© 2019 by Elsevier GmbH

Bitte nutzen Sie das untenstehende Formular um uns Kritik, Fragen oder Anregungen zukommen zu lassen.

Willkommen

Mehr Informationen

B978-3-437-23300-5.10004-7

10.1016/B978-3-437-23300-5.10004-7

978-3-437-23300-5

Röntgenbildverstärker mit isozentrischem Design [V137]

Carbontischplatte mit metallfreier Durchleuchtungsmöglichkeit [M356]

Einstellung der Standardebenen (a: axial, b: semi-koronar, c: sagittal) am Beispiel des Kalkaneus [M356] [Zeichnung: A300–157]

Prinzip der intraoperativen automatischen Registrierung durch Einbindung eines navigierten Röntgenbildverstärkers [M356]

Digitalisierung der Landmarken bei der navigierten Knieendoprothetik [M356]

Intraoperative Darstellung mit dem 3-D-Bildverstärker nach navigierter SI-Schraubenplatzierung. Sowohl die Implantatlage als auch die Reposition können beurteilt werden [M356]

Computerassistierte Chirurgie in der Orthopädie und Unfallchirurgie

Intraoperative 3-D-Bildgebung und Navigation

Paul Alfred Grützner

  • 4.1

    Einleitung 158

  • 4.2

    Intraoperative 3-D-Bildgebung 158

    • 4.2.1

      Prinzip der intraoperativen 3-D-Bildgebung158

    • 4.2.2

      Bildbearbeitung und Dokumentation160

    • 4.2.3

      Lagerungstechnische Anforderungen163

    • 4.2.4

      OP-Ablauf165

  • 4.3

    Navigation 165

    • 4.3.1

      Prinzipien der Navigation165

    • 4.3.2

      Anwendungsgebiete der Navigation168

    • 4.3.3

      Fallstricke der Navigation174

  • 4.4

    Zusammenfassung 174

Einleitung

Nach der Einführung der Bildverstärkertechnologie gab es bis Mitte der 1990er-Jahre, abgesehen von den Entwicklungen in der Arthroskopie, keine wesentlichen Fortschritte im Bereich der intraop. Bildgebung. Einen Entwicklungssprung gab es dann mit der Möglichkeit der Freihandnavigation durch die rasante Verbesserung der Rechenleistung der Computer und ab 2001 mit der Einführung der bildwandlerbasierten 3-D-Technologie. Diese neuen Methoden, Navigation und intraop. 3-D-Bildgebung, führen zu neuen diagnostischen und technischen Möglichkeiten in der Unfallchirurgie und Orthopädie.

Intraoperative 3-D-Bildgebung

Prinzip der intraoperativen 3-D-Bildgebung

Aufnahmetechnik
Die intraop. 3-D-Bildgebung mit dem Bildverstärker (Abb. 4.1) basiert auf der grundsätzlichen Idee, aus unterschiedlichen Richtungen 2-D-Röntgenprojektionsaufnahmen zu generieren und daraus ein 3-D-Datenvolumen des Pat. zu rekonstruieren. Für diese Datenaufnahme rotiert der Bildverstärker um die entsprechende Region am Pat. Aus den gemessenen Projektionsaufnahmen wird dann ein isotropes 3-D-Volumen rekonstruiert, wodurch die Verwendung von Visualisierungstechniken wie z. B. MPR (Multiplanare Rekonstruktionen) möglich wird. Damit können beliebig orientierte Schichten dargestellt werden, auch aus Blickrichtungen, die gerätetechnisch mit 2-D-Projektionsröntgengeräten nicht realisierbar sind.
Voraussetzung ist ein C-Bogen mit einer Mechanik, die Röntgenröhre und Bildverstärker reproduzierbar auf immer gleichen Bahnkurven um den Pat. bewegt.
Die Verzerrung der aufgenommenen Einzelprojektionen spielt bei den kürzlich eingeführten Bildverstärkern mit digitalen Detektoren (flat panel) eine wesentlich geringere Rolle.
Tipps zur praktischen Durchführung
Da der 3-D-Datenwürfel aus den einzelnen Röntgenprojektionen errechnet wird, müssen einige Grundregeln beachtet werden:
  • Während der Bildaufnahme darf sich der Pat. in Relation zum Bildverstärker nicht bewegen.

  • Der Pat. muss auf einem röntgendurchlässigen OP-Tisch (Carbonmaterial, Abb. 4.2) gelagert sein. Nur so ist gewährleistet, dass möglichst wenig Artefakte durch patientenfremde röntgendichte Strukturen (z. B. Tischverstrebungen aus Metall, Kontraststreifen in Tupfermaterialien oder sonstiges Metall) entstehen.

Bildbearbeitung und Dokumentation

Besonderheiten der Bildbearbeitung und Beurteilung unter intraoperativen Bedingungen
In der Regel trägt der Operateur die Verantwortung für die intraop. Bildgebung und Interpretation der Bilddaten. Er muss in möglichst kurzer Zeit die Information aus der 3-D-Bildgebung optimal auswerten. Nur so besteht die Möglichkeit, in derselben Narkose auf die Ergebnisse der 3-D-Bildgebung zu reagieren, d. h. die Implantatlage zu optimieren oder das Repositionsergebnis zu verbessern.

Der Einsatz der 3-D-Bildwandlertechnologie ist nur nach ausreichender fachlicher Einweisung sinnvoll!

Dies ist nur durch standardisierte Arbeitsabläufe aus möglichst wenigen Arbeitsschritten mit einer hohen Treffsicherheit zu erlangen.

Die hier dargestellten Arbeitsabläufe ersetzen nicht die ausführliche Beschreibung und Herstellerhinweise der im klinischen Alltag eingesetzten Geräte.

  • Intraop. Bildgebung von vorneherein in die OP-Planung (Zeit) einbeziehen.

  • Fragestellung bereits vor der Aufnahme des 3-D-Bildverstärker-Datensatzes präzise formulieren:

    • Die Scanrichtung sollte so gewählt sein, dass einliegendes Osteosynthesematerial zu einer möglichst geringen Artefaktbildung führt. Es ist unverzichtbar, dass im OP-Saal ein in der Auswertung der 3-D-Bildverstärker-Bilddaten versierter Arzt präsent ist.

Bei der Bearbeitung der Bilddaten ist es wichtig, sich an den Grundprinzipien der Interpretation bei Schnittbilddiagnostik zu orientieren:
  • Einstellung optimaler Helligkeits- und Kontrastwerte.

  • Wahl einer korrekten Schichtdicke für die Interpretation der Bilder.

  • Artefaktreduktion.

  • Darstellung der Bilddaten durch Einstellen der standardisierten, von der CT- und MRT-Diagnostik bekannten Ebenen (s. u. Einstellen der Standardebenen).

Beispielhafter Workflow zur rationellen Bilddiagnostik
Dieser Workflow ist darauf ausgerichtet, möglichst effizient Repositionsergebnisse (Gelenkflächen, Achsen) und Implantatpositionen zu analysieren. Kein Anspruch auf Allgemeingültigkeit.
Grundeinstellungen
Nach Aufnahme der 3-D-Bildverstärker-Daten wird der Datenkubus in multiplanaren Rekonstruktionen dargestellt.
Es hat sich bewährt, nicht unmittelbar die pathol. Befunde darzustellen oder aufzusuchen, sondern zunächst einige Grundeinstellungen im Datensatz vorzunehmen. Dies dient zunächst zur Optimierung der Bilddarstellung (Fensterung) und zur Einstellung der Standardebenen (axial, sagittal, koronar).
Fenstern
Fenstern bedeutet die Einstellung optimaler Helligkeits- und Kontrastwerte für die individuelle Situation. Helligkeit und Kontrast können i. d. R. intuitiv mit der Maus eingestellt werden:
Einstellung der Schichtdicke der MPR (Multiplanare Rekonstruktionen)
  • MPRs können aus variabel einstellbaren Schichtdicken zurückgerechnet werden.

  • In dickeren Schichten (2,5–5 mm) können Artefakte deutlich reduziert werden.

  • In der Bildbeurteilung kann es auch hilfreich sein, zwischen Dünnschicht- und Dickschichtmodus zu wechseln, um die optimale Informationsausbeute zu erlangen.

Einstellen der Standardebenen
Die Einstellung von Standardebenen (Abb. 4.3) ist eine unabdingbare Voraussetzung für eine effiziente und sichere Beurteilung des Datensatzes. Standardebenen ermöglichen eine optimale Orientierung im Datensatz und rufen die gewohnten, aus der CT- und MRT-Diagnostik vorgegebenen Engramme auf. Auch für die spätere Dokumentation der Bilddaten ist die Darstellung in Standardebenen notwendig. Nur so lassen sich mit anderen Modalitäten vergleichbare Bildinformationen erheben.
  • Positionierung des Pat. im Datenkubus: Der Pat. ist in Narkose im OP-Saal häufig für die verschiedenen Anwendungen speziell gelagert. In vielen Fällen, gerade an den Extremitäten, stimmt die tatsächliche Position des Pat. nicht mit der vorgegebenen Ausrichtung des Datenkubus überein – die knöchernen Strukturen liegen häufig schräg im Datenkubus. Würde man nun auf eine Ausrichtung in die Standardprojektion verzichten, würde die Auswertung der Information in Schrägebene zur Patientenanatomie erfolgen.

  • Beurteilung multiplanarer Rekonstruktionen: Eine der Grundfunktionen ist das Verschieben der Ebenen in den entsprechenden Fenstern durch direktes Anklicken mit der Maus. Als Standard erfolgt die Darstellung in einer transversalen, sagittalen und koronaren Schicht. Für jede anatomische Region sind entsprechende Standardebenen zu definieren. Nun können die Gelenkflächen, die Achsverhältnisse der knöchernen Strukturen und die Implantate systematisch beurteilt werden. Bei unklaren Befunden sollte jetzt nochmals eine Feineinstellung bzgl.Helligkeit und Kontrast vorgenommen und zwischen Dick- und Dünnschichtmodus gewechselt werden.

  • Beurteilung von Gelenkflächen: In einigen Fällen empfiehlt es sich, abweichend von der Beurteilung in den Standardprojektionen, Projektionen festzulegen, die möglichst senkrecht zur Gelenkfläche rekonstruiert werden. Je steiler die Rekonstruktion zur Gelenkfläche steht, desto größer ist die räumliche Auflösung der Bildinformation in diesem Bereich und desto präziser gelingt die Beurteilung.

Spezielle Ebenenausrichtung bei der Beurteilung von Implantaten
In den Standardebenen ist eine Beurteilung der Implantate in Relation zur Anatomie nicht immer mit ausreichender Sicherheit möglich. Hier hat es sich bewährt – in Analogie zur Implantatdarstellung in 2-D und der Möglichkeit, den Bildverstärker so auszurichten, dass ein axiales Implantat punktförmig abgebildet wird – die multiplanaren Rekonstruktionen exakt entlang der Implantatachse auszurichten.
Messungen
Multiplanare Rekonstruktionen aus dem 3-D-Bildverstärker sind Rekonstruktionen in einem isotropen, geometrisch exakten Datensatz. Es ist daher möglich, im Gegensatz zu den 2-D-Projektionen aus dem konventionellen Modus, exakte Messungen durchzuführen. Die Software gibt hier eine Vielzahl von Möglichkeiten vor. Im intraop. Alltag kann man sich jedoch v. a. auf zwei Messungen beschränken:
  • Längenmessung: Mit ihr kann z. B. die Länge des fehleinliegenden Implantats bestimmt werden. Zudem können die Dimensionen von Gelenkstufen oder von knöchernen Defekten ausgemessen werden.

  • Winkelmessung: Mit ihr lässt sich z. B. der Tubergelenkwinkel bei Kalkaneusfrakturen oder die Stellung der Sprunggelenkgabeln mit der Tangentenmethode bestimmen.

Standardisierung des Dokumentierens
Die Informationsdichte der intraop. 3-D-Bildverstärker-Bildgebung ist der eines konventionellen CT gleichzusetzen diese Daten müssen mit demselben Anspruch wie bei der sonstigen Schnittbilddiagnostik dokumentiert werden.
Praktisches Vorgehen:
  • Der Operateur vermerkt im OP-Bericht einen schriftlichen Befund der 3-D-Bildverstärker-Daten. In diesem Befund werden mögliche Änderungen (Implantate, knöcherne Strukturveränderungen) mit eingefügt.

  • Die Daten des 3-D-Bildverstärkers werden im klinikinternen PACS dokumentiert.

  • Analog zum CT ist eine Dokumentation mit Serien in Standardebenen zu erstellen.

  • Falls möglich, ist eine Verbindung zu einem netzwerkfähigen Laserdrucker, am besten in der Abteilung für Radiologie, herzustellen, sodass die Bilddaten auch als Hardcopy in analoger Weise zu CT-Daten ausgegeben werden können.

Rechtliche Grundlagen
Für den 3-D-Bildverstärker gilt, wie für jedes andere Röntgengerät auch, die Röntgenverordnung. Dementsprechend müssen die intraop. erhobenen Daten gemäß den gesetzlichen Bestimmungen archiviert und die intraop. Durchleuchtungszeiten dokumentiert werden. Die Verantwortung hierfür obliegt dem Operateur.

Lagerungstechnische Anforderungen

  • Artefaktfrei durchstrahlbare Tischsegmente, komplette Carbontischsysteme mit durchgängigen Platten oder Carbonanstecksysteme an vorhandene Tischsysteme. Sie sind erhältlich für den Kopf-Hals-Bereich, für die untere Extremität und die obere Extremität.

  • Bei OPs im Rumpfbereich ist zusätzlich zu den durchgängigen Carbontischen die Verwendung einer Vakuummatratze zu empfehlen. Im Gegensatz zu den Vakuummatratzen aus dem Rettungsdienst sind bei den OP-Vakuummatratzen das Füllmaterial und die Außenhaut artefaktfrei durchstrahlbar. Hierdurch kann auf den Einsatz von Symphysen- und Thoraxstützen weitgehend verzichtet werden.

  • Lagerungskriterien:

    • Beim automatischen Durchschwenken des C-Bogens muss gewährleistet sein, dass es zu keiner Kollision mit den Lagerungsmitteln oder dem Pat. kommt.

    • Aufgrund der technischen Gegebenheiten müssen u. U. Kompromisse gemacht werden. z. B. bei Scans des Körperstamms (z. B. der WS oder am Becken) ist der Pat. zentral auf dem OP-Tisch zu positionieren, um die zu operierende Struktur im Isozentrum der rotierenden Strahlenquelle halten zu können.

    • Bei adipösen Pat. kann die Durchführung eines 3-D-Scans aufgrund der Höhe (Summe aus Tischdicke, Lagerungselement und Patientenvolumen) unmöglich sein.

Kollisionsfreie isozentrische Durchleuchtung am Beispiel der HWS [M356]

Hygiene und sterile Abdeckung
Grundsätzlich ist beim intraop. Einsatz eines Bildverstärkers auf die erforderlichen Hygienemaßnahmen streng zu achten.
  • In der Regel gilt die OP-Tischunterseite generell als unsteriler Bereich. Durch die erforderliche Orbitalbewegung bei der dreidimensionalen Bildaufnahme, bei der die Bildquelle unter dem Tisch durchschwenkt, ist davon auszugehen, dass die Bildquelle unsteril ist.

    • Es ist zu empfehlen, sowohl den Röntgenbildverstärker mit sterilen Abdeckfolien zu versehen als auch zusätzliche sterile Tücher im Operationsfeld zu verwenden.

  • Bei der Orbitalbewegung besteht das Problem, dass seitliche herunterhängende Abdeckungstücher vom C-Bogen aufgeladen und somit vom unsterilen Bereich in das Operationsfeld geschoben werden können.

    • Um das Aufladen von Tüchern zu vermeiden, hat sich eine sog. Tunnelabdeckung als praktikabel erwiesen. Durch sterile Abdeckungstücher werden die seitlich herunterhängenden Tücher vom Tischende vorsichtig aufgenommen und mit Klebe-Taps fixiert. Bes. einfach kann eine Tunnelabdeckung durch einen sterilen Instrumentiertischüberzug (Sackabdeckung) vom Tischende aus über den Tisch geschoben werden.

OP-Ablauf

  • Nach der Lagerung des Pat. werden vor dem sterilen Abdecken die Durchleuchtungsmöglichkeiten überprüft.

  • Der Bildverstärker und Monitorwagen wird gegenüber dem Operateur bzw. am Fuß- oder Kopfende so gestellt, dass der Operateur unter ergonomischen Gesichtspunkten eine optimale Sicht auf das System erhält.

  • Der intraop. Einsatz der 3-D-Bildgebung hängt von der individuellen intraop. Situation ab. Der Bildverstärker kann aus rein diagnostischen Zwecken zu einem besseren Verständnis der Situation eingesetzt werden, oder er kann eingesetzt werden, um Daten für ein navigiertes Vorgehen aufzunehmen (4.3).

  • In Zwischenschritten nach Reposition und temporärer Fixation kann eine Kontrolle erfolgen. In den meisten Fällen wird aber eine Abschlusskontrolle der Osteosynthesen ausgeführt. Diese Abschlussuntersuchung ersetzt in vielen Fällen eine postop. CT-Untersuchung.

Navigation

Der Einsatz von Navigationssystemen in der Unfallchirurgie und Orthopädie findet eine zunehmende Verbreitung. Diese Entwicklung steht für den Versuch, den Anforderungen an eine bessere Patientenversorgung gerecht zu werden. Intraoperative Navigation bedeutet die Verknüpfung der Position chirurgischer Instrumente mit patientenbezogenen Informationen.
Der Einsatz der Navigation bedingt einen zusätzlichen intraop. Aufwand. Am weitesten verbreitet sind heute Navigationssysteme mit einer optischen Verfolgung der Instrumente und der Patientenkoordinaten. Das Navigationssystem besteht also aus einem Computer- und Monitorwagen sowie aus einer Kamera. Zur Navigation sind spezielle Instrumente, die mit Markern versehen sind, erforderlich. Es setzen sich hier zunehmend kabellose Marker durch, die entweder mit einer eigenen Stromversorgung Impulse an die Kamera senden (aktive Systeme) oder von der Kamera ausgesendete Lichtimpulse reflektieren (passive Systeme).

Prinzipien der Navigation

3 Arten:
  • Anhand präop. aufgenommener Bilddaten (z. B. CT-basierte Navigation).

  • Anhand intraop. aufgenommener Bilddaten (2-D- oder 3-D-bildwandlerverstärkte Navigation, Abb. 4.5).

  • Durch Registrierung von Landmarken direkt am Pat.

Alle drei Arten der Navigation haben systemimmanente Vor- und Nachteile und ihr spezifisches Indikationsspektrum. Auch hier gilt, dass nur durch festgelegte Protokolle und geschultes Personal ein reibungsfreier Ablauf zu gewährleisten ist.
Grundbegriffe
  • Therapeutisches Objekt: Die anatomische Struktur, die behandelt werden soll. Es kann je nach dem geplanten Eingriff aus einem Objekt, aber auch aus mehreren Objekten, z. B. Pfanne und Schaft, bestehen.

  • Virtuelles Objekt: Das Bild des Pat. Dabei kann es sich um präop. diagnostische Untersuchungen, intraop. Bilddaten oder um Informationen handeln, die intraop. durch Abnahme anatomischer Punkte am Pat. gewonnen werden (bildfreie Navigation).

  • Navigator: Das verbindende Element zwischen therapeutischem und virtuellem Objekt. Der Navigator ermöglicht durch das Verfolgen von Patientenanatomie und chirurgischen Instrumenten die interaktive Darstellung im virtuellen Objekt (virtuelle Realität). Navigatoren sind mit verschiedenen Technologien für das Tracking, also die Verfolgung von geeigneten Sensoren, entwickelt worden, z. B. Infrarotlicht, Magnetismus oder Ultraschall.

Intraoperatives Setup des Navigationssystems
Es muss gewährleistet sein, dass der Operateur eine freie Sicht zum Computermonitor erhält. Die Kamera des Navigationssystems soll so platziert sein, dass eine freie Sichtlinie zum Operationssitus vorhanden ist. Nur durch die Einhaltung standardisierter Abläufe und die Anwendung der Systeme in der klinischen Routine ist ein entsprechendes Training des OP-Personals zu erwarten.
Intraoperative Bedienung des Navigationssystems
Erfolgt entweder aus dem sterilen Bereich über einen Touchscreen, über Fußschalter oder aber durch einen zusätzlichen unsterilen Assistenten am Navigationssystem selbst. Die klinische Routine zeigt hier, dass bei standardisierten Eingriffen und bei einem durchdachten Workflow des Computersystems eine sterile Bedienung des Navigationssystems ohne Weiteres möglich ist. Bei komplexen Eingriffen, wie z. B. Osteosynthesen am Becken, hat es sich bewährt, dass die Bedienung des Systems ein Assistent vornimmt.
Registrierung
Unter Registrierung versteht man den Prozess der Transformation der Bildinformation und der Position der Instrumente auf die Anatomie des Pat. Auch beim konventionellen Operieren verknüpft der Chirurg seine anatomischen Kenntnisse mit den ihm zur Verfügung stehenden Bildinformationen und dem Operationssitus (mentale Registrierung).
  • Manuelle Registrierung: Erfolgt wie bei der CT-basierten Navigation. Hierzu ist es durch Abnehmen von Landmarken erforderlich, den präop. CT-Datensatz der Patientenanatomie anzugleichen. Die entscheidenden Vorarbeiten erfolgen präop. Der CT-Datensatz wird präop. segmentiert und Landmarken werden geplant, die intraop. gefunden werden müssen.

  • Automatische Registrierung: Hierbei kann es infolge intraop. Bildgebung mit dem 2-D- oder 3-D-Bildverstärker zu Fehlern durch Bewegungen des Pat. während der Bildaufnahme, durch Artefaktbildungen oder ein nicht korrektes Aufrüsten des Navigationssystems kommen. Aus diesem Grund muss nach jeder Registrierung, gleich ob manuell oder automatisch, eine Überprüfung der Genauigkeit erfolgen. Dies kann nur durch den verantwortlichen Operateur selbst erfolgen. Er muss überprüfen, ob die Position eines navigierten Instruments vom Navigationssystem exakt an der anatomisch zugeordneten Stelle angezeigt wird. Diese Überprüfung muss an verschiedenen Stellen im Datensatz erfolgen, um auch die Möglichkeit einer Verdrehung oder Verkippung des Datensatzes auszuschließen.

  • Automatische Registrierung mit 3-D-Bildverstärkern:

    • Mit den 3-D-C-Bögen stehen Geräte zur Verfügung, welche die intraop. dreidimensionale Darstellung knöcherner Strukturen erlauben.

    • Neben der konventionellen 2-D-Bildgebung kann im 3-D-Betrieb während einer motorgesteuerten kontinuierlichen orbitalen Rotation eine definierte Zahl von Durchleuchtungsbildern in festen Winkelabständen aufgenommen werden.

    • Aus den so gewonnenen zweidimensionalen Durchleuchtungsdaten wird ein hoch aufgelöster 3-D-Datenwürfel errechnet. Über eine Schnittstelle können die Daten des erzeugten dreidimensionalen Würfels an das Navigationssystem übertragen werden.

    • Während der Erstellung der Daten mit dem 3-D-Bildverstärker wird dessen Bewegung bzw. Lage im Raum von der Kamera des Navigationssystems an Markern am C-Bogen erkannt. Die Registrierung des Datensatzes kann somit automatisch erfolgen.

Segmentierung
Die Registrierung eines CT setzt einen dreidimensionalen Datensatz voraus, der nur die knöchernen Strukturen abbildet. Die Erstellung eines solchen Datensatzes, d. h. das Entfernen aller Weichteilinformationen aus dem ursprünglichen Datensatz und die Reduktion desselben auf die Knocheninformation, wird als Segmentierung bezeichnet.
Durch einliegende Implantate wird aufgrund der Artefaktbildungen dieser Segmentierungsprozess erheblich erschwert; eine intraop. Registrierung eines solchen Datensatzes ist nur eingeschränkt möglich.
Referenzierung
Zum Ausgleich von Relativbewegung zwischen Kamera, Instrument und Pat. muss ein Referenzierungsmarker am operierten Knochen angebracht werden. Hierbei ist die rigide, stabile Fixierung des Markers wichtig. Mithilfe des Markers wird also ein lokales, bewegliches Koordinatensystem für den Starrkörper Knochen definiert.
  • Der Marker erfasst alle Bewegungen des Knochens durch Manipulation des Operateurs, durch Atmung oder Instrumenteneinsatz. Die Navigation wird damit unabhängig von Bewegungen des Pat. auf dem OP-Tisch.

  • Die Befestigung des Markers am Pat. muss rotations- und biegungsstabil erfolgen. Die Fixierung muss den Anforderungen des operativen Eingriffs gerecht werden.

  • Die Befestigung des Markers muss vom Operateur bei den entscheidenden Operationsschritten überprüft werden.

Anwendungsgebiete der Navigation

Navigation in der Hüftendoprothetik
Biomechanisch ungünstige Positionierungen der Implantate führen in der Frühphase zu erhöhten Luxationsraten, einem eingeschränkten Bewegungsradius durch knöchernes oder implantatbedingtes Impingement und zu Beinlängendifferenzen. Auf Dauer führt die unphysiologische Belastung zu verstärktem Abrieb und somit zur vorzeitigen aseptischen Auslockerung.
Vor allem die Pfannenkomponente unterliegt bei der Implantation einer hohen Variabilität in den konventionellen Techniken der Ausrichtung.
Anatomische Grundlagen der Pfannennavigation
Ausgangspunkt: Definition einer anatomischen Bezugsebene, zu der die Pfannenposition in Relation gesetzt werden kann.
Eine praktikable Bezugsebene ist die von Cunningham 1922 und McKibbin beschriebene anatomische Beckenebene, die durch 4 anatomische Landmarken, die Spinae iliacae anteriores superiores und die Tubercula pubica, definiert wird. Diese Ebene liegt bei Pat. ohne Arthrose der Hüftgelenke und physiol. Verhältnissen an der WS sowohl im Stehen als auch im Liegen annähernd parallel zur Frontalebene. Die anteriore Beckenebene ist daher eine geeignete Referenzebene zur objektiven projektionsunabhängigen Bestimmung der Pfannenposition.
Navigation in der Knieendoprothetik
Auch hier gilt die exakte Positionierung der Komponenten als Schlüssel zum Langzeiterfolg.
Die Berücksichtigung einer ausgeglichenen Kollateralbandspannung (Ligament balancing) gewinnt zunehmend an Bedeutung für gute postop. Ergebnisse.
Die Navigation nutzt, neben einer exakten Ausrichtung der Schnittblöcke, insbes. den Vorteil, dass die Auswirkungen von Veränderungen im operativen Vorgehen, z. B. die Veränderung der Implantatgröße oder der Rotation einer Komponente, auf das Ergebnis hervorragend simuliert werden können. Dies ermöglicht eine optimierte Ausrichtung mit symmetrischem Beuge- und Streckspalt bei möglichst anatomisch balancierten Ligamenten.
Kinematische und landmarkenbasierte Registrierung der Patientenanatomie
  • Informationen über die individuelle Anatomie des Pat., aber auch über die prä- und intraop. Kinematik, werden während des Eingriffs gewonnen. Das Prinzip besteht darin, während der OP mit einem navigierten Tastinstrument anatomische Landmarken abzutasten und anhand deren geometrischer Konfiguration ein virtuelles Modell der Anatomie des Pat. zu generieren (Abb. 4.6).

  • Erfasst werden so der Mittelpunkt des OSG, die Konfiguration von kniegelenknaher Tibia- und Femurgelenkfläche und das geometrische Kniegelenkzentrum.

  • Zur Berechnung der Beinachse ist der Mittelpunkt des Hüftgelenks erforderlich. Dieses wird indirekt mittels eines sog. Pivotingalgorithmus bestimmt. Wird der Oberschenkel im Hüftgelenk bewegt, so beschreibt der am Oberschenkel fixierte Marker eine Kugel, deren Mittelpunkt im Hüftgelenkzentrum liegt.

  • Danach kann ein Ligament balancing erfolgen, die Position bei gleich gespannten Kollateralbändern wird in Beugung und Streckung gespeichert.

  • Aus den gewonnenen Daten kann der Computer die optimale Platzierung der Komponenten errechnen. Die Schnittblöcke werden nun mithilfe des Navigationssystems platziert. Die Ausrichtung der Komponenten, die Bandspannung und der Range of Motion kann sowohl für die Probekomponenten als auch für die definitive Prothese kontrolliert und dokumentiert werden.

Computerassistiertes Balancieren der Kniebänder in Beuge- und Streckstellung [A300–157]

Navigierte Planung und Implantation der Knieendoprothese [A300–157]

Navigation in der Traumatologie
Die meisten Anwendungen in der Traumatologie beruhen auf dem Prinzip, mithilfe der Navigation lineare Bohrvorgänge durchzuführen und so z. B. Schrauben präzise und sicher zu platzieren (Abb. 4.9).
Beispiele:
  • Frakturrepositionen langer Röhrenknochen mit navigierter Platzierung von Verriegelungsbolzen bei Marknägeln.

  • Verschraubung von hüftgelenknahen Frakturen.

  • Navigiertes subchondrales Anbohren einer Osteochondrosis dissecans, z. B. am Talus.

  • Ileo-Sakral-(IS-)Verschraubung nach Matta.

  • Navigierte minimal-invasive Verschraubung einzelner Fragmente im Bereich des Azetabulums.

Navigation an der Wirbelsäule
Die Implantation von Pedikelschrauben zur dorsalen Instrumentierung von Wirbelfrakturen stellt hohe Anforderungen an das dreidimensionale Orientierungsvermögen des Operateurs. Dies gilt v. a. für die thorakale WS mit ihren geringen Pedikeldurchmessern.
Die KO, die durch eine Fehlplatzierung von Pedikelschrauben auftreten können, betreffen den Wirbelkanal, die Nervenwurzeln und die biomechanische Stabilität der Instrumentierung.
Technik
Es wurde eine Reihe von Techniken für die Insertion von Pedikelschrauben entwickelt. Sehr verbreitet ist die intraop. Verwendung eines konventionellen C-Bogens zur Visualisierung der Pedikel und zur Kontrolle der Schraubenlage. Wichtig sind

Scan mit dem 3-D-Bildverstärker zur Navigation an der Wirbelsäule. Der Bildverstärker ist steril bezogen. Gut sind die reflektierenden Markerkugeln am Bildverstärker, am Pat. und an den Instrumenten auf dem Instrumentiertisch zu erkennen [M356]

ein fundiertes anatomisches Wissen und die Verbindung der optischen Information mit Gefühl des Operateurs bei der Präparation des Pedikels. Die Visualisierung der zu instrumentierenden Pedikel gerade in diesem Bereich sowie bei Skoliosen, Spondylitis, Adipositas und Osteoporose mit dem C-Bogen ist sehr anspruchsvoll.
In großen klinischen Studien mit erfahrenen Operateuren wird mit dieser Technik eine Fehlplatzierungsrate an der thorakalen und lumbalen WS zwischen 4 und 40 % angegeben. Nicht jede Fehlplatzierung führt jedoch zu klinischen Konsequenzen. Auf der anderen Seite wird über die intraop. Fehlplatzierungen, die zu Schäden führen können, aber mittels intraop. Bildgebung noch erkannt und somit auch korrigiert werden, nicht berichtet. Hier ist von einer großen Dunkelziffer auszugehen.
Die WS ist intraop. schlecht direkt einzusehen. Während einer dorsalen Instrumentierung einer Wirbelkörperfraktur muss extensiv mit dem Bildwandler geröntgt werden, um eine sichere Platzierung von Pedikelschrauben zu gewährleisten. Bes. problematisch ist die Platzierung thorakal; hier ist der Pedikeldurchmesser oft nur minimal größer als der Durchmesser der verwendeten Implantate.

Darstellung der computerassistierten Pedikelschraubenplatzierung [M356]

Fallstricke der Navigation

Die 3 häufigsten Fehlerursachen bei der Navigation:

  • Fehlerhafte Registrierung der Patientenanatomie.

  • Probleme bei der Befestigung des Referenzierungskörpers am Pat.

  • Verbiegen von Instrumenten während des Eingriffs.

Zusammenfassung

Die Bedeutung der computerassistierten Chirurgie wird in den nächsten Jahren noch zunehmen. Schon jetzt haben die intraop. Navigation, die präop. Planung und die intraop. 3-D-Bildgebung ihr Potenzial zur Erhöhung der Sicherheit und Präzision bei der Ausführung von chirurgischen Eingriffen bewiesen. Die Änderungen im OP-Ablauf sind jedoch erheblich. Dies setzt hohe Anforderungen an die Schulung des Personals, aber auch an die Weiterentwicklung der Systeme in Richtung verbesserte intraop. Ergonomie voraus. Die Navigation wird in Zukunft auch einen deutlichen Stellenwert in der Aus- und Weiterbildung von Chirurgen erlangen. Diese Verfahren gehören in vielen OP-Sälen bereits zur Standardausrüstung wie Bildverstärker und Endoskopieturm.

Literatur

Grützner and Rübberdt, 2004

P.A. Grützner A. Rübberdt Röntgenhelfer 3D 2004 Bengelsdorff & Schimmel Berlin

Grützner et al., 1999

P.A. Grützner K. Wendl J. von Recum L.P. Nolte A. Wentzensen Navigation an der Brust- und Lendenwirbelsäule mit dem 3D Bildwandler Der Chirurg 75 10 1999

Grützner et al., 2003

P.A. Grützner J. Franke B. Vock A. Wentzensen Klinische Anwendung C-Arm basierter registrierungsfreier Navigation Aktuelle Traumatologie 33 4 2003 175 183

Arand et al., 2002

M. Arand L. Kinzl F. Gebhard Fehlerquellen und Gefahren der CT-basierten Navigation Orthopäde 31 2002 378 384

Grützner et al., 2002

P.A. Grützner B. Vock D. Schulte-Bockholt Computerassistierte Operationsverfahren in der Unfallchirurgie Trauma und Berufskrankheit 4 2002 145 152

Stockle et al., 2003

U. Stockle B. Konig K. Schaser CT- und fluoroskopiebasierte Navigation in der Beckenchirurgie Unfallchirurg 106 2003 914 920

Langlotz et al., 2006

F. Langlotz L.P. Nolte M. Tannast Grundlagen der computerassistierten Chirurgie Orthopäde 35 2006 1032 1037

Holen Sie sich die neue Medizinwelten-App!

Schließen