Navigierte OP Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Lehrstuhl für Kommunikationstechnik Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Kays cand. ing. Dennis Real dennis.real@udo.edu Version: rc1 5.1.2005

Überblick Motivation/Chancen Anwendungsgebiete Navigierte Systeme Probleme und Risiken Fazit/Ausblick Notizen basieren auf Fahrplan: V.0.6-rc3 Einleitung

Motivation und Chancen minimalinvasiv höchste Präzision schwer zugängliche Gebiete Simulation weniger Strahlenbelastung - *Minimalinvasive Operationen gefordert* ... schonender/verträglicher ... kleinere schnitte, kleinere wunden, weniger blutverlust, geringeres infektionsrisiko, schnellere heilung, kürzere liegezeit, vielleicht billiger (systeme aber teuer) ... exakte Ausführung, optimaler Einbau bei minimalem Knochenverlust, "Sicherheit für Gefäße und Nerven" - *oft höchste Präzision gefordert* ... künstliches kniegelenk oder hüftimplantation. besser positionieren als bei konventionellen ops ... Beim Kniegelenk wird insbesondere die _Beinachse_ durch die Navigation _exakt kontrolliert_ und beim Einbau der Prothese optimal eingestellt. Wenn die ideale Beinachse nicht hergestellt werden konnte und eine Achsabweichung von mehr als 3° vorlag, waren nach 8 Jahren 24 % der zementfrei eingebrachten Knieprothesen locker. Lag der Achsenfehler unter 3°, waren nur 3 % im gleichen Zeitraum gelockert. ... HNO: Die Nase und die Nasennebenhöhlen sind ein komplexes Areal, das in direkter Nähe zu wichtigen Gefäßen, Nerven, den Augen und dem Gehirn liegt. -> Äußerste Präzision ist daher bei minimalinvasiven Eingriffen gefordert, bei denen der Operateur quasi durch ein Schlüsselloch hindurch im Körper seine Instrumente platziert. ... Wirbelsäule: sehr geringe Toleranzen (in manchen Bereichen < 1mm) - *Operation in schlecht zugänglichen Gebieten* ... gehirn, tumore genau lokalisieren, wichtige zentren nicht beschädigen ... hno - *Simulation des Ergebnisses möglich* ... Der Chirurg kann jeden seiner *Schritte* im voraus sehen/ausprobieren/*planen*. ... welche prothesenform passt optimal in den Knochen? ... Die Bandspannung, die für das Funktionieren des Knies in seinen fünf Bewegungsrichtungen optimal eingestellt sein muss, kann mit der Navigation sicher balanciert werden ... berechnet die notwendige Spannung der Sehnen, Bänder und Muskeln, die dem Kunstgelenk Halt verleihen ... 3D Planung - *weniger Strahlenbelastung* ... Im Gegensatz zur ständigen Kontrolle des Operationsverlaufs durch Röntgen (hüfte) ist auch die Strahlenbelastung für den Patienten deutlich geringer ... die Infrarot-Kameras des Navigationssystems senden keine Strahlung aus und sind völlig unschädlich. ... wirbelsäule, keine permenanten röntgenkontrolle erforderlich Bild: buergerhospital.de 1. Motivation/Chancen

Anwendungsgebiete Hüftgelenkimplantation 10 Jahre: 5-10% locker komplizierte Wechsel-OP Planung hochpräzises Ausfräsen ...in den letzten 10 jahren rasante entwicklung...besonders in folgenden bereichen ... eingesetzt - *Hüftgelenkimplantationen* ... *selbst unter optimalen Bedingungen lockern sich 5-10% der Hüftprothesen nach 10 Jahren* ... Prothese bewegt sich geringfügig im Knochenlager ... *komplizierte Wechseloperationen notwendig*, für ältere Menschen oft belastend ... auch wenn mit Knochenzement, Wechseloperation noch komplizierter ... *OP Planung und hochpräzise Ausfräsung des Oberschenkelknochens sollen dies verhindern* statt konventionell 30% kontaktfläche bis 90% (... Alternative: (für jüngere patienten) Druckscheibenendoprothese) Bild: cas-innovations.de 2. Anwendungsgebiete

Anwendungsgebiete Kniegelenk Implantation: verfrühte Lockerung Fehlerquote konv.: 10-15% verfrühte Lockerung erhöhte Lebensdauer durch Präzision vordere Kreuzbänder: Fehlerquote konventionell 40% - *Kniegelenkimplantation* ... *Zehn bis 15 Prozent* beträgt die *Fehlerquote* bei dem herkömmlich ausgeführten Eingriff am Kniegelenk ... *Lebensdauer soll sich erhöhen* ... *Abweichungen* von der richtigen Achse führen nachweislich zu *verfrühter Lockerung des Implantats* ... *Weitere Anwendungen*: *vordere kreuzbänder* im kommen, da hier *ca. 40% der konventionellen ops fehlpositioniert*) Bild: cas-innovations.de 2. Anwendungsgebiete

Anwendungsgebiete Wirbelsäule Verschraubungen/Versteifungen OP nahe Rückenmark - *Verletzungen an der Wirbelsäule* ... *Verschraubungen/Versteifungen von Wirbeln*, Operation nahe am rückenmark. Bilder: www.ulrich-ulm.de; Pfeiffer, Navigation und Robotik in der Orthopädischen Chirurgie 2. Anwendungsgebiete

Anwendungsgebiete Gehirn HNO Hirntumorentfernung Epilepsie komplexe Region - *Gehirn* ... Hirntumorentfernung ohne Beschädigung gesunder Regionen - *HNO* ...Die Nase und die Nasennebenhöhlen sind ein komplexes Areal, das in direkter Nähe zu wichtigen Gefäßen, Nerven, den Augen und dem Gehirn liegt. -> Äußerste Präzision ist daher bei minimalinvasiven Eingriffen gefordert, bei denen der Operateur quasi durch ein Schlüsselloch hindurch im Körper seine Instrumente platziert. Bild: bethel.de 2. Anwendungsgebiete

Navigierte Systeme aktive Systeme passive Systeme automatische Steuerung der Fräse passive Systeme Arzt operiert Lage- und Positionskontrolle Vorgabe Schnittrichtung - *aktive systeme* vs. *passive systeme* ... *automatische steuerung der fräse* gegenüber *navigiert* (wie gps, man kann immer noch woanders abbiegen, wenn hindernisse auftauchen...) ... navigiert: Der Operateur erhält eine *präzise Angabe der Position* und eine *Anweisung zum exakten Positionieren der Instrumente*. Den Eingriff führt der Arzt aber weiterhin selbst aus die Navigation erleichtert und präzisiert den Eingriff. 3. Navigierte Systeme

Navigierte Systeme aktive Systeme passive Systeme Robodoc CASPAR CAPPA Localite Orthopilot GALILEO SurgiGATE Vector Vision Robodent … 3. Navigierte Systeme

Systemaufbau und Funktion Stereokamera Referenzpunkte (aktiv/passiv) Berechnung: Position und Lage Abweichung vom Soll Schnittrichtung Qualitätsindex “normale” PC-Hardware ...*Stereokamera für 3D-Bilder* in ca 2-3m Abstand ... Referenzpunkte (aktive und passive)*; mit reflektor und ohne; mindestens 3 nicht auf einer geraden auf patient und instrument ... Infrarot: aktiv und passiv, aktiv schwieriger zu benutzen, weil Kabel dran, schwieriger zu sterilisiern, Kabelbrüche möglich. Passiv teurer, weil Kugeln Verbrauchsmaterial, Ortung schwieriger, wenn teilweise verdeckt (Blut) ... Bei aktiv werden alle LEDS nacheinander eingeschaltet, dadurch genaue Zuordnung ... Bei passiv aus der Bewegung und durch unterschiedliche Anordnungsmuster ... genaue algorithmen leider nicht bekannt, hersteller rücken keine infos raus ... (vergleich zu gps ziehen. kameras==satelliten, karte aus bildgebene verfahren) ...*Berechnung der Lage/Position und Abweichungen vom Soll aller Objekte* ...*Berechnung der Soll-Schnittrichtung der Instrumente* ... Steuerung "normale" pc hardware auf intelx86 (windows nt/xp) Bild: brainlab.com 3. Navigierte Systeme

Datengrundlage: Bildgebende Verfahren Abtasten CT MRT C-Bogen (C-ARM) ISO-C 3D fMRT PET und Kombinationen - *Bildgebene Verfahren als (3D-)Datengrundlage* ... *abtasten* (knie, hüfte), ct, mrt, ct bogen, iso-c 3d ... *CT*-basiert (*präoperativ*, Problem: evtl. andere Verhältnisse; Matching -> evtl. mangelnde Präzision) ... *C-Arm* (*intraoperativ*, selbstreferenziert, Lage im Raum bekannt, Navigation sofort in konventionellen Röntgenbildern möglich, sehr universell. Nachteil: Abhängig von der Qualität der konventionellen C-Armbilder, kontrastprobleme in bestimmten bereichen (bewegtes Zwerchfell)) ... *ISO-C 3D* (durch Rotation und digitale Verknüpfung der Einzelbilder wird 3D Darstellung von high density Objekten erreicht, ebenfalls Lage bekannt, sofort navigierbar), noch recht neu, aber präzision in tests vielversprechend ..... CT ungenügende Bildqualität im Beckenbereich ... 2d und 3d darstellungen - *Standard-Kernspintomographie (MRT)* - *funktionelle Kernspintomographie (fMRT)* - *Positronen-Emissionstomographie (PET)* - *Kombination von mehreren Verfahren zu einem Bild* 3. Navigierte Systeme

Registrierung Was ist das? Referenzpins Verschiedene Datenquellen Kalibierung Daten + Patient häufige Fehlerquelle - *Registrierung* (ausführlich betrachten) ...schwierig, aber extrem wichtig - *Referenzpins* werden am Knochen angebracht oder auf die Haut geklebt 3. Navigierte Systeme

Anwendungsbeispiele Gehirn Stereotaxie MRT fMRT PET Matching über Marker Gläsener Schädel OP-Weg plan- und kontrollierbar risikoärmer keine Mithilfe des Patienten - *Beispiele für den Einsatz navigierter Methoden* -- *Gehirn* ... *Stereotaxie* ... *MRT erkennt Tumoren, aber nicht genau genug* ... *fMRT erkennt unterschiedliche Zentren im Gehirn* (Sprach-, Bewegungszentrum, Kurzzeitgedächtnis...) ... *Matching der Methoden über aufgeklebte Marker (6-9), Fixierung während der OP * ... *Lage von Tumoren sichtbar "gläserner Schädel"*; ... *OP Weg plan- und kontrollierbar*; ... Bilder sind im Mikroskop einblendbar ... *Operation in kritischen Gebieten deutlich risikoärmer* ... *keine Mithilfe des Patienten notwendig* früherkomplett aufmeisseln, elektrodennetz...) Bild: hydrocephalus.de 3. Navigierte Systeme

Anwendungsbeispiele Knie Abtastung Simulation: Auswahl Implantat Positionierung Positionierung Sägeschablone -- *Knie* ...Zugang zum Kniegelenk. Während die Kniescheibe zur Seite gehalten wird, *tastet* der Arzt *alle Teile des Gelenks mit einem speziellen Instrument ab*, um dem Navigationssystem so die *Daten* zur Lage des Gelenks und seiner Form zu übermitteln. ... Anschließend wird *am Monitor festgelegt*, *welches Implantat* zum Einsatz kommt und in exakt *welcher Position* es eingesetzt wird. ...Der Operateur kann alle wichtigen *Bewegungen des Kniegelenks* schon während der Operation mit dem Navigationssystem *simulieren* und dadurch den optimalen Sitz des Gelenks festlegen ... *Sägeschablone* wird anhand der Kameradaten ausgerichtet und fixiert 3. Navigierte Systeme

Anwendungsbeispiele Hüfte Quelle: CT Bild Simulation: Auswahl Prothese Positionierung Vorgehen Speicherung der Daten Laden der Daten Wichtig: Positionierung der Hüftpfanne -- *Hüfte* ... *Quelle: CT Bild* ... Am Bildschirm wird die *passende Prothese ausgewählt* ... *Simulation* von Bewegungsspielraum, ihre Funktionsweise und Sitz der Prothese am Computer. ... *Operation wird detailliert geplant* und die Vorgehensweise der Implantation festgelegt ... Die fertige *Planung wird abgespeichert* und später in das Navigationssystem *im Operationssaal geladen* ... Träger: CD, noch kein LAN. ... schwierigste Teil der Implantation ist die *Positionierung der Hüftpfanne*. Sie entscheidet später über die Beweglichkeit des Gelenks und damit über die Beschwerdefreiheit. dies konnte erst nicht navigiert ausgeführt werden 3. Navigierte Systeme

Anwendungsbeispiele Implantation Zahnersatz Robodent 3D-Planung auf CT Registrierung mit Plastikschiene Stereokamera Navigationshilfe optisch und akustisch -- navigierte *Implantation von Zahnersatz* ... *robodent* (navigiert, nicht aktiv) .... *3D Planung auf CT Basis* .... *Registration mit Plastikschiene* .... *Stereokamera* .... *optische und akustische Navigationshilfe* 3. Navigierte Systeme

Probleme und Risiken eckige Prothesen OP dauert länger technische Probleme Präzision nicht erreicht aktive Systeme: verhindern nicht Fehlpositionierung erkennen keine Hindernisse - *Roboter nicht für eckige Prothesen geeignet*, da sie nur fräsen, aber nicht raspeln können (bild: zweymüller implantat, www.endoplus.de) - *OP verlängert sich* ... nicht nur um die planung ... höherer blutverlust wenns länger dauert ... höheres infektionsrisiko - *Navigierte OP nicht immer möglich aufgrund technischer Probleme* ... material im falschen format (seiteninformationen mitgespeichert bei ct -> Formate nicht lesbar) ... kein netzwerk, nur cd als transportmedium - *Präzision* ... *versprochene Genauigkeit und nicht eingehalten* ... Kameragenauigkeit laut hersteller (surgigate): 0.1 mm in x- und 0.15mm in y-Richtung, studie: 0.3-2.4 mm je nach einsatzgebiet ... Sägeungenauigkeit bis zu 2° grösster faktor, aber noch besser als konventionell (4°) - *aktive Systeme können nicht das fehlerhafte Einsetzen von Prothesenteilen verhindern* ... navigierte mitlerweile aber schon - *aktive Systeme erkennen keine Muskeln, Nerven, ... sondern fräsen alles weg* ... Robodoc Skandal 4. Probleme und Risiken

Qualität im Einzelnen Hüfte Beckenfehlstellungen: keine Navigation möglich CT in Dünnschichttechnik keine Erfahrungen, ob Implantat länger hält Knie starkes Übergewicht: keine Navigation möglich keine CT notwendig Navigation: geringe Abweichungen Qualität im einzelnen*: - *Hüfte* ... *Hüftgelenkgsnavigation bei Beckenfehlstellungen* aufgrund von von vorigen Unfällen *evtl. nicht möglich* ... vor der OP ist ein *CT in Dünnschichttechnik erforderlich (hohe Strahlenbelastung)* ... *ob künstliche hüfte wirklich länger hält, muss erst die Zeit zeigen. bisher absolut keine erfahrungen!* - *Knie* ... *Kniegelenksnavigation bei stark übergewichtigen Patienten evtl. nicht möglich * ... *keine CT mehr notwendig. Datensatz abgetastet* ... Mit der navigierten OP ist uns hingegen die Wiederherstellung aller Achsen und Winkel bislang perfekt gelungen. Die *Achsabweichung lag nie über 0,8°.* 4. Probleme und Risiken

Qualität im Einzelnen Wirbelsäule Wirbelkörper beweglich Registrierung extrem schwierig weniger Pedikelperforation etwas bessere Schraubenpositionierung weniger gefährliche Abweichungen Gehirn brain shift - *Wirbelsäule* ... *Wirbelkörper beweglich, Änderungen der Lage!!!* ... ct rückenlage, op bauchlage -> Abweichungen ...*Registrierung besonders schwierig* teilweise falsche wirbel als referenz genommen, aber system warnt mit qualitätsindex ... "signifikant *weniger Pedikelperforationen*", weniger gefährliche Abweichungen > 2mm *aber trotzdem nicht perfekt* - *Gehirn* ... *brain shift* während oder vor der op kann daten unbrauchbar machen. navigation nicht mehr möglich ... absaugen von blut kann die lage des gehirns verändern, ct/mrt/... daten werden neu erhoben werden der op ... die operierte stelle wird daher möglichst hoch gelagert 4. Probleme und Risiken

Aktueller Stand Klagen gegen Krankenhäuser und Hersteller Studie: “keine relevanten Unterschiede” Studie: “keine eindeutigen Unterschiede” Gutachten OP dauert länger Strahlenbelastung hoher technischer und finanzieller Aufwand keine Langzeiterfahrungen Trend: passive Systeme - *Aktueller Stand* ... erst hype, jetzt wird totgeschwiegen ... *Klagen gegen Krankenhäuser und Hersteller in Vorbereitung* ... gutachten ... systeme nach wie vor in den usa nicht zugelassen (auch nicht navigierte), in d schon - *Systeme haben bisher nicht gehalten, was sie versprochen haben* - *Studie: Vergleich der Lebensqualität (HHS Index) von manuell und robodoc operierten Patienten* ... Lebensqualität der robodoc Patienten höher, aber Altersdurchschnitt deutlich geringer ... Fazit: "In der klinischen Nachbeobachtung ergeben sich keine relevanten Unterschiede zwischen manueller und roboterassistierter Implantation des Osteolock-Schaftes" - *Studie: "Bilanz lautet: keine eindeutigen Unterschiede." ... ab und zu muskulaturbeschädigungen bei roboter op - Gutachten ... Der Einsatz von Robotern in deutschen Operationssälen hat einen schweren Rückschlag erlitten. Ein Gutachten bescheinigt der Technik "eine Häufung von operationsspezifischen Komplikationen". - *Operationen dauern länger* ..."Operationen mit Robotersystemen dauern bis zu dreimal so lange wie konventionelle Operationen, es muss mehr Narkosemittel verabreicht werden, das Infektionsrisiko steigt. " ... "Die Operationswunde ist größer und der Blutverlust höher, ebenso die Komplikationsrate. Es werden häufiger Muskeln, Blutgefäße und Nerven verletzt, und die Patienten klagen öfter über Schmerzen unmittelbar nach der Operation." - *Strahlenbelastung* ... kommt darauf an wo ... Hüfte: vorher notwendige Computertomogramm in Dünnschichttechnik einer sehr hohen Strahlenbelastung ... Knie: Kein CT notwendig, wird abgetastet ... Wirbelsäule: Keine permanente Röntgenkontrolle notwendig durch Navi - *hoher technischer und finanzieller Aufwand* ... Preis 50000-250000 Euro für Rechner und Kamera, C-Arm zusätzlich 100000-150000 Euro ... fraglich, ob kürzere Liegezeiten das wieder reinholen - Langzeiterfahrungen müssen her (> 15 jahre) ...aber rasante entwicklung, *Trend weg von aktiven zu passiven Systemen!* ...Lernkurve, Präzision wird besser! 5. Fazit/Ausblick

Ausblick Andere Ansätze Elektromagnetisch Ultraschall RFID UWB -- *Ultraschall*: stark temperaturabhängig. kommt aber! Vorteil: keine ionisierende Strahlung, einfache und kostengünstige Datenakquisition ,Sowohl bei Knochenstrukturen als auch bei weichen Geweben einsetzbar; intraoperativ, daher kein problem von veralteten daten (häufige fehlerquelle) -- *Elektromagnetismus* geräte/instrumente beeinfussen scanergebnis, sogar nichtmetallische materialien -- *rfid/uwb* ... noch garnicht im gebrauch ... könnte problem lösen, dass anzahl der verwendeten instrumente begrenzt ist ... kein kabel ... Funktioniert auch, wenn verschmutzt (Blut) ... Kombination von RFID und IR denkbar 5. Fazit/Ausblick

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