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OrthoMIT - Minimal-invasive orthopädische Therapie

Teilprojekte

Abschlussbericht

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Förderung

Die Arbeit an OrthoMIT wurde vom Deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.
(Laufzeit: 2005-2011)

Überblick

Im Rahmen des vom BMBF in den kommenden Jahren mit insgesamt fast 13 Millionen Euro geförderten OrthoMIT-Projektes wird ein integriertes Konzept eines chirurgischen Arbeitssystems für die schonende interventionelle Therapie mit Modulen für Hüft-, Knie- und Wirbelsäulenchirurgie entwickelt und bereitgestellt, das eine jeweils an die individuelle Situation und den Bedarf angepasste therapeutische Vorgehensweise ermöglicht.
Unter Leitung der Orthopädischen Universitätsklinik Aachen und des Helmholtz-Instituts für Biomedizinische Technik der RWTH Aachen bringen insgesamt 32 Kooperationspartner aus Kliniken, Forschung und Industrie ihre Expertise in die Entwicklung ein.

Innovationen reichen hierbei von der Entwicklung und Erprobung neuer minimal-invasiver Operationsmethoden über neue Bildgebungsverfahren mit modernster Sensortechnik (z.B. Flatpaneldetektoren) für Ultraschall, Röntgen und Magnetresonanztomographie bis zu neuen computergestützten Methoden zur optimalen Zusammenführung und Analyse aller relevanten Informationen.

Chirurgische Instrumente werden mit neuartigen miniaturisierten Sensoren ausgestattet, welche nicht nur die präzise Lokalisierung und Navigation des Instrumentes ermöglichen, sondern auch die unmittelbare Auswertung von Knochenqualität oder auftretenden Bearbeitungs- oder Gelenkkräften.

Intelligente mechatronische Assistenzsysteme ermöglichen dem Chirurgen das ermüdungsfreie Halten und präzise Führen von Instrumenten und Sensoren. So sollen u.a. auch neuartige miniaturisierte Robotersysteme entwickelt werden, die die Probleme bisheriger Systeme beheben und eine höchstpräzise und - effiziente Knochenbearbeitung erlauben - und damit auch neue minimal-invasive Verfahren z.B. des Gelenkerhaltes und Gelenkersatzes.

Da die Qualität der Therapie sowohl durch die Qualität der zur Verfügung stehenden Werkzeuge und Verfahren, als auch durch die Übung und Geschicklichkeit des Operateurs im Umgang mit der Technologie geprägt wird, sieht das Projekt auch die integrierte Entwicklung von modernsten computergestützten Lern- und Trainingssystemen für die chirurgischen Anwender vor.

OrthoMIT verfolgt das Ziel der Kostensenkung orthopädischer Eingriffe mit einem integralen Ansatz: Integration moderner technischer Verfahren und Werkzeuge in den chirurgischen Arbeitsablauf bzw. in den gesamten Behandlungsverlauf von der Diagnose bis zur Rehabilitation. Entsprechend der durch die WHO unterstützten globalen multidisziplinären Initiative der "Bone and Joint Decade", beschäftigt sich das Projekt mit der chirurgischen Therapie im Bereich der Hüfte, des Knies und der Wirbelsäule, die in gleichem Maße von Osteoarthrose, Osteoporose und Trauma betroffen sind.

Aus klinischer Sicht steht die Optimierung klinischer Arbeitsabläufe sowie chirurgischer Strategien und Protokolle im Mittelpunkt, um die Gesamtkosten eines Eingriffes zu senken. Der Einsatz neuer Methoden und Techniken führt zu kürzeren Operations- und Rehabilitationszeiten und damit zu kürzeren Krankenhausaufenthalten. Die Patienten und das medizinische Personal sind einer geringeren Röntgenstrahlendosis ausgesetzt und es kommt seltener zu Komplikationen. Arbeitsbelastungen des Operationsteams und die Ungenauigkeit der chirurgischen Ausführung sollen gesenkt werden. Dies schließt auch Aspekte der postoperativen Pflege und Rehabilitation ein, soweit sie von der spezifischen therapeutischen Strategie induziert werden oder Maßnahmen der Qualitätssicherung betreffen.

Aus wirtschaftlicher Sicht ist das Ziel von OrthoMIT ist die Schaffung einer neuen Generation modularer, computerintegrierter chirurgischer Arbeitsplätze und Werkzeuge, welche den chirurgischen Therapieprozess von der präoperativen Vorbereitung über die intraoperative chirurgische Arbeit bis hin zur postoperativen Nachsorge und Rehabilitation unterstützen. Das Ziel ist die Stärkung der globalen Rolle der deutschen Industrie auf dem Weltmarkt für orthopödische Chirurgieprodukte (der Weltmarktwert für orthopädische Produkte lag in 2002 bei 12-13 Milliarden US$ mit einer Wachstumsrate von 9-10% pro Jahr).

orthoMIT Schema

orthoMIT Navigation

Teilprojekt 01 - Projektmanagement

Projektpartner

  • Aachener Kompetenzzentrum Medizintechnik (AKM), Teilprojektleitung
  • Lehrstuhl für Medizintechnik, Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik, RWTH Aachen University (HIA/mediTEC)
  • Orthopädische Klinik, Uniklinik RWTH Aachen

Projektziele

  • reibungsloser, schneller underfolgreicher Arbeitsablauf bei optimalem Ressourceneinsatz
  • Förderung der Zusammenarbeit aller Partner
  • ֖ffentlichkeitsarbeit

Teilprojekt 03 - Qualitätssicherung Technik, Ergonomie, Sozio-Ökonomie

Projektpartner

  • qcmed GmbH, Aachen, Teilprojektleitung
  • Synagon GmbH, Aachen
  • Lehrstuhl für Medizintechnik, Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik, RWTH Aachen University (mediTEC)

MediTEC bearbeitet innerhalb des Teilprojektes den Schwerpunkt Ergonomische Qualitätssicherung.

Projektziele

Im diesem Teilprojekt soll sichergestellt werden, dass sich das entwickelte System und seine Systemkomponenten in die klinischen Abläufe integrieren und von den Anwendern entsprechend den Anforderungen optimal zur Erfüllung ihrer Aufgaben genutzt werden können. Hierzu muss die ergonomische Qualität der entwickelten Systeme sichergestellt und iterativ Rückmeldungen hinsichtlich zu verbessernder Punkte gegeben werden.

Um das OrthoMIT-System in der Praxis erfolgreich einsetzen zu können, ist das primäre Ziel der Systemgestaltung die Optimierung der klinischen Gebrauchstauglichkeit (usability) und der damit verbundenen Systemzuverlässigkeit.

Gebrauchstauglichkeit umfasst gemäß DIN EN 60601-1-6 die Kriterien Effektivität, Effizienz, Erlernbarkeit und Benutzerzufriedenheit, die im Rahmen der Betrachtungen zusätzlich um den Aspekt der Zuverlässigkeit erweitert werden.

Ansatz

Neben der Bereitstellung einschlägiger Richtlinien und Guidelines sowie der Schulung und Beratung der Projektpartner im Hinblick auf Fragen der ergonomischen Gestaltung und des Usability Engineerings steht die generelle und individuelle Unterstützung bei der Komponentenevaluierung im Vordergrund.

Hierbei kommen unterschiedliche Ansätze zur Quantifizierung des Ausmaßes der klinischen Gebrauchstauglichkeit nach DIN EN 60601-1-6 sowie der Zuverlässigkeit des zu entwickelnden OrthoMIT-Systems bzw. der einzelnen Teilsysteme zum Einsatz.

Zur entwicklungsbegleitenden Bewertung werden u.a. Methoden und Werkzeuge aus den Bereichen der modell- und richtlinienbasierten sowie formal-analytischen Evaluierung verwendet.

Die Quantifizierung der Zuverässigkeit im Rahmen der benutzerbasierten Evaluierung wird beispielsweise ermöglicht durch die

  • Erfassung kritischer Zustände,
  • Erfassung der Erlernbarkeit und
  • subjektive Bewertung durch Fragebögen.

Hierzu steht am Lehrstuhl ein eigenes Usability-Labor mit umfangreicher Ausstattung (stationäres und mobiles Eyetracking, Physiologging, synchronisierte Video- und Workflowdokumentation, standardisierte Fragebögen z.B. zur Beanspruchungsermittlung) zur Verfügung.

Teilprojekt 05 - Ausbildung und Training

Projektpartner

  • Orthopädische Klinik, Universitätsklinikum, RWTH Aachen (OAC), Teilprojektleitung
  • Lehrstuhl für Medizintechnik, Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik, RWTH Aachen University (HIA/mediTEC)
  • Audiovisuelles Medienzentrum der Universitätsklinikums Aachen (AVMZ)
  • Klinik für Orthopädie und Unfallchirurgie, Universitätsklinikum Bonn

Projektziele

Im Rahmen dieses Teilprojektes werden Ausbildungs- und Trainingskonzepte bzw. -instanzen entwickelt und evaluiert, mit deren Hilfe die effektive, effiziente und sichere Einführung der entstehenden OrthoMIT-Komponenten in die klinische Anwendung unterstützt werden kann.

Dazu werden auf Basis der anwenderseitigen Anforderungen an orthopädische Ausbildungs- und Trainingssysteme multimedial aufbereitete Inhalte erstellt.

Durch den Aufbau intelligenter Wissensdatenbanken, die auch ein dezentrales Redaktionssystem erlauben, werden reale Falldaten aus den drei OrthoMIT-Applikationsbereichen Hüfte, Knie und Wirbelsäule anonymisiert und qualitätsgesichert zur Nutzung im Rahmen der Ausbildung bereitgestellt.

Die Vernetzung mit dem SOMIT-Querschnittsprojekt Ausbildung und Training unterstützt der interkonsortialen Austausch zu diesem Thema und bringt interdisziplinäre Impulse in OrthoMIT ein.

Lösungsansatz

Die verzahnten Komponenten (Multimedia-Handbuch, Interaktiver Kurs, Online-Hilfe, VR-Simulatoren, Klinische Fall-Datenbank) bilden eine integrierte Lernumgebung für Ärzte, OP-Personal, Studierende sowie Industrie. Reale Falldaten aus dem klinisch-orthopädischen Alltag stellen den unmittelbaren Praxisbezug sicher. Fallbasierte interaktive Kurse decken das klinische Applikationsspektrum des orthoMIT-Projektes ab und berücksichtigen hierbei insbesondere neue Verfahren der Operationsplanung und -umsetzung sowie der Rehabilitation und Nachsorge. Trainingssimulatoren werden vor allem zur Vermittlung der im Rahmen des orthoMIT-Projektes entwickelten neuen Operationstechnologien und -komponenten spezifiziert und implementiert. Eine webbasierte Architektur mit integrierter Benutzerverwaltung ermöglicht den ubiquitären Zugriff sowie die qualitätsgesicherte Einbindung in orthopädische Ausbildungscurricula.

Teilprojekt 07 - Intraoperativer Ultraschall

Projektpartner

  • Lehrstuhl für Medizintechnik, Ruhr-Universität Bochum, Teilprojektleitung
  • Institut für Neuroinformatik, Ruhr-Universität Bochum
  • Orthopädische Universitätsklinik, Ruhr-Universität Bochum
  • Neurochirurgische Universitätsklinik, Ruhr-Universität Bochum
  • Lehrstuhl für Medizintechnik, Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik, RWTH Aachen University (HIA/mediTEC)
  • Unfallchirurgische Klinik, Uniklinik RWTH Aachen
  • Orthopädische Klinik, Uniklinik RWTH Aachen
  • BBraun Aesculap, Tuttlingen

Ziele

Ziel des Teilprojektes 7 ist es, Ultraschallbildgebungs und -messtechniken so in den intraoperativen Ablauf zu integrieren, dass sie einerseits eine hochqualitative Weichteildarstellung ermöglichen und andererseits durch multimodale Bildregistrierung intraoperative Navigation mit präoperativen Daten aus der MRT- und/oder CT-Bildgebung erlauben. Neben der Bildgebung soll Ultraschallmesstechnik direkt in chirurgische Instrumente integriert werden, um durch Hartgewebe-dicken-messung eine intraoperative Bohr- und Frästiefen-Kontrolle zu ermöglichen und im Fall von Revisionseingriffen Knochenzement zu detektieren. So können dem Chirurgen während der Operation jederzeit sowohl alle präoperativen Informationen als auch aktuell veränderte Gegebenheiten visualisiert werden.

Miniaturisierter 3D Ultraschall-Geometriescanner

Zielsetzung:

  • 3D Detektion und Rekonstruktion femoralen Knochenzementes in der robotisch unterstützten
  • Hüftrevisionendoprothetik
  • Strahlenfreies Verfahren
  • Verzicht auf intraoperative Lokalisierungssysteme und Patientenregistrierung

Lösungsansatz:

  • Zementdetektion mittels intraluminalen Ultraschalls
  • Integration in modularen Miniroboter

Stand des Projekts:

  • In Laborstudien konnte eine Genauigkeit vergleichbar zu CT nachgewiesen werden.

Auszeichnung:

Das Konzept der ultraschallbasierten intraluminalen Zementerkennung und 3D-Rekonstruktion bei Hüftrevisionseingriffen mittels eines modularen Mini-Roboters erhielt auf der CAOS Konference in Boston (2009) die "Auszeichnung für die beste technische Posterpräsentation".

A-Mode-Ultraschall MRT-Registrierung

Zielsetzung:

  • MRT-basierte Planung und Registrierung bei sphärischen Umstellungsosteotomien an der Hüfte
  • Beurteilung der Knorpelbeschaffenheit
  • minimalinvasives Verfahren

Lösungsansatz:

  • MRT-basierte Segmentierung der Hüfte mittels Level-Set Verfahren
  • intraoperative A-Mode Ultraschall MRT-Registrierung
  • Erhöhung der Registrierungsrobustheit durch statistische Fehlermodellierung und Störkompensation

Teilprojekt 11 - Miniaturisierte Mechatronik

Projektpartner

  • BBraun Aesculap, Tuttlingen, Projektleitung
  • Lehrstuhl für Medizintechnik, Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik, RWTH Aachen University (HIA/mediTEC)
  • Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik 1, RWTH Aachen University (IWE)
  • SurgiTAIX AG, Aachen

Ziele

In Teilprojekt 11 werden für orthopädische Anwendungen der Hüft, Knie- und Wirbelsäulengelenkchirurgie autoklavierbare Sensoren, mechatronische chirurgische Instrumente, modulare robotische Systeme sowie hybride 3D Lokalisierungssysteme entwickelt, welche einen wichtigen Beitrag zur Sicherheit und Qualität minimal-invasiver chirurgischer Eingriffe leisten. So können mittels miniaturisierter und in chirurgische Instrumente integrierte Sensoren mechanische Kennwerten wie Kraft, Druck und Spannungen von Gewebe - dazu gehören Bänder, Muskeln und knöcherne Strukturen -€“ unmittelbar erhoben werden um zu einer individualisierten und patientenspezifischen Operationsplanung beizutragen. Durch miniaturisierte und in Teilbereichen automatisiert arbeitende chirurgische Instrumente sowie durch die synergetische Kombination verschiedenartiger Sensorik und die zusätzliche Kompensation von Störgröߟen wird die Sicherheit des minimalinvasiven Eingriffs nachhaltig erhöht, der Patient weniger belastet und der Krankenhausaufenthalt erheblich verkürzt.

Kraft-Momenten-Sensorik

Zielsetzung:

  • Entwicklung eines miniaturisierten sterilisierbaren Kraft-Momenten Sensor zur direkten Integration an medizinische Instrumente.

Stand des Projektes:

  • Bestehendes Funktionsmuster (Prototyp),
  • Finite Elemente Auslegung der Messaufnehmer,
  • Bestehende Mess-, Prüfstände,
  • Erste experimentelle ܜberprüfungen.

genALIGN

Zielsetzung:

  • Bestimmung der mechanischen Femurachse zur Prothesenausrichtung beim totalen Kniegelenksersatz
  • Geringere Invasivität und höhere Genauigkeit im Vergleich zur intramedullären Ausrichtung, sowie geringere Kosten im Vergleich zu den computerunterstützten Navigationsverfahren

Lösungsansatz:

  • Der Operateur bringt mittels des genALIGN Systems eine Druckkraft auf das Knie auf
  • Die resultierenden Querkräfte und Momente werden messtechnisch erfasst
  • Sobald keine Querkräfte und Momente mehr auftreten, ist das genALIGN System genau entlang der mechanischen Femurachse ausgerichtet

Zwischenergebnisse:

  • Machbarkeitsstudie unter Laborbedingungen: gemessene Abweichungen von der mechanischen Achse betrugen 0.1°±1.8° varus (max: 3° varus)  und 0.1°±1.4° anteriorer Slope (max.: 4° ant.)
  • Erste Anatomieversuche: die Abweichungen betrugen 2.9°±1.5° valgus (max: 5° varus) und 0.3°±2.4° anteriorer Slope (max.: 11° ant.)

Auszeichnung:

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Radermacher und Dr.-Ing. Robert Elfring erhielten für die Erfindung genALIGN den 3. Preis im Landeswettbewerb Patente Erfinder 2007.

SITI - Sensor-integriertes Tibia-Inlay

Zielsetzung:

Messung der im Kniegelenk übertragenen Kräfte zur Unterstützung beim totalen Kniegelenksersatz bei:

  • der Bestimmung und ggf. Korrektur der Bänderspannungen und
  • der Rotationsausrichtung der Femurprothese.

Lösungsansatz:

  • Integration von speziell entwickelten Kraftmessdosen in ein Standard Tibia Probeinlay.

Zwischenergebnisse:

  • Aufbau eines ersten Prototypen,
  • Erste erfolgreiche Erprobung auf einer Zug- Druckmaschine,
  • Erste Versuche im Kniesimulator.

Lokalisierungssysteme

Zielsetzung:

Messung der im Kniegelenk übertragenen Kräfte zur Unterstützung beim totalen Kniegelenksersatz bei:

  • Zuverlässiges Lokalisierung von Tools und Patienten in anspruchsvollen klinische Applikationen.
  • Insbesondere auch Einsatz von elektromagnetischem Tracking in gestörter Umgebung.

Ansatz:

  • Aufbau von Hybridem Tracking unter Verwendung von optischen, eletromagnetischen und/oder inertialen Sensoren.
  • Korrektur von Verzerrungen beim elektromagnetischen Tracking ("compETE").

Miniaturisiertes robotisches System

Zielsetzung:

  • Entwicklung eines modularen miniaturisierten Medizinroboters für unterschiedliche fachdisziplinenunabhängige und Applikationen.

Zwischenergebnisse:

  • Bestehender Prototyp der Mechanik, Elektronische Steuerung sowie der Softwaresteuerung,
  • Erste Laborversuche in der Applikation RTHR,
  • Genauigkeitsüberprüfung der Systemstruktur,
  • Sicherheitsprinzipien des Systems auf mechanischer, elektronischer- sowie Softwareebene.

BCID - Bone Cement Injection Device

Zielsetzung:

  • Entwicklung eines Gerätes zur Bereitstellung von Knochenzement für verschiedene Anwendungen.
  • Eigenschaften des Zementes sollen zum Zeitpunkt des Einbringens reproduzierbar applikationsspezifisch anpassbarer sein.

Lösungsansatz:

  • Die Sensitivität des Knochenzementes gegenüber bestimmten Umwelteinflüssen wird genutzt um die Eigenschaften zu beeinflussen.

Stand des Projektes:

  • Entwicklung eines ersten Prototypen läuft.

Robotisch Assistierte Wirbelsäulenchirurgie

Zielsetzung:

  • Entwicklung eines computer-/roboterunterstützten Systems zur Durchführung von CT basierten interventionellen Eingriffen an der Wirbelsäule,
  • Minimierung der Strahlenbelastung für Patient und Arzt,
  • Benutzerinteraktion und -€“integration.

Ansatz:

  • haptische Technologien osynergistisches Manipulator System,
  • Master/Slave Architektur,
  • CT basierte Planung und Patientenregistrierung Mensch-Maschine Interaktion.

Teilprojekt 12 - Planungs- und Navigationsmodule

Projektpartner

  • CAS Innovations AG, Erlangen, Teilprojektleitung
  • BBraun Aesculap, Tuttlingen
  • SurgiTAIX AG, Aachen
  • Lehrstuhl für Medizintechnik, Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik, RWTH Aachen University (HIA/mediTEC)

Ziele

Ziel dieses Teilprojektes ist die Entwicklung minimal-invasiver Operationsverfahren mit hoher Genauigkeit und damit einhergehender Erhöhung der Patienten­sicherheit im Bereich der Hüft-, Knie- und Wirbelsäuleneingriffe. Außerdem sollen zusätzliche Kosten durch lange Klinik­aufenthalte, zusätzliche Nachoperationen und Langzeitnachbehandlungen als zu vermeidende Konsequenzen für die Gesellschaft und das Gesundheitssystem reduziert werden.

Hüftkopfoberflächenersatz

Zielsetzung:

Computergestützte bildbasierte Planung und navigierte minimalinvasive Präparation der knöchernen Strukturen des Femurkopfes für die sichere Implantation der femoralen Kappenprothese beim Hüftkopf-Oberflächenersatz

Lösungsansatz:

  • Intraoperative trackingbasierte Bestimmung einer Sicherheitszone zum Schutz sensibler Strukturen bei der Femurkopfpräparation auf Basis geometrischer Modelle in multiplanaren kalibrierten Röntgenprojektionen sowie optional palpierten Zonen des Schenkelhalses.
  • Vermeidung von Schenkelhalsverletzung durch Planung der Prothesenposition und Prothesengröße unter Wahrung der durch die Sicherheitszone vorgegebenen Grenzen.
  • Freihand navigiertes Einbringen des Führungsdrahtes, dessen Position ausschlaggebend für die anschließende sichere knöcherne Bearbeitung des Femurkopfes mithilfe des konventionellen Instrumentariums ist.

Umstellungsosteotomie

Zielsetzung:

Modellbasierte computergestützte optimale Planung und navigierte minimalinvasive einzeitige Korrektur von ein- und mehrdimensionalen Knochendeformationen an unteren Extremitäten.

Lösungsansatz:

  • Intraoperative trackingbasierte Bestimmung der Beingeometrie auf Basis multiplanarer kalibrierter Röntgenprojektionen sowie kinematischer Datenakquisition.
  • Effiziente Bestimmung der optimalen Schnitt- und Ausrichtungsparameter mittels Optimierungsalgorithmik auf Basis schräger Einzel- und Doppelosteotomien.
  • Adaptation eines Mehrkörperreferenzmodells auf Basis der individuell ermittelten Knochengeometriedaten sowie der optimiert berechneten Korrekturdaten mit dem Ziel einer modellbasierten quantitativen Analyse sowohl der präoperativen als auch zur Simulation der postoperativen biomechanischen Situation.
  • Freihand navigierte Realisierung der optimal bestimmten Knochenschnitt(e) und Knochenfragmentausrichtung mit anschließender Plattenosteosynthese.

Hüftendoprothetik: Computerunterstützte Reimplantationsplanung

Zielsetzung:

  • Gewährleistung einer festen Verankerung des neuen Implantats
  • Herstellung einer geeigneten Biomechanik
  • Minimal-invasives Vorgehen
  • Beurteilung der sich einstellenden biomechanischen Situation vor Implantation der Prothese (z.B. Abschätzung und Beurteilung der möglichen Implantatbeanspruchung)

Ansatz:

  • Verankerungsplanung basierend auf computerunterstützter Erfassung der intraoperativen Knochenmorphologie
  • Optimierung der Position der neuen Hüftpfanne unter biomechanischen Gesichtspunkten
  • Einsatz moderner Bildgebung und Verzicht auf invasive Registriertechniken
  • Analyse der patientenspezifischen Biomechanik basierend auf prä- und intra-operativ erhobenen Daten sowie biomechanischem Modellwissen

Hüftendoprothetik: Navigierte Reimplantation

Zielsetzung:

  • Patientenspezifische Auswahl eines geeigneten Implantats
  • Sichere Fixierung des Implantats durch optimierte Positionierung von Implantat und geeignete Platzierung von Schrauben
  • Geeignete Positionierung und Ausrichtung des Implantats unter biomechanischen Gesichtspunkten
  • Unterstützung des Operateurs durch navigiertes Implantation der Prothese mit online-feedback hinsichtlich Biomechanik und Befestigung

Ansatz:

  • Befestigungsplanung basierend auf Erfassung der intraoperativen Knochenmorphologie
  • Optimierung der patientenspezifischen Biomechanik durch Wahl eines geeigneten Hüftrotationszentrums
  • Berechnung der optimalen Position und Ausrichtung des Implantats durch Berücksichtigung patientenspezifischer Charakteristika

Teilprojekt 13 - Integrierte chirurgische Arbeitsstation

Projektpartner

  • Lehrstuhl für Medizintechnik, Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik, RWTH Aachen University (HIA/mediTEC), Teilprojektleitung
  • Orthopädische Klinik, Uniklinik RWTH Aachen
  • SurgiTAIX AG, Aachen
  • BBraun Aesculap, Tuttlingen
  • Trumpf Medizinsysteme GmbH, Saalfeld
  • Synagon GmbH, Aachen (aus TP 04)
  • CAS Innovations AG, Erlangen (aus TP 12)
  • IMP, Erlangen und Siemens AG, Forchheim (aus TP 08)

Projektziele

Wesentliche Zielsetzung des Teilprojektes ist die Entwicklung und Evaluierung einer integrierten OrthoMIT Arbeitsstation mit einer zentralen, konsistent ergonomisch gestalteten Benutzerschnittstelle zur Interaktion des Chirurgen bzw. Operationsteams mit den unterschiedlichen Navigationsmodulen, dem Röntgen-C-Bogen-System und dem OP-Tisch sowie zu weiteren Systemen wie z.B. Telekonsultation und Dokumentation. Weitere Ziele sind die Entwicklung und Evaluierung eines wissensbasierten OP-Tisch Steuerungsassistenten, sowie ein Zero-Dose Navigationsmodul. Der OP-Tisch Einstellungsassistent unterstützt den Operateur bei der für den jeweiligen Eingriff optimalen Einstellung des OP-Tisches. Mit Hilfe des Zero-Dose Moduls sollen dem Operateur virtuelle Röntgenvorschaubilder zur Verfügung gestellt werden, die eine optimale Vorpositionierung des C-Bogens erlauben, so dass damit unnötige Röntgen-Zeit durch Falschaufnahmen verringert werden kann.

Integrierte Arbeitsstation

Ziele:

  • Entwicklung einer Integrationsarchitektur, die die flexible, modulare und offene Integration von Medizinprodukten erlaubt.
  • Herstellerunabhängige Integration der Geräte
  • Entwicklung eines Risikomanagement-Konzeptes, dass eine offene und modulare Integration erlaubt
  • Standardisierung von Schnittstellen und Protokollen

Ansatz:

  • Entwicklung einer Rahmenarchitektur basierend auf dem SOA-Paradigma (Service Orientierte Architektur)
  • Verwendung von vorhandenen offenen Standards (SOAP, WSDL, XML, DICOM, HL7 etc.)
  • Standardisierung und Risikomanagement nach der in Entwicklung befindlichen Norm IEC 80001

OrthoMIT-Integrationsarchitektur - von den Systemanforderungen zur Rahmenarchitektur

Wissensbasierte OP-Tisch Positionierung

Ungünstige statische Körperhaltungen stellen einen Belastungsfaktor dar, der langfristig muskuloskeletale Schädigungen des Betroffenen hervorrufen kann. Darüber führt die resultierende Beanspruchung zu einem erhöhten Risiko für das Auftreten humaninduzierter Fehler. Gerade im intraoperativen chirurgischen Arbeitsbereich müssen Operateur und OP-Personal häufig sowohl motorisch als auch kognitiv anspruchsvolle Tätigkeiten mit potentiell gravierenden Fehlerfolgen über lange Zeit und in ungünstigen Körperhaltungen ausführen.

Ziele:

  • Reduzierung haltungsbedingter Belastungen der Operierenden und daraus resultierender Beanspruchungen bzw. Fehlerrisiken

Ansatz:

  • Unterstützung durch eine wissensbasierte, situativ optimierte Einstellung des OP-Tisches
  • Integration des entwickelten Assistenzsystems in konventionelle klinische Abläufe

Methodik:

  • Simulationsgestützte Untersuchungen unter Einbeziehung anthropometrischer Menschmodelle
  • Benutzerzentrierte Tests mit Hilfe eines realisierten Demonstratorsystems
  • Entwicklung von Optimierungsstrategien (abhängig von Anthropometrie der Operierenden, Patient, Eingriffsart, Tätigkeitsphase und -€“charakter)
  • Optimierung der Mensch-Maschine-Interaktion sowie Erweiterung des Applikationsspektrums
  • Ermittlung der Akzeptanz eines Unterstützungssystems und der möglichen risikobezogenen Auswirkungen

Wissensbasierete OP-Tisch Positionierung

Zero-Dose

Fragestellung:

Der Erfolg und die Effizienz computerunterstützter fluoroskopischer Navigationssysteme ist in erster Linie abhängig von der Qualität der zugrundeliegenden Bilddaten. Dabei spielen sowohl die Genauigkeit bei der Aufnahme gewünschter Projektionen anatomischer Strukturen, als auch die Strahlenbelastung eine wichtige Rolle. Häufig werden in computerunterstützten Operationen mehr Röntgenbilder akquiriert, als sinnvoll in der Navigation verwendet werden. Es stellt sich die Frage, ob durch eine virtuelle Vorschau Röntgenbilder mit optimaler Genauigkeit und minimaler Strahlenbelastung akquiriert werden können.

Methodik:

Es wurde ein System entwickelt, welches basierend auf den Daten eines Trackingsystems, einer perkutanen Abtastung anatomischer Landmarken und statistischen deformierbaren Knochenmodellen eine Vorschau des zu erwartenden Röntgenbildes in Echtzeit ermöglicht.

Resultat:

Im Rahmen einer ex-vivo Studie wurde an 6 Präparaten die Effizienz und Genauigkeit des Verfahrens im Vergleich zu einer konventionellen, nicht navigierten Ausrichtung des C-Bogens untersucht. Es zeigte sich, dass die Anzahl der benötigten Röntgenbilder um ca. 35 Prozent reduziert werden konnte. Die benötigte Zeit für die Bildaufnahme war in beiden Gruppen ähnlich.

Zero-Dose C-Bogen Navigation

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