Die moderne orthopädische Chirurgiebedient sich heutzutage standardmäßigaus einer ganzen Palette von bildge-benden Verfahren für die Diagnose unddie Planung von operativen Eingriffen.Dabei haben es die technischen Errun-genschaften der vergangenen Jahrenicht nur ermöglicht, praktisch jede Artvon Struktur abzubilden, auch die Ge-nauigkeit und die Informationsdichteder bildgebenden Verfahren konntenimmer weiter gesteigert werden. Aufdem Gebiet dreidimensionaler Metho-den seien hier nur CT oder MRI ge-nannt. Dieser großen Informationsflutzur präoperativen Diagnose und Pla-nung stehen i. allg. eher bescheideneintraoperative Informationsquellen ge-genüber. Zudem erscheint es für einigeEingriffe wünschenswert, ihre Sicher-heit und Genauigkeit zu verbessern.Bisher stellt in vielen Fällen einzig undallein das Fluoroskop ein etabliertesMedium dar, um visuelle Zusatzinfor-mationen aus den nicht direkt einseh-baren Teilen des Operationsfelds zu er-halten. Bestrebungen, tomographischeVerfahren wie CT und MRI intraope-rativ zugänglich zu machen, zeigtenbisher nur mäßigen Erfolg. Neben dendamit verbundenen hohen Investitio-nen liegt ein großer Nachteil der Gerä-te im stark eingeengten Operationsbe-
reich sowie – beim intraoperativenMRI – in der Notwendigkeit, speziellemagnetfeldkompatible Instrumente ein-setzen zu müssen.
Eine Alternative bieten die compu-tergestützte Kontrolle der chirurgi-schen Aktion und die interaktive Dar-stellung medizinischer Bilder in derForm intraoperativer Navigationssy-steme. Die vorliegende Arbeit ver-sucht, eine Einführung in diese Tech-nik zu geben und mögliche Anwen-dungsgebiete in Form eines Überblicksüber bestehende Produkte und Labor-studien vorzustellen.
Konzept
Das Ziel eines intraoperativen Naviga-tionssystems ist es, die chirurgischeAktion in einem Bilddatensatz darzu-stellen und somit dem Arzt eine zu-sätzliche Informationsquelle zu bieten.Um die Funktionsweise eines solchenSystems besser verstehen zu könnenund die verschiedenen Ansätze zu ihrerRealisierung zu klassifizieren, ist esnotwendig, zunächst einmal den grund-sätzlichen Aufbau zu verstehen.
Jedem bildbasierten intraoperativenNavigationssystem sind 3 Elementegemeinsam [4]:
1. Das Therapeutische Objekt be-zeichnet den Ort der Behandlung. Da-bei bezieht sich “Behandlung” nichtnur auf die anatomischen Strukturen,die von den verschiedenen Disziplinender Chirurgie behandelt werden, son-dern kann auch das Ziel einer Bestrah-lung beschreiben, wenn der Anwen-
Lutz-Peter Nolte, Frank LanglotzMaurice-E.-Müller-Institut für Biomechanik, Universität Bern
Bereits erschienen in Trauma Berufskrankh(1999) 1:108–115
Prof. Dr.-Ing. L.-P. Nolte, Maurice-E.-Müller-Institut für Biomechanik, Universität Bern,Murtenstraße 35, CH-3010 Berne-mail: [email protected], Tel.: 0041-31-632-8719, Fax: 0041-31-632-4951
Zusammenfassung
Die intraoperative Computerassi-stenz in Form einer Visualisierungder chirurgischen Aktion ist ein re-lativ neues Feld in der orthopädi-schen Chirurgie, das sich aus derEinbeziehung von präoperativenDaten aus bildgebenden Verfahrenin den intraoperativen Ablauf ent-wickelt hat. Ziel ist es dabei, dieaktuelle Lage und Ausrichtung vonInstrumenten in Relation zur ope-rierten Anatomie in Echtzeit an ei-nem Monitor darzustellen, um da-durch Eingriffe genauer und siche-rer durchführen zu können. Kon-zeptionell läßt sich jedes Navigati-onssystem in 3 Bereiche – Bild,Anatomie und ein sie verbindenderNavigator – aufteilen. Die vorlie-gende Arbeit erklärt das grund-sätzliche Funktionsprinzip einessolches Systems, beschreibt dieheute in der Orthopädie und ihrenverwandten Disziplinen bekanntenintraoperativen Navigationssyste-me und versucht, sie nach der Artdes verwendeten Navigators zuklassifizieren.
dungsbereich intraoperativer Naviga-tionssysteme auf die Radiotherapieausgedehnt wird.
2. Das Virtuelle Objekt ist ein Abbilddes therapeutischen Objekts. ImGrund genommen ist dabei jede Artvon Abbild denkbar. Im Rahmen derBetrachtungen bildbasierter intraope-rativer Navigationssysteme wollenwir uns jedoch auf zwei– und dreidi-
mensionale radiologische Bilder be-schränken.
3. Der Navigator stellt ein Gerät dar,das ein Koordinatensystem definiertund es dem Anwender somit erlaubt,die räumliche Lage von virtuellem undtherapeutischem Objekt sowie die Po-sition von chirurgischen Instrumentenzu bestimmen und in Übereinstim-mung zu bringen.
Um diese etwas theoretische Beschrei-bung zu veranschaulichen, sei das ersteNavigationssystem erwähnt, auf dassich diese Einteilung anwenden läßt:Es handelt sich dabei um den “Ste-reotactic Apparatus”, den Clarke u.Horsley [8] Anfang dieses Jahrhun-derts beschrieben. Als therapeutischesObjekt läßt sich dabei der Tumor imSchädel identifizieren, der bei einerBiopsie getroffen werden soll. Als vir-tuelles Objekt diente in jenen Tagen einanatomischer Atlas, und der Navigatorbestand aus einem stereotaktischenRahmen, der ein raumfestes Koordina-tensystem am Schädel des Patientenetabliert.
Zwei Voraussetzungen mußten er-füllt werden, damit moderne Naviga-tionssysteme entwickelt werden konn-ten: Die Bereitstellung digitaler bild-gebender Verfahren – insbesondere derdreidimensionalen tomographischenVerfahren – erlaubte es, patientenspe-zifische virtuelle Objekte zu erzeugen,die sich aufgrund ihres impliziten Ko-ordinatensystems leicht in ein Naviga-tionssystem integrieren ließen. Dane-ben führte die Entwicklung auf Seitender Hardware dazu, daß immer lei-
stungsfähigere Computer und eine im-mer genauere Meßtechnik die Ge-schwindigkeit und die Präzision er-möglichten, die für eine routinemäßigeAnwendung im OP erforderlich sind.
Aufbau
Um durch das Zusammenwirken der 3 genannten Elemente ein chirurgi-sches Navigationssystem zu erhalten,ist eine Reihe von Prozeduren notwen-dig, die jedem dieser Systeme gemein-sam sind. Es sind dies das Kalibrierender verwendeten Instrumente, die Re-gistrierung, auch Matching genannt,des Bilddatensatzes und die Referen-zierung.
Ein Kalibrieren der Instrumente istnotwendig, um ihre Geometrie im Ko-ordinatensystem des Navigators zu be-schreiben. Dies geschieht normaler-weise, indem bestimmte Punkte auf ei-nem Instrument, z. B. die Spitze einesBohrers, als Referenzmarken definiertwerden.
Ziel der Registrierung ist es, dastherapeutische und das virtuelle Objektin Übereinstimmung zu bringen, sodaß es möglich ist, die Lage eines In-struments, die mit Hilfe des Naviga-tors relativ zum therapeutischen Ob-jekt bestimmt worden ist, im virtuellenObjekt darzustellen. Diese Aufgabebildet eine der kritischsten Stellen injedem Navigationssystems, da die Re-gistrierung, im Gegensatz z. B. zur In-strumentenkalibrierung, für jeden Ein-griff erneut durchgeführt werden mußund sich nicht automatisieren läßt. Beieiner Registrierung wird versucht, zu
Intraoperative computer assistanceby means of image interactive vi-sualization of the surgical action isstill rather novel in orthopaedicsurgery. It incorporates preoperati-ve image data into the intraopera-tive procedure. The goal is to vi-sualize the actual position and ori-entation of surgical instruments re-lative to the anatomical structurebeing operated on and display thisinformation in real time on a com-puter monitor, to allow more pre-cision and greater safety in perfor-mance of the intervention. In prin-ciple, each navigation system con-sists of three components: the ima-ge, the anatomical structure con-cerned, and a navigator linking theother two. This paper explains thefunctional basics of such a systemand describes the navigation sy-stems that are currently in use inorthopaedics and related discipli-nes. A classification based on thetype of navigator used in each is al-so given.
Key words
Computer-assisted surgery · Navi-gator · Image-guided navigation ·Robots
Abb.1. Registrierung eines Wir-bels mit guter Übereinstimmungin den Querfortsätzen sowie imDornfortsatz
Wirbel im CT
Registrierter Wirbel
ermitteln, welcher Punkt im therapeuti-schen Objekt welchem Punkt im virtu-ellen Objekt entspricht. Da eine solcheZuordnung natürlich nicht für jedeneinzelnen Punkt explizit angegebenwerden kann, wird eine begrenzte Men-ge von Beziehungen vorgegeben undangenommen, daß die Relation zwi-schen beiden Objekten in den übrigenPunkten die gleiche ist. Abb. 1 zeigt alsBeispiel die Registrierung eines Wir-belkörpers mit Hilfe dreier Punkte, denlateralen Enden der Querfortsätze unddem dorsalen Ende des Dornfortsatzes.Die Übereinstimmung für diese 3 Punk-te ist gut, gilt für den Rest des Wirbel-körpers jedoch nicht vollständig. Ausdiesem Grund ist es bei der Anwendungeines intraoperativen Navigationssy-stems immer notwendig, die Gültigkeitder Registrierung für verschiedene Stel-len im Situs zu überprüfen [22]. Manwürde für den in Abb. 1 dargestelltenFall dann beispielsweise feststellenkönnen, daß die Übereinstimmung zwi-schen beiden Objekten im Bereich derLamina nicht gegeben ist.
Es sind mehrere Verfahren ent-wickelt worden, die es ermöglichen,außer anatomischen Punkten weitereStrukturen für die Registrierung zuverwenden. Wenn es in der anatomi-schen Region, die operiert werden soll,nicht möglich ist, genügend anatomi-sche Punkte mit ausreichender Genau-igkeit im virtuellen Objekt und aufdem Patienten zu identifizieren, kön-nen künstliche Landmarken mit hinzu-gezogen werden, die in Form vonSchrauben, Stiften oder Kugeln im-plantiert werden, ehe das CT bzw. MRIangefertigt wird. Weitere Methodenbenutzen zur Registrierung nicht ein-zelne Punkte, sondern komplexe Kur-ven oder Teile der knöchernen Ober-fläche, die durch Punktewolken be-schrieben werden. Eine sehr guteÜbersicht über die verschiedenen Al-gorithmen und ihre Vor- und Nachteileist bei Lavallée [22] zu finden.
Zum Aufnehmen der für die Regi-strierung notwendigen Punkte, Linienoder Flächen am Patienten werden meistDigitalisierpointer verwendet. Danebengibt es jedoch Bestrebungen, im Opera-tionssaal bereits vorhandene Geräte, wieUltraschallsonden oder fluoroskopieba-sierte C-Bögen, einzusetzen, die es er-möglichen würden, die notwendigen
Strukturen aufzunehmen, ohne direktenKontakt zu ihnen zu haben, und somiteine Grundvoraussetzung dafür sind,minimalinvasive Operationstechnikenmit Hilfe von intraoperativen Navigati-onssystemen einzuführen.
Nach einer erfolgreichen Registrie-rung muß dafür gesorgt werden, daßsich die ermittelte Beziehung zwischendem therapeutischen und dem virtuel-len Objekt nicht mehr ändert bzw. daßsolche Änderungen erkannt und kom-pensiert werden können. Zu Änderun-gen kann es kommen, wenn eine Rela-tivbewegung zwischen dem Patientenund dem Navigator stattfindet. Einesolche Relativbewegung kann ausge-schlossen werden, indem eine festeVerbindung zwischen Navigator undPatienten hergestellt wird, also z. B.der Navigator über einen Klemmecha-nismus am zu operierenden Knochenbefestigt wird. Eine solche statischeReferenzierung wird beispielsweisebei stereotaktischen Eingriffen amKopf verwendet, bei denen der als Na-vigator dienende stereotaktische Rah-men auf den Schädel aufgeschraubtwird. Bei einer großen Anzahl von Ein-griffen ist ein solches Vorgehen jedochnicht praktikabel, weswegen in diesenFällen die sog. dynamische Referen-zierung zum Einsatz kommt. Voraus-setzung dafür ist die Verwendung einesNavigators, der auf einem berührungs-losen Meßsystem beruht. VerschiedeneBeispiele solcher Referenzierungssy-steme werden bei der Beschreibungder entsprechenden Navigatoren imfolgenden Abschnitt gegeben.
Klassifizierung
Grundsätzlich ließe sich eine Klassifi-zierung moderner Navigationssystemeanhand von jedem der 3 genannten
Elemente vornehmen. Eine Einteilungnach therapeutischen oder virtuellenObjekten erscheint jedoch nicht sinn-voll, wenn diese Systeme von einemtechnischen Standpunkt aus betrachtetwerden. Aus diesem Grund soll dieserÜberblick nach der Art des verwende-ten Navigators gegliedert werden.
Die Klasse der Navigatoren läßtsich zunächst einmal danach einteilen,inwieweit der Navigator in den Opera-tionsablauf eingreift. Es werden unter-schieden:
1. passive Navigatoren, die dem Arztein Feedback seines Handelns gebenund ihm somit eine Art Anzeigeinstru-ment sind,
2. aktive Navigatoren (Roboter), dieverschiedene Aktionen autonom aus-führen und
3. semiaktive Navigatoren, bei denendie Handlungen zwar vom Arzt ausge-führt werden, der Bewegungsraum die-ser Handlungen aber durch den Navi-gator beschränkt wird.
Passive Navigatoren
Ein passiver Navigator erlaubt es demArzt, sein Instrument in jeder erdenk-lichen Art zu führen. Die aktuelle Lageund Orientierung des Instrumentes imRaum werden relativ zum Patientenbestimmt und können im Navigations-system angezeigt werden. Aus meß-technischer Sicht existieren verschie-dene konzeptionelle Möglichkeiten,mit deren Hilfe dieses Problem gelöstwerden kann, so daß sich die Gruppeder passiven Navigatoren noch weiterunterteilen läßt:
Vielgelenkarme verfolgen die Lagevon Instrumenten durch einen direktenmechanischen Kontakt zu denselben.Die Lageermittlung erfolgt durch eine
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Abb.2. Statische Referenzierungmit Hilfe eines Vielgelenkarms
Navigator
Patient
Reihe von Winkelmeßgebern, die dieVerdrehung zweier benachbarter Armezueinander bestimmen. Als Referen-zierung kommt nur die statische in Fra-ge, bei welcher der Navigator starroder über einen 2. Vielgelenkarm mitdem Patienten verbunden ist (Abb. 2).Die Handhabung der chirurgischen In-strumente durch einen Vielgelenkarmist allerdings stark eingeschränkt, sodaß diesen Navigatoren keinerlei prak-tische Bedeutung für intraoperativeNavigationssysteme zukommt.
Unter den berührungslos arbeiten-den Navigatoren gibt es solche, die dieInstrumentenlage akustisch, elektro-magnetisch oder optisch messen. Aku-stische Navigatoren arbeiten im Ultra-schallbereich und basieren auf derLaufzeitmessung von Schallwellen.Schallsender (eine Art Lautsprecher),die auf den Instrumenten montiert sind,emittieren Schallwellen unterschiedli-cher Frequenz, die von einer Reihe vonMikrofonen, die im Operationssaal an-geordnet sind, empfangen werden.Durch die Laufzeitunterschiede dervon den verschiedenen Mikrofonenempfangenen Signale läßt sich die ge-naue Position des Lautsprechers be-stimmen. Um daraus die Orientierungeines Instruments ableiten zu können,ist ein Satz von 3 Sendern pro Instru-ment erforderlich. Obwohl dieses Ver-fahren im Labor eine Reihe von Vor-teilen aufweist (Genauigkeit, Schnel-ligkeit), ist die praktische Anwendbar-keit jedoch beschränkt. Schallwellenlassen sich sehr leicht ablenken und re-flektieren, und ihre Laufzeit ist von derLufttemperatur abhängig. Zudem sinddie Schallsender bezüglich ihrer Ver-wendbarkeit im Situs normalerweisesehr eingeschränkt.
Magnetische Systeme bestehen auseinem Generator, der ein homogenesMagnetfeld aufbaut und einem Sensor,der seine Lage in diesem Feld be-stimmt. Abb. 3 zeigt ein Beispiel einessolchen Geräts.
Größte Vorteile dieser Methodesind, daß die benötigte Hardware ver-gleichsweise preisgünstig ist und daßkein direkter Blickkontakt zwischenGenerator und Sensor vorhanden seinmuß, wie dies beispielsweise bei aku-stischen oder den im folgenden be-schriebenen optischen passiven Navi-gatoren der Fall ist. Demgegenüber
steht jedoch, daß sich die Homogenitätdes erzeugten Magnetfelds durch me-tallische Gegenstände relativ einfachbeeinflussen läßt, wodurch sich die ansich brauchbare Meßgenauigkeit einesmagnetischen Navigators reduziert.Zur Zeit gibt es im Bereich der Wir-belsäulenchirurgie ein Navigationssy-stem, das auf einem elektromagneti-schen Navigator basiert [1].
Die heute am häufigsten in Naviga-tionssystemen verwendeten passivenNavigatoren sind die optischen. Aufoptischem Weg lassen sich die Lageund Orientierung eines Instruments mitHilfe von passiven oder aktiven Mar-kern bestimmen. Als passive Markersollen dabei Bauteile bezeichnet wer-den, die Licht von einer Lichtquelle re-flektieren, aktive Marker dagegen sen-
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Abb.3. Magnetisches Navigationssystem Flock of Birds (Ascension Technology Corporation, Bur-lington, VT., USA)
Abb.4. Intraoperative Navigati-on zur Pedikelschraubeninsertionmit dem SurgiGATE-System (Me-division, Oberdorf, Schweiz)
den selbst Licht aus, wobei alle Mar-ker reihum einen kurzen Lichtimpulsabgeben. In beiden Fällen wird mitoperationskompatiblem Infrarotlichtgearbeitet, und die von den Markernkommenden Lichtwellen werden voneinem Kamerasystem registriert. Wiebei den akustischen Systemen sind 3 Punkte auf einem Instrument erfor-derlich, um nicht nur die Position ei-nes Instruments im Raum ermitteln zukönnen, sondern auch seine Ausrich-tung. Die Verwendung von passivenMarkern erlaubt es, Instrumente ohneKabel zu gestalten, wodurch dasHandling vereinfacht wird. Demge-genüber stehen jedoch der Nachteil ei-ner etwas geringeren Genauigkeit im
Vergleich zu Systemen mit aktivenMarkern und die Schwierigkeit, Mar-ker, die außer Sicht geraten und wie-der auftauchen, eindeutig einem In-strument zuzuordnen. Bei Aktivmar-kersystemen stellt sich dieses Problemnicht, weil jeweils bekannt ist, wel-cher Marker gerade Licht aussendet.Die Genauigkeit von optischen Syste-men und ihre Meßgeschwindigkeitwerden heute von keinem anderenberührungslosen Meßsystem überbo-ten. Diese guten Eigenschaften müs-sen allerdings mit relativ hohen An-schaffungskosten erkauft werden.Trotzdem basieren z. Z. die meistenintraoperativen Navigationssystemefür freihandgeführte Instrumente auf
Eine große Anzahl von Systemenhat den Sprung vom Labor in den Ope-rationssaal geschafft und befindet sichentweder gerade in der klinischen Er-probung oder wird bereits kommerziellvertrieben. Die größte Verbreitung fin-det sich auf dem Markt der Neurochir-urgie, wo erste Navigationssystemebereits Anfang der 90er Jahre einge-setzt wurden [5, 29, 33, 34], sowie inHNO-Applikationen [7].
Auf dem Gebiet der orthopädischenChirurgie haben sich die Entwicklerzunächst mit der Insertion von Pedi-kelschrauben in der unteren thorakalenund lumbosakralen Wirbelsäule be-schäftigt (Abb. 4). Diese Systeme [19,26, 30, 31] verwenden eine dynami-sche Referenzierung und beruhen miteiner Ausnahme, die auf einem ma-gnetischen Navigator basiert [1], aufoptoelektronischer Navigation.
Weitere Anwendungsgebiete passi-ver Navigatoren liegen in der Hüften-doprothetik, wo die Ausrichtung desPfanneneinschlägers mit dem HipNav-System (Abb. 5) kontrolliert werdenkann [11]. Eine anderes System, dassich die planungsgenaue Implantationder Hüftpfanne zum Ziel gesetzt hat,wurde vor kurzem vorgestellt [20], wo-bei bei dem dort beschriebenen Ansatzaußer dem Einschlagen der Pfanneauch das Fräsen der Pfannenhöhlungunter Navigationshilfe vonstatten geht.Ebenfalls im anatomischen Gebiet desHüftgelenks angesiedelt ist ein Navi-gationssystem für die Beckenosteoto-mie, bei der dysplastische Hüftgelenkekorrigiert werden, indem das Azetabu-lum freigemeißelt und in günstigererPosition wieder fixiert wird [21]. Beiletzterer Applikation werden dabei so-wohl die Instrumentenbewegung ver-schiedener Osteotome als auch die Ro-tation des azetabulären Fragments amMonitor dargestellt (Abb. 6).
Einen etwas anderen Weg, was dasvirtuelle Objekt angeht, gehen Sati etal. [28] im Bereich des Kniebandersat-zes. Bei diesen Eingriffen läßt sich nor-malerweise nicht auf präoperative CT-Daten oder sonstige dreidimensionaleBildinformation zurückgreifen. Ausdiesem Grund wird die für den Eingriffrelevante Anatomie interaktiv währendder Operation digitalisiert. Am Monitor
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Abb.5. Referenzierung derBeckenschaufel beim HipNav-System
Abb.6. Rotation des azetabulären Fragments bei der Beckenosteotomie
entsteht dabei ein Oberflächenmodellvon Femur und Tibia, in dem Ansatz-punkte für die künstlichen Ligamentesimuliert werden können (Abb. 7).
Eine letzte Gruppe von Systemen,die sich im Moment gerade in der Ent-wicklung befinden, versucht, das Flu-oroskop als Bilddatenquelle einzube-ziehen. Insbesondere für die Fraktur-behandlung eröffnen sich damit völligneue Anwendungsgebiet der intraope-rativen Navigation. Ziel dieser Bestre-bungen ist es, eine kalibrierte Moment-aufnahme, die mit einem C-Arm ge-macht wurde, als virtuelles Objekt ei-nes Navigationssystems zu verwen-den. Die Echtzeitdarstellung der In-strumentenposition am Computermo-nitor kommt dann der Anwendung desC-Arms im Dauermodus gleich, wobeidie gleichzeitige Verwendung mehre-rer kalibrierter Momentaufnahmendem gleichzeitigen Gebrauch mehre-rer C-Arme im Dauermodus ent-spräche. Erste Arbeiten zu diesem The-ma wurden von Hofstetter et al. [16]und Joskowicz et al. [17] veröffent-licht.
Aktive Navigatoren
Aktive Navigatoren werden auch alsOperationsroboter bezeichnet. Siezeichnen sich durch aus, daß sie nichtnur die Bewegungen eines chirurgi-schen Instruments verfolgen und damitdessen Visualisierung ermöglichen,sondern die chirurgische Aktion selb-ständig durchführen. Der bekanntesteVertreter dieser Klasse ist sicherlich
ROBODOC (Abb. 8) zum Ausfräsenvon Femurschäften in der Hüftendo-prothetik [3]. Das Gerät erlaubt es, dieFemurschafthöhlung gemäß einerpräoperativen Planung mit sehr hoherGenauigkeit auszufräsen und somit ei-ne höhere Primärstabilität bei unze-mentierten Schäften zu erreichen. DieRegistrierung erfolgte zunächst mitHilfe zweier präoperativ implantierterMetallstifte. In der neuesten Versionverwendet das Gerät eine Pinless-Re-gistrierung, bei der Oberflächenpunk-
te auf dem proximalen und – perkutan– auf dem distalen Femur aufgenom-men und in einem Surface-Matching-Algorithmus verwendet werden. DieReferenzierung findet statisch statt, in-dem ein Greifer des Roboters den Fe-murschaft während des Fräsvorgangsumfaßt. Obwohl ROBODOC von ei-nem Industrieroboter abgeleitet ist,stellt seine Entwicklungsgeschichteein sehr gutes Beispiel dafür dar, wel-che zusätzlichen Sicherheitsvorkeh-rungen getroffen werden müssen, da-mit ein Industrieroboter ohne Gefahrfür den Patienten im Operationssaaleingesetzt werden kann [6].
Ein ähnliches Produkt ist z. Z. in derklinischen Erprobung. Es handelt sichum den Operationsroboter CASPAR,der ebenfalls für das Fräsen von Fe-murkavernen bei der Totalhüftendo-prothetik entwickelt wurde [23, 32].
Neben den Genannten ist bisherkein orthopädischer Operationsroboterüber den Laborstatus hinausgekom-men, obwohl eine Reihe sehr vielver-sprechender Studien veröffentlichtworden sind. Ein Fräsroboter ähnlichzu ROBODOC und CASPAR wurdebereits in einer In-vitro-Studie getestet[24], wobei ebenfalls auf eine stiftba-sierte Registrierung zurückgegriffenwurde. Die Verwendung von aktivenNavigatoren beschränkt sich jedochnicht nur auf Anwendungen in der or-thopädischen Chirurgie, Forschungenauf weiteren Gebieten der Chirurgiesind im Gang. Eine Reihe von Arbeiten[2, 12, 27] befaßt sich damit, einen Ro-boter mit der automatisierten Führungeines Laparoskops zu betreuen. Einwie ROBODOC und CASPAR völligautonom arbeitender Roboter für neu-rochirurgische Eingriffe (Abb. 9) amSchädel wurde an der Universität vonLausanne entwickelt [13]. Ein Robo-tersystem zur Durchführung einerProstatektomie ist von Davies et al.vorgestellt worden [9]. Im Rahmen ei-ner Übersichtsarbeit über Robotersy-steme in der Medizin diskutieren Haß-feld et al. die Möglichkeiten für denRobotereinsatz in der Mund-, Kiefer-und Gesichtschirurgie [15].
Semiaktive Navigatoren
Diese letzte Gruppe von chirurgischenNavigatoren stellt eine Kombination
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Abb.7. Digitalisieren von Ober-flächenpunkten am Knie mit Hilfeeines Hakens zur Generierung desvirtuellen Objekts
Abb. 8. ROBODOC (Integrated Surgical Systems, Sacramento, CA, USA)
der beiden zuvor genannten Klassendar. Zum einen wird die eigentlichechirurgische Aktion vom Arzt ausge-führt, zum anderen wird jedoch dermögliche Bewegungsraum zum Frei-handführen der Instrumente durch denNavigator eingeschränkt. Zu den ein-fachsten Formen der Bewegungsein-schränkung ließen sich natürlich Bohr-und Sägelehren zählen, diese Gerätesollen hier jedoch nicht mit erfaßt wer-den, da sie nicht dem anfangs be-schriebenen Konzept der 3 Elementegehorchen. Als einfachster mechani-scher semiaktiver Navigator kann einstereotaktischer Rahmen angesehenwerden, wie er konzeptionell erstmalsvon Clarke u. Horsley [8] beschriebenwurde. Ein solcher Rahmen erlaubt es,eine präoperativ in einem virtuellenObjekt geplante Trajektorie intraope-rativ am Patienten zu fixieren, so daßes z. B. möglich wird, eine Biopsiena-del kontrolliert einzuführen. Nebendieser Art mechanischer Führung isteine Reihe von Robotern entwickeltworden, die eine Lehre aktiv positio-nieren und es dem Chirurgen dadurcherlauben, eine Bohrung oder einen Sä-geschnitt exakt einer präoperativenPlanung entsprechend durchzuführen.Die meisten Geräte dieser Art wurdenfür die Anwendung in der Knieendo-prothetik konzipiert. Kienzle et al.stellten ein solches System vor, daspräoperativ plazierte Metallstifte fürdie Registrierung verwendet [18],während Gossé et al. alternative Me-thoden der Registrierung untersuchten[14]. Ein modifizierter Ansatz wurdevon Davies et al. vorgestellt [10]: EinRoboterarm hält dabei das Instrumentund läßt sich von der Hand des Chirur-gen führen. Der Bewegungsraum desArms wird jedoch durch die präopera-
tive Planung beschränkt, indem sichder Roboter nur durch den sicheren Be-reich führen läßt und zu dessen Gren-zen hin die Beweglichkeit immer stär-ker blockiert. Ein weiteres semiaktivesNavigationssystem, das neben Säge-auch Bohrlehren plaziert, wurde vonMatsen et al. [25] vorgestellt.
Schlußfolgerungen
Intraoperative Navigationssystemehalten im Moment Einzug in die Ope-rationssäle der verschiedensten Diszi-plinen. Die größte Verbreitung habenz. Z. Freihandsysteme mit passivenNavigatoren, wobei optoelektronischeSysteme aufgrund ihrer hohen Genau-igkeit von den meisten Herstellern fa-vorisiert werden. Aktive und semiakti-ve Navigationssysteme stellen um sogrößere Anforderung an die Betriebs-sicherheit des Roboters, je mehr Auto-nomie ihm gewährt wird. Unter denaktiven Systemen haben es auf demGebiet der Orthopädie daher bishernur 2 Roboter geschafft, den kommer-ziellen Status zu erreichen, eine Reihevielversprechender Systeme ist jedochin der Literatur beschrieben worden.Das Anwendungsgebiet semiaktiverNavigationssysteme beschränkt sichbis jetzt auf ein eng umgrenztes Feldder orthopädischen Chirurgie, undzwar ausschließlich im Forschungsbe-reich.
Zukünftige Entwicklungen werdenweitere Anwendungsgebiete intraope-rativer Navigationssysteme eröffnenund dabei insbesondere alternativeTechniken mit einbeziehen. Erste An-sätze dazu finden sich in der Verwen-dung des Fluoroskops als Bilddaten-quelle und den Bestrebungen, wenigerinvasive Operationstechniken aus den
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