DFG-Projekt MINARO
Förderung
Die Arbeiten im Projekt MINARO wurden im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms 1124 "Medizinische Navigation und Robotik" gefördert.
(RA548/1-1, RA548/1-2
(Laufzeit: 12/2001-12/2006)
Hintergrund
Die Revisionshüftendoprothetik nimmt mit steigender Lebenserwartung der Bevölkerung einen immer größer werdenden Stellenwert ein. Im Gegensatz zur Primärversorgung, die heutzutage zu den Routineeingriffen zu zählen ist, erweist sich die Revisionsoperation als weitaus schwieriger. Neben der Frage einer optimalen Implantatposition und dem Problem der sicheren Verankerung aufgrund der meist schlechteren Knochensubstanz ist besonders die Entfernung des festsitzenden Knochenzementes teilweise eine große Herausforderung für den Chirurgen. Computer- bzw. roboterunterstützte Ansätze, die sich in den letzten Jahren in weiten Bereichen der orthopädischen Chirurgie etablierten, scheinen auch bei Hüftrevisionseingriffen eine Alternative darzustellen.
Inhalte
Die Schwerpunkte der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten lagen dabei zum einen in der Problematik, aus einer geringen Anzahl verzerrter Röntgenbildprojektionen möglichst exakt den femoralen Knochenzement dreidimensional zu Rekonstruieren. Hierfür wurden neuartige, markerlose Kalibrierverfahren basierend auf einer Vorabkalibrierung und intraoperativen Sensormessdaten entwickelt. Aus den in den entzerrten Röntgenbildern segmentierten Knochenzementkonturen wird durch Rückprojektion und anschließende Bezier-Spline Interpolation die Oberfläche des Zementköchers dreidimensional rekonstruiert. Zur freihand-navigierten Zemententfernung werden diese Daten durch ein 3D-deformierbares Modell in einer Art virtuellen Tomografie-Ansicht dargestellt, so dass der Chirurg während des navigierten Fräsens auf einen Blick die Position des Fräswerkzeugs innerhalb des Femurs kontrollieren kann. Gleichzeitig wird das Modell in Echtzeit durch den virtuellen Fräser deformiert, so dass eine virtuelle Ansicht des bereits bearbeiteten Volumens für den Operateur sichtbar gemacht werden und zur Kontrolle des Fräsvorganges genutzt werden kann. Zur Kompensation von nicht vermeidbaren Durchbiegungen des langen Fräserschaftes während der Knochenzementbearbeitung wurde eine Echtzeitkompensation auf Basis eines in das Fräswerkzeug integrierten Kraft-Momentensensors implementiert und evaluiert.
Alternativ zu einer freihand-navigierten Zemententfernung wurde ein miniaturiertes robotisches Frässystem entwickelt. Neben einer höheren Genauigkeit bei gleichzeitig signifikant kürzerer Bearbeitungszeit ist ein wesentlicher Vorteil, dass die Fräsparameter besser kontrolliert werden können. Hierdurch kann einem erhöhten Werkzeugverschleiß und insbesondere auch einer unerwünschten Wärmeentwicklung mit Gefahr der Schädigung umliegenden Gewebes entgegengewirkt werden. Die durchgeführten in-vitro Untersuchungen zeigten, dass sowohl die freihand-navigierte als auch die robotische Lösung für die femorale Zemententfernung geeignet sind. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde ein Demonstrator des modularen Systemkonzepts aufgebaut, der nach multiplanarer fluoroskopischer Erfassung und dreidimensionaler Rekonstruktion des Knochenzementes optional eine freihand-navigierte oder eine robotische Zemententfernung ermöglicht.
Zur acetabulären Reimplantation wurden grundlegende Untersuchungen zu einer multiparameteroptimierten Positionierung und Orientierung der Revisionspfanne durchgeführt, wobei ein Kompromiss zwischen einer biomechanisch optimalen Position und den stark eingeschränkten Fixierungsmöglichkeiten gefunden werden muss. Zur Erfassung der individuellen Morphologie wurde die Nutzung eines A-Mode Ultraschallsystems sowohl zur transkutanen Erfassung von Knochen-Landmarken, als auch zur Messung der Dicke des Pfannenbodens zur Vermeidung von Pfannenbodenperforationen untersucht.
Die Grundlagenuntersuchungen des MINARO-Projektes dienten wesentlich als Basis für weiterführende Entwicklungen mit industriellen Partnern im BMBF-Projekt OrthoMIT.
Konzept der computerunterstützten fluoroskopischen Zemententfernung
Semiautomatische Segmentierung der Knochen- bzw. Knochenzementoberflächen
3D-Rekonstruktionsgenauigkeit bei 2,3,4 bzw.5 kalibrierten, multiplanaren Röntgenprojektionsaufnahmen im Vergleich zu CT-basierten Rekonstruktionen
Benutzerinterface zur freihandnavigierten Zemententfernung in Form einer virtuellen tomografischen Ansicht und einem deformierbaren Modell
Miniaturisiertes, knochenfixierbares Robotersystem zur Entfernung des distalen Knochenzementes: a) CAD Simulation; b) neuentwickelter Ringfixateur mit dynamischer Referenzbasis, c) Gesamt-Laboraufbau für Fräsversuche
Publikationen
- M. de la Fuente, J.A.K. Ohnsorge, P. Bast, D.C. Wirtz & K. Radermacher: MINARO – Neue Ansätze für die minimalinvasive röntgenbildbasierte Revisionshüftendoprothetik, Biomedizinische Technik, Band 47, Suppl. 1, Teil 1, 2002, pp. 44-46
- W. Lauer, M. Neuss, D.C. Wirtz & K. Radermacher: Technische Prinzipien zur Entfernung femoralen Knochenzements in der Revisionshüftendoprothetik. Biomedizinische Technik, Band 47, Suppl. 1, Teil 1, 2002, pp. 47-48
- K. Radermacher, J. Ohnsorge, M. de la Fuente, E. Schkommodau & D. Wirtz: MINARO – A new approach for minimal invasive total hip revision surgery. Proc. CAOS International 2002 Conference, June 19.-22, 2002, Santa Fe, USA, pp. 203-204
- E. Schkommodau, J. Soltau, M. de la Fuente & K. Radermacher: Genauigkeitsuntersuchungen zur mechanischen Steifigkeit des C-Bogens bei Navigationsaufgaben. Biomedizinische Technik, Band 47, Suppl. 1, Teil1, 2002, pp. 41-43
- P. Bast, M. de la Fuente, E. Schkommodau, D.C. Wirtz & K. Radermacher: Robotergestützte 5D Fräsbearbeitung des femoralen Knochenzementes in der Revisionshüftendoprothetik auf Basis intraoperativer Röntgenprojektionsaufnahmen. Biomedizinische Technik, Band 48, Suppl. 1, 2003, pp. 512 –513
- P. Bast, E. Schkommodau, M. de la Fuente, D.C. Wirtz & K. Radermacher: Automatic Intraoperativ Generation of a 5D Milling Path for a Robot Guided Cement Removal in RTHR. In: F. Langlotz, B.L. Davies, A. Bauer (eds.): Computer Assisted Orthopaedic Surgery – Proc. CAOS International 2003, Steinkopf-Verlag, 2003, pp. 18-19
- M. de la Fuente, E. Schkommodau, J. Ohnsorge, D.C. Wirtz & K. Radermacher: 3D-Reconstruction of the Femoral Bone Cement for X-Ray Navigated Revision Total Hip Replacement. In: F. Langlotz, B.L. Davies, A. Bauer (eds.): Computer Assisted Orthopaedic Surgery – Proc. CAOS International 2003, Steinkopf-Verlag, 2003, pp. 76-77
- M. de la Fuente, E. Schkommodau, M. Hahndorff, D.C. Wirtz & K. Radermacher: Design of a Man-Machine-Interface for X-ray Guided Cement Removal in Revision Total Hip Replacement. In: F. Langlotz, B.L. Davies, A. Bauer (eds.): Computer Assisted Orthopaedic Surgery – Proc. CAOS International 2003, Steinkopf-Verlag, 2003, pp. 78-79
- M. de la Fuente, E. Schkommodau, P. Bast, D.C. Wirtz & K. Radermacher: Benutzerschnittstelle für die Freihand-Navigierte Röntgenbildbasierte Zemententfernung. Biomedizinische Technik, Band 48, Suppl. 1, 2003, pp. 510 –511
- M. de la Fuente, J. Ohnsorge, D.C. Wirtz & K. Radermacher: A Novel Approach Towards Fluoroscopically Guided Total Hip Revision Surgery. International Journal of Artificial Organs, 26(7), 2003, pp. 647
- S. Heger, F. Portheine, J.A.K. Ohnsorge & K. Radermacher: Interactive A-Mode Ultrasound Registration in Total Hip Arthroplasty. International Journal of Artificial Organs, 26(7), 2003, pp. 647
- J.A.K. Ohnsorge, M. de la Fuente, S. Jetzki, D.C. Wirtz & K. Radermacher: Intraoperative 3D-Rekonstruktion des PMMA-Köchers zur computerassistierten Revisionshüftendoprothetik auf Basis von 2D-Röntgen-Bildgebung. 2003, Z Orthop Ihre Grenzgeb, 141(5), pp. 531-539
- E. Schkommodau, J. Soltau, M. de la Fuente & K. Radermacher: Influence of Mechanical Parameters on C-Arm Accuracy During intraoperative tasks. In: F. Langlotz, B.L. Davies, A. Bauer (eds.): Computer Assisted Orthopaedic Surgery – Proc. CAOS International 2003, Steinkopf-Verlag, 2003, pp. 320-321
- E. Schkommodau, J. Hartlief, M. de la Fuente & K. Radermacher: Identifikation von Knochenzement in Röntgenbildern für die computerunterstützte Revisionshüftendoprothetik. Biomedizinische Technik, Band 48, Suppl. 1, 2003, pp. 118-119
- M. de la Fuente, E. Schkommodau, P. Lutz, M. Neuss, D.C. Wirtz & K. Radermacher: 3D reconstruction and navigated removal of femoral bone cement in revision THR based on few fluoroscopic images. In: H.U. Lemke, M.W. Vannier et al. (eds.), International Congress Series 1268 (2004), Proc. CARS 2004, pp. 626-631
- M. de la Fuente, E. Schkommodau, P. Lutz, D.C. Wirtz, F. Portheine & K. Radermacher: A new model based approach for markerless fluoroscopic navigation. In: F. Langlotz, B.L. Davies, S.D. Stulberg (eds.): Computer Assisted Orthopaedic Surgery – Proc. CAOS International 2004, pp. 277-278
- M. de la Fuente, M. Hahndorff, T. Dahmen, S. Weltgen, D.C. Wirtz, F. Portheine & K. Radermacher: Freehand navigation using longshaft tools – comparing a force sensor based deflection compensation with an intramedular supporting device. In: F. Langlotz, B.L. Davies, S.D. Stulberg (eds.): Computer Assisted Orthopaedic Surgery – Proc. CAOS International 2004, pp. 323-324
- M. Hahndorff, W. Lauer, M. Neuss, M. de la Fuente, D.C. Wirtz & K. Radermacher: Untersuchungen zur Zerspanung von Knochenzement im Rahmen der Revisionshüftendoprothetik. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik, Ilmenau Sept. 2004. Tagungsband pp. 580.
- M. de la Fuente, J.A.K. Ohnsorge, E. Schkommodau, S. Jetzki, D.C. Wirtz & K. Radermacher: Fluoroscopy-Based 3D Reconstruction of Femoral Bone Cement: A New Approach for Revision Total Hip Replacement. IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 52(4), 2005, pp. 664-675
- M. de la Fuente, P. Lutz, D.C. Wirtz & K. Radermacher: A new approach for marker-free X-ray calibration in computer assisted surgery. Biomedizinische Technik, 50(1), 2005, pp. 643-644
- M. de la Fuente, P. Belei, F. Portheine, D. Wirtz & K. Radermacher: Zero-dose C-arm navigation reducing intraoperative radiation. In: F. Langlotz, B.L. Davies, D. Schlenzka (eds.): Computer Assisted Orthopaedic Surgery – Proc. CAOS International 2005, pp. 83-84
- M. Hahndorff, M. de la Fuente, S. Serefoglou, D.C. Wirtz & K. Radermacher: Development of a Navigated Miniaturized Robotic Device for the Removal of Femoral Bone Cement in RTHR. Biomedizinische Technik, 50(1), 2005, pp. 17-18
- M. Hahndorff, W. Lauer, M. Neuss, M. de la Fuente, D.C. Wirtz & K. Radermacher: Basic Experiments on milling of bone cement in RTHR. In: F. Langlotz, B.L. Davies, D. Schlenzka (eds.): Computer Assisted Orthopaedic Surgery – Proc. CAOS International 2005, pp. 140-141
- M. Hahndorff, M. de la Fuente, D.C. Wirtz & K. Radermacher: Development of a new miniaturized robotic device for the removal of femoral bone cement. In: F. Langlotz, B.L. Davies, D. Schlenzka (eds.): Computer Assisted Orthopaedic Surgery – Proc. CAOS International 2005, pp. 138-139
- E. Schkommodau, E. Rydlikowski, D. Wirtz & K. Radermacher: A novel approach for biomechanical cup positioning in THR. In: F. Langlotz, B.L. Davies, D. Schlenzka (eds.): Computer Assisted Orthopaedic Surgery – Proc. CAOS International 2005, pp. 410-411
- M. de la Fuente & K. Radermacher: Verfahren zur Kompensation von Verzerrungen in Röntgenbildern einer Röntgenaufnahmevorrichtung. 2006, Patentanmeldung (DE 102004028403 A1)
- M. Hahndorff, W. Lauer & K. Radermacher, Surgical Holding Device, US Patent No 20060225529, 12.10.2006
- M. Hahndorff, S. Serefoglou, M. de la Fuente, S. Sellei, D.C. Wirtz & K. Radermacher: Accuracy Study on a Fluoroscopic Image Guided Robotic System for Removal of Femoral Bone Cement in RTHR. In: F. Langlotz, B.L. Davies, R.E. Ellis: Computer Assisted Orthopaedic Surgery – Proc. 6th Annual Meeting of CAOS International 2006, pp. 190-192
- M. de la Fuente, P. Lutz, D.C. Wirtz & K. Radermacher: Predictive sensor based x-ray calibration using a physical model. Med Phys, 34(4), 2007, pp. 1153-1162