Computerunterstützte Planung von chirurgischen Eingriffen in der Orthopädie

In der Orthopädie spielen die geometrischen Verhältnisse des Bewegungsapparates eine große Rolle. Die Beseitigung von Fehlstellungen oder deren Auswirkungen ist häufig Anlaß orthopädischer Operationen. Diese Eingriffe werden in der Praxis anhand zweidimensionaler Röntgenaufnahmen geplant, wobei die dreidimensionalen Gegebenheiten nur schwer erfaßt werden. Ausgehend von der Analyse des Planungsproblems befaßt sich diese Publikation mit Methoden der computerunterstützten dreidimensionalen Planung derartiger Eingriffe am Beispiel der Umstellungsosteotomie des Oberschenkelknochens. Dazu wird ein Verfahren zur dreidimensionalen Rekonstruktion von Objektmodellen aus CT-Schichtaufnahmen dargestellt. Die Planung einer optimalen Umstellung sowie die Auswahl von Werkzeugen und Osteosynthesematerial erfolgt an diesen Modellen in einer computergraphischen Simulation des Eingriffs. Zur Operationsdurchführung wird der Einsatz einer operationsunterstützenden Maschine konzipiert. Anforderungen an ein derartiges System werden geklärt und Lösungsmöglichkeiten aufgezeigt. Für eine nicht-invasive Lagebestimmung des Operationsgebietes wird ein Sensorsystem entworfen, dessen grundlegende Funktionen realisiert werden.

1. Einleitung, Stand der Technik, Zielsetzung.- 1.1 Einleitung.- 1.2 Stand der Technik.- 1.2.1 Dreidimensionale Rekonstruktion.- 1.2.2 Einsatz rekonstruierter Modelle für Planung und Implantatfertigung.- 1.2.3 Eingriffsunterstützung durch Maschineneinsatz.- 1.3 Ziel der Arbeit.- 2. Ansatz einer rechnerunterstützten Operationstechnik.- 2.1 Operationsproblem, Analyse der Aufgabenstellung.- 2.2 Konzept des Systems.- 2.3 Das Verfahren der Röntgen-Computertomographie.- 3. Verarbeitung von Grauwertbildern zu Konturlinien.- 3.1 Anforderungen und Vorgehen.- 3.2 Bildverbesserung.- 3.3 Verstärkung der Kanten.- 3.4 Konturextraktion.- 4. Dreidimensionale Rekonstruktion durch Triangulation.- 4.1 Anforderungen, Probleme der Triangulation.- 4.2 Struktur des Rekonstruktionssystems.- 4.3 Ansätze zur Lösung von Teilproblemen.- 4.4 Automatische Trennung von Innen- und Außenkonturen.- 4.5 Verarbeitung von Strukturverzweigungen und Zuordnung der.- Konturen.- 4.5.1 Vorgehensweise.- 4.5.2 Erzeugung von Gebietsmasken.- 4.5.3 Auftrennung der Konturen.- 4.5.4 Zuordnung der Konturen und Überpüfung der Plausibilität.- 4.6 Polygonapproximierung.- 4.7 Triangulation.- 4.8 Abschluß von Objekten.- 5. Computergestützte Planung einer Osteotomie durch Simulation.- 5.1 Anforderungen.- 5.2 Begriffserklärungen.- 5.3 Einbindung der Planung in ein bestehendes Simulationssystem.- 5.4 Funktionen zur Veränderung von Objekten.- 5.4.1 Trennen eines Objekts durch ebenen Schnitt.- 5.4.2 Gestaltveränderung durch Verschneidung von Objekten.- 5.4.3 Verbindung von getrennten Objekten.- 5.4.4 Meßfunktionen.- 5.5 Ablauf einer beispielhaften Planung.- 5.6 Simulation des Werkzeugeinsatzes, Auswahl von Osteosynthese-material.- 6. Operationsunterstützende Maschine.- 6.1 Anforderungen.- 6.2 Mechanik.- 6.3 Hygiene.- 6.4 Sicherheit.- 6.5 Programmgenerierung.- 6.6 Sensorik, Bestimmung der Lage des Operationsobjekts.- 6.6.1 Allgemeines.- 6.6.2 Verfahren zur Lagebestimmung.- 6.6.2.1 Ausgeführte Verfahren bei Maschineneinsatz in der Medizin.- 6.6.2.2 Angewandte Verfahren der Lagefixierung in der Medizin.- 6.6.2.3 Folgerungen und Anforderungen an ein Sensorsystem.- 6.7 Layoutgestaltung.- 7. Entwurf eines Sensorsystems zur Lagebestimmung des Operationsziels.- 7.1 Grundkonzeption des Sensorsystems.- 7.1.1 Sensorprinzip, Definition der Objektmerkmale.- 7.1.2 Konzeption des Sensorsystems.- 7.1.3 Röntgenbildverstärker.- 7.2 Modellbildung, Koordinatensysteme, Methoden.- 7.2.1 Modellbildung zur Systementwicklung.- 7.2.2 Definition verwendeter Koordinatensysteme.- 7.2.3 Methoden der Konturbeschreibung, Ansätze zur 3D-Lage-bestimmung.- 7.3 Bestimmung der Orientierung.- 7.3.1 Konzeptionelle Struktur des Moduls.- 7.3.2 Versuchsaufbau und Rechnerkonfiguration.- 7.3.3 Konturerzeugung.- 7.3.3.1 Konturdetektion in der Kameraaufnahme.- 7.3.3.2 Konturerzeugung vom CAD-Modell.- 7.3.4 Beschreibungsformen für Konturen.- 7.3.4.1 Anforderungen.- 7.3.4.2 Konturfunktion.- 7.3.4.3 Konturmerkmale.- 7.3.5 Optimierung der Projektionsebene.- 7.3.5.1 Analyse des Optimierungsproblems.- 7.3.5.2 Optimierungsverfahren.- 7.3.5.3 Struktur der Optimierung.- 7.3.6 Bestimmung der Drehung in der Bildebene.- 7.3.7 Abschätzung der Genauigkeit.- 7.3.8 Einflüsse der Zentralprojektion.- 7.4 Bestimmung der Position.- 7.4.1 Lösungsansätze.- 7.4.2 Definition der Paßpunkte.- 7.4.3 Anordnung der Abbildungssysteme.- 7.4.3.1 Parallele Anordnung der optischen Achsen.- 7.4.3.2 Winkelanordnung der optischen Achsen.- 7.4.4 Eichung des Sensorsystems.- 7.4.4.1 Einführung.- 7.4.4.2 Skalierungsfaktor, Hauptpunkt.- 7.4.4.3 Betrachtung der idealen Abbildung, erster Schritt der Eichung.- 7.4.4.4 Linsenverzerrungen, zweiter Schritt der Eichung.- 7.4.5 Genauigkeitsabschätzung.- 7.5 Ausblick auf Möglichkeiten der Systemanpassung.- 7.5.1 Verbesserte Abstandserfassung.- 7.5.2 Reduzierung des Berechnungsaufwands.- 7.6 Referierung des Sensorsystems.- 8. Zusammenfassung und Ausblick.- 9. Literaturverzeichnis.