Roboterassistierte Reponierung von Oberschenkelfrakturen

Transkript

1 Roboterassistierte Reponierung von Oberschenkelfrakturen Ralf Westphal 1, Simon Winkelbach 1, Friedrich Wahl 1, Markus Oszwald 2, Thomas Gösling 2, Tobias Hüfner 2, Christian Krettek 2, 1 2

2 Inhalt Einleitung / Motivation Frakturreponierung mittels Telemanipulator Automatische Frakturreponierung Intraoperative Kraftmessungen Roboterassistierte Bohrerführungen Zusammenfassung / Ausblick

3 Inhalt Einleitung / Motivation Frakturreponierung mittels Telemanipulator Automatische Frakturreponierung Intraoperative Kraftmessungen Roboterassistierte Bohrerführungen Zusammenfassung / Ausblick

4 Frakturreponierung am Femurschaft Übliche Therapieform: Unaufgebohrte Marknagelung Vorteile Minimalinvasiv Hohe Stabilität des Implantats Schnelle Frakturheilung Quelle: AO Principles of Fracture Management Nachteile Ungenaue Reponierergebnisse (28% mit Rotationsfehler >15 ) * Hohe Strahlenbelastung für das OP-Team ( sec / Patient) ** * Strecker et al. Unfallchirurg 1994, ** Kempf et al. JBJS 1985; Sugarman et al. Injury 1988

5 Einleitung Das Problem Wenig Details in Röntgenbildern Begrenzte Sicht auf OP Gebiet Hohe Kräfte durch Weichteilmantel

6 Einleitung Die Herausforderung Erhöhen der Reponiergenauigkeit Verringerung der Strahlenbelastung für das OP Team Verkürzung der OP Zeit Die Lösung Roboter assistierte Reponierung von Knochenbrüchen Basierend auf 3D Bildgebung Telemanipuliert / (semi)automatisch

7 Inhalt Einleitung / Motivation Frakturreponierung mittels Telemanipulator Automatische Frakturreponierung Intraoperative Kraftmessungen Roboterassistierte Bohrerführungen Zusammenfassung / Ausblick

8 Telemanipulator System Robotersetup im CAOS (Computer Assisted Orthopedic Surgery) Labor der Medizinischen Hochschule Hannover

9 3D Daten Akquirierung 1. 3D-Scan 2. 3D Rekonstruktion Segmentierung Oberflächenrekonstruktion CT eines Femurs

10 3D Daten Akquirierung 1. 3D-Scan 2. 3D Rekonstruktion 3. Registrierung

11 Telemanipulatorreponierung in 3D Realer Femur in 3D Prinzip: Vereinfachung des 3D Reponierproblems in einfachere 2D Reponierungen 2D Eingabegerät (Joystick) Force feedback

12 Telemanipulatorreponierung in 3D Realer Femur in 3D Interaktion in 2D

13 Telemanipulator Architektur v d cur visuelles Feedback Navigations- System d v goal Menschlicher Bediener f v m Chirurg x v m Standard CS7B Steuerung Stäubli RX90 Positions- Regler u v x v s cur Umgebung / Roboter Patient d v cur f v s taktiles Feedback x &v s goal x v s goal Joystick f v m Positions- Generator Kräfte im OP-Situs

14 Evaluierung des 3D Telemanipulators an menschlichen Knochen Evaluierung des Telemanipulators Genauigkeit, Reponierdauer, Lernkurve

15 Ergebnisse des 3D Telemanipulators an menschlichen Knochen mit Weichteil 3D Telemanipulator gegen 2D konventionell manuell

16 Inhalt Einleitung / Motivation Frakturreponierung mittels Telemanipulator Automatische Frakturreponierung Intraoperative Kraftmessungen Roboterassistierte Bohrerführungen Zusammenfassung / Ausblick

17 Automatische Reponierung Notwendige Verfahrensschritte Analyse von CT-Daten Bestimmung der relativen Fragment-Zielposen Berechnung anatomisch verträglicher Trajektorien Sensorbasierte robotische Reponierung

18 Automatische Reponierung Notwendige Verfahrensschritte Analyse von CT-Daten Bestimmung der relativen Fragment-Zielposen Berechnung anatomisch verträglicher Trajektorien Sensorbasierte robotische Reponierung

19 Automatische Berechnung der Ziellage Simon Winkelbach et al. Pose Estimation of Cylindrical Fragments for Semi-automatic Bone Fracture Reduction, In: B. Michaelis, G. Krell (Eds.): Pattern Recognition (DAGM 2003)

20 Automatische Reponierung Notwendige Verfahrensschritte Analyse von CT-Daten Bestimmung der relativen Fragment-Zielposen Berechnung anatomisch verträglicher Trajektorien Möglichst geringe Kräfte Schonung der Weichteile Geringe Belastung mechanischer Teile Vermeiden der Grenzbereiche des Roboters Sensorbasierte robotische Reponierung Bahn mit möglichst geringer Distraktion

21 Automatische Reponierung: Zur Trajektorienplanung - versus - Ziel: Minimale Dehnung und Kraftaufwand zur Schonung anatomischer Strukturen

22 Automatische Reponierung Notwendige Verfahrensschritte Analyse von CT-Daten Bestimmung der relativen Fragment-Zielposen Berechnung anatomisch verträglicher Trajektorien Sensorbasierte robotische Reponierung (Semi-)automatisch Chirurg bestätigt Roboterbewegung Keine komplexen Bahnen Einfache Bewegungsmuster Aktionsprimitive

23 Aktionsprimitivplanung Reponierung mit.... Hilfe von Aktionsprimitiven

24 Probabilistische Bewegungsplanung Bewegungsplanung Bahnplanung Aktionsprimitiv Auswahl Bewegungskontrolle Überwachung Aktionsprimitiv vorschlagen Störung OK? Chirurg Bewegung zum Ziel Distraktion Seitliche Bewegung Auswärtsrotation... Aktionsprimitiv ausführen Bewegungsbefehle

25 Inhalt Einleitung / Motivation Frakturreponierung mittels Telemanipulator Automatische Frakturreponierung Intraoperative Kraftmessungen Roboterassistierte Bohrerführungen Zusammenfassung / Ausblick

26 Intraoperative Kraftmessungen

27 Intraoperative Kraftmessungen Maximalwerte: Kraft : 411 N; Drehmoment : 74 Nm

28 Entwicklung einer Knochenfixierung konventionelles Konzept 90% 83,5 80% 70% 70 60% 50% 40% Kräfte Kräfte Momente Momente 30% 23,2 20% 12 10% 6,1 4,1 0,4 0 0% 0-100N 0-20Nm N 20-40Nm N 40-60Nm >300N >60Nm Kräfte-/Momente-Histogramme irp/mhh-entwicklung: bessere Aufnahme von Zug- und Querkräften!

29 Inhalt Einleitung / Motivation Frakturreponierung mittels Telemanipulator Automatische Frakturreponierung Intraoperative Kraftmessungen Roboterassistierte Bohrerführungen Zusammenfassung / Ausblick

30 Bohrerführung 1. Eröffnung des Markraums 2. Distale Verriegelung Hohe Strahlenbelastung Verlängerung der OP-Zeit Gefahr von Fehlbohrungen Schlechter Sitz des Nagels Weichteil - und Knochenschäden Beschädigung des Nagels

31 Robotergeführte Markraumeröffnung α Zur automatischen Ermittlung der Knochenachse Parameter Anzahl der Bohrungen Anzahl der Bohrer-Neuplatzierungen Mittlere Anzahl an Röntgenbildern Min/max Anzahl an Röntgenbildern Roboter / 5 Mensch ,6 8 / 56

32 Robotergeführte distale Verriegelung Ergebnisse experimentelle Anordnung Parameter Anzahl der Bohrungen Anzahl der Fehlbohrungen Min/max translatorische Abweichung (mm) Min/max seitliche rotatorische Abweichung (grad) Mittlere Anzahl an Röntgenbildern Min/max Anzahl an Röntgenbildern Roboter ,42 / 1,57 0,01 / 2,69 8,8 4 / 14 Mensch ,96 / 6,72 0,75 / 15,32 23,4 8 / 56

33 Inhalt Einleitung / Motivation Frakturreponierung mittels Telemanipulator Automatische Frakturreponierung Intraoperative Kraftmessungen Roboterassistierte Bohrerführungen Zusammenfassung / Ausblick

34 Zusammenfassung Zusammenfassung Telemanipulatorsystem für 3D Frakturreponierung Verfahren zur Automatischen Frakturreponierung Intraoperative Kraftmessungen Verfahren und Evaluierung roboterassistierter Bohrerführungen Ausblick Evaluierung der Automatische Reponierung Evaluierung des kompletten Prozesses am frischen Präparaten Telemanipulator mit 6D Phantom als Master

35 Vielen Dank Einladung zur Präsentation