dabei von der Planung der Operation über die Konstrukti-

on der Implantatform bis hin zur Umsetzung der Planung während der Behandlung. Der

Chirurg soll dabei in die Lage versetzt werden, die notwendigen Arbeitsschritte, wie bei-

spielsweise die Konstruktion, selbständig durchführen zu können, ohne den konventionel-

len Arbeitsablauf grundlegend verändern zu müssen.

Das in dieser Arbeit vorgestellte System wurde für die chirurgische Tumortherapie am Ge-

sichts- und Hirnschädel entwickelt. Die Konstruktion wird aus großen Teilen der Operati-

onsplanung abgeleitet und anschließend mit wenigen Benutzerinteraktionen realisiert. Das

Fräsen entlang der geplanten Schnittfläche wird durch Assistenzfunktionen während der

Behandlung unterstützt. Das Prinzip ist auch auf andere medizinische Problemstellungen

übertragbar, in denen Schnittflächen geplant, manuell umgesetzt und dadurch entstehende

Zwischenräume rekonstruiert werden sollen.

1.1 Medizinische Grundlagen

Ausgehend von den medizinischen Grundlagen werden im Folgenden die identifizierten

klinischen und technischen Probleme bei der Tumortherapie am Kopf aufgezeigt. Tumore

sind eine Anhäufung von entarteten Stammzellen, deren wachstumsregulierende Gene ver-

ändert wurden und somit die Fähigkeit zur Apoptose verloren haben. Die körpereigenen

Abwehrmechanismen, wie die Reparatur oder Zerstörung dieser Zellen, sind nicht wirk-

sam. Die Tumorzellen reproduzieren sich unkontrolliert (Metelmann 1998).

Es existieren viele Arten von Tumoren unterschiedlicher Ursachen (Chemikalien, ionisie-

rende Strahlung, ultraviolettes Licht, Viren, etc.), die jedoch allgemein in gutartig und bös-

artig getrennt werden (Metelmann 1998 und Metelmann und Kaduk 2007). Die Unter-

schiede hierbei liegen in der Art der Ausbreitung des Tumors. Infiltrative, aggressive, zer-

störende Ausbreitung oft auch in Form von Metastasen wird als bösartiges Verhalten be-

zeichnet. Weiterhin können die Erkrankungen hinsichtlich des betroffenen Gewebetyps

(Hart- und Weichgewebe) unterschieden werden. Aus diesen und weiteren Eigenschaften

1 Einführung

eines Tumors ergeben sich unter Berücksichtigung der Therapieziele, einer Linderung oder

einer vollständigen Heilung, eine Reihe von Therapiemöglichkeiten. Dazu zählen bei-

spielsweise die Chemotherapie, Strahlentherapie, Lasertherapie und chirurgische Therapie.

Gemein haben alle Therapieformen die Zerstörung der genetisch defekten Stammzellen,

um ein Fortschreiten der Erkrankung zu hemmen oder zu unterbinden.

a) b)

Abbildung 1-1: a) Knochenstruktur des menschlichen Gesichts- und Hirnschädels (Gray

1918); b) Eingliederung eines Keramik-Implantates als Rekonstruktion

eines zuvor entfernten erkrankten Teils des Schädelknochens

Im Kopfbereich ist die chirurgische Therapie für eine Heilung von Primärtumoren die be-

vorzugte Wahl (Abb. 1-1a). Das Ziel dieser Therapiemethode ist die radikale Entfernung

der pathologischen Gewebeareale (Heidemann und Bokemeyer 1998, Metelmann 1998 und

Metelmann und Kaduk 2007). Dabei können am Kopf unter Umständen verschiedene

Fachrichtungen wie Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, Neurochirurgie und Hals-Na-

sen-Ohren-Chirurgie beteiligt sein, da durch eine umfangreiche Resektion oft verschiedene

Gewebearten, wie Haut, Fett, Muskel, Nerven, Knorpel und Knochen, betroffen sind. Für

deren Rekonstruktion werden meist Transplantate verwendet. Bei Knochengewebe ist prin-

zipiell autogenes Material synthetischem vorzuziehen. Alloplastisches Material ist dagegen

bevorzugt zu verwenden, wenn (Taylor et al. 1979, Goulet et al. 1997, Dodson 1997,

Reuther und Bill 1998, Wolff 2007, Sauret et al. 2002, Eufinger et al. 2002 und Bill und

Reuther 2004):

●eine eingeschränkte Verfügbarkeit von Gewebe in der Spenderregion besteht,

●das mögliche Transplantat in der Dimension anatomisch limitiert ist,

●eine hohe Wahrscheinlichkeit für das narbige Ersetzen des Transplantates vorhanden

ist,

●das Morbiditätsrisiko der Spenderregion nicht vertretbar ist oder

●eine Resorption des Transplantates erwartet wird.

Es muss jedoch beachtet werden, dass das künstliche Material den Körper nicht belastet,

d.h. die Biokompatibilität eingehalten wird. Weiterhin kann die Rekonstruktion in einem

separaten nachgestellten chirurgischen Eingriff erfolgen. Dies ist angezeigt, wenn die zu-

sätzlichen Belastungen der Rekonstruktion zusammen mit der Resektion in einer Operation

1.1 Medizinische Grundlagen

für den Patienten nicht vertretbar sind. Diese zweizeitige Therapie stellt insgesamt jedoch

eine höhere Belastung bzw. Traumatisierung für den Patienten dar. Zudem ist die Röntgen-

belastung des Patienten bei der zusätzlicher Bilddatenakquirierung erhöht.

BehandlungVorbereitung

Rekonstruktion

Diagnose mit

Bildakquisition

Planung Resektion

Nachsorge

Implantat-

fertigung

Implantat-

konstruktion

Abbildung 1-2: Arbeitsschritte der einzeitigen chirurgischen Therapie bei der Verwen-

dung von künstlichem Ersatzmaterial für das resezierte Knochengewebe

Im Folgenden wird die einzeitige chirurgische Therapie bei affektiertem Knochengewebe

näher erläutert, bei der künstliche Materialien als Rekonstruktionsersatz verwendet werden

(Abb. 1-1b und Abb. 1-2). Das Ziel dieser Therapiemethode ist es, die Entfernung der er-

krankten Gewebeareale und die Rekonstruktion des Schädelknochens in einer Sitzung

durchzuführen. Zunächst werden die dafür notwendigen Arbeitsschritte beschrieben (Schu-

bert 1995, Gerlach und Pape 1995, v. Domarus 1995, Eufinger et al. 1998a, Metelmann

1998, Reuther und Bill 1998, Stojadinovic et al. 1999, Bootz 2000, Weihe et al. 2000, Me-

telmann und Kaduk 2007 und Wolff 2007):

1. Planung: Nach erfolgter und bestätigter Diagnose und Festlegung auf die chirurgi-

sche Therapieform wird die Operationsplanung durchgeführt. Dabei werden Zu-

gangswege, Resektionsschnitte, die Art der Rekonstruktion und die zeitliche Abfolge

der genauen Arbeitsschritte während der Operation anhand von volumetrischen Pati-

entenbilddaten definiert. Bei komplexen Eingriffen können zusätzlich materielle

Knochenmodelle angefertigt werden, an denen Zugangswege und der Eingriff ge-

plant und getestet werden. Der Chirurg soll in die Lage versetzt werden, optimale Er-

gebnisse zu erreichen und dabei mit minimaler Invasivität gegenüber dem Patienten

vorzugehen.

2. Implantatkonstruktion: Anhand der Planung des Chirurgen wird von einem Techni-

ker ein patientenindividuelles Implantatmodell konstruiert. Dafür müssen folgende

Bedingungen eingehalten werden:

●Material: Es stehen verschiedene Materialien zur Verfügung, z.B. Keramik oder

Titan. Diese unterscheiden sich unter anderem in der Oberflächenbeschaffenheit

und somit auch in der Integrationsfähigkeit in das umgebende Knochengewebe.

1 Einführung

Weiterhin sind die Biokompatibilität, die Dichte und die Bearbeitung verschie-

den.

●Herstellbarkeit: Unter Beachtung der Materialeigenschaften müssen verschiede-

ne, materialbezogene Parameter wie z.B. die Wandstärke eingehalten werden.

●Formschlüssigkeit: Das Implantat muss so konstruiert werden, dass eine Form-

schlüssigkeit zum angrenzenden Gewebe hergestellt werden kann. Vor allem auf

der von außen sichtbaren Seite ist dies zur ästhetischen Wiederherstellung wich-

tig. Zudem müssen Spannungen im Implantat und im Knochengewebe minimiert

werden.

●Form: Das über dem Implantat liegende Weichgewebe wird entsprechend der Im-

plantatform modelliert. Idealerweise ist der Kopf symmetrisch aufgebaut.

Dementsprechend sollte das resultierende Weichgewebe respektive das Implantat

geformt sein.

●Stabilität: Die Widerstandsfähigkeit des Implantates gegenüber mechanischen

Belastungen muss gewährleistet werden. Daher müssen bei der Konstruktion in-

terne und externe Einflüsse beachtet werden.

●Befestigungsanschlüsse: Für die Fixierung des Implantates am umgebenden Kno-

chengewebe müssen entsprechende Bohrungen mit Gewinde vorhanden sein.

Weiterhin wird die Hirnhaut an dem Implantat über Hochnähte befestigt. Dazu

sind geeignete Lochpaare im Implantat notwendig.

3. Implantatfertigung: Dieser Arbeitsschritt erfolgt nicht durch den Chirurgen, sondern

durch einen Techniker. Das zuvor konstruierte Implantat wird mit einem geeigneten

Herstellungsverfahren gefertigt. Anschließend wird das Implantat sterilisiert. Nach

der Richtlinie 93/42/EWG Anhang IX ist ein solches Implantat einem Produkt der

Klasse IIb zuzuordnen. Das bedeutet, dass das Implantat nach Medizinproduktege-

setz (MPG) zugelassen werden muss.

4. Resektion: Während des chirurgischen Eingriffs wird zunächst das erkrankte Gewebe

lokalisiert. Die Planung und intraoperative Analyse von Probeentnahmen (Schnell-

schnittuntersuchung) durch den Pathologen helfen dabei. Es erfolgt die Heraustren-

nung und Entfernung des Tumorgewebes. Hierbei sind folgende Kriterien ausschlag-

gebend für den Erfolg der Therapie:

●Vollständigkeit: Alle Schnitte sollen im gesunden umliegenden Gewebe liegen.

Verbleibende krankhafte Gewebeteile mit teilungsaktiven Zellen breiten sich

weiter aus. Diese müssen durch aufwändige nachgestellte Operationen erneut

entfernt werden. Es soll ein ausreichender Sicherheitsabstand um das erkrankte

Gewebe eingehalten werden. Vereinzelte Tumor-Ausläufer, die aufgrund der örtli-

chen Ungenauigkeit der Analysemethode nicht lokalisiert werden können, sollen

dadurch mit entfernt werden. Je nach Typ des Tumors variiert die empfohlene

Breite des Abstandes. Weiterhin müssen unter Umständen weit entfernte Metasta-

sen ebenfalls exzidiert werden.

●Berührungsfreiheit: Das Tumorgewebe darf bei der Resektion nicht verletzt wer-

den. Die Streuung der Tumor-Stammzellen in umliegendes Gewebe sollte so ge-

ring wie möglich sein. Diese Stammzellen können erneut zur Erkrankung von

Gewebe führen.

1.1 Medizinische Grundlagen

●Funktionsfähigkeit: Obwohl die vollständige Entfernung wichtig ist, sollte den-

noch ein übermäßiges Heraustrennen des Gewebes vermieden werden. Die ver-

bleibende Funktionsfähigkeit ist je nach betroffenem Organ ebenso wichtig wie

ein erfolgreicher Therapieabschluss.

5. Rekonstruktion: Der entstandene Defekt der Resektion wird anschließend mit dem

präoperativ hergestellten Implantat geschlossen. Das Ziel dabei ist es, eine vollstän-

dige funktionale und ästhetische Wiederherstellung zu erlangen. Dazu müssen fol-

gende Gesichtspunkte beachtet werden:

●Stabilität: Das integrierte Implantat muss die Schutzfunktion des vorherigen

Knochengewebes übernehmen können. Auftretende externe Kräfte müssen an das

umliegende Gewebe abgeleitet werden, um eine nachhaltige Verformung zu ver-

meiden. Dazu ist eine stabile Verankerung im Knochen notwendig.

●Formschluss: Um die ästhetischen Anforderungen einzuhalten, muss das Implan-

tat entsprechend der Planung lagerichtig eingegliedert werden.

Abschließend erfolgt die Nachsorge basierend auf Kontrolluntersuchungen meist mit einer

begleitenden Radio-, Chemo- oder kombinierten Radio-Chemo-Therapie. Je nach Art des

Tumors und der klinischen Zielstellung sind dafür verschiedene Zeiträume festgelegt. Zu-

künftig auftretende Rückfälle von Erkrankungen bei heilender Zielstellung sollen so

schnellstmöglich erkannt und behandelt werden können. Bei lindernder Zielstellung sind

unter Umständen schmerzunterdrückende Maßnahmen erforderlich.

1.2 Problemstellung aus medizinischer Sicht

Im folgenden werden klinische Probleme aufgezählt, die bei der chirurgischen Tumorthera-

pie auftreten. Diese Probleme stellen gleichzeitig auch Anforderungen an neuartige Assis-

tenzsysteme dar.

Planung: Für die Planung werden meist analoge Filmabzüge von volumetrischen Bildda-

ten des Patienten verwendet. Darauf erfolgt die Lokalisierung des erkrankten Gewebes.

Anschließend werden grobe Orientierungspunkte bezüglich anatomischer Landmarken de-

finiert, die intraoperativ als Anhaltspunkte dienen. Bei Operationsmodellen wird ähnlich

vorgegangen. Diese Planung lässt große Spielräume des operativen Eingriffs zu.

Implantatkonstruktion: Die Konstruktion des Implantatmodells wird extern durch einen

Techniker durchgeführt. Dies erfordert einen erhöhten Informationsaustausch zwischen

Techniker und Chirurg, da kein festgelegtes Protokoll zur Übertragung der Planungsdaten

existiert. Die Operationsplanung verfolgt zudem eine andere Zielstellung als die Implantat-

konstruktion. Eine Konstruktion muss exakt und konkret die Implantatform definieren.

Durch den Chirurgen sind jedoch nur einzelne Eckdaten für die Konstruktion des Implan-

tatmodells festgelegt. Darüber hinausgehende Informationen muss der Techniker aus den

Patientendaten und aus seiner Erfahrung ableiten. Dazu zählt beispielsweise auch die Ein-

haltung der Symmetrie am Kopf. Der Chirurg ist nicht direkt in den Konstruktionsprozess

einbezogen. Erst anhand des vorliegenden, gefertigten Implantates erhält er eine exakte

Vorstellung von der Implantatform.

Umsetzbarkeit der Planung: Durch die konkreten Vorgaben der Implantatkonstruktion

hinsichtlich der Implantatgrenzen muss der Chirurg die Resektion dazu passend durchfüh-

ren. Der Spalt zwischen Implantat und Knochengewebe sollte 3 mm nicht überschreiten

(Klein et al. 2003). Dennoch sollte ein Spalt vorhanden sein, um die optimale Einheilung

1 Einführung

und die Passung des Implantates zu gewährleisten. Diese Umsetzung ist schwierig für den

Chirurgen, da seine Anhaltspunkte aus der Operationsplanung ungenau sind. Darüber hin-

aus wird dies zusätzlich durch komplizierte Zugangswege erschwert. Vor allem, wenn Re-

gionen des Gesichtsschädels betroffen sind, ist unter Umständen ein intrakranieller Zugang

notwendig, um den Knochen zu durchtrennen. Durch einige Orientierungshilfen ist der

Chirurg in der Lage die Resektion nahe der Zielvorgabe durchzuführen. Dennoch sind häu-

fig Nacharbeiten am Implantat oder am Knochen notwendig, um die Passgenauigkeit her-

zustellen.

Weiterhin hat der Chirurg keine Möglichkeit, die Resektionsgrenzen intraoperativ ab-

schließend zu prüfen bzw. zu korrigieren. Dafür sind postoperative Bilddaten und gegebe-

nenfalls weitere Operationen notwendig.

Behandlungsdauer: Die Dauer der Behandlung sollte so kurz wie möglich sein. Dadurch

können Belastungen des Patienten verringert werden. Zudem kann somit die Wirtschaft-

lichkeit gesteigert werden, da die Abrechnungsmethode bei der Krankenkasse leistungsbe-

zogen und nicht zeitbezogen ist.

Orientierungsfähigkeit: Der Chirurg hat vor allem bei Eingriffen, die den Gesichtsschä-

del betreffen, nicht immer eine optimale, vollständige Sicht auf die gesamte Eingriffssitua-

tion. Zudem haben Implantate für diesen Bereich meist komplexe geometrische Grenzflä-

chen. Das erschwert die Orientierung beim Auffinden der Resektionsgrenzen, beim Posi-

tionieren des chirurgischen Instrumentes und auch beim anschließenden Eingliedern des

Implantates.

Insertion des Implantates: Sobald das erkrankte Gewebe entfernt ist, erfolgt die Rekon-

struktion. Dazu wird das präoperativ hergestellte Implantat inseriert. Dabei muss die Lage

und Orientierung des Implantates exakt der Planung entsprechen. Dies ist bei Rekonstruk-

tionen mit eingeschränktem Zugang zum Teil schwierig zu bewerkstelligen. Es bedarf

meist mehrerer Versuche bis die korrekte Lage des Implantates gefunden ist.

Dokumentierbarkeit: Im Zuge der Zunahme der Nachweis- bzw. Beweispflicht über kor-

rekte Behandlungen ist die Dokumentation von großer Bedeutung. Automatische Aufzeich-

nungsmechanismen des durchgeführten Eingriffs durch ein Messsystem sind wünschens-

wert.

Infektionsrisiko: Resektionen am Hirn- und/oder Gesichtsschädel finden unter strengen

hygienischen Sicherheitsstandards statt. Es ist ein besonderes Maß an Beachtung der Hy-

giene erforderlich, da das Gehirn während der Operation frei zugänglich ist. Eine Missach-

tung würde das Risiko einer Infektion erheblich erhöhen und gegebenenfalls schwerwie-

gende Konsequenzen nach sich ziehen.

1.3 Problemstellung aus technischer Sicht

Dieses Kapitel beschreibt die technischen Probleme, die aus den klinischen hervorgehen.

Im Einzelnen sind das:

Bedienbarkeit: Als Teil der Mensch-Maschine-Schnittstelle muss die Bedienung (Einga-

be) intuitiv sein, da technisch ungeschulte Benutzer mit dem System arbeiten. Es ist eine

ständige Überprüfung der Benutzereingaben notwendig, um Fehler zu erkennen und ange-

messen darauf zu reagieren. Umgekehrt ist eine leicht verständliche und eindeutige Dar-

1.3 Problemstellung aus technischer Sicht

stellungsform von Informationen (Ausgabe) zu verwenden. Dabei kann generell unter-

schieden werden in:

●Präoperative Benutzerinteraktion: Der Benutzer ist nicht eingeschränkt in seinem

Handeln, sondern ausschließlich in der Zeit und im technischen Verständnis be-

grenzt. Bei vorbereitenden Tätigkeiten, wie z.B. der Planung, muss der Chirurg weit-

gehend unterstützt werden, um ausschließlich zwingend notwendige Informationen

eingeben zu müssen. Aufgrund dieser Informationen sollte das System automatisiert

Vorschläge für komplexe Vorgänge generieren, die der Benutzer nur noch an seine

Bedürfnisse anpassen muss. Der Benutzer muss jedoch in der Lage sein, das Resultat

vollständig beurteilen zu können.

●Intraoperative Benutzerinteraktion: Während der Behandlung müssen schnell rele-

vante Informationen vermittelt werden können. Dazu ist zuvor eine Reduktion der

vielen verfügbaren Informationen notwendig. Weiterhin sollen die möglichen intra-

operativen Interaktionen auf das Notwendigste reduziert werden. Die dann unerläss-

lichen Interaktionen müssen den Sterilitätsanforderungen unterliegen. Zudem ist es

wünschenswert, dass der Chirurg dafür seinen Standort nicht verändern muss.

Übertragung der Planung auf den Situs: Die präoperative Planung soll während der

Operation am Situs intuitiv verfügbar sein. Das klare Erkennen von aktuellen und in Kürze

notwendigen Operationsschritten ist wichtig. Dennoch soll der Chirurg nicht in seinem

Handelungsraum eingeschränkt werden. Intraoperative Änderungen gegenüber der präope-

rativen Planung sollen möglich sein.

Führung des Instrumentes: Das Instrument soll durch den Chirurgen manuell entlang der

Osteotomielinie bewegt werden, um Sicherheitsaspekte zu berücksichtigen und die Vorga-

be der Genauigkeit einzuhalten. Der Chirurg soll dennoch in der Lage sein, frei mit dem

Instrument arbeiten und kurzfristige Änderungen bei dem Eingriff durchführen zu können

(Bewegungsfreiheit). Die Führung darf keinen Zwang darstellen, sondern sollte optional

Hilfe anbieten.

Genauigkeit: Die erreichbare Genauigkeit des Gesamtsystems wird aus den Fehlern der

verwendeten Teilkomponenten bestimmt. Die Gesamtgenauigkeit sollte entsprechend der

klinischen Anforderung unter 3 mm liegen (Klein et al. 2003). Es muss der jeweilige mini-

male Fehler der modifizierbaren Komponenten angestrebt werden. Die Komponenten sind

Teile einer geschlossenen Informationskette. Durch Adaption des in Lueth et al. 1997 be-

schriebenen Konzeptes lassen sich die Komponenten wie folgt definieren:

1. Bilddaten: Volumenbasierte Aufnahmeverfahren wie z.B. die Computertomographie

sind fehlerbehaftet hinsichtlich der geometrischen Repräsentation der Realität. Diese

unterliegen z.B. verschiedenen Verzerrungen. Durch das begrenzte Auflösungsver-

mögen entstehen zusätzlich Quantisierungsfehler.

2. Registrierung: Die intraoperative Zuordnung der präoperativen Bilddaten zu der ak-

tuellen Patientensituation (Bilddatenregistrierung) erfolgt durch Markieren künstli-

cher Landmarken in den Bilddaten mit anschließendem Antasten der korrespondie-

renden Punkte am Patienten. Diese beiden Bearbeitungsschritte sind mit Bedienfeh-

lern und sensorischen Messfehlern behaftet.

3. Instrumentarium: Die Herstellung der Instrumente unterliegt Fertigungstoleranzen.

Zudem sind einige Instrumente in Komponenten teilbar aufgebaut. Das Repositionie-

ren der Komponenten führt zu geometrischen Änderungen. Weiterhin treten Abnut-

1 Einführung

zungserscheinungen auf. Durch die Vermessung der Instrumenteneigenschaften sol-

len diese Fehlerquellen minimiert werden. Diese Vermessung basiert jedoch auf einer

Sensorik, die selbst fehlerbehaftet ist. Zudem ändern sich einige geometrische Eigen-

schaften sehr schnell (z.B. Spiel des Fräsers im Futter), die durch das Vermessungs-

verfahren nicht berücksichtigt werden.

4. Sensor: Das Sensorsystem liefert ortsabhängig fehlerbehaftete Messwerte. Diese sind

auch vom verwendeten Sensor abhängig. Bei der Messung mehrerer Objekte wirkt

sich der absolute Messfehler auf jede einzelne Messung aus. Der relative Fehler hin-

gegen ist abhängig von der relativen Lage der Objekte zueinander.

5. Datenverarbeitung: Die Verarbeitung der geometrischen Informationen basiert auf

begrenzter Rechengenauigkeit, Speicherkapazität, Rechengeschwindigkeit und Re-

chenzeit. Es müssen Annahmen getroffen werden, um die Verarbeitung innerhalb der

gegebenen Grenzen durchzuführen. Diese Annahmen schränken die Genauigkeit ein.

6. Benutzer: Als nicht exakt bestimmbare Fehlergröße ist der Benutzer auch ein Teil der

Fehlerkette. Die mögliche Fehlinterpretation von visualisierten Informationen, die zu

fehlerhaften Planungen führt, und die unkorrekte Führung des Instrumentes stellen

Fehlerquellen dar.

Integration in den Behandlungsprozess: Für die Integration des Systems in den Operati-

onsablauf müssen sowohl die Bedingungen der konventionellen OP-Situation, die techni-

schen Anforderungen für die Funktionsfähigkeit eines Assistenzsystems als auch die Ergo-

nomie berücksichtigt werden. Im Einzelnen sind das:

●die minimale Änderung des bestehenden Operationsaufbaus, des Arbeitsablaufes und

der Instrumentenhandhabung,

●die Berücksichtigung der Sensorik des Assistenzsystems und

●die gesetzlichen Rahmenbedingungen für das Betreiben eines Medizinproduktes.

Sicherheit: Die Sicherheit spielt vor allem bei Geräten, die am Menschen eingesetzt wer-

den, eine große Rolle. Um das vom System ausgehende Risiko zu minimieren und dessen

Zuverlässigkeit zu steigern, verlangt der Gesetzgeber auf der Basis des MPG eine Konfor-

mitätserklärung des Herstellers ( -Kennzeichen). In Deutschland wurde die Richtlinie

93/42/EWG durch das MPG umgesetzt. Darin sind Begriffe und Verfahren festgelegt, die

einen Sicherheits- und Entwicklungsstandard gewährleisten. Erforderlich sind beispiels-

weise Nachweise hinsichtlich der elektrischen Sicherheit, der elektromagnetischen Ver-

träglichkeit und der Wartung. Auch ist bei der Wahl der Materialien für Komponenten, die

möglicherweise in Kontakt mit dem Patienten treten, auf eine nachweisliche Biokompatibi-

lität zu achten (Robert Koch Institut 2000).

Sterilität: Instrumente und sonstige Geräte, die in Kontakt mit dem Situs oder dem sterilen

Chirurgen stehen können, müssen sterilisierbar sein. Mechanische Kopplungen müssen

dazu so konstruiert werden, dass eine Zerlegung in Teilkomponenten möglich ist, um die

Zugänglichkeit zu Hohlräumen und Spalten zu gewährleisten.

1.4 Aufbau der Arbeit

Diese Arbeit gliedert sich in folgende Teile:

Ausgehend vom einführenden ersten Kapitel wird im zweiten Kapitel der Stand der Tech-

nik und der Forschung im Bereich der chirurgischen Tumortherapie am Kopf näher be-

leuchtet. Darin werden vor allem Unterstützungstechniken für die Planung, Konstruktion,

Resektion und Rekonstruktion beschrieben.

Im dritten Kapitel wird die Zielsetzung der Arbeit beschrieben. Ausgehend von den aufge-

zeigten Kritikpunkten an bisherigen Lösungen wird ein neuer Ansatz umrissen, der wieder-

um von verwandten Prinzipien abgegrenzt wird.

Im vierten Kapitel werden Konzepte und Prinzipien des neuartigen Assistenzsystems vor-

gestellt. Das System wird durch dessen Teilkomponenten, Schnittstellen und den Benut-

zungsablauf beschrieben. Es werden primäre Funktionsweisen dargelegt und eine Einord-

nung in das Umfeld vorgenommen.

Im fünften Kapitel wird die Realisierung des Assistenzsystems beschrieben. Es werden Al-

gorithmen, Modelle und Strukturen erläutert, die die Konzepte aus dem vorangegangenen

Kapitel verfolgen.

Im sechsten Kapitel wird das System bezüglich der Erfüllung der Anforderungen unter-

sucht. Dazu werden verschiedene Experimente hinsichtlich Genauigkeit, Funktionstüchtig-

keit und Ergonomie vorgestellt.

Im siebenten Kapitel erfolgt die Zusammenfassung und Diskussion. Es werden mögliche

weiterführende Aspekte beleuchtet.

2 Stand der Technik

Dieses Kapitel beschreibt den Stand der Technik und der Forschung von Assistenzsyste-

men für die chirurgische Tumortherapie. Wie im vorangegangenen Kapitel beschrieben,

existieren dazu verschiedene chirurgische Verfahren. Im Weiteren werden jedoch bekannte

Systeme und Methoden vorgestellt, die ähnliche Aspekte wie die Zielsetzung verfolgen. Im

Einzelnen wird dabei auf die Themengebiete der Operationsplanung, der Implantatkon-

struktion und der Unterstützung während der Geweberesektion und Implantatinsertion ein-

gegangen. Abschließend folgt die Zusammenfassung der bestehenden Systeme und Metho-

den, gefolgt von der Diskussion.

2.1 Bildgebende Verfahren

Die minimale Anforderung an das Erstellen einer Planung ist das Vorhandensein von volu-

metrischen Patientenbilddaten über innere anatomische Strukturen. Einige bildgebende

Verfahren basieren auf dem Prinzip der Absorption einer gewebedurchdringenden Strah-

lung. Diese Strahlung wird durch einen Emitter erzeugt, durchdringt das Gewebe und trifft

auf einen Detektor. Durch den im Detektor gemessenen Wert kann auf Gewebeeigenschaf-

ten geschlossen werden. Beispiele für solche Strahlungen sind Ultraschall, sichtbares Licht

und Röntgenstrahlung. Ein anderes Prinzip basiert auf dem Emittieren von Strahlung aus

dem Inneren des Gewebes. Dazu kann das Gewebe von außen angeregt werden, um ein

elektromagnetisches Feld auszusenden. Auch ist es möglich, radioaktive Strahlungsquellen

als Marker im Gewebe zu inserieren. Prinzipiell werden somit Informationen über innere

Strukturen offen gelegt. Mit Hilfe von weiterführenden Algorithmen ist darüber hinaus

auch eine genaue Verteilung der Absorptionsursache bzw. der Strahlenquellen innerhalb

des Gewebes ermittelbar.

Die Abbildung der räumlichen Anordnungen des Gewebes erfolgt durch ein oder mehrere

Schichtbilder B, die zu einem Volumen V zusammengesetzt sein können:

f:B≡N×N ,g:V≡B×L (2-1)

mit

N,L∈ℕ. (2-2)

Dabei ist Ndie Kantenlänge des Bildes und Ldie Anzahl der Schichtbilder. Der Wert re-

präsentiert einen gewebespezifischen Wert für ein Bildelement (Pixel) bzw. Volumenele-

ment (Voxel).

Für präoperative Planungen im Kopfbereich werden meist auf Röntgenstrahlung basieren-

de und elektromagnetisch arbeitende Verfahren eingesetzt. Im Folgenden werden die wich-

tigsten Vertreter dieser Verfahren näher beschrieben.

2.1.1 Computertomographie

Die Computertomographie (CT) basiert auf Röntgenstrahlung, wobei ein Emitter und ein

gegenüberliegender Zeilendetektor auf einer Kreis- oder Spiralbahn um den Patienten her-

um bewegt werden. Hierbei wird der Effekt der teilweisen Absorption des Röntgenstrahls

durch Gewebe ausgenutzt. Der lineare Absorptionswert



ist auf Luft und Wasser in

Hounsfield-Einheiten (HE) normiert, wobei Luft -1000 HE und Wasser 0 HE zugeordnet

ist:

2.1 Bildgebende Verfahren

=Objekt −Wasser

Wasser

⋅1000 [HE](2-3)

Durch die speziellen Absorptionseigenschaften von Röntgenstrahlung entstehen spezifi-

sche Abbildungseigenschaften. Weichgewebe wird wenig differenziert, Knochen dagegen

sehr detailliert abgebildet (Lehmann et al. 1997 und Dössel 2000).

Moderne Geräte erzeugen Schichtbilder mit einer Auflösung von 1024 × 1024 Bildpunk-

ten, wobei der klinische Standard momentan bei 512 × 512 Bildpunkten liegt. Der Schicht-

abstand liegt heute bei ungefähr 0,5 mm und die Ausmaße eines Bildpunktes bei ungefähr

0,2 × 0,2 mm². Durch die prinzipbedingte Aufnahmetechnik ergibt sich ein zylindrischer

Arbeitsraum von ungefähr 600 - 700 mm Durchmesser. Diese Volumendaten liegen dem

Chirurgen oft digital im DICOM-Format (NEMA 1998) und/oder als entwickelte Filmab-

züge vor. Durchschnittlich wird ein Patient bei einer CT-Aufnahme des Kopfes mit einer

Dosis von 1 - 4 mSv belastet (Vogt und Schultz 2007 und Ludlow und Ivanovic 2008).

Derzeit am Markt erhältliche CT-Geräte sind die Somatom-Reihe (Siemens AG, Health-

care), die LightSpeed®-, BrightSpeed®- und HiSpeed®-Serien (GE Healthcare, General

Electric Company), die Brilliance- und MX-Reihe (Philips Electronics, Healthcare), das

ECLOS16™ (Hitachi, Ltd.) und die Aquilion-, Activion- und Asteion-Reihe (Toshiba Me-

dical Systems Europe).

2.1.2 Digitale Volumentomographie

Die Digitale Volumentomographie (DVT) basiert auf Röntgenstrahlung ähnlich wie die

Computertomographie. Dieses Verfahren ist speziell auf die Anforderungen im Mund-,

Kiefer- und Gesichtsbereich entwickelt worden. Die Unterschiede liegen hauptsächlich in

der Bewegung von Emitter und Detektor um den Patienten und in der Arbeitsweise des De-

tektors. Der Emitter und Detektor beschreiben eine Kreisbahn um den Patienten. Dadurch

ist auch das Aufnahmevolumen auf eine Größe von ungefähr 200 × 200 × 200 mm³ be-

schränkt. Der Detektor ist flächenförmig. Das resultierende Volumen wird nicht aus separat

aufgenommenen Schichten zusammengesetzt. Durch den konusförmigen Röntgenstrahl

und den Flächendetektor wird pro Aufnahme ein Summationsbild ermittelt. Bei der Com-

putertomographie hingegen wird dabei eine Summationszeile erfasst. Verbunden mit dem

Aufnahmeverfahren von Summationsbildern ist eine inhomogene Verteilung von Absorpti-

onswerten, woraus folgt, dass diese Werte einheitenlos sind. Aus den Absorptionswerten

kann somit nicht auf einen Gewebetyp geschlossen werden. Die Detektionsmethode hat je-

doch auch die geringere Strahlendosis für eine durchschnittliche Kopfaufnahme im Ver-

gleich zum CT von ungefähr 0,05 - 1,0 mSv zur Folge (Mah et al. 2003, Ludlow und Iva-

novic 2008 und Stratemann et al. 2008).

Aktuelle Geräte erzeugen Volumina mit einer Größe von bis zu 2000 × 2000 × 2000 Volu-

menelementen. Der klinische Standard liegt momentan bei ungefähr 600 × 600 × 600 Volu-

menelementen. Die Ausmaße eines Volumenelementes bewegen sich im Bereich von

0,1 × 0,1 × 0,1 mm³ bis 0,3 × 0,3 × 0,3 mm³. Diese Volumendaten sind digital im DICOM-

Format bzw. auch auf Filmabzügen verfügbar. Allerdings wird im DICOM-Format die

Markierung als DVT-Datensatz nicht unterstützt. Die Daten werden dadurch oft als CT-Da-

tensatz markiert gespeichert. Die Befundungen mit dieser Geräteklasse dürfen neben Ra-

diologen auch durch Personen, die im Bereich der Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde tätig

sind, durchgeführt werden (BMU 2005).

2 Stand der Technik

Derzeit am Markt erhältliche DVT-Geräte für Gesamtaufnahmen des Kopfes sind die Gali-

leos-Reihe (Sirona Dental Systems GmbH), das 3D eXam (KaVO Dental GmbH), das Ilu-

ma™ DVT System (IMTEC Imaging), die NewTom-Reihe (Quantitative Radiology

s.r.l./AFP Imaging Corp.), das CB MercuRay™ (Hitachi Medical Systems) und das Picas-

so Trio (E-Woo).

Die Vorteile der DVT-Geräte gegenüber den CT-Systemen liegen in den geringeren Kos-

ten, der geringeren Strahlenbelastung und der höheren Bildauflösung (Danforth et al.

2003). Nachteile bezüglich des CT sind die inhomogene Verteilung der Werte, die starke

Ausbreitung von metallischen Artefakten und das meist geringere Signal-Rausch-Verhält-

nis (Haßfeld und Mühling 2000).

2.1.3 Magnetresonanztomographie

In der Magnetresonanztomographie (MRT) wird an das zu untersuchende Gewebe ein Ma-

gnetfeld mit zeitlich konstanter und ortsabhängiger Feldstärke angelegt. Durch kurze mul-

tispektrale Anregungsimpulse werden die im Gewebe vorhandenen präzedierenden Was-

serstoffkerne ausgelenkt. Bei deren Relaxation werden entsprechend der ortsabhängigen

Präzessionsfrequenz Signale ausgesendet, deren Stärke die Dichte angeben. Die Relaxati-

onszeit wird in T1- und T2-Zeit aufgeteilt. Die unterschiedlichen Auslesezeiten (Gewich-

tungen von T1und T2) führen je nach Gewebetypen zu verschiedenen Dichtewerten. Somit

können materialspezifische Aufnahmen erstellt werden, die z.B. Tumorgewebe mit erhöh-

ter Dichte darstellen. Aufgrund dessen unterliegen die Dichtewerte jedoch keiner normier-

ten Einheit wie beim CT. Prinzipiell wird Knochengewebe durch geringe Dichtewerte ab-

gebildet. Die Rekonstruktionsschichten sind im Gegensatz zum CT nicht an die Mechanik

gekoppelt. Diese werden durch das magnetische Gradientenfeld festgelegt, welches prinzi-

piell frei wählbar ist (Lehmann et al. 1997 und Dössel 2000). Die elektromagnetischen Fel-

der haben nach dem aktuellen Kenntnisstand keine gewebeschädigende Wirkung.

Aktuelle Geräte erzeugen Volumendatensätze mit der Größe eines Volumenelementes im

Bereich von 0,1 × 0,1 × 0,5 mm³ bis hin zu einigen Kubikmillimetern abhängig von der

verwendeten Magnetfeldstärke. Diese liegt bei momentan verwendeten Geräten um 3 Tes-

la. Im Forschungsbereich werden aktuell Geräte bis 9,4 Tesla eingesetzt (Forschungszen-

trum Jülich GmbH). Der Arbeitsraum wird begrenzt durch Röhrendurchmesser von bis zu

700 mm. Das erzeugte Volumen liegt digital im DICOM-Format und/oder als entwickelter

Filmabzug vor.

Derzeit am Markt erhältliche MRT-Geräte sind das Magnetom, Open, Impact, Harmony,

Mobile (Siemens AG, Healthcare), die Vantage-Reihe (Toshiba Medical Systems Europe),

das Fonar und die Serien Signa HDe/HDi/HDx/HDxt/Vibrant/OpenSpeed/Ovation/Profile

(GE Healthcare, General Electric Company), das Oasis™, Echelon™ und AIRIS® Elite

(Hitachi, Ltd.), die Achieva-Reihe, das Panorama HFO und das Intera (Philips Electronics,

Healthcare).

Zusammenfassung: Beim Vergleich der bildgebenden Verfahren liegen die Vorteile des

MRT in der differenzierten Abbildung von Weichgewebe und in der neutralen Wirkung der

Strahlung auf den Patienten. Die Abbildung der detaillierten Weichgewebetypen ist für die

Tumordiagnose von großer Bedeutung. Nachteilig gegenüber den röntgenbasierten Verfah-

ren sind jedoch die lange Aufnahmezeit, die hohen Kosten, die relativ geringe Ortsauflö-

sung und die ungenügenden Abbildungseigenschaften von Knochengewebe. Ein weiterer

Nachteil besonders bei röntgenbasierten Verfahren ist die zellschädigende Wirkung durch

ionisierende Strahlung, was eine Zusatzbelastung für den Patienten darstellt, wobei DVT-

2.1 Bildgebende Verfahren

Aufnahmen ungefähr ein Fünftel der Strahlendosis im Vergleich zu Aufnahmen mit einem

CT verursachen. Die detaillierten Zusammenhänge der schädigenden Wirkung werden im

Weiteren näher beschrieben.

Die absorbierte Energie der Strahlung (Energiedosis) durch Materie wird in der Einheit

Gray [Gy] angegeben. Die in der schädigenden Wirkung auf das Gewebe gewichtete Ein-

heit (Äquivalentdosis) wird in Sievert [Sv] angegeben. Der Gewichtungsfaktor ist spezi-

fisch für Strahlungstypen und Teilchenenergien. Bei Röntgenstrahlung ist dieser Faktor 1.

Auf diese Weise ist die schädigende Wirkung verschiedener Strahlungen, wie z.B. Rönt-

genstrahlung und radioaktive Strahlung, auf Organe vergleichbar (Vogt und Schultz 2007).

Prinzipiell kann die schädigende Wirkung in deterministisch und stochastisch unterteilt

werden, wobei jedoch immer beide Arten berücksichtigt werden müssen. Die deterministi-

sche, unmittelbare Wirkung kann je nach Dosis zu Kopfschmerzen, Fieber, Haarausfall,

Durchfall, Krämpfen, etc. führen. Strahlungen mit einer Energiedosis von ungefähr 1 Gy

verändern bereits das Blutbild mit einem Sterberisiko von nahezu 0 %. Ab einer Energie-

dosis von 10 - 15 Gy liegt die Überlebenswahrscheinlichkeit unter 10 % (Vogt und Schultz

2007). Die schädigende Wirkung steigt dann nahezu linear mit der applizierten Energiedo-

sis. Die stochastische, zufällige Wirkung kann sich beispielsweise als Krebserkrankung

Jahre nach der Strahlenexposition äußern. Für diese Art der Wirkung ist keine Mindestdo-

sis erforderlich. Mit zunehmender Dosis erhöht sich jedoch die Wahrscheinlichkeit eines

Auftretens. Beispielsweise wäre die Wahrscheinlichkeit einer tödlichen Leukämie- bzw.

Krebserkrankung im weiteren Leben bei einer Strahlenexposition von 400 mSv effektiver

Dosis bei 1,6 % (Vogt und Schultz 2007). Um das Risiko unter Berücksichtigung der prak-

tischen Anwendbarkeit weitgehend zu minimieren, ist eine Richtlinie für den Jahresgrenz-

wert der effektiven Dosis von 20 mSv für beruflich strahlenexponierte Personen festgelegt

(§31a Abs. 1, Röntgenverordnung-RöV 2003).

2.2 Operationsplanung

Nach der Bildakquisition, der Diagnose und der Festlegung der Therapieziele erfolgt die

präoperative Planung der Operation. Dabei werden Ziele verfolgt, die im Weiteren be-

schrieben werden:

●Lokalisation des erkrankten Gewebes: Die erkrankte Gewebestruktur sollte hinsicht-

lich des Ortes und der Ausdehnung so exakt wie möglich bekannt sein. Dafür muss

eine Differenzierung zwischen gesundem und erkranktem Gewebe möglich sein.

●Festlegen der prinzipiellen Operationsmethode: Es wird anhand der patientenindivi-

duellen Situation die bestmögliche Operationsmethode entwickelt und zusammen mit

dem Patienten festgelegt, welche den Therapiezielen am nächsten kommt. Dabei

wird auch die Art der Rekonstruktion, d.h. Implantattyp, -material, -fixierung, etc.,

definiert.

●Festlegen der detaillierten Operationsschritte: Der Arbeitsablauf wird so detailliert

wie möglich festgelegt. Darunter fallen beispielsweise der Umfang des Zugangswe-

ges aber auch die Lage und Reihenfolge der Resektionsschnitte. Damit ist ein Ab-

schätzen der benötigten Zeit, der Materialien, des Instrumentariums und des Perso-

nals möglich.

●Orientierungsüberblick: Die anatomischen Strukturen sind zwar generell ähnlich, je-

doch von Patient zu Patient in gewissem Maße unterschiedlich. Gerade bei krank-

2 Stand der Technik

heitsbedingt veränderter Anatomie ist es wichtig, die exakten anatomischen Struktu-

ren genau zu kennen.

Im Weiteren werden verschiedene Methoden und Arbeitsmittel der Planung dargelegt.

2.2.1 Planung anhand von Bilddaten

Für das Erreichen der Planungsziele erfolgt die Festlegung von Resektionsgrenzen für

Weich- und Hartgewebe bezüglich minimaler Invasivität, maximaler Erhaltung der Funk-

tionalität und der Berücksichtigung natürlicher anatomischer Gegebenheiten unter Beach-

tung der vollständigen Entfernung des erkrankten Gewebes. Um dies anhand der Bilddaten

zu erreichen, werden meist röntgenbasierte Verfahren (CT/DVT) eingesetzt. Dadurch kann

auf die exakte Abbildung der Knochengewebsstruktur zurückgegriffen werden (Zeilhofer

1997). Mit Hilfe von Markierungen auf einzelnen Röntgenfilmen werden Abläufe und

Grenzen festgelegt. Das Überprüfen der Arbeitsschritte wird der räumlichen Vorstellungs-

kraft des Chirurgen überlassen. Während der Operation kann auf die Planungsdaten ständig

zugegriffen werden, da in jedem Operationssaal Lichtkästen vorhanden sind.

2.2.2 Planung anhand von Modellen

Eine weiterführende Methode, die auf bildgebenden Verfahren basiert, ist die Planung an-

hand anatomisch korrekter dreidimensionaler Modelle (Abb. 2-1, S. 16). Um chirurgischen

Genauigkeitsanforderungen genügen zu können, müssen die Abweichungen der anatomi-

schen Modelle unter 1 mm liegen (Sader et al. 1997). Zur Herstellung solcher Modelle

wird ein Volumendatensatz mit einer detaillierten Abbildung der Knochenstruktur benötigt,

wie z.B. eine CT-Aufnahme. Das zur Konstruktion verwendete Material sollte knochen-

ähnliche Eigenschaften in dessen Bearbeitung beim klinischen Fräsen, Sägen und Bohren

aufweisen. Bei der Fertigung existieren verschiedene Verfahren im Bereich der klinischen

Anwendung, die im Weiteren kurz beschrieben werden (Zeilhofer 1997, Hieu et al. 2002,

Hieu et al. 2003, Bill und Reuther 2004, Giannatsis und Dedoussis 2007 und Gebhardt

2008):

●CNC-Fräsen: Die äußere Schädelkontur wird aus einem massiven Kunststoffblock

mit einer computergesteuerten mehrachsigen Fräsmaschine gefertigt. Prinzipiell sind

dadurch keine Hohlräume im Modell herstellbar, was den Anwendungsbereich stark

einschränkt. Ein Vorteil ist jedoch die Materialunabhängigkeit.

●Rapid-Prototyping (RP): Diese aus dem Maschinenbau stammenden Verfahren

zeichnen sich durch eine schnelle Fertigung aus, die unabhängig von der geformten

Struktur eingesetzt werden können. Dabei wird die Struktur schichtweise sukzessiv

von unten nach oben aufgebaut. Diese Verfahren eignen sich vor allem für stark vari-

ierende und komplexe Formen, wie dies auch bei patientenindividuellen Knochen-

strukturen der Fall ist. Dies wird vor allem für Prototypen und Kleinserien einge-

setzt. Im Einzelnen können folgende Techniken unterschieden werden:

●Stereolithographie (SL): Ein UV-Laser bestrahlt schichtweise ein flüssiges Pho-

topolymer und härtet so einzelne Teilräume. Es entsteht sukzessive das ge-

wünschte Modell im Behälter. Die verwendbaren Materialien sind aufgrund der

Anforderungen eingeschränkt. Einsetzbar sind Acrylat und Epoxidharz, wobei

Acrylat sogar biokompatibel ist. Um Überhänge aufbauen zu können, ist ein

Stützmaterial notwendig, welches anschließend leicht entfernt werden kann.

2.2 Operationsplanung

●Selektives Laser-Sintern (SLS): Ein Laser erhitzt ein pulverförmiges Material, so

dass das Granulat mit der darunter liegenden Schicht zu einer festen Form gesin-

tert wird. Nachdem eine Schicht fertiggestellt wurde, wird erneut eine Pulver-

schicht aufgetragen, die wiederum zum Teil aufgesintert wird. Um Hohlräume zu

fertigen wird kein Stützmaterial benötigt, da das Pulver diese Aufgabe mit über-

nimmt. Theoretisch sind alle thermoplastischen Materialien verwendbar. Die

Oberfläche des Modells ist relativ rau. Zudem können durch das wiederholte Er-

hitzen und Abkühlen Spannungen im Modell entstehen, die zu Verformungen

führen können.

●Fused Deposition Modelling (FDM): Ein Thermoplast wird durch eine plotter-

ähnlich gesteuerte Heizdüse gepresst und so auf vorhandenes Material aufge-

schmolzen. Für eine neue Schicht wird die Trägerplatte mit dem schon aufgebau-

ten Material leicht abgesenkt. Verwendbare Materialien sind Feingussharze, Elas-

tomere, Polyester und ABS.

●3D Printing (3DP): Diese Technik ähnelt der SLS-Methode. Hierbei wird jedoch

kein Laser verwendet, sondern ein flüssiges Bindematerial wird auf das Pulver

aufgetragen. Dadurch gleicht das Prinzip stark dem Tintenstrahldruckverfahren.

In dieser Technik sind verschiedene Materialien einsetzbar z.B. Keramik, Metall,

Polyvinylalkohol, Stärke/Zellulose und Gips.

In der Tab. 2-1 ist ein relativer Vergleich der Eigenschaften der Herstellungsverfahren be-

zogen auf die klinischen Anforderungen an das Modell dargestellt. Die bevorzugten Ver-

fahren sind die SL- und SLS-Techniken (Bill und Reuther 2004), wobei die Möglichkeit

der Transparenz des Materials und die Oberflächenbeschaffenheit bei SL einen zusätzli-

chen Vorteil bieten. Zudem ist ein SL-gefertigtes Bauelement aus Acrylat sterilisierbar und

biokompatibel. Die Materialeinschränkungen und die mechanisch-technischen Eigenschaf-

ten (wie z.B. die Abriebfestigkeit) von 3DP und die Ungenauigkeit von FDM erlauben

zwar deren Verwendung für die Modellherstellung, sind jedoch nicht die erste Wahl. Das

Fräsen ist durch die Einschränkung in der Fertigung von Modellen mit Hohlräumen nicht

geeignet. Die Kosten eines Schädelmodells belaufen sich abhängig vom Verfahren und der

Modellgröße auf ungefähr 1.000 - 3.000 €.

Tabelle 2-1: Vergleich der Fertigungstechniken bezüglich relevanter Eigenschaften für

klinische Anforderungen (Relative Bewertungen: -- sehr niedrig, - niedrig,

○ durchschnittlich, + hoch und ++ sehr hoch) (Gebhardt 2008)

Fräsen SL SLS 3DP FDM

Kosten + ++ + -- +

Formtreue + + ○+○

Fertigungszeit ++ + + -- +

Sterilisierbar ++ + - -- +

Modellkomplexität -- ++ + ○-

Materialflexibilität ++ - + ○--

Mech.-tech. Eigenschaften ++ + ++ -- +

Oberflächengüte + ++ + ○-

2 Stand der Technik

Nachdem das Modell der Knochenstruktur fertiggestellt ist, werden Markierungen auf dem

Modell für die Osteotomielinie hinsichtlich der Operationsziele aufgetragen. Die dafür not-

wendigen Informationen für die Beurteilung von grazilen anatomischen Strukturen und

Nervenkanälen sind anhand von SL-gefertigten transparenten Modellen sehr gut möglich.

Vor allem bei komplexen Knochenstrukturen werden dabei die Orientierung und die funk-

tionalen Wirkungsweisen durch das Modell erleichtert. Es erfolgt die Festlegung der Ope-

rationsstrategie und der einzelnen Arbeitsschritte, die dann durch eine Modelloperation

überprüft werden können. Dafür kann herkömmlich klinisch eingesetztes Instrumentarium

verwendet werden. Weiterhin kann mit Hilfe des Modells eine intraoperative Kontrolle

bzw. Anpassung des operativen Vorgehens vorgenommen werden (Zeilhofer 1997, Müller

et al. 2003, Bill und Reuther 2004 und Gebhardt 2008).

Der Einsatz von Operationsmodellen für die Planung bietet dem Chirurgen eine Reihe von

Vorteilen aber auch Nachteile, die im Weiteren kurz beschrieben werden sollen (Sader et

al. 1997, Müller et al. 2003 und Bill und Reuther 2004). Hinsichtlich der Planung erhält

der Chirurg einen sehr guten Überblick über die anatomische Situation und kann damit den

Zugangsweg und die Osteotomielinie genau definieren. Weiterhin können Testoperationen

am Modell durchgeführt werden, was im späteren Eingriff die Operationszeit und auch die

Invasivität vermindert. Das mehrfache Testen der besten Operationstechnik ist nur bei Mo-

dellen möglich, die nach dem SL-Verfahren hergestellt wurden. Teile dieser Modelle kön-

nen mit sogenannten UV-Pistolen wieder zusammengesetzt werden. Auch die Qualitätssi-

cherung des Eingriffs ist durch eine eindeutig festgehaltene Planung am Modell einfach zu

handhaben. Zudem ist durch diese intuitive Form der Planung auch ein Patient in der Lage

Details des chirurgischen Vorgehens zu verstehen. Dies ist wichtig für die notwendige Pati-

entenaufklärung. Während der Operation kann ein sterilisierbares Modell als Orientierung

dienen. Als Nachteile können die zusätzlichen Kosten und der erhöhte Aufwand der Pla-

nung angesehen werden.

a) b)

Abbildung 2-1: a) Modell eines Schädels aus Polyamid, gefertigt nach dem selektiven

Laser-Sinter-Verfahren mit einer Sinterstation 2000 (DTM Corporation);

b) Manuell durchgeführte Planung an einem dreidimensionalen Kno-

chenmodell hergestellt nach dem Fused-Deposition-Modelling-Verfah-

ren mit einer FDM 3000 (Stratasys, Inc.)

2.2 Operationsplanung

2.2.3 Computergestützte Planung

Aufbauend auf der volumenbasierten Bildgebung existieren Planungsverfahren, die durch

Computersysteme gestützt werden. Hierbei sollen die Möglichkeiten dieser Systeme ge-

nutzt werden, um die Ziele der Planung schneller, einfacher und mit weniger Aufwand zu

erreichen. Ähnlich zu den Herstellungsverfahren von Planungsmodellen erfordern diese

Methoden detaillierte Abbildungen der Gewebestruktur in Form von volumetrischen Bild-

daten, beispielsweise von CT, DVT oder MRT.

Es existieren viele verschiedene Planungsapplikationen, die jedoch meist einen weitaus

größeren Funktionsumfang aufweisen, als für die einfache Operationsplanung notwendig

ist. Darunter fallen beispielsweise auch Applikationen für die Osteotomieplanung und Im-

plantatkonstruktion. Im Folgenden werden die Planungsfunktionalitäten dieser Applikatio-

nen betrachtet. Darin sind auch Applikationen einbezogen, wenn deren Benutzung durch

den Chirurgen konzipiert ist.

Die von den Applikationen angebotenen Funktionshauptgruppen, die relevant für die Ziele

der Operationsplanung sind, werden im Weiteren betrachtet:

●Visualisierung: Die Darstellung der Bilddaten auf einem zweidimensionalen Bild-

schirm erfolgt auf verschiedene Arten. Prinzipiell können dabei die zweidimensiona-

le Schichtdarstellung und die dreidimensionale Darstellung unterschieden werden.

Wie die Schichten für die zweidimensionale Darstellung durch das Bilddatenvolu-

men gelegt werden, ist aus technisch Sicht variabel. Für den Chirurgen sind jedoch

die orthogonalen Schichten (axial, sagittal und coronal) von großer Bedeutung für

die Orientierungsfähigkeit (Vidal et al. 2006). Diese vordefinierten Orientierungen

der Schichten haben sich durchgesetzt und sind in jeder Applikation vorzufinden. Oft

werden darüber hinaus frei definierbare Schnitte angeboten (ILUMA Vision 3D von

IMTEC Imaging™). Zudem können bei einigen Applikationen die Schichtdicke und

der Algorithmus des Zusammenfassens von mehreren Schichten frei gewählt werden.

Dies ermöglicht die virtuelle Generierung von herkömmlichen Röntgenaufnahmen

wie z.B. aus der Orthopantomographie oder Kephalometrie (Dahlen und Zwipp

2001). Für die dreidimensionalen Darstellung des Bilddatenvolumens werden ver-

schiedene Methoden wie beispielsweise Beleuchtung, Schatten und perspektivische

Verzerrung angewendet (Foley et al. 1996). Die Darstellung ist rechenintensiv und

wird qualitativ stetig durch leistungsfähigere Computer verbessert. Das Volumen ist

in der Position und Orientierung frei definierbar zum Betrachter. Verfahren der ste-

reoskopischen Darstellungen konnten sich bisher nicht durchsetzen.

Durch die Definition der Abbildung des Dichtewertes eines Volumenelements auf

einen Farbwert wird eine selektive Darstellung ermöglicht. Beispielsweise lassen

sich Gewebetypen ausblenden oder farblich stärker von einander abgrenzen. Da-

durch sind sehr anschauliche und übersichtliche Darstellungen möglich (Vidal et al.

2006).

Die beschriebenen Visualisierungsformen werden von den meisten verfügbaren Ap-

plikationen unterstützt. Damit wird oft eine sehr gute anatomische Orientierung für

den Chirurgen erreicht (Zeilhofer 1997).

●Benutzerinteraktion: Die Benutzerinteraktionen sind notwendig, um den Arbeitsab-

lauf der Applikation zu beeinflussen. Der Aufwand und Umfang der Eingaben sollten

sehr stark minimiert und so intuitiv wie möglich sein, da technisch ungeschultes Per-

2 Stand der Technik

sonal mit der Bedienung zurechtkommen muss. Aktuell kommen verschiedene Tech-

niken zum Einsatz: Maus, Tastatur, Tablett und 3D-Maus. Neue Ansätze liegen in der

Verwendung von Sprache und Gesten.

Ein großer Nachteil des virtuellen Prinzips ist die fehlende haptische Rückkopplung.

Es existieren verschiedene Methoden die Kraftrückkopplungen zu modellieren, bei-

spielsweise durch einen voxelbasierten Ansatz (Münchenberg et al. 2000). Diese Da-

ten müssen über ein Eingabegerät an den Benutzer weitergeleitet werden. Die

PHANTOM®-Reihe (SensAble Technologies, Inc.) ist weit verbreitet auf diesem

Sektor. Bei diesen Geräten werden Kräfte über einen mechanisch gekoppelten Stift

indirekt an den Benutzer weitergegeben. Dadurch sind einige Materialeigenschaften

spürbar. Ein neuartiger Ansatz versucht durch die Modulation und Überlagerung von

Schallwellen, dreidimensionale Körper über den Tastsinn direkt und kontaktlos zu

vermitteln (Iwamoto et al. 2008).

●Definition von Markierungen: Das virtuelle Zeichnen in den Bilddaten erstreckt sich

vom einfachen Positionieren von Punkten bis hin zum Definieren von komplexen

Osteotomieflächen. Unterstützend für die exakte Positionierung von Stützpunkten

können je nach Anforderungen zusätzliche Informationen angezeigt werden. Bei-

spielsweise werden in der dentalen Implantologie Knochendichteverläufe entlang des

Implantatgewindeganges dargestellt. Das Positionieren selbst ist in der zwei- und

dreidimensionalen Ansicht möglich. Der Chirurg ist hiermit in der Lage detailliert

Arbeitsschritte festzulegen.

●Messung: Aufgrund der in den Bilddaten enthaltenen Ausdehnung sind direkte Mes-

sungen möglich. Dazu zählen Abstands-, Flächen- und Volumenmessungen. Wie zu-

vor schon erwähnt, sind Dichtemessungen entlang von Schnittflächen möglich. Da-

durch wird ein Bezug des virtuellen Modells zur Realität hergestellt.

●Manipulation: Einige Applikationen erlauben das virtuelle Mobilisieren von Gewe-

beteilen. Prinzipiell kann dabei in form- und lageverändernde Manipulationen von

Objekten unterschieden werden:

●Das Verändern der Form kann durch Trennen, Zusammenfügen und Deformieren

geschehen. Die dafür zugrunde liegenden Verfahren gehen zu Lasten der Rechen-

geschwindigkeit und arbeiten sehr genau oder sind ungenauer, liefern dafür aber

schnell Ergebnisse. Liegt das zu manipulierende Objekt beschrieben durch Eck-

punkte und Flächen vor, sind Manipulationen exakt anwendbar. Dafür werden

neue Eckpunkte und Flächen generiert bzw. entfernt. Dies kann abhängig von der

Form der Manipulation und der Anzahl der Objektflächen sehr aufwändig sein.

Eine alternative Repräsentation des Objektes durch diskrete Volumenelemente er-

möglicht eine sehr viel schnellere Manipulation. Allerdings wird die Güte der re-

sultierenden Schnittfläche durch die Auflösung der Diskretisierung beschränkt

(Zachow 2005). Die Veränderung der Form von Teilobjekten wird von einigen

Applikationen angeboten (MedicPlan®, 3di GmbH), ist jedoch für die Planung

der Resektion weniger relevant.

●Das Ändern der Lage ist technisch einfacher zu bewerkstelligen. Jedoch kann

durch die komplexe Form der Objekte dem Benutzer nur schwer vermittelt wer-

den, ob bestimmte Lageänderungen zu Kollisionen führen und welche Strukturen

dafür verantwortlich sind. Hinweise durch farbliche Markierungen können dabei

unterstützen.

2.2 Operationsplanung

Durch diese Techniken wird das virtuelle Operieren und somit das Prüfen der Ar-

beitsschritte ermöglicht (Keeve 1996, Keßler et al. 2000, Gladilin 2003 und Zachow

2005).

●Simulation: Einige Ansätze erlauben über die Manipulation hinaus die Simulation

des postoperativen Ergebnisses. Hierbei werden die Weichgewebeeigenschaften so-

wie deren Befestigungen am Hartgewebe modelliert und die resultierenden Verfor-

mungen nach virtuellen Veränderungen simuliert. Damit erhält man eine Approxima-

tion der postoperativen Situation (Altobelli et al. 1993, Hassfeld und Mühling 2001,

Koch 2001, Gladilin 2003, Sachdeva et al. 2005 und Zachow 2005). Dies erlaubt

eine sehr detaillierte und einfach verständliche Beurteilung, die auch für die Patien-

tenaufklärung hilfreich ist. Bei der Resektionsplanung ist das weniger von Bedeu-

tung.

Derzeit verfügbare Applikationen sind u.a. iPlan® Net (BrainLAB AG), VoXim® (IVS So-

lutions AG), SurgiCase® CMF (Materialise NV) und NeuroSight™ (Integra Radionics,

Inc.).

Für die Verwendung der computergestützten Operationsplanung benötigt der Chirurg einen

leistungsfähigen Computer. Nach dem Einlesen der Bilddaten, z.B. über ein Picture Archi-

ving and Communication System (PACS), kann mit Hilfe der beschriebenen Funktionen

der Operationsablauf detailliert festgelegt und dokumentiert werden. Die intraoperative

Verfügbarkeit der Planungsdaten wird meist durch Bildschirme in den Operationssälen er-

möglicht.

Tabelle 2-2: Vergleich der Planungsverfahren bezüglich der notwendigen Eigenschaften

für die Operationsplanung (Relative Bewertung: ++ sehr gut, + gut, ○ durch-

schnittlich, - schlecht, -- sehr schlecht)

Röntgenfilm Modell Computer-

gestützt

Genauigkeit der Planung - + ++

Dokumentation + ++ ++

Bedienung ++ ++ ○

Präsentation der Information -- ++ ++

Überprüfbarkeit der Operation - ++ +

Visualisierung - + ++

Anbindung an Implantatkonstruktion -- + ++

Archivierbarkeit + + ++

Qualitätssicherung -- + ++

Zeitaufwand ++ - +

Intraoperative Nutzbarkeit ++ ++ +

Kosten ++ -- +

Zusammenfassung: Die vorgestellten Verfahren werden in Tab. 2-2 verglichen. Die mini-

malen Anforderungen der Operationsplanung werden durch Filmabzüge von volumetri-

2 Stand der Technik

schen Aufnahmen erfüllt. Aufgrund der schlechten Präsentation der Information muss der

Benutzer hohes räumliches Verständnis und Übung mitbringen, um eine ähnliche Orientie-

rung wie bei den Alternativen zu erlangen. Vorteile sind jedoch die geringen Kosten und

die einfache Handhabung auch während der Operation. Bei der computergestützten Pla-

nung sind die detaillierteren Darstellungsmöglichkeiten von verschiedenen Gewebetypen

von Vorteil. Zudem ist der Anspruch an das bildgebende Verfahren gering, da das Modell

nicht herstellbar bzw. zusammenhängend sein muss. Gefertigte 3D-Modelle sind hingegen

beschränkt auf einen Gewebetyp, wie z.B. Knochen oder Haut. Bezüglich der Benutzbar-

keit bieten diese jedoch große Vorteile.

Bei einfachen Eingriffen erfolgt die Planung ausschließlich anhand der Bilddaten. Jedoch

werden bei chirurgischen Eingriffen mit komplexer anatomischer Struktur oft dreidimen-

sionale Modelle gefertigt. Diese sind durch die leichte Verständlichkeit, die gute Anschau-

ung und die praktische Möglichkeit der Überprüfung der Operationsmethode meist den

computergestützten Planungen überlegen. Die langfristigen Kosten sind bei den Modellen

jedoch höher als bei der Planung am Computer. Zudem müssen die Planungsdaten für Fol-

geprozesse, wie der Implantatkonstruktion und -herstellung, aufwändig ermittelt werden.

Bei der computergestützten Planung liegen diese Daten schon vor.

2.3 Implantatkonstruktion

Nach der Festlegung der Therapieziele und deren detaillierter chirurgischer Umsetzung

soll das Implantat in dessen Form und Lage zum angrenzenden Gewebe definiert werden.

Hierbei sind folgende Anforderungen zu berücksichtigen:

●Klinische Anforderungen: Resultierend aus der zuvor durchgeführten Operationspla-

nung durch den Chirurgen sind die Abmessung und der Anschluss zum angrenzenden

Gewebe festgelegt. Innerhalb dieser Vorgaben muss unter Berücksichtigung der

funktionalen und ästhetischen Anforderungen eine Implantatform definiert werden

können.

●Einsetzbarkeit: Nach der Resektion muss das Implantat inseriert werden können, d.h.

die Bewegung des Implantates innerhalb des Zugangsweges muss möglich sein.

Hierfür müssen gewisse Toleranzen bei der Resektion berücksichtigt werden. Unter

Umständen ist eine Teilung in mehrere Implantate notwendig, die dann an dessen fi-

naler Position zusammengesetzt werden.

●Herstellbarkeit: Die Konstruktion muss unter Beachtung des Herstellungsverfahrens

und der Materialeigenschaften durchgeführt werden. Abhängig vom Herstellungsver-

fahren (z.B. Rapid Prototyping oder Fräsen) müssen vor allem Prinzipien der Werk-

zeug- und Werkstückführungen berücksichtigt werden. So sind beispielsweise Hohl-

räume ausschließlich durch generative Verfahren herstellbar. Weiterhin müssen mate-

rialspezifische Eigenschaften berücksichtigt werden. Darunter fallen unter anderem

thermische Abhängigkeiten und die Bearbeitbarkeit. Nach der Konstruktion müssen

die Daten in ein kompatibles Format für die jeweilige Herstellungstechnik überführt

werden können.

●Konstruierbarkeit: Die Form der patientenindividuellen Implantate ist relativ kom-

plex. Diese zeichnen sich durch organisch geformte Freiformflächen aus, die meist

nicht durch einfache Grundformen approximiert werden können. Die Anforderungen

beim Erstellen solcher Körper liegen eher in der freien Modellierung als in einer

2.3 Implantatkonstruktion

technischen Konstruktion. Dies bedeutet, dass die Manipulation von Körpern bzw.

deren Oberflächen eine größere Bedeutung erlangt.

●Auflagen des MPG: Alloplastische Implantate für den Kopfbereich werden nach

Richtlinie 93/42/EWG der MPG Klasse IIb zugeordnet. Hieraus folgen Maßnahmen,

die für die Zulassung notwendig sind. Der Hersteller kann das Verfahren der „EG-

Konformitätserklärung (vollständiges Qualitätssicherungssystem)“ oder der „EG-

Baumusterprüfung“ verfolgen. Für das erste Verfahren muss der Hersteller ein Quali-

tätssicherungssystem für die Auslegung, Fertigung und Endkontrolle der Produkte

anwenden, welches durch eine benannte Stelle genehmigt und überwacht wird. Zu-

dem muss der Nachweis der Konformität des Produktes mit den grundlegenden An-

forderungen der Richtlinie erbracht werden. Bei der Alternative „EG-Baumusterprü-

fung“ bescheinigt eine benannte Stelle durch die Prüfung eines Exemplars die Ent-

sprechung der Richtlinie. Dazu muss zusätzlich eines der Verfahren „EG-Prüfung

(Produktprüfung)“, „EG-Konformitätserklärung (Qualitätssicherung Produktion)“

oder „EG-Konformitätserklärung (Qualitätssicherung Produkt)“ angewendet werden.

Dies hat zur Folge, dass auch der Konstruktionsprozess im Rahmen der Zulassung

dokumentiert, genehmigt und überwacht werden muss. Daraus leiten sich Vorschrif-

ten für die Konstruktion ab, die unter anderem die Risiken minimieren sollen. Diese

Vorgaben müssen eingehalten werden können sein. Beispielsweise muss das herge-

stellte Implantat sterilisierbar und das Material biokompatibel sein.

●Medizinische Datenverarbeitung: Die Konstruktion basiert auf medizinischen Bild-

daten des Patienten. Diese müssen importiert, visualisiert und verarbeitet werden

können.

Im Weiteren werden die verschiedenen Konstruktionsverfahren und Assistenzsysteme dar-

gelegt.

2.3.1 Konstruktionsverfahren

Bei der Konstruktion werden prinzipiell zwei Verfahren anhand der zukünftigen Defektla-

ge und -ausdehnung unterschieden: einseitige Defekte, welche die Mediane nicht über-

schreiten, und ausgedehnte, die die Mediane überschreiten (Bill und Reuther 2004). Zudem

kann das Konstruktionsverfahren in zwei Phasen, die medizinische Bilddatenverarbeitung

(MIP) und das anschließende computergestützte Konstruieren (CAD), unterteilt werden

(Hieu et al. 2002a).

Die Grundvoraussetzung solche Verfahren sind hochauflösende computertomographische

Bilddaten des Patienten. Diese Daten enthalten die notwendigen detaillierten Knochenge-

webestukturen. Durch Ausnutzung der symmetrischen anatomischen Gegebenheiten lässt

sich bei einseitigen Defekten ein Implantat generieren. Mittels einer Spiegelung wird eine

Basisform geschaffen (Litschko et al. 2002). Aufgrund der fehlenden Anatomieinformation

bei ausgedehnten Defekten muss die Implantatform hierbei neu modelliert werden. Dabei

sind Vorlagen von generalisierten Modellen, alten Bilddaten des Patienten oder andere

Bilddaten ähnlicher Patienten (Beleites et al. 2001a, Sauret et al. 2002, Litschko et al.

2002, Vandermeulen et al. 2005 und Fieten et al. 2006) hilfreich. Bei letzterem wird die

Vorlage meist über eine Ähnlichkeitssuche ermittelt, daraus eine Implantatbasisform er-

stellt und adaptiert. Die Ähnlichkeit wird über die geometrische Abweichung von festge-

legten anatomischen Landmarken bestimmt.

2 Stand der Technik

Die Implantatanpassung der Basisform erfolgt durch Transformation und Deformation. Da-

bei können die Auswirkungen auf das angrenzende Weichgewebe simuliert werden (Vgl.

2.2.3 Computergestützte Planung, S. 17). Bei dieser Anpassung müssen Ästhetik und

Funktionalität berücksichtigt werden. Auch dafür sind normierte Maße zwischen festgeleg-

ten anatomischen Landmarken definiert (Schubert 1995). Zudem existieren Algorithmen

und Verfahren, um das individuelle Konstruieren effizienter zu gestalten (Litschko et al.

2002a, Hieu et al. 2002, Hieu et al. 2003, Zhu und Wang 2005 und Wu et al. 2006).

2.3.2 Unterstützungssysteme

Die bisherigen Anwendungen der Konstruktionsverfahren befinden sich im Bereich des

Maschinenwesens, der Architektur und der Medien. Dortige Anforderungen an Konstrukti-

onsfunktionen liegen in der Verwendung von geometrischen Basisformen wie beispiels-

weise Kugeln, Zylindern, Würfeln, Ebenen, etc., deren Manipulation und logischer Ver-

knüpfung. Dementsprechend liegen die Hauptfunktionen solcher CAD-Applikationen in

diesem Bereich. Hauptvertreter davon sind SolidWorks® und Catia® (Dassault Systemes),

AutoCAD® (Autodesk, Inc.), Pro/ENGINEER® (Parametric Technology Corporation) und

Solid Edge® (Siemens Product Lifecycle Management Software, Inc.). Prinzipiell sind

diese Applikationen verwendbar, um ein zuvor erzeugtes Basismodell zu adaptieren. Um

jedoch das Basismodell zu generieren, sind spezielle Funktionen (Vgl. 2.3.1 Konstrukti-

onsverfahren, S. 21) notwendig. Einige in dieser Hinsicht neuartige Applikationen verei-

nen medizinische Funktionen mit CAD Techniken wie z.B. VoXim® (IVS Solutions AG),

MedicPlan® (3di GmbH) und AIT-MedCAD (Hieu et al. 2002a).

Aktuell werden Implantatkonstruktionen meist von Technikern und nicht von Chirurgen

durchgeführt, da der Umgang mit Assistenzsystemen und Konstruktionsverfahren hohes

Maß an technischem Wissen und Verständnis voraussetzen. Der Chirurg erzeugt eine Ope-

rationsplanung (Vgl. 2.2 Operationsplanung, S. 13) und übermittelt diese dem Techniker.

Der Techniker konstruiert ein Implantatmodell, welches dem Chirurgen zurückgesendet

wird. Der Chirurg begutachtet das Modell und veranlasst dessen Herstellung. Dies kann

beispielsweise durch einen interaktiven Betrachter bzw. Editor geschehen, in dem der

Chirurg zusätzlich Änderungswünsche markieren kann (Beleites et al. 2001a), oder auch

durch Screenshots. Nachteilig bei der Durchführung der Konstruktion durch einen Techni-

ker ist die intensive Kommunikation, die mit gesteigerter Fehleranfälligkeit und erhöhtem

Zeitaufwand verbunden ist. Zudem hat der Chirurg keinen direkten Einfluss auf die Im-

plantatform.

Wird die Konstruktion durch einen externen Betrieb (Techniker) durchgeführt, ergeben

sich aber auch Vorteile. So ist die MPG-Zulassung vereinfacht, da die Herstellung als Teil-

prozess definierbar und überprüfbar ist. Ebenso wird die Konstruierbarkeit und Herstell-

barkeit berücksichtigt. Werden externe Eingriffe in dem Teilprozess erlaubt, wie die Kon-

struktion durch den Chirurgen selbst, muss die Einhaltung der Konstruktionsvorschriften

anderweitig sichergestellt werden. Mit der Vorlage der Operationsplanung und der Prüfung

des Implantatmodells wird durch den Chirurgen sichergestellt, dass die klinischen Anfor-

derungen eingehalten werden. Allerdings ist dem Chirurgen nicht immer die exakte end-

gültige Form vermittelbar und oft erst bei Erhalt des Implantates vollständig bekannt.

2.4 Implantatherstellung

Das Ziel der Implantatherstellung ist es, die Vorgaben durch die Konstruktion exakt einzu-

halten. Obwohl die Konstruktion auf einen Materialtyp ausgelegt wird, müssen bei der Fer-

2.4 Implantatherstellung

tigung Materialeigenschaften und Fertigungsverfahren berücksichtigt werden, um die Ge-

nauigkeit der Umsetzung einhalten zu können. In diesem Kapitel sollen verschiedene Ma-

terialien und Herstellungsverfahren vorgestellt werden.

Die zurzeit verwendeten Materialien für präoperativ hergestellte, alloplastische Implantate

sind

●Metalle (z.B. Titan) (Gerlach und Pape 1995, Zeilhofer 1997, Scholz et al. 1997, Eu-

finger et al. 1997a, Eufinger et al. 1998a, Heissler et al. 1998, Krüger et al. 1998, Eu-

finger et al. 2002, Sauret et al. 2002, Gui et al. 2004, Schipper et al. 2004, Eufinger

et al. 2006 und Ha und Wintermantel 2008a),

●Keramiken (z.B. Bioverit-II® und MEDPOR®) (Hoffmann et al. 1998a, Beleites et

al. 2001a, Rapidis und Day 2006, Siebert et al. 2006 und Ha und Wintermantel

2008b),

●Kunststoffe (z.B. PMMA – Polymethylmethacrylat und Hard Tissue-Replacement

Polymer) (Eppley 2002, Petersen und Hollins 2003, Bill und Reuther 2004, Smartt et

al. 2005, Wolff 2007 und Ha et al. 2008) und

●biodegradierbare Kompositmaterialien (de Roche et al. 1998, Weihe et al. 2000,

Schiller et al. 2004 und Ha et al. 2008).

Ausschlaggebend für die Verwendbarkeit eines Materials sind die Möglichkeit der Zulas-

sung nach MPG (d.h. die Biokompatibilität), die Verträglichkeit und die maschinelle Bear-

beitbarkeit.

Alle aufgeführten Materialien weisen einen ähnlichen Genauigkeitsgrad für die Herstel-

lung von Implantaten auf. Bei der Materialwahl sind jedoch spezifische Nachteile einzel-

ner Werkstoffe zu berücksichtigen. Dazu zählt die hohe Wärmeleitfähigkeit von Metallen,

die für den Patienten zu Beschwerden bei extremen Temperaturen führen kann. Zudem

wird die Diagnose bzw. Bildgebung (CT und MRT) durch entstehende Artefakte einge-

schränkt. Bei PMMA-Kunststoff ist die Fremdkörperreaktion nachteilig (Zeilhofer 1997

und Ha et al. 2008). Der Vorteil bei biodegradierbaren Materialien ist das vollständige Er-

setzen des Implantates durch Knochengewebe, sodass keine körperfremden Stoffe zurück-

bleiben. Die Schwierigkeit besteht jedoch darin, die Zersetzung des Implantates in dem

Maß fortschreiten zu lassen, in dem auch das Knochengewebe die Implantatfunktionen

übernimmt (Schiller et al. 2004).

Die Herstellung des Implantates kann durch verschiedene Verfahren durchgeführt werden,

die im Weiteren erläutert werden.

2.4.1 Manuelle Fertigung

Die häufigste Methode der Implantatherstellung erfolgt manuell durch den Chirurgen

(Wolff 2007). Hierbei kann in präoperative und intraoperative Herstellung unterschieden

werden. Während der Operation werden modellierbare Werkstoffe, wie z.B. PMMA und

Titanmesh, verwendet (Rah 2000, Badie et al. 2000, Friedman et al. 2000, Kuttenberger

und Hardt 2001 und Smartt et al. 2005). Diese Materialien sind kostengünstig und erlauben

dem Chirurgen die patientenindividuelle Modellierung des Implantates, sobald der Defekt

klar in seinen Ausmaßen erkennbar ist. Nachteile bei Kunststoffen sind jedoch die exother-

me Reaktion und die Diffusion von Restmonomer in das angrenzende Gewebe beim Aus-

härten. Bei Titanmesh ist die geringe Stabilität von Nachteil (Schipper et al. 2004). Weiter-

2 Stand der Technik

hin ist die Modellierung von komplexeren Strukturen meist nicht zufriedenstellend zu be-

werkstelligen (Wolff 2007). Zudem treten Probleme der Formbarkeit und Fixierung mit der

zunehmenden Größe und Komplexität des Defektes auf (Eufinger et al. 2002). Mit Hilfe

von präoperativ hergestellten Planungsmodellen (Vgl. 2.2.2 Planung anhand von Model-

len, S. 14) ist es möglich, ähnliche Modellierungen schon vor der Operation anzufertigen.

Dadurch entfallen die Nachteile des Abbindens des Materials in der Nähe des angrenzen-

den Gewebes (Zeilhofer 1997, Bill und Reuther 2004 und Siebert et al. 2006).

2.4.2 Maschinelle Herstellung

Für die maschinelle Herstellung werden verschiedene Verfahren eingesetzt, die im Weite-

ren kurz beschrieben werden (Vgl. 2.2.2 Planung anhand von Modellen, S. 14):

●CNC-Fräsen: Eine mehrachsige, computergesteuerte Fräsmaschine fräst aus einem

soliden Titan- oder Keramikblock den Vorgaben entsprechend das Implantat. Durch

die Materialunabhängigkeit kann dieses Verfahren direkt für Implantate verwendet

werden (Gerlach und Pape 1995, Zeilhofer 1997, Scholz et al. 1997, Eufinger et al.

1997a, Eufinger et al. 1998a, Hoffmann et al. 1998a, Heissler et al. 1998, Krüger et

al. 1998, Beleites et al. 2001a, Weihe et al. 2001, Eufinger et al. 2002, Sauret et al.

2002, Gui et al. 2004, Schipper et al. 2004, Rapidis und Day 2006, Siebert et al. 2006

und Eufinger et al. 2006).

●Rapid Prototyping (RP): Mit Hilfe der RP-Technik sind Implantate ebenfalls direkt

herstellbar. Notwendig dafür ist die direkte Verwendbarkeit des biokompatiblen Ma-

terials im Fertigungsprozess. Bevorzugte Techniken sind die Stereolithographie (SL)

und das selektive Laser-Sintern (SLS) (Bill und Reuther 2004, Giannatsis und De-

doussis 2007 und Wolff 2007).

Soll in Verbindung mit dem RP-Verfahren ein Implantat aus einem Material herge-

stellt werden, das nicht direkt verarbeitet werden kann, so müssen weitere Verarbei-

tungsschritte durchgeführt werden. Dieses Prinzip ähnelt dem Rapid Tooling (Geb-

hardt 2003), in dem mittels RP-Technik ein Implantatmodell hergestellt wird, das

dann als Ausgangsform für einen Feingussprozess verwendet wird (Zeilhofer 1997,

Gebhardt 2003, Hierl et al. 2006 und Giannatsis und Dedoussis 2007).

Neben den verbreiteten Verfahren existiert ein neuartiger Ansatz, das Real-time-rapid-ma-

nufacturing (RTRM) Verfahren, der eine Rekonstruktion eines Defektes durch die intraope-

rative Herstellung und Positionierung von Implantaten und Transplantaten erlaubt (Schip-

per et al. 2005).

2.5 Technische Grundprinzipien der computerassistierten Chirurgie

Dieses Kapitel beschreibt die Grundprinzipien der Computerassistenzsysteme in der Chir-

urgie. Diese Systeme basieren auf Verfahren, die kurz in deren Zusammenwirken beschrie-

ben und anschließend detaillierter erläutert werden. Ein Lagemesssensor ermittelt während

der Operation die Lage des Patienten und des Instrumentes. Mit Hilfe der Zuordnung von

Patienten zu Patientenmodell (Registrierung) und der Ermittlung der Instrumentengeome-

trie (Instrumentenvermessung) lässt sich die Lage des Instrumentes innerhalb des Patien-

tenmodells bestimmen. Damit ist es möglich, gegenüber dem Patientenmodell definierte

Positionen und Orientierung während der Operation mit dem Instrument am Patienten zu

erreichen. Prinzipiell wird dieses Verfahren in passive und aktive Systeme aufgeteilt. Bei

passiven Systemen führt der Chirurg das Instrument vollständig manuell. Bei Aktiven hin-

2.5 Technische Grundprinzipien der computerassistierten Chirurgie

gegen übernimmt ein Roboter die Führung des Instrumentes (Hassfeld und Mühling 2001,

Nolte und Langlotz 2003 und Peters 2006). Die Anwendungen erstrecken sich über ein

breites klinisches Spektrum. Kommerziell erhältliche Systeme sind die CAS Plattformen

von BrainLAB, das OmniSight Excel System (Integra Radionics, Inc.), die StealthStation®

Reihe und das LandmarX™ Surgical Navigation System (Medtronic), die InstaTrak™ Rei-

he (GE Healthcare), die Surgetics Station® (implantcast GmbH), das Stryker® Navigation

System (Stryker), das PiGalileo™ Computer-Assisted Orthopedic Surgery System (Plus

Orthopedics), das OrthoPilot® (Aesculap AG), das z-box™ (Z-KAT, Inc.), das Acumen™

surgical navigation system (Biomet Orthopedics, Inc.) und das Endoalpha™ Centralized

O.R. Control System (Olympus America Medical).

Im Weiteren werden die wesentlichen Prinzipien von Assistenzsystemen näher beschrie-

ben.

2.5.1 Patientenmodell

Das Patientenmodell ist eine datentechnische Repräsentation des Patienten auf dem Com-

putersystem während der Operation. Darin enthalten sind meist anatomische, dreidimen-

sionale Informationen, beispielsweise bestehend aus CT oder MRT-Daten und präoperativ

festgelegte Planungsdaten (z.B. die Lage von Zielstrukturen oder sensiblen Strukturen).

D.h. das Patientenmodell ist statisch während der Operation. Darüber hinaus kann das Pati-

entenmodell anhand der Operationsschritte sukzessive adaptiert werden. Solch ein dynami-

sches Patientenmodell kann beispielsweise die anatomische Struktur aufgrund von bisheri-

gen Instrumentenpositionen anpassen (Mätzig 2005) oder Korrekturen der Planung zulas-

sen, die durch verbesserte anatomische Kenntnisse während der Operation gewonnen wur-

den (Szymanski 2005).

2.5.2 Lagemesssysteme

Die Lagemesssysteme in der computerassistierten Chirurgie erfassen die räumlichen Zu-

sammenhänge von Objekten. Das Ziel eines solchen Systems ist somit die Erfassung der

Position und Orientierung eines oder mehrerer festgelegter Zielobjekte relativ zu einem ge-

meinsamen Referenzkoordinatensystem. Dafür existieren verschiedene technische Prinzi-

pien, die im Folgenden beschrieben werden:

●Elektromechanische Systeme: Bei dem elektromechanischen Verfahren werden das

Zielobjekt und das Referenzsystem mechanisch durch Gelenkketten gekoppelt. An

diesen Gelenken sind optische, magnetische oder induktive/kapazitive Sensoren für

die Erfassung der Auslenkung befestigt. Der Freiheitsgrad des Zielobjektes bezüglich

der Referenz ist abhängig von der Anzahl der Gelenke und deren Anordnungen zu-

einander. Dieses Prinzip findet Anwendung in der dentalen Chirurgie zur dreidimen-

sionalen Konturgewinnung, wobei der Patient fixiert und das Instrument überwacht

wird (Mushabac 1990). Die Anzahl der Zielobjekte ist mit einem solchen System

sehr stark begrenzt. Zudem treten erhebliche Probleme auf (zusätzliche Belastung

beim manuellen Führen des Instrumentes, Einschränkung der Bewegungsabläufe und

hoher Aufwand bei der sterilen Abdeckung). In Korb et al. 2001 ist eine Adaptierung

dieses Prinzips auf eine klinische Anwendung beschrieben. In der industriellen An-

wendung (z.B. der Konstruktion) werden diese Prinzipien verwendet, da durch die

mechanische Verbindung die Kraftrückkopplung integriert werden kann. Verfügbare

Systeme sind FaroArm (FARO Europe GmbH & Co. KG), Microscribe™ 3D (Im-

mersion) und Phantom™ (SensAble Technologies, Inc.). Die Systeme erreichen eine

2 Stand der Technik

hohe Genauigkeit. Beispielsweise wird vom Hersteller des FaroArm Platinum eine

Genauigkeit von ±0,013 mm angegeben.

●Ultraschallbasierte Systeme: Bei dem auf Ultraschall basierenden Verfahren wird die

Lage durch Laufzeitmessungen von Ultraschallsignalen zwischen Zielobjekt und De-

tektor ermittelt. Dies spielt für klinische Systeme eine untergeordnete Rolle. Ein

kommerziell erhältliches System ist das CMS-HSL (zebris Medical GmbH). Proble-

me hierbei bereiten Änderungen von Lufttemperatur, -druck und -feuchtigkeit, exter-

ne akustische Signale, Echos und die Kabelverbindung zum Zielobjekt.

●Elektromagnetische Systeme: Bei diesem Verfahren werden Empfängerspulen am

Zielgerät orthogonal zueinander befestigt. Als Referenz dient ein elektromagneti-

scher Feldgenerator, dessen Feldstärke im Raum bekannt und fest ist. Durch die in

die Empfängerspulen induzierten Spannungen kann die Lage relativ zum Feldgenera-

tor bestimmt werden. Es existieren Systeme, die mit Wechselfeldern oder statischen

Magnetfeldern arbeiten. Bei Magnetfeldern werden Magnetfeldsensoren anstatt Spu-

len verwendet. Vertreter dafür sind das FASTTRAK-System (Polhemus, Inc.), der

Cygnus Navigator (Compass International, Inc.), das InstaTrack System (General

Electric Company), das 3D Guidance™ (Ascension Technology Corp.), das Stealth-

Station® S7™ System (Medtronic, Inc.) und das Aurora System (Northern Digital,

Inc.). Diese Systeme haben den großen Vorteil, dass keine kontinuierliche Sichtver-

bindung (Line of sight) zwischen Zielobjekt und Sensor aufrecht erhalten werden

muss. Zudem sind die Lokalisatoren für die Zielobjekte sehr klein. Nachteilig ist je-

doch die leichte Störanfälligkeit gegenüber Metallen und anderen elektromagneti-

schen Einflüssen (z.B Motoren) und die notwendige Kabelverbindung mit dem Ziel-

objekt. In Mucha 2009 werden Verfahren vorgestellt, um Störeinflüsse des Magnet-

feldes zu detektieren und entsprechende Fehlerkorrekturen durchzuführen. Die er-

reichbare Genauigkeit dieser Systeme wird mit einer Standardabweichung von unter

0,83 mm angegeben (Nafis et al. 2006).

●Optische Systeme: An den Zielobjekten werden bei diesem Verfahren mehrere op-

tisch emittierende oder reflektierende Marker angebracht. Dies unterscheidet aktive

und passive Systeme. Ein Bilddetektor ermittelt die zweidimensionale geometrische

Abbildung der Markeranordnung für jedes Zielobjekt. Wird ausschließlich ein Bild-

detektor verwendet, so sind mindestens vier Marker je Zielobjekt notwendig, um

dessen sechs Freiheitsgrade zu ermitteln. Bei mehreren Detektoren mit bekannten

und festen geometrischen Relationen zueinander sind mindestens drei Marker pro

Zielobjekt notwendig, um dessen eindeutige Lage durch Triangulation zu bestimmen.

Die Detektion der Marker innerhalb eines Bildes erfolgt durch Schwellwertverfah-

ren, Bilddifferenzverfahren oder Mustererkennung. Abhängig davon ist künstliches

Licht notwendig oder das Umgebungslicht verwendbar. Vertreter dieser Verfahren

sind das OptoTrack, Polaris, Polaris-Accedo, Vicra und Spectra System (Northern

Digital, Inc.), das Flashpoint System (Boulder Innovation Group, Inc.) und das Mi-

cronTracker System (Claron Technology, Inc.). Die optischen Verfahren sind in den

am Markt erhältlichen Computerassistenzsystemen sehr weit verbreitet. Als emittie-

rende Marker kommen meist Dioden zum Einsatz. Durch deren Spannungsversor-

gung sind Batterien oder eine kabelgebundene Energieversorgung notwendig, was

bei passiven Systemen nicht der Fall ist. Zudem stellen die Verdeckung der Marker

gegenüber dem Detektor und die Größe der Lokalisatoren für die Zielobjekte Proble-

me dar. Die erreichte Genauigkeit dieser Systeme liegt unter 0,11 mm (Khadem et al.

2000).

2.5 Technische Grundprinzipien der computerassistierten Chirurgie

Darüber hinaus existieren Verfahren, die jedoch nicht für klinische Assistenzsysteme ver-

wendet werden. Dazu gehört beispielsweise eine Methode, die aufgrund von gemessenen

Beschleunigungen und deren numerischer Integration Positionsänderungen des Zielobjek-

tes ohne einen separaten Detektor ermittelt. Auch hybride Systeme aus den aufgezählten

Verfahren, die die spezifischen Vorteile ausnutzen sollen, finden keine große Anwendung.

2.5.3 Registrierung

Die Registrierung bezeichnet das Ermitteln einer Transformationsfunktion zum Überein-

bringen zweier geometrischer Strukturen. Hierbei kann prinzipiell die starre und die elasti-

sche Registrierung unterschieden werden. Bei der elastischen Variante wird neben der glo-

balen Bestimmung der Translation, Rotation, Skalierung, etc. auch die lokale Verzerrung

berücksichtigt. In dieser Arbeit erfolgt eine Beschränkung auf die starre Registrierung.

Hierbei ist die Transformationsfunktion eine lineare Transformation ohne Skalierungsanteil

zwischen dem Koordinatensystem des Patientenmodells und dem des realen Patienten. Für

dessen Bestimmung werden gleiche geometrische Merkmale des Patientenmodells und des

Patienten in dem jeweiligen Koordinatensystem ermittelt. Über diese Merkmale erfolgt

dann die Zuordnung beider Systeme. Dies ist notwendig, um die intraoperativen Daten

zum Patientenmodell zuordnen zu können. Daraus folgt eine große Bedeutung der Regis-

trierung bezüglich der erreichbaren Gesamtgenauigkeit des Systems. Prinzipiell kann zwi-

schen material- und anatomiebasierten Verfahren unterschieden werden (Lavallée 1996,

Maintz und Viergever 1998 und Ma und Ellis 2003).

Anatomiebasierte Registrierungsverfahren nutzen die gegebene anatomische Struktur bzw.

natürliche Landmarken als Merkmale. Die Merkmale im Patientenmodell können dabei die

automatisch generierte Haut- oder Knochenoberfläche oder aber interaktiv definierte natür-

liche Landmarken sein. Materialbasierte Verfahren nutzen künstlich am Patienten einge-

brachte Strukturen, wie beispielsweise Schrauben. Diese Strukturen müssen im Patienten-

modell ebenfalls enthalten sein. Das wird beispielsweise erreicht, indem die Bilddaten auf-

genommen werden, nachdem die Marker eingebracht sind. Während der Operation werden

zu Beginn die korrespondierenden Merkmale am Patienten erfasst. Dies kann durch ein po-

sitionsüberwachtes Zeigeinstrument oder intraoperatives Bildgebungverfahren (C-Bogen)

geschehen. Dabei werden Merkmale im Koordinatensystem des Patienten aufgezeichnet,

die dann durch verschiedene Verfahren dem entsprechenden Merkmal im Koordinatensys-

tem des Patientenmodells zugeordnet werden:

●Paired Point Matching: Die ermittelten Merkmale sind bei dieser Methode gering,

jedoch fest in deren Anzahl von 3 - 8 Punkten. Die Punkte werden paarweise den zu-

vor definierten, natürlichen oder künstlichen Landmarken zugeordnet (Lavallée

1996). Dabei werden dessen Abstände minimiert. Das schwierige Antasten der natür-

lichen Landmarken am Patienten macht diese Methode aufwändig.

●Surface Matching: Hierbei wird eine variable Menge an Punkten (oft mehr als 100)

auf der Patientenoberfläche als Merkmal verwendet. Die Abstände der ermittelten

Punkte werden iterativ zur generierten Oberfläche des Patientenmodells minimiert

(Iterative Closest Point) (Besl und McKay 1992). Hierbei müssen eindeutige geome-

trische Formen erfasst werden, um eine eindeutige Zuordnung zu erlangen. Ein Vor-

teil ist die schnelle intraoperative Durchführbarkeit der Datenerfassung.

●Contour Matching: Das Merkmal dieses Verfahrens ist ein intraoperativ erzeugtes,

zweidimensionales Projektionsbild. Dem gegenüber steht der dreidimensionale, zu

registrierende Bilddatensatz. Mit Hilfe des dreidimensionalen Bilddatensatzes kön-

2 Stand der Technik

nen virtuelle Projektionsbilder generiert werden. Durch Optimierungsverfahren ist es

möglich, das virtuelle Projektionsbild zu ermitteln, welches dem aufgenommenem

entspricht (Hamadeh et al. 1998). Hierbei kann in der Regel durch zusätzliche Fehler

in den Abbildungseigenschaften eine geringe Genauigkeit erreicht werden.

Die materialbasierte Registrierung erreicht eine höhere Genauigkeit, erfordert aber auch

einen höheren präoperativen Aufwand. Zudem ist die Invasivität meist höher. Durch die

Einbringung einer künstlichen, fest definierten Struktur kann die Registrierung automa-

tisch durchgeführt werden (Schermeier 2002). Weiterhin existieren hybride Verfahren, die

beispielsweise durch das Paired Point Matching eine initiale ungenaue Registrierung mit

anschließendem Surface Matching verwenden.

Eine Alternative zur Registrierung stellt die intraoperative Erzeugung des Patientenmodells

dar. Werden diese Daten bei deren Aufnahme bereits im Koordinatensystem des Patienten

erzeugt, ist keine fehlerbehaftete Zuordnung notwendig. Dies kann beispielsweise durch

einen positionsüberwachten Computertomographen (Queck 2002) oder C-Bogen (Hebe-

cker 2003) geschehen.

2.5.4 Vermessung von chirurgischen Instrumenten

Durch austauschbare Komponenten, herstellungsbedingte Toleranzen, mechanische Verfor-

mung oder wiederholtes Zusammensetzen von Komponenten können die geometrischen

Eigenschaften von Instrumenten verändert werden. Die genauen geometrischen Zusam-

menhänge sind jedoch notwendig für die Zuordnung vom Instrument zum Patientenmodell.

Um diese Zusammenhänge zu erfassen, wird ein Instrument zu Beginn der Operation bzw.

nach dessen Veränderung vermessen. Hierfür existieren ein- und zweistufige Verfahren:

●Einstufige Vermessung: Das zu vermessende Instrument wird in eine bekannte feste

Relation zu einem positionsüberwachten Referenzkörper gebracht. Durch den nun

messbaren Übergang zwischen Instrument und Referenzkörper kann die aktuelle

geometrische Konfiguration ermittelt werden.

●Zweistufige Vermessung: Hierbei wird in der ersten Phase eine Vermessung der Auf-

nahme der Austauschkomponente (z.B. das Bohrfutter eines dentalen Handstücks)

durchgeführt. In der zweiten Phase wird dann das aktuell verwendete Instrument ver-

messen. Diese Auftrennung hat den Vorteil, dass der aufwändige Vermessungspro-

zess nicht nach jedem Komponentenwechsel durchgeführt werden muss. Zudem wird

in der zweiten Phase durch das Vorwissen aus der ersten Phase wenig Information

benötigt, sodass dies schnell durchgeführt werden kann (Schermeier 2002).

2.6 Spanende Bearbeitung von Knochen

In diesem Kapitel werden die Methoden der spanenden Bearbeitung von Knochen während

der Operation beschrieben. Dies beinhaltet die Materialeigenschaften von Knochen sowie

die eingesetzten Werkzeuge.

2.6.1 Materialeigenschaften von Knochen

Knochen ist ein inhomogenes Material vergleichbar mit einem Verbundwerkstoff. Dieser

besteht aus der Kompakta und der Spongiosa. Die Materialzusammensetzung ist bei beiden

Arten gleich. Die Unterschiede liegen in der Dichte des Materials. Die Spongiosa ist porös

entlang der Spannungsverläufe im Knochen ausgerichtet. Die Kompakta hingegen bezeich-

2.6 Spanende Bearbeitung von Knochen

net die Teile, an denen diese Spannungsverläufe zusammentreffen. Diese gerichtete Fein-

struktur zeigt unterschiedliche Festigkeitseigenschaften abhängig von der Belastungsrich-

tung. Die chemische Zusammensetzung ist in etwa 46 % Hydroxylapatitkristalle (85 %

Calciumphosphat, 10 % Calciumcarbonat und geringe Mengen an Alkalisalzen), 22 % or-

ganische Substanz und 32 % Wasser. Die Zusammensetzung und Struktur ist prinzipiell

ähnlich, jedoch nicht bei allen Menschen gleich. Es treten Unterschiede abhängig von Ge-

schlecht, Alter, Körperseite, etc. auf (Fuchsberger 1986). Durch die organischen Stoffe

wird der Knochen temperaturempfindlich. Eine Temperatur von mehr als 47° C führt bei

Knochengewebe zu einer durch Überhitzung bedingten Gewebenekrose (Eriksson et al.

1982).

Aus diesen Eigenschaften können Vorgaben für die Knochenbearbeitung abgeleitet wer-

den. Die Schnittgeschwindigkeiten und Vorschubkräfte sollten hinsichtlich der optimalen

Wärmeabfuhr und -verteilung und der resultierenden Oberfläche optimiert werden. Als

Richtlinie für die Vorschubkraft wird eine Größe von 10 N pro Millimeter Werkzeugdurch-

messer beim Bohren und 3 N pro Millimeter Werkzeugdurchmesser beim Fräsen angege-

ben. Die empfohlenen Schnittgeschwindigkeiten liegen bei 9 - 16 m/min beim Bohren und

140 - 200 m/min beim Fräsen. Zudem sollte die Bearbeitung unter Wärmeabfuhr mit stän-

diger Zufuhr von physiologischer Kochsalzlösung erfolgen (Fuchsberger 1986).

2.6.2 Verwendete Instrumente

Für die freihändige Bearbeitung von Knochen insbesondere bei der Osteotomie am Schä-

delknochen werden meist bohrende und fräsende Instrumente eingesetzt. Zudem existieren

Systeme basierend auf Laser- und Piezo-Technologie, die jedoch weniger geeignet sind.

Die Bohr- und Frässysteme können in Steuereinheit, Antriebseinheit und Werkzeugaufnah-

me unterteilt werden. Die Steuereinheit nimmt Steuerbefehle aus dem Fußschalter oder

Fußpedal entgegen, verarbeitet und transformiert diese in ein elektrisches oder pneumati-

sches Leistungssignal und übermittelt dies der Antriebseinheit. Die auf elektrischem oder

pneumatischem Prinzip beruhende Antriebseinheit setzt das Leistungssignal in eine Dreh-

bewegung um. Die Werkzeugaufnahme fixiert das jeweilige Werkzeug gegenüber der An-

triebswelle der Antriebseinheit. Dabei sind verschiedene Bohr- und Fräswerkzeuge ver-

wendbar (Abb. 2-2a). Darüber hinaus kann bei bestimmten Werkzeugformen ein spezieller

Duraschutz angebracht werden. Dieser hat die Form eines Bügels und verhindert die Ver-

letzung der Hirnhaut (Abb. 2-2b). Verfügbare Systeme sind die MicroSpeed Reihe (Aescu-

lap AG), das BlackMax, das microMax, das eMax und das Xmax System (The Anspach Ef-

fort, Inc.) sowie das ZM highspeed System (Zeppelin Medical Instruments GmbH).

a) b)

Abbildung 2-2: a) Verwendete Werkzeuge bei der Osteotomie von Gesichts- und Schä-

delknochen; b) Antriebseinheit und Werkzeugaufnahme des Fräsinstru-

mentes mit Duraschutz MicroSpeed HiXS (Aesculap AG)

2 Stand der Technik

2.7 Unterstützung für die Resektion und Implantatinsertion

In diesem Abschnitt werden Methoden und Systeme vorgestellt, die den Chirurgen intra-

operativ bei der Resektion und der Eingliederung des Implantates unterstützen. Folgende

Anforderungen werden an die Unterstützungsmethoden gestellt:

●Präzise Umsetzung der Planung: Um die Passgenauigkeit des präoperativ geplanten

und hergestellten Implantates zu gewährleisten, ist die Einhaltung der Planung not-

wendig. Der Chirurg muss in die Lage versetzt werden, das Fräsinstrument sicher

entlang der Vorgabe direkt oder indirekt zu führen. Aufwändige Nacharbeiten für die

Herstellung der Passung von Implantat und Knochendefekt sollen vermieden bzw.

minimiert werden.

●Schnelles Umsetzen der Planung: Kurze Operationszeiten sind wichtig, um die Pati-

entenbelastung zu verringern. Dennoch sollte zusätzliche Vorbereitungszeit zu einer

Verringerung der gesamten Umsetzungszeit führen. Der entsprechend notwendige

Mehraufwand muss durch das Resultat zu rechtfertigen sein.

●Einfache Handhabung: Der Chirurg führt während der Operation komplexe Arbeits-

schritte über einen relativ langen Zeitraum aus. Zusätzliche Funktionalität muss für

ihn einfach in deren Handhabung zu verstehen und zu verwenden sein und darf nicht

zu einer zusätzlichen Belastung führen.

●Handlungsfreiheit des Chirurgen: Die Assistenzfunktion sollte den Arzt in seinem

Handeln nicht zeitlich und örtlich einschränken. Während der Operation können un-

vorhergesehene Situationen eintreten. Diese gehen meist einher mit neuen Erkennt-

nissen. Beispielsweise kann bei der Resektion festgestellt werden, dass die geplante

Osteotomielinie verschoben werden muss, um erkranktes Gewebe vollständig zu ent-

fernen. Dementsprechend müssen unter Umständen größere Spalten zwischen dem

präoperativ gefertigten Implantat und dem Knochengewebe verschlossen werden.

●Positionierung und Ausrichten des Implantates: Bei komplexen Implantatstrukturen

ist, vor allem durch den eingeschränkten Zugang, die Ziellage nicht immer klar er-

sichtlich. Sobald die Resektion abgeschlossen ist, sollte der Chirurg beim Einglie-

dern des Implantates in die geplanten Lage unterstützt werden.

●Sicherheit: Abweichungen des Fräsinstrumentes von der Planung sollten hinsichtlich

der Verletzungsgefahr von angrenzendem sensiblen Gewebe frühzeitig unterbunden

werden oder zumindest in Warnhinweisen an den Chirurgen resultieren.

Prinzipiell stehen bei den vorgestellten Methoden die Übertragung der Planung und somit

der Osteotomielinie auf den Knochen sowie die Hilfe bei der Umsetzung der Planung im

Vordergrund. Diese Methoden sollen im Weiteren detailliert beschrieben werden.

2.7.1 Schablonentechnik

Zusätzlich zur präoperativen Konstruktion und Herstellung des patientenindividuellen Im-

plantates wird eine Schablone gefertigt. Das ist mit wenig Aufwand verbunden, da die not-

wendigen Informationen bezüglich der Lage des Implantates und der Form des umliegen-

den Knochengewebes bereits für die Implantatfertigung erstellt wurden. Die Form der

Schablone ist derart gestaltet, dass das Implantat durch die Schablone mit einem gewissen

Abstand eingefasst und eine stabile Auflage auf dem Knochengewebe mit Fixierung er-

möglicht wird (Abb. 2-3). Während der Operation richtet der Chirurg die Schablone am

2.7 Unterstützung für die Resektion und Implantatinsertion

Patienten aus. Dies kann navigiert durchgeführt werden. Bei komplexeren geometrischen

Formen ist die Schablone meist eindeutig positionierbar (Weihe et al. 2001). Anschließend

erfolgen das Fixieren und das Durchtrennen des Knochens durch Sägen oder Fräsen. Hier-

für wird das Instrument manuell entlang der Schabloneninnenkante bewegt und somit ge-

mäß der Planung geführt. Einige Schablonen geben sowohl die Postion als auch die Orien-

tierung des Fräsinstrumentes vor (Abb. 2-3b). Die Herstellung der Schablonen erfolgt

durch CNC-Fräsen aus einem biokompatiblen Material, z.B. Titan (Portheine et al. 1996,

Eufinger et al. 1998a, Radermacher 1999, Weihe et al. 2000 und Müller et al. 2003).

Ein neuer Ansatz verfolgt die Schablonenherstellung durch generative Fertigungsverfah-

ren, wie Rapid Prototyping (Schuhmacher et al. 2006).

a) b)

Abbildung 2-3: Patientenindividuelle Schablonen für die Resektion aufgebracht auf: a)

dem Planungsmodell eines Hirnschädels (Müller et al. 2003) und b) dem

Hirnschädel (Eufinger et al. 1998a)

Der Vorteil der Schablonentechnik ist die einfache und schnelle Anwendbarkeit. Auch ist

eine Kontrolle und Dokumentation nach der Resektion einfach zu bewerkstelligen. Nach-

teilig hingegen ist die Einschränkung der Anwendbarkeit am Kopf auf Regionen des Hirn-

schädels. Zudem muss bei nicht eindeutig geformten Auflageflächen die Schablone navi-

giert ausgerichtet werden. Darüber hinaus ist das Befestigen solcher Schablonen nicht

mehr möglich, sobald die Oberflächenstruktur des Knochens konkav ist, wie beispielswei-

se nahe der Orbita im Gesichtsschädel. Änderungen der Schnittkontur während der Opera-

tion sind mit diesem Verfahren eingeschränkt bzw. nicht möglich.

2.7.2 Robotergestützte Resektion

Aus der geplanten Implantatform und den damit verbundenen Osteotomielinien werden

Steuerdaten für die Bewegung eines Roboterarmes bestimmt. Hierbei müssen bekannte

Probleme der Robotersteuerung wie beispielsweise die Kollisionsvermeidung in der Bahn-

planung, die Positionsregelung bei Kontakt mit dem Patienten und sicherheitstechnische

Aspekte gelöst werden. Intraoperativ wird der Roboter so positioniert und fixiert, dass sich

der erwartete Situs in dessen optimalem Arbeitsraum befindet (Abb. 2-4). Zur weiteren

Vorbereitung zählt die sterile Abdeckung. Sobald der Situs freigestellt ist, erfolgt die Re-

gistrierung des Patienten. Dies kann direkt durch den Roboter oder durch ein mit dem Ro-

boter gekoppeltes Navigationssystem geschehen. Anschließend ist der Roboter mit dem be-

festigten Fräs- oder Sägeinstrument in der Lage, die geplante Resektion vollautomatisch

2 Stand der Technik

am Knochengewebe durchzuführen (Burghart et al. 1998, Weihe et al. 2000, Wehmöller et

al. 2002, Henrich et al. 2002, Korb et al. 2003 und Bast et al. 2006).

Nachteilig ist die geringe Kontrolle des Chirurgen über den Eingriff. Zudem ist der Einsatz

mit erheblichem Aufwand (Logistik und sterile Abdeckung) und Kosten verbunden. Eine

komplexe Kontur kann bei geringem Arbeitsraum des Roboters zur erneuten Positionie-

rung mit der damit verbundenen Registrierung führen. Im direkten Vergleich mit der Scha-

blonentechnik ergaben sich keine Vorteile (Weihe et al. 2001). Bei Genauigkeitsuntersu-

chungen wurden Abweichungen von bis zu 8 mm (Weihe et al. 2000) bzw. bis 1 mm (Korb

et al. 2003 und Bast et al. 2006) gemessen.

a) b)

Abbildung 2-4: Intraoperative Robotersysteme für die vollautomatische Resektion von

Knochengewebe am Kopf: a) Robotersystem CRANIO mit Hexapod-

kinematik als Labormuster (Bast et al. 2006) und b) Robotersystem

CASPAR (Stäubli RX90CR, orto-Marquet/URS) als Labormuster

(Wehmöller et al. 2002)

Themenverwandte Robotersysteme, bei denen auch die Kooperation zwischen Mensch und

Roboter im Mittelpunkt stehen, sind so genannte passive Roboter oder Instrumentenhalter.

Diese Systeme unterscheiden sich von aktiven Robotern durch deren kraftrückgekoppelte

Bewegungen verursacht durch einen Benutzer. Beispielsweise kann ein Chirurg das gehal-

tene Instrument durch Ausübung von Kräften auf einen am Endeffektor eines Roboters an-

gebrachten Sensor führen. Gleichzeitig können durch eine entsprechende Planung Ein-

schränkungen in der Bewegung festgelegt werden, sodass beispielsweise das exakte manu-

elle Führen eines Instrumentes entlang einer definierten Achse möglich wird. Vertreter sind

unter anderem das in Hein 2000 vorgestellte System und das KineMedic® System (Deut-

sches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.). Dieses Prinzip der kooperativen Robotersys-

teme wird über den Bereich der Medizin hinaus eingesetzt. In der Fertigungs- und An-

lagentechnik wird die Anwendbarkeit von kooperierenden Robotern (Kobots) verfolgt

(Krüger und Lüth 2004). Das Hauptaugenmerk dieser Systeme liegt in der engen Interakti-

on von Mensch und Roboter an einem Werkstück. Hierbei sollen die jeweiligen Vorteile

des Menschen und des Roboters zusammen nutzbar gemacht werden. Das Einsatzgebiet

dieser Systeme liegt unter anderem in der Montage schwerer Komponenten.

2.7 Unterstützung für die Resektion und Implantatinsertion

2.7.3 Navigationsgestützte Resektion

Die Planungs- und Konstruktionsdaten inklusive der Osteotomielinie werden einem Navi-

gationssystem übermittelt. Nach der optimalen Positionierung im Operationssaal erfolgt zu

Beginn der Operation die Befestigung des Referenzlokalisators am Patienten. Anschlie-

ßend führt der Chirurg die Registrierung und Überprüfung bzw. Vermessung des Instru-

mentes durch. Jetzt kann das Navigationssystem zum Übertragen der geplanten Osteoto-

mielinie auf den Situs verwendet werden. In Marmulla et al. 2005 wurde ein Navigations-

system mit Projektor vorgestellt, das die Osteotomielinie direkt auf das Knochengewebe

projiziert (Abb. 2-5a). Es wurde eine Gesamtgenauigkeit von unter 1 mm angegeben. In

Klein et al. 2006 wird eine Methode beschrieben, bei der ein Navigationssystem ein Zeige-

instrument überwacht und dessen Abstand zur geplanten Osteotomielinie farbkodiert auf

einem Bildschirm anzeigt. Damit ist dann mit Hilfe eines Stiftes die Planung auf den Situs

übertragbar (Abb. 2-5b). Die Gesamtgenauigkeit wird mit 1,9 ± 1,0 mm angegeben. In

Schramm et al. 2006 wird ein Assistenzsystem vorgestellt, das dem Chirurgen eine Pla-

nung mittels Messen, Spiegelung von Gewebearealen und Segmentierung von Strukturen

erlaubt. Diese Informationen stehen während der anschließenden Behandlung mittels Navi-

gationsunterstützung zur Verfügung. In Wiltfang et al. 2003 wurde ein Prinzip vorgestellt,

bei dem mit Hilfe eines Navigationssystems während der Operation die Osteotomielinie

geplant und auf dem Knochen markiert wurde. Hierbei wurde eine Gesamtgenauigkeit von

1,21 ± 0,72 mm angegeben.

a) b)

Abbildung 2-5: a) Projizierte Osteotomielinie mit Hilfe eines an einem Navigations-

system angeschlossenen Projektors (Marmulla et al. 2005); b) Navigier-

tes Übertragen der Osteotomielinie mit einem Zeigeinstrument und Blei-

stift auf den Knochen nach von Tiesenhausen und Klein 2006

Ein verwandtes Prinzip, welches jedoch nicht direkt für die Resektion von Knochengewe-

be ausgelegt ist, stellt Lüth et al. 2001, Kneissler 2005 und Mätzig 2005 vor. Hierbei han-

delt es sich um Navigationssysteme, welche an die Instrumentensteuerung angeschlossen

sind. Dies bietet die Möglichkeit einer positions- bzw. geschwindigkeitsabhängigen Leis-

tungssteuerung bei herkömmlicher Handhabung eines Fräsinstrumentes (Navigated Con-

trol®). Die Systeme ist so konstruiert, dass sich ein Fräsinstrument mit einem Kugelkopf-

fräser außerhalb eines geplanten Arbeitsraumes ausschaltet. Das vorgestellte Verfahren fin-

det beim Fräsen des Implantatbettes von Cochlea-Implantaten und für die Dekompression

des Spinalkanals Andwendung. Dabei wurde eine mittlere Abweichung von -0,1 mm und

eine Standardabweichung von 0,2 mm bzw. ein mittlerer Fehler von 0,4 mm angegeben.

2 Stand der Technik

Für die Unterstützung der Implantatinsertion nach einer Resektion wurde von Marmulla et

al. 1998a eine Methode zur Knochensegmentnavigation vorgestellt. Dabei wurde die intra-

operative Lage des einzugliedernden Knochensegmentes bezüglich des Kopfes überwacht

und neben der Planung auf einem Bildschirm visualisiert. Durch diese zusätzliche Über-

sicht lassen sich Abweichungen zur präoperativen Planung leichter erkennen und korrigie-

ren.

Die vorgestellten auf Navigation basierenden Verfahren bieten Vorteile hinsichtlich der ge-

ringen Invasivität, der Genauigkeit, der Benutzerfreundlichkeit und der flexiblen Anpas-

sungsfähigkeit der Planung an aktuelle intraoperative Ereignisse. Auch weisen die Verfah-

ren zusätzliche Sicherheit durch einfache Orientierung und Kontrollmöglichkeiten anhand

der lagerichtigen Visualisierung der Instrumente bzw. Knochensegmente in den Patienten-

bilddaten auf. Nachteilig sind der hohe zusätzliche Aufwand und die damit verbundenen

Kosten. Zudem wird die Ausrichtung der Schnittfläche weiterhin dem Chirurgen überlas-

sen.

2.8 Nachteile bestehender Systeme und Methoden

In diesem Kapitel wird der aktuelle Stand der Technik von Unterstützungssystemen für die

Operationsplanung, die Implantatkonstruktion und die chirurgische Resektion innerhalb

der chirurgischen Tumortherapie am Kopf zusammengefasst und kritisch betrachtet. An-

hand der Kritikpunkte werden die noch ungelösten Probleme identifiziert.

2.8.1 Operationsplanung

Für die präoperative Planung der Operation sind volumenbasierte bildgebende Verfahren

wie CT oder MRT notwendig. Je nach Komplexität der Operation werden weitere Verfah-

ren genutzt. Dazu zählen die Planung an einer Computerapplikation und an einem dreidi-

mensionalen Organmodell, welches oft die Anatomie des Knochengewebes nachbildet.

Beide Techniken bieten eine sehr gute Übersichtlichkeit der Patientensituation, wobei die

rechnergestützte Planung eine detailreichere Visualisierung erlaubt. Mit beiden Verfahren

ist die präoperative Simulation der Operation durchführbar. Hierbei ist das 3D-Modell je-

doch intuitiver verwendbar, da herkömmliche Operationsinstrumente verwendbar sind und

die Bedienung sehr realitätsnah ist.

Der Kritikpunkt ist:

Bedienbarkeit: Computergestützte Planungsapplikationen bieten viele Funktionen für das

Definieren der Planung und das virtuelle Operieren. Die Planungsergebnisse bezüglich des

Detailgrades und die Simulationen der postoperativen Patientensituation liefern gute an-

schauliche Ergebnisse. Die fehlende haptische Rückkopplung und die zweidimensionale

Darstellung sind jedoch hinderlich bei der Bedienung und machen diese kompliziert. Diese

Nachteile existieren bei dreidimensionalen Organmodellen nicht. Dafür ist die weiterfüh-

rende Verwendung der Planungsdaten schwierig, da diese nicht digital vorliegen.

2.8.2 Implantatkonstruktion

Für die Definition der Implantatform ist in der Regel ein Konstrukteur zuständig. Dieser ist

in der Lage, die klinischen Anforderungen mit Hilfe der zur Verfügung stehenden CAD-

Applikationen umzusetzen. Spezielle CAD-Applikationen für den medizinischen Anwen-

dungsbereich existieren zwar, sind aber nicht für die Benutzung durch den Chirurgen ge-

dacht.

2.8 Nachteile bestehender Systeme und Methoden

Die Kritikpunkte sind:

Komplexität der Bedienung: Die zur Verfügung stehenden CAD-Applikationen sind

nicht speziell auf die klinischen Anforderungen zugeschnitten. Diese wurden bisher um die

notwendigen medizinischen Funktionalitäten erweitert, jedoch nicht als Ganzes an die kli-

nischen Bedürfnisse angepasst. Durch die Notwendigkeit grundlegender Konstruktions-

kenntnisse ist der Chirurg nicht in der Lage, eine Konstruktion eigenständig durchzufüh-

ren.

Fehleranfällige Kommunikation: Die Komplexität der Konstruktionsbedienung erfordert

die externe Konstruktion des Implantates. Hieraus folgt die Notwendigkeit der Übertra-

gung der klinischen Informationen bzw. Operationsplanung an den Konstrukteur. Eine er-

höhte Kommunikation zwischen Chirurg und Konstrukteur ist notwendig. Da jedoch kein

Protokoll des Datenaustausches definiert ist, ist das Resultat ein vergrößerter Zeitaufwand

und eine erhöhte Fehleranfälligkeit bzw. besteht die Gefahr von Missverständnissen.

Inkompatibilität mit der Operationsplanung: Die Daten der Operationsplanung liegen

analog (Markierungen auf 3D-Modellen oder Röntgenfilmen) oder digital (Dateien im For-

mat der verwendeten Planungsapplikation) vor. Diese Daten sind die Grundlage der Im-

plantatkonstruktion. Aufgrund fehlender Standards sind diese Daten meist nicht direkt ver-

wendbar und müssen vom Konstrukteur aufwändig erneut erzeugt werden. Unter Umstän-

den sind dabei einige notwendige Informationen in der Planung nicht enthalten, die der

Konstrukteur erahnen bzw. erfragen muss.

2.8.3 Intraoperative Unterstützung

Der Chirurg wird intraoperativ durch Schablonen, Roboter oder Navigationssysteme unter-

stützt. Die Schablonentechnik ist weit fortgeschritten und bei einfachen Operationen am

Hirnschädel sehr gut einsetzbar. Die meist vollautomatischen Robotersysteme sind bisher

nur für Forschungszwecke eingesetzt worden. Diese sind sehr aufwändig in der Benutzung

im Operationssaal und haben eine geringe Akzeptanz bei Chirurgen und Patienten. Zudem

weisen einige Robotersysteme sehr hohe maximale Abweichungen auf. Navigationssyste-

me werden entweder zum initialen Ausrichten von Schablonen oder direkt zum Übertragen

der Osteotomielinie verwendet. Die Schablonen und Navigationssysteme weisen eine aus-

reichende Genauigkeit auf.

Die Kritikpunkte sind:

Eingeschränkte Unterstützung bei schwierigem Zugang: Die vorgestellten Systeme ar-

beiten, bis auf das einfache Navigationssystem mit Unterstützung eines Zeigeinstrumentes,

mit einfachen geometrischen Strukturen auf dem Hirnschädel. Sobald jedoch der Gesichts-

schädel mit betroffen ist, wird der Zugang eingeschränkt. In solchen Fällen liegt unter Um-

ständen der Zugang auf der Hirnseite. Dann sind die Prinzipien der Übertragung der Osteo-

tomielinie nicht anwendbar.

Fehlende Flexibilität: Die Schablonen und die Robotersysteme geben die Osteotomielinie

starr vor. Bei ungeplanten Änderungen während der Operation sind diese Verfahren nicht

in der Lage, auf die Bedürfnisse des Chirurgen einzugehen und Änderungen zuzulassen.

Sollen diese durchgeführt werden, ist das mit erhöhtem Aufwand verbunden. Die Navigati-

onssysteme erlauben solche Flexibilität, da die vorgeschlagenen Markierungen einfach

ignoriert und übergangen werden können.

2 Stand der Technik

Ungenügende Dokumentation: Das Instrument wird bis auf das robotergestützte Verfah-

ren nicht direkt überwacht. Dadurch können die genauen Behandlungsschritte nicht proto-

kolliert und dokumentiert werden. Die Dokumentation ist bisher ausschließlich auf die ge-

samte Knochenresektion beschränkt. Dabei sind Fotografien des Resultates mit der jeweili-

gen Führungsunterstützung als Zielvorgabe verwendbar.

Sicherheit: Die Verfahren führen das Instrument, bis auf die Robotersysteme, indirekt. Die

direkte Überwachung findet nicht statt. Kritische Abweichungen der Instrumente bezüglich

sensibler Organe werden nicht erfasst. Die Systeme können somit keinen Einfluss auf den

Operationsverlauf nehmen. Die Sicherheit des Patienten wird nicht erhöht.

3 Zielsetzung

In diesem Kapitel werden ausgehend von den identifizierten Problemen die neuartigen Zie-

le der Arbeit aufgestellt. Anschließend erfolgt die Abgrenzung zu verwandten bzw. weiter-

führenden Themengebieten.

3.1 Ungelöste Probleme

Ausgehend von der Kritik am Stand der Technik können folgende Defizite der existieren-

den Unterstützungssysteme und -verfahren identifiziert werden:

Eingeschränkte Einbindung des Chirurgen in den Konstruktionsprozess: Durch das

erforderliche detaillierte Wissen zur Modellierung von dreidimensionalen Objekten, wel-

ches ein Großteil der Planungsapplikationen voraussetzen, wird der Planungsprozess durch

einen Techniker unterstützt. Dies erfordert eine hohe Kommunikation zwischen Chirurg

und Techniker für die Fertigung des Implantates. Das ist fehleranfällig und bedarf oft meh-

rerer Iterationen für den Informationsaustausch. Häufig ist dem Chirurgen die exakte Form

erst bei vorliegendem Implantat bekannt. Der Chirurg hat keinen direkten Einfluss auf die

Implantatform. Der Arzt wird derzeit nicht genügend in den Prozess der Implantatkon-

struktion einbezogen.

Fehlende intraoperative Unterstützung bei komplexen Implantatstrukturen: Im Ge-

sichtsbereich, vor allem nahe der Augen, ist die räumliche Struktur des Knochens komple-

xer als beispielsweise am Hirnschädel. Für die Resektion dieser Knochenteile sind dabei

unter Umständen Schnitte mit Zugang vom Hirn her notwendig. Hierfür lassen sich die be-

kannten Verfahren zur Übertragung von Schnittgrenzen nicht anwenden.

Ungenügende Genauigkeit in der Umsetzung der Planung: Die Implantat- und Implan-

tatlagergrenzen sind idealerweise schräg überlappend, um stabilen Halt zu gewährleisten.

Die dafür notwendige Kontrolle der Lage und Orientierung der Fräse am Zielgebiet ist bis-

her nicht ausreichend. Die robotergestützte Behandlung ist zwar ausreichend genau, jedoch

aufgrund des Aufbaus noch weit von klinischen Routineeinsätzen entfernt. Auch bei der

Verwendung von Schablonen bestehen Probleme bezüglich deren eindeutiger Orientierung

und Einschränkung auf einfache Formen. Der Chirurg wird nur gering unterstützt und

muss daher auf seine Erfahrungen zurückgreifen. So kommt es oft zu zeitintensiven Nach-

bearbeitungen, um die Passung mit dem Implantat zu gewährleisten.

Unzureichende Unterstützung bei Korrekturmaßnahmen: Nachdem die Knochenre-

sektion durchgeführt wurde, können durch Ungenauigkeiten bei der Positionierung der

Fräse Abweichungen entstehen. Diese Abweichungen sind hinderlich für die geforderte

Passgenauigkeit und daher korrekturbedürftig. Da die Abweichungen jedoch nicht direkt

erkennbar sind, ist ein erheblicher Aufwand notwendig, um durch wiederholtes Testen der

Implantatpassung die Zielform zu erreichen.

Geringe Flexibilität gegenüber Anforderungsänderungen: Die Operationsplanung und

die Festlegung der Implantatform ist vor der Operation durchgeführt worden. Während der

Operation können Anforderungen durch vorliegende Informationen geändert werden. Bis

auf die navigierten Assistenzsysteme ist der Verlauf der Resektion nur unter erhöhtem Auf-

wand möglich.

Fehlender Schutz sicherheitsrelevanter Strukturen: Die existierenden Behandlungsver-

fahren unterstützen den Chirurgen ausschließlich bei der Übertragung der geplanten Osteo-

3 Zielsetzung

tomielinie auf den Patienten. Das Fräsen selbst bzw. die Lage des Fräsinstrumentes zum

Patienten wird nicht überwacht. Somit kann der Chirurg bei großen Abweichungen von der

Planung oder bei Bewegungen in der Nähe von sensiblen Strukturen nicht informiert oder

gewarnt werden.

3.2 Zielsetzung der Arbeit

Ziel der Arbeit ist es, eine Methode eines klinisch einsetzbaren Assistenzsystems für die

Tumortherapie am Kopf zu entwickeln. Das System soll die einzeitige chirurgische Be-

handlung unterstützen, bei der künstliche Ersatzmaterialien für die Rekonstruktion verwen-

det werden. Dabei soll der behandelnde Arzt sowohl bei der Operationsplanung und Im-

plantatkonstruktion als auch bei der anschließenden, exakten Umsetzung der Planung im

chirurgischen Eingriff unterstützt werden. Der zusätzliche Aufwand des Chirurgen muss

dabei im sinnvollen Verhältnis zum klinischen Nutzen stehen. Die wichtigen Teilaspekte

lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Ganzheitliches Assistenzsystem: Es soll ein System erstellt werden, das eine geschlosse-

ne Lösung des Großteils des chirurgischen Behandlungsablaufes für die Tumortherapie

darstellt. Dazu zählen die Operationsplanung, die Konstruktion des Implantates, der Daten-

export in ein geeignetes Austauschformat für die Implantatherstellung und die Unterstüt-

zung während der Behandlung.

Verbindung von Operationsplanung und Implantatkonstruktion: Der Chirurg soll die

Konstruktion des Implantates selbst übernehmen. Diese mit zusätzlichem Aufwand ver-

bundene Tätigkeit muss daher stark vereinfacht werden. Durch das Zusammenführen von

Operationsplanung und Implantatkonstruktion stehen dem Konstruktionsprozess Zusatzin-

formationen zur Verfügung. Dadurch soll mit verhältnismäßig geringem Zusatzaufwand

eine Konstruktion des Implantates ermöglicht werden, in der der Chirurg direkt auf die zu-

künftige Implantatform Einfluss nehmen kann.

Übertragung der Planung mittels navigierten Fräsens: Während des chirurgischen Ein-

griffs soll das System mit geeigneten Assistenzfunktionen dem Chirurgen Informationen

zur Verfügung stellen, die es diesem intuitiv ermöglichen, die Führung eines Fräsinstru-

mentes entsprechend der geplanten Resektion vorzunehmen. Nachträgliche Korrekturen

sollen durch Hinweise des Systems erleichtert werden. Insgesamt soll dadurch eine verrin-

gerte Operationszeit erreicht werden.

Überwachen des Fräsvorganges: Durch die im System selbst verankerte Kenntnis der

Wirkungsweise der Komponenten lassen sich Fehler unmittelbar beim Fräsvorgang ablei-

ten und darstellen. Der Chirurg soll damit eine Beurteilung des Systemverhaltens vorneh-

men können, was zu einer effektiven Überwachung des Fräsvorganges führt. Insgesamt

soll hiermit die Wahrscheinlichkeit der Benutzung eines fehlerbehafteten Systems verrin-

gert.

3.3 Abgrenzung

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein System zur Unterstützung bei der Planung und Behand-

lung von Tumorerkrankungen am Kopf vorgestellt. Einige thematisch verwandte Probleme

werden jedoch wegen deren Umfänge in dieser Arbeit nicht oder nur zum Teil behandelt.

Damit werden gleichzeitig Vorbedingungen für die Einsetzbarkeit des Assistenzsystems

definiert.

3.3 Abgrenzung

Unterstützung verschiedener Materialien bei der Konstruktion: Implantatmaterialien,

wie beispielsweise Titan, Glaskeramik oder PMMA, weisen verschiedene Eigenschaften

hinsichtlich Festigkeit, Bearbeitbarkeit, Verträglichkeit etc. auf. Daraus resultieren unter-

schiedliche Bedingungen, die bei der Implantatkonstruktion berücksichtigt werden müssen.

In dieser Arbeit wird vom Typ des Materials abstrahiert.

Generelle Konstruierbarkeit: Bei der Implantatkonstruktion im Bereich des Kopfes kann

auf verschiedene Verfahren, abhängig von der Lage des erkrankten Gewebes, zurückgegrif-

fen werden. Prinzipiell werden zwei Kategorien dieser Lage unterschieden: einseitige De-

fekte, welche die Mediane nicht überschreiten, und Ausgedehnte, die die Mediane über-

schreiten. Für die erste Kategorie wird meist die anatomische Symmetrie ausgenutzt. Bei

der Zweiten muss auf generalisierte Modelle, alte Bilddaten des Patienten oder andere

Bilddaten ähnlicher Patienten zurückgegriffen werden (Beleites et al. 2001a, Sauret et al.

2002, Litschko et al. 2002, Vandermeulen et al. 2005 und Fieten et al. 2006). In dieser Ar-

beit werden ausschließlich Konstruktionen einseitiger Defekte für den Kopfbereich unter-

stützt, die durch Ausnutzung der anatomischen Symmetrie erzeugt werden können. Dafür

ist eine gesunde und intakte Gewebestruktur auf der zur Erkrankung symmetrischen lie-

genden Seite erforderlich.

Unterstützung verschiedener Gewebetypen für die Implantatkonstruktion: Aus funk-

tionaler Sicht ist die Nachbildung der Strukturen des Knochengewebes ausschlaggebend

für die Konstruktion der Implantatform. In einigen Fällen sind unter ästhetischen Gesichts-

punkten auch Formen des Weichgewebes, wie beispielsweise des Muskelgewebes, wichtig.

Um diese Formen in der Konstruktion berücksichtigen zu können, müssen die Verfahren

der Formbestimmung von relevantem Knochengewebe auf das Weichgewebe übertragen

werden. In dieser Arbeit werden ausschließlich Konstruktionsformen auf der Basis von

Knochengewebe unterstützt.

Überprüfen der Planung durch virtuelles Operieren: Die erstellte Operationsplanung

kann präoperativ durch virtuelles Operieren geprüft werden (Keßler et al. 2000, Gladilin

2003 und Zachow 2005). Dazu müssen zu den geplanten Arbeitsschritten jeweils virtuelle

Umsetzungen existieren, die die relevanten realen Eigenschaften repräsentieren. Beispiels-

weise muss das geplante vollständige Abtrennen von Teilen des Knochengewebes eine Se-

parierung und Mobilisierung dieses Teilstücks zur Folge haben. Die Mobilisierung wieder-

um muss einer Kollisionsprüfung mit entsprechender Reaktion bezüglich anderer Struktu-

ren unterliegen. Die Probleme hierin liegen oft in der intuitiven Handhabbarkeit sowie der

resultierenden Aussagekraft, da nicht alle Gewebeeigenschaften simuliert werden und so-

mit die Ergebnisse nicht vollständig übertragbar sind.

Präoperative Simulation der postoperativen Weichgewebssituation: Die Situation des

Weichgewebes kann nach einer virtuellen Umstellung des Knochengewebes simuliert wer-

den (Altobelli et al. 1993, Keeve et al. 1998 und Zachow 2005). Dafür werden die Patien-

tenbilddaten in ein Modell überführt, das aus soliden und flexiblen Teilen mit speziellen

Verformungseigenschaften besteht. Ausgehend von diesem Modell sind postoperative Sze-

narien berechenbar, die die Realität zu einem gewissen Grad repräsentieren. Anhand dieser

Approximation werden ästhetische Beurteilungen für den Chirurgen vereinfacht. Zudem

gestalten sich Patientengespräche damit deutlich anschaulicher.

Fusion verschiedener Bildmodalitäten: Für die Diagnose von Tumorerkrankungen wer-

den MRT-Bilddaten bevorzugt verwendet. Hierbei ist die Differenzierbarkeit unterschiedli-

cher Arten von Weichgewebe erheblich einfacher als bei CT-Bilddaten. Das Knochengewe-

be wird jedoch weniger gut abgebildet. Bei der Planung einer Operation im Bereich des

3 Zielsetzung

Kopfes ist die Kenntnis der genauen Lage von Hart- und Weichgewebe wichtig. Dafür ist

es denkbar, die Vorteile der unterschiedlichen Bildmodalitäten zu kombinieren und dem

Chirurgen eine Fusion der Patientenbilddaten zur Verfügung zu stellen. Die Bilddaten müs-

sen zueinander registriert und möglicherweise entzerrt werden, um eine überlagerte Dar-

stellung zu ermöglichen (Mösges und Lavallée 1996).

Automatische Segmentierung von Tumorgewebe: Für die Planung ist die genaue Kennt-

nis der Ausdehnung, Lage und Grenze des Tumorgewebes notwendig. Diese Informationen

werden durch die Segmentierung des Tumorgewebes in den präoperativen Bilddaten ermit-

telt. Mit Hilfe von Bildverarbeitung können große Teile der Segmentierung automatisch

durchgeführt werden. Diese Algorithmen analysieren und klassifizieren die Bilddaten und

bestimmen so die möglichen Regionen des tumorerkrankten Gewebes. Die Algorithmen

basieren auf verschiedenen Ansätzen, wie beispielsweise der Spektralanalyse (Taxt und

Lundervold 1994), künstlichen neuronalen Netzen (Li et al. 1996) oder sind wissensbasiert

(Clark et al. 1998).

Automatische Optimierung der konstruierten Implantatform: Die konstruierte Form

des Implantates wird auf die patientenindividuelle Form des Gewebes abgestimmt. Für die

optimale Passgenauigkeit des Überganges von Implantat zu Gewebe müssen eventuell auf-

tretende Abweichungen so gering wie möglich sein. Mit Hilfe von Optimierungsverfahren,

die die konstruierte Implantatform hinsichtlich dieses Überganges verändern, sind geringe-

re Abweichungen und somit eine erhöhte Passgenauigkeit zu erwarten. Nach einer manuel-

len Definition der prinzipiellen Implantatform sind anschließende Optimierungsverfahren

der geometrischen Form hilfreich. Somit wird die Bedienbarkeit durch erhöhten Automati-

sierungsgrad verbessert und die Konstruktionszeit verkürzt.

Lageabhängige Leistungsbegrenzung des Instrumentes: Neben der visuellen oder akus-

tischen Rückkopplung des Navigationssystems bezüglich der Lage eines Instrumentes ge-

genüber der präoperativen Planung kann das System auch direkten Einfluss auf das Instru-

ment ausüben (Lüth et al. 2001, Lüth und Hein 2002, Mätzig 2005, Kneissler 2005, Kou-

lechov 2006, Jank et al. 2006 und Stopp 2008). Dabei wird lageabhängig die Leistung des

Instrumentes direkt durch das Navigationssystem verändert. Ein Anwendungsbeispiel dafür

ist der Schutz sensibler Gewebestrukturen. Präoperativ wird dafür eine Segmentierung der

sensiblen Bereiche auf der Basis von Patientenbilddaten vorgenommen. Intraoperativ wird

dann die Leistung des Instrumentes zusätzlich zur Kontrolle des Chirurgen proportional zu

dessen Abstand zur Segmentierung gesteuert. Auf diese Weise wird die Sicherheit erhöht,

ohne den Arbeitsablauf bei der Operation und die Handhabung des Instrumentes einzu-

schränken.

Nichtinvasive Patientenregistrierung: Für die Nutzung präoperativer Planungs- und Pati-

entenbilddaten während der Operation muss die Lage des Patienten und der Bilddaten ge-

genüber einem gemeinsamen Koordinatensystem bekannt sein. Basierend auf gleichen

Merkmalen in beiden Datensätzen kann eine eindeutige Zuordnung (Registrierung) ermit-

telt werden. Als Merkmale sind künstliche oder natürliche Landmarken, Haut- oder Kno-

chenoberflächen oder Projektionsbilder verwendbar (Lavallée 1996). Die Registrierungsar-

ten unterscheiden sich hinsichtlich der Invasivität, der Genauigkeit und des Bedienkom-

forts.

Entwicklung der Navigationsplattform: Eine Plattform für navigierte Anwendungen im

klinischen Umfeld ist zusammengesetzt aus den Komponenten Lagemesssensor, Rechen-

einheit und Benutzerschnittstelle bestehend aus einem Bildschirm und Eingabegeräten.

Dieses elektrische Gerät muss für den Einsatz am Patienten nach MPG zugelassen sein. In

3.3 Abgrenzung

dieser Arbeit dient eine Weiterentwicklung des in Schermeier 2002 vorgestellten Navigati-

onssystems als Ausgangsbasis. Diesbezügliche Weiterentwicklungen wurden in Krüger

2006 beschrieben.

Elektromagnetische intraoperative Positionsmessung: Die intraoperative Lagevermes-

sung von Instrument und Patient ist eine Grundvoraussetzung für das navigationsgestützte

Operieren. Hierfür existieren unterschiedliche Funktionsweisen mit jeweiligen Vor- und

Nachteilen. In dieser Arbeit wird die optische Lagevermessung verwendet, da ein Fräsin-

strument mit Elektromotor eingesetzt wird. Die elektromagnetische Positionsmessung hat

jedoch große Vorteile, unter anderem hinsichtlich der Größe der Lokalisatoren und der in-

traoperativen Anwendbarkeit. Störeinflüsse des Magnetfeldes, zum Teil verursacht durch

die Instrumente selbst, wirken sich jedoch negativ auf die Genauigkeit der Positionsmes-

sung aus. In Mucha 2009 werden dazu Konzepte und Verfahren vorgestellt, um diese nach-

teiligen Auswirkungen zumindest bei passiven Instrumenten (z.B. Zeigeinstrument) zu re-

duzieren.

Intraoperative Adaptierung der Patientenbilddaten: Für die intraoperative navigierte

Unterstützung von Instrumenten sind Planungsdaten eine zwingende Voraussetzung. Meist

enthalten diese Planungsdaten die präoperativen Bilddaten des Patienten. Da die Bildak-

quisition aufgrund des erhöhten Aufwandes und der begrenzten Verfügbarkeit von entspre-

chenden Aufnahmegeräten oft zeitlich von der Behandlung getrennt ist, können Divergen-

zen zwischen den Bilddaten und der realen Patientensituation entstehen. Durch die Ver-

wendung intraoperativ einsetzbarer Geräte zur Bildgebung können die aktuelle Patientensi-

tuation erfasst und der Bilddatensatz angepasst werden. Verwendbare Verfahren und Me-

thoden dafür sind in Queck 2002, Hebecker 2003 und Tita 2007 beschrieben. In dieser Ar-

beit werden die präoperativ erzeugten Bilddaten des Patienten als statisch innerhalb der

Zeitspanne von der Bildakquisition bis zur Behandlung angenommen.

Intraoperative Unterstützung beliebiger Instrumente: Bei der Operation werden ver-

schieden geformte Instrumente, wie beispielsweise Sägen und Fräsen, eingesetzt. Für die

Verwendung von beliebigen Instrumenten in einem Assistenzsystem müssen deren Eigen-

schaften in eindeutige Klassen getrennt werden. Intraoperativ werden die Eigenschaften

der Instrumente mit speziellen Vermessungsvorrichtungen erfasst und können so den vor-

definierten Instrumentenklassen zugeordnet werden. Für jede Klasse ist oft eine Vermes-

sungsvorrichtung notwendig. Ansätze dahingehend wurden in Beyer et al. 2007 vorgestellt.

Im Rahmen dieser Arbeit werden explizit zwei Typen von Instrumenten unterstützt, die

nach ihrer intraoperativen, geometrischen Vermessung als starr angenommen werden.

4 Konzept

In diesem Kapitel werden ausgehend vom eigenen Ansatz die Konzepte und prinzipiellen

Eigenschaften beschrieben, auf denen das entwickelte Assistenzsystem für die Tumorthera-

pie am Kopf beruht (Rose et al. 2008). Zunächst wird die Modellierung der chirurgischen

Therapie beschrieben. Anschließend erfolgt die Erläuterung des neuartigen Benutzungsab-

laufes, gefolgt von den statischen und dynamischen Systembeschreibungen.

4.1 Eigener Ansatz

Im Folgenden werden die wesentlichen Lösungsansätze anhand der Kritikpunkte aus dem

vorangegangenen Kapitel beschrieben.

Ganzheitliches Assistenzsystem: Im Gegensatz zu bisherigen Assistenzsystemen, die je-

weils Teillösungen bereitgestellt haben, stellt das entwickelte System eine geschlossene

Lösung für einen Großteil des chirurgischen Operationsablaufes einer Tumorresektion dar.

Der bisherige Arbeitsablauf des Chirurgen wird unverändert belassen, aber in weiten Teilen

zusätzlich durch ein Assistenzsystem begleitet. Dazu wird die Planung des Operationsab-

laufes, die Konstruktion des Implantates und die Unterstützung der genauen Umsetzung

der Planung durch das System abgebildet. Durch die Zusammenlegung von Arbeitsschrit-

ten werden Redundanzen vermieden und somit eine klare Abfolge von Arbeitsschritten

vermittelt. Dies führt zu einer prinzipiellen Vereinfachung der Benutzerführung.

Kombination von Operationsplanung und Implantatkonstruktion: Der Chirurg über-

nimmt im Gegensatz zu bisherigen Lösungen die Konstruktion des Implantates selbst. Die-

se mit zusätzlichem Aufwand verbundene Tätigkeit ist jedoch stark vereinfacht, da der

Chirurg geringe Kenntnisse in der Konstruktion und wenig zusätzliche Zeit zur Verfügung

hat. Durch das Zusammenführen von Operationsplanung und Implantatkonstruktion stehen

dem Konstruktionsprozess Zusatzinformationen zur Verfügung. Dadurch wird mit verhält-

nismäßig geringem Zusatzaufwand eine Konstruktion des Implantates ermöglicht, in der

der Chirurg direkt auf die zukünftige Implantatform Einfluss nehmen kann. Um eine weit-

gehend automatisierte Konstruktion des Implantates zuzulassen, werden ausschließlich An-

wendungsfälle unterstützt, bei denen die symmetrische Anatomie des Kopfes ausgenutzt

werden kann. Dies und das Vorhandensein von Informationen aus der Operationsplanung

vereinfachen den Konstruktionsprozess. Das Zusammenlegen von Operationsplanung und

Implantatkonstruktion erlaubt bei vertretbarem Mehraufwand einen erhöhten Nutzen für

den Chirurgen und Patienten. Aus der Folge der exakten Implantatkonstruktion wird im

Rückschluss eine genauere Operationsplanung durchgeführt. Der Chirurg erhält detaillierte

Kenntnisse über spezielle anatomische Gegebenheiten des Eingriffsgebietes.

Übertragung der Planung mittels navigierten Fräsens: Die Lage des Instrumentes und

des Patienten werden während der Behandlung von einem Lagemesssensor periodisch er-

mittelt. Das System stellt dem Chirurgen mit geeigneten Assistenzfunktionen diese Infor-

mationen nahe dem Situs zur Verfügung, die es diesem intuitiv ermöglichen, die Führung

eines Fräsinstrumentes entsprechend der geplanten Resektion vorzunehmen. Die Übertra-

gung der Planung erfolgt im Gegensatz zu bisherigen Verfahren direkt über das vom Chir-

urgen geführte Instrument. Nachträgliche Korrekturen werden durch Hinweise des Systems

erleichtert. Insgesamt wird damit eine verringerte Operationszeit angestrebt. Im Einzelnen

zeichnet sich das System durch folgende Eigenschaften aus:

4.1 Eigener Ansatz

●Minimaler Zugangsweg: Die Einhaltung des geplanten Zugangsweges zum Kno-

chengewebe wird durch das lageüberwachte Instrument vereinfacht. Mit Hilfe dessen

Visualisierung bezüglich der Planung wird der gezielte Zugang ermöglicht.

●Führungshilfe bei der Resektion: In der Nähe des Situs werden vereinfacht die Ab-

weichungen bezüglich der Position und Orientierung des Fräsinstrumentes von der

Planung angezeigt. Diese Informationen dienen dem Chirurgen, um die Lage des In-

strumentes unmittelbar anzupassen.

●Flexible Adaptierung: Die Führungshilfe stellt keinen Zwang dar. Der Chirurg ist so-

mit in der Lage kurzfristige Änderungen aufgrund von aktuellen Erkenntnissen

durchzuführen. Die Planung muss dazu nicht adaptiert werden.

Überwachen des Fräsvorganges: Während des chirurgischen Eingriffs ist dem System

die relative Lage des Instrumentes zum Patienten bekannt. Durch die im System selbst ver-

ankerte Kenntnis der Wirkungsweise der Komponenten lassen sich Fehler unmittelbar

beim Fräsvorgang ableiten. Diese werden dem Chirurgen kontinuierlich auf intuitive Weise

präsentiert. Der Chirurg wird damit in die Lage versetzt, eine Beurteilung des Systemver-

haltens vorzunehmen. Beeinflussbare Fehler können durch den Chirurgen aufgrund der

vermittelten Kenntnis der Ursachen verringert oder ganz ausgeschaltet werden. Dem Chir-

urgen werden damit Mittel zur Verfügung gestellt, den Fräsvorgang effektiver zu überwa-

chen. Bei der Überschreitung der zulässigen Abweichungstoleranzen wird der Chirurg un-

mittelbar durch die Ausgabe von Warnsignalen benachrichtigt. Insgesamt wird hiermit die

Wahrscheinlichkeit der Benutzung eines fehlerbehafteten Systems verringert.

4.2 Modellierung der chirurgischen Therapie

In diesem Abschnitt wird die Modellierung der chirurgischen Therapie hinsichtlich der re-

levanten Funktionen und Arbeitsabläufe für das Assistenzsystem beschrieben. Dabei wird

das zeitliche und räumliche Zusammenwirken im Überblick aufgezeigt.

4.2.1 Einordnung des Systems in den Therapievorgang

Der Vorgang der Therapie wird in die präoperativen Abschnitte Diagnose mit Bildakquisi-

tion, Planung/Konstruktion und Implantatfertigung, die intraoperative Behandlung und die

postoperative Nachsorge unterteilt. Die zwei Abschnitte Planung/Konstruktion und ein Teil

der Behandlung werden von dem entwickelten System unterstützt. Die Diagnose, die Im-

plantatfertigung und die Nachsorge werden weiterhin konventionell durchgeführt (Abb. 4-

1). Der Begriff Behandlung steht für den gesamten intraoperativen Eingriff und folgt zeit-

lich gesehen im Anschluss an die Planung/Konstruktion, welcher für die präoperative Ope-

rationsplanung und Implantatkonstruktion steht. In der weiteren Arbeit wird der Begriff

Planung zur Vereinfachung stellvertretend für den Abschnitt Planung/Konstruktion ver-

wendet. Somit existieren beim Assistenzsystem neben einer notwendigen Benutzerschnitt-

stelle zwei Schnittstellen zu externen Abschnitten:

●Präoperative Patientenbilddaten: Die zum System gerichtete Schnittstelle zwischen

Diagnose und Planung überträgt die präoperativ erstellten Bilddaten des Patienten

und diagnostische Informationen. Das sind die Grundvoraussetzungen für das Assis-

tenzsystem.

4 Konzept

●Konstruktionsdaten der Implantatform: Zwischen der Planung und der Implantatfer-

tigung besteht eine vom System nach außen gerichtete Schnittstelle, die Konstrukti-

onsinformationen über die Implantatform vermittelt.

Abbildung 4-1: Überblick des einzeitigen chirurgischen Therapieablaufes, bei dem das

entwickelte System die Arbeitsschritte Planung/Konstruktion und Teile

der Behandlung unterstützt

4.2.2 Abbildung der geometrischen Zusammenhänge

Die geometrischen Zusammenhänge werden hinsichtlich des Wirkens des Systems model-

liert und im Überblick beschrieben. Das Assistenzsystem muss die Lage des Instrumentes

in Relation zu Planungsobjekten, definiert in den präoperativen Bilddaten, sicher ermitteln.

In Abb. 4-2 werden die geometrischen Relationen der wichtigsten Komponenten aufge-

zeigt. Auf die detaillierten Zusammenhänge wird an geeigneter Stelle eingegangen. Die

geometrischen Zusammenhänge werden durch Koordinatensysteme bzw. deren homogene

Transformationen untereinander beschrieben. Es werden statische und dynamische Trans-

formationstypen unterschieden. Dynamische Transformationen ändern sich zyklisch und

sind durch gestrichelte Übergangslinien gekennzeichnet. Diese repräsentieren Übergänge

zwischen Koordinatensystemen, die in Abhängigkeit von der Zeit Unterschiede aufweisen

können. Statische Transformationen hingegen sind feste Übergänge, die selten Veränderun-

gen aufweisen oder konstant sind.

Das Basissystem der Planungsdaten ist das Koordinatensystem der Bilddaten img. Bezüg-

lich dessen werden Planungsobjekte.

Ein Messsystem ermittelt mit Hilfe von Referenzierungskörpern (Lokalisatoren), befestigt

an den jeweiligen Objekten, die Position und Orientierung zu einem Basissystem cam.Mit

diesem gemeinsamen Koordinatensystem können Übergangstransformationen innerhalb

der lageüberwachten Objekte bestimmt werden. Im Einzelnen sind das Folgende:

●Zeigeinstrument (pointer): Das Koordinatensystem ptr wird durch einen Lokalisator

am Zeigeinstrument definiert. Die geometrische Anordnung zwischen Lokalisator

und Spitze ptt ist fest vorgegeben und bautechnisch nicht veränderbar. Dennoch wird

dieser geometrische Zusammenhang zu Beginn der Behandlung durch das Vermessen

am Patientenlokalisator überprüft.

●Fräsinstrument (trephine): Ein am Fräsinstrument befestigter Lokalisator definiert

das System trp. Durch die optionale Vermessung des Instrumentes mit Hilfe des Ver-

messungskörpers wird die Transformation vom Fräserursprung (cutter origin) tro

Unterstützungssystem

Diagnose mit

Bildakquisition

Diagnose mit

Bildakquisition Planung /

Konstruktion

Planung /

Konstruktion Behandlung

Behandlung Nachsorge

Nachsorge

Implantatfertigung

4.2 Modellierung der chirurgischen Therapie

zum Lokalisator trp ermittelt. Der Übergang zur Spitze des Fräsers trt erfolgt durch

einen zweiten Vermessungsschritt am Patientenlokalisator.

●Vermessungskörper (measurement body): Ein Lokalisator am Vermessungskörper de-

finiert das Koordinatensystem msr. An diesem Körper kann das Fräsinstrument in ei-

ner definierten Lage fixiert und dessen geometrische Konfiguration ermittelt werden.

●Patient: Ein Lokalisator, fixiert am Patienten während des gesamten Behandlungs-

vorgangs, definiert das Koordinatensystem pat. Gleichzeitig dient der Lokalisator als

Referenz für die Ermittlung der Koordinatensysteme ptt und trt.

Abbildung 4-2: Modellierung der geometrischen Relationen, der für das Assistenzsystem

relevanten Komponenten in der Planungs- und Behandlungsphase durch

Koordinatensysteme bzw. Transformationen

Innerhalb der beiden Bezugskoordinatensysteme img und cam sind die Übergänge direkt

ermittelbar. Für die Zuordnung der präoperativen Planungsdaten zur intraoperativen Pati-

entensituation wird eine Referenz ref bezüglich des Koordinatensystems der Bilddaten img

und des Patientenlokalisators pat verwendet.

4.3 Benutzung des Systems

In diesem Kapitel wird das Konzept der Benutzung aus der Sicht des Anwenders beschrie-

ben. Die Benutzung des Assistenzsystems für die chirurgische Therapie wird in die präope-

rativen und intraoperativen Arbeitsschritte (Planung und Behandlung) unterteilt. In Abb. 4-

3 sind die einzelnen Schritte des neuartigen Nutzungsablaufs mit deren Relationen unter-

einander dargestellt. Zudem wird die Interaktion der beteiligten Personen im präoperativen

Benutzungsablauf in Abhängigkeit von der Zeit aufgezeigt. Für die Verwendung des Sys-

tems bei der Behandlung wird die örtliche Integration im Operationssaal beschrieben.

4 Konzept

Präoperativ

Einbringen der

Referenzmarker

Segmentieren

des Tumors

Intraoperativ

Definition der

Resektionslinie

Herstellen des

Implantates

(extern)

Bilddaten-

akquisition

Instrumenten-

vorbereitung

Patienten-

vorbereitung

Transfer der

Implantatgeometrie

Patienten-

registrierung

Vorbereiten

des Systems

Nachbereitung Eingliederung

des Implantates

Navigiertes

Entfernen

des Knochens

Definition der

Symmetrieebene

Definition von

Befestigungs-

aufnahmen

Anpassen der

Implantatform

Abbildung 4-3: Schematische Übersicht des Benutzungsablaufs des Assistenzsystems

unterteilt in präoperative und intraoperative Arbeitsschritte

Die Arbeitsschritte werden im Weiteren detailliert aus der Sicht des Benutzers beschrieben.

Hierbei werden die Planung und Behandlung getrennt betrachtet.

4.3.1 Präoperative Planung und Konstruktion

Die Planung enthält folgende Arbeitsschritte:

1. Einbringen der Referenzmarker: Die Registrierung des Patienten gegenüber den

Bilddaten wird mit künstlichen Landmarken realisiert. Dafür werden drei kleine Ti-

tanschrauben unter lokaler Anästhesie in den Schädelknochen so eingebracht, dass

diese den zukünftigen Situs möglichst gleichmäßig umschließen sowie den Patienten

und den Operationsvorgang nicht behindern. Die Invasivität des Eingriffs bei der fol-

genden Behandlung rechtfertigt diese Registrierungsmethode.

2. Bilddatenakquisition: Es werden computertomographische Bilddaten des Kopfes an-

gefertigt. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Markerschrauben im erstell-

ten Ausschnitt der Bilddaten enthalten sind. Die Daten müssen kompatibel zum in

NEMA 1998 beschriebenen DICOM-Format vorliegen, um mit dem Assistenzsystem

verarbeitet werden zu können.

3. Definition der Symmetrieebene: Das System beruht auf der Annahme, dass eine ge-

sunde Schädelhälfte vorhanden ist. Zudem darf das zu konstruierende Implantat die

Symmetrieebene nicht schneiden. Als Basis der Implantatform ist damit die gespie-

gelte Knochenform der gesunden Seite verwendbar. Um die Spiegelung durchführen

zu können, muss die Symmetrieebene des Kopfes bekannt sein. Diese wird durch das

4.3 Benutzung des Systems

Setzen von korrespondierenden Punktepaaren auf der Knochenoberfläche realisiert.

Dabei muss mindestens ein Punktepaar definiert werden.

4. Segmentieren des Tumors: Anhand der Bilddaten ist der Chirurg nun in der Lage, mit

Hilfe von geeigneten Werkzeugen das erkrankte Gewebe zu markieren. Dies wird auf

der Basis der axialen Schichtaufnahmen durchgeführt. Mit Hilfe von Polygonen wird

die ungefähre Form des Tumors in einigen Schichten erfasst. Wichtig dabei ist die

vollständige Ermittlung des erkrankten Gewebes mit entsprechendem Sicherheitsab-

stand. Am Ende des Arbeitsschrittes liegt eine dreidimensionale Region vor.

5. Definition der Osteotomielinie: Auf der korrespondierenden gesunden Seite wird die

Knochenstruktur innerhalb der definierten Region extrahiert und auf die erkrankte

Seite gespiegelt. Es liegt nun eine angenäherte Form des Implantates im Zielgebiet

vor. Anschließend erfolgt die Definition von mehreren separaten Schnittflächen auf

der Knochen- oder Implantatoberfläche. Damit wird einerseits die spätere Osteoto-

mielinie und andererseits die Form des Implantates definiert.

6. Anpassen der Implantatform: Die vorliegende Implantatform ist passend zur geplan-

ten Resektion. Unter Umständen ist es jedoch notwendig, Teile des resezierten Kno-

chengewebes nicht durch ein Implantat zu rekonstruieren. Ein Beispiel dafür ist der

Knochendurchtritt des Augennervs. Um die Implantatform dahingehend zu verän-

dern, stehen einfache Funktionen zur Verkleinerung der Implantatform zur Verfü-

gung. Zu diesem Zweck können Kugeln, deren Volumen von der Implantatform ab-

gezogen wird, mit verschiedenen Durchmessern auf dem vorliegenden Implantatmo-

dell definiert werden.

7. Definition von Befestigungsaufnahmen: Das Implantat muss an dem angrenzenden

Knochengewebe mit kurzen Metallplatten fixiert werden. Zudem wird die Hirnhaut

mittels Hochnähten am Implantat befestigt. Hierfür müssen Bohrlöcher im Implantat

vorhanden sein. Diese werden mittels positionierbaren Zylindern auf der Implantat-

oberfläche definiert.

8. Transfer der Implantatgeometrie: Die Herstellung wird durch einen externen Anbie-

ter realisiert. Die dafür notwendigen geometrischen Bauvorschriften sind vollständig

durch den Operateur beschrieben. Der Chirurg prüft die Implantatform, bevor das

System die Daten zur Implantatoberfläche im Stereolithographie-(STL)-Format (3D-

Systems 1989) exportiert. Diese Daten werden dem Hersteller zugesandt.

9. Herstellen des Implantates (extern): Für die Zulassung des individuellen Implantates

nach MPG, wie in Kapitel 2.3, Implantatkonstruktion (S. 20), beschrieben, stehen

mehrere Möglichkeiten zur Verfügung. Um die Konformität aufrecht zu erhalten,

muss der Konstruktionsvorgang mit in dem Herstellungsprozess beschrieben sein.

Bei dem in dieser Arbeit verfolgten Ansatz ergeben sich zwei Möglichkeiten:

●Die vollständige Zulassung der Konstruktionsapplikation wird im Fertigungspro-

zess des Herstellers aufgenommen. Dies hat zur Folge, dass der Chirurg als Be-

nutzer der Applikation entweder strenge eindeutige Konstruktionsregeln befolgen

muss oder die Applikation die Konstruktionsvorschriften automatisch überprüft.

●Die übermittelten Konstruktionsdaten werden als Teil des Fertigungsprozesses

definiert. Dafür muss garantiert werden, dass diese Daten den in der Zulassung

beschriebenen Anforderungen entsprechen. Dies wird durch den prüfenden Tech-

niker sichergestellt.

4 Konzept

Im Rahmen dieser Arbeit wird der zweite Weg bevorzugt. Auf der Basis der übermit-

telten Konstruktionsdaten wird die Implantatform hinsichtlich der Herstellbarkeit

und Konformität geprüft. Wenn alle Bedingungen eingehalten werden, wird das Im-

plantat gefertigt. Dies kann aus verschiedenen Materialien (z.B. Titan oder Keramik)

und nach verschiedenen Methoden (z.B. CNC-Fräsen oder Stereolithographie) erfol-

gen.

Im Anschluss an die präoperative Planung erfolgt die Fertigung des konstruierten Implan-

tates durch einen externen Techniker. Die Kommunikation mit dem Techniker wird mini-

miert und definiert, um den Aufwand zu reduzieren und Missverständnissen vorzubeugen.

In Abb. 4-4 sind die notwendigen Interaktionen der beteiligten Personen über die Zeit dar-

gestellt.

Planung/

Konstruktion

Behandlung

Chirurg Techniker

Zeit

Übermittlung

der Konstruktion

Übermittlung

des Implantates

Prüfung

Fertigung

Abbildung 4-4: Interaktionsdiagramm für die Implantatkonstruktion der bei der präope-

rativen Benutzung des Assistenzsystems beteiligten Personen in Abhän-

gigkeit von der Zeit

Vom Chirurgen werden nach der erfolgten Planung die Ergebnisdaten im Stereolithogra-

phie-Format übermittelt. Nach der Prüfung und Fertigung wird das sterilisierte Implantat

an den Chirurgen gesandt. Daraus ergeben sich Abhängigkeiten, die bei dem zeitlichen Ab-

lauf der Therapie berücksichtigt werden müssen.

4.3.2 Behandlung

Für die Behandlung sind folgende Arbeitsschritte notwendig:

10. Vorbereiten des Systems: Zunächst wird auf die Berücksichtigung der Anforderungen

bei der Integration des Systems im Operationssaal eingegangen. Während der Opera-

tion muss das Eingriffsgebiet vollständig im Arbeitsbereich des optischen Lagemess-

sensors liegen. Dies erfordert eine Positionierung des Systems in der Nähe des Situs,

jedoch so, dass das OP-Team nicht behindert wird. Der konventionelle Operations-

aufbau wird minimal dahingehend verändert, dass das Assistenzsystem seitlich nahe

dem Patienten positioniert wird. Somit sind zwei Varianten links und rechts des Pati-

enten möglich. In Abb. 4-5 ist die linke Variante aus Sicht des Patienten dargestellt.

Der optische Lagemesssensor befindet sich erhöht über dem Rumpf des Patienten

und ermöglicht eine freie Sicht auf den Lokalisator am Kopf des Patienten und auf

das Fräsinstrument. Der flexible Miniaturbildschirm ist nahe dem Situs befestigt, so-

dass der Chirurg seine Sichtachse nur minimal ändern muss, um die Ausrichtung des

Instrumentes zu prüfen. Durch die Festlegung des Standortes des Assistenzsystems

4.3 Benutzung des Systems

im Operationssaal auf zwei Positionen wurden gleichzeitig auch Entscheidungen hin-

sichtlich des Aufbaus der Instrumente und deren Aufnahme für Lokalisatoren defi-

niert.

a) b)

Abbildung 4-5: Schematische Darstellung der OP-Situation mit integriertem Assistenz-

system auf der aus Patientensicht linken Seite: a) Ansicht von oben und

b) perspektivische Ansicht

11. Patientenvorbereitung: Der Patient muss anästhesiert und stabil gelagert werden.

Nachdem der Knochen des Eingriffsgebietes und die Markerschrauben freipräpariert

sind, erfolgt die Befestigung des Referenzlokalisators am Patienten durch Verschrau-

bung am Schädelknochen. Dabei muss der Standort des Assistenzsystems für eine

optimale Ausrichtung des Lokalisators und die Lage des zu resezierenden Knochen-

gewebes berücksichtigt werden.

12. Instrumentenvorbereitung: Zu Beginn wird der entsprechende Lokalisator am Instru-

ment befestigt. Die somit variierende geometrische Konfiguration des verwendeten

Fräsinstrumentes muss anschließend vermessen werden. Dazu wird das Instrument

am Vermessungskörper in eine definierte Lage gebracht. Dadurch wird die Wirkach-

se des Instrumentes ermittelt. Anschließend wird die Spitze des eingespannten Frä-

sers mit dem Duraschutz auf einem Referenzpunkt am Patientenlokalisator positio-

niert, um dessen Länge zu bestimmen.

13. Patientenregistrierung: Für das geometrische Abstimmen von präoperativen Bildda-

ten und aktueller Patientensituation werden die zuvor gesetzten Titanschrauben in

den Bilddaten markiert. Anschließend werden durch ein Zeigeinstrument die Marker-

schrauben in der vordefinierten Reihenfolge angetastet. Sollten die resultierenden

Abweichungen zu den Markierungen oberhalb einer definierten Toleranz liegen,

müssen die Schrauben erneut angetastet werden. Sobald die notwendige Genauigkeit

erreicht ist, erfolgt die Überprüfung anhand markanter natürlicher Landmarken und

die Bestätigung der Patientenregistrierung.

14. Navigiertes Entfernen des Knochens: Dem System ist nun vollständig die Lage des

Instrumentes relativ zu den Bilddaten des Patienten bekannt. Anhand dieser werden

dem Chirurgen Hinweise zur Position und Orientierung des Fräsinstrumentes relativ

zur aktuellen Osteotomielinie auf einem Miniaturbildschirm nahe dem Situs darge-

stellt. Dadurch ist der Chirurg in der Lage, den Fräsvorgang den Hinweisen entspre-

chend zu optimieren, sodass die entstehende Osteotomielinie der Geplanten ent-

spricht.

4 Konzept

15. Eingliederung des Implantates: Nachdem das erkrankte Gewebe entfernt wurde, er-

folgt gegebenenfalls eine Nachbesserung zur Einpassung des Implantates. Das kann

durch eine unvorhergesehene klinische Situation angezeigt sein. Dabei wird am Im-

plantat oder am Knochen sukzessive Material bis zur gewünschten Passung entfernt.

Anschließend kann das Implantat eingegliedert und fixiert werden. Eventuell muss

dabei die Hirnhaut mit Hochnähten am Implantat befestigt werden.

16. Nachbereitung: Abschließend erfolgt die Wundversorgung und Nahtapplikation. Die

Instrumente werden gereinigt und sterilisiert.

4.4 Statische Systembeschreibung

Dieser Abschnitt beschreibt das räumliche Zusammenwirken der Komponenten des Sys-

tems bezüglich deren Hauptfunktionen. Es soll einen Überblick über die von außen sicht-

baren Komponenten gegeben werden. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf der Behand-

lungsphase. Für den Planungsprozess wird die herkömmliche Anordnung eines computer-

gestützten Arbeitsplatzes an einem Schreibtisch verwendet.

Abbildung 4-6: Statischer Systemaufbau des Assistenzsystems während der Behandlung

In Abb. 4-6 sind die Hauptkomponenten des Assistenzsystems für die Behandlung darge-

stellt. Diese wichtigen Komponenten werden im Folgenden näher beschrieben.

4.4.1 Optischer Lagemesssensor

Um die räumlichen Zusammenhänge von Instrumenten und Patient zu bestimmen, wird ein

optischer Lagemesssensor (Vgl. dazu 2.5.2 Lagemesssysteme, S. 25) verwendet. Prinzipiell

werden verschiedene Sensorsysteme unterstützt, wie das Polaris, Polaris-Accedo, Vicra

System (Northern Digital, Inc.), das Flashpoint System (Boulder Innovation Group, Inc.)

und das MicronTracker System (Claron Technology, Inc.). In dieser Arbeit wird aus Grün-

den der MPG-Zulassung ausschließlich der Sensortyp Polaris verwendet. In dem Sensorge-

4.4 Statische Systembeschreibung

häuse sind zwei CCD-Kameras jeweils mit Infrarot-Lichtblitzgeräten und eine Rechenein-

heit fest integriert. Durch die Aufnahme von zwei aufeinanderfolgenden Bildern alternie-

rend mit und ohne künstliche Infrarot-Beleuchtung sind durch Differenzbildung die Re-

flektorelemente der Lokalisatoren detektierbar. Durch weitere Triangulierung sind die

räumlichen Positionen der einzelnen Reflektorelemente relativ zum Koordinatensystem

cam bestimmbar. Nach der Zuordnung der zuvor definierten Reflektorgeometrien jedes Lo-

kalisators zu den so ermittelten Positionen sind die Transformationen der Lokalisatoren be-

züglich des cam bekannt. Diese Berechnungen werden von der fest installierten Rechen-

einheit durchgeführt und stehen dem Steuerrechner über eine Schnittstelle zur Verfügung.

Die Kommunikation zu bzw. von dem Sensorsystem erfolgt über eine serielle Schnittstelle

(RS-232) in einem Zyklus von 20 Hz. Als Reflektorelemente werden Glaskugeln mit den

Durchmessern 5 und 10 mm sowie Kugeln mit einer retroreflektierenden Beschichtung un-

terstützt. Der Öffnungswinkel für diese Reflexion liegt bei 120°. Das Sensorsystem hat

nach Herstellerangaben einen spezifischen Arbeitsraum, der die Form einer Kugel zusam-

mengesetzt mit einem Zylinder aufweist. Die Kugel hat den Mittelpunkt in 1,9 m Entfer-

nung mit einem Durchmesser von 1 m. Der Zylinder erstreckt sich von 1,9 m bis 2,4 m mit

einem Durchmesser von 1 m. Die Genauigkeit des Sensors wurde in Schermeier 2002 un-

tersucht. Es wurde eine Standardabweichung in Abhängigkeit der Achsen des Sensorko-

ordinatensystems von

=0 ,02 0,03 0,10Tmm (4-1)

ermittelt. Das Sensorsystem ist über dem Rumpf des Patienten positioniert, sodass eine

freie Sicht auf die OP-Situation am Kopfende besteht. Der Sensor ist fester Bestandteil des

Navigationssystems. Die ermittelten Lagedaten der Lokalisatoren werden jeweils in Form

von Tupeln, bestehend aus einer Quaternion und einem Vektor, an den Steuerrechner des

Assistenzsystems übermittelt. Diese werden in homogene Transformationsmatrizen (z.B.

für den Patientenlokalisator Tpat

cam und das Fräsinstrument Ttr

cam ) konvertiert.

4.4.2 Patientenlokalisator

Der Patientenlokalisator der Firma BrainLAB AG dient der Ermittlung der Lage des Kopf-

es des Patienten. Dieser wird zu Beginn der Operation durch eine Verschraubung am Schä-

delknochen befestigt. Dessen Position und Ausrichtung muss so gewählt werden, dass kei-

ne Behinderung beim Zugang zum Situs besteht und der Ort des Assistenzsystems im Re-

flexionsbereich des Lokalisators liegt. Während der Behandlung wird die Lage des Patien-

tenlokalisators bezüglich des Patienten als konstant angenommen. Auf der Abb. 4-7 ist der

Lokalisator mit dem Adapter für die Verschraubung am Patientenknochen dargestellt. Das

Referenzkoordinatensystem pat des Lokalisators für den Lagemesssensor liegt im Mittel-

punkt einer Reflektorkugel. Auf dem Lokalisator ist eine kegelförmige Vertiefung eingelas-

sen, deren Position pre

pat bekannt ist. Diese dient der geometrischen Überprüfung des Zei-

geinstrumentes und der Vermessung der Länge des aktuellen Fräsers.

4 Konzept

Abbildung 4-7: Patientenlokalisator mit Adapter zur Verschraubung am Schädelknochen

(Firma BrainLAB AG) mit definiertem Koordinatensystem pat und dem

Registrierungspunkt für die Instrumentenvermessung pre

pat

4.4.3 Zeigeinstrument

Für die Referenzierung der Titanschrauben bei dem Registriervorgang wird ein Antastin-

strument mit einer definierten Spitze verwendet. Dies kann auch für die Orientierung in-

nerhalb anatomischer Strukturen eingesetzt werden. Das eingesetzte Zeigeinstrument der

Firma BrainLAB AG weist zwei Reflektorkugeln auf, deren Mittelpunkte exakt auf einer

Geraden zusammen mit der Instrumentenspitze liegen (Abb. 4-8). Das Referenzkoordina-

tensystem ptr dieses Instrumentes für den Lagemesssensor liegt im Mittelpunkt der vorde-

ren Reflektorkugel. Das Koordinatensystems ptt liegt in der Instrumentenspitze. Die kon-

stante Transformation Tpt

ptr wird zu Beginn der Behandlung überprüft, um geometrische

Veränderungen des Instrumentes zu erfassen.

Abbildung 4-8: Zeigeinstrument der Firma BrainLAB AG mit den definierten Koordina-

tensystemen ptr und ptt

4.4.4 Fräsinstrument mit Steuereinheit und Fußpedal

Das verwendete Fräsinstrument MicroSpeed HiXS mit Kraniotomaufsatz und Duraschutz

(Aesculap AG) ist elektrisch an die Steuereinheit gekoppelt (Abb. 4-9). Die Steuereinheit

erhält Steuersignale vom elektrisch gebundenen Fußpedal, setzt die Signale in Leistungssi-

gnale um und sendet diese zum Fräsinstrument.

4.4 Statische Systembeschreibung

b) c)

Abbildung 4-9: Komponenten des Frässystems der Firma Aesculap AG bestehend aus: a)

Fräsinstrument MicroSpeed HiXS mit Kraniotomaufsatz, Duraschutz

und Lokalisator mit den definierten Koordinatensystemen trp,tro und

trt, b) Steuereinheit und c) Fußschalter. Am Fräsinstrument ist über

einen Adapter ein Lokalisator befestigt.

Der Chirurg ist mit dem Instrument in der Lage, Knochengewebe bis zu einer Dicke von

30 mm zu durchtrennen. Dabei werden Techniken, beschrieben in Kapitel 2.6, Spanende

Bearbeitung von Knochen (S. 28), eingesetzt. Dem Benutzer stehen drei verschiedene Län-

gen des Fräsers (I, II, III) mit jeweils passendem Duraschutz zur Verfügung. Die Durch-

messer der Fräser sind 1,5 mm. Die wirksamen Längen des Fräsers sind 14 mm, 19 mm

und 30 mm. Durch die Verwendung eines Duraschutzes werden Bewegungen des Instru-

mentes zum Schutz sensibler Gewebestrukturen, wie beispielsweise der Dura, einge-

schränkt. Mit diesem mechanischen Schutzbügel wird der spanende Vorgang auf die Zylin-

derflächen des Fräsers eingeschränkt. Somit können Strukturen in Achsenrichtung des Frä-

sers nicht beeinträchtigt werden. Bei der Handhabung für den Chirurgen ergeben sich im

Gegensatz zur Benutzung ohne Duraschutz folgende Veränderungen:

●Vorgegebene Instrumentenausrichtung: Der Duraschutz enthält einen Steg mit einer

Breite ähnlich dem Fräsdurchmesser, der parallel zum Fräser verläuft. Durch diesen

Steg wird die Orientierung des Fräsinstrumentes entlang des Schnittes eingeschränkt.

Richtungsänderungen werden somit erschwert. Die Orientierung des gesamten In-

strumentes wird durch die Schnittorientierung bestimmt.

●Erhöhter Platzbedarf beim Einsetzen: Der Duraschutz erhöht den effektiven Instru-

mentendurchmesser. Dadurch sind Bohrungen im Knochengewebe von mindestens

8 mm notwendig, um das Instrument zum Fräsen einzusetzen.

●Aufwändiges Ein- und Ausfädeln: Der Duraschutz ist an der Fräserspitze breiter als

der Fräser selbst. Somit ist der resultierende Schnitt im Knochengewebe schmaler als

4 Konzept

die Instrumentenspitze. Um das Instrument vom Situs zu entfernen, muss dieses

rückwärts den Schnitt entlang bis zur Einsetzbohrung bewegt werden.

●Erhöhter Aufwand beim Wechseln des Fräsers: Der Fräser wird durch den Dura-

schutz umschlossen. Vor einem Wechsel muss dieser Schutzbügel entfernt und an-

schließend wieder aufgesetzt werden.

Für die Lageerfassung des Fräsinstrumentes durch das Sensorsystem bedeutet die Benut-

zungsweise eine notwendige Erweiterung des Reflexionsbereiches des befestigten Lokali-

sators. Der gefertigte Lokalisator weist eine spezielle Konfiguration auf, um dies bereitzu-

stellen. Der Lokalisator hat zwei unabhängige, von dem Sensorsystem erfassbare geometri-

sche Anordnungen von Reflektorkugeln, die zusammen einen vergrößerten Reflexionsbe-

reich bilden. Bei dieser Konfiguration wurde die in Kapitel 4.3, Benutzung des Systems (S.

45), beschriebene Anordnung im Operationssaal zu Grunde gelegt. Zudem wird der Lokali-

sator sterilisierbar, lagestabil und in gewissen Toleranzen auch reproduzierbar am Fräsin-

strument mit einem Adapter befestigt. Der Adapter ist bautechnisch abtrennbar, um den

vorgegebenen Anforderungen der Sterilisation zu genügen. Als Material wurde Titan ver-

wendet. Die Technologie der Glaskugelreflektoren wurden in Schauer et al. 2004 und Krü-

ger 2006 beschrieben.

Das geschlossene Frässystem bestehend aus Fräsinstrument, Fußpedal und Steuereinheit.

Es hat keine elektrische Verbindung zum Navigationssystem. Einzig durch den Lokalisator

besteht eine optische Kopplung zum Assistenzsystem. Das Referenzkoordinatensystem trp

des Instrumentes für den Lagemesssensor liegt in der Befestigungsaufnahme des Lokalisa-

tors. Das Koordinatensystem tro liegt in einem festen Punkt am Ende des Duraschutzes auf

der Wirkachse des Fräsers. In der Fräserspitze liegt das Koordinatensystem trt.DieTrans-

formation Ttro

trp wird bei Längenmessungen während der Behandlung überprüft und muss

bei großen Abweichungen durch eine Instrumentenvermessung erneut ermittelt werden.

Bei der Längenmessung selbst wird die Transformation Ttrt

tro ermittelt.

4.4.5 Vermessungskörper

Um die Wirkachse des Fräsinstrumentes zu ermitteln, wird eine lageüberwachte Referenz

benötigt (Vgl. 2.5.4 Vermessung von chirurgischen Instrumenten, S. 28). Dies erfolgt in

Form des in Abb. 4-10 dargestellten Vermessungskörpers.

Abbildung 4-10: Vermessungskörper mit den Koordinatensystemen msr und msc für das

Ermitteln der geometrischen Konfiguration des Fräsinstrumentes

4.4 Statische Systembeschreibung

Durch eine Bohrung, definiert durch eine Achse des Koordinatensystems msc, kann das

Fräsinstrument ohne den Duraschutz bezüglich dessen Wirkachse eindeutig positioniert

werden. Das Referenzsystem für den Lokalisator des Vermessungskörpers msr liegt im

Mittelpunkt einer Reflektorkugel. Die Transformation Tms

msr wurde mit einem FaroArm

Bronze (FARO Europe GmbH & Co. KG) vermessen und wird als konstant angenommen.

Der Vermessungskörper hat während der Operation direkten Kontakt mit dem Fräsinstru-

ment und dem Chirurgen. Um die Sterilität zu gewährleisten wurde als Material Titan ver-

wendet. Die Reflektorelemente sind identisch mit denen des Lokalisators des Fräsinstru-

mentes.

4.4.6 Ein- und Ausgabegeräte

Die Kommunikation während der Behandlung ist minimal. Explizite Eingabeaufforderun-

gen treten ausschließlich unmittelbar vor der Behandlung auf. Während der Behandlung

erfolgen auf das Notwendigste reduzierte Bildschirmausgaben und indirekte Benutzerein-

gaben mit Hilfe des Instrumentariums. Für die Kommunikation mit dem Chirurgen stehen

verschiedene Geräte für die Ein- und Ausgabe von Informationen zur Verfügung:

●Maus: Mit einer herkömmlichen Maus können Eingaben vorgenommen werden, bei

denen eine genaue Positionierung am Bildschirm notwendig ist.

●3D Maus: Für die intuitive Positions- und Orientierungsänderung von virtuellen Ob-

jekten im Raum wird ein Spaceball 4000 FLX (3Dconnexion) eingesetzt. Dieses Ge-

rät enthält einen in sechs Freiheitsgraden veränderbar befestigten Ball. Veränderun-

gen des Balls werden auf die Lage des virtuellen Modells übertragen. Dazu werden

Faktoren proportional zur Auslenkung des Balls an den Steuerrechner übermittelt.

●Berührungssensitiver Bildschirm: Der Hauptbildschirm ist mit dem Navigationssys-

tem fest über einen beweglichen Schwenkarm verbunden. Auf diesem Gerät werden

Informationen dargestellt, die wichtig, jedoch nicht unbedingt notwendig sind. Der

Chirurg erhält einen Überblick über den aktuellen Zustand des Assistenzsystems. Für

die Unterstützung beim Arbeiten am Patienten ist dieser Bildschirm nicht konzipiert.

Über die Möglichkeiten der Visualisierung hinaus ist auf dem Bildschirm eine druck-

empfindliche durchsichtige Folie aufgebracht. Das ermöglicht dem Chirurgen Einga-

ben direkt mit dem Finger durchzuführen. Dazu muss der Bildschirm jedoch mit ei-

ner Folie steril abgedeckt werden. Aus Gründen der damit verbundenen unpräzisen

Steuerung sind die Elemente der graphischen Oberfläche der Software entsprechend

vergrößert dargestellt.

●Miniaturbildschirm: Während des Eingriffs muss der Chirurg in der Lage sein, zu

beliebigen Zeitpunkten einen Überblick über die OP-Situation zu erlangen. Das wird

erreicht, indem er seinen Blick vom Situs abwendet und auf den Hauptbildschirm

richtet. Die miniaturisierte Anzeige mit einer Bildschirmdiagonalen von 6 cm hinge-

gen ermöglicht dem Chirurgen eine schnelle Rückmeldung des aktuellen Fortschritts

bzw. des Systemstatus. Dies wird einerseits durch die sehr nahe Positionierung am

Situs und andererseits durch die intuitive Darstellung der Relation von Fräser zu Os-

teotomielinie erreicht. Der Miniaturbildschirm ist fest mit dem Navigationssystem

verbunden, kann jedoch flexibel in der Nähe des Patienten befestigt werden. Durch

die geringe Größe des Bildschirms können nur wenige Informationen dargestellt

werden.

4 Konzept

●Lautsprecher: Im Hauptbildschirm befinden sich zwei Lautsprecher. Diese werden

zusätzlich zu Bildschirmausgaben in speziellen Situationen verwendet, um Informa-

tionen an den Chirurgen weiterzugeben. Hierbei muss beachtet werden, dass die

Lautstärke entsprechend dem Geräuschpegel der Umgebung angepasst ist.

a) b)

Abbildung 4-11: a) Eingabegerät mit sechs Freiheitsgraden für die intiutive Lageverände-

rung von virtuellen Objekten im Raum (Spaceball 4000 FLX, 3Dconne-

xion); b) Miniaturbildschirm des Navigationssystems für die Visualisie-

rung von Informationen nahe dem Situs

4.4.7 Steuerrechner

Der Steuerrechner übernimmt eine zentrale Rolle in der Datenverarbeitung während der

Behandlung. Die Daten der Eingabegeräte und des Lagemesssensors werden für die Ver-

wendung im Patientenmodell (Vgl. 2.5.1 Patientenmodell, S. 25) verarbeitet und für die

Visualisierung auf dem Haupt- und Miniaturbildschirm bzw. die Wiedergabe über die Laut-

sprecher aufbereitet. Der Rechner ist fest im Navigationssystem integriert.

4.5 Dynamische Systembeschreibung

Dieser Abschnitt beschreibt das zeitliche Zusammenwirken der Hauptkomponenten des

Systems. Es soll ein Überblick über die Wirkungsweise, die Zusammenhänge und die in-

ternen und externen Schnittstellen aufgezeigt werden. Dabei wird gleichermaßen auf die

Planung und Behandlung eingegangen.

In Abb. 4-12 ist eine Übersicht der Systemkomponenten mit deren Hauptdatenflüssen auf-

gezeigt. Die Hardware- und Softwarekomponenten werden zugleich dargestellt. Dabei ist

der Detailgrad der Komponenten so gewählt, dass deren Funktionalitäten ähnlichen Um-

fang haben. Zugleich wurde eine zeitliche (hellgrau) und räumliche (dunkelgrau) Untertei-

lung bezüglich der involvierten Komponenten vorgenommen. Zeitlich trennen sich die

Komponenten für die Therapie in Planung und Behandlung und räumlich sind die externen

Komponenten von den internen des Steuerrechners abgetrennt. Verschiedene Arten von

Schnittstellen vermitteln zwischen dem Steuerrechner und dessen Peripherie. Der Benutzer

selbst ist zum besseren Verständnis ebenfalls im Diagramm präsent. Dieser tritt in ver-

schiedenen Rollen gegenüber dem System auf. Datenflüsse und Prozesse, die nicht direk-

ten Einfluss auf den Arbeitsablauf des Systems haben, aber dennoch wichtig für die Thera-

pie sind, werden nicht aufgeführt. Dazu zählen unter anderem der Herstellungsprozess des

Implantates oder die Eingliederung des Implantates.

4.5 Dynamische Systembeschreibung

Abbildung 4-12: Dynamischer Aufbau des Assistenzsystems mit zeitlicher vertikaler Un-

terteilung (hellgrau) in Planung und Behandlung sowie räumlicher Tren-

nung (dunkelgrau) in Steuerrechner und Peripherie; Datenflüsse sind be-

nannt und deren Richtung durch Pfeile gekennzeichnet

Die folgenden zeitlich getrennten Abschnitte in der Wirkungsweise des Assistenzsystems

können unterschieden werden:

●Planung: In der zeitlich vorgelagerten Planung erfolgt die Definition der Implantat-

form und der Osteotomielinie. Darin sind der Benutzer in der Rolle als unsteriler

Chirurg,dieMensch-Maschine-Schnittstelle der Planung,dieGeräteschnittstelle,die

präoperativen Bilddaten, der externe Speicher,dieBehandlungsplanung und das Pa-

tientenmodell einbezogen. Bei der Planung und Konstruktion werden Zustandsände-

rungen durch den Benutzer mittels Interaktionsschritte ihervorgerufen. Die Zeitspan-

ne zweier aufeinanderfolgender Interaktionsschritte ti,i−1ist nicht konstant und

Planung

Behandlung

Steuerrechner

Benutzer

Präoperative

Bilddaten

Präoperative

Bilddaten

Lagemesssensor

Patient

Fräs-

instrument

Fräs-

instrument

Vermessungs-

körper

Vermessungs-

körper Fräsassistent

Fräsassistent

System-

überwachung

System-

überwachung

Behandlungsplanung/

Implantatkonstruktion

Behandlungsplanung/

Implantatkonstruktion

Mensch-Maschine-

Schnittstelle

Planung

Mensch-Maschine-

Schnittstelle

Behandlung

Rolle

Unsteriler

Chirurg

Rolle

Steriler

Chirurg

Geräte-

schnittstelle

Instrumenten-

vermessung

Instrumenten-

vermessung

Patienten-

registrierung

Patienten-

registrierung

Patienten-

modell

Patienten-

modell

System-

zustand









































Zeige-

instrument

Zeige-

instrument













































Externer

Speicher

Externer

Speicher









4 Konzept

hat keine obere Schranke. Die untere Schranke ist auf die Rechentechnik und die In-

teraktionsgeschwindigkeit begrenzt.

Die Schnittstelle zwischen System und Benutzer ist eine bidirektionale Verbindung

in Bezug auf den Informationsaustausch. Dieser Austausch kann in die Benutzerein-

und ausgaben unterteilt werden. Dafür werden die in Kapitel 4.4, Statische Systembe-

schreibung (S. 50), beschriebenen Ein- und Ausgabegeräte verwendet. Über die Ge-

räteschnittstelle werden die präoperativen Bilddaten zugänglich gemacht. Die resul-

tierenden diskreten Benutzerdaten upiund die Gerätedaten ugi,k



werden dem

Patientenmodell übermittelt. Dort gespeicherte Daten bilden den Systemzustand

Zi,kund stehen systemweit auf Anfrage einzelner Komponenten zur Verfügung.

Die Behandlungsplanung kann die relevanten Daten wp





abrufen, verarbeiten und

die Ergebnisse vpiwiederum an das Patientenmodell senden. Abhängig vom Sys-

temzustand und dem Zustand der Behandlungsplanung werden Daten ypider

Mensch-Maschine-Schnittstelle der Planung übertragen, um dem Benutzer Verände-

rungen des Zustandes anzuzeigen. Sind Datenexporte notwendig, so werden entspre-

chende Daten an das Patientenmodell gesendet, welches einen dazu passenden Da-

tenstrom ygi



erzeugt und der Geräteschnittstelle übermittelt. Diese führt die Daten

in kompatibler Form dem externen Speicher zu. Die so exportierte Implantatform

kann zu einem externen Hersteller übertragen und anschließend gefertigt werden.

●Behandlung: In der anschließenden Behandlung erfolgt die assistierte Umsetzung der

geplanten Osteotomielinie. Hierbei sind der Benutzer in der Rolle als steriler Chir-

urg,dieMensch-Maschine-Schnittstelle der Behandlung,diepräoperativen Bildda-

ten, der Lagemesssensor, die Geräteschnittstelle,dasPatientenmodell,dieInstru-

mentenvermessung,diePatientenregistrierung,derFräsassistent und die System-

überwachung involviert. Während der Behandlung erfolgt eine periodische Aktuali-

sierung, die durch die Datenrate des Lagemesssensors vorgegeben ist. Die Zeitspan-

ne zweier aufeinanderfolgender Zustandsänderungen beträgt konstant:

tk,k−1= 1

20 s. (4-2)

Der bidirektionale Informationsaustausch erfolgt mittels der behandlungsspezifi-

schen Mensch-Maschine-Schnittstelle. Hierüber können Daten zeitdiskret ausge-

tauscht werden. Die entgegengenommenen Informationen werden in Form von ubk

an das Patientenmodell gesendet. Im Gegensatz dazu hat der Benutzer einen zeitkon-

tinuierlichen Einfluss auf das Fräs- und Zeigeinstrument und den Vermessungskör-

per. Durch den Lagemesssensor erfolgt die zeitdiskrete Erfassung der Positionen und

Orientierungen dieser Elemente einschließlich der des Patienten. Zusammen mit den

präoperativen Bilddaten werden die Daten des Lagemesssensors über die Geräte-

schnittstelle durch den Datenstrom ug



i,k



an das Patientenmodell übertragen. Mit

den so zentral gespeicherten Informationen sind die Komponenten Instrumentenver-

messung,Patientenregistrierung,Fräsassistent und Systemüberwachung in der Lage,

die notwendigen Daten

wbk=

{

wIk,wRk,wFk,wSk

}

(4-3)

anzufordern und zu verarbeiten. Anschließend werden die resultierenden Daten



=

{





,vR





,vF





,vS





}

(4-4)

4.5 Dynamische Systembeschreibung

wieder im Patientenmodell abgelegt und der Benutzer mit den Daten



=

{





,yR





,yF





,yS





}

(4-5)

über die Mensch-Maschine-Schnittstelle von den Zustandsänderungen informiert.

Im Weiteren werden die einzelnen Elemente des Steuerrechners aus Abb. 4-12 detaillierter

beschrieben.

4.5.1 Schnittstellen

Die Schnittstellen des Steuerrechners werden unterteilt in die Mensch-Maschine-Schnitt-

stellen und die Geräteschnittstelle. Über diese erfolgt der gesamte Datenaustausch zwi-

schen externen Geräten und dem Benutzer. Dazu werden die ankommenden Datenströme

auf das jeweils passende Format umgesetzt und als Datenstrom yweitergesendet. Im Fall

der Benutzerschnittstelle sind dies visuelle Ausgaben auf einem Bildschirm und akustische

Signale. In entgegengesetzter Richtung werden beispielsweise Tastatureingaben und Maus-

interaktionen in Aktionen uumgesetzt, die wiederum Veränderungen im Programmablauf

verursachen. Da die Benutzerschnittstelle den stark unterschiedlichen Anforderungen der

Planung und Behandlung gerecht werden muss, wurden dementsprechend zwei Schnittstel-

len entworfen. Beide sind ähnlich in der Applikation verankert, jedoch ist deren Art und

Weise der Übermittlung und der Entgegennahme von Informationen aus Benutzersicht un-

terschiedlich. Für die Planung und Konstruktion ist die Anzeige von detaillierten Daten aus

dem Patientenmodell notwendig. Zudem werden exakte Modifikationen des Patientenmo-

dells ermöglicht. Die graphische Benutzeroberfläche enthält eine Vielzahl an Visualisie-

rungs- und Steuerelementen. Während der Behandlung hingegen werden die Informationen

für den Benutzer auf das Wesentliche reduziert und für eine schnelle Aufnahme von Seiten

des Anwenders aufbereitet. Benutzereingaben sind aufgrund der Sterilität des Chirurgen

während der Behandlung minimal. Die graphische Benutzeroberfläche enthält übersicht-

lich angeordnete Anzeigekomponenten und sehr wenige Steuerelemente. Detailliertere In-

formationen sind in den Kapiteln 5.1.2, Mensch-Maschine-Schnittstelle (S. 72), und 5.2.2,

Mensch-Maschine-Schnittstelle (S. 81), beschrieben.

Über die Geräteschnittstelle ist der Steuerrechner in der Lage, externe Datenquellen und

-senken unterschiedlicher Typen anzusprechen. Die präoperativen Bilddaten des Patienten

img



≡



G (4-6)

mit den Kantenlängen von M,N,L∈ℕ und dem gewebespezifischen Wert

G=[−1000,3000]werden über diese Schnittstelle von einem CD/DVD-Medium eingele-

sen. Die Daten müssen dazu in einem DICOM-kompatiblen Format vorliegen. Die Geräte-

schnittstelle dient darüber hinaus zur Ansteuerung des Lagemesssensors über die serielle

Schnittstelle RS-232 in einem herstellerspezifischen Protokoll. Dieser Sensor übermittelt

daraufhin Lageinformationen der Lokalisatoren. Zusammen werden diese Daten

ugi,k=

{

img i

Tpat

cam k,Tptr

cam k,Ttrp

cam k,Tmsr

cam k

}

(4-7)

an das Patientenmodell übermittelt. In den Lageinformationen der Lokalisatoren sind Be-

nutzerinformationen enthalten. Durch die Erstellung definierter Konfigurationen für die

Teile des Instrumentariums untereinander werden festgelegte Aktionen ausgelöst. Während

der Behandlung übernimmt die Geräteschnittstelle zusammen mit den Instrumenten und

4 Konzept

dem Lagemesssensor Aufgaben einer Mensch-Maschine-Schnittstelle. Weiterhin erfolgt

die Ausgabe der finalen Konstruktionsdaten der Implantatform auf ein externes Speicher-

medium. Hierfür werden die STL-kompatiblen Oberflächendaten ygi



(3DSystems 1989)

aus dem Patientenmodell verarbeitet.

4.5.2 Patientenmodell

Das Patientenmodell übernimmt die zentrale Rolle für die Bereitstellung der ganzheitli-

chen Funktionalität von Planung, Konstruktion und Behandlung. Hierbei werden folgende

Konzepte verfolgt (Vgl. 4.1 Eigener Ansatz, S. 42):

●Systeminterne Schnittstelle zwischen Planung und Behandlung: Bei der Vereinigung

von grundverschiedenen jedoch voneinander abhängigen Funktionsgruppen, wie der

Planung und der Behandlung, muss eine separate Komponente die zum Austausch

bestimmten Daten verwalten und vermitteln. Das Patientenmodell soll als interne

zentrale Schnittstelle und Speicher fungieren.

●Systemweite Zustandsverwaltung: Weiterhin ist zur systemweiten Synchronisation

der Arbeitsweise der Komponenten eine unabhängige Verwaltung notwendig. Die

oberste Hierarchieebene der Systemzustände soll vom Patientenmodell verwaltet

werden.

Im Patientenmodell laufen die Daten uund valler Komponenten zusammen, die von je-

weils anderen benötigt werden. Die Menge der Daten zu einem diskreten Zeitpunkt, defi-

niert durch das Tupel

{

i,k

}

, bilden zusammen den Systemzustand Zi,k.DessenHaupt-

zustände Planung,Behandlungsvorbereitung,Behandlung und Failsafe-Modus sowie de-

ren Übergänge sind in Abb. 4-13 dargestellt.

Planung

Failsafe-

Modus Behandlung

Behandlungs-

vorbereitung

Benutzer-

eingabe

Instrument ist vermessen und

Patient ist registriert

Benutzer-

eingabe

Fehler

erkannt

Fehler

erkannt

Benutzer

eingabe

Fehler

behoben

Fehler

behoben

Abbildung 4-13: Systemweite Hauptzustände der Applikation mit deren Übergängen in

Form eines Zustandsübergangsdiagramms

Zudem sind die Primäraufgaben des Patientenmodells neben der Datenspeicherung die

schnelle Bereitstellung von spezifischen Daten yund wfür die Komponenten. Während

der Behandlung ist eine maximale Verarbeitungszeit von 50 ms Voraussetzung, um das an-

fallende Datenaufkommen des Sensors entsprechend abzuarbeiten. Dazu sind effizient le-

sende und schreibende Zugriffe eine Grundvoraussetzung. Bei der Speicherung werden die

Daten, wenn dies möglich ist, entsprechend den zu erwartenden Anfragen umstrukturiert,

4.5 Dynamische Systembeschreibung

um Suchanfragen zu minimieren. Hierfür werden meist Baumstrukturen nach Cormen et

al. 1989 (Binärer Baum, k-dimensionaler Baum, etc.) verwendet. Ein Teil der internen

Funktionalität für die Behandlung wird detailliert in Kapitel 5.2.3, Repräsentation geome-

trischer und zeitlicher Zusammenhänge (S. 82), betrachtet. Es werden Vorberechnungen

der zu erwartenden Wertebereichsanfragen durchgeführt. Dies geht auf Kosten des Spei-

cherverbrauchs. Damit wird gleichzeitig ein erhöhter Fehler toleriert, da der zur Verfügung

stehende Speicher eine Einschränkung in der Auflösungsgenauigkeit erfordert. Bei lesen-

den Zugriffen werden generierte Daten zwischengespeichert, um erneute Anfragen mit

gleichen Resultaten schneller abzuarbeiten.

4.5.3 Behandlungsplanung und Implantatkonstruktion

Die Komponente Behandlungsplanung/Implantatkonstruktion ist das zentrale Element der

benutzergesteuerten Festlegung für die Generierung der Osteotomielinie und der Implan-

tatform. Bei dieser benutzergesteuerten Verarbeitung werden folgende Konzepte verfolgt

(Vgl. 4.1 Eigener Ansatz, S. 42):

●Verbindung von Planung und Konstruktion: Die Anforderungen an den Informations-

gehalt für die Planung und Konstruktion sind verschieden. Der Detailgrad der Kon-

struktionsinformationen liegt über dem der Planung. Durch die Zusammenlegung

wird der Aufwand mehrfacher Informationseingabe mit unterschiedlichem Grad der

Detaillierung verhindert. Allerdings erfordert dies die Anwendung des gleichen De-

tailgrades für die Planung. Anschließend können Informationen aus der Operations-

planung für die Konstruktion mit verwendet werden.

●Indirekte Konstruktion: Die Konstruktion ist ein komplexer Prozess. Um diese Kom-

plexität vor allem in der Benutzung und im Aufwand zu reduzieren, werden verstärkt

Automatismen bei der Festlegung der Form eingesetzt, die die Kenntnisse über die

Zusammenhänge der anatomischen Struktur ausnutzen.

Mit diesen Punkten sollen einige der Ziele bzw. Anforderungen, beschrieben in den Kapi-

teln 2.2, Operationsplanung (S. 13), und 2.3, Implantatkonstruktion (S. 20), erfüllt werden.

Für die Verarbeitung sind die präoperativen Bilddaten V

img





und die Benutzeraktionen

Ui über den Datenstrom

i=

{

img i,Ui

}

(4-8)

aus dem Patientenmodell notwendig. Die bis zum Interaktionsschritt iaufeinanderfolgen-

den Arbeitsschritte Si sind wie folgt definiert:

Si=

{

An0,An1,,Ani

}

(4-9)

wobei Ani



ein durch eine Benutzereingabe konfigurierter gegebener Algorithmus ist. So-

mit ergibt sich die Osteotomielinie O

img





durch die Anwendung aller bisherigen Arbeits-

schritte auf die Bilddaten:

g:V

img i

SiO

img i. (4-10)

Die Implantatform

img





wird unter Verwendung der vorliegenden Osteotomielinie und

weiterer Arbeitsschritte anhand der Bilddaten generiert:

4 Konzept

f:V

img i

img i,SiI

img i. (4-11)

Dabei wird die Implantatform so bestimmt, dass zwischen Osteotomielinie und Implantat-

oberfläche ein definierter Abstand eingehalten wird, um das Erreichen einer Passung zu er-

leichtern. Gleichzeitig erfolgt eine Überführung der voxelbasierten Volumendaten in Drei-

eckslisten, die Körperoberflächen approximieren. Das Ergebnis der Behandlungsplanung,

die Osteotomielinie O

img





und die Implantatform I

img





(Abb. 4-14), werden in Form des

Datenstroms

i=

{

img i,I

img i

}

(4-12)

an das Patientenmodell übermittelt. Der aktuelle Systemzustand Z



i,k



wird erweitert mit

Informationen der Behandlungsplanung in Form von ypian die Benutzerschnittstelle

weitergegeben. Die interne Funktionalität dieser Komponente wird detailliert in Kapitel

5.1, Operationsplanung und Implantatkonstruktion (S. 69), betrachtet.

a) b)

Abbildung 4-14: Beispielresultate der Behandlungsplanung: dreieckbasiertes Modell a)

der Osteotomielinie O

img i und b) des Implantates I

img i

4.5.4 Instrumentenvermessung

In dieser Arbeit wird das zweistufige Verfahren zur Vermessung von Instrumenten verwen-

det (Vgl. 2.5.4 Vermessung von chirurgischen Instrumenten, S. 28). Dieser Komponente

steht der Datenstrom

wIk=

{

Tpat

cam k,Ttrp

cam k,Tmsr

cam k

}

(4-13)

aus dem Patientenmodell zur Verfügung.

Das Ziel der Vermessung ist es, die aktuelle geometrische Konfiguration des Fräsinstru-

mentes, d.h. die Transformation Ttrt

trp (Vgl. Abb. 4-9, S. 53), zu ermitteln. Dabei werden in

der ersten Stufe die Wirkachse und ein fester Punkt bezüglich des Instrumentes auf dieser

Achse, definiert durch Ttro

trp , bestimmt (Instrumentenkalibrierung). In der anschließenden

Phase erfolgt die Messung der Länge des aktuell verwendeten Fräsers (Instrumenten-

registrierung). Dieser wird definiert durch Ttr

tro . Mit diesen Übergängen lässt sich die ge-

suchte Transformation ermitteln:

Ttrt

trp =Ttro

trp ⋅Ttrt

tro . (4-14)

4.5 Dynamische Systembeschreibung

Im Folgenden werden die einzelnen Phasen näher erklärt.

Instrumentenkalibrierung

Zunächst wird das Instrument ohne Fräser in eine definierte Lage zum Vermessungskörper

gebracht (Abb. 4-15a).

a) b)

Abbildung 4-15: Konfigurationen der Instrumentenvermessung: a) Erste Stufe: Fräsin-

strument und Vermessungskörper (Instrumentenkalibrierung) und b)

Zweite Stufe: Fräsinstrument auf einem definierten Punkt des Patienten-

lokalisators (Instrumentenregistrierung)

In dieser Lage kann die gesuchte Transformation Ttro

trp durch das Gleichsetzen der Koordi-

natensysteme tro und msc wie folgt bestimmt werden (Vgl. Abb. 4-2, S. 45):

Ttro

trp



Ttrp

cam



−1

⋅

Tmsr

cam

⋅

Tmsc

msr . (4-15)

Für die Gewährleistung der Zuverlässigkeit der Messung wird der Durchschnitt der gemes-

senen Transformation über einen Zeitraum von 5 s verwendet. Anschließend erfolgt eine

Analyse der Genauigkeit durch eine Bestimmung von und über eine Messung von 1 s,

die eine Beurteilung der Qualität nach durch den Chirurgen ermöglicht (Schermeier 2002).

Die einzelnen Zustände für die Kalibrierung des Instrumentes sind in Abb. 4-16 dargestellt.

Benutzer

bestätigt

oder bricht ab

Beobachtung

Prüfung der

alten Kalibrierung Prüfung

abgeschlossen

Kalibrierung

Startbedingung

erfüllt Startbedingung

nicht erfüllt

Prüfung der

neuen Kalibrierung

Startbedingung

nicht erfüllt

Kalibrierung

abgeschlossen

Abbildung 4-16: Zustände während der Kalibrierung des Instrumentes

Instrumentenregistrierung

Für die Ermittlung der Transformation Ttr

tro muss eine festgelegte Konfiguration aus Fräs-

instrument und Patientenlokalisator hergestellt werden (Abb. 4-15b). Die Bestimmung der

4 Konzept

gesuchten Transformation mit Hilfe des bekannten Registrierpunktes pre

pat wird wie folgt

durchgeführt:

Ttrt

tro =

[

Rtro

trp ttro

trp 



preg,x

tro 00



]

. (4-16)

Der Registrierpunkt bezüglich des Koordinatensystems tro wird definiert mit:

reg

tro



tro

trp



−

⋅



trp

cam



−

⋅

pat

cam

⋅

reg

pat . (4-17)

Für die Genauigkeitssteigerung wird der Mittelwert der Positionen preg

tro über 1,4 s be-

stimmt (Schermeier 2002). Die einzelnen Zustände bei der Registrierung des Instrumentes

sind in Abb. 4-17 dargestellt. Bei erfolgreicher Bestimmung wird die Kalibrierungs-

transformation Ttro

trp bzw. die Registrierungstransformation Ttr

tro über den Datenstrom

vIk=

{

Ttro

trp ,Ttrt

tro

}

(4-18)

dem Patientenmodell zugesandt. Zudem wird der Benutzer durch die Daten yIk,diean

die Benutzerschnittstelle übermittelt werden, über den Systemzustand Z



i,k



von spezifi-

schen Zustandsinformationen der Instrumentenvermessung benachrichtigt.

Beobachtung Registrierung

Startbedingung nicht erfüllt oder

erfolgreich abgeschlossen

Startbedingung erfüllt

Abbildung 4-17: Zustandsdiagramm der Instrumentenregistrierung

4.5.5 Patientenregistrierung

Die Bilddaten des Patienten müssen für die intraoperative Verwendung registriert werden

(Vgl. 2.5.3 Registrierung, S. 27). In dieser Arbeit wird die starre Registrierung nach dem

Paired-Point-Matching-Verfahren verwendet. Das Ziel ist es demnach, die lineare Trans-

formation Tpa

img vom Koordinatensystem des Patientenlokalisators pat zum Bilddatensys-

tem img zu ermitteln. Dazu werden aus dem Patientenmodell die präoperativen Bilddaten

img , die Benutzeraktionen

und die Transformationen Tpat

cam k



,Tptr

cam kund Tptt

ptr

über den Datenstrom



=

{

img

pat

cam





ptr

cam





ptt

ptr

}

(4-19)

an diese Komponente übermittelt. Die gesuchte Transformation wird initial wie folgt be-

stimmt (Vgl. Abb. 4-2, S. 45):

Tpat

img =Tref

img ⋅



Tref

pat



−1. (4-20)

Dazu ist es notwendig, ein gemeinsames Koordinatensystem ref gegenüber dem img und

dem pat System zu definieren. Das ref System wird durch drei Markerschrauben aus Titan

festgelegt, die in den Knochen eingebracht sind. Diese Schrauben müssen in den Bilddaten

abgebildet sein. Die Schraubenköpfe werden während der Planungs- und Konstruktions-

4.5 Dynamische Systembeschreibung

phase in den Bilddaten V

img über die Benutzerinteraktionen

durch die Punkte pref ,1

img bis

ref ,3

img markiert. Aus den Punkten lässt sich die Transformation Tre

img ermitteln:

Tref

img =

[

∥

v12

img

∥∥

v12

img ×v13

img

∥

v12

img ×



v12

img ×v13

img



∥

pref ,1

img

00 0 1

]

(4-21)

mit

v12

img =pref ,2

img −pref ,1

img und v13

img =pref ,3

img −pref ,1

img . (4-22)

Zu Beginn der Behandlung werden die Schraubenköpfe durch das Zeigeinstrument bezüg-

lich des pat Systems angetastet. Hierfür wird der Translationsanteil der ermittelten Trans-

formation Tptt

pat analysiert. Die so erhaltenen Punkte pref ,1

pat bis pref ,3

pat erlauben die Be-

stimmung der Transformation Tre

pat .

Ausgehend von dieser ermittelten Transformation Tpa

img erfolgt die Optimierung dieser

Transformation durch der Minimierung der Abstände der Punktepaare

{

pref ,j

img ,Tpat

img ⋅pref ,j

pat

}

mit j

∈[

1,3

]

nach einem Down-Hill-Simplex-Verfahren (Nelder

und Mead 1965). Für die Akzeptanz einer Transformation ist ein mittleren Abstand der

Punktepaare von unter 2 mm notwendig. Damit sind die geometrischen Zusammenhänge

des Planungs- und Behandlungsmodells mathematisch erfasst. Die detaillierten Zusam-

menhänge der Zustände und deren Übergänge ist in Abb. 4-18 dargestellt. Die ermittelte

Transformation der Registrierung wird im Anschluss in Form des Datenstroms

vRk=

{

Tpat

img

}

(4-23)

an das Patientenmodell übermittelt. Der Benutzer wird durch die Daten yRk, gesendet an

die Benutzerschnittstelle, über die spezifischen Zustandsinformationen der Patientenregis-

trierung und den gesamten Systemzustand Zi,k informiert.

Benutzer

bestätigt

oder bricht ab

Beobachtung

Punkteaufnahme Prüfung

Erforderliche

Punkteanzahl

erreicht

Registrierung Genauigkeit

innerhalb

Toleranz

Genauigkeit

außerhalb

Toleranz

Startbedingung

nicht erfüllt

Abbildung 4-18: Zustandsdiagramm der Ermittlung der Patientenregistrierung während

der Behandlung

4.5.6 Fräsassistent

Der Fräsassistent übernimmt die zentrale Rolle bei der Einhaltung der präoperativen Pla-

nung während der Operation. Dazu werden folgende Konzepte verfolgt (Vgl. 4.1 Eigener

Ansatz, S. 42):

4 Konzept

●Lageüberwachung von Fräsinstrument und Patient: Das Fräsinstrument und der Pa-

tient werden in deren Position und Orientierung mit einem Lagemesssensor über-

wacht. Durch die direkte Kenntnis des Systems über die Lage des Instrumentes zum

Patienten sind unmittelbare Anweisungen für den Chirurgen zu möglichen Korrektu-

ren ableitbar.

●Visuelle Übertragung von Zielführungsinformationen: Die Korrekturinformationen

werden dem Chirurgen mit Hilfe eines nahe dem Situs positionierten Miniaturbild-

schirms vermittelt. Dessen Befestigung erfolgt abhängig von der Lagerung des Pati-

enten und des Eingriffsortes, so dass das Blickfeld des Chirurgen gleichermaßen den

Situs und den Miniaturbildschirm einschließt. Um eine intuitive Darstellung auf der

relativ kleinen Anzeige zu ermöglichen, erfolgt eine Abstraktion der komplexen geo-

metrischen Situation. Der aktuelle geometrische Zusammenhang von Fräsinstrument

zu Osteotomielinie wird auf das Wesentliche reduziert und ist somit für den Chirur-

gen schnell erfassbar.

●Indirekte Beeinflussung der Lage des Fräsinstrumentes: Das Fräsinstrument wird

manuell durch den Chirurgen aufgrund von Hinweisen des Systems geführt. Somit

kann das System auf die Lage des Instrumentes nur indirekt einwirken. Der Chirurg

wird in seinem Handeln unterstützt, jedoch nicht eingeschränkt. Die Hinweise des

Systems können aufgrund von neuen Erkenntnissen partiell ignoriert werden. Im

weiteren Behandlungsablauf kann allerdings wieder darauf zurückgegriffen werden.

Mit diesem Konzept sollen einige der Ziele bzw. Anforderungen, beschrieben in Kapitel

2.7, Unterstützung für die Resektion und Implantatinsertion (S. 30), erfüllt werden.

Für die Verarbeitung sind die Osteotomielinie O

img , die Transformation der Patientenregis-

trierung Tpa

img , die aktuelle Lage von Patient Tpat

cam k



und Fräsinstrument Ttrt

cam kso-

wie die spezifischen Konfigurationen des Fräsinstrumentes Ttro

trp und Ttr

tro über den Da-

tenstrom

wFk=

{

img ,Tpat

cam k,Ttrp

cam k,Ttro

trp ,Ttrt

tro

}

(4-24)

aus dem Patientenmodell notwendig.

Der Fräsassistent liefert in jedem Systemzyklus aktuelle Hinweise für den Chirurgen. Dazu

wird zunächst die aktuelle Lage der Spitze des Fräsinstrumentes bezüglich der Osteotomie-

linie bestimmt (Vgl. Abb. 4-2, S. 45):

Ttrt

img k= Tpat

img



Registrierung

⋅



Tpat

cam k



−1⋅Ttrp

cam k⋅ Ttro

trp ⋅Ttrt

tro



Behandlung

. (4-25)

Anhand des Translationsanteils ttrt

img k



und der Wirkachse etrt , x

img k



werden nun die Ab-

weichung zur Osteotomielinie in Form des Abstandes d





sowie der Orientierungsdiffe-

renzen kund kbestimmt. Auf der Basis dieser Abweichung erfolgt eine Lagebe-

wertung bezüglich der Einhaltung der definierten Anforderungen (Vgl. 1.2 Problemstel-

lung aus medizinischer Sicht, S. 5) gemäß der definierten Toleranzbereiche. Die ermittelten

Daten werden reduziert zusammen mit den wichtigsten Daten zweidimensional abgebildet.

Dazu werden die Osteotomielinie, die Positions- und Orientierungsabweichung sowie der

Toleranzbereich auf dem Miniaturbildschirm dargestellt (Abb. 4-19). Das Ergebnis des

Fräsassistenten, die aktuelle Lageabweichung zum Ziel, wird in Form des Datenstroms

4.5 Dynamische Systembeschreibung



=

{













}

(4-26)

an das Patientenmodell übermittelt. Der aktuelle Systemzustand



i,k



erweitert mit In-

formationen der Zielführung wird in Form von yFkan die Benutzerschnittstelle weiter-

gegeben. Die interne Funktionalität dieser Komponente wird detailliert in Kapitel 5.2.4,

Fräsassistent (S. 87), betrachtet.

Abbildung 4-19: Miniaturbildschirm des Assistenzsystems mit visualisierter Zielführung

bestehend aus der Osteotomielinie, der Orientierungsabweichung (klei-

ner Punkt), der Positionsabweichung (großer Punkt) sowie Statusinfor-

mationen des Fräsinstrumentes und des Patienten

4.5.7 Systemüberwachung

Die Komponente Systemüberwachung arbeitet parallel zu den ausführenden Komponenten

und übernimmt zentral die Kontrollfunktionen für das Gesamtsystem. Diese Komponente

des Systems analysiert in Echtzeit die Verlässlichkeit der datengenerierenden und daten-

verarbeitenden Systemkomponenten für die Bestimmung der Lage der Fräserspitze relativ

zum Patienten. Es wird eine Selbstüberwachung der bereitgestellten Funktionalitäten vor-

genommen. Mögliche Abweichungen der Arbeitsparameter von definierten Toleranzberei-

chen für die Einhaltung der Anforderungen werden dem Benutzer mitgeteilt. In einigen

Fällen ist dieser dann in der Lage, Korrekturen vorzunehmen. Im Einzelnen werden fol-

gende Konzepte verfolgt (Vgl. 4.1 Eigener Ansatz, S. 42):

●Funktionsanalyse in Echtzeit: Die Komponente hat statisch modellierte Kenntnisse

über das optimale Zusammenwirken, die Arbeitsbereiche und die Wirkungsweisen

der anderen Komponenten. Auf dieser Grundlage können in jedem Verarbeitungszy-

klus Abweichungen von der Soll-Situation ermittelt bzw. approximiert werden. Hier-

bei werden die registrierten Abweichungen nach deren Auswirkung unterschieden.

Dies sind die Beeinflussung der Lage des Fräsinstrumentes zum Patienten und die

Einschränkung der weiteren Benutzung des Systems.

●Intuitive Visualisierung der Abweichungen: Die ermittelten Abweichungen werden

dem Chirurgen kontinuierlich angezeigt. Der Chirurg kann die Qualitität der Abwei-

chungen direkt beurteilen und falls erforderlich, mögliche Korrekturmaßnamen ein-

leiten. Damit werden die Funktionsfähigkeit der Komponenten in deren spezifizier-

ten Arbeitsräumen gewährleistet bzw. darstellungsbedingte Missverständnisse verrin-

gert. Das führt zu einer Erhöhung der Sicherheit des Patienten.

4 Konzept

Mit diesem Konzept sollen einige der Ziele bzw. Anforderungen, beschrieben in Kapitel

2.7, Unterstützung für die Resektion und Implantatinsertion (S. 30), erfüllt werden.

Für die Verarbeitung der Daten sind Qualitätswerte qnk



notwendig, die begleitend zu den

Verarbeitungsschritten ermittelt werden. Diese Werte werden neben den eigentlichen Er-

gebnissen im Patientenmodell gespeichert. Durch den Datenstrom wSkwerden diese

Qualitätswerte der Systemüberwachung übertragen. Für die verschiedenen Quellen der

Qualitätswerte wurden Fehlermodelle Mnaufgestellt. Anhand des entsprechenden Modells

kann aus dem Qualitätswert ein Fehlerwert nk berechnet bzw. abgeschätzt werden:

h:qnk

Mnnk



. (4-27)

Durch Anwenden der Fehlerfortpflanzung wird aus den ermittelten Einzelfehlern der Ge-

samtfehler k



bestimmt. Dieser wird zusammen mit dem aktuellen Systemzustand

Zi,kin Form von





an die Benutzerschnittstelle weitergegeben. Zudem wird dem

Patientenmodell bei Überschreitung festgelegter Fehlertoleranzen eine Zustandsänderung

in Form des Datenstroms





übermittelt. Die interne Funktionalität dieser Komponente

wird detailliert in Kapitel 5.2.5, Systemüberwachung (S. 93), betrachtet.

5 Realisierung

In diesem Kapitel wird die Realisierung der vorgestellten Konzepte für das entwickelte As-

sistenzsystem beschrieben. Es wird zunächst die Operationsplanung und Implantatkon-

struktion gefolgt von der Behandlungsunterstützung vorgestellt. Im Anschluss wird kurz

auf die Fragen der Zulassung nach dem Medizinproduktegesetz eingegangen.

5.1 Operationsplanung und Implantatkonstruktion

Dieser Abschnitt beschreibt die Realisierung der kombinierten Operationsplanung und Im-

plantatkonstruktion (Vgl. 4.5.3 Behandlungsplanung und Implantatkonstruktion, S. 61).

Durch die enge Verzahnung beider Methoden wird deren Realisierung insgesamt erläutert.

Zu Beginn werden die verfolgten grundlegenden Prinzipien bei der Realisierung dargelegt.

Anschließend folgt die Beschreibung der Softwarearchitektur sowie die Vorstellung der

Elementaroperationen und der Algorithmen.

Im Folgenden werden die Konsequenzen aus den Konzepten und deren Lösungsansätze für

die Realisierung beschrieben (Rose et al. 2008a):

●Verbindung von Operationsplanung und Implantatkonstruktion: Die Verbindung von

Planung und Konstruktion bedeutet zusätzliche Funktionalität gegenüber konventio-

nellen Planungen. Dabei darf die ursprüngliche Funktionalität, die intuitive Benutz-

barkeit sowie die Variabilität jedoch nicht eingeschränkt werden. Dies wird durch

eine klar strukturierte Abbildung des Arbeitsablaufes von Seiten der Mensch-Maschi-

ne-Schnittstelle der Applikation erreicht. Darüber hinaus ist nur wenig zusätzliche

Funktionalität für die Konstruktion notwendig, da ein Großteil der Informationen be-

reits durch die Planung bereitgestellt werden. Die bisher notwendige Generierung

größtenteils redundanter Informationen jeweils in der Planung und Konstruktion ent-

fällt.

Der Detailgrad der Operationsplanung muss dem der Implantatkonstruktion entspre-

chen. Das bedeutet eine Steigerung der Präzision vor allem in anatomischen Berei-

chen, die unkritisch aus Sicht der Operation sind. Dem Chirurgen werden Mittel be-

reitgestellt, die Planung in vertretbarem Mehraufwand zu präzisieren.

●Indirekte Konstruktion: Als Folge einer indirekten Festlegung der Implantatform

müssen die notwendigen Informationen auf eine alternative Art und Weise bereitge-

stellt werden. Hierfür werden die Form des Tumorgewebes, die im Zuge der Planung

erstellte Osteotomielinie und die symmetrische Anatomie des Schädels herangezo-

gen.

5.1.1 Überblick

Die Datenverarbeitung erfolgt innerhalb eines dynamischen Verarbeitungsgraphen, der an

das objektorientierte Entwurfsmuster „Pipes and Filters“ (Buschmann et al. 2000) ange-

lehnt ist. Innerhalb der baumartigen Anordnung können Objekte hinsichtlich der Bezie-

hung von Eingängen zu Ausgängen in Quellen (0:1), Filter (n:1) und Senken (n:0) unter-

teilt werden. Zwischen einigen Objekten bestehen Verbindungen, über die Daten verschie-

denen Typs transferiert werden. Dabei ist jedoch die Schnittstellenkompatibilität der Ob-

jekte ausschlaggebend dafür, dass eine Verbindung hergestellt werden kann oder nicht.

Solch ein gerichteter, nicht-zyklischer Graph kann zur Laufzeit durch die Verbindungen

5 Realisierung

der Objekte untereinander sowie durch das Hinzufügen von Objekten selbst verändert wer-

den.

Der Vorgang der Planung und Konstruktion wird in einzelne Arbeitsschritte unterteilt, die

durch separate Algorithmen Ani



modellierbar sind. Diese Arbeitsschritte werden durch

Objekttypen repräsentiert, die im beschriebenen Graphen als Instanzen solcher Objekte

verwendbar sind. Hiermit wird eine hohe Flexibilität und Erweiterbarkeit der internen Da-

tenverarbeitung erreicht. Zudem repräsentiert die Graphenstruktur Siund die Parametri-

sierung der Objekte das Resultat bzw. den Zustand der Planung und Konstruktion. Die

Graphenstruktur stellt darüber hinaus die Historie des Arbeitsablaufes dar. Parameterände-

rungen an zuvor definierten Objekten haben eine erneute Evaluierung des Graphen mit al-

len nachfolgenden Arbeitsschritten zur Folge.

Die Applikation stellt Anfragen an die Graphenstruktur, um Ergebnisse oder Teilergebnisse

darzustellen oder zu speichern. Sobald ein Objekt der Graphenstruktur Ergebnisse liefern

soll, erfolgt eine interne Evaluierung, um die Aktualität der Ergebnisdaten zu gewährleis-

ten. Dabei werden rekursiv die Dateneingänge der verbundenen Objekte evaluiert und de-

ren Resultate verarbeitet. Um die Effizienz bei wiederholten Anfragen zu steigern, spei-

chern Objekte aufwändig zu generierende Daten zwischen. Passend dazu werden die Versi-

onsnummern des Objektzustandes und der Eingangsdaten abgelegt. Damit ist ein Objekt in

der Lage bei der Evaluierung zu prüfen, ob eine erneute Generierung der Daten notwendig

ist.

Behandlungsplanung / Implantatkonstruktion

Tumor-

segmentierung

Zuschneiden der

Basisform

Generierung der

Implantatbasis-

form

Osteotomielinien-

generierung

Symmetrieebenen-

generierung

Mensch-

Maschine-

Schnittstelle

Planung

Patienten-

modell

Einbringen von

Befestigungen

Definition von

Befestigungen

Anwenden von

Manipulationen

Definition von

Manipulationen

Abbildung 5-1: Wesentliche Elemente der Struktur für die Behandlungsplanung und Im-

plantatkonstruktion mit Datenflüssen (Vgl. dazu auch Abb. 4-12, S. 57)

5.1 Operationsplanung und Implantatkonstruktion

Die zugrundeliegenden Algorithmen der Planung und Konstruktion werden im Weiteren an

einem Graphen aufgezeigt, der den durch das System begrenzten maximalen Zustand dar-

stellt (Abb. 5-1). Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird das Bezugskoordinatensystem

bei den Elementen nicht aufgeführt, da dies für alle das img System ist. Zunächst werden

jedoch die Zusammenhänge im Überblick dargelegt.

Abbildung 5-2: An einem angedeuteten Schädel sind die detaillierten geometrischen Zu-

sammenhänge während der Operationsplanung und Implantatkonstruk-

tion dargestellt.

Die Mensch-Maschine-Schnittstelle der Planung bildet Benutzerinteraktionen U





als Teil

von wpiindirekt über das Patientenmodell ab. Das resultiert einerseits in Veränderungen

der Graphenstruktur und andererseits in Parameteränderungen bereits existierender Objek-

te. Für den Benutzer ist dieser Graph nicht erkennbar. Prinzipiell können bei zeitlicher Be-

trachtung zwei Phasen unterschieden werden (Vgl. dazu auch Abb. 5-2):

1. Erstellung der Implantatbasisform: Die Daten geider Symmetrieebenengenerie-

rung und grider Tumorsegmentierung sind die Basis der weiteren Verarbeitungs-

schritte. Zusammen mit den Bilddaten Vi



aus dem Patientenmodell werden diese

in der Komponente Generierung der Implantatbasisform verarbeitet. Dabei wird

das Knochenmaterial aus der korrespondierenden gesunden Seite des Schädels ex-

trahiert und auf die erkrankte Seite transferiert. Anschließend liegt in Form von

Iai die Implantatbasisform vor.

2. Anpassung der Basisform an den Patienten: Zunächst werden die Daten O





mit

Hilfe von Benutzerdaten ULiin der Osteotomieliniengenerierung erzeugt. Das

Element Zuschneiden der Basisform wendet die Grenzen der Osteotomielinie Oi



auf die Daten Iaian. In ähnlicher Weise werden weitere Veränderungen auf das

Resultat Ibi



dieses Vorgangs angewendet. Die finale Implantatform Iiist Ergeb-

5 Realisierung

nis des beschriebenen Prozesses. Diese wird zusammen mit der Osteotomielinie

Oi



an das Patientenmodell übertragen.

5.1.2 Mensch-Maschine-Schnittstelle

Während der Planung werden dem Chirurgen die geometrischen Zusammenhänge und der

aktuelle Systemzustand über verschiedene Anzeigeelemente innerhalb einer graphischen

Benutzeroberfläche vermittelt (Abb. 5-3). Hierbei wird auf eine klassische hierarchische

Menüstruktur verzichtet. Die Arbeitsschritte werden durch horizontal angeordnete Schalt-

flächen widergespiegelt, wobei der aktuell ausgewählte Arbeitsschritt durch eine gedrückte

Schaltfläche repräsentiert wird. Das vermittelt einen guten Überblick hinsichtlich des Pla-

nungs- und Konstruktionsfortschritts sowie bei der Erkennung des aktuellen Arbeitsschrit-

tes. Notwendige Aktionen können in einer Steuerleiste auf der rechten Seite ausgelöst wer-

den. Diese Steuerleiste ist spezifisch für jeden Arbeitsschritt. Die sonstigen Elemente vi-

sualisieren die geometrischen Zusammenhänge dreidimensional und mit Hilfe spezieller

orthogonaler Schnitte entlang der Sagittal-, Coronal- und Axialebenen.

Abbildung 5-3: Zustandsabhängige graphische Benutzeroberfläche während der Planung

aufgeteilt in Schaltflächen für die Arbeitsschritte, die Steuerleiste und

die zwei- und dreidimensionalen Ansichten für die Patientenbilddaten;

Der Arbeitsschritt Definition der Osteotomielinie ist aktiv.

Als Eingabegeräte dienen ausschließlich eine konventionelle Maus und ein Spaceball (Vgl.

4.4.6 Ein- und Ausgabegeräte, S. 55). Benutzeraktionen werden entweder durch Betätigen

von Schaltflächen oder durch direktes Interagieren mit dem Planungselement in den An-

sichten ausgelöst. Der Spaceball dient allein dafür, eine intuitive Steuerung der Planungs-

elemente in der dreidimensionalen Ansicht zu ermöglichen.

5.1.3 Generierung der Implantatbasisform

Durch das Definieren von Nkorrespondierenden Punktepaaren qni



in den Bilddaten in-

nerhalb des Elementes Symmetrieebenengenerierung wird die Symmetrieebene E





über

eine Ebenennormale n





und einem Punkt auf der Ebene porg





ermittelt:

5.1 Operationsplanung und Implantatkonstruktion

ni=

∥

N∑

∀n

∥

qn,2 i−qn,1 i

∥

(5-1)

und

porg



=

∑

∀n



qn,1





qn,2





.(5-2)

Daraus wird die nicht-homogene Transformation Mizur Spiegelung an der Ebene Ei



bestimmt:

Mi= Tsym

img i⋅

[

10 0 0

01 0 0

00−10

00 0 1

]

⋅



Tsym

img i



−1,(5-3)

wobei

Tsym

img =

[



ni×o



×nini×oniporg i

0001

]

und o

⊥





.(5-4)

Im Element Tumorsegmentierung wird die dreidimensionale Region R





definiert, die aus

mehreren parallelen Polygonzügen besteht. Diese Region beschreibt die Form des realen

Tumorgewebes sehr grob, enthält jedoch den notwendigen Sicherheitsabstand. Diese bil-

den zusammen mit den Bilddaten die Eingangsdaten gei und gri.

Zu Beginn der Generierung der Implantatbasisform wird die Region des Tumors Ri



der Ebene E





gespiegelt:

R'i=Mi⋅Ri.(5-5)

Innerhalb der gespiegelten Region R'iwerden Volumenelemente des in der Auflösung

verringerten Patientenbilddatensatzes extrahiert. Es entsteht das temporäre Volumen

Vtm

i=

{

Vip∣p∈ℤ3∧p∈R'i

}

.(5-6)

Da die Ausgangsdaten auf Volumenelementen basieren, erfolgt die weitere Verarbeitung

ebenfalls auf dieser Grundlage. Zudem ergeben sich daraus Vorteile in der Einfachheit und

somit auch der Robustheit der verarbeitenden Algorithmen. Der dadurch erhöhte Rechen-

aufwand wird durch Verringerung der Auflösung des Volumens während der Bearbeitung

ausgeglichen. Für die endgültige Form werden die Bearbeitungsschritte mit erhöhter Auf-

lösung durchgeführt.

Aufgrund der Beschaffenheit der Knochenstruktur und der Abbildungseigenschaften von

Spongiosa im CT können Inhomogenitäten in den Bilddaten auftreten. Vor allem sind ab-

gebildete Hohlräume nachteilig für eine gleichmäßige solide Repräsentation des Knochens.

Das Schließen dieser Hohlräume wird durch die morphologischen Operationen Dilatation

Dund Erosion Eauf ein Volumen V, dessen Elemente Grauwerte enthalten, erreicht (Leh-

mann et al. 1997):

D:V'=

{

Vp∣p∈ℤ3∧q∈Np∧Vp∀ Vq

}

(5-7)

5 Realisierung

und

E:V'=

{

Vp∣p∈ℤ3∧q∈Np∧Vp∀ Vq

}

, (5-8)

wobei





die Menge der in der Nachbarschaft von xliegenden 26 Elemente beschreibt.

Da die Hohlräume unterschiedliche Ausmaße aufweisen, müssen die Dilatation und Errosi-

on entsprechend der Ausdehnung mehrfach angewendet werden. Man erhält das Volumen

mit einer geschlossen abgebildeten Knochenstruktur

Vtmp,2



=



Vtmp





. (5-9)

Nach anschließendem Spiegeln des Volumens auf die erkrankte Seite liegt eine Basisform

des Implantates vor:

Itmp,3 i=Mi⋅Vtmp,2 i. (5-10)

D.h. diese Basisform wird durch die aufbereitete, gespiegelte Knochenstruktur der gesun-

den Seite repräsentiert.

Die Basisform des Implantates sollte an dessen Rändern einen nahtlosen Übergang zum

gesunden Knochengewebe bilden. Aufgrund von leichten Abweichungen von der anatomi-

schen Symmetrie oder Fehlern in der Definition der Symmetrieebene können Stufen oder

Kanten auftreten. Diese werden durch eine anschließende Anpassung der Lage verringert.

Der Benutzer kann durch Ändern der Rotation und Translation die Deckungsgleichheit

herstellen. Dies ist für den Benutzer ein komplizierter Prozess, da die Abweichungen der

gesamten Struktur beachtet werden müssen. Hierfür wurde die Visualisierung mit Hilfe

von dreidimensionalen Texturen so realisiert (Shreiner et al. 2007), dass auf der Oberfläche

der Implantatbasisform die Grauwerte der Bilddaten dargestellt werden (Abb. 5-4). Dazu

werden die Grauwerte verwendet, die sich auf der Schnittfläche zwischen den Bilddaten

und der Oberfläche der Implantatbasisform befinden.

Abbildung 5-4: Visualisierte Implantatbasisform mit abgebildeten Grauwerten der Bild-

daten, wobei die Grauwerte an den Schnittpunkten zwischen Oberfläche

und Bilddaten verwendet werden (helle Teile weisen auf eine Lage in-

nerhalb und dunkle außerhalb des Knochengewebes hin); Es ist deutlich

der Bereich des erkrankten Gewebes (dunkel) erkennbar.

5.1 Operationsplanung und Implantatkonstruktion

Nach der Lagekorrektur liegt die Basisform des Implantates in Form des Volumens Iai

als Grundlage für weitere Operationen vor.

5.1.4 Generierung der Osteotomielinie

Der Anteil der Operationsplanung an der präoperativen Planungsphase besteht hauptsäch-

lich in der Definition der Osteotomielinie. Zudem wird diese gleichzeitig für die weitere

Anpassung der Implantatbasisform im Konstruktionsteil benötigt. Das Benutzungskonzept

für die Definition ist zweigeteilt. Aufgrund der übersichtlichen Darstellung der Zusammen-

hänge und der einfachen Handhabung in der dreidimensionalen Ansicht wird der Verlauf

der Osteotomielinie dort zunächst prinzipiell festgelegt. Da in dieser Ansicht die Gewebe-

arten ungenügend differenziert werden können, erfolgt das Justieren der Osteotomielinie in

den zweidimensionalen Ansichten.

Die Osteotomielinie Oi



wird durch mehrere unabhängige Schnittflächen Fiüberbe-

stimmt definiert. Dies ermöglicht dem Chirurgen stark gekrümmte Flächen (Kanten) durch

zwei sich treffende Schnittflächen zu modellieren. Um eine gültige geschlossene Osteoto-

mielinie zu bilden, müssen sich die Schnittflächen schneiden. Eine Schnittfläche wird im-

plizit durch eine Menge an Stützstellen definiert, welche jeweils aus einem Tupel von Posi-

tion, Normale und der Schnitthöhe bestehen:



=

{





,nn





,hn





}

. (5-11)

Die Positionen pni



der Stützstellen werden durch den Benutzer auf der Knochen- oder

Implantatbasisoberfläche positioniert. Entsprechend der Oberflächennormalen an den Posi-

tion werden die Normalen nni



initialisiert. Die Normale kann anschließend durch den

Benutzer verändert werden, um beispielsweise einen schrägen Schnitt zu planen. Die Höhe

hni



wird automatisch entsprechend der Knochendicke in Richtung der Normalen mit ei-

nem zusätzlichen konstanten Abstand bestimmt. Um durch möglichst wenige Stützstellen,

einfache Kontrolle und somit geringe Benutzerinteraktionen den gewünschten Verlauf der

Schnittfläche zu erhalten, wird auf der Basis von kubischen Hermite-Kurven bzw. Kochan-

ek-Bartels-Kurven interpoliert (Kochanek und Bartels 1984). Durch die nStützstellen wer-

den n-1 Kochanek-Bartels-Kurven sdefiniert. Die Datenelemente qt



zwischen zwei

Stützstellen qj und qj1 im Intervall t∈[0,1] werden demnach wie folgt ermittelt:

s:qt=g1tqjg2tmjg3tqj1g4tmj1(5-12)

mit



=

2t3

−

3t2





=

−



, (5-13)



=−





=

−

2, (5-14)

mj=1−te1bi1co



qj−qj−1





1−te1−bi1−co



qj1−qj



(5-15)

und

5 Realisierung

mj1=1−te1bi1−co



qj−qj−1





1−te1−bi1co



qj1−qj



. (5-16)

Die Elemente mjund mj1bezeichnen Tangenten in den Stützstellen. Die Eigenschaften

der Tangenten, die den Verlauf der Kurve beeinflussen, werden durch die Parameter te,

(tension), bi (bias) und co (continuity) festgelegt. Ein Punkt pFi



auf der Schnittfläche in-

nerhalb zweier Stützstellen, gegeben durch die Koordinaten uund v, wird wie folgt ermit-

telt:





u,v

=















(5-17)

wobei

∈[

0,1

]

und



∈[

0,hn







hn1



−



]

. (5-18)

Die Osteotomielinie ist somit vollständig und präzise gegenüber den Bilddaten definiert

und dient dem Zuschneiden der vorliegenden Implantatform Iaials Ausgangsbasis. Wei-

terhin wird die Osteotomielinie Oi



dem Patientenmodell innerhalb von vpiübermittelt.

Während der Behandlung ist das die Datengrundlage des Fräsassistenten.

5.1.5 Zuschneiden der Implantatbasisform

Nachdem die Implantatbasisform vorliegt, erfolgt das Zuschneiden auf die endgültigen äu-

ßeren Implantatgrenzen. Da die Osteotomielinie die zukünftige Knochengrenze festlegt,

dient diese ebenfalls als Begrenzung für die Implantatform. Das Ziel ist es, eine Passge-

nauigkeit des Implantates hinsichtlich der zukünftigen Knochengrenze herzustellen, die

sich durch schnelles Erreichen ohne aufwändige Nacharbeiten und durch Einhaltung des

maximalen Spaltes von unter 3 mm auszeichnet (Vgl. 1.2 Problemstellung aus medizini-

scher Sicht, S. 5). Die Abweichungen beim Fräsen von einer vorgegebenen Zielposition

werden in einer Näherung gleichmäßig verteilt sein. Um gleiche Abweichungen beim Frä-

sen von der vorgegebenen Schnittfläche zu ermöglichen, soll der maximal zur Verfügung

stehende Bereich von 3 mm ausgenutzt werden. Aus diesem Grund wird die Implantatform

mit einem Abstand zur Osteotomielinie von der Hälfte des Maximalwertes von 1,5 mm er-

zeugt. Dazu werden aus den definierten Schnittflächen Schnittkörper Bi



erzeugt, deren

Außenflächen auf beiden Seiten einen Abstand von 1,5 mm zur Schnittfläche aufweisen.

Ein Punkt pB





innerhalb des Schnittkörpers zwischen zwei Stützstellen, gegeben durch

die Koordinaten u, v und w, wird wie folgt bestimmt:

pBiu,v,w=pFiu,vw



niu





pn1i−pni



(5-19)

mit den Intervallen aus Gleichung 5-18 und

w∈

[

−3

2,3

]

. (5-20)

Mit Hilfe der Schnittkörper können Volumenelemente der Implantatbasisform Iaiso ent-

fernt werden, dass innerhalb des Volumens Teilstücke entstehen, die nicht aneinander gren-

zen. Dieser Vorgang wird sukzessiv mit allen Schnittkörpern durchgeführt. Es entsteht das

Volum en Ia,2i, welches innerhalb der Schnittkörper den Wert 0 aufweist:

5.1 Operationsplanung und Implantatkonstruktion

Ia,2ip=

{

0:p=pBiu,v,w

Iaip:sonst

}

. (5-21)

Dabei gelten für u,vund wdie Intervalle aus den Gleichungen 5-18 und 5-20. Das entstan-

dene Teilstück ist umgeben von Schnittresten und möglichen Satellitenvoxeln. Das Teil-

stück, welches das Implantat repräsentiert, ist mit hoher Wahrscheinlichkeit das Teilstück

mit dem größten Volumen. Dies beruht auf der Annahme, dass die definierte Tumorregion

Ri



Bereiche über den Sicherheitsbereich hinaus nicht einschließt. Nach der Volumenbe-

stimmung der zusammenhängenden Teilstücke in Ia,2iwird das Volumen Ibi



erzeugt,

welches das Teilstück mit dem größten Volumen enthält.

Die vorliegende Implantatform Ibi



ist passend zur geplanten Osteotomielinie. Unter Um-

ständen ist es jedoch notwendig, Teile des resezierten Knochengewebes nicht durch ein

Implantat zu rekonstruieren. Zudem fehlen Befestigungsmöglichkeiten. Im Anschluss fol-

gen das Anwenden von Manipulationen und das Einbringen von Befestigungen. Diese bei-

den Operationen sind prinzipiell dem Zuschneiden der Implantatbasisform ähnlich. In bei-

den Fällen werden durch den Benutzer positionierte, vordefinierte Formen aus dem Volu-

men Ibi



entfernt. Über die Definition von Manipulationen werden Kugeln K





verschie-

dener Durchmesser rauf der Implantatoberfläche generiert. Ein Punkt pK





innerhalb ei-

ner Kugel mit dem Mittelpunkt m, gegeben durch die Koordinaten u,vund w, wird wie

folgt bestimmt:

pKiu,v,w=mw



sinucosusinvcosusinv



(5-22)

mit u∈

[

−

2,

]

, v∈

[

0,

]

und w∈

[

0,r

]

Bei der Definition von Befestigungen werden Zylinder Z





senkrecht zur Implantatober-

fläche mit einer Länge erzeugt, die der doppelten Implantatdicke entlang der Normalen-

richtung entspricht. Für pZi



lässt sich vergleichbar zu pKiebenfalls eine Gleichung an-

geben. Ähnlich zu Gleichung 5-21 können die definierten Kugeln und Zylinder vom Volu-

men Ibi



entfernt werden. Das resultierende Volumen I





entspricht der endgültigen Im-

plantatform. Dies wird dem Patientenmodell innerhalb der Daten vpi übermittelt.

5.1.6 Export des Implantates

Die Graphenstruktur Si



wurde durch die definierten Operatoren mit deren Verknüpfun-

gen und Parametrisierungen festgelegt. Durch Benutzerinteraktionen für den Export wird

der Graph erneut evaluiert. Dabei werden jedoch als Eingangsdaten überabgetastete Pati-

entenbilddaten verwendet. Anhand der somit resultierenden hochaufgelösten volumenba-

sierten Implantatform wird eine dreiecksbasierte Oberfläche generiert. Hierbei wird der

Marching-Cubes-Algorithmus (Lorensen und Cline 1987) verwendet. Die entstandene

Oberfläche wird im STL-Format an den externen Speicher übermittelt. Diese Daten stehen

einem externen Hersteller zur Fertigung zur Verfügung.

5.2 Behandlungunterstützung

In diesem Abschnitt wird die Realisierung der Unterstützung für die Behandlung erläutert.

Zunächst werden die notwendigen Änderungen des Instrumentariums und die spezifische

Mensch-Maschine-Schnittstelle beschrieben. Anschließend wird die Repräsentation der in-

5 Realisierung

traoperativen geometrischen Zusammenhänge aufgezeigt. Das Kapitel schließt mit der Be-

schreibung der in Kapitel 4.5, Dynamische Systembeschreibung (S. 56), vorgestellten

Komponenten Fräsassistent und Systemüberwachung.

5.2.1 Instrumentarium

Gemäß der in den Kapiteln 4.3, Benutzung des Systems (S. 45), und 4.4.4, Fräsinstrument

mit Steuereinheit und Fußpedal (S. 52), beschriebenen Benutzungsweise des Fräsinstru-

mentes ergeben sich folgende Konsequenzen für die Realisierung:

●Minimale Einschränkung in der Benutzbarkeit des Instrumentes: Der Chirurg muss

während der Operation das Instrument sicher führen. Dazu muss das Instrument fest

durch die Hände gehalten werden können. Die Größe, das Gewicht und der Befesti-

gungsort des Lokalisators darf die Benutzbarkeit nicht mindern.

●Gewährleistung der Sterilität: Während der Operation hat das Instrument Kontakt

mit dem Patienten. Der Sterilitätsprozess muss somit nach Herstellerangaben sicher-

gestellt werden. Der Lokalisator muss dementsprechend abnehmbar befestigt sein.

Zudem muss dieser selbst den Sterilitätsanforderungen genügen. Der Lokalisator

muss somit in einfache Komponenten zerlegbar und aus einem sterilisierbaren Mate-

rial gefertigt sein.

●Hoher Reflexionsbereich des Lagemesssensors: Die Orientierung des gesamten Fräs-

instrumentes wird durch den Duraschutz auf die Orientierung der Osteotomielinie

eingeschränkt. Osteotomielinien sind geschlossen. Wird die Resektion entlang dieser

Linie von Anfang bis Ende mit solch einem Instrument durchgeführt, dreht sich die-

ses dabei um 360°. Wenn jedoch bei einer Drehung von 180° das Instrument wieder

an den Anfang gesetzt wird und in entgegengesetzter Richtung gefräst wird, ist ein

minimaler Öffnungswinkel von 180° notwendig. Im Fall von mäanderförmigen Os-

teotomielinien ist dies unter Umständen mehrfach durchzuführen. Mit dem minima-

len Öffnungswinkel kann die Lageerfassung des Instrumentes sichergestellt werden.

●Eindeutige Repositionierbarkeit des Lokalisators: Zu Beginn der Operation erfolgt

das Befestigen des Lokalisators am Fräsinstrument. Um die geometrische Konfigura-

tion wiederherstellen zu können, muss eine eindeutige Repositionierbarkeit sicherge-

stellt werden.

●Stabilität gegenüber leichten äußeren Krafteinwirkungen: Beim alltäglichen Ge-

brauch der Instrumente treten leichte Krafteinwirkungen auf. Der Lokalisator selbst

und dessen Befestigung am Instrument muss diesen zu einem gewissen Grad wider-

stehen. Das muss bei der Auswahl des Materials und der Konstruktion berücksichtigt

werden.

Die Realisierung der aufgeführten Anforderungen wird im Weiteren beschrieben (Liu

2008).

Konstruktion

Die verwendeten 5 mm-Reflektorkugeln weisen einen Reflexionswinkel von 120° auf. Um

einen Bereich von 180° zu erreichen, werden zwei um 100° gegeneinander verdrehte Refe-

renzanordnungen, bestehend aus jeweils drei Reflektorkugeln, überlagert. In Abb. 5-5a

wird der so theoretisch erreichbare gesamte Reflexionsbereich dargestellt, d.h. der Bereich,

in dem das Lagemesssystem den Lokalisator detektieren kann. Hierbei wird die Reflexion

5.2 Behandlungunterstützung

über die Auslenkung in Form von den Winkeln αund βbezüglich eines festen Referenz-

punktes visualisiert. Durch dieses Prinzip ist entlang einer Achse ein Reflexionsbereich

von maximal 220° erreichbar. Unter Beachtung der Herstellerangaben für die geometrische

Anordnung der Reflektoren innerhalb einer Referenzanordnung wurden zwei eindeutige

Anordnungen mit möglichst geringer Ausdehnung ermittelt. Das dafür konstruierte Träger-

element wurde auf die Verwendung des stabilen, leichten und sterilisierbaren Materials Ti-

tan optimiert. Der Lokalisator wird am Instrument so befestigt, dass eine Drehung des

Fräsinstrumentes um die Wirkachse der Auslenkung entlang des maximal reflektierenden

Bereiches entspricht.

Im Anschluss erfolgte eine Simulation der Konstruktion hinsichtlich deren Reflexionsbe-

reich. Hierfür wurde eine Methode entwickelt, die mit dem Raytracing-Verfahren aus der

Computergraphik verwandt ist (Liu et al. 2009). Die Reflektorkugeln werden durch gerich-

tete Lichtquellen mit einem Öffnungswinkel, der der Reflexion entspricht, repräsentiert.

Auf einer umliegenden Kugel, deren Radius der erwarteten Entfernung zwischen Lokalisa-

tor und Lagemesssystem entspricht und deren Mittelpunkt auf dem Lokalisator liegt, kann

nun das auftreffende Licht der 'emittierenden' Reflektoren ermittelt werden. Wird beispiels-

weise eine Lagebestimmung des Lokalisators ausschließlich bei der Detektion aller Reflek-

toren durchgeführt, so muss dementsprechend bei der Simulation von jedem Emitter auf ei-

nem Punkt der Kugeloberfläche ein Lichtstrahl auftreffen. Wenn in diesem Szenario Kör-

per aufgenommen werden, von denen mögliche Verdeckungen zu erwarten sind, wie z.B.

durch die Trägerkonstruktion, erhält man eine detaillierte Verteilung der Reflexion über

verschiedene Auslenkungen. In Abb 5-5b wird qualitativ das simulierte Ergebnis des kon-

struierten Lokalisators dargestellt. In den beiden weißen kreisförmigen Bereichen sind

links bzw. rechts am Rand deutlich Beeinträchtigungen durch das Trägerelement erkenn-

bar.

a) b)

Abbildung 5-5: a) Annäherung des theoretisch erreichbaren Reflexionsbereiches zweier

überlagerter herkömmlicher Referenzanordnungen; b) Qualitative Dar-

stellung des simulierten Reflexionsbereiches des konstruierten Lokalisa-

tors; Die beiden hellen Kreise widerspiegeln den Reflexionsbereich. An

dessen Rändern sind deutlich Beeinträchtigungen durch das Trägerele-

ment erkennbar.

5 Realisierung

Diese Methode approximiert die Ausdehnung des Lagemesssystems durch einen Punkt.

Dementsprechend werden verlässliche Werte nur dann erzeugt, wenn der Abstand des Lo-

kalisators zum Messsystem viel größer als die Ausdehnung des Messsystems selbst ist. Das

lässt sich jedoch durch separate Simulationen für jeden Detektor im Messsystem mit an-

schließendem Überlagern der Ergebnisse ausgleichen. Berücksichtigt man darüber hinaus

die geometrische Konfiguration mehrerer Lokalisatoren während der Behandlung, so kann

durch deren Überlagerung der gesamte Reflexionsbereich für die OP-Situation erzeugt

werden. Anhand dessen ist eine optimale Stellung des Lagemesssystems ermittelbar. Au-

ßerdem kann die Geometrie der Lokalisatoren optimiert werden, um den gemeinsamen Re-

flexionsbereich zu verbessern.

In der Applikation wird dieser Lokalisator transparent durch einen neuen Datentyp abge-

bildet. Dieser Typ enthält zwei separate Reflektorgeometrien, wobei jeweils die Transfor-

mation der besser detektierten Anordnung an die verarbeitenden Komponenten weitergelei-

tet wird.

Befestigung

Um den Sterilitätsanforderungen gerecht zu werden, wird der Lokalisator über einen Adap-

ter am oberen Ende des Fräsinstrumentes befestigt. Der Adapter selbst wird auf das Ende

des Instrumentes aufgesetzt. Mit Hilfe einer Überwurfmutter wird dieser am konisch zu-

laufenden Instrumentenschaft fixiert. Zusätzlich ist der Adapter mit einem Stift ausgestat-

tet, der in einer passend am Instrumente gefrästen Nut eingeführt wird. Dadurch wird eine

eindeutige Positionierung sichergestellt. Der gefertigte Lokalisator und Adapter ist in Abb.

5-6 dargestellt.

a) b)

Abbildung 5-6: a) Konstruierter und gefertigter Lokalisator aus Titan mit zwei mal drei

Reflektorkugeln aus Glas; b) Adapter mit Überwurfmutter und Rändel-

schraube zur Befestigung des Lokalisators am Instrument

Evaluierung

Der Reflexionseigenschaften des gefertigten Lokalisators wurden experimentell nach der

in Rose et al. 2006b beschriebenen Methode bestimmt. Dazu wurden die vom Lagemess-

system ermittelten Qualitätswerte jeder Messung über die Auslenkung des Lokalisators um

die Winkel αund βgegenüber dem Messsystem in einem Diagramm dargestellt (Abb. 5-

7a). Die Fläche der ermittelten Qualitätswerte bildet den Reflexionsbereich. Der resultie-

rende Bereich ist kleiner als der angestrebte von 180°, kommt dem jedoch in der haupt-

5.2 Behandlungunterstützung

sächlichen Auslenkungsrichtung sehr nah und überschreitet diesen teilweise. Dieser Sach-

verhalt wurde prinzipiell durch die Simulation aufgezeigt (Abb 5-5b).

Stehen jedoch Reflektoren mit einem höheren Reflexionswinkel zur Verfügung, wie bei-

spielsweise die PiGalileo™-Kugeln (Plus Orthopedics), sind auch alternative Reflektoran-

ordnungen vorstellbar. In Abb. 5-7b ist ein Lokalisator mit vier Reflektorkugeln darge-

stellt, von denen jedoch das Lagemesssystem mindestens drei gleichzeitig detektieren

muss. Beeinträchtigungen in der Detektion einzelner Reflektoren werden hierbei mit Schil-

den vermieden. Dadurch sind hohe Reflexionsbereiche von bis zu 240° möglich.

a) b)

Abbildung 5-7: a) Gemessener Reflexionsbereich des gefertigten Lokalisators (nicht re-

flektierende Bereiche enthalten keinen Messwert); b) Alternatives Funk-

tionsprinzip basierend auf vier Reflektoren, wobei mindestens drei

gleichzeitig reflektieren müssen; Beeinträchtigungen der Reflexion

durch die Reflektoren untereinander werden durch Schilde unterbunden.

5.2.2 Mensch-Maschine-Schnittstelle

Der Chirurg wird im Gegensatz zur Planung während der Behandlung sehr wenig auf den

Bildschirm schauen, muss aber dennoch die notwendigen Informationen schnell erfassen

können. Dazu wird die graphische Darstellung auf die schnelle Vermittlung von Informa-

tionen über das Instrumentarium fokussiert. Hierfür stehen der Haupt- und der Miniatur-

bildschirm zur Verfügung.

In Abb. 5-8 sind die Benutzeroberflächen dargestellt. Die meist passiven Anzeigeelemente

auf dem Hauptbildschirm sind in deren Anzahl verringert und so ausgerichtet, dass die Vi-

sualisierung der Bilddaten maximiert wird. Neben der Einblendung der Instrumente in den

zwei- und dreidimensionalen Anzeigen für die Bilddaten erfolgt die Darstellung von Sta-

tusinformationen des Instrumentariums und die Ausgabe von Hinweisen am oberen Anzei-

gerand. Auf dem Miniaturbildschirm werden ausschließlich Informationen zur Lage des In-

strumentes bezüglich der geplanten Osteotomielinie dargestellt (Vgl. 5.2.4 Fräsassistent,

S. 87).

Die Eingabegeräte konventionelle Maus und Spaceball (Vgl. 4.4.6 Ein- und Ausgabegerä-

te, S. 55) werden nur unmittelbar vor der Behandlung zur Vorbereitung benötigt. Während

der Behandlung erfolgen Benutzereingaben indirekt über die Instrumentenführung.

5 Realisierung

a) b)

Abbildung 5-8: a) Graphische Benutzeroberfläche des Hauptbildschirms während der

Behandlung mit weitestgehend passiven Anzeigeelementen, wie der An-

zeige von Statusinformationen und Hinweisen sowie den zwei- und drei-

dimensionalen Ansichten mit eingeblendeten Instrumentarium; b) Dar-

stellung der Relation von Instrument und Osteotomielinie auf dem Mi-

niaturbildschirm

5.2.3 Repräsentation geometrischer und zeitlicher Zusammenhänge

Dieser Abschnitt beschreibt die Realisierung der Repräsentation der geometrischen und

zeitlichen Zusammenhänge während der Behandlung (Vgl. 4.5.2 Patientenmodell, S. 60).

Zunächst werden Konsequenzen für die Realisierung aus den beschriebenen Konzepten ab-

geleitet:

●Enge Verknüpfung von geometrischen und zeitlichen Zusammenhängen: Die notwen-

digen Benutzerinteraktionen werden während der Behandlung durch den Chirurg fast

ausschließlich indirekt über die Instrumentenführung durchgeführt. Hiermit sollen

Probleme bei der Sterilität und das zusätzliche aufwändige Interagieren mit dem Sys-

tem beispielsweise über die Maus vermieden werden. Die Interaktionen müssen ver-

waltet werden. Meist sind diese abhängig vom aktuellen Systemzustand und von spe-

ziellen geometrischen Konfigurationen des verwendeten Instrumentariums unterein-

ander. Dementsprechend sollten die zeitliche und geometrische Repräsentation einen

schnellen Datenaustausch erlauben und somit eng verknüpft sein.

●Schnelle Verarbeitung und Bereitstellung der Daten: Während der Behandlung ist

eine maximale Verarbeitungszeit von 50 ms Voraussetzung, um die anfallenden Da-

ten des Sensors abzuarbeiten. Dazu sind effiziente Verfahren zur Aktualisierung der

Repräsentation und zur Bereitstellung der Daten notwendig.

Im Folgenden wird die realisierte Architektur und deren Funktionsweise näher beschrieben

(Beyer et al. 2008).

Architektur

Die Architektur wird in die geometrische und die zeitliche Repräsentation unterschieden.

Diese werden im Weiteren vorgestellt:

5.2 Behandlungunterstützung

●Geometrische Repräsentation: Die geometrischen Zusammenhänge (Vgl. 4.2.2 Ab-

bildung der geometrischen Zusammenhänge, S. 44) werden mit der aus der Robotik

bekannten kinematischen Kette beschrieben (Hommel und Heiß 1990). Demzufolge

ist eine kinematische Kette eine durch Gelenke verbundene Struktur aus starren Kör-

pern. Die Gelenke können dabei unterschiedliche Freiheitsgrade annehmen. Abwei-

chend von dieser Definition, werden im Weiteren die starren Körper als Objekte und

die Gelenke als Übergänge bezeichnet. Die Objekte repräsentieren dabei reale Kör-

per des Operationsszenarios sowie virtuelle Körper, wie beispielsweise markante Ko-

ordinatensysteme der Szene. Die Übergänge zwischen den Objekten stellen prinzipi-

ell homogene Transformationen mit Statusinformationen dar. Ein Übergang kann in

seinen Eigenschaften über die Zeit verändert werden. Aus diesen Modellierungskom-

ponenten lassen sich Repräsentationen komplexer Objekte erstellen. Diese können

wiederum dynamisch zu einem gerichteten nicht-zyklischen Graphen verbunden

werden, der so die gesamten geometrischen Zusammenhänge der Behandlung wider-

spiegelt (Abb. 5-9a).

●Zeitliche Repräsentation: Zur Beschreibung der zeitlichen Zusammenhänge während

der Behandlung (Vgl. 4.5 Dynamische Systembeschreibung, S. 56) werden Prozesse

verwendet. Prozesse definieren den Ablauf durch Zustandsübergänge und eignen sich

daher zur zeitlichen Beschreibung von Vorgängen. Ein Prozess wird im Ablauf durch

eine Zustandsmaschine gesteuert. Durch deren Aktualisierung werden Zustandsüber-

gänge durch das Überwachen des Prozesszustandes periodisch geprüft und bei gülti-

gen Übergangsbedingungen ausgelöst. Ein Prozess P





kann die Hauptzustände

schlafend und aktiv annehmen. Ein schlafender Prozess analysiert den eingehenden

Ereignisstrom Ekwährend der periodischen Aktualisierung uauf das spezifische

Ereignis EPk



. Sobald dieses Ereignis enthalten ist, wird der Prozess aktiv. Ein akti-

ver Prozess führt eine Abarbeitung aus und tritt eigenständig zurück in den schlafen-

den Modus. Zudem kann ein Prozess von außen durch eine Funktion in den schlafen-

den Modus zurückgesetzt werden.

Um zeitliche Abhängigkeiten zwischen verschiedenen Prozessen zu realisieren, wer-

den diese in Ketten Ckangeordnet (Abb. 5-9b). Die Reihenfolge der Prozesse

Pnk



in einer Kette definiert zugleich deren Aktualisierungsabfolge bezüglich des

eingehenden Ereignisstroms. Während eines Aktivierungszyklus kann ein Prozess

nur dann aktiviert werden, wenn noch kein anderer Prozess aktiv ist. Das kann einen

Prozesswechsel bedeuten, bei dem ein Wechsel des vorher aktiven Prozesses in den

schlafenden Modus erzwungen wird. Demnach ist in einer Prozesskette maximal ein

Prozess zu einem Zeitpunkt aktiv. Dieses Verhalten kann interpretiert werden als das

Entfernen des Ereignisses EP,jkaus dem Ereignisstrom bei der Aktualisierung u

des Prozesses Pjk



u:Ek

PjkEk∖EP,jk. (5-23)

Demnach ist ein Prozess Pjk



einer Kette aktiv, wenn die folgende Bedingung b

wahr ist:

{

EP,1k,,EP,j−1k

}

∉Ek∧EP,jk∈Ek. (5-24)

Dem nächsten Prozess Pj1kwerden entsprechend weniger Ereignisse weiterge-

reicht. Prozesse an vorderen Positionen der Kette haben somit eine höhere Priorität

5 Realisierung

bei deren Aktivierung. Das bedeutet, eine Prozesskette filtert sukzessiv Ereignisse

aus dem Ereignisstrom. Eine Prozesskette selbst verhält sich wie ein einzelner Pro-

zess und kann somit wieder Teil einer Prozesskette sein. Dadurch ist eine Hierarchi-

sierung von Prozessen möglich. Durch das Aktualisieren einer Prozesskette, die auf

einem Ereignisstrom arbeitet, resultiert die folgende Ereignismenge:

u:Ek

CkEk∖ECk



(5-25)

mit Ck=

{

P1k,,Pnk

}

und ECk=

{

EP,1k,,EP,nk

}

Bei der Konfiguration der Prozessketten muss darauf geachtet werden, dass die Pro-

zesse bezüglich deren Aktivierungsereignisse orthogonal zueinander aufgestellt wer-

den. Andererseits können auch niederpriorisierte Prozesse das Nichtenthalten von zu-

vor herausgefilterten Ereignissen ausnutzen.

Unter Umständen muss ein Prozess Zugriff auf die Mensch-Maschine-Schnittstelle

erhalten, da beispielsweise Hinweise auszugeben oder Benutzereingaben erforderlich

sind. Diese Prozesse werden als benutzeraktiv und die sonstigen als benutzerpassiv

bezeichnet. Abhängig von der Zugriffsart auf die Mensch-Maschine-Schnittstelle

werden bei benutzeraktiven Prozessen folgende Ausführungsarten unterschieden:

●Ausführung mit asynchroner Benutzerinteraktion: Die asynchrone Ausführung

wird eingesetzt, wenn neben der Ausführung Informationen an den Benutzer wei-

tergeleitet werden. Diese Ausführungsart ist nicht abhängig von Benutzereinga-

ben. Die Ausführung wird nicht beeinträchtigt.

●Ausführung mit synchroner Benutzerinteraktion: Die synchrone Ausführung tritt

auf, sobald Ausführungsbedingungen an Benutzereingaben geknüpft sind. Die

Ausführung wird angehalten, bis die notwendigen Benutzereingaben erfolgt sind.

Zusammengesetztes Objekt A

Objekt 1 Objekt 2

Zusammengesetztes Objekt C

Objekt

Zusammengesetztes Objekt B

Objekt 3 Objekt 4

Objekt 5

...

Prozesskette

Prozess

...

Abbildung 5-9: a) Prinzipieller Aufbau der geometrischen Repräsentation aus Objekten,

deren Übergänge geometrische Abhängigkeiten beschreiben; b) Generel-

le Struktur der zeitlichen Repräsentation durch Prozesse bzw. Prozess-

ketten, deren Struktur zeitliche Abhängigkeiten und Abläufe beschreiben

Die zeitliche Repräsentation manipuliert die geometrische Repräsentation. Die Prozesse

werden dazu lesend und schreibend an geometrische Übergänge gebunden. Beispielsweise

5.2 Behandlungunterstützung

kann eine Bedingung für einen Zustandsübergang in einem Prozess durch eine spezielle

Konfiguration eines Überganges ausgelöst werden. Andererseits können die Ergebnisse

von Prozessen in spezialisierten Übergängen gespeichert werden. Durch diese Trennung

von Verhalten und Geometrie können Objekte sehr schnell integriert oder an reale Verände-

rungen angepasst werden. Weiterhin ist eine Veränderung der geometrischen und zeitlichen

Zusammenhänge zur Laufzeit möglich.

Funktionsweise

Zur Verdeutlichung der Funktionsweise wird exemplarisch eine Szene bestehend aus Fräs-

instrument, Vermessungskörper und Lagemesssensor beschrieben. Die geometrischen Ab-

bildungen aus den Kapiteln 4.4.4, Fräsinstrument mit Steuereinheit und Fußpedal (S. 52)

und 4.4.5, Vermessungskörper (S. 54), werden dazu als Graph modelliert (Abb. 5-10a). Die

Objekte repräsentieren jeweils die bereits definierten Koordinatensysteme. Die Übergänge

zwischen den Objekten hingegen weisen unterschiedliche Funktionen auf:

●Konstanter Übergang: Der Übergang hat unabhängig von der Zeit einen definierten

Wert und ist immer gültig.

●Variabler Übergang: Ein variabler Übergang wird periodisch mit momentanen Sen-

sordaten aktualisiert. Die Gültigkeit des Überganges ist an die Detektion des Lokali-

sators vom Messsystem gebunden.

●Kalibrierübergang: Dieser Übergang wird durch einen Kalibrierprozess gesetzt und

ist immer gültig. Zusätzlich wird in dem Übergang eine Referenz auf das Objekt ge-

halten, dass zur Kalibrierung notwendig ist. In dem Beispiel ist das das Objekt Boh-

rung des Vermessungskörpers.

●Registrierübergang: Der Registrierübergang ist initial solange nicht gültig, bis ein

Registrierprozess diesen auf gültig setzt. Zudem wird in dem Übergang eine Refe-

renz auf das Objekt gehalten, dass zur Registrierung notwendig ist. Das ist in diesem

Beispiel nicht modelliert.

Die zeitliche Modellierung basiert auf dem in Kapitel 4.5.4, Instrumentenvermessung (S.

62), beschriebenen Verhalten für das Fräsinstrument. Das Lagemesssystem und der Ver-

messungskörper haben kein durch Prozesse definiertes zeitliches Verhalten. Mit Hilfe der

Prozessketten lässt sich die Instrumentenvermessung durch die Aneinanderreihung der se-

paraten Messverfahren beschreiben. Die Messverfahren sind als Prozesse implementiert. In

Abb. 5-10b ist die Prozesskette des Fräsinstrumentes bestehend aus Kalibrierprozess und

Registrierprozess dargestellt. Der Kalibrierprozess hat eine höhere Priorität zur Ausfüh-

rung und liegt deshalb vor dem Registrierprozess. Die Prozesse halten jeweils eine Refe-

renz auf den entsprechenden Übergang im geometrischen Modell.

Um den Übergang zwischen Objekten zu ermitteln, muss der kürzeste Pfad innerhalb des

Graphen bestimmt werden. Im Fall des Überganges von Wirkachse (wa) zu Bohrung (bo)

läuft dieser Pfad über die Objekte Lokalisatorgeometrie (lgf), Basis (ba), Lokalisatorgeo-

metrie (lgv) zu Bohrung. Der resultierende Übergang ergibt sich aus der Verknüpfung der

Übergangsinformationen entlang des Pfades. Die homogene Übergangstransformation be-

rechnet sich aus der Multiplikation der Transformationen des Pfades. Ist die Richtung des

Pfades entgegengesetzt der Übergangsrichtung, muss die Transformation invertiert werden.

Es ergibt sich folgende Berechnung:

5 Realisierung

Twa

bo =



Tbo

lgv



−1

⋅



Tlgv



−1

⋅Tlgf

ba ⋅Twa

lgf . (5-26)

Ähnlich zu den Transformationen werden die Statusinformationen der Übergänge, die je-

doch keine Richtungsinformationen aufweisen, logisch verknüpft.

Im Kalibrierübergang existiert ein Verweis auf die benötigte Bohrung. Mit Hilfe des Zu-

griffs auf die kinematische Kette kann der Kalibrierprozess den Übergang zwischen

Wirkachse und Bohrung, wie zuvor beschrieben, bestimmen. Befindet sich die Wirkachse

des Fräsinstrumentes in der Nähe der Bohrung, startet der Kalibrierprozess und wird aktiv.

Die Kalibrierung erfolgt über mehrere Zyklen und endet mit dem Setzen der ermittelten

Geometriedaten und Statusinformationen im Kalibrierübergang. Die Arbeitsweise des Re-

gistrierprozesses ist ähnlich zu dem vorgestellten Arbeitsablauf.

Zur Vermeidung einer Tiefen- oder Breitensuche bei der Bestimmung des kürzesten Pfades

zur Laufzeit, werden für jedes Objekt, welches dem Graph hinzugefügt wird, zusätzliche

Richtungsinformationen erzeugt. Die Richtungsinformationen sind in Form eines binären

Suchbaums implementiert, wobei das Zielobjekt der Suchschlüssel und der nächste zu tra-

versierende Übergang der Wert ist. Es ergibt sich für einen Pfad der Länge lund einem

ausbalancierten Suchbaum mit n Objekten ein Suchaufwand von O



llogn



Vermessungkörper

Fräsinstrument

Lokalisator-

geometrie

Wirkachse

Spitze

Registrier-

übergang

Kalibrier-

übergang

Lokalisator-

geometrie

Bohrung

Konstanter

Übergang

Lagemesssystem

Basis

Variabler

Übergang

Variabler

Übergang

Fräsinstrument

Kalibrier-

prozess

Registrier-

prozess

Abbildung 5-10: Beispielhafte Modellierung einer Szene bestehend aus Fräsinstrument,

Vermessungskörper und Lagemesssensor: a) Abbildung der geometri-

schen Zusammenhänge in Form eines gerichteten nicht-zyklischen Gra-

phen und b) Repräsentation der zeitlichen Zusammenhänge durch eine

Kette bestehend aus separaten Prozessen

5.2 Behandlungunterstützung

5.2.4 Fräsassistent

Dieser Abschnitt beschreibt die Realisierung der intraoperativen Fräsunterstützung (Vgl.

4.5.6 Fräsassistent, S. 65). Zu Beginn werden die verfolgten grundlegenden Prinzipien bei

der Realisierung dargelegt. Anschließend folgt die Beschreibung der Elementaroperatio-

nen, der Algorithmen und der Mensch-Maschine-Schnittstelle (Liu 2008). Im Anschluss

werden die Konsequenzen aus den Konzepten und deren Lösungsansätze für die Realisie-

rung erläutert (Rose et al. 2009):

●Automatische Selektion der Schnittfläche: Die Osteotomielinie kann aus mehreren

Schnittflächen bestehen. Um die Benutzerinteraktionen minimal zu halten, wird die

aktive Schnittfläche automatisch bestimmt. Dazu wird diejenige gewählt, deren Ab-

stand zur Instrumentenspitze am geringsten ist. Weiterhin wird als Ziel die Position

des Punktes auf dieser Schnittfläche verwendet, der den geringsten Abstand zur In-

strumentenspitze aufweist. Die Zielorientierung ergibt sich aus der Orientierung der

Schnittfläche im Zielpunkt.

●Übersichtliche Darstellung der momentanen geometrischen Beziehung von Osteoto-

mielinie und Instrument: Die Darstellung der Lagebeziehung zwischen Osteotomieli-

nie und Fräsinstrument erfolgt auf dem Miniaturbildschirm nahe dem Situs (Vgl.

4.4.6 Ein- und Ausgabegeräte, S. 55). Die notwendige Sterilität des Bildschirms wird

durch das sterile Einpacken in Folie erreicht. Die Folie kann Falten schlagen und Re-

flexionslicht der Operationslampen widerspiegeln. Um dennoch eine klare Darstel-

lung zu ermöglichen, werden neben der Verwendung einer zweidimensionalen Visua-

lisierung die Darstellungsmittel auf hohe Kontraste, einfache Formen, große Symbo-

le und Komplementärfarben eingeschränkt.

Um die Anzahl der darzustellenden Elemente zu verringern, wird die Lagebeziehung

ausschließlich auf die relative Positions- und Orientierungsabweichung reduziert.

Beide Abweichungen werden jeweils durch einen Punkt repräsentiert. Um die opti-

male Lage des Instrumentes zu erreichen, müssen beide Punkte in einen Bereich ge-

bracht werden, welcher durch die Toleranz definiert ist.

●Visualisierung der Lagebewertung: Der Chirurg muss eine schnelle Analyse der

Lage des Fräsinstrumentes durchführen können. Dazu muss das Erreichen der gefor-

derten Genauigkeit klar erkennbar sein. Für eine einfache und klar verständliche Vi-

sualisierung wird eine alternierende Darstellung gewählt, die durch die Zustände

„Abweichungen innerhalb der Toleranz“ und „Abweichungen außerhalb der Tole-

ranz“ repräsentiert wird. Dafür muss vom System eine Lagebewertung auf der Basis

von klinischen Toleranzwerten durchgeführt werden.

●Anzeige von zukünftigen Lageänderungen: Der Chirurg soll zukünftige Lageänderun-

gen frühzeitig erkennen, um Vorkehrungen für eine Änderung in der Instrumenten-

führung zu treffen. Eine bevorstehende Lageänderung wird durch die Darstellung der

ausgewählten Schnittfläche vermittelt. Die Schnittfläche wird als Linie angezeigt.

Während das Instrument entlang der Osteotomielinie bewegt wird, darf sich dessen

Orientierung bei der Darstellung nicht ändern. Dies vermittelt eine Ansicht auf den

Situs, die ähnlich der Wahrnehmung durch den Chirurgen ist. Weiterhin wird anhand

der Schnittfläche die Ansichtsebene abgeleitet, so dass auch hierbei die Visualisie-

rung der Wahrnehmung nahe kommt.

5 Realisierung

Der Fräsassistent übernimmt die zentrale Rolle bei der Einhaltung der definierten Planung

während der Operation. In Abb. 5-11 sind dessen einzelne Teilkomponenten dargestellt. In

jedem Systemzyklus erfolgt die Bestimmung der Lageabweichung auf der Basis der Ein-

gangsdaten wFk, bestehend aus der Osteotomielinie Ound den Transformationen, die

die Lage der Instrumentenspitze innerhalb des Koordinatensystems der Bilddaten img re-

präsentieren. Die resultierende Lageabweichung ga





wird bewertet und dem Patienten-

modell in Form des Datenstroms vFkübermittelt. Die Bewertung gbkwird mit der Os-

teotomielinie und den Abweichungen zu yFkvereinigt und durch die Mensch-Maschine-

Schnittstelle visualisiert.

Fräsassistent

Instrumenten-

lagebewertung

Mensch-

Maschine-

Schnittstelle

Behandlung

Patienten-

modell Bestimmen der

Lageabweichung

Abbildung 5-11: Datenflussdiagramm des Fräsassistenten mit Komponenten (Vgl. dazu

auch Abb. 4-12, S. 57)

Bestimmung der Lageabweichung

Zunächst wird die aktuelle Lage der Instrumentenspitze Ttrt

img k



im Koordinatensystem

der Bilddaten img nach ermittelt (Vgl. Gleichung 4-25, S. 66). Anschließend erfolgt die

Bestimmung der Punkte auf den Schnittflächen, die den geringsten Abstand zur Instrumen-

tenspitze aufweisen (Vgl. 5.1.4 Generierung der Osteotomielinie, S. 75). Durch einen Ver-

gleich der Abstände wird die aktuell dichteste Schnittfläche ermittelt und in einer Liste ab-

gelegt. Die Liste repräsentiert die letzten 20 dichtesten Schnittflächen. Die in der Liste am

häufigsten vorkommende Schnittfläche

img ist zusammen mit derem dichtesten Punkt

pnr

img k



, definiert durch die Koordinaten

k



und mk



auf der Schnittfläche, die Grund-

lage der weiteren Berechnungen (Abb. 5-12):

pnr

img k= pF,j

img



lk,mk



. (5-27)

Im dichtesten Punkt wird ein Koordinatensystem sfc definiert, dessen Basisvektoren ex

und

ydurch die Tangenten entlang uund vder Schnittfläche in diesem Punkt bestimmt

sind. Die Transformation Tsfc

img k



wird somit wie folgt ermittelt:

Tsfc

img k=

[



lk





mk





lk



×s



mk



pnr

img k

00 0 1

]

(5-28)

mit

ru=

∥

∂pF,j

img u,v

∂u

∥

und sv=

∥

∂pF,j

img u,v

∂v

∥

. (5-29)

5.2 Behandlungunterstützung

Abbildung 5-12: Geometrische Größen während der Bestimmung der Lageabweichung

zwischen der Spitze des Fräsinstrumentes Ttrt

img





und der Schnittflä-

che F

img

Die Lageabweichung wird durch die Distanz dk



sowie die Winkelabweichungen





und kangegeben. Der vorzeichenbehaftete Abstand dk



ergibt sich aus dem Translati-

onsanteil ttrt

img





der Lage des Fräsinstrumentes damit zu:

dk=



Tsfc

img k



−1⋅ttrt

img k



⋅



0010



. (5-30)

Anhand der Wirkachse des Instrumentes etrt ,x

img kwerden die Winkel kund kwie

folgt bestimmt:

k=arcsin



sfc k

∣

sfc k

∣



und k=arctan



sfc k



(5-31)

mit

sfc k=



Tsfc

img k



−1⋅etrt , x

img k



. (5-32)

Die resultierenden Lageabweichungen werden im Datenstrom

gak=

{

dk,k,k

}

(5-33)

zusammengefasst.

Lagebewertung des Instrumentes

Für die Bewertung der Lage müssen Grenzwerte festgelegt werden, die die klinischen An-

forderungen (Vgl. 1.2 Problemstellung aus medizinischer Sicht, S. 5), die Instrument-

eigenschaften (Vgl. 4.4.4 Fräsinstrument mit Steuereinheit und Fußpedal, S. 52) und die

Planung (Vgl. 5.1.5 Zuschneiden der Implantatbasisform, S. 76) berücksichtigen. Der ma-

ximale Spalt zwischen der Implantataußengrenze und dem Knochengewebe darf 3 mm

nicht überschreiten und muss größer oder gleich 0 mm sein.

5 Realisierung

Um eine möglichst hohe Benutzerfreundlichkeit zu erreichen, sollten die einzuhaltenden

Toleranzbereiche so groß wie möglich sein. Das erleichtert die Führung des Instrumentes.

Der zur Verfügung stehende Toleranzbereich tma

wird für die Positions- und Orientie-

rungsabweichung (

p und

o) gleich aufgeteilt:

tmax



to wobei t

. (5-34)

a) b)

Abbildung 5-13: a) Bestimmung des maximal zur Verfügung stehenden Toleranzbereiches

unter Vernachlässigung der Orientierungsabweichung (Ansicht von

oben); b) Fräsinstrument bei maximaler Positions- und Orientierungsab-

weichung (Schnittansicht)

Um den maximalen Toleranzbereich tmax zu ermitteln, wird zunächst die Orientierungsab-

weichung vernachlässigt. In Abb. 5-13a ist dieser geometrische Sachverhalt als Ansicht

von oben dargestellt. Demnach ergibt sich tma

mit einem Spaltabstand sund einem Fräser-

radius

m zu:

tmax =s−2rm

2. (5-35)

Die zusammengesetzte maximale Position- und Winkelabweichung ist in Abb 5-13b darge-

stellt. Hierbei wird die Annahme getroffen, dass sich die Fräserspitze aufgrund der Füh-

rung des Duraschutzes an der Unterseite des Knochens befindet. Der maximale Winkel t



kann bei einer Knochendicke h somit bestimmt werden:

t=arctan



2−tp−rm

cos



t



. (5-36)

Für erwartete kleine Winkel t



kann das angenähert werden durch:

t≈arctan





. (5-37)

5.2 Behandlungunterstützung

Bei einem maximalen Abstand svon 3 mm, einem Fräserradius

mvon 0,75 mm und einer

angenommenen Knochendicke

von 10 mm folgt eine Positionsabweichung

pvon

0,375 mm und eine Orientierungsabweichung



von 2,2°. Die angenommene Knochen-

dicke entspricht einer oberen Schätzung einschließlich eines Sicherheitsabstandes. Der Da-

tenstrom gbk, der die Erfüllung der Genauigkeitsbedingungen repräsentiert, ergibt sich

somit zu:

gbk=

{

wahr :

∣

dk

∣

≤tp∧

∣

k

∣

≤t∧

∣

k

∣

≤t

falsch :sonst

}

. (5-38)

Mensch-Maschine-Schnittstelle

Die Mensch-Maschine-Schnittstelle visualisiert die Abweichungen gak



, die Lagebewer-

tung gbkund die Osteotomielinie O, repräsentiert durch die aktuelle Schnittfläche F

img .

Zunächst werden die Bestimmung der Projektionsebene und die Transformation der darzu-

stellenden Elemente in dieser Ebene beschrieben. Anschließend werden die einzelnen Zu-

stände der Anzeige in deren Benutzung erläutert.

Die Darstellung der Abweichungen und der Schnittfläche soll der Wahrnehmung des Chir-

urgen ähnlich sein. Dementsprechend muss die Orientierung der Visualisierung zu einem

gewissen Grad unabhängig von der Orientierung der Osteotomielinie sein. Die Normale

der Visualisierungsebene wird durch die Schnittfläche definiert. Die Rotation um diese

Normale hingegen ist fest bezüglich des Koordinatensystems der Bilddaten img.

Es wird ein Koordinatensystem view definiert, welches die aufgezählten Eigenschaften re-

präsentiert. Die Projektionsebene für die Darstellung entspricht der x-z-Ebene dieses Koor-

dinatensystems (Abb. 5-14).

a) b)

Abbildung 5-14: a) Geometrische Zusammenhänge für die Bestimmung der Projektions-

ebene zur Darstellung der Abweichungen und der Schnittfläche; b) Vi-

sualisierung der Abweichungen d

view k



und o

view ksowie der abgetas-

teten Schnittfläche LF,j

view k in der Projektionsebene

Die Transformation des view Koordinatensystem bezüglich des Systems img kann dem-

nach bestimmt werden:

5 Realisierung

Tview

img k=

[

eview ,x

img keview ,y

img keview ,z

img ktsfc

img k

0001

]

(5-39)

mit

eview,x

img k= esfc,y

img k×

∥

esfc,y

img k× ez

img

∥

, (5-40)

eview,y

img k= esfc ,y

img k



und (5-41)

eview,z

img k=

∥

esfc,y

img k× ez

img

∥

. (5-42)

Um die Abweichungen und die Schnittfläche, die bezüglich des sfc Koordinatensystem de-

finiert sind, auf die Darstellungsebene zu projizieren, wird die Transformation Tsfc

view k



benötigt:

Tsfc

view



=



Tview

img





−1

⋅

Tsfc

img





. (5-43)

Hiermit sind die Positions- und Orientierungsabweichung ( d

view





und o

view





)imview

Koordinatensystem bestimmbar:

view k= Tsfc

view k⋅



00dk



(5-44)

und

view k= Tsfc

view k⋅



k0k



. (5-45)

Weiterhin wird eine Punktemenge LF,j

view kermittelt, die die Schnittfläche innerhalb ei-

nes festgelegten Bereiches durch abgetastete Punkte repräsentiert:

LF,j

view k=

{



Tview

img k



−1

⋅pF,j

img



lkw,mk



}

(5-46)

mit

∈[−

5,5

]

.Diey-Komponenten der Punkte werden vernachlässigt. Diese Kurve be-

stehend aus Liniensegmenten ist auf einen relativ kleinen Bereich beschränkt, um die ent-

stehenden Projektionsverzerrungen gering zu halten.

Die Benutzung des Fräsassistenten wird in vier Zustände unterteilt (Abb. 5-15). Solange

sich das Fräsinstrument nicht in der Nähe einer Schnittfläche befindet, wird neben den Sta-

tusanzeigen der Toleranzbereich in der Mitte dargestellt (Abb. 5-15a). Sobald das Instru-

ment nahe einer Schnittfläche ist, wird diese als farbig alternierende Liniensegmente ange-

zeigt (Abb. 5-15b). Zudem erscheinen die zwei Punkte, die die Positions- und Orientie-

rungsabweichung repräsentieren. Durch die Veränderung der Instrumentenspitze innerhalb

des Toleranzbereiches nahe der Osteotomielinie wird ein Punkt entsprechend im Toleranz-

bereich angezeigt (Abb. 5-15c). Gleiches gilt für die Orientierung (Abb. 5-15d). Darüber

hinaus gehende Benutzerinteraktionen sind nicht notwendig.

5.2 Behandlungunterstützung

a) b)

c) d)

Abbildung 5-15: Ausrichtungsunterstützung des Fräsinstrumentes repräsentiert durch vier

Stadien: a) Instrument weit vom Schnitt entfernt, b) Instrument nahe ei-

nem Schnitt, c) Instrumentenspitze ist innerhalb der Toleranz und d) Po-

sition und Orientierung sind innerhalb der Toleranz

5.2.5 Systemüberwachung

Dieser Abschnitt beschreibt die Realisierung der Überwachung der verwendeten Sensorik

und der Lageermittlung des Instrumentes bezüglich der präoperativen Bilddaten während

der Behandlung (Vgl. 4.5.7 Systemüberwachung, S. 67). Zunächst werden die verfolgten

grundlegenden Prinzipien bei der Realisierung erläutert. Anschließend folgt die Beschrei-

bung der verwendeten Algorithmen. Zunächst werden die Konsequenzen aus den Konzep-

ten und deren Lösungsansätze für die Realisierung beschrieben:

●Auswahl der relevanten Fehlerquellen: Die im System enthaltenen Fehlerquellen

müssen auf Relevanz geprüft werden. Als relevante Fehlerquellen werden diejenigen

definiert, die eine Abweichung von den spezifizierten Systemeigenschaften verursa-

chen bzw. sich direkt auf eine Nichterfüllung der Zweckbestimmung auswirken. Im

Speziellen sind das Fehlerquellen, die zu Abweichungen der ermittelten zur realen

Instrumentenlage führen. Dazu gehören auch Fehlerquellen, die eine Ermittlung der

Instrumentenlage unmöglich machen. Die entstandene Auswahl unterliegt der weite-

ren Überwachung.

●Kontinuierliche Ermittlung von Abweichungen: Die Abweichungen werden in jedem

Systemzyklus bestimmt. Um die Ermittlung von Abweichungen zu realisieren, sind

Kenntnisse über die Entstehung der Fehlergrößen und deren Bezug zur optimalen

Anforderung eine Voraussetzung:

●Modellierung der Fehlerentstehung: Die Vorgänge zur Entstehung der jeweiligen

Fehlerarten müssen durch Modelle beschrieben werden. Anhand dieser Modelle

wird eine Bestimmung bzw. Abschätzung der Fehlergröße möglich. Weiterhin

müssen die Zusammenhänge der separaten Modelle untereinander in einem Ge-

5 Realisierung

samtmodell definiert sein. In solch einem Modell werden die Fehler zueinander

gewertet bzw. deren Fusion zu einem Wert festgelegt.

●Definition der Anforderungen: Die Anforderungen werden für die Arten der Ab-

weichungsquellen, soweit das möglich ist, separat festgelegt. Dazu dienen für die

Sensorik beispielsweise die Angaben des Herstellers über deren optimales Zu-

sammenwirken aus optischem Messsystem und Lokalisatoren.

●Kontinuierliche Bewertung der Abweichungen: Für die ermittelten Abweichungen

werden, wenn möglich, Bewertungen vorgenommen. Als Grundlage dafür dienen

Ableitungen von Grenzparametern aus klinischen Anforderungen oder experimentell

bestimmte Richtgrößen. Anhand der Ergebnisse der Bewertung werden unter Um-

ständen Maßnahmen zur Korrektur eingeleitet.

●Unterbrechung der Assistenzfunktionen bei Toleranzüberschreitungen: Überschrei-

tungen von Toleranzbereichen müssen als solche identifiziert werden können. Die

Ausführung des Arbeitsablaufes wird daraufhin unterbrochen. Durch die Anzeige

von entsprechenden Hinweisen wird auf die Ursache hingewiesen, so dass die fehler-

hafte Konfiguration durch den Benutzer schnell erkannt und korrigiert werden kann.

●Kontinuierliche Darstellung der Abweichungen: Werden Fehler aufgrund von fehlen-

den Bewertungskriterien nicht durch das System bewertet, so erfolgt die kontinuierli-

che Darstellung der Abweichungen. Der Chirurg erhält damit einen guten Eindruck

über die qualitative Größe der Abweichung und kann auf dieser Grundlage die ver-

mittelten Informationen eigenständig bewerten.

Modellierung der fehlerbehafteten Zusammenhänge

Abbildung 5-16: Geometrische Zusammenhänge der Planung und Behandlung bezogen

auf die fehlerbehafteten Einflüsse bei der Lagebestimmung des Instru-

mentes in den Bilddaten

5.2 Behandlungunterstützung

Die relevanten Fehler werden anhand des geometrischen Zusammenhangs identifiziert. In

Abb. 5-16 sind die einzelnen fehlerbehafteten Übergänge dargestellt, die bei der Bestim-

mung der Relation der Lage des Fräs- oder Zeigeinstrumentes zur Planung Einfluss neh-

men. Im Folgenden wird die Modellierung der Teilfehler beschrieben:

●Bilddaten: Die Bilddaten approximieren die reale Patientensituation durch eine Dis-

kretisierung des Raumes und der Werte (Vgl. 2.1 Bildgebende Verfahren, S. 10). Die-

se Quantisierung hat neben verschiedenen Verzerrungen einen zeitlich unabhängigen

Einfluss auf die Genauigkeit der Planung und Konstruktion. Somit ergibt sich eine

Fehlergröße bei der Ermittlung der Lagebeziehung zwischen Planungsdaten und In-

strument. Im Weiteren wird ausschließlich der räumliche Diskretisierungsfehler be-

trachtet. Dieser wird nach dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem durch die halbe Dia-

gonale eines Volumenelementes

Mtgt

img :tgt

img =1



2vy

2vz

2(5-47)

angenähert, wobei

yund

den Kantenlängen eines Volumenelementes entspre-

chen.

●Patientenregistrierung: Die Patientenregistrierung ermittelt den Übergang von den

Bilddaten zum Patientenlokalisator Tpa

img (Vgl. 4.5.5 Patientenregistrierung, S. 64).

Nach der beschriebenen Methode ist der enthaltene wahre, räumlich abhängige Feh-

ler prinzipiell nicht ermittelbar, ohne separate Messungen durchzuführen. Dieser

Fehler wird durch die Übereinstimmung der beiden zur Registrierung verwendeten

geometrischen Strukturen approximiert. Der somit räumlich unabhängige Fehlerwert

mit der Anzahl der künstlichen Landmarken N wird bestimmt als

Mpat

img :pat

img =max



∀N

∣

pref ,j

img −Tpat

img ⋅pref ,j

pat

∣



. (5-48)

●Lagemesssystem: Das optische Lagemesssystem ermittelt in jedem Systemzyklus die

momentane Lage der Lokalisatoren im Raum (Vgl. 4.4.1 Optischer Lagemesssensor,

S. 50). Mit Hilfe von Genauigkeitsangaben für die Detektion eines Reflektors und

der bekannten geometrischen Anordnung der Reflektorelemente innerhalb eines Lo-

kalisators kann durch Fehlerfortpflanzung die räumlich abhängige Fehlergröße in je-

dem Punkt relativ zum Lokalisator bestimmt werden (Fitzpatrick et al. 1998 und

Hoff und Vincent 2000). Unabhängig davon bestimmt das Polaris®-Messsystem die

Qualitätswerte qlock



bei jeder Lageermittlung eines Lokalisators (Northern-Digital

2002). Dieser bereitgestellte Wert ist die Grundlage für die Abschätzung des Mess-

fehlers. Das Modell bzw. der Fehler für die Lageermittlung eines Lokalisators erge-

ben sich zu

Mloc

cam qloc :loc

cam k=qlock. (5-49)

Darüber hinaus weist der optische Übergang weitere Eigenschaften auf, die eine Be-

einträchtigung der Lagebestimmung verursachen. Wird die Sichtbarkeit des Lokali-

sators von Seiten des Lagemesssystems unterbrochen, sind keine Aussagen über die

Lage des Instrumentes möglich. Um diesen Sachverhalt weitestgehend zu unterbin-

den, wird die Lage des Instrumentes bezogen auf den Arbeitsraum des Lagemesssys-

tems überwacht.

5 Realisierung

Der Arbeitsraum wird in drei Räume (optimal,normal und sichtbar) jeweils für die

Position (

norm und

vis) und die Ausrichtung (Oop

,Onorm und Ovis) unterteilt.

Hierbei gilt für die Teilräume:

opt ⊂

norm⊂

vis und Oopt⊂Onorm⊂Ovi

. (5-50)

Auf dieser Grundlage wird eine Bewertung der Lage eines Instrumentes, definiert

durch die Position ploc und die Orientierung oloc, in Bezug auf den Arbeitsraum durch

das System ermöglicht:

Qloc =

{

opt :ploc∈Ropt ∧oloc∈Oopt

norm :ploc∈Rnorm ∧oloc∈Onorm

bad :ploc∈Rvis ∖



Ropt∪Rnorm



∨oloc∈Ovis ∖



Oopt∪Onorm



}

. (5-51)

●Instrumentenkalibrierung: Die Kalibrierung des Instrumentes ermittelt den Übergang

des Lokalisatorsystems trp zur Aufnahme des Fräsers tro (Vgl. 4.5.4 Instrumenten-

vermessung, S. 62). Die Genauigkeit der Kalibrierung wird mit der Referenz, dem

Vermessungskörper, direkt im Anschluss an die Kalibrierung durchgeführt. Die Ab-

weichungen zwischen dem Referenzsystem msc und dem der Fräseraufnahme tro

werden bestimmt:

Tmsc

tro =



Ttro

trp



−1

⋅



Ttrp

cam



−1⋅Tmsr

cam ⋅Tms

msr . (5-52)

Der Fehler wird aus einer Reihe von N Messwerten ermittelt:

Mtro

trp :tro

trp =max



∀N

∣

tmsc ,j

tro

∣



. (5-53)

●Instrumentenregistrierung: Durch die Registrierung des Instrumentes wird der Über-

gang der Fräseraufnahme zur Fräserspitze bestimmt (Vgl. 4.5.4 Instrumentenvermes-

sung, S. 62). Der entstehende Fehler wird aus den NMesswerten des Registrierpunk-

tes im neu ermittelten trt System

reg ,j

trt bestimmt:

Mtrt

tro :trt

tro =max



∀N

∣

preg,j

trt

∣



(5-54)

mit

preg

trt =



Ttrt

tro



−1

⋅



Ttro

trp



−1

⋅



Ttrp

cam



−1

⋅Tpat

cam ⋅pre

pat . (5-55)

Nach einem ähnlichen Modell M

ptr wird der Übergangsfehler



ptr der Spitze des

Zeigeinstrumentes ptt zum Lokalisatorsystem ptr definiert.

Die beschriebenen Fehlermodelle beachten jeweils den Translationsfehler in stark abstra-

hierter Form. Die Verknüpfung der Teilmodelle entlang mehrerer verbundener Übergänge

wird durch Aufsummieren erreicht. Diese einfache und für den Benutzer nachvollziehbare

Abschätzung bildet einen qualitativen Richtwert des wahren Fehlers. Um beispielsweise

den Gesamtfehler



trt

tgt





für den Übergang von der Instrumentenspitze des Fräsers trt bis

zu einem Ziel innerhalb der Bilddaten tgt zu ermitteln, werden die folgenden Teilmodelle

miteinander verknüpft:

5.2 Behandlungunterstützung

Mtrt

tgt k= Mimg

tgt Mpat

img Mpat

cam



qpatLock





Mtrp

cam



qtrpLock



Mtro

trp Mtrt

tro (5-56)

und der Fehler ergibt sich zu

trt

tgt k= 

img

tgt 

pat

img 

pat

cam k

trp

cam k 

tro

trp 

trt

tro . (5-57)

Kontinuierliche Ermittlung und Bewertung

Für die kontinuierliche Ermittlung der Fehlerwerte wurde die in Kapitel 5.2.3, Repräsenta-

tion geometrischer und zeitlicher Zusammenhänge (S. 82), beschriebene Repräsentation

erweitert. In der geometrischen Modellierung wurden Fehlergrößen als Eigenschaften in

jedem Übergang integriert. Bei der Aktualisierung eines Überganges wird auch der Fehler-

wert entsprechend aktualisiert. Die Zusammenfassung von Übergängen erfolgt nach dem

beschriebenen Modell zur Verknüpfung der Fehlerwerte.

In die zeitliche Repräsentation basierend auf den Prozessketten wurde ein Prozess mit

asynchroner Benutzerinteraktivität definiert, der aktiv wird, sobald der Qualitätswert Qloc

für einen festgelegten Lokalisator den Wert bad annimmt (Abb. 5-17a). Dieser Prozess ist

ein Bestandteil der Prozesskette des Patientenlokalisators.

Die Ergebnisse der Fehlerbestimmung werden dem Patientenmodell in Form des Daten-

stroms vSkübermittelt. Zudem werden diese Daten zusammen mit der Bewertung der

Mensch-Maschine-Schnittstelle als ySk zugesandt.

Beobachtung Ausrichtung

Qualität ist für N

Zyklen optimal

Startbedingung

erfüllt

Abbildung 5-17: a) Zustandsautomat des Prozesses für die Einhaltung des Arbeitsraumes;

b) Visualisierung des geschätzten Fehlers trt

tgt kder Instrumentenspit-

ze in einem orthogonalen Schnitt in Form eines Kreises

Mensch-Maschine-Schnittstelle

Die Mensch-Maschine-Schnittstelle der Behandlung visualisiert die übermittelten Daten

der Fehlerwerte und stellt entsprechend der Ergebnisse der Bewertung Hinweise bzw. Dia-

loge dar. Mit Hilfe eines Dialoges wird der Benutzer angewiesen, die Lage des Patienten-

lokalisators bezüglich des Arbeitsraumes zu korrigieren. Dabei wird die normale Benut-

zung des Systems unterbrochen. In nachfolgenden Verarbeitungsschritten kann dieser Lo-

kalisator als zentrale Referenz optimal im Arbeitsraum des Lagemesssystems angenommen

werden.

5 Realisierung

Der geschätzte Gesamtfehler jedes Instrumentes wird dem Benutzer in Form eines dreidi-

mensionalen Bereiches für die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Instrumentenspitzen rela-

tiv zum Patienten dargestellt (Abb. 5-17b) (Rose und Krueger 2006a). Die Form des Berei-

ches entspricht einer Kugel mit dem Radius der momentanen Fehlergröße, wie beispiels-

weise



trt

tgt





für die Spitze des Fräsinstrumentes.

5.3 Zulassung nach Medizinproduktegesetz

Während der Realisierung wurde die Zulassung nach Medizinproduktegesetz (MPG) be-

rücksichtigt. Das Ziel dieser Gesetzgebung ist die Schaffung eines hohen Sicherheitsnive-

aus für Produkte, die am Patienten eingesetzt werden. Darin werden Festlegungen über das

Inverkehrbringen, die Inbetriebnahme und die Bewertungsverfahren der Konformität ge-

troffen. Der Zulassungsprozess selbst ist die Erbringung des Nachweises über die Einhal-

tung der gesetzlichen Anforderungen. Dieser Prozess ist abhängig von der Art des Medi-

zinproduktes. Es werden die Klassen I, IIa, IIb und III unterschieden, die prinzipiell eine

Abstufung des Gefährdungspotentials für den Patienten darstellen. Beispielsweise wird ein

Herzschrittmacher mit einem hohen Gefährdungspotential der Klasse III zugeordnet. Zu-

nächst wird die zutreffende Klasse nach Richtlinie 93/42/EWG Anhang IX ermittelt. Ab-

hängig von der bestimmten Klasse muss der Hersteller einem bestimmten Prozess folgen,

der gegebenenfalls eine Prüfung durch eine benannte Stelle und eine zertifizierte Produkti-

on verlangt. Allen Prozessen gemein ist der Nachweis der Einhaltung der so genannten

grundlegenden Anforderungen, die in der Richtlinie 93/42/EWG Anhang I definiert sind.

Dieser Nachweis erfolgt durch den Hersteller über die Erstellung der technischen Doku-

mentation. Dieser Konformitätsnachweis kann durch die Einbeziehung des Gesetzeswerkes

der harmonisierten Normen erfolgen.

Das in dieser Arbeit beschriebene System ist nach Regel 6 der Richtlinie 93/42/EWG An-

hang IX ein aktives, chirurgisch-invasives Produkt für die vorübergehende Anwendung,

welches zusammen mit einem wiederverwendbaren Fräsinstrument zum Einsatz kommt.

Das System kann der Klasse 1 (niedrigste Sicherheitsstufe) zugeordnet werden. Ausgehend

von der Zweckbestimmung, Systemdefinition und Klassifizierung wird der Prozess der

Konformitätsbewertung nach Richtlinie 93/42/EWG Anhang VII durchgeführt. Eine Prü-

fung durch eine benannte Stelle ist dafür nicht notwendig. Es wurde eine Dokumention er-

stellt, die neben der Klassifikation der Sicherheitsstufe folgende Bestandteile aufweist:

●Funktionsbeschreibung: In der Funktionsbeschreibung sind die Indikation für den

klinischen Einsatz und der Ablauf der Benutzung festgelegt. Weiterhin sind die klini-

sche Beurteilung und Grenzwerte für den Nachweis der Funktionstüchtigkeit enthal-

ten.

●Systembeschreibung: Die Systembeschreibung beschreibt die Bestandteile des Sys-

tems durch deren statische und dynamische Eigenschaften. Dazu gehören die Soft-

ware-Module sowie die Hardware-Komponenten. Zudem werden darin die Verknüp-

fungen der Bestandteile bei den entsprechenden Arbeitsweisen aufgezeigt.

●Gebrauchsanweisung: Eine Gebrauchsanweisung wurde erstellt, die die Benutzungs-

abläufe anschaulich widerspiegelt. Zudem werden die Systemkomponenten vollstän-

dig erläutert. Darin sind Hinweise auf mögliche Gefährdungspotentiale und Anwei-

sungen zur Inbetriebnahme enthalten.

●Risikomanagementakte: Der Prozess des Risikomanagements wird durch die Norm

DIN EN ISO 14971 definiert. Ausgehend von den bereitgestellten Funktionen des

5.3 Zulassung nach Medizinproduktegesetz

Systems werden die Risiken in einer Risikoanalyse erfasst. Die Berücksichtigung der

unterschiedlichen Fehlerquellen ist somit gewährleistet. Die Bewertung der Risiken

erfolgt nach der Auftretenswahrscheinlichkeit und dem Gefährdungspotential. Zu-

dem wird zur Minimierung der Risiken ein Maßnahmenkatalog festgelegt. Jede Maß-

nahme wird ebenfalls beschrieben. Das resultierende Restrisiko nach der Anwendung

der Maßnahmen wird jeweils beurteilt. Die Maßnahmen können in direkte, indirekte

oder hinweisende Konsequenzen münden. Beispielsweise sind hinweisende Einträge

in der Gebrauchsanweisung möglich, die verstärkt auf Gefahrenpotentiale aufmerk-

sam machen. Unter Umständen bedeuten diese Maßnahmen auch Änderungen von

Systemfunktionen.

Neue Vorkommnisse nach der Inbetriebnahme werden protokolliert sowie mit dem

Sicherheitsbeauftragten und dem technischen Koordinator bewertet. Hieraus entste-

hende Maßnahmen werden umgehend umgesetzt und den Benutzern zur Verfügung

gestellt.

●Verifikation: Die Verifikation prüft die Wirksamkeit der durch die Risikoanalyse ent-

standenen Maßnahmen mit Hilfe von belegenden Prüfprotokollen.

●Funktionsvalidierung: Die Validierung prüft die Einhaltung der vom System bereit-

gestellten Funktionalität bezüglich der Definition in der Funktionsbeschreibung und

Systembeschreibung in Form von Protokollen.

Darüber hinaus wurden Prüfungen der Dokumentation bezüglich der Normen DIN EN 980

und 1041 protokollarisch festgehalten. Zusammenfassend ist ein Konformitätsnachweis der

Einhaltung der grundlegenden Anforderungen erstellt worden, der auf die jeweiligen Do-

kumente verweist. Abschließend wurde eine Konformitätserklärung ausgestellt.

6 Evaluierung

In diesem Kapitel werden die vorgestellten Prinzipien anhand des realisierten Systems

überprüft. Es werden Experimente zur Genauigkeit und Ergonomie der Systemkomponen-

ten vorgestellt.

6.1 Experiment: Genauigkeit der Planung und Konstruktion

Mit Hilfe dieses Experimentes soll die Genauigkeit der Planungs- und Konstruktionsfunk-

tionalität des Systems ermittelt werden. Im Einzelnen sollen Abweichungen in der Lage

der Osteotomielinie sowie in der Ausdehnung und Form des Implantatmodells bestimmt

werden.

6.1.1 Material

Ein Patientendatensatz diente als Vorlage für die Herstellung eines Phantoms mit einem

Rapid Prototyping Verfahren. Hierfür wurde ein Teil des Schädelknochens inklusive dem

linken Auge gefertigt. Das resultierende Phantom wurde mit einer künstlichen Tumorregi-

on im Gesichts- und Hirnschädel nahe der Orbita präpariert. Dafür wurde ein Knochenare-

al des Phantoms entfernt (Abb. 6-1a). Dieser klinische Fall stellt mit eines der komplexes-

ten Eingriffe dar, der mit bisherigen Methoden nur schwer umzusetzen ist.

a) b) c)

Abbildung 6-1: a) Gefertigtes Phantom aus realen Patientendaten mit nachträglich ent-

ferntem Teilstück; b) Finales Phantom mit aufgefülltem Defekt mit rönt-

genopaquem Biresin; c) Fusionierte Bilddaten aus dem originalen Bild-

und dem Phantomdatensatz; Rechts oben ist die künstliche Tumorregion

erkennbar.

Die Schnittfläche wurde durch die Punkte pbone ,

ref relativ zu den zuvor aufgebrachten drei

Metallkugeln, die das Koordinatensystem ref definieren, für spätere Vergleiche entlang der

äußeren (N = 61) und inneren (N = 44) Kante und mittig (N = 44) auf den Schnittflächen

mit einem FaroArm-Bronze (FARO Europe GmbH & Co. KG) vermessen. Die Messge-

nauigkeit wird vom Hersteller mit ±0,3 mm angegeben. Anschließend wurde dieser künst-

liche Defekt durch röntgenopaques Biresin mit einem 20 % Bariumsulfat-Anteil ersetzt

(Abb. 6-1b). Von diesem Phantom wurde eine CT-Aufnahme mit Voxelgröße von

0,27 × 0,27 × 0,5 mm³ erstellt. Diese CT-Aufnahme wurde bezüglich der originalen Patien-

ten-CT-Aufnahme basierend auf den Knochenoberflächenmodellen registriert und fusio-

niert. Die Genauigkeit dieser Fusionierung spielt eine untergeordnete Rolle, da die abgebil-

deten Positionen der Referenzmarker relativ zu der künstlichen Tumorregion gleich blei-

100

6.1 Experiment: Genauigkeit der Planung und Konstruktion

ben. Der resultierende Datensatz enthält somit reale Patientendaten, wobei in der Region

des künstlichen Tumors die Bilddaten des Phantoms vorhanden sind (Abb. 6-1c). Dieser

dient nachfolgend als Grundlage für die weitere Untersuchung.

6.1.2 Methode

Zwei technisch versierte Benutzer sollten jeweils eine Planung erstellen. Die technischen

Benutzer wurden ausgewählt, um einen Benutzungsfehler möglichst gering zu halten. Da-

bei musste beachtet werden, dass das Implantat exakt an der durch das Biresin in den CT

Daten hervorgehobenen Region geplant wird. D.h. die Osteotomielinie sollte genau auf der

Grenze der Region liegen. Im Einzelnen waren diese Arbeitsschritte notwendig:

1. Importieren der Bilddaten

2. Definieren der Symmetrieebene

3. Definieren der Tumorregion

4. Ausrichten der Implantatbasisform

5. Definition der Osteotomielinie

6. Exportieren der Implantatoberfläche

7. Speichern und Beenden der Planung

Die resultierenden Planungen enthalten jeweils das Implantat- und Patientenknochenmo-

dell in Form von dreiecksbasierten Oberflächen ( Simp

img und S

img ) sowie die Schnittflä-

chen F

img der definierten Osteotomielinie O

img im Koordinatensystem der Bilddaten. Wei-

terhin liegen Punkte pimp , j

img vor, die die Außenkontur des Implantates beschreiben. Die zu-

vor vermessenen Schnittkanten, repräsentiert durch die Punkte pbone ,

ref , werden mit Hilfe

der Patientenregistrierung (Vgl. 4.5.5 Patientenregistrierung, S. 64) in das Koordinaten-

system der Bilddaten zu pbone ,

img überführt. Anhand dieser Daten werden die Abstände er-

mittelt, die die Genauigkeit repräsentieren:

●Lagegenauigkeit der Osteotomielinie: Für die Lageüberprüfung der Osteotomielinie

werden die Abstände

ider zuvor gemessenen Punkte pbone ,

img auf der Schnittkante

senkrecht zur Schnittfläche bestimmt, die aus der Planung stammen (Abb. 6-2a).

●Genauigkeit der Implantatausdehnung: Die Passgenauigkeit von Implantatrand zu

Knochengewebe wird aus den Abständen

der zuvor gemessenen Punkte pbone ,

img

auf der Schnittkante zur geplanten Implantatoberfläche ermittelt. Bei der Ausdeh-

nung des konstruierten Implantatmodells wird erwartet, dass ein konstanter Abstand

von 1,5 mm zwischen der Grenzfläche des Implantatmodells zur Referenzschnittflä-

che vorhanden ist (Vgl. 5.1.5 Zuschneiden der Implantatbasisform, S. 76).

●Randgenauigkeit: Die Passgenauigkeit der geplanten Implantatform zum umliegen-

den Knochenrand wird durch Höhendifferenzen h

ermittelt. Dazu werden Punkte auf

den jeweils äußeren Schnittkanten miteinander verglichen. Die Messpunkte der äuße-

ren Schnittkanten des umliegenden Knochens pbone ,i

img und des geplanten Implantat-

models pimp , j

img werden auf die Fläche F

img der geplante Osteotomielinie projiziert

101

6 Evaluierung

(Abb. 6-2b). Zwischen den so entstehenden Segmenten und den Punkten können die

vorzeichenbehafteten Abstände ermittelt werden.

●Ähnlichkeit der äußeren Oberfläche: Um die Passgenauigkeit der äußeren Implantat-

oberfläche zu ermitteln, wird diese mit der vorhandenen Knochenoberfläche vergli-

chen. Als Abstände d

zwischen der Oberfläche des Implantates ( Simp

img ) und des

Knochens ( Spa

img ) dienen die kürzesten Entfernungen ausgehend von den Eckpunk-

ten pimp ,k

img des Implantat- zum Knochenoberflächenmodell.

a) b)

Abbildung 6-2: Veranschaulichung der geometrischen Zusammenhänge bei der Bestim-

mung der Abstände dR

i– Abstand geplante und vermessene Schnittflä-

che, d

– Abstände der vermessenen Schnittfläche zur geplanten Im-

plantataußengrenze, h

– Höhendifferenzen zwischen vermessener obe-

rer Schnittkante und geplanter oberer Implantatkante, s– geplante

Schnittbreite: a) Seitliche Ansicht des Schnittes und b) isometrische An-

sicht

6.1.3 Ergebnisse

In den nachfolgenden Tabellen sind die statistischen Größen der ermittelten Differenzen

aufgeführt. Dabei wurden, wie in Kapitel 6.1.1, Material (S.100), erläutert, vier Gruppen

definiert: Außen- und Innenkante, Mitte und Gesamt. Die Ergebnisse dieser Messgruppen

werden vorgestellt.

Lagegenauigkeit der Osteotomielinie

In Tab. 6-1 werden die Abstände dR

ider vermessenen Referenzwerte und der geplanten

Schnittfläche dargestellt. Insgesamt wurde ein mittlerer Gesamtabstand von 0,22 mm mit

einer Standardabweichung von 1,05 mm erreicht. Die Werte traten in einem Bereich von

-3,06 mm bis 3,05 mm auf. Der Benutzer 2 hat im Vergleich zum ersten Benutzer eine ge-

ringere Standardabweichung von 0,60 mm erzielt. Dieser Unterschied ist auch an den ver-

schiedenen Extremwerten erkennbar.

102

6.1 Experiment: Genauigkeit der Planung und Konstruktion

Tabelle 6-1: Statistische Größen über die Abstände dR

ider vermessenen Referenzwerte

und der geplanten Schnittfläche

Benutzer N  [mm]



[mm] Min [mm] Max [mm]

1 149 -0,22 1,21 -3,06 3,05

2 149 0,66 0,60 -1,08 1,93

Gesamt 298 0,22 1,05 -3,06 3,05

Genauigkeit der Implantatausdehnung

In Tab. 6-2 sind die Messergebnisse zu d

aufgeführt. Die Ergebnisse der Abstände der

Messwerte auf den Schnittkanten zu dem geplanten Implantatoberflächenmodell zeigen

einen mittleren Abstand von -1,16 mm und eine Standardabweichung von ca. 0,70 mm für

beide Benutzer. Der Wertebereich hingegen unterscheidet sich im Maximum von 1,57 mm

des Benutzers 1 zu 0,14 mm des zweiten Benutzers. Das Minimum von -3,44 mm ist bei

beiden ähnlich. Abstände zu Punkten außerhalb des Modells sind negativ.

Tabelle 6-2: Statistische Größen über die Abstände d

der vermessenen Referenzwerte

und des geplanten Implantatoberflächenmodells

Benutzer N



[mm]



[mm] Min [mm] Max [mm]

1 149 -1,03 0,68 -3,12 1,57

2 149 -1,30 0,70 -3,44 0,14

Gesamt 298 -1,16 0,70 -3,44 1,57

Der erwartete Abstand liegt bei 1,5 mm. Dies folgt aus der Schnittbreite von 3 mm. Um

den Fehler zu diesem Erwartungswert zu bestimmen, müssen zum Mittelwert und Wertebe-

reich 1,5 mm addiert werden. Es ergibt sich somit ein Fehler im Mittel von 0,34 mm mit

den Extremwerten von -1,94 mm bis 3,07 mm. Die Standardabweichung ändert sich nicht.

Randgenauigkeit

Die Höhendifferenzen h

von geplantem Implantatmodell und umliegenden Knochen wei-

sen eine mittlere Differenz von 0,18 mm mit einer Standardabweichung von 0,94 mm für

beide Benutzer auf (Tab. 6-3). Die Bereiche der ermittelten Differenzen sind mit einem

Minimum von -2,47 mm und einem Maximum von 2,93 mm vergleichbar.

Tabelle 6-3: Statistische Größen über die Höhendifferenzen h

zwischen den vermesse-

nen Referenzwerten der Schnittaußenkante und Punkten auf der Schnittau-

ßenkante des geplanten Implantatoberflächenmodells

Benutzer N



[mm]



[mm] Min [mm] Max [mm]

1 110 0,37 0,93 -2,05 2,93

2 106 -0,01 0,93 -2,47 1,89

Gesamt 216 0,18 0,94 -2,47 2,93

103

6 Evaluierung

Ähnlichkeit der äußeren Oberfläche

Die Abstände d

von geplanter Implantatoberfläche zur Knochenoberfläche liegen im

Mittel bei 0,71 mm mit einer Standardabweichung von 0,82 mm (Tab. 6-4). Der Wertebe-

reich erstreckt sich von -2,0 mm bis 2,3 mm. Die Werte sind für beide Benutzer ähnlich.

Tabelle 6-4: Statistische Größen über die Oberflächenabstände d

zwischen der Kno-

chen- und Implantatoberfläche

Benutzer N



[mm]



[mm] Min [mm] Max [mm]

1 74625 0,84 0,76 -1,9 2,3

2 79955 0,58 0,85 -2,0 2,2

Gesamt 154580 0,71 0,82 -2,0 2,3

In Abb. 6-3 ist der Abstand farbkodiert auf der geplanten Implantatoberfläche dargestellt.

Große Teile der Oberfläche weisen geringe Abstände auf. Besonders am Orbitarahmen sind

erhöhte Abstände zu erkennen.

a) b)

Abbildung 6-3: Oberflächenmodelle der generierten Implantate mit farbkodierten Ab-

ständen zwischen der Implantatoberfläche und vorhandenen der Kno-

chenoberfläche von a) Benutzer 1 und b) Benutzer 2

6.1.4 Diskussion

Es wurden Messungen durchgeführt, um die Genauigkeit in Bezug auf die Lage und die

Passung des geplanten Implantatmodells zu ermitteln. Dazu wurde ein Datensatz mit einer

künstlichen Tumorregion erzeugt. An dieser vorgegebenen Region sollte die Osteotomie-

linie exakt geplant werden. Anschließend wurden die resultierenden Implantatmodelle hin-

sichtlich der Übereinstimmung der Ränder an der umliegenden Knochenstruktur analysiert.

Zwei Benutzer erzeugten jeweils eine Planung.

Insgesamt wurden relativ hohe Streuungen der Fehlerwerte für die Übereinstimmung der

Osteotomielinie von 0,22 mm ± 1,05 mm und für die Passgenauigkeit des Implantatmo-

dells von 0,34 mm ± 0,70 mm sowie der Passung des Implantatrandes von 0,18 mm ±

0,94 mm ermittelt. Die Resultate beider Benutzer sind vergleichbar. Diese Fehler entstan-

den einerseits durch den Benutzer und sind andererseits systembedingt. Die genauen Ursa-

chen dafür zu ermitteln, ist aufgrund der fehlenden absoluten Referenz nicht möglich. Die

104

6.1 Experiment: Genauigkeit der Planung und Konstruktion

ermittelten Fehlergrößen liegen jedoch über den systembedingten Fehlerwerten. Diese ho-

hen Werte werden jedoch in der Praxis nicht auftreten, da die Planung dann selbst die Re-

ferenz darstellt. Die Fehlerwerte geben jedoch Anhaltspunkte über die Umsetzbarkeit einer

expliziten Vorgabe. Daraus kann abgeleitet werden, ob der Funktionsumfang für die ge-

stellte Aufgabe ausreicht oder nicht. Durch die prinzipielle Funktionsweise der Planung hat

der Benutzer wenig Einfluss auf die Oberflächenbeschaffenheit des Implantatmodells. Bei

der Definition der Osteotomielinie sind jedoch flexible Benutzeraktionen möglich, die be-

nutzerspezifische Resultate zulassen. Dies ist an den unterschiedlichen Werten in Tab. 6-1

und 6-2 sowie der Abb. 6-3 erkennbar. Im Hinblick auf die klinischen Anforderungen der

Gesamtgenauigkeit von unter 3 mm ist der Funktionsumfang für das Modellieren einer Im-

plantatform ausreichend.

6.2 Experiment: Genauigkeit des navigierten Fräsens

In diesem Experiment wird die Genauigkeit des navigierten Fräsens evaluiert. Es werden

die Abweichungen in der Position und Orientierung des ausgeführten Schnittes im Ver-

gleich zum geplanten Schnitt bestimmt.

6.2.1 Material

Es wurden neun technische Phantome aus Biresin hergestellt, die die Abmaße

70 × 54 × 9 mm³ aufwiesen. Zur Herstellung der Gussteile werden die Biresin-Komponen-

ten G26 A und G27 B im Mischungsverhältnis 1:1 verwendet. Die Ober- und Unterseite

wurden eben und zueinander parallel auf eine exakte Höhe von 9 mm gefräst. Für die Fi-

xierung während des Experimentes diente eine angefertigte Phantomhalterung, in der die

Prüfkörper exakt in der gleichen Höhe fixiert werden konnten (Abb. 6-4a). An der Halte-

rung ist eine Aufnahme für einen Referenzlokalisator angebracht. Zudem sind drei Marker

in der Halterung in Form von Kegelbohrungen enthalten. Von dieser Halterung mit einem

fixierten Prüfkörper wurde eine CT-Aufnahme mit einer Voxelgröße von

0,27 × 0,27 × 0,5 mm³ erstellt. Auf der Basis dieser Bilddaten wurde eine Osteotomielinie

geplant, die sowohl zwei gerade Schnittflächen mit scharfen Knicken und konstanter Ori-

entierung als auch eine Schnittfläche mit einer veränderlichen Orientierung enthielt (Abb.

6-4b).

a) b)

Abbildung 6-4: a) Phantomhalterung mit Prüfkörper; b) Geplante Osteotomielinie auf

dem Phantom in Form von drei Schnittflächen

105

6 Evaluierung

6.2.2 Methode

Drei technisch versierte Benutzer sollten jeweils drei Prüfkörper fräsen. Dabei musste be-

achtet werden, dass der Prüfkörper immer exakt in der gleichen Position in der Gussform

platziert ist. Während des Fräsvorganges sollte der Benutzer den Fräser möglichst so füh-

ren, dass sowohl die Lage als auch die Orientierung mit den geplanten Schnittflächen über-

einstimmt (Abb. 6-5). Das heißt, die korrespondierenden Repräsentationen für die Positi-

ons- und Orientierungsabweichung sollten innerhalb der Toleranz liegen (Vgl. 5.2.4 Frä-

sassistent, S. 87). Im Einzelnen waren diese Arbeitsschritte notwendig:

1. Installation eines neuen Prüfkörpers in der Halterung

2. Laden der Planung und Registrieren des Prüfkörpers durch Antasten der drei Markie-

rungen an der Halterung

3. Starten des Navigationsmodus

4. Ausrichten des Lagemesssystems

5. Bestimmen einer Position für ein Eintrittsloch und Durchführen einer Bohrung mit

einem Kugelkopffräser

6. Registrieren des Fräsers mit Duraschutz

7. Fräsen entlang des planten Schnittes mit Hilfe der Zielführung solange bis das Teil-

stück heraus fällt. Dabei durfte im Anschluss keine Korrektur der Schnittflächen vor-

genommen werden.

Die Zeit jedes Fräsvorganges wurde gemessen. Nach dem Fräsen wurden die Lage und die

Orientierung der ausgeführten Osteotomielinie mit FaroArm Bronze vermessen. Dazu wur-

den auf der oberen und unteren Kante sowie in der Mitte der Schnittflächen nahezu gleich

verteilt insgesamt ca. 150 Punkte ( pup ,

ref ,pmid ,i

ref und pdown ,i

ref ) gemessen. Die Vermessung

wurde relativ zu den drei Markierungen der Halterung durchgeführt, die das Koordinaten-

system ref definieren. Bei der Auswertung wurden die hohen Abweichungen in den Wen-

depunkten, verursacht durch die Radius-Kompensation des Fräsers und der Orientierungs-

einschränkung durch den Duraschutz, in den Ergebnissen nicht berücksichtigt. Die zuvor

ermittelten Punkte wurden mit Hilfe der Patientenregistrierung (Vgl. 4.5.5 Patientenregis-

trierung, S. 64) in das Koordinatensystem der Bilddaten img überführt. Anhand dieser Da-

ten erfolgte die weitere Bestimmung der Abweichungen von der Position und Orientierung

(Vgl. 5.2.4 Fräsassistent, S. 87):

●Positionsabweichung: Für die Positionsüberprüfung des ausgeführten Schnittes wur-

den die kürzesten Abstände dider vermessenen Punkte pup,

img ,pmid ,i

img und pdown,

img

senkrecht zur geplanten Schnittfläche bestimmt. Für die Abstände wurden bedingt

durch das Funktionsprinzip Werte erwartet, die dem Radius des Fräsers von 0,75 mm

entsprechen. Um die fehlerbehafteten Werte zu ermitteln, wurde dementsprechend

der Fräserradius von den Abständen abgezogen.

●Orientierungsabweichung: Zur Ermittlung der Orientierungsdifferenzen wurden die

dichtesten korrespondierenden Punkte p'up ,i

img und p'down,i

img auf der Schnittfläche

aus den Punkten pup,

img und pdown,

img bestimmt. Anhand dieser Daten erfolgte die Be-

106

6.2 Experiment: Genauigkeit des navigierten Fräsens

stimmung der vorzeichenbehafteten Winkelabweichungen



mit der Schnittflächen-

normale

i wie folgt:

i=sign



⋅ni



⋅arccos



⋅v'i

∣

⋅

∣

v'i

∣



(6-1)

mit

vi=pup,i−pdown,i und v'i=p'up,i−p'down,

.(6-2)

Abbildung 6-5: Durchführung eines Fräsvorganges anhand der Darstellung von Posi-

tions- und Orientierungsabweichung links oben auf dem Bildschirm

6.2.3 Ergebnisse

Die Fräsvorgänge wurden wie geplant durchgeführt (Abb. 6-6). In den folgenden Tabellen

sind die statistischen Größen der ermittelten Differenzen aufgeführt. Dabei werden, wie im

vorherigen Abschnitt erläutert, zusätzlich zu den Messwerten für jeden Benutzer auch de-

ren zusammengefassten Werte vorgestellt.

a) b)

Abbildung 6-6: Ergebnis des Experimentes beispielhaft am Versuch 3 des Benutzers 3:

a) Prüfkörper mit nachträglich eingesetztem Teilstück und b) Farbko-

dierte Abweichungen der Abstände

107

6 Evaluierung

Positionsabweichung

In Tab. 6-5 werden die statistischen Werte der Abstände didargestellt. Negative Abstände

weisen auf einen außerhalb liegenden Schnitt hin. Der zweite Versuch von Benutzer 2 mit

einem mittleren Abstand von -0,24 mm und einer Standardabweichung von 1,15 mm weist

von allen Versuchen das beste Ergebnis auf. Dagegen hat der Benutzer 2 im dritten Versuch

den Schnitt mit einem deutlich größeren mittleren Abstand von -0,92 mm bei einer Stan-

dardabweichung von 1,29 mm durchgeführt. Insgesamt wurde ein mittlerer Abstand von

-0,63 mm mit einer Standardabweichung von 1,04 mm erreicht.

Tabelle 6-5: Statistische Größen über die Abstände dizwischen der vermessenen und der

geplanten Schnittfläche für jeden Fräsvorgang (korrigiert um den Fräser-ra-

dius)

Benutzer Messung N



[mm]



[mm] Min [mm] Max [mm]

1 I 159 -0,51 0,79 -1,56 0,55

II 198 -0,80 1,16 -2,66 1,02

III 219 -0,51 0,60 -1,17 0,71

2 I 177 -0,39 0,71 -1,24 1,16

II 213 -0,24 1,15 -2,31 1,61

III 201 -0,92 1,29 -3,05 1,83

3 I 201 -0,50 0,75 -1,71 1,32

II 210 -0,91 1,41 -2,71 0,98

III 222 -0,81 1,04 -1,97 0,88

Gesamt 3 × (I, II, III) 1800 -0,63 1,04 -3,05 1,83

Tabelle 6-6: Statistische Größen über die Winkelabweichungen



zwischen vermessener

und geplanter Schnittfläche

Benutzer Messung N  [°]  [°] Min [°] Max [°]

1 I 53 0,06 3,27 -8,78 8,70

II 66 -1,51 4,22 -10,77 9,17

III 73 -1,89 3,84 -10,03 4,48

2 I 52 -1,36 3,57 -11,64 9,01

II 71 -1,21 3,65 -12,87 8,30

III 63 -2,03 4,14 -10,61 7,30

3 I 67 -0,55 4,09 -12,82 8,10

II 70 -1,61 4,21 -11,82 7,07

III 74 -1,61 4,94 -15,29 9,70

Gesamt 3 × (I, II, III) 589 -1,31 4,03 -15,29 9,70

108

6.2 Experiment: Genauigkeit des navigierten Fräsens

Orientierungsabweichung

In Tab. 6-6 werden die statistischen Größen der Winkelabweichungen 

dargestellt. Die

geringste mittlere Winkelabweichung wurde von Benutzer 1 mit 0,06° bei einer Standard-

abweichung von 3,27° erreicht. Die größte mittlere Abweichung von -2,03° mit einer Stan-

dardabweichung von 4,14° wurde beim dritten Versuch von Benutzer 2 festgestellt. Insge-

samt liegt die mittlere Abweichung bei -1,31° bei einer Standardabweichung von 4,03°.

Die gemessenen Zeiten der Fräsvorgänge bewegten sich im Bereich von 11 min bis 15 min

und lagen im Mittel bei 13 min.

6.2.4 Diskussion

Es wurden Messungen durchgeführt, um die Genauigkeit des navigierten Fräsens bezüg-

lich der Position und Orientierung in Relation zu einer geplanten Osteotomielinie zu ermit-

teln. Dazu wurde eine Planung mit einer Osteotomielinie auf der Basis eines technischen

Prüfkörpers erzeugt. Der Fräsvorgang wurde von drei Benutzern jeweils an drei Prüfkör-

pern durchgeführt.

Die ermittelten Abweichungen repräsentieren den Gesamtfehler des Systems einschließlich

der Benutzerfehler. Die Genauigkeit kann mit einer Positionsabweichung mit 0,63 mm ±

1,04 mm angegeben werden. Darin ist eine Winkelabweichung von 1,3° ± 4,03° enthalten.

Die Fräsvorgänge wurden durch den Duraschutz stark behindert. Zum einen konnten feh-

lerhafte Positionen bzw. Orientierungen des Fräsers nur über eine gewisse Distanz korri-

giert werden (Vgl. 4.4.4 Fräsinstrument mit Steuereinheit und Fußpedal, S. 52) und zum

anderen behinderte der Schutzbügel den Vorschub beim Fräsen. Dieser ist geringfügig brei-

ter als der Fräser selbst. Es kam wiederholt zu Verklemmungen. Diese Probleme spiegeln

sich in den relativ hohen Abweichungen wider. Die geplante Osteotomielinie enthielt au-

ßerdem scharfe Knicke von 90°. Diese können prinzipiell durch einen Fräsvorgang nicht

erreicht werden (Fräserradienkompensation). Diese Problematik wird durch den Dura-

schutz verstärkt. Darauf sind Teile der Abweichungen zurückzuführen.

Dennoch ist die ermittelte Genauigkeit des Gesamtsystems bezüglich der klinischen Anfor-

derung von unter 3 mm ausreichend. Zudem wird eine Steigerung der Genauigkeit bei ei-

ner anschließenden Korrekturmöglichkeit erwartet, da zu weit innen liegende Bereiche

identifiziert und korrigiert werden können.

6.3 Experiment: Ergonomie der Behandlung

Das Ziel dieses Experimentes ist es, die Anwendbarkeit des Systems im kliniknahen Um-

feld zu evaluieren. Die exakte Ermittlung der Genauigkeit spielt dabei eine untergeordnete

Rolle.

6.3.1 Material und Methode

Auf der Basis des Datensatzes beschrieben in Kapitel 6.1.1, Material (S. 100), wurde eine

Osteotomielinie geplant und eine Implantatkonstruktion erstellt (Abb. 6-7a). Daraufhin

wurde mit einer Sinterstation 2000 (DTM Corporation) nach dem selektiven Laser-Sinter-

Verfahren ein Implantatkörper gefertigt (Abb. 6-7b). Das Gerät wurde zuvor kalibriert, um

eine möglichst hohe Genauigkeit von unter 0,5 mm zu erreichen. Das hergestellte Implan-

tat dient in dem Experiment als Prüfkörper. Dieser hat eine Form, die eindeutig im Phan-

109

6 Evaluierung

tomschädel positionierbar ist. Zudem wurden Kopien des finalen Phantoms aus Biresin

hergestellt (Abb. 6-8a), die identisch mit dem Original, dargestellt in Abb. 6-1b (S. 100),

sind.

a) b)

Abbildung 6-7: a) Erstellte Planung und Konstruktion auf dem in Kapitel 6.1.1, Material

(S. 100), beschriebenen Datensatz; b) Gefertigtes Prüfimplantat nach der

geplanten Konstruktion mit einem selektiven Laser-Sinter-Verfahren

Die Komponenten für das Experiment wurden vergleichbar mit dem erwarteten Aufbau im

Operationssaal (Vgl. 4.3.2 Behandlung, S. 48) angeordnet (Abb. 6-8b). Sieben Personen

sollten gemäß der Planung entlang der Osteotomielinie fräsen, solange bis das Teilstück

von allein herausfällt. Die Anwender benutzten das System erstmalig. Dazu musste zu-

nächst der Phantomschädel registriert und die Eintrittsbohrung für den Fräser angelegt

werden. Abschließend erfolgte eine Kontrolle und korrigierende Nacharbeiten konnten am

Phantomschädel ausgeführt werden.

a) b)

Abbildung 6-8: a) Gegossener Phantomschädel aus Biresin; b) Gesamtaufbau des Expe-

rimentes entsprechend der erwarteten Anordnungen im Operationssaal

Die Zeit für das Fräsen einschließlich der Nacharbeiten wurde gemessen. Das Vorgehen je-

der Person wurde beobachtet, insbesondere hinsichtlich Führungsänderungen des Fräsin-

strumentes aufgrund von möglichen Bewegungseinschränkungen. Zudem wurde anschlie-

ßend die Passgenauigkeit durch Einsetzen des Prüfkörpers ermittelt. Bei erfolgreichem

Fräsen lässt sich der Prüfkörper ohne Verkanten einsetzen. Der entstandene Spalt zwischen

Prüfkörper und Phantomschädel wurde unter klinischen Gesichtspunkten von einem Arzt

110

6.3 Experiment: Ergonomie der Behandlung

beurteilt. Die Benutzer konnten anschließend den Vorgang kommentieren und Probleme

schildern.

6.3.2 Ergebnisse und Diskussion

In Tab. 6-7 sind die erzielten Ergebnisse der Benutzer dargestellt. Alle Benutzer konnten

mit Hilfe der Zielführung den Fräsvorgang durchführen. Unter klinischen Gesichtspunkten

entsprachen fünf von sieben Ergebnissen der Fräsvorgänge den Anforderungen und waren

vom Spaltmaß vertretbar. Die sonstigen Resultate erfüllten die klinischen Anforderungen

aufgrund hoher Spaltmaße von mehr als 3 mm nicht. Die benötigten Zeiträume lagen im

Bereich von 16 min bis 34 min bei einem Mittel von 23 min.

Tabelle 6-7: Ergebnisse der Fräsvorgänge

Benutzer Zeit

[min]

Beurteilung

1 34 entspricht nicht den Anforderungen (Spaltmaße zu groß)

2 16 entspricht den Anforderungen

3 17 entspricht den Anforderungen

4 25 entspricht nicht den Anforderungen (Spaltmaße zu groß)

5 24 entspricht den Anforderungen

6 17 entspricht den Anforderungen

7 25 entspricht den Anforderungen

Wie auch in Kapitel 6.2, Experiment: Genauigkeit des navigierten Fräsens (S. 105), be-

schrieben, war das Verklemmen aufgrund des Duraschutzes sehr hinderlich beim Fräsvor-

gang. Durch die Einschränkung des Reflexionsbereiches des Lokalisators am Fräsinstru-

ment musste in jedem Fräsvorgang 2 - 3 mal die Orientierung des Duraschutzes an die

Fräsrichtung angepasst werden. Der Zeitaufwand lag im vertretbaren Rahmen. Der Minia-

turbildschirm vermittelt für Bereiche nahe der Osteotomielinie eine ausreichende Orientie-

rung. Bei größeren Abständen hingegen sind die Zusammenhänge nicht mehr erkennbar

und die dreidimensionale Ansicht wird als Hilfe für die ungefähre Ausrichtung verwendet.

Das Führen des Instrumentes bei gleichzeitiger Beachtung der Positions- und Orientie-

rungsabweichungen erfordert eine hohe Konzentration. Zudem liegt der Blick des Benut-

zers verstärkt auf dem Miniaturbildschirm. Das Ergebnis ist stark von individuellen Erfah-

rungen und Fähigkeiten des Benutzers bei der Führung des Fräsinstrumentes abhängig. Es

wird jedoch eine klare Steigerung der Ergebnisse bei mehrfachen Anwendungen erwartet

(Trainingseffekt).

6.4 Zusammenfassende Bewertung

In diesem Abschnitt werden die eigenen Ansätze aus dem Kapitel 4.1, Eigener Ansatz (S.

42), hinsichtlich der gestellten klinischen und technischen Anforderungen bewertet. An

diese Bewertung schließt sich eine Wertung gegenüber dem Stand der Technik an. Im Wei-

teren werden die einzelnen Punkte des eigenen Ansatzes separat betrachtet.

111

6 Evaluierung

Ganzheitliches Assistenzsystem: Die Unterstützung in einem Großteil der chirurgischen

Tumortherapie durch ein einzelnes System wird vom Chirurgen begrüßt. Hierbei ergeben

sich die Vorteile in einer einheitlichen Mensch-Maschine-Schnittstelle und der Sicherstel-

lung der Kompatibilität der einzelnen Teilkomponenten untereinander. Andererseits wird

damit jedoch auch die Benutzung auf bestimmte Teilkomponenten festgelegt, da die Daten

von Teilergebnissen, die zuvor ausgetauscht werden mussten, nicht mehr ohne weiteres

verfügbar sind.

Im Vergleich zum Stand der Technik sind Parallelen zu Systemen bzw. Applikationen er-

kennbar, die ähnliche Prinzipien in anderen Anwendungsfeldern verfolgen. Dabei werden

fachübergreifende Teillösungen von einem Hersteller bereitgestellt, um dem Benutzer eine

Gesamtlösung anbieten zu können. In verschiedenen Bereichen bieten Hersteller rund um

deren Primärprodukte verstärkt passende Lösungen an, die einen Großteil der Benutzeran-

forderungen abdecken, in dem das Primärprodukt selbst nur eine Teillösung darstellt. Ne-

ben den kommerziellen Vorteilen für die Hersteller ergeben sich für den Benutzer dadurch

ähnlich Vorteile, jedoch auch verbunden mit den aufgeführten Nachteilen.

Oft sind Benutzer an einer möglichst einfachen und klaren Erreichung des gewünschten

Endergebnisses interessiert. Darin werden sie mit diesem Ansatz unterstützt.

Kombination von Operationsplanung und Implantatkonstruktion: Die Kombination

von Planung und Konstruktion erlaubt dem Chirurgen selbst die Implantatform festzule-

gen. Durch die Nutzung von Planungsdaten für den Konstruktionsprozess werden Redun-

danzen vermieden und Automatismen ermöglicht. Im Gegenzug wird dafür eine gesteigerte

Präzision der Operationsplanung vorausgesetzt. Um die notwendige einfache Benutzer-

schnittstelle zu schaffen, muss jedoch die Komplexität der Konstruktion reduziert werden.

Das wird durch eine Funktionsverringerung und Automatisierung erreicht, wodurch die

Ableitung einer Implantatform aus der Operationsplanung (impliziten Konstruktion) mög-

lich wird. Damit wird jedoch gleichzeitig auch die klinische Anwendbarkeit eingeschränkt.

Sind die notwendigen Anforderungen für die Einsetzbarkeit erfüllt, wurde nachgewiesen,

dass der Chirurg nach einer Schulung in der Lage ist, die Implantatform nach klinischen

Anforderungen zu konstruieren. Für den Chirurgen entsteht insgesamt ein Mehraufwand,

dem eine geringere Kommunikation mit Konstrukteuren und ein direkter Einfluss auf die

Implantatform gegenüberstehen. Die generelle Anwendbarkeit wird zugunsten der einfa-

cheren Benutzbarkeit eingeschränkt.

Im Vergleich zum Stand der Technik sind bisherige getrennte Lösungen leistungsfähiger,

da geringere Anforderungen bezüglich der Einsetzbarkeit erfüllt werden müssen. Zudem

kann auf eine Vielzahl von speziellen Konstruktions- und Modellierungsverfahren zurück-

gegriffen werden. Die Operationsplanung hingegen ist von der Benutzung und dem Funk-

tionsumfang vergleichbar mit vorhandenen Systemen, wobei jedoch deren Funktionalität in

den Bereichen der virtuellen Manipulation und Simulation überlegen ist. Die intuitive Be-

dienbarkeit der Planung an Schädelmodellen ist nicht zu überbieten. Dem gegenüber ste-

hen die zuvor aufgezählten Vorteile.

Übertragung der Planung mittels navigierten Fräsens: Die geometrischen Zusammen-

hänge zwischen geplanter Osteotomielinie und lageüberwachtem Instrument werden auf

einem Miniaturbildschirm nahe dem Situs während der Behandlung in vereinfachter Form

dargestellt. Der Chirurg identifiziert Abweichungen in Echtzeit, und ist daraufhin in der

Lage, die Position und die Orientierung des Fräsers zu korrigieren. Die vermittelten Infor-

mationen sind nicht bindend, sodass der Chirurg in seinem Handeln nicht eingeschränkt

wird. Durch die Darstellung der Abweichungen auf dem Miniaturbildschirm liegt der Blick

112

6.4 Zusammenfassende Bewertung

des Benutzers verstärkt auf dieser Anzeige. Das Führen des Instrumentes unter Berücksich-

tigung der angezeigten Toleranzen erfordert daher eine hohe Konzentration und Übung.

Weiterhin konnte die erforderliche Genauigkeit bezüglich der klinischen Anforderungen

und die prinzipielle Benutzbarkeit nachgewiesen werden.

Im Vergleich zu vorhandenen Lösungen ist hiermit eine direkte Überwachung des Instru-

mentes möglich ohne jedoch die Handlungsfreiheit des Chirurgen zu limitieren, wie das

bei Robotersystemen der Fall ist. Zudem ist der Aufwand der Benutzung relativ gering.

Das Übertragen der Planung durch einen navigierten Stift und anschließendes Fräsen ist

hinsichtlich der Bedienbarkeit in komplexen Situationen nicht zu übertreffen, wobei wäh-

rend des Fräsvorganges die Orientierung vernachlässigt wird und die Genauigkeit schwer

überprüfbar ist. In einfachen Situationen, in denen ausschließlich der Hirnschädel betroffen

ist, ist die Benutzbarkeit einer Schablone kaum zu überbieten. Die Vorteile der Schablone

bzw. des navigierten Stiftes liegen in der Repräsentation der Zielvorgabe direkt am Situs.

Ist jedoch eine Region des Gesichts- und Hirnschädels betroffen, so bietet das vorgestellte

Prinzip Vorteile bei der direkten Unterstützung in der Ausrichtung des Instrumentes bezüg-

lich dessen Position und Orientierung zur Osteotomielinie.

Überwachen des Fräsvorganges: Das System hat Kenntnisse über das optimale Zusam-

menwirken der Systemkomponenten. Durch eine Analyse und Bewertung der momentanen

Arbeitsgrößen werden dem Benutzer kontinuierlich Informationen über den Systemzustand

zur Verfügung gestellt. Diese Informationen ermöglichen dem Chirurgen die Abschätzung

der Verlässlichkeit des Systems. Deren Darstellung erfolgt einfach, d.h. schnell erfassbar.

Insgesamt kann damit die Auftretenswahrscheinlichkeit einer Fehlinterpretation von fehler-

behafteten Informationen verringert werden.

Im Vergleich zum Stand der Technik ist kein System im Bereich der Medizintechnik be-

kannt, dass solch eine selbstkritische Anzeige der Systemverlässlichkeit aufweist. Das

kann mit einem befürchteten Vertrauensverlust seitens der Chirurgen in die Assistenzsyste-

me zusammenhängen, sobald diese die Verlässlichkeitswerte als direkte Größen in Relation

zu den Bilddaten wahrnehmen.

Der Chirurg wird damit in der Lage, die Verlässlichkeit des Systems zu beurteilen und

möglichen Fehlern direkt oder indirekt entgegenzuwirken.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass das entwickelte System die klinischen

Anforderungen erfüllt. Endgültige Bewertungen sind jedoch erst nach klinischen Einsätzen

an Patienten innerhalb einer klinischen Studie möglich. Hierfür sind die rechtlichen Vor-

aussetzungen erfüllt, sodass dem in naher Zukunft nichts entgegensteht. Es kann angenom-

men werden, dass die ermittelten spezifischen Eigenschaften nicht ohne weiteres auf die

realen klinischen Anwendungen übertragen werden können. Dennoch wird eine qualitative

und quantitative Steigerung gegenüber konventionellen Methoden erwartet.

113

7 Zusammenfassung und Ausblick

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiges System entwickelt, das den Chirurgen in

der einzeitigen chirurgischen Tumortherapie am Kopf bei der Verwendung von alloplasti-

schen Materialien unterstützt. Die Unterstützung erstreckt sich dabei von der Planung der

Operation über die Konstruktion der Implantatform bis hin zur Umsetzung der Planung

während der Behandlung. Ziel der Arbeit war es, den Chirurgen in die Lage zu versetzen,

die notwendigen Arbeitsschritte, wie beispielsweise die Konstruktion, selbständig durch-

führen zu können, ohne jedoch den etablierten Arbeitsablauf ändern zu müssen. Es wurde

gezeigt, dass ein solches Unterstützungssystem bisher nicht existiert.

Für die Operationsplanung und die Konstruktion der Implantatform wurde ein gemeinsa-

mer Arbeitsablauf entwickelt. Die Zusammenlegung der Arbeitsschritte ermöglichte eine

gemeinsame Nutzung von Informationen. Ein dafür notwendiger geringer Mehraufwand in

der Operationsplanung führte zu einer Vereinfachung der Implantatkonstruktion. Dies wur-

de durch eine verstärkte Automatisierung erreicht. Basierend auf der Ausnutzung der ana-

tomischen Symmetrie kann die Implantatform indirekt und nahezu vollständig durch die

manuelle Segmentierung der Tumorregion und die Definition von Osteotomielinien gene-

riert werden. Nach dem Export der Implantatform ist anschließend ein externer Hersteller

in der Lage, die Fertigung durchzuführen. Diese Automatisierung schränkt jedoch die ge-

nerelle Anwendbarkeit des Systems zugunsten einer einfachen Benutzbarkeit ein.

Während der Behandlung wird das manuell geführte Fräsinstrument hinsichtlich der Positi-

on und der Orientierung in Relation zu der geplanten Osteotomielinie kontinuierlich über-

wacht. Dem Chirurgen werden die wesentlichen Informationen der ermittelten Relation

nahe dem Situs angezeigt. Damit wird der Chirurg in die Lage versetzt, die Abweichungen

des Instrumentes bezogen auf die Planung zu erkennen und dementsprechend zu korrigie-

ren. Die notwendige Zeit der Nacharbeitung zum Herstellen der Passgenauigkeit des prä-

operativ gefertigten Implantates gegenüber dem Knochengewebe wird so verringert. Dem

Arzt werden zusätzliche Informationen angeboten, die jedoch seine bisherige chirurgische

Arbeitsweise nur geringfügig ändern oder einschränken.

Für die Realisierung des Konzeptes wurden die notwendigen Hard- und Softwarekompo-

nenten erstellt. Eine vorhandene Navigationsplattform wurde mit den spezifischen Hard-

warekomponenten erweitert. Dazu zählten ein Vermessungskörper und ein Lokalisator mit

Adapter für das Fräsinstrument. Hierbei wurden die klinischen Anforderungen bezüglich

Sicherheit, Stabilität, Sterilität und Ergonomie berücksichtigt. Die Software wurde unter-

teilt in einen präoperativen Planungs- und intraoperativen Behandlungsmodus. Im Pla-

nungsmodus wurde der notwendige Arbeitsablauf intuitiv durch die Anzeigeelemente der

graphischen Benutzeroberfläche repräsentiert. Dabei wurden die Bedienelemente auf ein

Minimum reduziert. Der Behandlungsteil ist überwiegend in dessen Oberfläche identisch

mit der Planung, enthält jedoch sehr wenige Bedienelemente. Die Benutzerinteraktionen

werden während der Behandlung fast ausschließlich über das Instrument an die Applikati-

on weitergegeben.

Das entwickelte System wurde durch Experimente an technischen Phantomen evaluiert.

Dabei wurde die Genauigkeit der Planung und Konstruktion sowie der Übertragung einer

Planung durch das navigierte Fräsen ermittelt. Zudem erfolgte die Ermittlung der Bedien-

barkeit des Systems im kliniknahen Umfeld. Die Auswertung der Ergebnisse ergab, dass

die Genauigkeit und die Handhabung bezüglich der klinischen Anforderungen ausreichend

sind.

114

7 Zusammenfassung und Ausblick

Bei dem Entwurf und der Entwicklung wurden die gesetzlichen Vorgaben für eine Zulas-

sung berücksichtigt. Im Anschluss an die Entwicklung erfolgte die vollständige Erstellung

der Dokumentation, die für eine Zulassung nach MPG notwendig ist. Das aufgebaute Sys-

tem wurde dementsprechend als -konform gekennzeichnet. Für die nahe Zukunft wird

die Anwendung des Systems am Patienten damit ermöglicht.

In weiterführenden Entwicklungen könnte die vorgestellte Arbeit um folgende Ansätze er-

weitert werden:

●Automatische Konstruktionsprüfung: In Kapitel 4.3.1, Präoperative Planung und

Konstruktion (S. 46), wird die zulassungstechnische Anbindung der Implantatkon-

struktion an den Fertigungsprozess des externen Herstellers beschrieben. Die Kon-

struktion muss hinsichtlich der Einhaltung der klinischen und technischen Kriterien

geprüft werden, um in den Herstellungsprozess aufgenommen zu werden. Durch ein

Softwaremodul, welches die Konstruktion während des Vorgangs selbst hinsichtlich

der Erfüllung der Anforderungen prüft, könnte die Anwendbarkeit weiter gesteigert

werden. Dabei könnten dem Chirurgen Hinweise bzw. Vorschläge zur Lösung unter-

breitet werden.

●Alternative Informationsübermittlung der Lageabweichung: In Kapitel 6.3, Experi-

ment: Ergonomie der Behandlung (S. 109), wird die Komplexität der Benutzung ei-

ner separaten Visualisierung von kontinuierlichen Hinweisen auf einem Miniatur-

bildschirm beschrieben. Um das Übertragen der Osteotomielinie auf den Situs ähn-

lich intuitiv wie das Übertragen mit dem Bleistift, jedoch mit direkter Überwachung

des Instrumentes zu realisieren, könnte ein miniaturisierter Projektor am Instrument

die momentanen Abweichungen und ein kurzes Teilstück der geplanten Osteotomie-

linie auf dem Situs darstellen. Eine weitere Möglichkeit liegt in der Übertragung der

Information auf dem akustischen Weg. Denkbar wäre die Ausgabe eines Tons mit ei-

ner Frequenz, die proportional zum Abstand ist. Auch ist die Anwendung des Prin-

zips von Navigated Control denkbar, wodurch das zusätzliche Visualisieren von In-

formationen bei einer Instrumentenführung hinfällig werden könnte.

●Verbesserung der Lokalisation des Instrumentariums: In Kapitel 6.3, Experiment:

Ergonomie der Behandlung (S. 109), werden Problematiken der optischen Positions-

bestimmung erwähnt. Mit Hilfe der Anwendung des in Kapitel 5.2.1, Instrumentari-

um (S. 78), beschriebenen Prinzips für Lokalisatoren sind erhöhte Reflexionsberei-

che erreichbar. Darüber hinaus könnte durch die Anwendung von elektromagneti-

scher Positionsmessung das Reflexionsproblem gänzlich ausgeräumt werden. Dazu

müssen jedoch die in Mucha 2009 beschriebenen Ansätze auf aktive Instrumente er-

weitert werden.

Durch den Einsatz des entwickelten Systems wird es in der Zukunft verstärkt möglich sein,

komplexe Resektionen im Bereich des Gesichts- und Hirnschädels innerhalb einer Behand-

lung zu rekonstruieren. Somit wird eine weitere Reduzierung der Belastung für den Patien-

ten erwartet. Zudem wird der logistische und zeitliche Aufwand verringert sowie die Si-

cherheit des Eingriffs gesteigert. Weiterhin kann das System an andere klinische Applika-

tionen adaptiert werden, in denen ebenfalls Schnittflächen geplant und manuell umgesetzt

werden müssen.

115

8 Anhang

8.1 Notation

In dieser Arbeit werden skalare Größen mit Kursivbuchstaben dargestellt. Für Matrizen

und Vektoren hingegen werden fett gedruckte Zeichen verwendet, wobei bei ersteren

Großbuchstaben benutzt werden. Zusätzlich werden Basis und Ziel von homogenen Trans-

formationsmatrizen kursiv und klein in der linken oberen bzw. rechten unteren Ecke darge-

stellt. Vektoren erhalten in der linken oberen Ecke das Bezugssystem und rechts unten

einen spezifischen Namen. Die Komponente eines Orts- oder Richtungsvektors wird durch

die Angabe des Indexes (z.B. x) rechts unten spezifiziert. Für Rotationsmatrizen wird der

Buchstabe Rund für Transformationsmatrizen Tverwendet. Basisvektoren des Rotations-

anteils von Matrizen wie beispielsweise

cam werden mit Basis, Ziel und der Komponen-

te, z.B. für die x-Komponente epat , x

cam , dargestellt. Der Translationsanteil hingegen wird

mit

cam bezeichnet. Beispielsweise wird der Abstand zwischen zwei Punkten p1

pat und

cam , die jeweils in verschiedenen Bezugssystemen gegeben sind, mit Hilfe der Transfor-

mation Tpat

cam zwischen beiden Bezugssystemen wie folgt ermittelt:

∣

Tpat

cam ⋅p1

pat p2

cam

∣

. (8-1)

8.2 Glossar

Im Folgenden werden häufig verwendete Abkürzungen und die wichtigsten Formelzeichen

aufgeführt.

3DP 3D Printing

CAD/CAM Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing

CNC Computerized Numerical Control

CT Computertomograph

DICOM Digital Imaging and Communications in Medicine

DVT Digitaler Volumentomograph

FDM Fused Deposition Modelling

HE Hounsfield Einheit

MPG Medizinproduktegesetzt

MRT Magnetresonanztomograph

PACS Picture Archiving and Communication System

PMMA Polymethylmethacrylat

RP Rapid Prototyping

RTRM Real Time Rapid Manufacturing

SL Stereolithographie

SLS Selektives Laser-Sintern

116

8.2 Glossar

TZiel

Basis Homogene Transformationsmatrix mit Basis- und Zielkoordinatensys-

tem

RZiel

Basis Rotationsanteil einer homogenen Transformationsmatrix mit Basis und

Ziel

Basis Translationsanteil einer homogenen Transformationsmatrix mit Basis

und Ziel

eZiel , Index

Basis Basisvektor einer homogenen Transformationsmatrix mit Basis, Ziel

und Index der Komponente

pName

Basis Ortsvektor im Koordinatensystem Basis mit einem Namen

nNormale



Mittelwert



Standardabweichung

hHöhe

d, s Abstand





Winkel

N Anzahl der Elemente

cam Koordinatensystem des Lagemesssystems

img Koordinatensystem der Bilddaten

msr Koordinatensystem des Lokalisators am Vermessungskörper

msc Koordinatensystem der Vermessungsbohrung am Vermessungskörper

pat Koordinatensystem des Patientenlokalisators

ptr Koordinatensystem des Lokalisators am Zeigeinstrument

ptt Koordinatensystem der Spitze des Zeigeinstrumentes

ref Referenzkoordinatensystem

sfc Koordinatensystem auf der Schnittfläche

trp Koordinatensystem des Lokalisators am Fräsinstrument

tro Koordinatensystem des Fräserursprungs

trt Koordinatensystem der Spitze des Fräsers

view Koordinatensystem des Miniaturbildschirms

iInteraktionsschritt des Benutzers während der Planungsphase

kPeriodischer Systemzyklus während der Behandlungsphase

ubk



Benutzerdaten für die Behandlung

ugi,kDaten der Geräteschnittstelle

117

8 Anhang





Benutzerdaten für die Planung

vbk



Ergebnisdaten der Behandlungsphase

vpi



Ergebnisdaten der Planungsphase





Notwendige Daten für die Verarbeitung während der Behandlungsphase

wpiNotwendige Daten für die Verarbeitung während der Planungsphase

ybk



Behandlungsdaten für den Benutzer





Daten für die Geräteschnittstelle

ypi



Planungsdaten für den Benutzer

Zi,kSystemzustand

EEbene

FSchnittfläche

IImplantat

KKugel

LPunktmenge

OOsteotomielinie

RRegion

SGraphenstruktur

UBenutzerinteraktion

VBilddatensatz

ZZylinder

118

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