Home

Leistungssteuerung chirurgischer Instrumente in der

1. x ae 1 4 Ts yy 05 03 08 FESS 424 08 03 2005 id 050308 3 Patient RMS 0 04 Tool RMS 0 02 Abbildung 64 Das intraoperative Softwaremodul f r die Leistungssteuerung eines Shavers stellt wie das praoperative Planungsmodul auch drei Schnitte durch die CT Daten axial coronal sagittal und die 3D Rekonstruktion des Kopfes dar Der Shaver und der Arbeitsraum werden lagerichtig eingeblendet Wie bei der pr operativen Planung besteht die intraoperative Benutzeroberfl che aus der 3D Visualisierung und den folgenden drei Schnitten durch die CT Daten axial coronal sagittal Bei der 3D Visualisierung wird der Shaver lagerichtig relativ zur 3D Rekonstruktion der Patienten oberfl che dargestellt Die Position der Schnitte durch die CT Daten ist durch die Lage der Spitze asl Wee des Shavers relativ zu den CT Daten gegeben Die Lage der Shaverspitze ST haverTep Wird aus der Lage des Shavers und des Patiententrackers im Koordinatensystem des Positionsmesssystems berechnet Daf r werden die Transformationen cl Wee oe und ShaverTracker verTep verwendet die bei der Patientenregistrierung und bei der Kalibrierung und 98 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers Instrumentenregistrierung des Shavers bestimmt wurden In den Schnitten durch die CT Daten wird eine Projektion des dreidimensionalen Shavermodells auf die entsprechende Schicht be rechnet und visualisiert 1 img __ img cam _ cam ShaverTrack
2. 1 AS oe Fea o A o a e wni on m Abbildung 26 Links ist die chirurgische Einheit f r die dentale Implantologie Firma KaVo rechts die chirurgische Einheit f r FESS Firma Karl Storz dargestellt 43 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten in der Kopf Chirurgie Chirurgische Einheit F r die dentale Implantologie wird die Fremdkomponente chirurgische Einheit Intrasept 905 der Firma KaVo f r FESS die Fremdkomponente Unidrive II plus der Firma Karl Storz GmbH verwendet siehe Abbildung 26 Intrasept 905 steuert chirurgische Bohrer Unidrive II plus wird f r die Steuerung von Shavern und Fr sen verwendet Beide Ein heiten bestehen aus einem Fu pedal einem Steuerger t und einem Motor Die Pedale beinhalten je nach Einheit Schalter f r das Ein und Ausschalten des Motors sowie Potentiometer f r das Einstellen der Drehgeschwindigkeit Abbildung 27 Die Steuerelektronik hier in der Ausf hrung f r FESS kontrolliert die Leistung des Instru ments und berwacht die Instrumentenabschaltung Das Navigationssystem die chirurgische Einheit das Fu pedal und das Instrument werden an die Steuerelektronik angeschlossen Steuerelektronik Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine ausfallssichere Hardware f r die Re duktion der Leistung des chirurgischen Instruments entwickelt siehe Abbildung 27 Diese Steuerhardware wird zwischen dem Navigationssystem der chirurgischen Einheit und dem F
3. Abbildung 59 Da der Arzt den Shaver leicht angewinkelt h lt wurde der Tracker ebenfalls leicht angewin kelt am Shaver angebracht W hrend des Shavereinsatzes wird die Haltung des Shavers vor allem durch die beiden Winkel a und B bestimmt siehe Abbildung 60 links Die intraoperative Ver nderung des Winkels o ist nicht gro da der Arzt die Shaverspitze mit dem Zeigefinger rotiert siehe Abbildung 8 Der Bewegungsbereich AJ des Winkels 2 ist dagegen deutlich gr er siehe auch Abbildung 9 Der Winkelbereich AJ ist durch die durchgezogenen Linien in der sagittalen CT Aufnahme 93 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers dargestellt Af wird begrenzt durch die u ersten Grenzen des Arbeitsraums siehe Abbildung 60 rechts Bei einer normalen Anatomie umfasst Af wie in Abbildung 60 ca 75 Das ist jedoch deutlich kleiner als der Sichtbarkeitsbereich von 120 der f r die Tracker verwendeten retroreflektierenden Glaskugeln Abbildung 60 Der Shaver wird intraoperativ geneigt 4 und rotiert a Die Neigung wird begrenzt durch die Anatomie die Extremstellungen des Shavers sind als durchgezogene Linien rechts abgebildet Als Refe renzlinie ist der parallel zur Okklusionsebene liegende Patiententracker gestrichelt eingezeichnet Die gew hlte Anordnung des Instrumententrackers ist auch optimal bei einer gemeinsamen Betrachtung der Ausrichtung des Patiententrackers und des Instrumententrackers Es muss be r cksic
4. 3 Die sensiblen Strukturen wie Zahnwurzel Nervus alveolares inferior d rfen nicht ver letzt werden 4 Das Infektionsrisiko muss minimal sein 5 Der Operationsverlauf muss dokumentiert werden 6 Die Operationsdauer muss gering sein 7 Die verwendeten Systeme m ssen ergonomisch sein und d rfen den Arzt sowie den Pati enten nicht belasten 8 Die Behandlungskosten m ssen gering gehalten werden 1 1 2 Problemstellung FESS Die funktionelle endoskopische Sinuschirurgie englisch functional endoscopic Sinus surgery FESS ist eine Operationstechnik die bei chronischer Entz ndung von Nasennebenh hlen NNH oder chronischer Sinusitis angewendet wird Bei FESS wird die pathologisch ver nderte Schleimhaut entfernt und der nat rliche Zugang zu den betroffenen Nebenh hlen erweitert Die chronische Sinusitis kann in unterschiedlicher Auspr gung vorkommen der ausgepr gteste Befund findet sich bei der Polyposis nasi Die Polyposis nasi kommt bei ca 4 der Bev lkerung vor diese Diagnose wurde in Deutschland tiber Jahr 7 2000 6 2001 ca 221 000 mal gestellt Bachert et al 2003 In den gro en Kliniken betr gt die Anzahl der Eingriffe ca 3 5 pro Wo che Unter dem Begriff Polyposis nasi werden klinisch alle Arten von Nasenpolypen zusammen gefasst die als blass grau gestielte Ausst lpungen aus dem Ethmoid Siebbein aus dem mittlerem Nasengang und der mittleren Muschel hervorgehen Die typischen Symptome sind nas
5. e d h die Lage ET Kk der Zielgeometrie z B des Implantats in den CT Daten vor Der Sensor berechnet die zu den CT Daten registrierte Lage MET c h der Instrumentenspitze z B die Lage eines Bohrers Die F hrungsgr e T k wird mit dem registrierten Sensorwert T k verglichen die resultierende Regelabweichung T k wird dem Beobachter zugef hrt Der Beobachter wertet ET p k als Reaktion des Prozesses auf die Stellgr e a k des Pla ners Reglers aus und sch tzt daraus den Operationszustand z k Der Regler Planer bestimmt in Abh ngigkeit von dem Operationszustand ein Verhalten das spezifisch fiir die aktuelle Opera tionsphase ist Die untergeordnete Regelung bietet mehrere Verhalten Diese sind durch je einen Regler pro Operationsphase implementiert Die Operationszust nde sind aus den klinischen Operationspha sen abgeleitet Die traditionellen klinischen Operationsphasen werden dann in mehrere Operati onszust nde unterteilt wenn es innerhalb einer Operationsphase z B Aufbohren in der dentalen Implantologie weitere Schritte gibt die unterschiedliche Bohreransteuerungen erfor dern Die Aktivierung der Regler erfolgt durch das Aktivierungssignal a k des Planers Reglers Die Regelabweichung fiir den aktiven Regler r ist die Abweichung der Instrumentenspitze von der Zielgeometrie T Der Regler berechnet spezifisch fiir die aktuelle Operationsphase einen Stellwert y k Der Sicherhei
6. Das Navigationsmodul nutzt vis k f r die 80 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers Visualisierung und das Steuerprogramm nutzt Pmax k f r die f r die Beschr nkung der vom Arzt eingestellten Instrumentenleistung Dabei kann pmax k Werte von 0 bis 100 der Leis tung annehmen Der Vektor vis k beinhaltet Komponenten f r 2D und 3D Visualisierung 3D Visualisierung entspricht normalerweise der Darstellung des 3D Bohrers relativ zum Patienten datensatz Tabelle 7 In der Tabelle sind alle Operationszust nde f r Navigated Control in der dentalen Implantologie aufgef hrt Jedem Operationszustand in ein untergeordneter Regler zugeordnet Operationszustand Reglerbeschreibung Bohren ohne Navigated Control Der Chirurg kann ohne Einschr nkung bohren Bohrer ist immer aus die Abweichung der Bohrerspitze zum Bestimmung der Knochenoberfl che En geplanten Implantat 1 wird dargestellt Ank Der Chirurg kann bohren wenn die Entfernung der Bohrer nk rnen spitze zur Achse des geplanten Implantats 1 gering ist Der Chirurg kann bohren wenn der Winkel zwischen Richtungsbohren Bohrerachse und der Achse des geplanten Implantats gering ist Tiefenbohren Der Chirurg kann ohne Einschr nkung bohren Die Leistung des Bohrers wird proportional zur Entfernung Implantatende bohren zum Implantatende reduziert beim Erreichen der Zieltiefe wird die Leistung auf ein Minimum reduziert Die Leistung des Bohrers wird auf ein
7. Die Planung f r FESS erm glicht die Festlegung eines Arbeitsraums in der Nasenhaupth hle und den angrenzenden Nasennebenh hlen Die Festlegung des Arbeitsraums erfolgt manuell n den ax alen Schichten des CT Scans Der leistungsgesteuerte Shaver st nur innerhalb dieses Arbeitsraums akt v Die Patientenregistrierung erfolgt bei FESS durch die Verwendung von Bissschienen Die Navigation eines Shavers bestimmt die Lage ee des Shavers relativ zu den CT Daten des Patienten und visualisiert diese Lage Das Positionsmesssystem vermisst die Lage des Patiententrackers TsnaverTrep und des Tooltrackers ToorTracker Mit Hilfe der aus der Patienten registrierung bekannten Transformation T und der Shaverkalibrierung und registrierung kann aus diesen Positions und Orientierungsinformationen die Position und Ori entierung ad Were des Shavers in dem Koordinatensystem der CT Daten bestimmt werden Bei Navigated Control wird auf der Grundlage der Position der Shaverspitze relativ zum pr ope rativ festgelegten Arbeitsraum die Leistung des Shavers gesteuert Befindet sich der Shaver innerhalb des Arbeitsraums dann bestimmt der Arzt die Leistung des Shaver mit einem Fu pe dal Befindet sich der Shaver au erhalb des Arbeitsraums dann schaltet das System den Shaver ab Die Architektur von Navigated Control mit Regler Planer Beobachter und den untergeordne ten Reglern ist weniger komplex als die Leistungssteuerung eines Bohrers
8. Schermeier O Hein A L th T Kah R Hildebrandt D Bier J 2002 Navigated Control n der Dentalen Implantologie Jahrestagung der CURAC 2002 Leipzig 4 5 Okto ber 2002 Gordils 1996 Apparatus and process for parallel placement of bone integrated cylindrical type mplants n dentistry US 5741133 US Patent Grevers G Leunig A Klemens A Hagedorn H 2002 Computerassistierte Chirurgie der Nasennebenh hlen Technologie und klinische Erfahrungen mit dem Vector Vision Compact System an 102 Patienten Laryngo Rhino Otologie 81 7 pp 476 483 Gunkel A R Freysinger W Thumfart W F 1997 Computer Assisted Surgery in the Frontal and Maxillary Sinus Laryngoscope Vol 107 5 pp 631 633 Guthart G S Salisbury J K 2000 The Intuitive Telesurgery System Overview and Appli cation ICRA IEEE Int Conf on Robotics and Automation San Francisco Ca April Re printed in Proceedings of the 2000 IEEE International Conference on Robotics amp Automation Ha feld S J Brief W Stein C Ziegler T Redlich J Raczkowsky R Krempien J M h ling 2000a Navigationsverfahren in der Implantologie Stand der Technik und Perspekti ven Implantologie 4 pp 373 390 Ha feld S J M hling 2000b Der Einsatz von Computer und Robotertechnik in der Mund Kiefer und Gesichtschirurgie Zahn rztliche Mitteilungen 90 pp 2870 2878 Hein A 2000 Eine interaktive Robotersteuerung f r chirurgisch
9. einheilung erf llen F r eine bessere Knocheneinheilung werden die im Knochen eingebrachten Teile der modernen Implantatsysteme mit einer por sen Oberfl che hergestellt in das der Kno chen einw chst Por se Oberfl chen k nnen durch tzverfahren durch Abstrahlen mit abrasiven Stoffen oder durch Beschichtung Plasma Flame Spray Beschichtung Beschichtung mit por sen Keramiken etc hergestellt werden Koeck und Wagner 2004 Die Oberfl che des au erhalb des Knochens befindlichen Implantathalses ist dagegen in der Regel glatt da dies der Ablage rung von Plaque entgegenwirkt Szymanski 2005 Teilverlauf des Nervus alveolaris inferior im gt 4 Inneren des Unterkiefers i 4 Austritt des Nervus a May alveolaris inferior ame Bae i a e Sinus maxillaris Ende der Wurzel der NR li art ot Oberkieferzahne Abbildung 1 Gefahrdete anatomische Strukturen in der dentalen Implantologie Diverse Faktoren beeinflussen den Erfolg einer implantatgetragenen prothetischen Versorgung Neben patientenabh ngigen Faktoren Knochenqualit t Begleiterkrankungen Nikotinkonsum Mundhygieneverhalten sind korrekte Planung und Umsetzung der implantat prothetischen Versorgung durch den Behandler wesentlich f r optimale Langzeitresultate McDermott et al 2003 Eine korrekte technische Implantatpositionierung erfordert die Ber cksichtigung ver schiedener Aspekte So muss unter anderem die Anatomie ber cksichtigt werden um be
10. Die Besonderheiten der Eingriffe sollen in der Konzeption von Navigated Control be r cksichtigt werden Im Einzelnen sollen die folgenden Eigenschaften der Eingriffe un tersucht werden e Die Freihandf hrung des Instruments durch den Arzt e der Arbeitsraum des Instruments e die Patientenlagerung sowie e die pr operativen und die intraoperativen Schritte 2 Eine Leistungssteuerung soll entwickelt werden die die Leistung eines chirurgischen In struments in Abh ngigkeit der Lage der Instrumentenspitze relativ zur pr operativen Pla 6 3 Einleitung nung steuert Es wird erwartet dass das im Rahmen dieser Arbeit realisierte Konzept und die Algorithmen f r Navigated Control die folgenden Vorteile bringt e Systemimmanentes Einhalten der pr operativen Planung e Schutz von sensiblen Strukturen und e Entlastung des Arztes Eigenschaften des Systems w e die Genauigkeit der Abtragung sollen an Phantomen quantitativ ausgewertet werden Die Kliniktauglichkeit der Systeme soll n klinischen Eins tzen gepr ft und ausgewertet werden Es soll unter anderem die Auswirkung der Benutzung von Navigated Control auf die folgenden Kriterien untersucht werden e Die Ver nderung der klinischen Abl ufe e die Behandlungsdauer e der Personalbedarf und e die Ergonomie Einleitung 2 Stand der Technik Im Stand der Technik werden zun chst die traditionelle Operationstechnik die computerassis tierten Planungsverfahren u
11. Diese Operationsphase ist dadurch gekennzeichnet dass dabei mit einem Ro senbohrer eine 1 2 mm tiefe Einkerbung in den Knochen gefr st wird Das System kann ein Absenken um eine festgelegte Tiefe d siehe Abbildung 33 des Bohrers automatisch erkennen und somit den Phasenwechsel zwischen Ank rnen und Bohren feststellen Die Tiefe da muss jedoch von der Knochenoberfl che aus gemessen werden Die Position der Knochenoberfl che ist dem System nicht aus der Planung bekannt und wird in einem eigenen Schritt bestimmt 4 1 Operationszust nde in der dentalen Implantologie Im vorangegangenen Kapiteln wurden die folgenden Operationszust nde des chirurgischen Eingriffs identifiziert Ank rnen Bohren Herausnehmen Sie sind als Zust nde eines endlichen Automaten abgebildet In diesem Kapitel werden weitere Operationszust nde eingef hrt die f r eine kliniktaugliche Leistungssteuerung eines Bohrers notwendig sind In dem im Rahmen dieser Arbeit entwickelten System wird die Knochenoberfl che durch das Antasten des Knochens mit dem Bohrer vermessen siehe nachfolgendes Kapitel 4 4 Das erfor dert zwar eine zus tzliche bisher nicht vorhandene Aktion des Chirurgen Die Dauer der Aktion ist allerdings sehr gering und die Art der Aktion Ber hren des Knochens mit dem Bohrer an der Stelle wo der Arzt ank rnen wird stellt keine Unterbrechung der Workflows dar Damit kommt zu den drei bereits vorgestellten Operationszust nden der Operationszu
12. H Miihlig Bearb 3 Auflage Verlag Harri Deutsch Frankfurt am Main Thun Casap N Wexler A Persky N Schneider A Lustmann J 2004 Navigation surgery for dental implants Assessment of accuracy of the image guided implantology system Journal of Oral and Maxillofacial Surgery Vol 2 pp 116 119 Caversaccio M Zulliger D Bachler R Nolte L P Hausler R 2000 Practical aspects for optimal registration matching on the lateral skull base with an optical frameless computer aided pointer system Am J Otol 2000 Nov 21 6 863 70 Caversaccio M W Freysinger 2003 Computer assistance for intraoperative navigation in ENT surgery Min Invas Ther Allied Technol 1 2 36 51 2003 Claes J Koekelkoren E Wuyts F L Claes G M Hauwe L Van den Heyning P H Van de 2000 Accuracy of Computer Navigation in Ear Nose Throat Surgery Archives of Oto laryngology Head amp Neck Surgery 126 pp 1462 1466 Dammann F 2002 Bildverarbeitung in der Radiologie Fortschritte auf dem Gebiet der 139 Literatur R ntgenstrahlen und der bildgebenden Verfahren 174 pp 541 550 Deppe H H F Zeilhofer R Sader H H Horch M Lenz 1997 Stereolithographie in der dentalen Implantologie Zeitung f r Zahn rztliche Implantologie 13 pp 79 82 Freysinger W Gunkel A R Thumfart W F 1997 Image guided endoscopic ENT surgery European archives of oto rhino laryngology 254 7 pp 343 346 Glagau J
13. Lueth T C Glagau J Szymanski D Tita R Hildebrandt D Klein M Nelson K Bier J 2002c Automatic patient registration in computer assisted maxillofacial surgery mmVR Medicine Meets Virtual Reality Newport Beach USA Jan 23 26 Re printed in J D Westwood G T Mogel H M Hoffman Ed Proceeding of Medicine Meets Virtual Reality 2002 IOS Press pp 461 468 Schrader P 2004 Roboterunterst tzte Frasverfahren am coxalen Femur bei H ftgelenksto talendoprothesenimplantation Methodenbewertung am Beispiel Robodoc Medizinischer Dienst der Spitzenverb nde der Krankenkassen e V Schwenzer K P Dekoleadenu N Schwenzer 2001 OP Abl ufe und Instrumentarium in der MKG und Oralchirurgie Georg Thieme Verlag Stuttgart New York Sharman J 2005 The Marching Cubes Algorithm http www exaflop org docs march cubes Siemens 2005 syngo 3D Basic Evaluation CT based evaluation of volume and dynamic evaluation functions Medical Brochure Siemens Medical Siemens 2005a syngo 3D Basic MIP MinIP MPR SSD fast and easy for routine use Medical Brochure Siemens Medical Siemens 2005b syngo 3D VRT Advanced 3D applications fast and easy in routine use Medical Brochure Siemens Medical Stammberger H 2004 F E S S Endoskopische Diagnostik und Chirurgie der Nasenne benh hlen und der vorderen Sch delbasis Die Messerklinger Technik und Weiterentwicklung der Grazer
14. M sges R Rasp G Riechelmann H M ller R Luckhaupt H Stuck B A Rudack C 2003 Empfehlungen zur Diagnose und Therapie der Sinusitis und Polyposis nasi Allergologie Immunologische Grundlagen Diagnostik und Therapie fiir Praxis und Therapie 26 pp 52 71 Bachler R Bunke H Nolte L P 2001 Restricted Surface Matching Numerical Optimi zation and Technical Evaluation Computer Aided Surgery 6 pp 143 152 Behrbohm H Kaschke O Nawka T 1998 Endoskopische Diagnostik und Therapie in der HNO Urban amp Fischer Verlag Besl P J McKay N D 1992 A Method for Registration of 3 D Shapes EEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence Vol 14 No 2 pp 239 256 Birkfellner W K Huber A Larson D Hanson M Diemling P Homolka H Bergmann 2000 A Modular Software System for Computer Aided Surgery and its First Application in Oral Implantology IEEE Transactions on medical imaging 19 pp 616 620 BrainLAB 2001a Clinical User Guide VectorVision cranial ENT BrainLAB AG BrainLAB 2001b Klinisches Benutzerhandbuch Auflage 1 0 VectorVision Kraniale Planung Version 1 2 Kraniale Navigation Version 6 0 BrainLAB AG BrainLAB 2001c Software Reference Handbook VectorVision2 Cranial Planning Cranial Navigation BrainLAB AG BrainLAB 2004 BrainLAB ent Solutions BrainLAB AG Bronstein I N K A Semendjajew 1997 Taschenbuch der Mathematik G Musiol
15. da bei derzeitiger Realisierung keine intraoperativen Operationsphasen unterschieden werden Die Bestimmung der relativen Lage der Shaverspitze zum Arbeitsraum erfolgt als ein Nachschlagen von Werten in einem Voxelvolumen Ist das Voxel an der Stelle der Shaverspitze gef rbt dann befindet sich der Shaver im Arbeitsraum Ist das Voxel an der Stelle der Shaverspitze nicht gef rbt dann befindet sich der Shaver auBerhalb des Arbeitsraums und wird abgeschaltet Die Realisierung als ein Voxelvolumen hat den Vorteil einer von der Komplexit t des Modells unabh ngigen Be rechnungszeit f r die Bestimmung der zum Arbeitsraum relativen Position der Shaverspitze 5 1 Pr operative Planung Der wichtigste Bestandteil der pr operativen Planung ist die Segmentierung des Arbeitsraums in der Nasenhaupth hle und den angrenzenden Nasennebenh hlen Das Ziel ist es eine Segmentie rung innerhalb von 5 Minuten zu erm glichen 5 Minuten sind eine Zeit die in der HNO f r eine Planung dieser Operation zur Verf gung gestellt werden kann Die Segmentierung erfolgt manu ell Der Arzt markiert den Arbeitsraum in den axialen CT Daten Der Vergleich mit Segmentie rungsmethoden des Stand der Technik ergibt die folgenden Vorteile f r diese Form der Segmentierung f r den Einsatz in der FESS 1 Es existiert keine zuverl ssige automatische oder semiautomatische Segmentierung die die Festlegung eines abzutragenden Volumens n FESS erm glicht Die bekannten ver b
16. i 0 78 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers N 1 2 O depth k N all a depth k n u Haepth k N 36 n 0 Haist k Nie lt Haist_max AND gepth k N 6 O gepth_max 37 Die Visualisierung des Zustands bergangs f r den Benutzer m 2 Schritt des Zustands bergangs t6 ist eine Art Best tigung f r die Korrektheit der Erkennung von t6 Dabei wird dem Benutzer f r die Dauer von 2 Sekunden N 40 Samples eine Fortschrittsanzeige pr sentiert die die Ein haltung der Bedingung 37 visualisiert Wurde die Bedingung 37 erf llt ohne das der Zu stands bergang t6 stattfindet dann kann der Arzt jederzeit die Position des Bohrers ndern Dadurch steigt die Standardabweichung der Bohrerposition und der Zustands bergang t6 wird nicht aktiv Der Zustands bergang t7 zwischen Ank rnen und Bohren erfolgt wenn der Arzt in der N he der geplanten Implantatposition das erste Mal eine Vertiefung im Knochen erzeugt hat Der Zu standstibergang t7 darf nicht durch Bewegungen des Patienten das Rauschen des Positionsmess systems oder andere Einfl sse aktiviert werden Aus diesem Grund wird als Ma f r die Tiefe der Bohrerspitze ein gleitender Mittelwert benutzt F r die Mittelwertbildung werden wenige Samples verwendet um eine schnelle Reaktion des Systems sicherzustellen Die Bedingung f r t7 ist in 38 dargestellt dabei muss die Bohrerspitze weniger als dist von der Implantatachse entfernt sei
17. lt 0 51 rillTcp Der untergeordnete Regler r8 minimiert die Leistung des Bohrers am Pmin da die Vorschubge schwindigkeit n diesem Zustand zu hoch ist Der Regler r9 erm glicht das Herausnehmen des Bohrers F r das Herausnehmen des Bohrers muss der Chirurg die M glichkeit haben den Bohrer bei eingestellter auch hoher Leistung aus dem Knochen zu entfernen Da dabei der Bohrer durch das Ziehen seitlich belastet und auch verbogen wird stellt das System evtl nicht vorhandene hohe Winkel und Positionsabweichun gen fest Um das Herausnehmen des Bohrers aus dem Knochen dennoch zu erm glichen werden bei dem Regler r8 alle Abweichungen toleriert der Arzt hat die volle Kontrolle ber die Leis tung des Bohrers 84 5 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers Ebenso wie die Leistungssteuerung eines Bohrers wurde d e Leistungssteuerung eines Shavers auf der Bas s des Navigationssystems RoboDent realisiert Da jedoch keine Planung und Navi gation f r die funktionelle endoskopische Sinuschirurgie unter Verwendung eines Shaver exis tiert wurden im Vergleich zur Leistungssteuerung eines Bohrers mehr Komponenten im Rahmen dieser Arbeit realisiert Die folgenden Hard und Softwarekomponenten die 1m Rah men dieser Arbeit fiir Navigated Control in FESS realisiert wurden sind in diesem Kapitel be schrieben die genannten Softwarekomponenten sind in der Abbildung 52 grau hinterlegt e Die Softwarekomponente Planungsmodul zur P
18. und den Chirurgen nicht negativ beeinflusst Das wird untersucht indem die Genauig keit beim leistungsgesteuertem Bohren in einem Phantomkiefer bestimmt wird Diese Genauigkeit wird mit der Genauigkeit des freih ndigen Bohrens und des navigierten Bohrens verglichen Es wird erwartet dass die durchschnittlichen Abweichungen beim Bohren mit Navi gated Control unter Laborbedingungen den Abweichungen des navigierten Bohrens gleichen Die bereinstimmung der Abweichungen stellt sicher dass der Arzt durch die positionsabh ngi ge Verringerung der Leistung nicht behindert wird Um die Auswirkung der Bohrvorschubbegrenzung zu untersuchen wurde dieses Experiment ohne die bohrvorschubbegrenzenden Komponenten des Reglers r8 durchgef hrt Es wird erwar tet dass dadurch die geplante Tiefe berschritten wird Die Auswirkung der bohrvorschubbe srenzenden Komponente auf die vertikale Abweichung wird getrennt im Kapitel 7 2 untersucht Es werden die folgenden Bohrm slichkeiten untersucht und miteinander verglichen l Freih ndig Bohren ohne ein Navigationssystem und ohne Navigated Control 2 Navigiert Bohren mit einem Navigationssystem und ohne Navigated Control 3 Leistungsgesteuert Bohren mit einem Navigationssystem und mit Navigated Control jedoch ohne Begrenzung des Bohrervorschubs wie in den untergeordneten Reglern r8 siehe Kapitel 4 5 Es werden die folgenden Abweichungen ausgewertet siehe Abbildung 79 links 1 Ah Horizontale Abw
19. zwischen CT Daten und Planung importiert axiale CT Daten im DICOM Format Die Daten werden von einer CD eingelesen e Die Softwareschnittstelle Isz zwischen Planung und der Patientenregistrierung e Die Softwareschnittstelle Is zwischen Positionsmesssystem und Patientenregistrierung bermittelt die Lage Position und Orientierung des Patiententrackers Trinrtracker 1 bzw TonaverTracker 2 und des Instrumententrackers Tyartracker 3 im Koordinaten system des Positionsmesssystems Die Lage wird als eine homogene 4x4 Matrix mit ei ner Frequenz von 20Hz bermittelt e Die Softwareschnittstelle Is zwischen der Patientenregistrierung und dem Beobachter des Operationszustandes dem Regler Planer sowie den untergeordneten Reglern ber mittelt die registrierte Lage a e der Instrumentenspitze an die genannten Software komponenten Die Lage ist zu den CT Daten und zur Zielgeometrie registriert e Die Softwareschnittstelle Iss zwischen dem Beobachter des Operationszustandes und dem Regler Planer bermittelt einerseits den ermittelten aktuellen Operationszustand z k 18 an den Regler Planer Andererseits wird hier die Ausgabe des Regler Planers das aktivierte Verhalten a k 15 an den Beobachter Operationszustand bermittelt e Die Softwareschnittstelle Isg zwischen dem Regler Planer und den untergeordneten Reg lern bermittelt das aktivierte Verhalten a k an die untergeordneten Regler infolgedes sen einer der untergeordn
20. 6 7 Segmentierung Nr Abbildung 81 Hier sind die Segmentierzeiten grafisch in der Reihenfolge der Versuchsdurchf hrung darge stellt Nur die erste Segmentierung bersteigt die geforderte maximale Dauer von 5 min die als eine waage rechte Linie gestrichelt eingetragen ist In der Abbildung 81 ist die Dauer der Segmentierung ber die einzelnen Segmentierungsversu che aufgetragen wobei die einzelnen Versuche in der Reihenfolge ihrer Durchf hrung angeord net sind Die geforderte Maximalzeit ist gestrichelt dargestellt In der Abbildung 81 wird deutlich dass die Segmentierzeit mit einer zunehmenden Anzahl von Versuchen abn mmt Die ser Effekt wird auf die Lernkurve des Arztes zur ckgef hrt der die Segmentierung vornimmt da der Arzt keine Vorkenntnisse mit dem Planungsmodul hatte Die erste Segmentierzeit s gt 5 min ist also dadurch bedingt dass der Arzt sich mit dem Planungsmodul vertraut machen musst In den nachfolgenden Versuchen konnten die beim ersten Mal gemachten Erfahrungen genutzt werden um die Segmentierung schneller durchzuf hren Zus tzlich kann der Arzt seine Fertig keiten mit weiteren Versuchen verbessern so dass mit zunehmender Anzahl von Planungen diese immer schneller durchgef hrt werden konnten Wird der erste Versuch als Lernversuch gewertet und nicht in die Berechnung des Mittelwerts Uso einbezogen dann betr gt dieser us2 4 20 min Der t Test siehe auch Kapitel 7 1 ergibt bei einer Irrtums
21. Abbildung 47 Dabei w rd der Abstand 8 Jistarittep k zwischen geplantem Implantat und Bohrer so gemessen dass er m Laufe des Bohrens sich nicht ver ndert 8 JiStaritttep k wird gemessen an der Knochenoberfl che die f r jedes Implantat vor dem eigentlichen Bohren be stimmt wird Diese Knochenoberfl che ist eine Ebene srf die um depth entlang der Z Achse des Implantatkoordinatensystems verschoben ist 22 Der Abstand zwischen dem Schnittpunkt s k 28 der Bohrerachse mit der XY Ebene der Knochenoberfl che und der Implantatachse ist 8 Jistarittep k Dieser Schnittpunkt wurde in 28 entsprechend den Formeln f r den Schnitt punkt einer Geraden mit einer Ebene bestimmt siehe Tabelle 3 20 f r Schnittpunkt zwischen Ebenen und Geraden aus Bronstein und Semendjajew 1997 srf z depth 0 22 Pau 0 0 1 If 23 pae ee 24 ee 25 n p 2 Pump KZ 26 spe Pettey k z depth se p lt Sn P arititep k z P writttep k x lw s k Din k y Mw 28 ae P witttep k z NW dist k YSck x 5ck y 23 4 4 Beobachter f r die Erkennung der Phasenwechsel In diesem Kapitel sind die Zustands berg nge t1 bis t14 beschrieben Dabei werden f r die einzelnen Bedingungen Grenzwerte verwendet die in diesem Kapitel als Parameter behandelt werden Auf die Wertigkeit dieser Parameter wird im Kapitel 10 3 des Anhangs eingegangen Die Aufgabe des Beobachters des Operationszustandes in der dentalen Imp
22. Arbeit beschrieben werden Da es sich als schwierig oder gar unm glich herausgestellt hat generelle Ans tze zur Verbesse rung der Behandlungsqualit t auf beliebige medizinische Problemstellungen anzuwenden kon zentriert sich diese Arbeit auf die kliniktaugliche Realisierung von Navigated Control f r die zwe genannte Eingriffe Die hochkomplexe menschliche Anatomie sowie die bei dem jeweili gen Eingriff betr chtlich variierende Vorgehensweise w hrend der Operation erfordern eine Anpassung einer jeden neuen Technologie an die Anforderungen des jeweils betrachteten medi zinischen Problems F r jeden Eingriff muss eine eigene hochoptimierte L sung ausgearbeitet werden In dieser Arbeit werden zwei verschiedene Eingriffe betrachtet um durch die Unter schiede in den Anforderungen und in der Realisierung die Notwendigkeit der spezifischen Be trachtung eines jeden einzelnen chirurgischen Eingriffs zu verdeutlichen Da beide Eingriffe am Kopf stattfinden und kn cherne Strukturen des Kopfes dabei ma geblich sind k nnen bei der Realisierung Synergieeffekte genutzt werden 1 1 Problemstellung aus medizinischer Sicht In dem nachfolgenden Kapiteln ist die Problemstellung aus medizinischer Sicht f r die dentale Implantologie und f r die Funktionale Endoskopische Sinuschirurgie dargestellt 1 1 1 Problemstellung dentale Implantologie Die dentale Implantologie befasst sich mit dem Einsetzen k nstlicher Zahnwurzeln dentale Implantate in
23. Bey k oe P aritttep k u Du k 1 z 4 1 79 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers Hank N S r k 42 2 Hz k Nan lt Ved mae vorsah 43 Der Zustandstibergang t12 zwischen Abbremsen und Bohren erfolgt wenn der Bohrervorschub verlangsamt wurde und die Bedingung 43 nicht mehr gilt Der Zustandsiibergang t13 zwischen Bohren bzw einem Unterzustand von Bohren und Heraus nehmen ist aktiv wenn der Arzt den Bohrer aus dem Knochen herauszieht Das Herausziehen wird daran erkannt dass bei 44 k Nui 43 das Vorzeichen umdreht und dass eine bestimmte Mindestgeschwindigkeit VZmin herausnehmen erreicht wird Hz k N a3 gt VZ 44 min_herausnehmen Der Zustands bergang t14 zwischen Herausnehmen und Bohren erfolgt wenn 44 nicht gilt 4 5 Regler Planer Der Regler Planer w hlt in Abh ngigkeit von dem aktuellen Operationszustand ein geeignetes Verhalten aus das hei t er aktiviert einen f r diesen Operationszustand optimierten untergeord neten Regler In dem vorliegenden Fall existiert eine klare Reihenfolge von Operationszust n den die w hrend einer Operation mit Navigated Control eines Bohrers bis zur Insertion der dentalen Implantate durchlaufen werden Die bei dieser Abfolge aktivierten Zustands berg nge bilden den Ablauf ab Im Wesentlichen erfolgt das in der Reihenfolge wie die Operationszu st nde in der Tabelle 7 aufgelistet sind durch bestimmte Aktionen des Chirurgen wie das
24. Die nachfolgende Erl uterung ber cksichtigt zun chst nicht verschiedene Stellungen der Shaverspitze die Shaverspitze kann durch den Arzt rotiert werden Auf die Ber cksichtigung der Rotation bei der auch die unteren sowie die seitlichen Voxel beeintr chtigt werden k nnen wird weiter unten eingegangen die nachfolgende Erl uterung wird zun chst f r die in Abbildung 67 dargestellte Shaverstellung durchgef hrt Die bei dieser Shaverstellung ma gebl chen Voxel a j siehe Abbildung 68 links bilden die Menge Y 80 Aus den Positionen dieser Voxel relativ zur Shaverspitze wird eine Vektormenge K 83 berechnet Die darin beinhalteten Vektoren speichern die Position p des jeweiligen Voxels vx im Koordinatensystem der als Punkt modellierten Shaverspitze Daf r wird die Funktion vp vx 81 benutzt die die Position eines Voxels im Koordinatensystem der Shaverspitze berechnet Die Funktion vp vx ist die Inverse von vp vx Die Vektormenge K beinhaltet die f r die Arbeitsraumverkleinerung ben tigten Korrekturvektoren Y f a j 80 vp vx shaverTcp P 8 1 102 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers vp shaverTcp p yx 82 K vp vx IVvxe 83 Abbildung 68 F r die Verkleinerung der Arbeitsraums wird die Shaverspitzengeometrie quantisiert be trachtet Die Quantisierung ist durch die Aufl sung des Arbeitsraums vorgegeben Aus den relativ zur Shaverspitze angeordneten durch die abtragen
25. He rausnehmen des Bohrers werden jedoch einige untergeordnete Regler in Schleifen mehrmals ausgef hrt Der Regler Planer schl gt zu jedem vom Beobachter aktuell gemeldeten Zustand in einer Nach schlagetabelle nach welches das dazugeh rige Verhalten bzw der untergeordneter Regler ist Die untergeordneten Regler sind so implementiert dass ihre Ausf hrung n der oben genannten normalen Reihenfolge der Zustands berg nge zum Erreichen des Ziels f hrt 4 6 Untergeordnete Regler In diesem Kapitel sind die untergeordneten Regler rl bis r9 beschrieben Dabei werden f r die einzelnen Bedingungen der Leistungssteuerung Grenzwerte verwendet die in diesem Kapitel als Parameter behandelt werden Auf die Wertigkeit dieser Parameter wird im Kapitel 10 4 des Anhangs eingegangen Die untergeordneten Regler bestimmen die maximale Leistung des Bohrers in Abh ngigkeit von der aktuellen Bohrerlage 8T a itttep k Au erdem bestimmen sie eine geeignete Visualisierung des Abstandes zwischen Soll und Istbohrerlage und stellen diesen Abstand geeignet dar Die untergeordneten Regler m ssen nicht die einzelnen Operationsphasen des chirurgischen Ein griffs ber cksichtigen da jeder Regler f r eine bestimmte Operationsphase optimiert wurde und vom Regler Planer nur w hrend dieser Operationsphase aktiviert wird Die untergeordneten Regler ermitteln den mehrdimensionalen Vektor y k Dieser Vektor y k besteht aus dem Vektor vis k und dem Skalar Pmax k
26. K rper der 6 Titanmarker in bekannter Geometrie enth lt In der dentalen Implantologie wird der Navigationsbogen mit einer patientenindividuellen Bissschiene verklebt Durch das Vorhandensein einer Passung f r den Navigationsbogen im Phantom siehe Abbildung 78 links ist keine Bissschiene notwendig der Navigationsbogen kann direkt verwendet werden Abbildung 78 Links ist ein aus einem Schnellgie harz hergestellter Phantom dargestellt der rechts darge stellte Navigationsbogen mit 6 Titanmarkern der f r die bissschienenbasierte Patientenregistrierung an einer Bissschiene befestigt wird kann direkt in der vorgesehenen Aussparung im Phantomkiefer befestigt werden F r das Experiment wurden insgesamt 9 Phantomkiefer angefertigt Es wurde ein axialer CT Datensatz mit 1 mm Schichtabstand von einem Phantom mit eingelegtem Navigationsbogen erstellt In der RoboDent Planungssoftware wurden auf der rechten und auf der linken Seite des Phantoms je 5 Implantate geplant siehe Abbildung 79 mitte W hrend des Experiments wurden die Phantomkiefern in einer Phantompuppe Patientensimulator der Fa KaVo befestigt die 119 Experimente Phantompuppe wurde auf einem OP Tisch entsprechend der intraoperativen Lage eines Patien ten positioniert siehe Abbildung 79 rechts m z eee ee mm Abbildung 79 Links sind die bei der Auswertung ber cksichtigten Kennwerte Ah horizontale Abweichung Av vertikale Abweichung Aa W
27. Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten in der Kopf Chirurgie Kalibrierung beliebiger Shaverspitzen w rde den Einsatz beliebig gekr mmter Shaverspitzen erm glichen Allerdings werden in der klinischen Routine vor allem gerade 3 mm Shaverspitzen eingesetzt Aus diesem Grund wird die Leistungssteuerung des Shavers auf sie eingeschr nkt Automatische Eingriffsdokumentation dokumentiert die Lage des Bohrers bzw des Shavers relativ zum Implantat bzw zum Arbeitsraum Diese Dokumentation erm glicht die postoperati ve Auswertung der Genauigkeit der durchgef hrten Bohrung bzw des abgetragenen Materials Au erdem kann durch die Eingriffsdokumentation die intraoperative Benutzung der Instrumente Anzahl der Instrumentenwechsel die Dauer der Benutzung der Instrumente die Geschwindig keit der Instrumentenbewegung ausgewertet werden 3 3 Benutzungsablauf In diesem Kapitel wird der Ablauf der Benutzung des Systems mit Navigated Control f r chirur gische Instrumente n der Kopf Chirurgie beschrieben Das System erm glicht den Einsatz eines Bohrers f r die dentale Implantologie sowie eines Shavers f r die FESS mit Navigated Control Bei beiden Eingriffen wurde das System so konzipiert und realisiert dass sich die Benutzung von Navigated Control nahtlos in den traditionellen Behandlungsablauf eingliedert Diese An forderung und die Gegen berstellung beider Abl ufe siehe Kapitel 2 1 ergeben die folgenden Unterschiede bei der Benutzung
28. allerdings s gnifikant h her schlechter was sich auch in deutlich niedrigerem Mini mum bemerkbar macht Eine m gliche Erkl rung ist dass der Arzt beim Bohren teilweise eine zu hohe Vorschubgeschwindigkeit entwickelt hat Wird die gew nschte Tiefe erreicht dann wird der Bohrer zwar abgeschaltet Allerdings hat der Bohrer einen Nachlauf wodurch bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten weiteres Vordringen ber die Zieltiefe hinaus ist Im n chs ten Experiment siehe Kapitel 7 2 wird ausgewertet inwiefern die Begrenzung des Vorschubs beim Bohren zu besseren Ergebnisse in der Tiefengenauigkeit f hrt F r die Horizontal und Winkelabweichungen Ah und Aq zeigt sich auf der anderen Seite auch schon unter Laborbedingungen der Trend zu besseren Ergebnissen beim Bohren mit Navigated Control S mtliche mittleren Abweichungen Standardabweichungen und Extremwerte sind f r Ah und Aa besser mit Navigated Control Der Unterschied ist zwar nicht signifikant mit Irr tumswahrscheinlichkeit von 5 nach dem t bzw dem f Test Die Tatsache dass alle Kennwerte Mittelwerte Standardabweichungen Extremwerte vom Bohren mit Navigated Control besser sind spricht daf r dass lediglich die durchgef hrte Anzahl der Bohrungen N 30 zu gering f r die statistisch sichere Feststellung von dieser geringen aber wahrscheinlich vorhandener Ver besserung ist Es spricht auch daf r dass die Verwendung von Navigated Control prinzipbedingt zu besseren Ergebnissen f hr
29. beim Bohren mit Navigated Control erfolgte mit dem System zur Navigated Control f r die dentale Implantologie Die Vorschubkontrolle der untergeordneten Regler r8 siehe Kapitel 4 6 wurde ausgeschaltet Getrennt davon wurde ein Experiment zur Tiefengenauigkeit mit eingeschalteter Vorschubkontrolle durchgef hrt dadurch konnte der Einfluss der Vorschubkontrolle ausgewertet werden 120 Experimente 7 1 3 Messung Die Messung der Bohrabweichungen erfolgte mit der in der Navigationssoftware integrierten Messfunktion Diese Messfunktion loggt tiefenabh ngig die Abweichung der Position und der Ausrichtung der Bohrerspitze von dem n chsten Implantat Die Daten wurden bei sichtbarem Patienten und der Instrumententracker geloggt und wenn die horizontale Entfernung Ah des Bohrers nicht Ahm 5 mm berstieg Die Daten wurden anschlie end in Matlab eingelesen Unter der Benutzung der Formeln 94 bis 96 wurden die ben tigten Durchschnitts und Streukennwerte errechnet Ferner wurden die Extremwerte max und min bestimmt Die horizontale Ah und die Winkelabweichung Aa werden nicht negativ hier wurde nur der Maximalwert berechnet Bei der vertikalen Abweichung Av wurde sowohl das Minimum als auch das Maximum bestimmt bei Av lt 0 wurde die geplante Bohrtiefe berschritten bei Av gt 0 wurde die geplante Bohrtiefe nicht erreicht 7 1 4 Ergebnisse Die Ergebnisse des Experiments sind in der Tabelle 12 zusammengefasst Bei der Freihandbohrung
30. da der Flankenwechsel auch nicht erfolgt wenn das Steuerprogramm oder der PC ausfallen A4 Diese Aktion ist durch Hardware implementiert A5 Mit dem Spannungsumwandler kann gemessen werden ob der Instrumentenmotor an getrieben wird Sollte das Instrument ausgeschaltet sein und wird der Motor angetrie ben dann war die Abschaltung nicht erfolgreich In diesem Fall wird ber den Watchdog die chirurgische Einheit abgeschaltet A6 Wie AS AT Wie Al A8 Wie A2 A9 Diese Aktion ist durch Hardware implementiert A10 Das f nfte Byte der Befehle ist eine durch XOR der vier ersten Bytes gebildete Check summe Hintereinander ankommende fehlerhafte Befehle werden gez hlt und verwor 113 Realisierung der Sicherheitsarchitektur All A12 fene Durch das Verwerfen fehlerhafter Befehle wird das Instrument nicht durch un g ltige Befehle eingeschaltet wenn es ausgeschaltet sein soll Vor jedem Befehl wird ein O Byte geschickt Die Befehle sind so kodiert dass sie kei ne 0 Bytes enthalten Dadurch kann der Beginn des Befehls au er bei fehlerhaften Be fehlen immer erkannt werden Fehlerhafte Befehle werden jedoch durch die Aktion All erkannt F r die Synchronisation werden alle ankommenden Bytes verworfen bis ein O Byte empfangen wird In jeden Regelzyklus der Leistungsteuerung wird ein neu er Befehl gesendet Soll das Instrument also mehrere Zyklen lang ausgeschaltet sein so wird n jedem Zyklus der Befehl zum Ausschalt
31. der Entfernung j 8 Jistariutep k der Bohrerspitze von der Implantatachse siehe Abbildung 46 der Abweichung des Winkels i 8 aritttep k zwischen der Bohrerachse und der Implantatachse sowie der Tiefe 8i dentharittep k der Bohrerspitze Unter schreiten diese Parameter vorgegebene Grenzen dann wird die Bohrerlage als korrekt bewertet Diese Abweichungen werden visuell dargestellt und der Arzt versucht die einzelnen Abwei chungen zu minimieren ee k lt dist AN D TO iene k lt Q nax AN D dis FrittTep k dep Max 21 DrillAxis I og riltTep ktn Eu ImplantAxis 77 ImplantAxis I A war I J w d trg Itana nlkj e i drilttep k iu d A d I trg_ir k a Ep drillTep K N J I o 5 9 deptharitttep k i i t9 ideptharirreplken e X fo aa E trg idist k n u tg i I distgrillTcp K OlstdrillTcp 7 F Abbildung 46 Eine fortschrittsabh ngige Metrik f r die Bohrerfreigabe kann dazu f hren dass nach dem initial korrekten Positionieren und Ausrichten des Bohrers dieser im Knochen abgeschaltet wird weil sich der Abstand zwischen Bohrerspitze und Implantatachse durch den initialen Winkelfehler vergr ert hat Allerdings kann diese einfache Metrik zu einem Problem f hren Das Problem ist in der Abbildung 46 dargestellt Der Arzt kann den Bohrer auf dem Knochen so positionieren dass entsprechend der oben beschriebenen Metrik die Bohrerlage korrekt ist die Entfernung 8 Ji tar
32. des Bohrers Gleichzeitig ist durch das Prinzip von Navigated Control sichergestellt dass grobe Schnitzer mit Abweichungen die die in Laborbedingungen ermittelten Maximalwerte deutlich bersteigen prinzipiell nicht m glich sind 7 3 Klinischer Einsatz von Navigated Control f r die dentale Implantologie Das in dieser Arbeit beschriebene System f r die dentalen Implantologie wurde an der Klinik f r Mund Kiefer und Gesichtschirurgie der Charit Campus Virchow eingesetzt Dabei wurden die folgenden in der Zielsetzung der Arbeit bereits festgelegten Fragestellungen ausgewertet e Ver ndert das System den klinischen Ablauf Wenn ja behindert die Ver nderung den Arzt e Wird die Dauer der OP durch den Einsatz des Systems verl ngert e Frfordert der Einsatz des Systems einen h heren Personalbedarf e Fignet sich die Ergonomie des Systems f r den klinischen Einsatz Da das von dem System benutzte Navigationsmodul ein Logging Tool beinhaltet wurde zus tz lich die von dem System aufgezeichnete Bohrgenauigkeit ausgewertet siehe Kapitel 7 1 Als Gold Standard wurde ein navigierter Eingriff betrachtet 7 3 1 Durchf hrung In diesem Experiment wird die klinische Eignung von Navigated Control f r d e dentale Implan tologie an drei Patienten untersucht Andere durchgef hrten Eingriffe werden nicht in die Aus wertung mit einbezogen da d e Vergleichbarkeit der einzelnen F lle wegen unterschiedlicher Auspr gung des System
33. die HNO Navigation darge stellt Die Patientenregistrierung erm glicht die Berechnung der Lage eines intraoperativ benutzten Instruments relativ zu den pr operativen radiologischen Daten W hrend des Eingriffs misst das Positionsmesssystem die intraoperative Lage der Instrumente relativ zur intraoperativen Lage des Patienten Die Patientenregistrierung ist die Koordinatentransformation cs oe ee ZWI schen der Patientenlage w hrend der pr operativen radiologischen Bildgebung und der intraope 18 Stand der Technik rativen Patientenlage Diese Koordinatentransformation erm glicht die Darstellung der intraope rat ven Instrumentenlage in den pr operativen radiologischen Daten siehe Abbildung 14 Die Patientenregistrierung wird bestimmt aus den Positionen gleicher Merkmale in den pr operati ven CT Daten und intraoperativ am Patienten Eine M glichkeit ist die Einbringung von zus tz lichen einfach detektierbaren Merkmalen wie Bleikugeln oder Titanmarkern in die CT Daten die sowohl in den Bilddaten als auch intraoperativ vermessen werden Das Einbringen der Blei kugeln oder von Titanmarkern erfordert jedoch zus tzlichen logistischen Aufwand der nicht bei jedem chirurgischen Eingriff gerechtfertigt ist Die Details der Patientenregistrierung sind weiter unten im Kapitel 2 3 2 vorgestellt Ca MT Tool PatTracker Tool Lam mat Patlracker img PatTracker ImgT Tool Abbildung 14 Bei der Patient
34. die Kieferknochen zur sp teren Verankerung von k nstlichem Zahnersatz Die Implantate erm glichen es Patienten mit Einzelzahnverlust mit Verlust von Backenz hnen einer Seite Freiendsituation mit Zahnverlust bei zahnbegrenzten L cken Schaltl cke sowie mit Verlust vieler Z hne mit Zahnersatz zu versorgen Vor allem aber erm glicht die dentale Implantologie sehr erfolgreiche Versorgung von zahnlosen Patienten mit festsitzendem Zahner satz Ada 2004 Der Zahnersatz wird dabei auf Implantaten fixiert die die Funktion von k nst lichen Zahnwurzeln mit einem Durchmesser von 3 bis 7 5 mm und einer L nge von 6 18 mm bernehmen Die h ufigste L nge liegt zwischen 10 und 15 mm Koeck und Wagner 2004 Nach erfolgter Einheilung Osseointegration bieten die dentalen Implantate die M glichkeit zur Verankerung von individuell gefertigten Suprakonstruktionen Tetsch und Tetsch 2001 sowie Koeck und Wagner 2004 Als Alternative k nnen z B bei partiellem Zahnverlust Br cken verwendet werden Dabe wer den die k nstlichen Z hne zwischen gesunden noch vorhandenen Nachbarz hnen befestigt Daf r m ssen jedoch die gesunden Z hne abgeschliffen werden so dass die Br cke daran fest fixiert werden kann Bei totalem Zahnverlust werden die Totalzahnprothesen eingesetzt die vor allem durch Druck und Saugkr fte gehalten werden Diese Befestigung ist jedoch wegen der geringen Auflagerungsfl che und der nur eingeschr nkt wirksam werdend
35. die entweder die Wahrscheinlichkeit oder die Konsequenzen des Risikos verringert Die Postanalyse gibt an welche Auftretenswahr scheinlichkeit oder welche Konsequenz das R s ko nach der Anwendung der Aktion hat Die relevanten Risiken RI R9 sind in der Tabelle 10 neben den dazugeh rigen Aktionen Al A13 und der Postanalyse aufgelistet Bei der Realisierung des Steuerprogramms wurden alle in Software realisierten Aktionen be r cksichtigt Die durch Hardware realisierten Aktionen sind grau markiert Die folgende Aufz h lung beschreibt die Details der Realisierung f r die einzelnen Risiken Al Sobald das Steuerprogramm startet f ngt es an den Befehl Lebenszeichen an das Navigationssystem zu senden Empf ngt das Navigationssystem dieses Signal nicht nach dem Starten des Navigationsmoduls dann wird eine Warnung ausgegeben siehe Abbildung 77 und die Navigation ist nicht m glich ohne dass der Arzt diese War nung explizit auf eigene Gefahr best tigt A2 Der Watchdog unterbricht die Spannungsversorgung an der die chirurgische Einheit angeschlossen ist falls nicht ein Signal mit st ndigem Flankenwechsel am Watchdog anl egt Der Flankenwechsel vom Steuerprogramm nur nach dem Empfang eines nicht fehlerhaften Befehls initiiert Bei einem Ausfall des Navigationssystems werden keine g ltigen Nachrichten empfangen in diesem Fall gibt es keinen Flankenwechsel am Watchdog und die chirurgische Einheit wird ausgeschaltet A3 Wie A2
36. entlang der Z Achse eines Implantatkoordinatensystems gemessen und die Bewegungsge schwindigkeit bezeichnet die Geschwindigkeit einer beliebigen Bewegung entlang aller m gli chen Achsen m Implantatkoordinatensystem Der Zustand bergang t1 wird aktiv wenn sich die Bohrerspitze in der N he eines geplanten Implantats befindet Ferner m ssen der Bohrer und der Patient sichtbar und der Bohrer kal briert und registriert sein 30 Das System wechselt n den Zustand Bohrer neben Implantat i des zur 75 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers Bohrerspitze n chsten geplanten Implantats i Die N he der Bohrerspitze zu einer geplanten Implantatposition wird also durch die Entfernung 8 Ji tarittep k 31 zwischen der Implantat achse des geplanten Implantats i und der Bohrerspitze und die Bedingung 32 bestimmt siehe Abbildung 49 links Tabelle 5 Die Tabelle f hrt alle Zustands berg nge zwischen den Operationszust nden die durch den Beobachter in der dentalen Implantologie detektiert werden m ssen auf Name des Zustands Wechsel vom 2 Wechsel in Zustand Bedingung Erkannte Bewegung bergangs Zustand Bohrer ist sichtbar AND Patient ist sichtbar AND Bohrer ist kalibriert AND Bohrer ist registriert AND Bohrerspitze in N he des Implantats 1 Bohrer ist unsichtbar OR Patient ist unsichtbar OR Positionierung neben Bohrerposition Bohrer neben Implantat 1 ung ltig Implantat P Bohrerposition B
37. genannt bei dem die Achse des Shaverschaftes relativ zum In strumententracker bestimmt wird Diese Achse wird durch die Z Achse der Kalibriermatrix shaverTrackern bestimmt Die X und die Y Achse von N Werner k nnen beliebig ge w hlt werden da die Shaverspitze rotationssymmetrisch ist Sie werden so gew hlt dass sich ein Rechtssystem ergibt Bei der Registrierung wird die genaue Position der Shaverspitze auf dieser Achse bestimmt sowie eine berpr fung der Kalibriermatrix durchgef hrt Diese Position wird durch den Skalar Peg bestimmt Die Gesamttransformation setzt sich wie in 60 zusammen 94 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers 1 0 0 0 0100 shaverTracker Tee ee dee 0 0 1 Pe 0 0 0 1 mr Die Kalibrierung ver ndert sich wenn sich der Verlauf der Achse des Shaverschaftes relativ zum Shavertracker ver ndert Eine hohe Ver nderung tritt ein wenn z B statt eines geraden ein abgebogener Shaverschaft verwendet wird Eine geringe Abweichung kann z B durch eine geringf gige Ver nderung der Position des Shavertrackers auf dem Shaver auftreten z B infol ge einer h ufigen Montage und Demontage der Trackerhalterung siehe Kapitel 5 2 1 Die Kalibrierung kann automatisch oder manuell durchgef hrt werden Die automatische Kalibrie rung kann bei geringer Abweichung erfolgen Eine manuelle Kal brierung kann bei hoher Ab weichung erfolgen Die manuelle Kalibrierung erfolgt im Fall einer hohen Ver nderung der Sh
38. in das Navigationssystem integriert Das Fu pedal beinhaltet einen Schalter der das Wechseln zwischen den beiden Zust nden Bohren mit Navigated Control und Bohren ohne Navigated Control erm glicht Alle anderen Zustands berg nge erfolgen zwischen Zust nden die bei Umsetzen einer CT gest tzten Planung erreicht werden Die Zustands berg nge werden aus dem aktuell durch den Regler Planer aktivierten Regler und aus den Bewegungen des Bohrers relativ zu den Implanta ten siehe Abbildung 48 rechts erkannt Die nachfolgende Tabelle 5 definiert die Bewegungen des Bohrers auf deren Grundlage die Zustands berg nge erkannt werden Die Bedingungen sind in der Tabelle 5 umschrieben und im nachfolgenden Text genau beschrieben F r die Feststellung eines Zustand bergangs wird die Lage des Bohrers ST yintep k relativ zu den geplanten Implantaten 0 bis N 1 ausgewertet siehe Abbildung 48 rechts Der Ursprung des Koordinatensystems liegt in der Implantatspitze und die Z Achse verl ut entlang der Implantat achse Ein Zustands bergang wird detektiert wenn die f r den aktuellen Zustand ma gebenden Grenzwerte berschritten sind Es wird zwischen statischen und dynamischen Grenzwerten unterschieden Statische Grenzwerte sind Winkelabweichungen und Abst nde s ehe Abbildung 49 dynamische Grenzwerte sind Vorschubgeschwindigkeiten und Bewegungsgeschwindigkei ten der Bohrerspitze Die Vorschubgeschwindigkeit einer Bewegung der Bohrerspitze wird
39. in diesem Kapitel beschriebene Trackerhalterung im Vergleich zu den beiden prinzipielle Befestigungsarten die im Kapitel 3 5 4 beschrieben wurden Wie in der Abbildung 58 zeigt sich hier dass die Trackerhalterung eine hnlich hohe Genauigkeit erm glicht wie die direkte Befestigung des Trackers an der Shaverspitze i an Lan 2 ee ee te as Tracker an Shaverspitze 301 Die Fertigung des Aufsteckk rpers aus Titan ohne komplexe Hinterschneidungen und nur mit Bohrungen deren Gr e 2 mm nicht unterschreitet erm glicht eine einfache Autoklavierbarkeit Ein weiterer Vorteil ist die einfache M glichkeit s mtliche Komponenten der Trackerhalterung vor dem Autoklavieren vom Shaver schnell und ohne zus tzliche Werkzeuge w e Schrauben schl ssel abmontieren zu k nnen Dadurch wird die Autoklavierbarkeit des Shavers durch die zus tzlichen am Shaver befestigten Komponenten nicht beeinflusst und muss nicht erneut unter sucht werden Die seitliche Anordnung des Trackers ist optimal auf den Arbeitsraum des Chirurgen abge stimmt siehe Abbildung 59 Ein Rechtsh nder h lt den Shaver derart dass die linke Hand das Endoskop vor dem Shaver h lt Der Raum rechts neben dem Shaver ist hingegen frei und wird w hrend des gesamten Eingriffs nicht verdeckt Der Arzt h lt den Shaver leicht angewinkelt siehe Abbildung 59 links Die angewinkelte Shaverhaltung wurde bei der Konstruktion der Trackerhalterung ber cksichtigt siehe Abbildung 59
40. max 1 07 1 78 m e ee Im nachfolgenden Text werden zun chst die oben gestellten Fragen beantwortet Ver ndert das System den klinischen Ablauf Wenn ja behindert die Ver nderung den Arzt Ja das System ver ndert den klinischen Ablauf da z B der neue Schritt der Knochenre gistrierung erforderlich ist Allerdings behindert keine der geringen Ver nderungen des klini schen Ablaufs den Arzt Die Operateure haben stets angegeben dass sie mit dem System sehr zufrieden waren 126 Experimente Wird die Dauer der OP durch den Einsatz des Systems verl ngert Die Auswirkung auf die Dauer der OP scheint OP spezifisch zu sein bei einigen Eingriffen w re eine schnellere Durch f hrung m glich bei anderen nicht Hier muss ber cksichtigt werden dass als Alternative 1m mer die reine Navigation als Gold Standard betrachtet wurde In vielen ist F llen eine manuelle Insertion ohne intraoperative Ass stenz und somit mit Verzicht auf zus tzliche Patientensicher heit durch Navigated Control schneller m glich Erfordert der Einsatz des Systems einen h heren Personalbedarf Bei den durchgef hrten Eingriffen wurde kein zus tzliches Personal ben tigt Das Systemkonzept sieht kein zus tzliches Personal vor Eignet sich die Ergonomie des Systems f r den klinischen Einsatz Ja die Ergonomie eignet sich f r den klinischen Einsatz Die Operateure haben sich stets zufrieden mit dem Operations ergebnis gezeigt es gab keine Probleme die au
41. nnen alle auch die durch das Spiel des Shaverschafts im Shavergriff Teil B bedingten Bewegungen der Shaverspitze durch das Positionsmesssystem gemessen werden Tracker am Griff Trackerhalterung Tracker an Shaverspitze N N N 0 2 X mm X mm X mm Tracker am Griff Trackerhalterung Tracker an Shaverspitze Y mm Y mm Abbildung 58 Bei der Wiederholung der Messung vom Kapitel 3 5 4 zeigt sich dass die realisierte Tra ckerhalterung in der Mitte dargestellt eine ebenso hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Shaverspit zenposition wie eine starre Befestigung des Instrumententrackers am Shaverschaft erm glicht In den Abbildungen sind die relativen Abweichungen der gemessenen Positionen der Shaverspitze dargestellt w hrend die Shaverspitze festgehalten und der Griff ohne gro en Kraftaufwand bewegt wurde Die Wiederholung der Messung aus dem Kapitel 3 5 4 f hrt zu Ergebnissen die in Abbildung 58 und der dazugeh rigen Tabelle 8 dargestellt sind Die erreichte Genauigkeit liegt im gleichen Bereich wie eine feste Verbindung zwischen Shaver und Shavertracker bezeichnet als Tracker 92 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers an Shaverspitze in Abbildung 58 und Tabelle 8 Mit der beschriebenen Trackerhalterung wurde also die mit diesem Aufbau h chst m gliche Genauigkeit erreicht Tabelle 8 Diese Tabelle stellt die gemessenen Standardabweichungen der Positionen der Shaverspitze f r die
42. nnen auch axiale CT Schnittbildern verwendet werden bei denen die koronare Darstellung berechnet wird Hosemann et al 2000 Zus tzlichen zur radiologischen Bildgebung wird eine pr operative 13 Stand der Technik endoskopische Untersuchung durchgef hrt In einigen F llen ist zus tzlich die MR Bildgebung von Nutzen Hosemann et al 2000 W hrend der Behandlung wird meist ein 4 mm Endoskop oder ein Videoendoskop mit einer 0 Optik benutzt Das entz ndete Gewebe wird traditionell mit einer Blackesley Zange entfernt Es ist auch der Einsatz eines Shavers m glich Ein Shaver ist ein gewebeabtragendes Instrument der durch eine rotierende Bewegung der scharfen hohlen Spitze Weichgewebe sowie d nne Knochen schneidet und absaugt Die ca 5 mm lange Spitze ist einseitig offen und tr gt Gewebe von dieser Seite ab Die ffnung kann durch den Zeigefinger rotiert werden siehe Abbildung 8 Die Haltung des Shavers sowie des Endoskops durch den Operateur ist in der Abbildung 9 dar gestellt in der rechten Hand ist der Shaver in der linken Hand befindet sich das Endoskop Der Operateur orientiert sich bei der Vorgehensweise an anatomischen Landmarken z B an der Position der Nasenmuschel Die Steuerung des Shavers erfolgt ber ein Fu pedal Stammberger 2004 Schwenzer et al 2000 Abbildung 9 Intraoperativ wird der Shaver in seiner gesamten L nge eingesetzt Der Chirurg neigt den Shaver um verschiedene anatomischen Regionen zu e
43. oder on Sat chronisation zum beliebigen Zeitpunkt die Bytereihenfolge der Der Shaver kann nicht bei fehlerhaf tem System einge Befehle werden bei der seriellen Kommunikation Werden mehrere falsche Befehle empfangen beeintr chtigt A12 dann wird die chirurgische Einheit abgeschal setzt werden keine tet Patientengefahr vorhanden Das Steuerprogramm wird auf dem PC der Steuerelektronik ausgef hrt Es wird automatisch nach dem Einschalten des PCs gestartet Als Betriebssystem wird DOS verwendet das die einfa 112 Realisierung der Sicherheitsarchitektur chen Anforderungen des ausgef hrten Programms erf llt und gleichzeitig geringe Anforderun gen an die Hardware und geringe Bootzeit hat Die Aufgabe des Steuerprogramms ist es Befehle des Navigationssystems umzusetzen so dass die Invariante erf llt ist Die Invariante sagt aus dass im Normalbetrieb die Leistung des Shavers ein Minimum der am Fu pedal eingestellten Leistung und der vom Navigationssystem bermittelten Leistung ist Andernfalls muss eine Warnung ausgegeben werden und die chirurgische Einheit muss ausgeschaltet werden Im Rahmen der dieser Arbeit wurde eine Risikoanalyse durchgef hrt um die m glichen Risiken bei der Leistungssteuerung zu identifizieren Aufgrund der Auftretenswahrscheinlichkeit und der Konsequenzen wurden relevante Risiken identifiziert die besondere Ma nahme am System erfordern Zu jedem solchen Risiko gibt es eine Aktion
44. oder teilweise aus schlossen ist Navigation ist nicht m glich Das Steuerprogramm f llt ganz oder teilweise aus s ausf llt Die Wahrschein iin Reihe geschaltete Relai S werden Zwei IN KEINE SESCNAILELE Kelals lichkeit des Aus verwendet um die Wahrscheinlichkeit eines Eine Abschaltung des falls wurde Ausfalls zu verringern Shavers durch das Relais ist verkleinert nicht mehr m glich Wird bei ausgeschaltetem Shaver Motorstrom gemessen dann wird die chirurgische Einheit abgeschaltet Das Fu pedal wird vorbei J En secant Wird bei ausgeschaltetem Shaver Motorstrom Der Shaver kann an der Steuerelektroni A6 gemessen dann wird die chirurgische Einheit nicht bei fehlerhaf direkt mit der chirurgischen abgeschaltet tem System einge Einheit verbunden setzt werden keine Das Navigationssystem gibt eine Warnung Patientengefahr aus falls die Kommunikation ausf llt die vorhanden Navigation ist nicht m glich Das serielle Kabel zwischen Die chirurgische Einheit wird abgeschaltet dem Navigationssystem falls die Kommunikation ausf llt und der Steuerelektronik wird besch digt Es werden robuste Metallanschl sse anstatt normaler 9 poliger serieller Verbindung Die Wahrschein lichkeit des Aus A10 Die Befehle enthalten eine Checksumme die falls wurde fehlerhafte Befehle erkennen l sst verkleinert Die Kommunikation erm glicht eine Syn verwendet Einzelne Bits Bytes
45. pr operativen Planung H lsen eingebracht werden siehe Abbildung 18 Die Schablone wird intraoperativ auf dem Kieferknochen befestigt und d e H lsen f hren die Boh rer so dass die Bohrung entsprechend dem pr operativen Plan erfolgt Die Schablonen werden entweder auf der Mundschleimhaut auf den Z hnen oder auf dem Knochen platziert Die Plat zierung der Stereolithographie Bohrschablonen auf der Mundschleimhaut oder auf den Z hnen f hrt zu einem schlechteren Sitz als die knochenplatzierte Variante Die knochenplatzierte Vari ante setzt allerdings das we tr umige Aufklappen der Schleimhaut voraus Da die Fertigung der Stereolithographie Schablonen nicht in der Klinik sondern beim Hersteller Materialise erfolgt ist stets mit zus tzlichem logistischem Aufwand und m glichen Problemen wie Fehllieferungen zu rechnen Die Genauigkeit der Schablonentechnik wird mit besser als mm angegeben Meh rere Verfahren und Systeme f r Bohrschablonen sind in Form von Patentschriften offen gelegt Pezeshkian 1995 Weissmann 1981 Cordils 1996 sowie Palacci 1997 Abbildung 18 Eine auf dem Stereolitographiemodell links und im Patientenmund mitte und rechts angebrachte Bohrschablone Stereotaktische Rahmen werden in der Neurochirurgie benutzt Sie werden hier aufgefiihrt da sie zu den ltesten Assistenzsystemen zur Positionierung und F hrung von chirurgischen In strumenten geh ren Dabei wird meist ein Halb oder Vollring fest mit dem Kop
46. r Knochenaugmentierung Da es hierf r keine Planung und keine Unterst tzung durch Navigated Control gibt muss der sterile Arzt den Bohrer und somit die Unterst tzung durch Navigated Control auf eine einfache Weise ausschalten k nnen Bei FESS hingegen wird der Eingriff auch in der Schlussphase mit Navigated Control durchgef hrt Der gesamte Benutzungsablauf st in der Abbildung 21 dargestellt 36 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten n der Kopf Chirurgie dentale Implantologie Funktionale Endoskopische Sinuschirurgie Dentales CT mit Bissschiene und evtl OPG NNH CT mit Bissschiene Vorbereitung Planen der Implantate mit dem Planungs system der Fa RoboDent Segmentierung des Arbeitsraums f r FESS Chirurgische Planung Vorbereitung des OP Gebiets ohne Navigated Control Gl ttung des Alveolar kamms etc Bohren mit Navigated Control Ankommer Leistungsgesteuertes Y i navigiertes Abtragen Bohren der Fu von Polypen Ausrichtung mit dem Shaver Herausnehmen des Bohrers i om i LLI i U L 1 m ey Rt lt x J Nachbereitung des OP Gebiets ohne Navigated Control Augmentation etc Abbildung 21 Der Benutzungsablauf von Navigated Control in der dentalen Implantologie links ist kom plexer als der f r FESS rechts und umfasst mehr intraoperative Behandlungsschritte 3 3 1 Benutzungsablauf in der dentalen Implantologie Die Leistungssteuerung des B
47. und anschlie end mit Vorschubbegrenzung durchgef hrt Bei den Messungen wurde absichtlich darauf geachtet dass die Bohrung sehr schnell erfolgt um einen gro en Fehler zu provozieren Dabei wurde am Fu pedal die maximale Instrumentenleistung eingestellt Tiefe der Bohrerspitze relativ zum Implantat Vorschubgeschwindigkeit mm sample 10 fach vergr ert Leistung 10 fach verkleinert J Abschnitt A Abschnitt C Abschnitt E Abschnitt B Abschnitt D x A a m m i mm m Sn M m ee 10 Leistung 10 fach vergr ert D r 5 Ren em Fa a u na dns u ur Sires i 1 ea a a ea tg eh eee _ _ os Wen me ein a pen nn nn m nn an ae mn nn Tiefe mm Vorschubgescwindigkeit mm sample 10 fach vegr ert 0 50 100 150 200 250 300 350 400 sample Nr Samplefrequenz ist 20Hz Abbildung 44 Wird bei Navigated Control der Bohrvorschub nicht beachtet dann kann ber die geplante Tiefe hinaus gebohrt werden Im Abschnitt A k rnt der Arzt an im Abschnitt B muss der Bohrer nach dem Ank rnen ausgerichtet werden im Abschnitt C bohrt der Arzt in die Tiefe Im Abschnitt D wird der Bohrer beim Erreichen der Zieltiefe abgeschaltet l uft jedoch nach was zu weiterem Bohren in den Knochen f hrt Im Abschnitt E wird der Bohrer herausgenommen Wird der Bohrer bei zu hoher Geschwindigkeit nicht abgebremst dann kann durch das Nach laufverhalten des Bohrers die gepl
48. von Navigated Control fiir die dentale Implantologie und fiir FESS e Im Gegensatz zu dem dentalen Implantieren wird die Ausr umung der Polypen bei ei nem FESS Eingriff normalerweise nicht genau festgelegt und geplant Bei FESS ist des halb die Einf hrung eines neuen Schritts einer pr operativen computergest tzten Planung des Arbeitsraums notwendig Beim dentalen Implantieren geh rt die Planung zu einer Standardvorgehensweise dazu e F r die Planung von Implantaten wird die Planungssoftware der Firma RoboDent GmbH verwendet da sie eine benutzerfreundliche Planung sowie die Bissschienen Patientenregistrierung erm glicht F r die Planung des FESS Eingriffs mit Navigated Control wird eine neue im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Software eingesetzt e Vor dem Eingriff f hren die dentalen Implantologen oft zus tzliche Schritte wie eine Begradigung des Alveolarkamms aus Bei der Durchf hrung dieser nicht in der pr ope rat ven Planung enthaltenen Schritte wird Navigated Control nicht ben tigt Aus diesem Grund muss der Implantologe im ersten Schritt nach dem Beginn des Eingriffs freihand ohne Navigated Control bohren k nnen Die HNO rzte hingegen benutzen das chirur gische Instrument ausschlie lich f r die Ausr umung der Polypen Daher muss bei FESS der Eingriff gleich mit eingeschalteter Leistungsteuerung beginnen e Nach dem Bohren k nnen die dentalen Implantologen den Bohrer f r weitere Benutzung ben tigen wie z B f
49. w hrend der Operation gesucht Es wird die in der dentalen Implantologie etablierte Patientenregistrierung mit einem Gebissabdruck und einer Bissschiene verwendet Dabei wird die die gesuchte Transformation MET Tracker Uber die sowohl im CT Datensatz als auch intraoperativ bekannte Position der 6 Titanmarkern aus den Gleichungen mit 8 und 6 bestimmt __ img T fiducials img T patTracker patTracker T pucis 10 Mit 10 3 und 4 bzw 5 wird die Transformation MeT itr der Bohrerspitze bzw eT shaverTep der Shaverspitze im Koordinatensystem des CT Datensatzes bestimmt u img re patTracker img T drillTcp Do ON ou drillTcp img img i cam T 1 2 cam shaverTcep patTracker patTracker shaverTcp Aus der Lage der Planung relativ zum CT Datensatz wird die Lage des Instruments relativ zu den Implantaten bzw zu dem Arbeitsraum berechnet 45 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten in der Kopf Chirurgie 2 1 trgi __ mg img Tore u T _i i Tritrcp 1 3 1 trg mg img TD paverTep E T paverTep 14 Regler Planer Der Regler Planer P ist eine bergeordnete Steuer und Regelkomponente f r Navigated Control und f r die Navigation In Abh ngigkeit von der Operationsphase d h von dem zu dem Zeitpunkt k aktuellem Operationszustand z k w hlt der Regler Planer P eine unter geordnete Regelung r aus die einen optimalen Einsatz von Navigated Control und N
50. werden dann kann der Arzt den Bohrer n cht verwenden Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer detaillierten Analyse der Abl ufe innerhalb des Eingriffs der Definition der einzelnen Operationsphasen und Systemzust nde und der daraus folgenden Modellierung des Systems Je nach aktuellem Zustand des Systems wird eine andere Fehlerfunktion verwendet die f r die Freigabe der Bohrerposition und orientierung benutzt wird Um dem Arzt vor dem eigentlichen Bohren eine beliebige Nutzung des Bohrers zu erm g lichen wird das System mit ausgeschaltetem Navigated Control gestartet Der Arzt muss die Leistungsteuerung vor dem Bohren manuell einschalten Da dieser Schritt bereits w hrend des chirurgischen Eingriffs erfolgt und der Arzt dabei schon steril ist erfolgt das Ein und Aus schalten von Navigated Control mit einem Fu pedal Alle anderen Zustands berg nge nach dem Einschalten von Navigated Control erfolgen automatisch Es ergibt sich der folgende intraopera tiven Benutzungsablauf des Systems l Vorbereitung Zun chst wird das Navigationssystem mit der chirurgischen Einheit und mit dem Fu pedal verbunden Die Kamera wird ausgerichtet so dass der Patiententra cker durch den optischen Positionsmesssensor sichtbar ist 2 Bohren ohne Navigated Control Bis zum manuellen Einschalten von Navigated Control hat der Arzt die st ndige Kontrolle ber den Bohrer und kann die chirurgisch notwendigen Schritte durchf hren die nicht Bestandtei
51. werden dass Weichgewebe wie Fett das nicht durch den Shaver zerst rt werden soll und das nicht durch Knochen gesch tzt st in den Shaver eingesaugt und besch digt wird Das Ein und Ausschalten der Pumpe bringt jedoch zus tzliche Komplexit t mit sich da die Pumpe erheblichen Nach und Anlauf hat auch muss eventuell die Saugrichtung kurzzeitig umgekehrt werden Der komplexe Abschaltvorgang der Pumpe kann am besten mit einer eigenen Operationsphase gesteuert werden die leicht in die vorgeschlagene phasenorientierte Architektur eingebunden werden kann Abbildung 65 Die Modellierung des Arbeitsraums als ein Oberfl chenmodell kann unter Umst nden viele Oberfl chendreiecke erfordern deren genaue Anzahl von dem Umfang und der Form der Segmentierung abh ngt F r die Modellierung des Arbeitsvolumens wurde ein voxelbasierter Ansatz gew hlt Dieser Ansatz bietet den Vorteil der besseren Echtzeitf higkeit da der Rechenaufwand nicht von der Form oder Umfang des erstellten Arbeitsraums abh ngt Bei der alternativen Modellierung des 99 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers Arbeitsraums und des Shavers als ein Oberfl chemodell siehe Abbildung 65 variiert der Re chenaufwand n Abh ngigkeit von der Gr e des Modells Das h ngt damit zusammen dass f r die Berechnung der Shaverposition relativ zum Arbeitsraum der Abstand zwischen den Oberfl chen des Shavers und des Arbeitsraums bestimmt wird Die Anzahl der Vertexe
52. zur geplanten Kavitat dar In der Tabelle 16 sind die Ergebnisse zusammengefasst Die detaillierten Ergebnisse f r jede einzelne Kavit t sind in der Tabelle 17 m Anhang dieser Arbeit dargestellt Tabelle 16 Die kumulierten Kenndaten sind f r die Abweichungen zwischen der Planung und der realen Kavit ten f r die einzelnen W nde dargestellt Die detaillierten Ergebnisse f r jede einzelne Kavit t sind im Anhang dargestellt zn ia is meanaies MM 0 71 0 37 0 25 teak a ee ee l 7 5 5 Auswertung und Diskussion Der maximale durchschnittliche Fehler bei der berschreitung der geplanten Kavit t liegt bei 0 4 mm Die maximale berschreitung der Begrenzung betr gt 1 8 mm Am geringsten ist die berschreitung bei der unteren Wand 1 Die maximale berschreitung bewegt sich zwischen 0 95 mm und 1 78 mm 134 Experimente Die gestellten Genauigkeitsanforderungen an das System wurden erf llt e Die durchschnittliche Abweichung ist besser als 1 mm e die maximale Abweichung ist besser als 2 mm Da das beschriebene Experiment die gesamte Fehlerkette beinhaltet und dabei die tats chliche Abweichung des Ergebnisses von der Planung im Koordinatensystem der Planung auswertet ist die resultierende hohe Genauigkeit f r den klinischen Einsatz ausreichend Bei dieser Bewertung und f r die bertragung dieser Ergebnisse auf klinische Umgebung muss allerdings ber cksichtigt werden dass e Die Systemgenauigkeit von der Genau
53. zwei Operationszust nde Daraus folgt dass der Regler Planer nur zwei Verhalten kennen muss die die beiden Zust nde abbilden Diese beiden Verhalten sind durch die Regler rl und r2 implementiert siehe Tabelle 9 Der Beobachter erkennt den bergang zwischen diesen Verhalten wie auch beim Bohren in der dentalen Implantologie durch die Eingaben ber ein Fu pedal Tabelle 9 Den zwei Operationszust nden sind zwei untergeordnete Regler zugeordnet die den Shaver geeignet ansteuern Operationszustand Reglerbeschreibung Shaver ohne Leistungssteuerung Der Chirurg kann ohne Einschr nkung den Shaver einsetzen 2 on Der Chirurg kann den Shaver nur einsetzen wenn die Shaverspit Shaver mit Leistungssteuerung r on ze sich innerhalb des segmentierten Bereichs befindet Im Folgenden wird auf die Realisierung des Reglers r2 eingegangen Der Regler r2 schaltet den Shaver ab wenn die Shaverspitze sich au erhalb des Arbeitsvolu mens befindet F r eine Feststellung ob die Shaverspitze sich innerhalb oder au erhalb des Arbeitsvolumens befindet st eine vereinfachte Modellierung der Shaverspitze als ein Punkt 100 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers sinnvoll Diese Modellierung hat den Vorteil einer sehr schnell Berechnung Dabei wird der Arbeitsraum als ein teilweise eingef rbtes Voxelvolumen modelliert siehe Abbildung 67 links Das Voxelvolumen hat die Aufl sung des CT Datensatzes des Patienten Ein typischer CT Da
54. A zwar ohne das System h tte umgesetzt werden k nnen jedoch nicht in gleicher Qualit t nicht schneller nicht mit weniger Personal und nicht mit geringeren Kosten Es wurden insgesamt fiinf Implantate in die Auswertung der Genauigkeit einbezogen Die Ubri gen Implantate wurden nicht beriicksichtigt da e Wegen schlechter Planung konnten zwei Implantate nicht bis zum Ende mit Navigated Control gebohrt werden da anschlieBend fiir ein optimales Ergebnis manuell nach klini schem Befund vorgegangen wurde e bei einem Implantat sind die aufgezeichneten Daten nicht plausibel In der Tabelle 14 sind die horizontalen Abweichungen Ah und die vertikalen Abweichungen Av sowie die Winkelabweichung Aq siehe Kapitel 7 1 f r die f nf ber cksichtigten Implantate angegeben Die statistischen Kennwerte wurde nach den Formeln 94 bis 96 berechnet Die Minima wurden nicht f r Ah und Aq berechnet da Ah und Aa einen Abstand bezeichnen der sich der Null n hert aber nicht negativ werden kann Der Wert Av gt 0 bedeutet dass nicht bis zur geplanten Tiefe gebohrt Tabelle 14 Hier sind die statistischen Kennwerte fiir die horizontale und die vertikale Abweichungen Ah und Av sowie f r die Winkelabweichung Aq f r die f nf klinisch eingesetzten drei Patienten Implantate aufge f hrt Ah Av Aa mm mm mm Ah Av Aa mm mm mm ma os ome on Implantat Nr Merkmal e opa ee 7 3 3 Diskussion 01 X 5 0 45 0 26
55. Arbeitsraum wird als gef rbte wei e Voxeln modelliert Rechts wird die Shaverspitze punktf rmig modelliert dann kann bei nicht ver nderter bernahme der Segmentierung aus der Planung der Arbeitsraum durch die reale Ausdehnung des Shavers berschritten werden F r die Ber cksichtigung der Shavergeometrie wird das in der mobilen Robotik angewendete Verfahren zur Kollisionsplanung in angepasster Form verwendet Hommel 1997 Die Geomet rie der abtragenden Shaverspitze wird quantisiert betrachtet siehe Abbildung 68 Das Ziel ist es alle die Voxel zu sch tzen die au erhalb des Arbeitsraums liegen und die von der abtragen den Shaverspitze ber hrt bzw berdeckt werden Um das zu erreichen wird die Farbe einiger eingefarbter Voxel also von Voxel im Arbeitsraum wo der Shaver Gewebe abtragen kann liegenden Voxel angepasst Dadurch wird ein solcher neuer verkleinerter Arbeitsraum erstellt dass keine Voxel des urspr nglichen Arbeitsraums durch den eingeschalteten Shaver beeintr ch tigt werden k nnen Bei der Verkleinerung werden alle eingef rbten also im Arbeitsraum liegenden Voxel betrach tet Bei der Betrachtung des Voxels v wird angenommen dass die Shaverspitze in diesem Voxel positioniert ist Es wird gepr ft ob bei dieser Positionierung nicht eingef rbte Voxel die au er halb des Arbeitsraums liegen beeintr chtigt sind Ist das der Fall dann wird das Voxel v an der Shaverspitze aus dem Arbeitsraum entfernt
56. Ausg nge der I O Karte generiert Alle Komponenten sind so beschaltet dass bei ausgeschalteter Steuerelektronik kein Betrieb der chirurgischen Einheit m glich ist Dadurch soll un berwachter Betrieb nicht m glich sein Die Relais haben eine definierte offene Stellung bei nicht angelegter Versorgungs und Schaltspan nung und der Watchdog trennt die Spannungsversorgung der chirurgischen Einheit wenn keine Spannungsversorgung am Watchdog oder kein Triggersignal anl egen 6 2 Steuerprogramm In diesem Kapitel wird die Realisierung des Steuerprogramms am Beispiel des Shavers be schrieben Auf die Beschreibung des Steuerprogramms des Bohrers wird verzichtet da sie unter 111 Realisierung der Sicherheitsarchitektur Ber cksichtigung einer anderen Implementierung des spezifischen Pedalinterfaces siehe Kapitel 6 1 analog ist Tabelle 10 Hier sind die Risiken die im Rahmen einer Risikoanalyse identifiziert wurden aufgef hrt mit den dazugeh rigen Aktionen und dem Restrisiko Die grau hinterlegten Aktionen sind in der Hardware implementiert Das Navigationssystem gibt eine Warnung Das System wird ohne die Der Shaver kann nicht bei fehlerhaf sobald das Navigationssystem ausf llt setzt werden keine Der Hardwarewatchdog der Steuerelektronik Patientengefahr schaltet den Shaver ab wenn die Software vorhanden aus wenn die Steuerelektronik nicht ange Steuerelektronik verwendet Das Navigationssystem f llt ganz
57. EE Press pp 1084 1089 Kneissler M 2005 Ein System mit positionsabh ngiger Leistungssteuerung f r das manuel le Fr sen In Fortschritt Berichte Reihe 17 Nr 253 VDI Verlag Knott D Maurer C R Gallivan R Roh H J Citardi M J 2004 The impact of fiducial distribution on headset based registration in image guided sinus surgery Otolaryngology Head and Neck Surgery Vol 131 No 5 Reprinted in 666 672 Elsevier Koeck B Wagner W 1999 Implantologie Praxis der Zahnheilkunde Studienausgabe Vol 13 Urban amp Fischer Koeck B W Wagner 2004 Implantologie Praxis der Zahnheilkunde Band 13 Studien ausgabe der 2 Auflage 2004 Elsevier GmbH Miinchen Koele W Stammberger H Lackner A Reittner P 2002 Image guided surgery of parana sal sinuses and anterior skull base Five years experience with the InstaTrak System Rhi nolgy 40 pp 1 9 Koulechov K Tim C Lueth 2004 A new metric for drill location for Navigated Control in navigated dental implantology CARS Computer Assisted Radiology and Surgery Chicago U S A 23rd 26th June Reprinted in Proceedings of CARS 2004 Computer Assisted Radiol ogy and Surgery the 18Th International Congress and Exhibition Elsevier Science Publishers North Holland Lavall e S 1996 Registration for Computer Integrated Surgery Methodology State of the Art In Taylor R H Lavall e S Burdea G C M sges R Ed Computer integrated Sur g
58. In der Tabelle 4 links sind die Standardabweichungen fiir die X Y Z Komponenten fiir die Befestigung am Shaverschaft und am Shavergriff dargestellt das Koordinatensystem ist in der Abbildung 35 dargestellt In der Abbildung sind links die Werte bei Befestigung des Trackers am Shavergriff Variante B rechts 57 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten in der Kopf Chirurgie wenn der Tracker direkt mit dem Shaverschaft verbunden ist Variante A Die Standardabwei chung also die Ungenauigkeit ist f r Z Achse ist am h chsten weil die Kamera die Tiefe der retroreflektierenden Kugeln am schlechtesten aufl sen kann Die Ungenauigkeit f r alle Achsen ist deutlich geringer bei der Befestigung des Trackers am Shaverschaft Werden die Entfernung zwischen dem Instrumententracker und der Shaverspitze von ca 120 mm und die vom Herstel ler NDI des Positionsmesssystems angegebene Genauigkeit f r die Bestimmung der Position einer retroreflektierenden Kugel von 0 45 mm RMS ber cksichtigt dann n hert sich die verbleibende Ungenauigkeit der Befestigung des Trackers am Shaverschaft der allein durch das Positionsmesssystem bedingten Ungenauigkeit Tracker am Griff Tracker am Shaverschaft E N N 0 2 X mm Tracker am Shaverschaft N Y mm Y mm Abbildung 36 Die Genauigkeit der Befestigungsvariante A rechts ist h her als die Ungenauigkeit der Befestigungsvariante B links In den Abbildungen sin
59. In diesem Kapitel wird das System statisch und dynamisch beschrieben 3 4 1 Statische Systembeschreibung Abbildung 22 Die Hardwarekomponenten f r Navigated Control sind hier exemplarisch f r die Funktionale Endoskopische Sinuschirurgie dargestellt A Navigationssystem mit Positionsmesssystem B chirurgische Einheit C Steuerelektronik D Fu pedal E Patient F Shaver Instrument In diesem Kapitel sind die Systemkomponenten aufgelistet und beschrieben Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Komponenten sind im Detail dargestellt Fremdkomponenten die in das System integriert wurden werden als solche gekennzeichnet und kurz beschrieben Nach einer Beschreibung der einzelnen Hardwarekomponenten werden die Softwarekomponenten vorgestellt Die Softwarekomponenten die auf der Hardware des Navigationssystems ausgef hrt werden dienen der pr operativen Planung der Navigation der Instrumente und bestimmen die 40 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten n der Kopf Chirurgie maximale Leistung der Instrumente in Abh ngigkeit von ihrer Position Das auf der Steuerelekt ronik ausgef hrte Steuerprogramm berwacht und setzt die Leistung des Instruments Das System besteht aus den folgenden Hard und Softwarekomponenten e Hardwarekomponenten siehe Abbildung 22 Navigationssystem mit Positionsmesssystem Steuerelektronik Instrumente Chirurgische Einheit e Softwarekomponente Planung o Planung
60. Korrektur kann sehr hoch werden Einige Arbeiten setzen auch Atlanten ein so dass das Wissen ber die Anatomie f r die Segmentierung der einzelnen Organe heran gezogen werden kann Zachow er al 2005 und Warfield et al 1995 Abbildung 11 Bei den zwei linken Bildern wird der Wangenknochen mit Hilfe des Insight Toolkits rechts ein Sch del mit Hilfe des MeVisLab Softwarepakets segmentiert 16 Stand der Technik Eine einfache Variante der automatischen Segmentierung ist die Schwellwertsegmentierung Dabei werden nur die Pixel oder Voxel dargestellt deren Grauwerte in einem bestimmten Be reich liegen siehe Abbildung 11 links und mitte Mit diesem Verfahren k nnen z B Knochen zuverl ssig segmentiert werden Der Aufwand f r die Korrektur des automatischen Ergebnisses durch den Arzt steigt mit h herer Komplexit t und Inhomogenit t der segmentierten Strukturen Dammann 2002 Viele Arbeiten basieren auf Filtern die das frei verf gbare Insight Toolkit ITK www itk org bietet ITK ist eine Open Source Softwarebibliothek mit verschiedenen Algorithmen f r die Patientenregistrierung und Segmentierung Die Segmentieralgorithmen umfassen z B Region Growing Watershed oder Level Sets basierende Segmentierung Die 2D Segmentierung eines Wangenknochens mit Region Growing von ITK ist beispielhaft in Abbildung 11 dargestellt MeVisLab www mevislab de ist ein weiteres umfangreiches Framework f r die medizinische Bildbearbeitung und V
61. Landmarken intrao perativ in einer beliebigen Reihenfolge abtastet Die Zuordnung ist auch bei Surface Matching unbekannt da dabei die Zuordnung von pr operativ aus den CT Daten berechneten Oberfl chenelementen Dreiecken zu intraoperativ abgetasteten Punkten gesucht wird Ein in diesem Bereich bekannter iterativer Algor thmus ist der Iterative Closest Point ICP Besl und McKay 1992 der in verschiedensten Varianten verbreitet ist ICP ordnet z B die pr operativ berechne ten Oberfl chenelemente den intraoperativ abgetasteten Punkten zu die den geringsten Abstand haben Nach einer Berechnung der Koordinatentransformation entsprechend dieser Zuordnung wird die Zuordnung erneut bestimmt Die Qualit t der Berechnung ist ma geblich von der initia len Transformation abh ngig Eine leistungsf hige Erweiterung von einfachen Surface Matching Algor thmen ist das Restric tive Surface Matching RSM B chler et al 2001 Bei RSM wird zun chst mit Paired Point Matching eine initiale Transformation berechnet Anschlie end wird diese initiale Transformati on durch einen Surface Matching Algorithmus verfeinert der aber auf die Umgebung in der 21 Stand der Technik N he der initialen Transformation beschr nkt ist Durch diese Beschr nkung wird verhindert dass lokale Minima weit au erhalb der tats chlichen Transformation gefunden werden 2 3 3 Navigationssysteme f r die dentale Implantologie Das Ziel beim Einsatz eines Navigatio
62. Minimum reduziert Abbremsen um den Bohrvorschub zu verlangsamen Der Chirurg kann ohne Einschr nkung bohren W vis k as y Prax K Beschreibt die Funktion pow k die tats chliche Leistung des Bohrers dann kann der Arzt bei Pmax k 100 ber das Fu pedal beliebig pow k bestimmen Sonst gilt pow k lt Pmax k Der Regler rl erm glicht es dem Chirurgen ohne Einschr nkungen zu Bohren Der Regler rl ist aktiv wenn Navigated Control ber das Fu pedal ausgeschaltet ist In diesem Fall ist pow k 100 Der Regler r2 ist aktiv wenn Navigated Control durch den Arzt eingeschaltet ist aber die Boh rerlage ung ltig st Unabh ngig von der Lage des Bohrers gilt dann pow k 0 Ist der Bohrer oder der Patient f r den Positionsmesssensor nicht sichtbar oder die Instrumentenregistrierung des Bohrers wurde nicht durchgef hrt dann werden entsprechende Hinweise auf dem Bild schirm dargestellt 81 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers Der Regler r3 erm glicht die Bestimmung der Knochenoberfl che Da ohne die Bestimmung der Knochenoberfl che das Bohren mit Navigated Control nicht m glich ist gilt Dmax k 0 Die Knochenoberfl che muss in der N he der geplanten Implantatachse bestimmt werden Aus diesem Grund wird in der 2D Ansicht nur Abweichung i 8 diStaritTe kK zwischen der geplanten Implantatachse und der Bohrerspitze dargestellt Ist die Bedingung 46 erf llt dann wird die Bohrerlage als kor
63. N 3 io i ia Mi ON E 7 on oe ee 0 Wi EA H pe 4 u i ii i li Mi goi l 4 i ji i I u i hai i h jit i i i n ch I ee Ve te we s l jili a T 0 af Pd xg mae T i pes J ra NG Fak t Hr A f aa i ni 4 4 ey y i a be ly h i u j Wa ka A S 2 4 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Sample Nr Samplefrequenz ist 20Hz Abbildung 45 Bei einer Beachtung des Bohrvorschubs bei Navigated Control wird der Bohrer durch das Abschalten bei zu hoher Vorschubgeschwindigkeit abgebremst was zu einem besseren Erreichen der Zieltie fe fuhrt Im Abschnitt C wird beim Bohren in die Tiefe im Gegensatz zur Abbildung 44 der Bohrer abge bremst wenn er eine zu hohe Vorschubgeschwindigkeit erreicht was zu h ufigem Abschalten f hrt Die anderen Abschnitte A B D und E sind mit den Abschnitten in Abbildung 44 identisch 4 3 Metrik f r die Bewertung der Bohrerlage Jeder untergeordnete Regler von Navigated Control sowie der Beobachter des Operationszustan des bewerten die Lage des Bohrers Vereinfacht dargestellt wird die Leistung vom untergeord neten Regler r dann nicht verringert wenn die Lage des Bohrers durch den Regler r als korrekt bewertet wird Die Bewertung der Abweichung des Bohrers von der optimalen Bohrerlage er folgt mit einer Metrik 71 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers Eine h ufige Variante einer Metrik beim Bohren wie sie auch beim Navigationssystem Robo Dent verwendet wird ist die Bewertung
64. Schule Braun Druck amp Medien GmbH 09 04 1 Tuttlingen Stien M A Hein 2000 Ein Verfahren zur Manipulation des Patientenmodells zur S mulati on roboterunterst tzter chirurgischer Eingriffe Robotik 2000 Berlin Germany 29 30 June Reprinted n VDI Berichte 1552 VDI Verlag pp 409 414 Strauss G D Winkler C Trantakis T Schulz J Meixensberger 2004 Post processing of radiological data for preoperative planning in skull base surgery Laryngorhinootologie 2004 Mar 83 3 157 63 Strauss G M Hofer W Korb C Trantakis D Winkler O Burgert T Schulz A Dietz J Meixensberger K Koulechov 2005 Accuracy and precision in the evaluation of computer assisted surgical systems A definition HNO 2005 Aug 26 Szymanski D 2005 Ein CT freies Navigationssystem fiir die dentale Implantologie Dis sertation an der Technischen Universit t Berlin In Fortschritt Berichte VDI Reihe Biotech nik Medizintechnik Nr 260 Tetsch P J Tetsch 2001 Zahn rztliche Implantate Zahnersatz auf k nstlichen Zahnwur zeln ein Ratgeber f r die Patienten 4 neu bearbe Auflage K ln Dt Zahn rzte Verlag DAV GmbH 143 Literatur Van Straelen F 2003 Roboassist Ein Assistenzsystem f r den Implantologen und das spezialisierten Dentallabor im Navigations verfahren mit Robodent Masterthese an der Do nau Universit t Krims Zentrum f r Interdisziplin re Zahnmedizin Ostereich Warfield S J Dengl
65. Standardabweichung fStdreg k 70 die jeweiligen Schwellwerte fmax reg und fStdmax_reg unterschreiten Wird fmax reg k oder fstdmax reg k w hrend des Registriervorgangs berschritten dann wird der Registriervor gang abgebrochen Gelingt es nicht einen Registriervorgang erfolgreich durchzuf hren dann kann es an fehlerhafter Kalibrierung oder an anderen Faktoren wie die Qualit t der verwendeten retroreflektierenden Kugeln liegen Im ersten Fall muss die Kal brierung erneut durchgef hrt werden patTracker __ patTracker _ patTracker patTracker patTracker p projection2 k u p point k P snaverrep k na k Z Toner k Z 66 ee ae a 67 Seg K Pe ee 68 freg k 5 g k gt i 69 fstd k er 2 gt I Seg ED freg 70 97 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers Neg shaverTracker l cam ey cam atTracker u PreinBroischen k N Tate k u i T patTracker k i a Pompo k a i 7 1 reg 17 100 0 0 1 0 shaverTracker PTA k TpnaverTcp k t TonaverTcp k u 1 0 0 1 0 re 72 0 0 0 l 5 2 3 Visualisierung Bei der Visualisierung wird die Lage des intraoperativ freihand gef hrten Shavers relativ zu den pr operativen CT Daten und der pr operativ erstellten Planung visualisiert Ein Beispiel ist in der Abbildung 64 dargestellt Patient g Tool g Registration g ES v FESS oie ON Navigation Exit Version 0 4 2 Da S ntrol Tu
66. Technische Universit t M nchen Lehrstuhl f r Mikro und Medizinger tetechnik Univ Prof Dr rer nat Tim C Luth Leistungssteuerung chirurgischer Instrumente in der Kopf Chirurgie Kirill Koulechov Vollstandiger Abdruck der von der Fakultat fur Maschinenwesen der Technischen Universitat Munchen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor Ingenieurs Dr Ing genehmigten Dissertation Vorsitzender Univ Prof Dr Ing Klaus Bender Prufer der Dissertation 1 Univ Prof Dr rer nat Tim C Luth 2 Univ Prof Dr med Andreas Dietz Universit t Leipzig Die Dissertation wurde am 26 01 2006 bei der Technischen Universit t M nchen einge reicht und durch die Fakult t f r Maschinenwesen am 26 04 2006 angenommen Vorwort Diese Arbeit ber die Leistungssteuerung chirurgischer Instrumente f r die Kopf Chirurgie entstand w hrend meiner Arbeit im Team von Prof Dr rer nat T m C L th an der Technischen Universit t M nchen und an der Charit Universit tsmedizin Berlin Herrn Prof Dr rer nat Tim C L th Ordinarius des Lehrstuhls f r Mikro und Medizinger te technik an der Technischen Universit t M nchen danke ich sehr herzlich f r die pers nliche und fachliche Betreuung Insbesondere danke ich f r die hervorragende F rderung und die vie len thematischen M glichkeiten die mir w hrend der Promotion geboten wurden Herrn Prof Dr med Andreas Dietz Ordinarius der Hals Nasen Ohren Univer
67. Zustandsregler beinhaltet ent worfen Die spezifischen Anforderungen der einzelnen Operationsphasen werden durch die Konzeption und Realisierung untergeordneter Regler erf llt Diese untergeordneten Regler werden von einem bergeordneten Regler in Abh ngigkeit von der aktuellen Ope rationsphase aktiviert Instrumentengeometriespezifische Leistungssteuerung Die sensiblen anatomischen Strukturen wie Nervus alveolares inferior in der dentalen Implantologie oder Lamina pa pyracea bei FESS sollen durch eine intelligente spezifische Abschaltung der motorge triebenen Instrumente gesch tzt werden Daf r werden die spezifischen Eigenschaften der Instrumente ausgewertet und n die Systemarchitektur einbezogen Beim Bohrer wird ber cksichtigt dass die Bohrausrichtung im Knochen nicht ver ndert werden kann Daf r wird eine geeignete Metrik ben tigt die eine geeignete Bewertung der Bohrerlage durchf hrt Beim Shaver darf das Instrument nur innerhalb pr operativ festgelegter Grenzen eingesetzt werden Daf r wird in einer geeigneten voxelbasierten Arbeitsraum modellierung die reale Ausdehnung der Shaverspitze ber cksichtigt so dass eine effi ziente Bestimmung der relativen Lage des Shavers zum Arbeitsraum m glich ist Sicherheitsarchitektur Die Entlastung des Chirurgen wird durch die Integration einer Sicherheitsarchitektur und die fehlertolerante Realisierung des Systems erm glicht Eine st ndige Kontrolle der Visualisierung der Instrume
68. aktion zwischen Operateur und System Die wenigen vorhandenen Systeme oder Verfahren zur direkten Uberwachung und Kontrolle des Operationsergebnisses wie Navigated Control oder Roboter sind nicht optimal an die klinischen Abl ufe angepasst Roboter beinhalten aufw ndige mechanische Kinematiken die den Arbeits raum im Operationssaal einschr nken die Anordnung des OP Personals ver ndern und kompli ziert zu installieren und zu bedienen sind Die derzeitigen Umsetzungen von Navigated Control gen gen nicht den Anforderungen eines kliniktauglichen Systems Vorhandene Realisierungen erm glichen umfangreiche Experimente zum Materialabtrag Bohr und Fr sverhalten Der Einsatz w hrend eines chirurgischen Eingriffs erfordert jedoch eine genaue Analyse des jeweili gen Eingriffs und die Anpassung des Systems und deren Benutzungsablaufs an die einzelnen Operationsschritte Das System sollte nicht den Operationsablauf ver ndern kein zus tzliches Personal ben tigen keine komplexen Eingaben w hrend des Eingriffs erfordern und die ge wohnten chirurgischen Instrumente nicht in ihrer Funktion und in ihrem Handling ver ndern Keine kliniktaugliche Planung f r FESS Es existiert derzeit keine kliniktaugliche Planung f r FESS Eingriffe Eine Planung von FESS muss die Festlegung eines abzutragenden Volumens innerhalb der pr operativ zur Verf gung stehenden Zeit erm glichen Dieses Volumen erstreckt sich ber ein sehr differenziertes anato misches G
69. ale Obstruktion eitrige Rhinorrhoe postnasale Sekretion heftige Kopfschmerzen mit den typischen Projektionspunkten der Nebenh hlen und uncharakteristische Kopfschmerzen Husten und allgemeine Leistungsminderung sowie Abgeschlagenheit Bachert er al 2003 Die meis ten F lle gehen auf Entz ndungen im Ethmoid Siebbein zur ck Bei operativer Behandlung sollen die durch die Nasenpolypen gebildeten Engstellen entfernt werden bei dem Rest des Gewebes wird Selbstheilung abgewartet Traditionell ist die Abtra gung komplett wenn eine ethmoidale Zelle ohne pathologisches Gewebe erreicht wird Hose Einleitung mann et al 2000 Insbesondere existieren keine Standardkavit ten jeder Eingriff ist sehr indi viduell Andere Nasennebenh hlen Stirnh hle Sinus frontales Kieferh hle Sinus maxillaris Keilbeinh hle Sinus sphenoidalis siehe Abbildung 2 spielen bei chronischer Sinusitis nur eine geringere Rolle und werden seltener er ffnet und ausger umt a E Vee Sinus maxillaris Sinus sphenoidalis Cy ry Abbildung 2 Wichtige anatomischen Strukturen in der Funktionalen Endoskopischen Sinuschirurgie Das Ethmoid beinhaltet mehrere individuell geformte Zellen siehe Abbildung 3 Das Ethmoid hat die L nge von 4 5 cm eine H he von ca 3 cm und eine Breite von 7 mm bis 15 mm Es besteht auf der rechten und auf der linken Seite jeweils aus ca 2 10 vorderen und 2 6 hinteren Zellen Die mit Polypen gef llten Zellen m ssen a
70. andenen Bohrkanals folgen wird Bei herk mmlicher Navigation ignoriert der Arzt die Abweichung 8 di starittep K N und f hrt die Bohrung zu Ende Das ist oft zul ssig da die genannten Abweichungen chirurgisch meist tolerierbar sind und der Arzt die Lage des Bohrers in den CT Daten berpr fen kann Bei Navigated Control ist dieses Vorgehen allerdings systembedingt nicht m glich Bei nicht korrekter Bohrerlage ST yintep k n wird das System den Bohrer abschalten Der Arzt kann bei normaler Benutzung von Navigated Control die Abschaltung durch das System nicht ignorieren Das Ignorieren ist nur durch das Abschalten von Navigated Control m glich was nur f r Aus nahmen vorgesehen ist Das Problem l sst sich durch die Definition und die Verwendung einer neuen geeigneten Metrik l sen Diese neue Metrik muss die folgende Eigenschaft haben Positioniert der Arzt den Bohrer zum Zeitpunkt k derart dass das System diese Lage i ST yittrep k als korrekt bewertet und f hrt der Arzt mit dem chirurgischen Eingriff ohne weitere Abweichungen fort dann muss der Arzt diese Lage rg Taritttcp k zu einem sp teren Zeitpunkt k n nicht korrigieren ImplantAxis N DrillAxis DrillAxis ImplantAxis I trg_idist drillTcp K ne srt Knochen Au ie Lt oberfl che y K depth Z X trg y Abbildung 47 Eine geeignete Metrik f r die Bewertung der Bohrerlage muss einen Abstand zwischen Boh rer und Implantatachse verwend
71. anel dessen Felder mit dem navigierten Instrument ber hrt werden 24 Stand der Technik Das gr ere Navigationssystem Stealthstation von Medtronic kann mit einem propriet ren elekt romagnetischen Positionsmesssystem AiEM verwendet werden Es werden mehrere navigierte Instrumente wie Sauger oder Blakesley Zangen angeboten Kherani et al 2003 Die Firma GE Medical bietet als einzige Firma mit Instratrak ein Navigationssystem an dass nur mit elektromagnetischer Positionsmessung benutzt wird GE Medical bietet die M glichkeit Endoskopvideo neben den CT Schnittbildern darzustellen und klinisch interessante bzw ge fahrdete Bereiche farblich zu markieren Die Patientenregistrierung erfolgt ber einen Headset Kherani et al 2003 Koele er al 2002 2 4 Mechanische Assistenz in der Medizin Zu den bekanntesten in der klinischen Routine etablierten mechanischen Assistenzsystemen z hlen Bohrschablonen und stereotaktische Rahmen Hein 2000 und Schermeier 2002a Bohr und Bearbeitungsschablonen werden f r die Verbesserung von Fr s und Bohrergebnissen eingesetzt Die Schablonen werden derart auf dem Knochen angebracht dass die Bewegung des Bohrers bzw der Fr se eingeschr nkt wird Die Bohrschablonen finden Anwendung in der dentalen Implantologie z B mit dem System SurgiGuide der Firma Materialise Dabei wird mit Rapid Prototyping Stereolithographie eine patientenindividuelle Schablone hergestellt in die entsprechend einer
72. ante Tiefe trotz rechtzeitiger Abschaltung berschritten wer den Dieser Effekt ist in der Abbildung 44 verdeutlicht Die Abbildung 44 stellt die Entfernung der Bohrspitze zum Implantat die Vorschubgeschwindigkeit 10 fach vergr ert sowie die von dem aktiven Regler ausgegebene maximale Leistung 10 fach verkleinert dar Die erste Ab schaltung erfolgt nach dem Ank rnen w hrend der Arzt den Bohrer ausrichtet sichtbar durch die Reduktion der Leistung Anschlie end bohrt der Arzt bis zum Implantatende Ab 2 mm Entfernung zur Zieltiefe wird die maximale Bohrerleistung mit einer proportional zur Entfer nung von der Zieltiefe siehe Regler r7 Kapitel 4 6 begrenzt um ein vorsichtiges Ann hern an die Zieltiefe zu gew hrleisten Beim Erreichen der Zieltiefe wird die Leistung auf ein Minimum hier 3 der Gesamtleistung reduziert Die Notwendigkeit der Reduktion auf 3 statt auf 0 ist in der Beschreibung der Regler r4 und r7 weiter unten im Kapitel erl utert Da bei der ersten Messung jedoch sehr schnell d h mit sehr hoher Vorschubgeschwindigkeit gebohrt wurde w rd durch den Bohrernachlauf trotz des Abschaltens und trotz der proportional zum Abstand zur 70 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers Zieltiefe abnehmender Bohrerleistung Material abgetragen was zu einem zu tiefen Bohren von ca 1 mm f hrt In der Abbildung 45 ist der Bohrverlauf dargestellt wenn die Vorschubgeschwindigkeit begrenzt wird Wenn Abbildung 44 un
73. anungsmodul Navigationssystem mit Positionsmesssystem Instrumente und Navigationsmodul k nnen vom Navigationssystem RoboDent verwendet werden Die Schnittstellen zwischen den Komponenten s ehe Kapitel 3 6 erm glichen den Datenaustausch Im Benutzugsablauf wurden die drei folgenden wichtigsten Operationsphasen identifiziert 1 Ank rnen 2 Bohren der Ausrichtung 3 Herausnehmen des Bohrers Bewegung nach oben Absenken des Bohrers Ank rnen Herausnehmen Stillhalten Bewegung nach unten Abbildung 32 Die klinischen Operationsphasen werden auf Operationszust nde abgebildet so dass die spezifischen Anfoderungen der Instrumentenbenutzung in den einzelnen Operationsphasen ber cksichtigt werden k nnen 53 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten in der Kopf Chirurgie Das System muss diese Operationsphasen unterst tzen Es wird nicht zwischen Pilotbohren und Aufbohren unterschieden da bei beiden Operationsphasen der Bohrer in einer vorhandenen Vertiefung positioniert und anschlie end im richtigen Winkel gef hrt wird Diese beiden Opera tionsphasen sind also innerhalb der Operationsphase Bohren der Ausrichtung die 1m nachfol genden Text zur Vereinfachung Bohren genannt wird zusammengefasst Es gibt jedoch deutliche Unterschiede bei der Benutzung des Bohrers f r Ank rnen Bohren und Herausneh men des Bohrers beim Ank rnen spielt nur die Position des Bohrers eine Rolle beim Bohren nur die Ausrichtun
74. anungsverfahren f r die dentale Implantologie erm glichen es dem Arzt eine optimale Lage der Implantate in pr operativ aufgenommenen CT oder DVT Daten zu bestimmen Derzeit existieren mehrere computerassistierte Planungsverfahren f r die dentale Implantologie siehe Abbildung 10 f r zwei Beispiele RoboDent RoboDent GmbH S m Plant Materialise NV Jacobs 1997 coDiagnostiX IVS Solutions AG IGI DenX Ltd Surgicase Materialise NV Wivell et al 2000 sowie implant3D med3D GmbH St sO at I BekertickrGecetic FORTIS hierar Abbildung 10 Links ist die Benutzeroberflache des Planungssystems der Firma RoboDent GmbH rechts die der Firma med3D GmbH dargestellt Die Planungssysteme stellen verschiedene Schnitte durch die CT Daten und ein 3D Modell des Patientenkiefers dar Die Planungssysteme bieten hnliche Funktionalit t an und unterscheiden sich vor allem in der Benutzerfreundlichkeit sowie in der M glichkeit die Planungsdaten f r intraoperative Assistenz zu nutzen CT oder DVT Daten werden meist 1m DICOM Standard abgespeichert NEMA 1993 S e k nnen ber eine CD oder ber Netzwerk vom Planungsprogramm eingelesen wer den Im Nachfolgenden ist die wesentlichste Funktionalit t anhand der Planung einer Unterkie fer mplantation mit dem Navigationssystem RoboDent erl utert Die importierten CT oder DVT Daten erm glichen die Visualisierung des behandelten Kiefers Der Patient tr gt eine Bissschiene d
75. argestellt l1 2772777777777 777777777771 t I Planungs mo po modul tcp Stellglied Steuer Navigations programm modul visuelle Darstellung Patient positioniert das Applizjeren der Leistung stellt die an der Position oM Leistung ein Chirurg Regelstrecke cam T patTracker Abbildung 29 Die in den bisherigen Arbeiten verwendete parallele Schaltung des Reglers f r Navigated Control und f r die Navigation eignet sich nicht f r den klinischen Einsatz da die gestrichelt dargestellte Verbindung zu dem aktuellen Operationszustand fehlt und die Regelung f r Navigated Control von der Regelung f r die Navigation getrennt ist 48 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten n der Kopf Chirurgie Das im Rahmen dieser Arbeit konzipierte und realisierte neuartige Konzept f r phasenorientier tes Navigated Control setzt einen beobachtergest tzten hierarchischen Zustandsregler ein L th 1997 Die Reglerstruktur ist in Abbildung 30 dargestellt Die Komponenten des Regelkreises wurden im vorherigen Kapitel vorgestellt In diesem Kapitel wird das dynamische Zusammen spiel der einzelnen Komponenten erl utert Die bergeordnete Stufe des verwendeten hierarchi schen Reglers ist ein an einen beobachterbasierten Zustandsregler angelehnter Regelkreis mit einem Sensor einer Zielvorgabe der Planung einem Regler Planer einem von dem Reg ler Planer zu regelndem Prozess und einem Be
76. as Navigationssystem ausgegeben und andererseits die chirurgische Einheit ausgeschaltet Auch bei der Unterbrechung der Verbindung zwischen dem Navigationssystem und der Steuerelektronik erfolgt eine analoge redundante Reaktion 6 1 Steuerelektronik Die Steuerelektronik ist eine vom Navigationssystem getrennte Hardwarekomponente Diese Hardwarekomponente verf gt ber Schnittstellen um die Leistung des chirurgischen Instru ments zu reduzieren und um die Hardwarekomponenten Navigationssystem und chirurgische Einheit sowie die korrekte Verkabelung zu berwachen Diese Schnittstellen werden von dem Steuerprogramm s ehe Kapitel 3 6 angesteuert das Signale ber diese Schnittstellen einliest ausgibt und die Komponenten berwacht In diesem Kapitel wird der Aufbau der Steuerelektro nik beschrieben Abbildung 74 Links Das vordere Bedienfeld der Steuerelektronik hier in der Ausf hrung f r FESS erm glicht den Anschluss an die chirurgische Einheit an das Fu pedal an das Navigationssystem und an das Instrument Rechts Auf der R ckseite wird die Spannungsversorgung der chirurgischen Einheit ange schlossen Die Steuerelektronik ist in Abbildung 74 dargestellt und erf llt die folgenden Aufgaben e Ausf hrung der Softwarekomponente Steuerprogramm Die Steuerelektronik beinhaltet einen PC der das im n chsten Kapitel 6 2 beschriebene Steuerprogramm ausf hrt e Kommunikation mit dem Navigationssystem ber die Kommunikationssch
77. ation Danger Unit Error Check the Unit and restart Navigation Ka Tem re I Minit i pre ET I Abbildung 77 Der Sicherheitsassitent reagiert mit einer Warnung auf Fehlermeldungen Die normale Navigation ist dann nicht mehr m glich 115 Realisierung der Sicherheitsarchitektur 116 7 Experimente In den folgenden 5 Experimenten werden die technischen sowie die klinischen Eigenschaften von Navigated Control f r die dentale Implantologie und f r FESS untersucht Navigated Control hat prinzipbedingt den Vorteil dass der Arzt sowie der Patient vor groben Fehlern gesch tzt werden Bei Navigated Control in der dentalen Implantologie hat sich in der Vergangenheit jedoch herausgestellt dass einfache Realisierungen den Operateur behindern Es muss also gekl rt werden ob die in dieser Arbeit beschriebene Realisierung ergonomisch ist und sich problemlos in der klinischen Routine anwenden l sst und ob der Operateur durch das ver schiedenartige Abschalten des Bohrers im Knochen nicht behindert wird F r diese Untersu chung wurde die technische Genauigkeit des Systems mit der Genauigkeit des navigierten und des manuellen Bohrens verglichen Die im Rahmen dieser Arbeit konzipiert und realisierte Leis tungssteuerung eines Bohrers ist dann ergonomisch wenn die Genauigkeit der mit Navigated Control durchgef hrten Bohrungen mit der Genauigkeit der navigierten Bohrungen vergleichbar ist Gleichzeitig wird erwartet dass Navigate
78. averachsengeometrie z B infolge der Benutzung einer neuen Shaverspitze durchgef hrt wer den Abbildung 61 Der Kalibrier und Registrierk rper wurde f r den Patiententracker der Fa RoboDent GmbH optimiert F r die Kalibrierung wird die Sackbohrung links im Kalibrierk rper zu sehen f r die Instrumentenregistrierung die Mulde rechts im Kalibrierk rper zu sehen verwendet Die Instrumentenregistrierung ver ndert s ch wenn s ch d e L nge des Shaverschaftes ver ndert Das ist der Fall wenn z B ein k rzerer gegen einen l ngeren Shaverschaft ausgewechselt wird Die Instrumentenregistrierung erfolgt immer automatisch Das Prinzip der Instrumentenregistrie rung ist wie im Folgenden erl utert die Instrumentenregistrierung ist fehlerhaft wenn die L nge eines Fehlervektors zwischen der gespeicherten und der tats chlichen Position der Shaverspitze nicht vernachl ssigbar st Verl uft dieser Fehlervektor vor allem entlang der Achse der in der Kalibriermatrix gespeicherten Z Achse des Shaverschaftes dann kann der Registrierfehler durch eine neue Instrumentenregistrierung ausgeglichen werden Andernfalls ist die Kalibrierung falsch und die Instrumentenregistrierung kann nicht durchgef hrt werden Neben der Bestimmung der L nge des Shaverschafts hat die Instrumentenregistrierung also auch die Aufgabe die Kal brierung zu berpr fen Bei einer korrekten Kal brierung muss die Instru mentenregistrierung automatisch erfolgen k nn
79. avers Werden jedoch weitere Instrumente benutzt und zus tzlich integriert dann kann ihre Benutzung als eine eigene Operationsphase des Ein eriffs modelliert und integriert werden Ein m gliches weiteres Instrument ist die navigierte Blackesley Zange der in einer geeigneten instrumentenspezifischen Weise navigiert wird 3 6 Schnittstellen In diesem Kapitel sind die Schnittstellen zwischen den einzelnen Komponenten beschrieben Die Schnittstellen sind unterteilt in Hardware und Softwareschnittstellen Bei der Beschreibung der Schnittstellen wird insbesondere auf die Integration von bereits vorhandenen mit neu entwickel ten Komponenten eingegangen 3 6 1 Hardwareschnittstellen Die Hardwarekomponenten sind ber vier Schnitten Ip Ins verbunden siehe Abbildung 37 beispielhaft f r den Shaver 59 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten in der Kopf Chirurgie e Die Hardwareschnittstelle Iy zwischen dem Navigationssystem und der Steuerelektro nik e die Hardwareschnittstelle Ip2 zwischen der chirurgischen Einheit der Steuerelektronik und dem Fu pedal e die Hardwareschnittstelle Ins zwischen der chirurgischen Einheit der Steuerelektronik und dem Instrument e sowie die Hardwareschnittstelle Ins zwischen der chirurgischen Einheit der Steuerelekt ronik und der Stromversorgung Die Ein und Ausgabeschnittstelle Iq ist eine serielle Schnittstelle die die Kommunikation zwischen den auf dem Navigationssystem ausgef
80. avigation erm glicht Diese untergeordnete Regelung r wird ber das Aktivierungssignal a k aktiviert P z k gt a k 15 Die Aktivierung eines geeigneten untergeordneten Reglers l sst sich auch als eine Suche nach einem geeigneten Verhalten auffassen Wenn der Suchraum klein ist z B bei einer nicht kom plexen Operation mit wenigen Operationsphasen dann k nnen s mtliche Suchpfade beim Sys tementwurf berechnet und kodiert werden In diesem Fall muss der Regler Planer lediglich nach einem geeigneten untergeordneten Regler in einer Tabelle nachschlagen Die m glichen untergeordneten Regelungen werden in diesem Fall in einer Nachschlagetabelle beim Systemdesign festgelegt und implementiert Die Zahl m glicher untergeordneten Regelun gen ist abh ngig von der Anzahl der unterschiedlichen Operationsphasen muss aber nicht mit der Anzahl der Operationsphasen bereinstimmen Vielmehr kann es notwendig sein die kli nisch vorgegebenen Operationsphasen in weitere Operationszust nde zu untergliedern so dass eine kliniktaugliche Leistungssteuerung von Instrumenten realisiert werden kann Beobachter Operationszustand Der Regler Planer P ben tigt f r die Bestimmung des Aktivie rungssignals a k den aktuellen Operationszustand z k Dieser zum Zeitpunkt k aktuelle Opera tionszustand z k wird vom Beobachter B aus der Menge o aller m glichen Operationszust nde gesch tzt Der Beobachter enth lt also ein Modell des Eingriffs und sch tzt
81. benachbarten Schichten reduziert werden 4 Der zu definierende Arbeitsraum ist verh ltnism ig klein Die typische Anzahl der axia len Schichten bei einem Schichtabstand von 1 mm betr gt 51 Schichten Die Ausdeh nung in der coronalen Schicht betr gt ca 35 mm die Ausdehnung in der sagittalen Schicht ca 95 mm Sr roe Do Abbildung 54 Links die Bedienoberfl che der Planung f r FESS umfasst die blichen Schnitte durch die CT Daten axial coronal sagittal und eine 3D Rekonstruktion der Patientenoberfl che rechts die bei der Segmentierung verwendeten Polygone sind entlang der axialen Schichten in der H he geschichtet 5 Der Arbeitsaufwand kann durch den Arzt je nach gew hlter Segmentierungsstrategie selbst bestimmt werden Die Segmentierung kann schnell erfolgen wenn der Arzt dabe den Arbeitsraum nur in den sch tzenswerten Regionen z B in der N he der Sch delba sis oder an der Grenze zum Auge definiert und in anderen Regionen ohne gef hrdeter Strukturen und mit eindeutiger Anatomie ohne die Leistungssteuerung des Shavers arbei tet siehe durchgezogen umrandetes Gebiet in Abbildung 55 Andererseits kann ein Arzt 87 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers eine umfassende Segmentierung vornehmen indem er den gesamten m glichen Arbeits raum definiert siehe gestrichelt umrandetes Gebiet in Abbildung 55 Die pr operative Planung umfasst die folgenden Schritte l Importieren der CT Da
82. beschreibung als ein hierarchischer beobachtergest tzter Zustandsregler ist aber dass es ein allgemeines Konzept f r Navigated Control einf hrt Mit diesem allgemeinen Konzept ist es m glich sowohl komplexe Eingriffe w e n der dentalen Implantologie als auch einfache Eingriffe w e der Shavereinsatz in FESS zu beschreiben F r FESS wird das Systemmodell vereinfacht da die Realisierung des Regler Planers des Beobach ters des Operationszustandes und der untergeordneten Regler einfacher als n der dentalen Implantologie sind Die Vereinfachung des Systemmodells erfolgt indem e Der Beobachter des Operationszustandes nur zwei Operationsphasen des Eingriffs bein haltet Shavereinsatz mit und ohne Navigated Control e der Regler Planer schaltet Navigated Control ein oder aus e es gibt nur zwei untergeordnete Regler wobei der Regler rl den Shavereinsatz ohne Na vigated Control zul sst und der Regler r2 die Leistung des Shavers beim berschreiten der n der Planung definierten Grenze des Arbeitsraums reduziert Tabelle 4 Die hohe Standardabweichung der Positionen der Shaverspitze bei der Variante B zeigt dass die Befestigung des Instrumententrackers am Shavergriff zu einer zu hohen Ungenauigkeit f hrt Ein weiterer Vorteil des allgemeinen Konzeptes eines Regler Planers mit einem Beobachter ist dass das System einfach erweitert werden kann In dieser Arbeit beschr nkt sich Navigated Control bei FESS auf die Benutzung eines Sh
83. bweichungen des Bohrers von der geplanten Boh rerlagen Ein und Ausschalten von Navigated Control etc e cin durch den Operateur ausgef llter Checklistenprotokoll mit Fragen zur Operation und zum Operationsverlauf e ein durch den Operateur erstellter Bericht 7 3 2 Ergebnis Alle Eingriffe konnten erfolgreich durchgef hrt werden In keinem Fall sind chirurgische Kom plikationen entstanden In allen F llen wurde f r den Verlauf des Eingriffs mit sehr zufrieden angegeben Navigated Control verursachte keinerlei Probleme und schaltete den Bohrer jenseits der tolerierten Grenzen bzw beim Erreichen der Zieltiefe ab F r den Patienten A wurde angegeben dass man den Eingriff zwar ohne das eingesetzte System h tte durchf hren k nnen In diesem Fall h tte der Eingriff jedoch nicht mit gleicher Qualit t nicht mit weniger Personal und nicht schneller durchgef hrt werden k nnen Die Frage nach einer preiswerteren M glichkeit wurde widerspr chlich beantwortet und wird hier deshalb nicht in die Auswertung einbezogen 125 Experimente F r den Patienten B wurde angegeben dass der Patient ohne das eingesetzte System nicht h tte behandelt werden k nnen Der Eingriff h tte nicht mit gleicher Qualit t nicht mit weniger Per sonal und nicht g nstiger durchgef hrt werden k nnen Eine Steigerung der Geschwindigkeit w re jedoch m glich gewesen F r den Patienten C wurde angegeben dass dieser Eingriff wie beim Patienten
84. cea Auge Gehirn Arterien d rfen nicht verletzt werden 3 Anatomischen Strukturen und Landmarken m ssen sicher identifiziert werden 4 Das Infektionsrisiko muss minimal sein 5 Der Operationsverlauf muss dokumentiert werden 6 Die Operationsdauer muss gering sein 7 Die verwendeten Systeme m ssen ergonomisch sein und d rfen den Arzt sowie den Pati enten nicht belasten 8 Die Behandlungskosten m ssen gering gehalten werden 1 2 Zielsetzung der Arbeit Das Ziel dieser Arbeit ist es das Prinzip Navigated Control klinisch zu adaptieren und Konzepte f r den Einsatz und die chirurgische Integration zu entwickeln Dazu wurden exemplarisch zwei bedeutsame Eingriffsformen die Implantologie und die Funktionale Endoskopische Sinuschi rurgie ausgew hlt Im Einzelnen soll d e Verletzung sensibler Strukturen systemimmanent verhindert werden Die pr operativ festgelegte Grenze des Eingriffs soll eingehalten werden Die Ergonomie soll m Vergleich zu den markt blichen Assistenzsystemen erh ht werden indem die st ndige Pr fung der Instrumentenposition durch den Arzt nicht mehr notwendig ist Eine kliniktaugliche Realisierung von Navigated Control soll f r einen manuell gef hrten Boh rer f r die dentale Implantologie und f r einen manuell gef hrten Shaver f r die HNO Chirurgie entwickelt sowie an Phantomen klinisch ausgewertet werden Es m ssen f r die beiden Eingriffsformen die folgenden Teilziele erf llt werden 1
85. ch eine Suche eine Koordinatentransformation bestimmt die den Abstand der entsprechenden pr und intraoperativen Merkmale minimiert H ufig werden k nstliche Merkmale Fiducials wie Hautmarker Titanschrauben Headsets oder Bissschienen verwendet Prinzipiell ist die Verwendung von Fiducials die einfachere Variante der Patientenregistrierung denn sie sind r ntgenopak und lassen sich konstruktionsbedingt gut sowohl in den Bilddaten und intraoperativ vermessen Allerdings ist die M glichkeit ihrer Ver wendung sehr von dem jeweiligen Eingriff abh ngig Es f llt immer zus tzlicher logistischer Aufwand an da die Fiducials sowohl w hrend des CT Scans als auch w hrend der Operation am Patienten angebracht sein m ssen Hautmarker werden vor dem CT oder MR Scan auf der Haut des Patienten angebracht werden jedoch leicht zusammen mit der Hautoberfl che verschoben und d rfen nicht zwischen der Bildgebung und Operation abgenommen werden Die Genauig keit von Hautmarkern liegt im Bereich von 2 mm Claes et al 2000 Titanschrauben werden direkt in den Knochen des Patienten eingeschraubt und erm glichen sehr genaue Patientenregist rierung mit Fehler von unter 1 mm Maurer er al 1997 k nnen jedoch nur bei Eingriffen ver wendet werden bei denen die Bildgebung unmittelbar vor der Operation durchgef hrt wird Die Verwendung von Titanschrauben muss auch hinsichtlich der Invasivit t abgewogen werden 20 Stand der Technik Eine nicht in
86. che Form auf dann kann die Segmentierung schnell durchgef hrt werden Abweichungen bei der Patientenanatomie Weicht die Patientenanatomie durch Deforma tionen Vorerkrankungen oder durch atypische Merkmale von gewohnten Bildern ab dann muss der Arzt sich mehr auf die anatomischen Begebenheiten konzentrieren was die Segmentierungszeit verl ngern K nnte Parametrisierung der CT Daten Moderne Computertomographen bieten die M glichkeit CT Daten mit einer sehr geringem Schichtabstand zu erstellen Obwohl diese Schichtab st nde f r FESS auch aus Gr nden der Strahlenbelastung nicht notwendig und nicht ty pisch sind k nnen in Zukunft verst rkt CT Daten mit sehr vielen Schichten erstellt werden Diese Schichten m ssen durch den Arzt ausgewertet werden was die Segmen tierungszeit verl ngern k nnte Artefakte Bewegungen des Patienten w hrend der CT Aufnahme sowie Metallartefakte durch Platten und Schrauben nach Br chen Osteotomien etc k nnen zu Problemen bei der Auswertung der CT Daten f hren was die Segmentierungszeit verl ngern k nnte 7 5 Kavitaterzeugung mit einem leistungsgesteuerten Shaver am Phantom In dem hier beschriebenen Experiment wurde die Genauigkeit der Abtragung einer Kavi t t mit dem Shaver an einem technischen Phantom untersucht Die Kavit t wurde mit dem leistungsge steuerten Shaver abgetragen Die Kavit ten wurden in einem Punktraster mit einer Koordina tenmessmaschine vermessen und die Abweichunge
87. che Registrierverfahren Eine falsche Positionierung des Bohrers wird durch das Navigationssystem erfasst und s gnalisiert z B durch ein akustisches Signal bei zu geringer Entfernung zwischen einer sensiblen Struktur und der Bohrerspitze bzw der Bohrerachse Ein Navigationssystem hat jedoch keine M glichkeit die optimale Umsetzung der Planung sicherzustellen oder zu beeinflussen Die Abweichung der tats chlichen von der optimalen Bohr position wird zwar dargestellt aber das Navigationssystem kann den Arzt nicht am Bohren mit hoher Abweichung hindern Ein weiteres Problem ist die hohe Beanspruchung des Arztes durch das Navigationssystem F r das Erreichen einer optimalen Bohrposition und f r die Erhaltung der sensitiven Strukturen muss der Chirurg die visuelle Anzeige beim Bohren ununterbrochen berwachen Diese Aufgabe wird durch Hilfsmittel wie eine geeignete Darstellung Miniaturbildschirme in unmittelbarer Patien tenn he oder durch akustische Signale erleichtert Ein Navigationssystem erfordert dennoch viel Aufmerksamkeit des Arztes wodurch der Arzt erm det und die Aufmerksamkeit auf den Patienten abnimmt Die Bohrschablonen beschr nken zwar die Bewegungsfreiheit des Bohrers so dass nur eine Bohrung entsprechend der pr operativen Planung m glich ist Allerdings ist die Fertigung von Bohrschablonen mit st ndigen laufenden Kosten verbunden Sie erfordert auch einen hohen logistischen Aufwand Ein weiteres Problem ist der unsiche
88. chen Eingriffe in der dentalen Implantologie weisen sowohl Gemeinsam keiten als auch Unterschiede auf Beide Eingriffe werden am Kopf durchgef hrt das Operationsgebiet wird von kn chernen Strukturen umgeben Es wird jeweils ein steifes gewe beabtragendes Instrument verwendet die Planung erfolgt anhand von CT Daten Die Unterschiede liegen in der konkreten intraoperativen Vorgehensweise und in den verschie denen Operationszielen In der dentalen Implantologie werden Titanimplantate in Patientenkie fer gesetzt auf denen der Zahnersatz montiert ist Fiir diese Titanimplantate werden von dem Implantologen Bohrungen in den Patientenkiefer gesetzt Der Eingriff findet unter lokaler An s thesie statt Vor dem Eingriff wird eine genaue Planung durchgef hrt bei der eine optimale Position der Implantate auf der Grundlage von R ntgen und CT Daten bestimmt wird Die typischen CT Schnitte axial sagittal und coronal sind in der Abbildung 4 dargestellt Tetsch und Tetsch 2001 Bei FESS wird entz ndete Schleimhaut aus den Nasennebenh hlen entfernt F r die Entfernung wird entweder eine mechanische Zange Blackesley oder mit ein elektrisch betriebener Shaver eingesetzt W hrend der Planung des Eingriffs wird in den CT Daten und endoskopisch der auszur umende Bereich identifiziert Der Eingriff erfolgt unter Vollnarkose Hosemann et al 2000 Behrbohm er al 1998 Stammberger 2004 Die Tabelle 1 stellt die Unterschiede und Gemeinsamkeiten der be
89. d wechselt das System in den Zustand Bohrer neben Implantat X Dieser Zustand ist wie in Abbildung 42 dargestellt pro gesetztes Implantat vorhanden In den Unterzust nden dieses bergeordneten Zustands werden die eigentlichen f nf Operationszust nde abgebildet Beim erstmaligen Wechsel n diesen Zustand muss bei jedem Implantat einmalig die Knochenoberfl che bestimmt und angek rnt werden Wenn der Arzt zwischen den Implantaten wechselt dann w rd der verlassene Zustand Bestimmung der Kno chenoberfl che Ank rnen oder Bohren gemerkt Beim Wechsel zur ck zu dem verlassenen Implantat wechselt das System ber den History Eintrittspunkt n den entsprechenden Unterzu stand Nah an Zieltiefe Bohren Tief gebohrt 2 t8 gt Richtungsbohren Tiefenbohren Implantatende bohren Abbildung 43 Der bergeordnete Zustand Bohren beinhaltet weitere untergeordnete Zust nde die den eigentlichen Bohrvorgang modellieren Der Zustand Bohren der Abbildung 43 ist ebenfalls ein bergeordneter Operationszustand siehe Abbildung 42 Im Zustand Richtungsbohren hat der Arzt die M glichkeit die Ausrichtung des Bohrers im Knochen zu ndern Dringt der Bohrer in den Knochen vor dann gibt der Knochen selber eine F hrung vor Der Arzt hat keine M glichkeit mehr den Winkel der Bohrerachse anzupassen Das System befindet sich dann im Zustand Tiefenbohren Wenn die Bohrerspitze sich an die Implantatspitze n hert muss der Bohrer vorschic
90. d Abbildung 45 verglichen werden dann ist deutlich sichtbar dass der normale Bohrprozess durch wiederholtes Abschalten des Bohrers unterbrochen ist Die Leistung des Bohrers wird jedes Mal auf das Minimum von 3 reduziert wenn die maximale mm Vorschubgeschwindigkeit von 0 1 berschritten wird Diese maximale Geschwindigkeit Sample wird n der N he der Zieltiefe proportional verringert siehe Beschreibung des untergeordneten Regler r7 im Kapitel 4 6 Trotz der Bem hung beim Experiment m glichst schnell zu Bohren um eine berschreitung der Zieltiefe zu provozieren war das durch die kombinierte Verwen dung der Vorschubbegrenzung und der proportionalen Leistungsreduktion bei Ann herung an die Zieltiefe nicht m glich Die berschreitung der Zieltiefe bleibt mit ca 0 4 mm sehr gering Dieses Ergebnis wurde auch experimentell best tigt siehe Kapitel 7 2 Tiefe der Bohrerspitze relativ zum Implantat 14 Vorschubgeschwindigkeit mm sample 10 fach vergr ert E Leistung 10 fach verkleinert a u D Abschnitt A Abschnitt C Abschnitt E O Abschnitt B J gt 10 i oat Ai a aiia T HT ET Q l i 1 hi ill to Ii oe Ai Vi io wt GE tom 2 iM R re ae 5 r E i SR T mee Pio dd OR OT Est E f EO OMN gi ja E 2 A Doi ij Sii ai j Fi ay am 6 gt 4 ti i iii i i 4 J D lj i ii i y TET E E mL I 1 ii i JE 4 a E O aa 8 j I ii 1 I iM 1 i i on oO j i i 1 ti i i i Hi e a 1 i 4 i i iv i i tj
91. d Control eine h here Genauigkeit als manuell durchgef hrte Bohrungen aufweist Ferner wird gepr ft ob sich das System in klinischen Eins t zen bew hrt Es wird erwartet dass der Arzt nicht durch die Abschaltung des Bohrers behindert wird In einem weiteren Experiment wird die Auswirkung der Begrenzung des Bohrvorschubs untersucht Sollte sich die oben aufgestellte Hypothese experimentell best tigen dann k nnen daraus fol sende Eigenschaften f r die in dieser Arbeit vorgestellte neuartige Umsetzung der Leistungsteue rung f r die dentale Implantologie abgeleitet werden l Mit Navigated Control kann genauer als manuell gebohrt werden 2 Navigated Control verhindert im Gegensatz zur Navigation grobe Fehler beim Bohren die zur Verletzung von sensiblen Strukturen f hren k nnen 3 Die in dieser Arbeit beschriebene Realisierung von Navigated Control ist ergonomisch und eignet s ch f r den klinischen Einsatz Im Gegensatz zur dentalen Implantologie gibt es bei der Funktionalen Endoskopischen Sinuschi rurgie keine Erfahrungen mit navigierten Eingriffen bei denen das entz ndete Gewebe nach einer pr operativ erstellten Planung abgetragen wird Es existiert also kein hnliches System das mit dem hier vorgestellten System mit Navigated Control f r FESS verglichen werden kann In dem hier vorgestellten Experiment wird die technische Genauigkeit experimentell bestimmt und ausgewertet Dabei wird die Genauigkeit ohne Sicherheitsabst
92. d Control im Zustand Bohren ohne Navigated Control Der Arzt kann den Bohrer frei verwenden und seine Leistung beliebig steuern z B f r die Gl ttung des Alveolarkamms oder f r einen S nuslift Anschlie end schaltet er Navigated Control ein Nach dem Einschalten von Navigated Control wechselt das System in den untergeordneten Zustand Bohrerposition ung ltig Der Operateur kann jederzeit Navigated Control abschalten Es ist auch beliebiger Wechsel zwischen Ein und Ausschalten von Navigated Control m glich weil der Systemzu stand beim Wiedereinschalten von Navigated Control durch die Verwendung von History Eintrittspunkten wiederhergestellt werden kann Eine Bohrerposition ist ung ltig wenn e Der Patiententracker oder Instrumententracker f r den optischen Positionsmesssensor nicht sichtbar ist e der Bohrer nicht kalibriert ist d h wenn der Verlauf der Bohrerachse relativ zum Instru mententracker nicht bestimmt ist 68 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers e der Bohrer nicht registriert ist d h wenn die Position der Bohrerspitze relativ zum In strumententracker nicht bestimmt ist und e die Bohrerspitze zu weit von einem Implantat entfernt ist Diese letzte Bedingung ist notwendig um eine implantatspezifische Zustandsmodellierung der Operationszust nde zu erm glichen Nachdem der Patienten und Instrumententracker sichtbar und der Bohrer kalibriert registriert und in die N he eines Implantats gebracht wir
93. d die relativen Abweichungen der 301 gemessenen Positionen der Shaverspitze w hrend die Shaverspitze festgehalten und der Griff ohne gro en Kraftauf wand bewegt wurde dargestellt Daraus folgt dass eine mechanisch aufw ndige Trackerhalterung am Shaverschaft die einfach demontiert und zusammengesetzt werden muss und die eine Rotation des Shaverschaftes erm g licht konstruiert werden muss Die Realisierung ist im 5 2 1 beschrieben Das Navigationsmodul visualisiert die CT Daten und den Arbeitsraum relativ zum Shaver Wie in der Planung werden beim Navigationsmodul die CT Schnitte axial coronal sagittal sowie die 3D Oberfl che des Patientengesichts dargestellt Die Schnitte werden an der Position der Spitze des Shavers positioniert Es wird ebenfalls der axiale coronale und sagittale Schnitt durch den pr operativ festgelegten Arbeitsraum an der Shaverspitze visualisiert 58 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten n der Kopf Chirurgie Die Analyse des klinischen Einsatzes eines Shavers zeigt dass die Benutzung des Shavers bei FESS nicht in verschiedenen Operationsphasen abl uft Vielmehr setzt der Chirurg den Shaver immer auf die gleiche Weise ein in dem er den Shaver in beliebige Richtungen im Sinus bewegt und das entz ndete Gewebe abtr gt Diese einfache Benutzung kann allerdings auch damit zu sammenh ngen dass der Shaver ein relativ neues Instrument ist Der Vorteil des im Kapitel 3 4 vorgestellten dynamischen System
94. de Shaverspitze ber hrten Voxeln a j werden Korrekturvek toren abgeleitet Die Abbildung stellt f r eine bessere bersichtlichkeit die Voxeln a j bertrieben gro im Verh ltnis zu den Shaverdimensionen dar Die tats chliche Menge der schwarz eingef rbten Voxel und der Korrekturvektoren ist deutlich h her Die Berechnung der Menge K kann in der beschriebenen Form durchgef hrt werden da die Ausrichtung des Patienten beim CT Datensatz ber ein Scanprotokoll festgelegt ist Durch diese Festlegung st es bekannt dass z B n der Abbildung 68 der Shaver von rechts nach links einge f hrt wird Auf geringe Abwinklungen des Shavers durch den Arzt wird weiter unten siehe Abbildung 70 eingegangen Im n chsten Schritt wird die Einf rbung des Arbeitsraums angepasst F r jedes eingef rbte Voxel vx an der Position pyx des Arbeitsraums wird gepr ft ob es nicht eingef rbte Voxel gibt die durch den Shaver beeintr chtigt werden k nnten Die berpr fung findet in 84 und 85 mit den Korrekturvektoren der Menge K statt gibt es einen Korrekturvektor px aus K der von der Position pyx des eingef rbten Voxels vx zu einem nicht eingef rbten Voxel zeigt Wird diese Bedingung erf llt dann wird die Farbe des untersuchten eingef rbten Voxels vx ver ndert 86 Damit der Arbeitsraum durch die bei der Untersuchung neu entstehenden Randvoxel nicht st n dig schrumpft werden die neuen Voxel nicht als farblos sondern als blass markiert Di
95. den sind im Detail erl utert Zun chst werden auf die f r beiden Anwendungen dentale Implantologie und FESS gemeinsame Hardwarekomponente Steuerelektronik und die Softwarekomponente Steuer programm beschrieben Auf die Softwarekomponente Sicherheitsassistent wird hier nicht zus tz lich eingegangen da diese vergleichsweise einfache Komponente im Kapitel 3 4 bereits vorgestellt wurde Anschlie end werden die f r die beiden Eingriffe spezifischen Komponenten vorgestellt 3 5 1 Gemeinsame Hardwarekomponente Steuerelektronik Die Steuerelektronik ist eine eigene von der Navigationsplattform getrennte Hardwarekompo nente Die Trennung erm glicht eine modulare Bauweise so dass die Erweiterung einer beliebi 50 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten n der Kopf Chirurgie gen Navigationsplattform f r Navigated Control durch die Anpassung der Software und einfache Verkabelung mit einer externen Elektronik realisiert werden kann Eine Erweiterung der Hard ware der Navigationsplattform ist bis auf die Bereitstellung einer geeigneten Schnittstelle nicht notwendig Auf die Schnittstellenproblematik wird m Kapitel 3 6 eingegangen Die Steuerelektronik erf llt drei Aufgaben 1 Ein und Ausgabe der f r das Steuerprogramm ben tigten Signale 2 Ein und Ausgabe von Signalen f r die berwachung der Hardware und Softwarekom ponenten 3 Ausf hrung der Softwarekomponente Steuerprogramm auf der enthaltenen PC Hardwar
96. des Oberfl chenmodells des Arbeitsraums h ngt jedoch von der Form und von dem Umfang der pr operativen Segmentierung ab Bei kleinen Modellen m ssen weniger Vertexe untersucht werden als bei gro en Modellen Da diese Berechnung aber f r das Ausschalten des Instruments ben tigt wird w rde diese var able Rechendauer sich direkt auf den Nachlauf des ausgeschalte ten Shavers auswirken Um den Nachlauf nicht von der Komplexit t der verwendeten Modelle abh ngig zu machen wurde der voxelbasierte Ansatz gew hlt 5 3 1 Regler Planer und untergeordnete Regler Die Leistungssteuerung eines Shavers ist weniger komplex als die Steuerung eines Bohrers Wie im Kapitel 3 5 4 beschrieben m ssen f r den Shaver nicht verschiedene Operationsphasen unterschieden werden In der derzeitigen Realisierung h ngt die Leistung des Shavers von der Position der Shaverspitze relativ zum geplanten Arbeitsvolumen ab Der Shaver wird abgeschal tet wenn die Shaverspitze sich au erhalb des Arbeitsvolumens befindet Aus diesem Grund besteht das in Abbildung 66 darstellte Gesamtmodell des Systems fiir den Einsatz eines Shavers nur aus zwei Zust nden und ist einfacher als das komplexe Modell f r das Bohren siehe Abbildung 42 Shaver ohne Leistungssteuerung Leistungssteuerung Leistungssteuerung wird eingeschaltet wird ausgeschaltet Shaver mit Leistungssteuerung Abbildung 66 Das Modell des chirurgischen Eingriffs mit Navigated Control f r FESS beinhaltet
97. des klinischen Eingriffs analysiert und beim System konzept und bei der Realisierung ber cksichtigt wurde erm glicht Entsprechend dem Stand der Technik handelt es sich dabei um das erste klinische System das das Operationsergebnis direkt beeinflussen kann ohne den Arzt bei der gewohnten Freihandf hrung des Instruments zu beein tr chtigen In Experimenten wurden die Umsetzung des Konzepts und die Eignung des Systems nachgewiesen Es wurde ein neuartiger phasenorientierter Ansatz f r d e Leistungssteuerung konzipiert und realisiert der es dem Anwender erm glicht die durch die Leistungssteuerung gesteuerten In strumente in gewohnter Weise und nur mit minimalen nderungen des Operationsablaufs einzu setzen Diese ergonomische Einbindung von Navigated Control zusammen mit der im Rahmen dieser Arbeit realisierten Sicherheitsarchitektur die die Leistungssteuerung berwacht erm g licht die Entlastung des Chirurgen da bei der jetzt m glichen kontrollierten Umsetzung der pr operativen Planung das Instrument beim berschreiten dieser Planung abgeschaltet wird auch wenn der Arzt die audiovisuelle Darstellung des Navigationssystems fehlinterpretiert Die Ber cksichtigung der spezifischen Eigenschaften eines Bohrers und eines Shavers erm gli chen einen sicheren Schutz von gef hrdeten sensiblen Strukturen Durch die Ber cksichtigung der Vorschubgeschwindigkeit des Bohrers kann trotz des Nachlaufs des Systems die geplante Tiefe nicht be
98. deutung des Kopfes wird auch durch die hohe Spezialisierung der Medizin in diesem Bereich deutlich Die verschiedenen Disziplinen sind u a die Hals Nasen und Ohrenheilkun de die Neurochirurgie oder die Mund Kiefer und Gesichtschirurgie Gleichzeitig existieren Ahnlichkeiten beim Einsatz von Instrumenten bei einigen chirurgischen Eingriffen am Kopf z B die Gr e und Art der Instrumente oder die Patientenlagerung Der Gegenstand dieser Arbeit ist die erstmalige kliniktaugliche Konzipierung und Realisierung sowie die technische und die klinische Bewertung des neuartigen Assistenzprinzips Navigated Control Dabei wird die Anwendung von Navigated Control fiir das Bohren in der dentalen Implantologie und fiir den Shavereinsatz in der HNO Chirurgie untersucht und beschrieben Ein Shaver ist ein rotierendes Instrument das Polypen und d nne Knochen zerkleinert und absaugt Diese beiden Anwendungen repr sentieren exemplarisch zwei g nzlich verschiedene im klini schen Alltag h ufig anzutreffende Arten des Abtragens von Hartgewebe Beim Bohren soll ein r umliches Ziel das idealisiert durch eine unendlich d nne Linie dargestellt werden kann er Einleitung reicht werden Mit dem Shaver soll hingegen ein Volumen mit einer Ausdehnung von mehreren Zentimetern abgetragen werden Die Unterschiede bei der Instrumentenf hrung bei den beiden Arten des Abtragens f hren zu verschiedenen L sungsans tzen bei der Instrumentensteuerung die n dieser
99. die Vereinfachung der Modellierung wird ein hierarchischer endlicher Zustandsautomat verwen det Das System befindet sich nur innerhalb der f nf genannten Operationszust nde wenn a Das System erkennen kann welches das aktuelle Implantat st das hei t welches der meist mehreren Implantatbetten der Operateur aufbohren will b Navigated Control aktiviert ist wie im Kapitel 3 3 beschrieben muss der Operateur vor der Insertion der Implantate die M glichkeit haben den Bohrer ohne Navigated Control beliebig einzusetzen Das ist notwendig um zum Beispiel die Gl ttung des Alveolar kamms durchzuf hren Bestimmung der PROERSNDDORUNEHE Knochenoberfl che Knochenoberfl che 7 4 Ank rnen coic Abbremsen Bestimmung der C Bohren ve CD ge Bu apy Ach Herausnehmen gee aa h a a l j 1 ts x i 1 L f Herausnehmen Abbildung 41 Die dargestellten Operationszust nde sind pro geplantem Implantat vorhanden Die Erkennung des aktuellen Implantats ist notwendig da die f nf Operationszust nde implan tatspezifisch sind Jedes Implantat muss angek rnt und gebohrt werden Wie in der Abbildung 41 dargestellt g bt es pro gesetztes Implantat einen Zustandsautomaten denn der Chirurg kann prinzipiell alle einzelnen Operationszust nde nacheinander bei einem Implantat durchgehen oder jeden Operationszustand nacheinander an jedem Implantat aktivieren 67 Realisierung der Leistungssteu
100. e Die Ein und Ausgabe von Signalen f r Navigated Control muss die Steuerung von g ngigen chirurgischen Einheiten erm glichen Die am Markt verf gbaren Ger te zum Fr sen Bohren und hnliche Aufgaben in der Medizin verf gen alle ber ein Fu pedal so dass einerseits eine einfache Steuerung des Instruments erm glicht wird und andererseits der sterile Chirurg seine H nde frei einsetzen kann und das Operationsgebiet nicht verlassen muss Viele Fu pedale beinhalten lediglich einen oder zwei Potentiometer sowie Schalter f r die Einstellung der Dreh zahl und das Ein und Ausschalten der Instrumente siehe Abbildung 31 Bei der bertragungs strecke zwischen der chirurgischen Einheit und dem Fu pedal handelt es sich bei den lteren und vielen der aktuellen Ger te um ein mehrpoliges Kabel mit analogen Signalen im Spannungsbe reich OV bis 10V F r die Zukunft ist jedoch zu erwarten dass hier verst rkt Busse wie der IC Bus zum Einsatz kommen Fu pedal Abbildung 31 Die Steuerelektronik liest die am Fu pedal durch den Arzt eingestellte Instrumentenleistung ein und verringert diese in Abh ngigkeit von dem Signal des Navigationssystems Wegen der einfachen Schnittstellen zwischen den Fu pedalen und den chirurgischen Einheiten wird die Leistungselektronik zwischen dem Fu pedal und der chirurgischen Einheit f r die Ein und Ausgabe der Leistungssignale geschaltet Die bertragungsstrecke ist meist analog In der Beispielabbildu
101. e Applikationen Dissertati on an der Charite In Fortschritt Berichte Reihe 17 Nr 195 VDI Verlag Hein A M Klein T C Lueth J Queck M Stien O Schermeier J Bier 2001b Integra tion and Clinical Evaluation of an Interactive Controllable Robotic System for Anaplastology MICCAT 2001 Utrecht Netherland 14 17 Oct pp 591 598 Hintze J J Cordes B Preim I Hertel G Strauss U Preim 2005 Bildanalyse fiir die pr operative Planung von Neck Dissections Bildverarbeitung f r die Medizin 2005 Heidel berg 13 15 M rz Hommel G 1997 Programmiermethoden der Robotik Vorlesungsscript TU Berlin Pro zeBdatenverarbeitung und Robotik Hosemann W G R K Weber R E Keerl V J Lund Minimally Invasive Endonasal Sinus Surgery Thieme Stuttgart New York 2000 Jacobs K 1997 Computertomographie in der Implantologie ZWR 104 4 pp 16 22 Kherani S Javer A R Woodham J D Stevens H E 2003 Choosing a Computer Assisted Surgical System for Sinus Surgery Journal of Otolaryngology 32 3 pp 190 197 140 Literatur Kneissler M Hein A M tzig M Thomale U W Woiciechowsky C Lueth T C 2003 Concept and Clinical Evaluation of Navigated Control in Spine Surgery AIM International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics Kope Japan July 20 24 Reprinted in Proceedings of the 2003 IEEE ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics AIM 2003 IE
102. e reale Ausdehnung unber cksichtigt So betr gt der Durchmesser des realen Shavers ca 3 mm Damit ist prinzipiell die Abtragung von Gewebe 1 5 mm au erhalb des Arbeitsraums m glich in der Abbildung 67 rechts werden so die drei Gewebezellen a bis f die au erhalb des Arbeitsraums liegen beeintr chtigt Um die verschiedenen Fehlereinfl sse ber cksichtigen zu k nnen und damit die Abtragung des Gewebes au erhalb des Arbeitsraums zu verhindern kann der geplante Arbeitsraum um einen S cherheitsabstand verringert werden Dieser Sicherheitsabstand h ngt ab von dem jeweils kom pensierten Fehler Die Verringerung des Arbeitsraums wird pr operativ durchgef hrt und der angepasste Arbeitsraum wird f r den Eingriff gespeichert Eine Alternative w re die Durchf h rung der entsprechenden Pr fungen intraoperativ f r jeden Rechenzyklus Die hier beschriebene Vorgehensweise der Vorausberechnung hat den Vorteil dass intraoperativ die Anforderungen an die Rechenleistung verringert werden k nnen In diesem Kapitel ist beschrieben w e die Differenz zwischen der realen und der modellierten Ausdehnung des Shavers f r den Sicherheitsabstand ber cksichtigt werden kann Die genaue 101 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers Dimensionierung des Sicherheitsabstandes ben tigt au erdem weitere unter anderem die oben genannten Faktoren die experimentell in Genauigkeitsmessungen untersucht werden m ssen Abbildung 67 Links Der
103. e statistischen Merkmale f r alle 7 Segmentierungen N und f r die letzten 6 Segmentierungen N aufgef hrt min sec Segmentierung Segmentierungszeit Os min sec 0 34 O s min sec 0 13 Ns BEN Os min sec 0 24 os min sec 0 10 In diesem Experiment wurde die Zeit gemessen die ein erfahrener HNO Chirurg f r eine Seg mentierung ben tigt Daf r wurden CT Aufnahmen zu behandelnder Patienten verwendet Der Operateur musste die Segmentierung so schnell wie m glich nach eigenem Ermessen durchf h 127 Experimente ren und abspeichern Der Arzt hatte vor dem Experiment keine Erfahrungen mit dem Planungs modul die f r die Segmentierung notwendigen Schritte wurden unmittelbar vor dem Experiment erl utert Die Tabelle 15 links stellt die f r die Segmentierung ben tigten Zeiten dar Die statistischen Merkmale sind in der Tabelle 15 rechts dargestellt Die Werte ssi O51 Oyus sind statische Merkmale f r die alle Ns 7 Segmentierzeiten s in Betracht gezogen wurden und die nach den Formeln 95 97 berechnet wurden Die Werte us2 052 Oys2 Sind f r Nso 6 ohne der ersten Segmentierung s analog berechnet Bis auf die erste wurden alle Segmentierungen in einer k rzeren Zeit als die geforderte Maxi malzeit von 5 min durchgef hrt Die durchschnittliche Segmentierzeit fs ist mit 4 30 min ebenfalls deutlich kleiner als die vorgegebene Maximalzeit Dauer der Segmentierung min 0 1 2 3 4 5
104. ebiet das Luft entz ndete und normale Schleimhaut sowie Knochen einschlie t Die M glichkeiten moderner Navigationssysteme beschr nken sich auf die Festlegung von Ziel punkten und trajektorien sowie auf eine einfache Segmentierung die nicht auf eine schnelle Festlegung des auszur umenden Gebiets optimiert st Eine einfache grauwertbasierte Segmen 30 Stand der Technik tierung scheint aufgrund der unterschiedlichen Dichten der vom Volumen umschlossenen Mate rie nicht m glich 31 Stand der Technik 32 3 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten in der Kopf Chirurgie 3 1 Eigener Ansatz Das im Rahmen dieser Arbeit vorgeschlagene System zeichnet sich durch folgende neuartige Eigenschaften aus Kliniktaugliches phasenorientiertes System mit Navigated Control Eine kliniktaug liche systemimmanente Umsetzung der pr operativen Planung wird durch die Ber ck sichtigung der intraoperativen Operationsphasen f r die Leistungssteuerung von Instrumenten erreicht Die chirurgischen Eingriffe werden analysiert und die einzelnen intraoperativen Schritte d e jeweils eine unterschiedliche Benutzung des chirurgischen Instruments erfordern werden identifiziert Beim Bohren kann unter anderem das An k rnen als eine einzelne Operationsphase die sich vom eigentlichen Bohren unterschei det identifiziert werden F r die Ber cksichtigung der Operationsphasen wird ein hierarchischer Regelkreis der einen beobachterbasierten
105. eichung zwischen der tiefsten Stelle der Bohrung und der Achse des geplanten Implantats 2 Av Vertikale Abweichung zwischen der tiefsten Stelle der Bohrung und der tiefsten Posi tion des geplanten Implantats 118 Experimente 3 Aa Winkelabweichung zwischen der Achse des geplanten Implantats und der Achse der Bohrung F r das freih ndige Bohren werden sowohl f r Ah Av als auch f r Ag hohe Abweichungen von mehreren Millimetern erwartet da der Arzt hier keinerlei Positionierhilfen relativ zur pr opera tiven Planung hat Das freih ndige Bohren entspricht der konventionellen Behandlung durch einen Implantologen ohne ein computergest tztes Assistenzsystem F r die durchschnittliche Abweichung und f r die Standardabweichungen des navigierten und der mit Navigated Control durchgef hrten Bohrungen wird 1 mm f r die horizontale 0 5 mm f r die vertikale und 1 5 f r die Winkelabweichung erwartet 71 1 Aufbau F r die Versuche wurden Phantome wie in Abbildung 78 links verwendet Die Phantome beste hen aus dem Schnellgie harz Biresin G26 der Firma Sika Die Form der Phantome ist einem menschlichen Kiefer nachempfunden sie bieten Platz fiir die Planung von insgesamt bis 10 Implantaten auf der rechten und der linken Kiefernseite Es wird die bissschienenbasierte Patien tenregistrierung verwendet Dafiir wird ein Navigationsbogen verwendet siehe Abbildung 78 rechts Der Navigationsbogen ist ein r ntgenopaker autoklavierbarer
106. en n der Kopf Chirurgie Escape Zeichen Befehlsinhalt 1 Befehlsinhalt 2 5 Byte Abbildung 39 Ein Kommunikationsbefehl f r den Datenaustausch zwischen dem Navigationssystem und der Steuerelektronik besteht aus 5 Bytes Die Softwareschnittstelle Is9 nutzt die Hardwareschnittstelle Iq f r die Kommunikation zwI schen den auf dem Navigationssystem ausgefiihrten Sicherheitsassistent und dem auf der Steuer elektronik ausgef hrten Steuerprogramm Die Schnittstelle stellt die folgenden Befehle zur Verf gung die aus je 5 Bytes bestehen siehe auch Abbildung 39 1 Abschalten 2 Durchschalten 3 Leistung reduzieren Lebenszeichen Quittiersignal von der Steuerelektronik zum Navigationssystem 4 5 Fehler 1 6 7 Fehler N Das erste Byte beinhaltet ein Escape Zeichen das zweite den Code des Befehls die Bytes drei und vier den befehlsspezifischen Inhalt und das letzte Byte eine Checksumme Die Checksum me wird durch XOR der ersten vier Bytes gebildet Das Escape Zeichen stellt sicher dass die Verbindung zwischen Navigationssystem und Steuerelektronik zum beliebigen Zeitpunkt anfan gen kann Der Anfang des Befehls wird immer erkannt Die Befehle sind so kodiert dass das Escape Zeichen nicht in dem Befehl vorkommt 63 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten in der Kopf Chirurgie 64 4 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers Die Leistungssteuerung eines Bohrers wurde auf der Grundlage des Navigationssystems R
107. en Gibt es einen Fehler in der Kalibrierung dann kann keine Instrumentenregistrierung erfolgen In diesem Fall muss die Kalibrierung erneuert werden F r die Kalibrierung und f r die Instrumentenregistrierung wurde ein Kalibrier und Registrier k rper konstruiert und aus Titan gefertigt siehe Abbildung 61 Der Kalibrier und Registrier k rper ist fest mit dem Patiententracker verbunden Die Geometrie des Kalibrier und Registrierk rpers verf gt ber zwe Merkmale die f r die Kalibrierung und Instrumentenregist r erung ben tigt werden eine Sackbohrung und ber eine Mulde Die Position und die Orientie rung der Sackbohrung ist durch die Transformation shaverTrackern die Position der Mulde durch 95 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers den Vektor py oin bestimmt Mit Hilfe der Sackbohrung wird die Achse des Shaverschaf tes mit Hilfe der Mulde die Position der Shaverspitze auf dieser Achse bestimmt patTracker a Ppoint shaverTrackery alib Abbildung 62 Bei der Kalibrierung wird der Shaver in die Sackbohrung eingebracht bei der Instrumenten registrierung in die Mulde gehalten F r die Kalibrierung wird die Spitze des Shavers in die Sackbohrung bis zum Anschlag einge f hrt Die Position und die Achse der Sackbohrung sind durch die Transformation T im Koordinatensystem des Patiententrackers gegeben siehe Abbildung 62 Befindet sich der Shaverschaft in der Sackbohrung dann st
108. en der wie bei dist r k nicht fortschrittsabh ngig ist Diese Forderung bedeutet dass die Metrik in einem Operationszustand fortschrittsunabh ngig sein soll Eine als korrekt bezeichnete Lage des Bohrers bleibt korrekt wenn der Arzt ausgehend von dieser Lage ohne weitere Abweichungen bohrt Allerdings bedeutet diese Forderung eben falls dass die Metriken der einzelnen Zust nde derart verkn pft sein m ssen dass ein Bohrvor gang ausgehend aus einer korrekten Bohrerlage im Zustand zl immer zu einer korrekten Bohrerlage im Zustand z2 berf hrt werden kann Die Metriken d rfen nicht so beschaffen sein 73 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers dass ausgehend von einer korrekten Bohrerlage im Zustand zl eine derartige Bohrerlage im Zustand z2 erreicht werden kann mit der nicht ohne die Abschalten von Navigated Control die Bohrung durchgef hrt werden kann Eine m gliche fortschrittsunabh ngige Metrik st angelehnt an 21 jedoch muss der Abstand zwischen Bohrer und geplanter Implantatachse anders berechnet werden Das Problem der Fort schrittsabh ngigkeit von 21 ist bedingt durch die Berechnung des Abstandes der Bohrerspitze von der Implantatachse 8 JiStarittep k Beim Fortschritt des chirurgischen Eingriffs ver ndert sich dieser Abstand zwischen dem Bohrer und der geplanten Implantatachse Eine bessere Be stimmung des Abstandes zwischen Bohrer und Implantatachse ist in 29 dargestellt siehe auch
109. en adh s ven Kr fte Koeck und Wagner 2004 problematisch Neben psychologischen Aspekten beim Sprechen oder Essen ben Patienten mit implantatgetragenem Zahnersatz im Unterkiefer einen um bis zu 85 h heren Kaudruck aus Koeck und Wager 2004 Je weiter der Knochen au erdem im Laufe der Jahre abgebaut wird desto schwieriger wird es bei durch Saugeffekt gehaltenen Pro thesen ausreichenden Halt zu erzielen Tetsch und Tetsch 2001 Einleitung Ein Vorteil des implantatgetragenen Zahnersatzes ist dass dieser auch bei Totalverlust einen festen Sitz der k nstlichen Z hne bietet Tetsch und Tetsch 2001 Bei partiellem Zahnverlust werden m Gegensatz zu den Br cken die Nachbarz hne nicht beeintr chtigt Implantatgetra gener Zahnersatz belastet auch weiterhin den Knochen was dem Knochenabbau entgegenwirkt In Deutschland werden j hrlich ca 280 000 Schermeier 2002a Zahnimplantate gesetzt Die Insertion wird durch Oralchirurgen Zahn rzten und Kieferchirurgen durchgef hrt Die Implantate k nnen anhand ihrer Form des verwendeten Materials und der Oberfl che unter schieden werden Sie sind meist zylinder schrauben wurzel oder blattf rmig Die h ufigsten Implantate haben eine Zylinder und Schraubenform die eher eine direkte Knochenanlagerung bewirkt Das verwendete Material ist meist Titan und seine Legierungen Das Material muss hohe Anforderungen an die mechanische Belastung die Biokompatibilit t und an die Knochen
110. en die Implantate eingeschraubt Dieser Schritt erfolgt entweder manuell mit einem Drehmomentschliissel oder indem das Implantat 1m Handst ck befestigt und damit einge bracht wird Anschlie end kann ein Orthopantomogramm zur Kontrolle der Lage der Implantate siehe Abbildung 6 erstellt werden Nach dem Einheilen der Implantate wird der Kiefer mit den Implantaten abgeformt Auf der Grundlage dieses Abdrucks wird m zahntechnischen Labor eine Prothetik erstellt die genau auf die in den Kiefer eingebrachten Implantate passt Nach der Einheilung der Implantate wird die Prothetik auf den Implantate befestigt Koeck und Wagner 2004 Tutsch und Tutsch 2001 Abbildung 6 Postoperatives Orthopantomogramm mit vier sichtbaren Implantaten Abh ng g von der anatomischen Situation k nnen zus tzliche chirurgische Schritte notwendig sein Bei einem spitzen Kieferkamm siehe Abbildung 5 rechts kann es notwendig sein eine vor dem Bohren der Implantatbetten eine Alveolarkammgl ttung durchzuf hren Bei unzurei chendem Knochenangebot k nnen ein Sinuslift im Oberkiefer Augmentation oder andere Ma nahmen angebracht sein Koeck und Wagner 2004 Tutsch und Tutsch 2001 12 Stand der Technik 2 1 2 FESS Die Sinusitis wird operativ behandelt wenn die konservative Therapie nicht dauerhaft die Be schwerden verbessert oder wenn der Patient nicht mit der konservativen Therapie einverstanden ist Bei dem heute g ngigen Ansatz wird in unterschiedl
111. en muss da grobe Schnitzer nicht auftreten K nnen 7 2 Auswirkung der Bohrvorschubbegrenzung auf die vertikale Genauigkeit In dem m vorhergehenden Kapitel 7 1 beschriebenen Experiment wurde die Genauigkeit eines leistungsgesteuerten Bohrers ohne die Begrenzung des Bohrvorschubs ausgewertet Die Begren zung des Bohrvorschubs wird von dem untergeordneten Regler r8 realisiert indem die Leistung des Bohrers bei zu hoher Vorschubgeschwindigkeit reduziert wird Dadurch soll der Bohrer 122 Experimente gebremst werden was trotz des Nachlaufverhaltens des Systems zu h herer Genauigkeit n der Tiefe f hren soll In diesem Experiment wird die vertikale Genauigkeit Av siehe vorhergehendes Kapitel 7 1 sowie die Abbildung 79 ausgewertet Die Begrenzung des Bohrvorschubs des untergeordneten Reglers r8 wird eingesetzt Es wird erwartet dass die Genauigkeit von Av bei Navigated Control mit Begrenzung des Bohrvorschubs vergleichbar oder besser als die Genauigkeit von Av bei reiner Navigation ist Der Aufbau die Durchf hrung und die Messung des Experiments entspricht dem Experiment im vorhergehenden Kapitel 7 1 Die Bohrungen wurden durch den gleichen Arzt durchgef hrt Es wird allerdings nur die vertikale Abweichung Av ausgewertet 7 2 1 Ergebnisse Die Ergebnisse der Bohrungen mit Begrenzung des Bohrvorschubs sind in der Tabelle 13 zu sammengefasst Die Ergebnisse sind mit den mit Navigation sowie mit den mit Navigated Control und o
112. en versendet Dadurch ist der Ver lust weniger Befehle nicht problematisch Auch der Verlust eines Befehls Abschal ten n der Reihenfolge an an aus an an st nicht problematisch da diese Abschaltung durch die m Vergleich zu Regelfrequenz gro e Reaktionszeit des In strumentenmotors nicht erfolgen w rde Werden be der Akt on All mehrere fehlerhafte verworfene Befehle hintereinander gez hlt dann wird die chirurgische Einheit durch das Ausbleiben des Flankenwechsels am Watchdog ausgeschaltet siehe auch A2 In diesem Fall wird von einem der Kommunikation ausgegangen Tabelle 11 Die Tabelle f hrt die vorhandenen Kommunikationsbefehle auf die zwischen dem Navigations system und der Steuerelektronik ausgetauscht werden 2 3 Befehl Befehlsrich Escape Befehls Befehls Check tung Zeichen inhalt 1 inhalt 2 summe NaviBase gt Abschalten 0000 0000 0000 0001 1000 0000 1000 0000 00000001 0001 Steuerelektronik Durch NaviBase gt 0000 0000 0000 0010 1000 0000 1000 0000 0000 0010 schalten Steuerelektronik Leistung Leistung in Leistung in NaviBase gt 0000 0000 0000 0011 Prozent 0 Prozent 0 0000 0011 reduzieren Steuerelektronik 100 plus 1 100 plus 1 Lebens Steuerelektronik f 0000 0000 0000 0100 1000 0000 1000 0000 0000 0100 zeichen gt NaviBase Fehler chirurgi 2 Steuerelektronik 0000 0000 0000 0101 1000 0000 1000 0000 0000 0101 N gt NaviBase sche Einheit Fehler Sieuerelektron
113. ena ee ee ee ee 80 4 6 Unterscordnete Regler saracene a 80 VI Inhaltsverzeichnis Realisierung der Leistungssteuerung eines Shave se ccccccccsssssssssscccccccccssssssccccssssesees 85 Sel Praoperative Planuns near ae nr Let 86 3 2 Navigation eines SHaYers nn et ana 90 5 3 Voxelbasierte Leistungssteuerung eines Shavers sseeessssssssseerrsssssscerrssssssseerrrssss 99 Realisierung der Sicherheitsarchitektur cccccccccsssssssssssssccccssssssscssccccccssssssssssscsosees 107 6 1 Sleerelekt ONIE Cement ener een 108 02 SWEPO a ee ine eae Nee 111 6 3 1S1chernells ssistent ae N 115 Exper mente ua A a 117 7 1 Genauigkeit beim Bohren ohne Betrachtung des Bohrervorschubs 118 7 2 Auswirkung der Bohrvorschubbegrenzung auf die vertikale Genauigkeit 122 7 3 Klinischer Einsatz von Navigated Control f r die dentale Implantologie 124 7 4 Dauer der pr operativen Planung bei FESS u0000ssssssssssseeeennnnnnnnnnennennennn 127 7 3 Kavita terzeugung mit einem leistungsgesteuerten Shaver am Phantom 129 Zusammenfassung und AuUSDIICK ccccccsssscsssssccccscsssssssssscccsccsssssssssccccssssssssssssssossees 137 Literatur ee 139 ANHAND seirene nE E E EENE EEE A E E 145 10 1 Visualisierung der mit dem Shaver abgetragenen Kavitdten cssssseeseeennenenn 145 10 2 Messdaten f r die mit dem Shaver abget
114. endet als Blu mensteckmasse gef llt wurden Beim F llen der Kerzenlichter mit Hartschaum wurde dieser aus einem gro en Block herausgestanzt Der Phenolschaum eignet s ch f r dieses Experiment da es einerseits mit dem Shaver abgetragen werden kann und andererseits der Phenolschaum formstabil bleibt d h er beh lt die Form der Kavit t bei Anschlie end kann diese Form durch eine Oberfl cheversiegelung f r eine mechanische Vermessung mit einer Koordinatenmessma schine verfestigt werden Die Position der Kavit t relativ zu dem Patiententracker wurde so gew hlt dass die Abtragung in einer anatomisch typischen Stelle erfolgte Die Kavit t befand sich ca 55 mm ber dem Pat ententracker Abstand zwischen den im Patiententracker eingelassenen Titanmarker und der unteren Ebene der Kavit t und dehnte sich nach hinten aus 7 5 2 Durchf hrung Bei der Abtragung der Kav t t mit Navigated Control wurde der Hartschaum so lange abgetra gen bis der Shaver durch das System abgeschaltet wurde Die Kavit t wurde nach M glichkeit vollst ndig abgetragen Die Abtragung wurde mit u erster Sorgfalt durchgef hrt da geringer Druck auch mit einem ausgeschalteten Shaver den Hartschaum besch digt und die Ergebnisse der Messung verf lscht 131 Experimente 7 5 3 Messung Nach dem Abtragen wurde die Oberfl che der Messk rper mit einem l semittelfreien Spezial lack der Phenolschaum nicht aufl st versiegelt Die Versiegelung erfol
115. endet wird s ehe Kapitel 2 5 Diese Reglerstruktur aus den Vorarbeiten ist beispielhaft in der Abbildung 29 dargestellt dabei ist Navigated Control f r einen Bohrer realisiert Die Regler f r die Tiefe f r die Position und f r den Winkel sind parallel geschaltet und minimieren durch eine geeignete Visualisierung den jeweiligen Fehler Je nach aktueller Operationsphase beachtet der Arzt die Visualisierung der 47 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten in der Kopf Chirurgie Tiefen der Positions oder der Winkelabweichung und erreicht so das Operationsziel Bei dieser Realisierung entstehen mehrere Probleme Inden Vorarbeiten ist die visuelle Regelung der Navigation nicht mit der Regelung durch Navigated Control verkn pft Der Arzt wei nicht welche der dargestellten Kriterien Tiefe Position oder Winkel f r das Einschalten des Instruments minimiert werden soll In den Vorarbeiten kennt der Regler f r Navigated Control keine Operationsphasen F r die Freigabe der Leistung m ssen alle Fehler Tiefe Position Winkel die festgelegten Grenzwerte unterschreiten Das widerspricht dem Vorgehen beim Bohren bei dem zu un terschiedlichen Zeitpunkten mit verschiedenen Bohrern jeweils spezifische Aufgaben er f llt werden F r die Ber cksichtigung der Operationsphasen m ssten die Operationsphasen der Regelstrecke dem Regler f r Navigated Control zugef hrt werden diese Verbindung ist in der Abbildung 29 gestrichelt d
116. enregistrierung wird der Zusammenhang zwischen der intraoperativen Patien tenlage und pr operativer Bildgebung hergestellt so dass die Lage Tros des Instruments in den pr opera tiven Bilddaten berechnet werden kann 2 3 1 Positionsmesssysteme Die Position der Instrumente und des Patienten wird intraoperativ in Echtzeit vermessen Die kommerziell erh ltlichen marktf hrenden Navigationssysteme basieren entweder auf der opti schen oder auf der elektromagnetischen Positionsbestimmung Optische Navigationssysteme verwenden meist den Sensor Polaris oder Polaris Accedo der Firma NDI Sie bestehen aus einer Stereoinfrarotkamera sowie aus Trackern die mehrere retro reflektierende Kugeln enthalten Rund um die beiden Infrarotkameras ist ein Infrarotblitz ange bracht der meist mit 20 Hz betrieben wird Die retroreflektierenden Kugeln reflektieren das gepulste Infrarotlicht wodurch die Position der Kugeln bestimmt werden kann Aus der Position von mindestens drei Kugeln deren relative Position auf dem Tracker bekannt ist kann auch die Position und Orientierung des Trackers berechnet werden Die Vorteile dieser optischen Lage vermessung sind hohe Genauigkeit hohe Zuverl ssigkeit sowie der auf Reflektionen basierende passive Messmodus bei dem keine elektrischen Komponenten am Patienten oder an Instru menten angebracht werden m ssen Der wichtigste Nachteil ist die Notwendigkeit der direkten Sicht des Sensors auf die Tracker Line Of S
117. er J Zaers C R G Guttmann W M Wells III G J Ettinger J Hiller R Kikinis 1995 Automatic Identification of Grey Matter Structures from MRI to Improve the Segmentation of White Matter Lesions Journal Image Guided Surgery Vol 1 Num 6 pp 326 338 Weissmann B 1981 Dental Positioning Device US 4251210 US Patent Wivell C K Wouters E Dhoore L Vrielinck 2000 Drilling templates for the placement of regular dental implants and zygomatic fixtures based on preoperative planning on CT images CARS Computer Assisted Radiology and Surgery San Francisco USA pp 945 953 Zachow S H Lamecker B Elsholtz M Stiller 2005 Reconstruction of mandibular dys plasia using a statistical 3D shape model CARS Berlin Germany June 22 25 Reprinted in Computer Assisted Radiology and Surgery Zimmer 2005 Zimmer Announces First Electromagnetic Navigation Knee Replacement Procedure Press Release Zimmer Holdings Inc WARSAW IN February 22 144 10 Anhang 10 1 Visualisierung der mit dem Shaver abgetragenen Kavit ten Cavity 01 planned and measured Cavity 01 planned and measured 70 80 90 100 70 80 90 100 x mm x mm Abbildung 87 Die als Punkte dargestellten Messwerte der realen Kavit t sind relativ zu der geplanten Kavitat f r die erste Kavit t dargestellt Cavity 02 planned and measured Cavity 02 planned and measured 70 80 90 100 70 80 90 100 x mm x mm Abbildung 88 Die al
118. er T naverTep k zu Tode T attacker ee T paverTcp 7 3 In Abh ngigkeit davon ob die Shaverspitze innerhalb oder au erhalb des Arbeitsraums ist wird der Shaver griin bzw grau dargestellt ftir die Berechnung siehe Kapitel 5 3 Neben den CT Daten und der rekonstruierten Patientenoberfl che wird auch der pr operativ definierte Arbeitsraum visualisiert In dem axialen coronalen und sagittalen Schnitt durch die CT Daten wird wie in der Planung ein entsprechender Schnitt durch den Arbeitsraum berechnet und visualisiert 5 3 Voxelbasierte Leistungssteuerung eines Shavers Im Gegenteil zur Leistungssteuerung eines Bohrers ist der Arbeitsraum eines Shavers nicht Punkt oder Linienf rmig sondern umfasst ein bestimmtes durch den Arzt pr operativ festge legtes Gebiet Das Konzept der Leistungsteuerung eines Shavers l sst sich wie f r den Bohrer auch durch einen Beobachter einen Regler Planer und untergeordnete Regler beschreiben Allerdings ist die Komplexit t dieser Komponenten geringer als beim Bohrer da bei dem Shaver in der jetzigen Realisierung keine intraoperativen Operationsphasen unterschieden werden Die Verwendung der m Kapitel 3 vorgestellten Architektur bietet dennoch vor allem den Vorteil dass die Leistungssteuerung eines Shavers einfach erweitert werden kann Es ist z B m glich dass das Ein und Ausschalten der Ansaugung des Shavers ebenfalls in Navigated Control ein gebracht werden soll Dadurch k nnte verhindert
119. er cksichtigt werden insbesondere bei hohen Drehgeschwindigkeiten der Fr se und hohen Bewegungsgeschwindigkeiten Aus diesem Grund wurde die positionsabh ngi ge Steuerung um eine geschwindigkeitsabh ngige Steuerung erweitert 2 6 Nachteile existierender Systeme In diesem Abschnitt wird der aktuelle Stand der Technik von Assistenzsystemen f r die Kopf Chirurgie zusammengefasst und kritisiert Anhand der Kritikpunkte werden im Anschluss im Kapitel 2 7 die noch ungel sten Probleme identifiziert 2 6 1 Defizite der Assistenzsysteme f r die dentale Implantologie In der dentalen Implantologie stehen neben dem etablierten Standardverfahren Bohrschablonen oder Navigationssysteme zur Verf gung Das Standardverfahren ist kosteneffizient und erfor dert geringere finanzielle Investitionen als die Assistenzsysteme Der Einsatz von Assistenzsys temen erm glicht eine Verbesserung des Behandlungsergebnisses Mit Planungsverfahren erfolgt pr operativ die Bestimmung einer optimalen Position der Implantate auf der Grundlage von dreidimensionalen Bilddaten und Markierung von gef hrdeten Strukturen wie Nervus alve olares inferior Navigationssysteme nutzen die mit Planungsverfahren generierte Datens tze und visualisieren die Position und Orientierung des Bohrers relativ zur geplanten Implantatposition Die Navigationssysteme werden bereits erfolgreich in der klinischen Routine eingesetzt Sie verf gen ber ausgereifte Planungs und genaue automatis
120. er Bohrerspitze mit der Streuung Odepin k N der Bohrerspitze entlang der Implantatachse Da die Knochenoberfl che n Implantatn he bestimmt wird muss Maist k N klein sein Da die Bohrerspitze dabei ruhig gehalten wird muss G epin k N ebenfalls klein sein Die geeignete Mittelwertsbildung h ngt von der Genauigkeit des Positionsmesssystems ab In der Tabelle 6 sind die Standardabweichungen f r die Bohrerspitzenposition 1m Koordinatensys tem des Implantats angegeben wobe die Bohrerspitze ruhig gehalten wurde In der mittleren Spalte sind a die Bohrerspitze und das Implantat unbewest relativ zum Positionsmesssystem in der rechten Spalte b bewegt Die Messreihe f r b stellt den Fall eines unruhigen Patienten der sich bewest dar Da der Zustands bergang t6 auch bei leicht unruhigen Patienten erfolgten muss orientiert sich der Grenzwert f r die Standardabweichung Oaepth_ max daran und wurde auf 0 17 mm bestimmt Tabelle 6 Die Standardabweichung der Bohrerspitzenposition und somit die Ungenauigkeit ihrer Bestim mung ist h her entlang der Implantatachse und steigt bei Bewegung des Instruments und des Patienten relativ zum Positionsmesssystem Standardabweichungen Bohrer fix relativ zum Bohrer bewegt relativ zum N 300 Positionsmesssystem Positionsmesssystem 1 N I Hag kK N gt dist k i 33 N ix s depth zur k a T zu trep k z 34 1 N I l Haepth k N N depth k u i 35
121. er Implantatposition in allen drei Dimensionen erm glicht 1 Stand der Technik wird w hrend das Orthopantomogramm auf zweidimensionale Planung limitiert st Koeck und Wagner 2004 Ha feld und M hling 2000b W hrend der Operation wird die Planung umgesetzt Die traditionelle Vorgehensweise ist die Bohrungen entsprechend der Absch tzung auf der Panoramaschichtaufnahme vorzunehmen Koeck und Wagner 1999 Schermeier 2002a Die Bohrung erfolgt meist unter lokaler Anasth s e F r die Bohrung werden abgewinkelte Handst cke verwendet die Steuerung der Drehzahl erfolgt ber ein Fu pedal Das Handst ck kann mehrere Bohrer aufnehmen Die Boh rer siehe Abbildung 5 links sind speziell f r die verwendeten Implantate gefertigt und f r die verschiedenen Operationsphasen des Bohrers optimiert Koeck und Wagner 2004 Schwenzer et al 2001 l Ank rnen Das Ank rnen erfolgt mit einem runden Rosenbohrer der meist einen Durchmesser von 2 mm hat Dabei wird die Position des Implantats auf dem Knochen festgelegt so dass der Chirurg diese Position w hrend des gesamten Bohrvorgangs ein fach finden kann 2 Pilotbohren Das Pilotbohren erfolgt mit einem d nnen im Durchmesser ca 2 mm gro Ben Spiralbohrer Das Pilotbohren legt den Verlauf einer Bohrung fest 3 Aufbohren Normalaufbereiten Das Aufbohren erfolgt mit einem oder mehreren an das eingesetzte Implantat in der Form und Gr e angepassten Bohrer Anschlie end werd
122. er Wand W gemessenen Punkte Cavity 04 planned and measured y mm Abbildung 85 Hier ist die Zuordnung der Nummerierung der W nde zu dem Phantom und zu dem Koordi natensystem der Messdaten dargestellt Diese detaillierten Ergebnisse sind im Anhang aufgef hrt Im nachfolgenden Text dieses Kap tels werden die aus allen Kavit ten kumulierten Werte die aus den oben genannten Kenndaten nach den Formeln 99 bis 104 berechnet wurden verwendet eae gt E E 99 std yy W 2 mean yigp C W mean cp w 100 std pa an W oe 101 ties 1 7 sidan C W 102 MAX ee W max diff 103 133 Experimente mings W min min diff 104 Die Abbildung 85 zeigt die Zuordnung der Wandnummerierung zu den Achsen des Koordinaten systems in dem die Messergebnisse dargestellt sind 7 5 4 Ergebnisse Cavity 01 planned and measured Cavity 01 planned and measured ae ee 2 4 k Fe x 80 i 85 s a k he Pie 75 he lt 80 K t Ui gt r ra w E t 65 n 78 F gt lt ha 55 Pee ee As 65 E Fi 3 a oo T m 50 i i i i Li x Fy 2 f zZ Fi i 70 80 90 100 70 80 90 100 x mm x mm Abbildung 86 Die als Punkte dargestellten Messwerte der realen Kavit t sind relativ zu der geplanten Kavi t t exemplarisch f r die erste Kavit t dargestellt Die Abbildung 86 stellt beispielhaft die Punkte der abgetasteten W nde der mit Navigated Control abgetragenen Kavit t Nr 1 relativ
123. eren den Kugeln auf gerade Sicht des Positionsmesssystems auf die Tracker optimiert was zu abnehmender Genauigkeit bei zunehmend schr ger Sicht des Positionsmesssystems auf die Tracker f hrt Wird also der Bohrer und einen gro en Winkel gekippt dann n mmt die Positi onsgenauigkeit durch diese beiden Einfl sse ab siehe Abbildung 50 Die Bedingung f r die Freigabe der Leistung durch den untergeordneten Resler r4 ist in 47 dargestellt 100 if dist K lt distancon max JAND CK lt Apinn max 4 0 else p k 82 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers Der Regler r5 minimiert die Winkelabweichung solange bis der Bohrer zu tief f r eine Winkel korrektur abgesenkt wurde Der Bohrer kann also dann eingeschaltet werden wenn der Winkel fehler gering ist Der Regler r5 ist ein Regler bei dem der Bohrer in den Knochen eindringt W hrend des Eindringens in den Knochen gibt der Bohrkanal immer mehr F hrung f r den Bohrer vor Eine Korrektur der Position oder des Winkels ist nur am Anfang m glich Aus die sem Grund wird bei r5 die im Kapitel 4 3 vorgestellte Metrik verwendet Es reicht jedoch nicht nur den nat rlichen fehlerfreien Fortschritt bei der Metrik zu ber cksichtigen Das Rauschen des Positionsmesssystems und der Tremor des Arztes k nnen auch bei Verwendung der Metrik 29 zu Problemen f hren wenn der Chirurg ganz am Rand des erlaubten Bereichs bohrt Um ein st ndiges Ein und Ausschalten de
124. erschreitung der geplanten Bohrtiefe sehr unwahrscheinlich ist Dadurch k nnen Verletzungen von Nerven die unter dem Implantat verlaufen k nnen effektiv verhindert werden Auch hier kann tendenziell eine generelle Verbesserung von navigiert durchgef hrten Bohrer gebnissen festgestellt werden Zwar ist die mit 0 26 mm geringe Standardabweichung nicht 123 Experimente s gnifikant kleiner als die Standardabweichung der navigiert durchgef hrten Bohrungen Es ist wahrscheinlich dass lediglich der Umfang der Stichprobe mit 29 zu klein f r die statistisch aussagekr ftige Feststellung des geringen Unterschieds st Diese Tendenz kann wie auch m vorherigen Kapitel 7 1 aus der generellen Verbesserung aller Kennwerte mit Navigated Control uN Av o N Av min N Av max N Av abgeleitet werden Die gemeinsame Betrachtung der Experimente im Kapitel 7 1 ergibt dass Navigated Control ergonomisch ist und den Arzt nicht behindert da die Genauigkeit der Bohrungen mit Navigated Control mindestens genauso hoch wie bei navigierten Bohrungen ist Zus tzlich l sst sich mit Navigated Control auch unter Laborbedingungen eine signifikant besse re Tiefengenauigkeit als mit Navigation erreichen Die besseren Ergebnisse bei der Tiefenkon trolle lassen sich auf zwei Eigenschaften zur ckf hren 1 Abschaltung des Bohrers beim Erreichen der gew nschten Tiefe 2 Abbremsen des Bohrens bei zu schnellem Vorschub durch die Reduktion der Leistung
125. erung eines Bohrers gt Bohren ohne Navigated Control lt Navigated Control wird eingeschaltet Navigated Control wird ausgeschaltet Bohren mit Navigated Control Vv Ya lt Bohrerposition ung ltig Ban A Positionierung Positionierung Bohrerposition neben Implantat 1 Bohrerposition neben Implantat n ung ltig ung ltig Y Y Bohrer neben Implantat 1 Bohrer neben Implantat n gt t3 t3 Vv Vv Bestimmung der lt Bestimmung der lt Knochenoberfl che t3 Knochenoberfl che t3 Knochenoberfl che bestimmt Knochenoberfl che bestimmt Y Vv H os H Ank rnen z Ank rnen ri Angek rnt Angek rnt Y t5 ow t5 gestoppt gt Boh rent halten gestoppt gt Bohren lt halten bremsen entnahme bremsen entnahme Y _W Y Y Abbremsen Herausnehmen Abbremsen Herausnehmen Abbildung 42 Die vollst ndige Modellierung aller Operationszust nde f r die dentale Implantologie in einem hierarchischen Zustandsmodell Der Zustand Bohren ist ein bergeordneter Zustand siehe Abbildung 43 H ist ein History Eintrittspunkt der sich beim Verlassen eines bergeordneten Zustandes den jeweiligen untergeordneten Zustand bis zum Wiedereintritt merkt Das sich daraus ergebende Gesamtmodell des Systems ist in Abbildung 42 dargestellt Der dargestellte Zustandsautomat modelliert das System nachdem der Patientendatensatz mit den geplanten Implantaten durch den Arzt geladen ist Zun chst startet das System mit ausgeschalte tem Navigate
126. ery Technology and Clinical Applications Cambridge Massachusets London England The MIT Press pp 77 97 Lorensen W E Cline H E 1987 Marching cubes A high resolution 3D surface construc tion algorithm International Conference on Computer Graphics and Interactive Techniques Anaheim Ca USA July 27 31 Reprinted in R J Beach Ed SIGGRAPH 87 Conference Proceedings ACM Press pp 163 169 Lith T 1997 Technische Multi Agenten Systeme Einf hrung in Architekturen und intel ligente Verhaltenssteuerungen komplexer autonomer Sensor Aktor Systeme Habilitations schrift Karlsruhe L th T Bier J Bier A Hein A 2001 Verfahren und Ger tesystem zum Materialabtrag oder zur Materialbearbeitung Patent DE 101 17 403 C2 L th T Hein A 2002 Navigated Control Ein neuer Ansatz f r das exakte Fr sen an der Wirbels ule Robotik 2002 Ludwigsburg 19 20 Juni 2002 pp 515 520 Maintz J B Viergever M A 1998 A Survey of Medical Image Registration Medical Image Analysis Vol 2 Issue 1 pp 1 36 Majdani O Leinung M Lenarz T Heermann R 2003 Navigationsgestiitzte Chirurgie im 141 Literatur Kopf und Hals Bereich Laryngo Rhino Otologie 82 pp 632 644 Marmulla R Hassfeld S Lueth T Muehling J 2003 Next generation s navigation Sys tems CARS London June 2003 Reprinted in Lemke Vannier Inamura Farman Doi and Reiber Ed Computer Assisted Radiology and Surger
127. erzeugt einen neuen Stellwert y k Im Nor malfall gilt 18 das hei t der Stellwert wird lediglich durchgeschleift Im Fehlerfall gilt jedoch 19 so dass in einem Fehlerfall unabh ngig von dem Stellwert y k des aktiven unterge ordneten Reglers das Instrument abgeschaltet ist und am Display des Navigationssystems eine entsprechende Warnung warning k dargestellt wird y k y k 18 yk 19 Steuerprogramm Das Steuerprogramm wird auf der Steuerelektronik ausgefiihrt und wertet die durch den Sicherheitsassistenten bermittelte maximale Leistung Pmax X aus Die durch den Chirurgen am Fu pedal eingestellte Instrumentenleistung wird mit geeignet verst rkter Pmax k verglichen Es wird immer die geringere der beiden Leistungen an die chirurgische Einheit weitergegeben Au erdem berwacht das Steuerprogramm die Kommunikation mit dem Naviga tionssystem und die Signale des Instruments p k Bei falscher Verkabelung einem Absturz des Navigationssystems oder nicht plausiblem Zusammenhang zwischen Motorstrom des Instru ments und eingestellter Leistung wird das Instrument ber einen Watchdog ausgeschaltet Au Berdem wird an den Sicherheitsassistenten eine Fehlermeldung err k bermittelt 3 4 2 Dynamische Systembeschreibung Die aus dem Stand der Technik bekannten Arbeiten zu Navigated Control setzen eine Regler struktur ein bei der der Regler f r die Steuerung der Instrumente parallel zur Regelstruktur der Navigation verw
128. ese blassen Voxel bilden die MengeB und sind nicht Bestandteil der Mengen I und N 87 Als blass wird in diesem Beispiel der Farbwert 100 definiert eingef rbte Voxel sind mit 256 farblose mit O markiert r vx K 3p eK vp vp vx p eN 84 B vx Vvx e T ar vx K 85 Yvx B voxelarray vx 100 86 A TUNUB BNT amp BNN amp 87 Die Mengenl B und N bilden einen Arbeitsraum wie in Abbildung 69 Wird der Shaver nun so wie in Abbildung 69 links dargestellt positioniert dann wird entsprechend der Gleichung 79 103 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers der Shaver ausgeschaltet da der effektive Arbeitsraum verkleinert und die grauen Voxeln einge f rbt sind nicht gef rbte Voxel au erh lbides blasse Voxel f r NISC MEM ISicherheitoben _ Ue ee gef rbte Voxel des Arbeitsraums Cr saevae LEEEELEFFTFFFR Sicherheitunten gJ Abbildung 69 Links f r die Ausrichtung der Shaverspitze nach oben wird der Arbeitsraum in diesem Beispiel um die blassen Voxel verkleinert rechts hier sind auch die blassen Voxel f r die Ausrichtung der Shaverspitze nach unten eingezeichnet Wie oben erw hnt kann die abtragende Spitze des Shavers durch um den Winkel a gedreht werden siehe Abbildung 60 In Abh ngigkeit von dem aktuellen Winkel ver ndert sich die Menge der blassen Voxel Bei unterschiedlichen Winkeln sind immer unterschiedliche Randvo
129. et werden z B die Hautoberfl che Die f r d e Patientenregistrierung mit Oberfl chen verwendeten Algorithmen werden als Surface Matching bezeichnet Pr operativ wird die Hautoberfl che meist aus kalibrierten CT Datens tzen extrahiert Sharman 2005 Lorensen und Cline 1987 Intraoperativ wird die Hautoberfl che entweder mit einem Pointer oder mit einem Laser abgetastet Die durchschnittliche Genauigkeit von laserbasierten Regist rierverfahren wird zwischen 1 1 mm Marmulla er al 2004 und 2 4 mm Raabe et al 2002 angegeben Laserbasierte Patientenregistrierung erfordert in Abh ngigkeit von dem verwendeten Verfahren einen h heren intraoperativen Aufwand Bei bekannter Zuordnung der intraoperativ bestimmten zu pr operativ bestimmten Merkmalen muss der Registrieralgorithmus lediglich eine Koordinatentransformation berechnen die den Abstand der zugeordneten Merkmale minimiert Die Zuordnung ist zum Beispiel dann bekannt wenn der Arzt die einzelnen Landmarken intraoperativ in einer vorgegebenen Reihenfolge abtas tet Diese Art der Patientenregistrierung wird als Paired Point Matching bezeichnet F r die Berechnung kann eine geschlossene L sung Besl und McKay 1992 oder eine Suche z B mit Downhill Simplex verwendet werden Bei unbekannter Zuordnung der Merkmale muss der Registrieralgorithmus nicht nur die Koordinatentransformation sondern auch die korrekte Zu ordnung bestimmen Das ist zum Beispiel dann der Fall wenn der Arzt die
130. et werden k nnen F r das linke und f r das rechte Pedal w rd jeweils eine analoge Leitung verwendet Die Span nung wird durch Druck auf Fu pedal zwischen O und 10V variiert und bestimmt so die Leistung des Shavers In der Beschaltung werden Relais verwendet siehe Abbildung 46 die entweder das analoge S gnal des Fu pedals durchschalten oder es auf Masse z ehen wodurch der Shaver abgeschaltet wird Alle anderen Signale des Fu pedals sind immer durchgeschaltet Die Relais werden ber jeweils einen TTL Ausgang der I O Karte gesteuert Es werden jeweils zwei in Reihe geschaltete Relais f r die rechte und f r die linke Leitung verwendet die ber verschiede ne TTL Ausg nge angesteuert werden um die Ausfallwahrscheinlichkeit eines der Abschaltre lais zu verringern Die berwachung wird durch mehrere Komponenten realisiert Die berwachung umfasst die Auswertung des Motorstroms sowie der Stromversorgung der chirurgischen Einheit und die Abschaltung der chirurgischen Einheit durch eine Unterbrechung mit einem Watchdog Der Motorstrom und der von der chirurgischen Einheit verwendete Strom werden ber zwei Strom wandler gemessen die ber den A D Wandler der I O Karte ausgelesen werden Der Watchdog kann direkt ber ein Relais die 220V Spannungsversorgung der chirurgischen Einheit unterbre chen F r die Aufrechterhaltung der Spannungsversorgung wird der Watchdog mit einem Im pulssignal versorgt Dieses Impulssignal wird ber die TTL
131. eten Regler aktiviert wird e Die Softwareschnittstelle Is zwischen den untergeordneten Reglern und dem Sicher heitsassistenten bermittelt die maximal zul ssige Leistung des Instruments e Die Softwareschnittstelle Isg zwischen untergeordneten Reglern und dem Navigations modul visualisiert die Abweichung y k bzw y k in einer f r den aktuellen Operati onszustand z k geeigneten Weise Die geeignete Visualisierung ist sichergestellt indem jeder Regler f r eine bestimmte Operationsphase optimiert ist und w hrend dieser Ope rationsphase vollen Zugriff auf die Visualisierung hat Diese Softwareschnittstelle wird bei der Anwendung f r die dentale Implantologie als eine Schnittstelle zwischen der im 61 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten in der Kopf Chirurgie Rahmen dieser Arbeit entwickelten Realisierung von Navigated Control eines Bohrers und der Fremdkomponente Navigationsmodul f r die dentale Implantologie benutzt Beobachter GT Baten Operationszustand i Iss l2 Planungsmodul ___ Patientenregistrierung lt _ CO Regler Planer I53 Be l Ise Positionsmesssystem Untergeordnete Regler Sicherheitsassistent X __J Navigationsmodul Isto is Steuerprogramm Abbildung 38 Die 10 Softwareschnittstellen durch Pfeile dargestellt erm glichen den Datenflu sowohl zwischen den im Rahmen dieser Arbeit als auch als Fremdkomponenten verwendeten Softwarekomponenten rechteckig dargestellt e Die Softwaresc
132. f nahme Anschlie end wird eine R ntgenaufnahme die den Ober oder Unterkiefer aufspannt Orthopantomogramm siehe Abbildung 6 erstellt Es wird ebenfalls ein Gipsmodell des Pati entenkiefers erstellt siehe Abbildung 5 rechts Anhand des Gipsmodells und des Orthopanto mogramms werden passende Implantate ausgew hlt Modelle die auch stereolitographisch erzeugt werden k nnen k nnen auch f r die Planung verwendet werden Deppe 1997 Die Position der Implantate wird so geplant dass keine sensiblen Strukturen verletzt werden und die Implantatposition gleichzeitig eine optimale Position des Zahnersatzes erm glicht Daf r kann das Orthopantomogramm unter Ber cksichtigung des Vergr erungsfaktors vermessen werden Es k nnen auch computergest tzte Planungshilfen verwendet werden die entweder auf der Basis digitaler Orthopantomogramme oder auf der Basis von Computertomographien arbei ten Koeck und Wagner 2004 sowie Ha feld et al 2000a as bane eee Ce Deed KL UL PO o I2 3 1L0 5 6 7 lan luulundndudud Abbildung 5 In der dentalen Implantologie werden verschiedene Bohrer f r die einzelnen Operationsphasen verwendet links f r die prothetische Planung wird ein Kieferabdruck aus Gips erstellt rechts Computertomographien erm glichen dabei eine bessere Absch tzung der anatomischen Gege benheiten des Kiefers Sie haben den Vorteil dass durch die Nutzung von axialen coronalen und sagittalen Ansichten die Planung d
133. f r Navigated Control in FESS Die beim Shaver eingesetzte Pumpe ist in der beschriebenen Realisierung nicht in die Instrumen tenabschaltung einbezogen da n dieser Arbeit lediglich elektromotorgetriebene gewe beabtragende Instrumente ber cksichtigt wurden Es ist jedoch unter Umst nden notwendig die Ansaugung bei Navigated Control zu ber cksichtigen um jegliche Wir kung des Shavers auf anatomische Strukturen au erhalb des pr operativ festgelegten Ar beitsraums zu verhindern Adaption der phasenorientierten Leistungssteuerung f r weitere Eingriffe Das Konzept der phasenorientierten Leistungssteuerung eignet sich auch f r die Steuerung von weiteren Instrumenten wie S gen Laser etc Die Realisierung von Navigated Control f r weitere Eingriffe w rde die Sicherheit dieser Eingriffe erh hen und den Arzt w hrend dieser Eingriffe entlasten Auch w re es in Zukunft m glich Navigated Control nicht nur f r Knochen sondern auch f r Weichgewebe einzusetzen F r die beschriebe nen M glichkeiten kann das phasenorientierte Konzept und die im Rahmen dieser Arbeit realisierte Steuerelektronik n einer f r das jeweilige Instrument angepassten Form ver wendet werden sofern die Steuerung der Instrumente elektronisch ber ein Fu pedal er folgt 138 9 Literatur Ada council on scientific affairs 2004 Dental endosseous implants an update The Journal of the American Dental Association 135 pp 92 97 Bachert C H rmann K
134. f Tests nach gleichem Schema wie Mittelwerte mit einer Irrtumswahrscheinlichkeit von ebenfalls 5 verglichen und die Zellen der Tabelle 12 wurden entsprechend markiert 7 1 5 Auswertung und Diskussion Die Ergebnisse zeigen dass das Bohren mit Navigation und mit Navigated Control auch unter Laborbedingungen signifikant bessere Ergebnisse als das freih ndige Bohren liefert Sowohl die mittleren Abweichungen als auch die Streuungen s nd beim freih ndigen Bohren signifikant schlechter Die gr ten Abweichungen gibt es beim Winkel das hei t dass der Arzt die Winkel abweichung nur ungen gend ohne Assistenzhilfe kontrollieren und umsetzen kann Es wurden 9 freih ndig durchgef hrte Bohrungen wegen zu hoher Abweichungen nicht in die Auswertung einbezogen Der vom Autor konzipierte und umgesetzter phasenorientierter Ansatz f r Navigated Control erm glicht erstmals eine ergonomische kliniktaugliche Anwendung von Navigated Control beim Bohren Das geht daraus hervor dass das Bohren mit Navigated Control keine negative Auswirkung auf den Bohrvorgang hat Der Chirurg wird also durch die Abschaltung und die Verringerung der Drehzahlen nicht negativ beeinflusst Eine erwartete Ausnahme bildet die vertikale Abweichung Av F r gute Ergebnisse in der Tiefe reicht es nicht den Bohrer beim Erreichen der tiefsten Stelle abzuschalten Hier wurde mit Na vigated Control tiefer gebohrt nicht signifikant Die Streuung ist beim leistungsgesteuerten Bohren
135. f den Einsatz von Navigated Control zur ckgef hrt werden k nnten Die Genauigkeit der gesetzten Implantate st gut und entspricht den Erwartungen Die maximale horizontale Abweichung ist ca 1 1 mm die maximale berschreitung der Tiefe st ca 0 5 mm Die maximale Winkelabweichung betr gt lediglich 1 78 Wie erwartet ist die Genauigkeit etwas schlechter als im Phantomversuch Es muss jedoch ber cksichtigt werden dass f r eine sichere statistische Auswertung eine umfangreiche Studie durchgef hrt werden muss Insbeson dere w re es interessant in einer Studie die maximalen Abweichungen von navigierten und von mit Navigated Control durchgef hrten Eingriffen zu vergleichen Dabei muss ber cksichtigt werden dass der Bohrer nie vollst ndig abgeschaltet wird sondern dass seine Leistung auf ca 3 reduziert wird um die Entnahme des Bohrers zu erm glichen Es w re also m glich aus Unkenntnis oder mit unklarer Absicht auch mit 3 der Leistung eine falsche Bohrung zu setzen 7 4 Dauer der pr operativen Planung bei FESS In dem hier beschriebenen Experiment wird untersucht ob die m Kapitel 5 1 beschriebene Planung sich f r den klinischen Einsatz eignet Wie im Kapitel 5 1 beschrieben muss eine kli niktaugliche Planung f r FESS innerhalb von 5 min durchgef hrt werden k nnen Tabelle 15 In der linken Tabelle sind die einzelnen Segmentierzeiten in der Reihenfolge der Versuchsdurch f hrung aufgelistet in der rechten Tabelle di
136. f des Patienten mit Hilfe von Schrauben verbunden Diese Schrauben sind am Stereotaktischen Rahmen befes 25 Stand der Technik tigt und werden im Sch del des Patienten befestigt Anschlie end werden eine CT Aufnahme und der eigentliche chirurgische Eingriff durchgef hrt Dadurch dass zwischen der CT Aufnahme und dem chirurgischen Eingriff die feste Verbindung zwischen dem Sch del und dem Stereotaktischem Rahmen nicht gel st wird kann eine pr operative auf der CT Aufnahme bas erende Planung intraoperativ umgesetzt werden Daf r ist an dem Stereotaktischen Rahmen meist ein geeignetes Koordinatensystem angebracht Abbildung 19 Links ist ein Roboter f r die Kopfchirurgie IIH rechts ein miniaturisierter autoklavierba rer Roboter dargestellt Charit Virchow Klinikum Berlin Roboter n der Medizin werden meist f r d e F hrung von Instrumenten w e Bohrer Fr sen Nadeln oder Endoskopen verwendet Es wird unterschieden zwischen automatischen Robotern die z B eine Kavita t im Knochen ausfr sen Telemanipulationssystemen bei denen der Chirurg vor allem bei minimalinvasiven Eingriffen den Roboter von einer Konsole aus steuert und interaktiv bedienbaren Systemen bei denen der Roboter mit dem Chirurgen interagiert und durch den Chirurgen gef hrt wird Bekannte Roboter sind RoboDoc von Integrated Surgical Systems ISS Schrader 2004 und CASPAR von OrtoMaquet der an der Charit entwickelte Intelligenter Instrumente
137. folgten Instrumente korrekt oder inkorrekt einsetzt Auf der anderen Seite wurden die Versprechen des Robotereinsatzes im Operationssaal nicht eingel st Diese Systeme haben sich als zu komplex zu kompliziert zu spezialisiert erwiesen Au erdem ver ndern sie im wesentlichen Ma die gewohnten Arbeitsabl ufe der chirurgischen Eingriffe und wecken ngste vom Ersatz des Arztes durch die Maschine Neben der Navigation und Robotik ist Navigated Control als ein weiteres Assistenzprinzip f r die Chirurgie bekannt Navigated Control umfasst die Steuerung der Leistung eines chirurgi schen Instruments in Abh ngigkeit von seiner Lage 1m Raum Es stellt damit eine Erweiterung von Navigationssystemen dar so dass diese erstmals den falschen Einsatz von motorgetriebenen Instrumenten wie Bohrer Fr sen usw verhindern k nnen Dabe bleiben die Vorteile der Navi gation wie die Verwendung von gewohntem chirurgischem Instrumentarium die Freihandf h rung des Instruments durch den Arzt in gewohnter Weise sowie die Kontrolle des Operationsfortschritts durch den Chirurgen erhalten Der Kopfchirurgie kommt innerhalb der Chirurgie eine besondere Bedeutung zu Einerseits befinden sich im Kopf auf kleinstem Gebiet verschiedene empfindliche Organe wie das Gehirn die Augen das Geh r der Sprech und Essensapparat die oberen Atemwege usw Andererseits haben der menschliche Kopf und insbesondere das Gesicht eine hohe sthetische Bedeutung Die hohe Be
138. g nach der Positionierung in der Einkerbung auf dem Knochen bei Heraus nehmen des Bohrers darf der Chirurg nicht am Erh hen der Drehzahl zur Entnahme des Bohrers aus dem Knochen gehindert werden Der Beobachter des Operationszustandes erkennt die Operationsphasen des chirurgischen Ein eriffs aus der Lage ST grinTep des Bohrers relativ zu den geplanten Implantaten und aus dem Ausgangss gnal a k des Regler Planers Dabei wird der chirurgische Eingriff zun chst wie in Abbildung 32 modelliert Das Zustandsmodell gilt einzeln f r jedes zu setzende Implantat und besteht aus drei Operationszust nden Ank rnen Bohren Herausnehmen In der Realisierung wird eine weitere Unterteilung in weitere Operationszust nde beschrieben Der Beobachter des Operationszustandes muss die Zustand berg nge zwischen diesen Operationszust nden erken nen F r die Erkennung der Zustands berg nge wird das folgende Wissen ber den normalen Verlauf des Eingriffs benutzt 1 Der Arzt beendet das Ank rnen wenn er eine bestimmte Tiefe im Knochen erreicht hat 2 Wenn der Arzt den Bohrer herausnehmen will dann z eht er den Bohrer weg von der Implantatspitze entlang der Implantatachse also nach oben f r den Unterkiefer 3 Wenn der Arzt bohrt oder den Bohrer f r das Bohren ausrichtet und positioniert dann h lt er den Bohrer still oder dr ckt hn entlang der Implantatachse n Richtung der Imp lantatspitze also nach unten f r den Unterkiefer Abbi
139. gewiesen wird Ein Beispiel f r die Nach schlagetabelle ist die Tabelle 3 Wie in der Tabelle 3 erkennbar ben tigt der Operationszustand teilweise mehrere Verhalten z B Ausrichtungsregelung und Tiefenregelung In der Realisierung wird darauf eingegangen wie die drei hier vorgestellten Operationszust nde weiter unterteilt werden so dass eine klinik taugliche Leistungssteuerung erm glicht wird Nach der Unterteilung wird einem Operationszu stand jeweils ein Verhalten bzw Regler zugeordnet sein Tabelle 3 Jedem Operationszustand ist ein untergeordneter Regler zugeordnet Operationszustand Verhalten Regler Positionsregelung der Bohrerspitze Ausrichtungsregelung und Tiefenregelung des Bohrers Regelung zur Bohrerentnahme Die untergeordneten Regler implementieren die vom Regler Planer aktivierten Verhalten Jedes Verhalten minimiert eine bestimmte Abweichung des Bohrers Die Minimierung erfolgt durch visuelle Darstellung der Abweichung auf einer Art Zielscheibe sowie die Leistungsregelung der Bohrerdrehzahl Die Positionsregelung der Bohrerspitze minimiert den Abstand der Bohrerspitze zur Implantatachse Die Ausrichtungsregelung des Bohrers minimiert den Winkelfehler zwi schen der Bohr und der Implantatachse nachdem der Bohrer in die Einkerbung des Ank rnens gesetzt wurde Die Tiefenregelung erm glicht das Bohren bis zur geplanten Tiefe Das letzte Verhalten erlaubt das Herausnehmen des Bohrers aus dem Knochen Ein wichtiger As
140. gkeit Bedingung dist 5 mm 32 37 BEE EEE ee ee ee Gn Gn 8 dep 15 mm a8 147 Anhang siehe untergeordneten Regler r3 im Kapitel 4 5 f r die Beschreibung von depth wy dept Go 0 Nai 43 0 1 mm Sample m Nea 44 0 04 mmSample m 10 4 Parameter f r das Einschaltverhalten der untergeordneten Regler Im Folgenden ist die Wertigkeit der Parameter angegeben die bei den Bedingungen f r das Einschaltverhalten der untergeordneten Regler im Kapitel 4 6 eingef hrt und erl utert wurden Die Wertigkeit wurde experimentell im Vorfeld der Experimente vom Kapitel 7 1 7 2 und 7 3 bestimmt Dabei wurden von den rzten mehrere Phantomkiefer gebohrt und es wurden die Wertigkeiten der Parameter bernommen die einem nat rlichen Bohrvorgang entsprachen ohne den Arzt zu st ren und ohne eine berschreitung der Bohrtiefe der Bohrposition oder des Bohrwinkels zu verursachen Die wesentlichen Wertigkeiten sind in der Tabelle 19 aufgef hrt Tabelle 19 In dieser Tabelle sind die f r die Experimente verwendeten Wertigkeiten der Parameter die f r das Einschaltverhalten der untergeordneten Regler verwendet wurden angegeben Wertigkeit Bedingung Hdist_max 0 6 mm 46 Xp unch_max 47 as 49 60 cu 49 60 pnr si 148
141. gte um die Oberfl che gegen Besch digungen mit dem Tastkopf der Koordinatenmessmaschine zu vermeiden Um die Lacktrocknung zu beschleunigen wurden die Messk rper in einem Lacktrockenofen bei 70 getrocknet faro_metalT km_metal Abbildung 84 Fur die Vermessung der abgetragenen Oberflache im Koordinatensystem der Planung muss in einem Zwischenschritt die Position der Titanmarker mit dem FaroArm vermessen werden Jede einzelne der f nf W nde der versiegelten Kavit ten wurde mit einer Koordinatenmessma schine vermessen Es wurden pro Wand ca 90 Punkte gemessen wobei die Anzahl der Punkte in Abh ngigkeit von der Erreichbarkeit mit dem Tastkopf vartierte Die Transformat on der Daten aus dem Koordinatensystem der Koordinatenmessmaschine in das Koordinatensystem der Planung ben tigt einen Zwischenschritt Dabei wird die Lage der Titan marker mit deren Hilfe die Patientenregistrierung erfolgt mit einem Faro Arm vermessen Die Lage der Titanmarker kann mit einer zum Phantom passenden Bissschiene bei der statt der Titanmarker Sackbohrungen eingearbeitet sind vermessen werden Diese Sackbohrungen wur den mit einem Faro Arm vermessen da ihre geringe Gr e die automatische Vermessung der mit der Koordinatenmessmaschine problematisch macht Um eine Koordinatentransformation zwischen dem Faro Arm und der Koordinatenmessmaschine durchf hren zu k nnen wurde an dem Phantom e n Parallelendma befestigt Dieses Parallelendma wurde s
142. havers patTracker pprj k patTracker zt cp k p rj k patTracker pt cp k 60 Oai k patTracker p axis k _ patTracker pprj k 6 1 Gos k arccos patTracker ztcp k patTracker xaxis k 62 1 N eatibe 1 Scan K i A Oai K i b Ovatin K 1 i 7 N eatibr 2 i 63 Fst arin k a ip ik i b aib ET i f 0 64 shaverTracker l Nu cam T Ee cam T _ patTracker T k T alib k 7 shaverTracker k l J f patTracker k i axis i 65 calib i 0 Beim Kalibrieren wird die Transformation FT aup bestimmt 65 wobei nur die Ausrich tung der Z Achse f r d e anschlie ende Instrumentenregistrierung verwendet wird siehe auch Abbildung 63 Bevor die Registrierung erfolgt wird zun chst u een mie TIRE ee T a p gleich gesetzt Auch w hrend und nach der Kalibrierung wird feaib k und fStdcatip k bestimmt Auf diese Weise kann einerseits die Kalibrierung jederzeit durch das He rausziehen des Shavers aus dem Kal brierk rper unterbrochen werden andererseits wird jede Kalibrierung berpr ft und nur bei einem geringen Fehler bernommen Die Instrumentenregistrierung siehe auch die Abbildung 61 korrigiert die Position der Shaverspitze um die korrekte L nge des Shaverschaftes entlang der Z Achse des Shaverschaftes und bestimmt somit die Transformation u Ne etre 72 Die Instrumentenregistrierung wird automatisch gestartet wenn der Registrierfehler fres k 69 und die
143. hen Landmarken am Patient anzutasten Anschlie end wird daraus die Transformation zwischen intraoperativen Patientenlage und pr operativen radiologischen Daten berechnet Diese Trans formation kann mit einer geschlossenen L sung berechnet werden oder iterativ durch eine Suche Ein oft verwendeter Algorithmus fiir die Berechnung der Transformation bei Merkmalen deren Zuordnung zueinander nicht bekannt ist ist der Iterative Closest Point Die Zuordnung der Merkmale zueinander ist nicht bekannt wenn z B der Arzt die Landmarken in einer beliebigen Reihenfolge antasten kann Kalibrierung und Instrumentenregistrierung eines Bohrers ist der zur Patientenregistrierung analoge Prozess zur Bestimmung des bergangs zwischen dem an einem Bohrer fest angebrach ten Instrumententracker und der Bohrerachse und Bohrerspitze In dem m Rahmen dieser Arbeit realisierten System wird die Bohrerkalibrierung und die Bohrerregistrierung des Navigationssys tems RoboDent benutzt F r die Bohrerkalibrierung wird der Bohrer auf einen Kalibrierstift gesteckt der in den Patiententracker eingebracht ist Dadurch dass die Position des Kalibrierstif tes auf dem Patiententracker bekannt ist kann die Bohrerachse aus der Lage des Patiententra ckers und des Instrumententrackers bestimmt werden Bei der Bohrerregistrierung muss die Bohrerspitze eine Vertiefung auf den Navigationsbogen ber hren Die Position dieser Vertiefung relativ zum Patiententracker ist bekannt 33
144. hne Begrenzung des Bohrvorschubs durchgef hrten Bohrungen gegentibergestellt Es wurden 29 Bohrungen ausgewertet eine Bohrung wurde bersehen Die Mittelwerte wurden mit einem t Test die Standardabweichungen mit einem f Test vergli chen s ehe Kapitel 7 1 Vertikal gestrichelt sind s gnifikant schlechtere horizontal die signifi kant besseren Werte 5 Irrtumswahrscheinlichkeit Tabelle 13 In der Tabelle sind die statistischen Kennwerte f r Av vertikale Abweichung f r die navigiert durchgef hrte Bohrung sowie f r die Bohrung mit Navigated Control mit und ohne der Begrenzung des Bohrvorschubs aufgef hrt Die grauen vertikalen signifikant kleinste Werte und horizontalen signifikant sr te Werte Markierungen wurden wie in der Tabelle 12 verwendet navigiert Navigated Control Navigated Control ohne Begrenzung mit Begrenzung des des Bohrvorschubs Bohrvorschubs FE Bann UN Av AN Av 0 26 mm GN Av 0 05 mm min N Av 0 08 mm max N Av 7 2 2 Auswertung und Diskussion Die Daten zeigen eine eindeutige Verbesserung der Werte durch die Benutzung der Begrenzung des Bohrvorschubs Die mittlere Abweichung der Bohrtiefe von der geplanten Tiefe ist signifi kant besser 5 Irrtumswahrscheinlichkeit als die mittlere Abweichung sowohl der navigiert als auch mit Navigated Control ohne Begrenzung des Bohrvorschubs durchgefiihrten Bohrungen Die minimale Abweichung von lediglich 0 08 mm zeigt dass die gef hrliche b
145. hnittstelle Is9 zwischen dem Sicherheitsassistenten und dem Steuerpro gramm bermittelt im Normalfall die von den untergeordneten Reglern berechnete ma x male Leistung des chirurgischen Instruments an das Steuerprogramm Tritt jedoch e n Fehler auf dann unterbricht der Sicherheitsassistent diese bermittlung und schaltet das Instrument unabh ngig von den Daten der untergeordneten Resler ab e Die Softwareschnittstelle Is o zwischen dem Sicherheitsassistenten und dem Navigati onsmodul wird in einem Fehlerfall benutzt Der Sicherheitsassistent bermittelt dann die Fehlermeldung die durch das Navigationsmodul visualisiert wird W hrend dieser Vi sualisierung des Fehlers stoppt die normale Instrumentennavigation Die Softwareschnittstelle Is2 exportiert die CT Daten sowie die Planungsdaten Zu jeder Planung wird eine Planungsdatei generiert die unter anderem die folgenden Informationen enth lt e Verweis auf axiale CT Daten im DICOM Format die im Dateisystem auf der Festplatte des Navigationssystems abgelegt werden e die Positionen der Titanmarker der Bissschiene bzw die Positionen der vom Arzt festge legten anatomischen Landmarken m Koordinatensystem der CT Daten e die Position der Zielgeometrie im Koordinatensystem der CT Daten e sowie den Verweis auf eine Oberfl chenrekonstruktion der Zielgeometrie die im Datei system auf der Festplatte des Navigationssystems abgelegt wird Konzept der Leistungssteuerung von Instrument
146. hrten untergeordneten Reglern sowie dem Sicherheitsassistenten und der auf der Steuerungselektronik ausgef hrten Steuerprogramm er m glicht Die Regler bermitteln ber Iq die berechnete maximale Leistung des Instruments Das Steuerprogramm bermittelt eventuelle Fehler die beim Verletzen der Invariante I 20 detektiert werden Um einen sicheren medizinischen Betrieb zu erm glichen wurden statt nor malen 9 poligen seriellen Anschl ssen robuste Stecker und Buchsen der Firma Lemo verwendet Die Ein und Ausgabeschnittstelle Ip2 wird f r das Einlesen der durch den Arzt eingestellten Leistung am Fu pedal und f r die Ausgabe der durch das Steuerprogramm berechneten neuen Leistung an die chirurgische Einheit ben tigt Es handelt sich dabei um eine einfache analoge Schnittstelle bei der die Spannungspedel der beiden im Fu pedal vorhandenen Potentiometer durch einen Analog Digital Wandler der Steuerungselektronik eingelesen werden Die Ausgabe der neuen Leistung an die chirurgische Einheit erfolgt ber einen Digital Analog Wandler Abbildung 37 Die vier Hardwareschnittstellen verbinden die Steuerelektronik die chirurgische Einheit das Instrument das Fu pedal und das Navigationssystem Die Eingabeschnittstelle Ins ist f r die Kontrolle der Funktionsf higkeit der chirurgischen Ein heit notwendig An Ig3 wird berpr ft ob die an der Schnittstelle Iq ausgegebene Abschaltung des Instruments auch tats chlich erfolgt Die berpr f
147. ht Der zeitliche Aufwand f r die manuelle Segmentierung kann je nach geforderter Genauigkeit der Komplexit t und Ausdeh nung der interessanten Struktur hoch sein z B 45 min f r die manuelle Segmentierung des Mastoids Dammann 2002 Eine einfache Segmentierung wird unterst tzt indem der Arzt die ROI nur in verschiedenen nicht angrenzenden Schichten markiert und f r die dazwischen lie genden Schichten die ROI interpoliert wird Au erdem kann innerhalb dieser manuell festgeleg ten ROI oder m Gesamtdatensatz ein Volumen auf der Grundlage eines ausgew hlten Grauwertbereichs mit Region Growing berechnet werden Im Forschungsbereich werden komplexe semiautomatische und vollautomatische Segmentie rungsalgorithmen entwickelt und evaluiert Das Ziel dabei ist den Interaktionsaufwand sowie die ben tigte Zeit f r eine manuelle Segmentierung zu senken Ein grundlegendes Problem der nicht manuellen Segmentierung ist jedoch dass in kritischen Bereichen das Ergebnis der Seg mentierung vollst ndig durch den Arzt kontrolliert werden muss Au erdem h ngt das Ergebnis einer automatischen oder semi automatischen Segmentierung ma geblich von der segmentierten Struktur ab W hrend Knochen relat v gut mit einfachen Mitteln automatisch segmentiert wer den k nnen Dammann 2002 ist z B die Segmentierung von Lymphknoten m Hals sehr auf w ndig Hintze 2005 Der Aufwand einer nachtr glichen berpr fung und eventuell notwendiger manueller
148. htig an die Zieltiefe herangef hrt werden so dass die Zieltiefe n cht berschritten wird In dem entsprechenden Operationszustand Implantatende bohren wird die Instrumentenleistung dabei proportional zum Abstand zum Implantatende reduziert Beim Erreichen der Zieltiefe wird die Leistung des Bohrers minimiert der Bohrer wird nicht abgeschaltet sie dazu das n chste Kapitel 4 2 4 2 Begrenzung der Vorschubgeschwindigkeit In der Operationsphase Abbremsen wird die Vorschubgeschwindigkeit des Bohrers begrenzt Als Vorschubgeschwindigkeit 8 k ist in 41 die Geschwindigkeit der Bohrerspitze entlang der Implantatachse definiert In der Operationsphase Abbremsen wird die Leistung des Bohrers verringert wenn der Bohrer zu schnell in den Knochen eindringt Das zu schnelle Eindringen kann z B in der por sen Spongiosa auftreten in den Experimenten wurde der Effekt in Phan tomkiefern untersucht Durch das Abschalten kann weniger Knochenmaterial abgetragen wer den und der Bohrervorschub wird verlangsamt Ist der Bohrervorschub langsam genug dann erfolgt der Wechsel in einen anderen Operationszustand 69 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers Die Notwendigkeit f r die Begrenzung der Vorschubgeschwindigkeit wurde durch die in Abbildung 44 und Abbildung 45 dargestellten Messungen sowie experimentell best tigt siehe Kapitel 4 2 Bei den n den Abbildungen dargestellten Messungen wurde eine Bohrung zun chst ohne Vorschubbegrenzung
149. htigt werden dass der Patiententracker und der Instrumententracker gemeinsam jederzeit sichtbar sein m ssen Der Patiententracker ist parallel zur Okklusionsebene die Ebene der Z h ne angeordnet Die Einzeichnung dieser Linie in Abbildung 60 rechts gestrichelt zeigt dass der Patiententracker innerhalb des Bewegungsbereichs des Instrumententrackers ist also den notwendigen Sichtbarkeitsbereich nicht vergr ert Der gegossene Plastikk rper sichert die Ausrichtung des Shavertrackers gegen verdrehen Durch die Aufnahme des am Titank rper vorhandenen Stiftes durch den Plastikk rper und die Siche rung dieses Stiftes durch eine Madenschraube bleibt der Shavertracker in einer Position trotz der Rotation des Shaverschaftes mit dem Zeigefinger Wie der Titank6rper kann der Plastikk rper einfach durch Aufstecken am Griff montiert und vor dem Autoklavieren abgenommen werden In der jetzigen Form ist der Plastikk rper als ein Wegwerfartikel konzipiert der vom Werk steril geliefert wird Es ist jedoch auch eine Herstellung im Gie verfahren mit autoklavierbaren Har zen oder aus Titan m glich 5 2 2 Kalibrierung und Instrumentenregistrierung des Shavers Die Kalibrierung und Instrumentenregistrierung des Shavers dient der Bestimmung des Uber gangs vom Instrumententracker zur Shaverspitze Dieser Ubergang wird mathematisch durch die Gesamttransformation salsa eae ee beschrieben siehe Abbildung 24 rechts Als Kalibrie rung wird dabei der Vorgang
150. ibergeben Navigation eines Bohrers ist mit dem Navigationssystem der Fa RoboDent m glich Auf der Grundlage des Planungsdatensatzes wird die Position des Bohrers relativ zu den radiologischen 34 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten n der Kopf Chirurgie Schichtdaten relativ zu dem 3D Oberfl chenmodell des Patientenkiefers und relativ zu dem n chsten Implantat visualisiert Die Visualisierung der Bohrerlage relativ zu einem Implantat erfolgt in einer zweidimensionalen Darstellung in der die Position die Orientierung und die Tiefe des Bohrers in einer Art Zielscheibe eingeblendet sind Patienten und Instrumententracker sind mechanische Konstruktionen meist aus dem Kunst stoff PEEK oder aus Titan die oft mindestens drei retroreflektierende Kugeln enthalten Die Position der retroreflektierenden Kugeln ist entweder aus dem Fertigungsprozess bekannt oder wird nach der Fertigung vermessen Die bekannte Position der Kugeln auf dem Tracker erm g licht die Berechnung der Position und Orientierung des Trackers Die Tracker werden fest mit dem Patienten und mit dem benutzten chirurgischen Instrument verbunden Die Transformation zwischen dem Koordinatensystem des Patiententrackers und dem Koordinatensystem des Patien ten wird durch die Patientenregistrierung erm glicht Die Transformation vom Koordinatensys tem des Instrumentrackers zur Instrumentenachse bzw zur Instrumentenspitze wird durch die Instrumentenkalibrierung bzw Instr
151. ich bei Susanne Heberer Nicolai Adolphs Frau Dr med Heidi Olze und Lars Harfenmeister Ebenfalls bedanke ich mich bei den Mitarbeitern der Leipziger Hals Nasen und Ohren Universit tsklinik und des Innovation Center Computer Assisted Surgery ICCAS in Leipzig insbesondere bei Matthias Hofer und Werner Korb Ich danke allen Kollegen f r die Unterst tzung f r fachliche und nicht fachliche Diskussionen sowie f r ihre Anregungen Besonders danke ich Andreas Rose und Stefan Weber f r die Durch sicht und die Kontrolle der Arbeit Ich m chte herzlich Sebastian Stopp Ralf Tita Mario Strauss und Dirk Mucha f r ihre Mitwirkung und Interesse danken Bei Marc Kneissler und Timo Kr ger bedanke ich mich f r die anregenden und offenen Diskussionen Au erdem danke ich And reas Hein Dirk Schauer Daniel Szymanski Cyrill von Tiesenhausen Emanuel Jank Dirk Broneske Martin Matzig Yuichiro Honda Stephan Nowatschin und Mathias Markert Den neuen Kollegen in Miinchen danke ich fiir die sehr angenehme Aufnahme und Zusammenarbeit Ich danke auch allen Studenten insbesondere Michael Beyer und Oliver Schwenke Besonders herzlich bedanke ich mich bei meiner Familie fiir die stetige Unterstiitzung und Hilfe Ein ganz gesonderter Dank gilt dabei meiner geliebten Freundin Antje Berkau die mir in allen Situationen beistand und mir half Kirill Koulechov Dezember 2006 Inhaltsverzeichnis 1 Eimlet ns sense RR coostabed coubeedsonsnuedonteuto
152. ichem und individuell angepasstem Ausma die erkrankte Schleimhaut zum Teil entfernt Bachert er al 2003 Sinus sphenoidales Abbildung 7 Links ist im rechten Sinus sphenoidalis die Keilbeinh hle die Verschattung sichtbar die intraoperativ ausger umt werden muss rechts ist die Dimension der Shaverspitze verdeutlicht Das zu entfernende Gewebe wird basierend auf den endoskopischen und radiologischen Daten identifiziert Der Umfang des Eingriffs geht aus dem radiologischen Befund und der Kenntnis der Anatomie hervor Die Abbildung 7 zeigt eine entz ndete rechte und die normale linke Keil beinh hle Sinus sphenoidalis Die entz ndete rechte Seite ist durch die Verschattung sichtbar Am h ufigsten geht die chronische Sinusitis auf Entz ndungen im Ethmoid Siebbein zur ck Aus diesem Grund wird bei den meisten FESS Eingriffen der Ethmoid ausger umt Seine Re sektion ist dann komplett wenn alle 1m CT sichtbaren Schleimhautver nderungen abgetragen sind und eine ethmoidale Zelle mit normaler Schleimhaut er ffnet wird Schwenzer et al 2000 Abbildung 8 Die Shaverspitze kann mit dem Zeigefinger rotiert werden eine Drehung des Handgriffs ist nicht notwendig Als pr operative Bildgebung werden laut Behrbohm et al 1998 bei interventionellen Eingrif fen in den Nasennebenh hlen grunds tzlich koronare d h parallel zur Gesichtsebene des Pati enten geschichtete CT Schnittbilder aufgenommen Bei geringem Schichtabstand k
153. iden Eingriffe gegen ber 2 1 1 Dentale Implantologie In diesem Abschnitt wird die traditionelle Durchf hrung des Eingriffs beschrieben Der Einsatz der Navigation wird im Kapitel 2 3 erl utert Stand der Technik Tabelle 1 Gegen berstellung der Unterschiede und Gemeinsamkeiten des Bohrens in der dentalen Implantologie und des Shavereinsatzes in der FESS Schwenzer et al 2000 Koeck und Wagner 2004 Tutsch und Tutsch 2001 fo a Dentale Implantologie FESS Vorbereitung der Planung Bildgebung fiir die Pla nung Operationsgebiet Bildgebung fiir den Ein griff Erstellung eines Kiefermodells aus Gips axiales CT und oder Orthopan tomogramm Festlegung des Implantattyps Implantatmenge und Implantat position Patientenkopf Unterkiefer oder Oberkiefer Direkte Sicht auf das Gebiet betroffenen ax ales CT oder koronales CT und endoskopisch Visuelle Identifikation der Nasennebenh h len Region und der individuel len Anatomie der Sch delbasis h hlen Gebiet Endoskopisch Patientenlagerung Gesicht nach oben Gesicht nach oben An sthesie Vorbereitung des Eingriffs Eingriff Instrumentarium f r den Eingriff Aufklappen der Mundschleim haut oder Stanzen anschlie Bend evtl Sinuslift und Begradigung des Alveolar kamms Ank rnen der Implantatpositi on Vorbohren der Implantat achse Aufbohren auf die Implantatdicke Einsetzen des Implantats Elektrisch betriebener Bohrer mit
154. ie vor der CT Aufnahme erstellt wurde Die Erstellung der Bissschiene erfolgt anhand eines Gipsmodells siehe Abbildung 5 rechts in dem Gipsmodell wird vor der CT Aufnahme der Zahnersatz nach sthetischen Gesichtspunkten eingearbeitet Ebenfalls vor der CT Aufnahme wird der Abdruck des Zahnersatzes in der Bissschiene r ntgenopak eingef rbt Zun chst stehen dem Benutzer axiale Schichtdaten zur Verf gung Durch die Definition einer Panoramalinie die m glichst dem Verlauf des Nervus alveolares inferior folgt wird die Pano ramaans cht erzeugt Die Panoramaansicht hnelt einem traditionellen Orthopantomogramm Anschlie end wird ein 3D Modell des Knochens berechnet Der Operateur hebt in der Panora maansicht den Verlauf des Nervus alveolares inferior farbig hervor Aus einer Datenbank wer den passende Implantate ausgew hlt Diese werden in der axialen Ans cht eingef gt Der Operateur kann die Position der Implantate in allen dargestellten radiologischen Schnittbildern axiale crosssectionale Darstellung sowie die Panoramaansicht anpassen Zus tzliche Funktio nen wie L ngenmessung Vermessung der Knochendichte an Implantatpositionen oder Paralleli sierung der Implantatachsen erleichtern die weitere Planung 2 2 2 Planungsverfahren f r FESS Gegenw rtig werden keine Planungssysteme f r FESS eingesetzt Zurzeit findet die klinische Planung vor allem im Kopf des Chirurgen als eine mentale Analyse der CT Daten statt Ent 15 Sta
155. iedrige Position des der Knochenoberfl che gespeichert Bei einer zu hohen Position der Knochenoberfl che kann der Arzt das Ank rnen m glicherweise nicht durchf hren da allein beim Absenken auf die Knochenoberfl che der Zustands bergang t7 71 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers siehe unten ausgel st wird Die M glichkeit das fehlerhafte Ausl sen des Zustands bergangs t6 mit Hilfe eines Kommandos R ckg ngig bzw Undo ber den Touchscreen zur ck zu nehmen darf bei einem normalen chirurgischen Eingriff nicht erforderlich sein da intraoperati ve Touchscreen Interaktionen unergonomisch sind und generell vermieden werden Es muss sichergestellt sein dass ein tats chlich vorliegender Zustands bergang t6 automatisch erkannt wird F r die zuverl ssige Erkennung des ruhigen Haltens wird das Rauschen der Bohrerspitzenpositi on im Koordinatensystem des Implantats ausgewertet Dabei werden auch die begrenzte Update rate sowie das Rauschen des Positionsmesssystems ber cksichtigt Die zuverl ssige Erkennung erfolgt zweistufig 1 Filterung der Bohrerspitzenposition entlang der Implantatachse 2 Wie 1 und zus tzlich die Visualisierung des Zustands bergangs f r den Benutzer Die erste Filterung initialisiert den Zustands bergang und ist realisiert durch die geeignete Bil dung eines gleitenden Mittelwerts 37 Die Bedingung kombiniert die Entfernung Laist k N zwischen der Implantatachse und d
156. ight Problem Die Firma NDI stellt ebenfalls den elektromagnetischen Sensor Aurora her Er besteht aus einem Feldgenerator und Sensorspulen Der Feldgenerator erzeugt ein elektromagnetisches Feld Das elektromagnetische Feld erzeugt elektrische Str me in Sensorspulen die in diesem Feld einge bracht sind Aus diesen Str men wird die Position und Orientierung der Sensorspulen berechnet 19 Stand der Technik Allerdings wird die Orientierung f r eine Spule f r zwei Dimensionen des Raums bestimmt so dass die Bestimmung der vollst ndigen Lage immer zwei Spulen ben tigt werden Das System Aurora wird noch in keinem medizinischen Navigationssystem verwendet Andere elektromag netische Sensoren wurden von den Herstellern der Navigationssysteme selbst ndig entwickelt wie bei den Systemen InstraTrak von GE Medical urspr ngliche Entwicklung durch VTI Visua lization Technology Inc oder von Stealthstation Ax EM gemeinsame Entwicklung durch Medtronic Navigation und Zimmer Inc urspr ngliche Entwicklung durch Centerpulse AG Alle Systeme haben den Vorteil der Abwesenheit des Line Of Sight Problems Demgegen ber steht als wichtigster Nachteil die Empfindlichkeit der Messung gegen ber u eren Einfl ssen wie Motoren oder metallischen Gegenst nden Mucha er al 2005 sowie die Notwendigkeit einer Kabelverbindung zwischen Sensor und dem zu vermessenden Objekt 2 3 2 Patientenregistrierung In diesem Kapitel werden die algor thmischen G
157. igkeit der Patientenregistrierung und der Bildge bung sowie von der Herstellung und Handhabung der Bissschiene abh ngt und somit va rlieren kann e der Saugeffekt der Pumpe einen unbekannten Faktor darstellt e die Handhabung und die Qualit t der Oberfl che der retroreflektierenden Glaskugeln sich direkt auf die Genauigkeit der Positionsmessung des Shavers und des Patienten und so mit auf die Systemgenauigkeit auswirken e wie bei dem Phenolschaum auch kann der Arzt durch unvorsichtige Bewegungen sensib le anatomische Strukturen auch bei einem ausgeschalteten Shaver besch digen In weiteren Messungen kann untersucht werden wie die einzelnen Fehlerfaktoren auf die Ab weichungen wirken Daraus kann die Dimensionierung des Sicherheitskorridors s ehe Kapitel 5 3 2 bestimmt werden 135 Experimente 136 8 Zusammenfassung und Ausblick Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuartiges System f r die Leistungssteuerung eines Bohrers f r die dentale Implantologie und eines Shavers f r die Funktionale Endoskopische Sinuschirur gie entwickelt Damit ist erstmals die klinische Benutzung von einem Bohrer und einem Shaver m glich bei der das Instrument nur entsprechend der pr operativen Planung eingesetzt werden kann Dadurch werden die pr operativ in einer Planung festgelegten gef hrdeten sensiblen Strukturen systemimmanent gesch tzt Das wird durch die kliniktaugliche Einbindung der In strumentenabschaltung f r die der Ablauf
158. ik 0000 0009 00000000 0000 0000 0110 1000 0000 1000 0000 00000110 0110 Shaver gt NaviBase Das Steuerprogramm kommuniziert tiber das serielle Interface der Steuerelektronik mit dem Navigationssystem Die vorhandenen Befehle und ihre Kodierung sind in der Tabelle 11 aufge f hrt Wie im Kapitel 3 6 2 beschrieben ist die Synchronisierung der Bytefolgen durch das Escape Zeichen des Befehls gesichert Das Escape Zeichen wird als erstes Byte des Befehls verschickt Alle Befehle sind so kodiert dass die Bitfolge des Escape Zeichens an keiner ande ren Stelle des Befehls vorkommt Das Steuerprogramm scannt die einkommende Bytefolge nach dem Escape Zeichen und interpretiert die nachfolgenden vier Bytes entsprechend der Tabelle 11 Entspricht die Checksumme nicht dem Befehlsinhalt dann wird der letzte Befehl verworfen Alle korrekten Befehle werden mit einem Lebenszeichen quittiert Die Umsetzung der anderen Befehle ist abh ngig von der Realisierung des spezifischen Pedalinterfaces also von der ver 114 Realisierung der Sicherheitsarchitektur wendeten chirurgischen Einheit bzw von dem Instrument ab Das vierte Byte ist f r m gliche zuk nftige Erweiterungen des Befehlsumfangs vorgesehen 6 3 Sicherheitsassistent Der Sicherheitsassistent ist eine Softwarekomponente die auf dem Navigationssystem ausge f hrt wird und das Gegenst ck zur im letzten Kapitel vorgestellten Softwarekomponente Steuer programm ist Der Sicherheitsassiste
159. im Bohren keine sensiblen Strukturen zu verletzen Eine solche Struktur ist beispielsweise der m Unterkiefer verlaufende Nervus alveolares inferior siehe Abbildung 1 Seine Besch digung kann den Verlust der sensorischen F higkeiten in der Unterlippe sowie im Wangen und Kinn bereich zur Folge haben Au erdem muss die Position und Orientierung der Implantate bestimm te Voraussetzungen erf llen So muss z B aus biomechanischer Sicht die Implantatachse m glichst senkrecht sein Koeck und Wagner 1999 Andere m gliche Risiken sind die Verlet zung von intakten Zahnwurzeln die Perforation der Oberkieferh hle Sinus maxillaris siehe Einleitung Abbildung 1 oder die Perforation des Knochens m Unterkiefer Tetsch und Tetsch 2001 Koeck und Wagner 2004 Neben diesen chirurgischen Gesichtspunkten muss die Implantation auch prothetische und sthe tische Ziele ber cksichtigen So muss die Belastungsachse beim Kauen m glichst senkrecht zur Kaufl che stehen Andererseits m ssen die Position und das Aussehen der k nstlichen Z hne mit den restlichen nat rlichen Z hnen harmonieren Die medizinische Problemstellung kann folgenderma en zusammengefasst werden 1 Die Position der Implantate muss prothetisch und chirurgisch unter Ber cksichtigung der der anatomischen Gegebenheiten der sthetischen und biomechanischen Anforderungen optimal geplant werden 2 Die pr operative Planung muss intraoperativ pr zise bertragen werden
160. immt die Achse des Shaverschaftes mit der X Achse von TPT durch die hochgenaue Fertigung berein Die Differenz zwischen dem aktuellen Verlauf der Achse YerTracker des Shaverschaftes und der Achse p der Sackboh rung bestimmt den Kalibrierfehler fcaip kX 63 und die Standardabweichung des Kalibrierfehlers fstdeauv k 64 Der Kalibrierfehler fcaip k setzt sich aus dem Winkel Q ain f sowie aus dem Abstand aib k zusammen die Faktoren a und b werden f r die Gewichtung verwendet Qeatin k ist der Winkel zwischen der Achse des Shaverschaftes und der Achse der Sackbohrung catin k ist der Abstand zwischen dem tiefsten Punkt der Sackbohrung und der Achse des Shaverschaf tes Liegt der Kal brierfehler unter dem Schwellwert fealib max und die Standardabweichung des Kalibrierfehlers unter stdfcaib max dann startet die automatische Kal brierroutine Andernfalls muss der Arzt die Kalibrierroutine durch die Eingabe eines ihm bekannten Tastaturcodes manu ell starten In diesem Fall hat sich die Shavergeometrie so gravierend ver ndert dass sie in einem Kalibriervorgang neu bestimmt werden muss axis x patTracker patTrackergtcp enmu Sea Abbildung 63 Die bei der Kalibrierung ma geblichen Abst nde patTracker patTracker patTracker e pd k ptep k axis k i 58 k patTracker d k patTracker zt c k prj k pd k p k 59 96 Realisierung der Leistungssteuerung eines S
161. in an area of the human body preferable the jaw US5842859 US Patent Palti A 2003 Zukunfschancen der 3 D Computer navigation in der Implantologie Implan tologie Journal Vol 2 pp 6 12 Pezeshkian A A 1996 Drill guide for dental implants and method US5636986 US Patent Raabe A Krishnan R Wolff R Hermann E Zimmermann M Seifert V 2002 Laser Surface Scanning for Patient Registration in Intracranial Image guided Surgery Neurosur gery 50 4 pp 797 803 Schermeier O Hildebrandt D Lueth T C Szymanski D Bier J 2001 Accuracy of an Image Guided System for Oral Implantology CARS O1 Computer Assisted Radiology and Surgery Berlin Germany June 27 30 June 2001 Reprinted in Proceedings of CARS 2001 Computer Assisted Radiology and Surgery the 15Th International Congress and Exhibition Schermeier O 2002a Ein Navigationssystem fiir die dentale Implantologie Dissertation an der Technischen Universit t Berlin In Fortschrittsberichte VDI Reihe 17 Nr 227 VDI Verlag Schermeier O Lueth T C Cho C Hildebrandt D Klein M Nelson K Bier J 2002b 142 Literatur The Precision of the RoboDent System An in Vitro Study CARS Computer Assisted Radi ology and Surgery Par s France June 26 29 2002 Reprinted n Proceedings of CARS 2004 Computer Assisted Radiology and Surgery the 16Th International Congress and Exhibition Elsevier Science Publishers North Holland Schermeier O
162. inkelabweichung aufgef hrt in der Mitte ist die pr operative Planung und rechts die Versuchsdurchf hrung mit einem KaVo Patientenphantom dargestellt 7 1 2 Durchf hrung Alle 90 Bohrungen wurden durch einen Arzt in der folgenden Reihenfolge durchgef hrt 1 30 Bohrungen freihand 2 30 Bohrungen navigiert 3 30 Bohrungen mit Navigated Control Zuerst wurde die Freihandbohrung durchgef hrt so dass sich nach navigierter und nach mit Navigated Control durchgef hrter Bohrung kein Lerneffekt einstellt Alle Bohrungen wurden durch den gleichen m den Arzt nach einem durchschnittlichen Arbeitstag durchgef hrt F r die Messung der Genauigkeit beim freih ndigen Bohren wurde der Bildschirm des Navigati onssystems verdeckt alle akustischen S gnale wurden ausgeschaltet Die Bohrung wurde von einem Arzt Implantologe durchgef hrt Ein Assistent hat w hrend des Bohrens die Sichtbarkeit des Patienten und des Instrumententrackers berwacht so dass die Positionsdaten f r die Aus wertung aufgenommen werden konnten F r die Planung hat der Arzt das RoboDent Planungsmodul als visuelle Hilfe benutzt Die Tiefenkontrolle erfolgte durch das Ausmessen der Solltiefe 1m RoboDent Planungsmodul die tats chliche Tiefe wurde durch die in der dentalen Implantologie bliche berwachung der am Bohrer angebrachten Tiefenmarkierungen kontrol liert Navigiertes Bohren wurde dem Navigationssystem RoboDent durchgef hrt Die Messung der Genauigkeit
163. ionsmesssystem bestimmt die Position und Orientierung von Trackern die an den Instru 41 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten in der Kopf Chirurgie menten und am Patienten angebracht sind Die Lage in der Abbildung 23 mit shaverTracker und patTracker bezeichneten Koordinatensysteme dieser Tracker an einem Shaver und an einem Bohrer wird als homogene 4x4 Matrizen m Koordinatensystem cam des Sensors angegeben Tprittracker 1 a 2 u Las 3 caMThaverTracker cam en NT patTra cker 7 patTracker Abbildung 23 Die Lage des Instruments hier beispielhaft f r den Shaver und des Patienten werden mit dem Positionsmesssensor mit Hilfe der angebrachten Tracker vermessen Instrumente F r Navigated Control und Navigation in der dentalen Implantologie wird die Fremdkomponente Bohrer mit Handst cktracker der Firma RoboDent GmbH benutzt siehe Abbildung 24 links F r FESS wird die Fremdkomponente Shaver der Firma Karl Storz GmbH benutzt siehe Abbildung 24 rechts F r diesen Shaver wurde im Rahmen dieser Arbeit eine geeignete Trackerhalterung konstruiert und gefertigt die eine einfache Befestigung und Demon tage des Trackers erm glicht shaverTracker drilllracker shaverlrackerf averT cp shaverTcp Abbildung 24 Durch die Instrumentenkalibrierung und registrierung wird die Transformation a ig bzw a Den zwischen dem Instrumententracker und spitze bestimmt 42 Konzept der Leistungssteuerung von In
164. ionszustand z k visualisiert Das stellt sicher dass sowohl die Leistungssteuerung als auch die Visualisierung der Abweichung zwischen Instrument und Zielgeometrie die gleichen Kriterien f r eine optimale Lage des Bohrers nutzen Andernfalls w re es f r den Arzt nicht m glich die Bohrung durchzu f hren da eventuell die Minimierung der visualisierten Abweichung nicht zum Einschalten des Bohrers f hren w rde Bei FESS wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neues Navigationssoftwaremodul konzipiert und realisiert das die Navigation und die Leistungssteuerung eines Shavers erm glicht Es werden die coronalen sagittalen und axialen CT Schnittbilder sowie die 3D Oberfl che des Patienten kopfes visualisiert Mit Hilfe von 12 und 14 werden die drei orthogonalen Schnitte durch die CT Daten an der Position der Shaverspitze berechnet und visualisiert Der Shaver sowie der pr operativ segmentierte Arbeitsraum werden in diese Schnitte eingeblendet Sicherheitsassistent Die Softwarekomponente Sicherheitsassistent wird auf dem Navigations system ausgef hrt Der Sicherheitsassistent ist Bestandteil der Sicherheitsarchitektur und rea siert auf die Fehlermeldungen err k des Steuerprogramms Bei einer empfangenen Fehlermeldung generierte der Sicherheitsassistent eine entsprechende audiovisuelle Warnung und schaltet das Instrument ab Das erfolgt in dem der Stellwert y k durch den Sicherheitsassis tenten kontrolliert wird Der Sicherheitsassistent
165. ird als ein Kreis am Mauszeiger visualisiert wobei der Mauszeiger 1m Mittelpunkt des Kreises ist Wird ein Eckpunkt des Polygons II von au en mit dem Kreis ber hrt dann verschiebt sich dieser Eckpunkt nach Innen so dass das Polygon an dieser Stelle schrumpft siehe Abbildung 56 links Wird ein Eckpunkt von innen ber hrt dann erfolgt eine gegenseitige Bewegung so dass das Polygon an dieser Stelle w chst siehe Abbildung 56 rechts Die neue Position des Eckpunktes setzt sich aus der Richtung und der Geschwindigkeit der Formver nderung zusammen Die Richtung der Formver nderung ist ein Vektor M82gs k im Koordinatensystem des ax alen Schnittes der durch die benachbarten Eck punkte s pa k und pb k des Eckpunktes p k bestimmt ist 56 Die Geschwindigkeit der Formver nderung ist eine konstante gsx die in jedem Systemzyklus die Gr e des Polygons anpasst Dadurch st es m glich durch das Ber hren mehrerer Eckpunkte das Polygon an be stimmten Stellen sehr schnell und gezielt wachsen oder schrumpfen zu lassen und so an die ver nderte Anatomie anzupassen 89 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers imgz gs k i pa k i pb k 55 2 E DCK p k 1 E gs k 1 gs 56 Abbildung 56 Durch das Grow Schrink Werkzeug kann ein bei der Segmentierung erstellter Polygon mitte einfach verkleinert links oder vergr ert rechts werden in dem die Polygoneckpunkte von innen oder von au en ber hrt werde
166. istriermethode richtet sich nach Schermeier 2002a Die Position des CT Datensatzes relativ zum Patiententracker ist durch die zuvor erfolgte Patientenregistrierung bekannt Mit Hilfe der so bestimmten Position und Orientierung des Shavers relativ zu dem CT Datensatz wird der Shaver in diesem CT Datensatz zwei und dreidimensional dargestellt Fer ner wird der segmentierte Arbeitsraum lagerichtig zum Shaver visualisiert 90 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers 5 2 1 Trackerhalterung Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Trackerhalterung f r den Shaver konstruiert und gefertigt siehe auch Kapitel 3 5 4 Die Trackerhalterung muss die folgenden Anforderungen erf llen siehe auch Kapitel 3 5 4 e Der Tracker muss direkt mit dem Shavershaft verbunden sein so dass die relat ven Be wegungen der Shaverspitze zum Shavergriff getrackt werden k nnen e die Entfernung zwischen dem Tracker und der Shaverspitze muss gering sein um den Messsfehler des Positionsmesssystems gering zu halten e die Konstruktion und die Materialwahl muss die Verwendung im OP autoklavierbar oder als Einweg Artikel erm glichen e die Konstruktion muss eine einfache Montage und insbesondere schnellen intraoperati ven Wechsel der Shaverspitze zulassen e die Position des Trackers w hrend des Eingriffs muss derart gew hlt sein so dass die Sichtachse zwischen dem optische Positionsmesssensor und dem Tracker bei normalem chirurgischen Einsatz nicht
167. isualisierung MeVisLab wurde vom Centrum fiir Medizinische Diagno sesysteme und Visualisierung MeVis in Bremen entwickelt Es erm glicht unter anderem die Erstellung von filter und pipelinebasierten Netzwerken f r die Anwendung von unterschiedli chen Segmentieralgorithmen Region Growing LiveWire etc auf medizinische Bilddaten Ein Beispiel f r die 3D Segmentierung eines Sch dels mit Region Growing ist in Abbildung 11 dargestellt Einer der Schwerpunkte von MeVisLab ist die Segmentierung von Lebergef b u men Moderne Navigationssysteme z B der F rma BrainLAB bieten ebenfalls Planungsfunktionalit t f r HNO Eingriffe an Majdan et al 2003 und BrainLAB 2001a sowie BrainLAB 2001b Diese erm glichen die pr operative Festlegung von Zielpunkten und Trajektorien die dem Arzt intraoperativ visualisiert werden Au erdem ist eine einfache Segmentierung m glich Der Arzt kann manuell in mehreren Schichten mit einer Art Pinsel Werkzeug einen Bereich markieren Dieser Bereich kann nachtr glich nachbearbeitet erweitert verkleinert werden Allerdings sind diese Funktionen nicht f r das routinem ige schnelle Segmentieren der auszur umenden Regi on optimiert Eine weitere Funktion ist die Grauwertbasierte Segmentierung Region Growing innerhalb einer vorab manuell eingezeichneten Region Dabei zeichnet der Operateur zun chst in einigen Schichten die Region wie oben beschrieben ein Das Einzeichnen erfolgt in der ersten A
168. it ten Tabelle 17 Hier sind die detaillierten Kenndaten f r die Abweichungen zwischen der Planung und der realen Kavit ten ber alle Kavit ten dargestellt A En fa Faas 0 aa 0 93469 0 os Be 0878 0 oe 0 6576 0 3185 0 5059 0 3235 0 8906 MeaNndiff Kavit t 3 0 9628 0 0466 0 0338 0 7876 0 6655 mm Kavit t 4 0 7605 0 8132 0 1949 0 3912 0 2270 Kavit t 5 0 8067 0 4124 0 3197 0 4961 0 1768 StdNmean dif Kavitat 1 0 0487 0 0484 0 0439 0 0907 0 0346 mm Kavitat 2 0 0490 0 0329 0 0403 0 0639 0 0339 146 Anhang m 10 3 Parameter f r die Zustands berg nge des Beobachters Im Folgenden ist die Wertigkeit der Parameter angegeben die bei den Bedingungen fiir die Zustands berg nge des Beobachters im Kapitel 4 4 eingef hrt und erl utert wurden Die Wer tigkeit wurde experimentell im Vorfeld der Experimente vom Kapitel 7 1 7 2 und 7 3 bestimmt Dabei wurden von den rzten mehrere Phantomkiefer gebohrt und es wurden die Wertigkeiten der Parameter bernommen die einem nat rlichen Bohrvorgang entsprachen ohne den Arzt zu st ren und ohne eine berschreitung der Bohrtiefe der Bohrposition oder des Bohrwinkels zu verursachen Die wesentlichen Wertigkeiten sind in der Tabelle 18 aufgef hrt Tabelle 18 In dieser Tabelle sind die f r die Experimente verwendeten Wertigkeiten der Parameter die bei den Bedingungen der Zustands berg nge des Beobachters verwendet wurden angegeben Werti
169. itttep k zur Achse des geplanten Implantats ist gering der Winkelfehler 8 arittTep k ist tolerierbar und die Tiefe 8 dentharintep k des geplanten Implantats ist nicht erreicht F r die weitere Betrachtung muss angenommen werden dass der Arzt ausgehend von dieser als korrekt bewerteten Bohrerlage den Bohrer optimal entlang der Bohrerachse in den Knochen f hrt Wie in der Abbildung rechts dargestellt kann es dann n der Tiefe 8 Jeptharittep k n n Messzyklen sp ter dazu kommen dass nach der gleichen Metrik wie oben die Bohrerlage nicht mehr korrekt ist Da es eine geringe tolerierte Winkelabweichung 8 aritttep k gegeben hat hat s ch die Bohrerspitze zun chst zur Achse des geplanten Implantats und anschlie end von der Achse des geplanten Implantats weg bewegt In der Tiefe i 8 Jeptharittep k n berschreitet d e Entfernung 8 Jistarittep k n der Bohrerspitze zur Achse des geplanten Implantats d e maximal zul ssige Entfernung Ist die Tiefe 8 Jepthariutep k n hoch dann gibt der Knochen eine F hrung f r den Bohrer vor In diesem Fall m sste der Arzt den Bohrer herausziehen um eine andere Bohrerlage 12 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers zu suchen ausgehend von der er dann eine weitere Bohrung vornimmt Das ist allerdings schwierig da das System nach dem Herausziehen des Bohrers wieder die zum Problem f hrende Bohrerlage ST yintep k als korrekt bewertet und da der Bohrer dem Verlauf des bereits vor h
170. ker nicht sichtbar ist dass hei t wenn f r kein Implantat die Bedingung 30 gilt 76 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers DrillAxis ImplantAxis ImplantAxis ImplantAxis Knochen 4 oberfl che g i 4 i trg_idist dritt K ent l l i l i l T A N 4 l i Bu i P l Fa gt I IParitttep deptha depth Ze EN rillTcp K eg J J 1 gt PR __Ee ne FE dista 5 4 a S s 8 SM zA 4 depth z d 3 mee dist j i a h L rai dist trd_idepthg IITco k _ a l rii i co depth l 1 X x SE fo l 4 j yy un p ge i Abbildung 49 F r die Erkennung der Zustands berg nge durch den Beobachter wird die Position des Bohrers bestimmt links und mit auf ein Implantat bezogenen maximalen Abweichungen bewertet mitte und rechts Befindet sich das System im Zustand Bohrer neben Implantat i dann wird automatisch der Zustand t3 t4 oder t5 aktiv Die Unterscheidung welcher dieser Zustands berg nge akt v wird wird durch den History Eintrittspunkt H erm glicht In H wird vermerkt ob das System aus dem Zustand Bestimmung der Knochenoberfl che Ank rnen oder Bohren in den Zustand Bohrerpo sition ung ltig wechselte Der Zustands bergang t3 wird aktiv wenn die Knochenoberfl che an der Stelle des geplanten Implantats i noch nicht bestimmt wurde Der Zustands bergang t4 wird aktiv wenn die Knochenoberfl che bereits bestimm
171. l der pr operativen Planung sind 3 Einschalten von Navigated Control Der Arzt schaltet Navigated Control ber ein Fu pedal ein 4 Bohren mit Navigated Control Dabei muss zun chst die Kalibrierung und die Instru mentenregistrierung durchgef hrt werden Beim Kal brieren wird die Lage der Bohrach se relativ zum Instrumententracker vermessen und gespeichert Dieser Schritt ist notwendig falls die relative Lage des Bohrers von der tats chlichen Lage des Bohrers re lativ zum Instrumententracker abweicht Bei einer Abweichung kann der n chste Schritt die Instrumentenregistrierung nicht durchgef hrt werden Bei der Instrumentenregist rierung wird die Position der Bohrerspitze relativ zum Instrumententracker bestimmt Daf r muss der Arzt eine Vertiefung im Patiententracker mit der Bohrerspitze ber hren Bei einer nicht erfolgreichen Bohrerregistrierung muss die Kalibrierung durchgef hrt werden AnschlieBend werden die einzelnen Schritte des Bohrens die in der Realisierung noch weiter unterteilt werden durchgef hrt a Ank rnen des Knochens Dabe bohrt der Arzt mit einem Rosenbohrer an der Po sition des Implantats eine Vertiefung von wenigen Millimetern so dass der da nach verwendete Pilotbohrer wegen der Rotationsbewegung des Bohrers nicht 38 3 3 2 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten n der Kopf Chirurgie vom Knochen abrutscht Vor dem Ank rnen muss der Knochen an der Implantat position mit der Bohrer
172. lantologie ist es die berg nge zwischen den Zust nden des Zustandsautomaten siehe Abbildung 42 und Abbildung 43 festzustellen Bei dem Entwurf und der Implementierung des Beobachters gilt die Rahmen 74 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers bedingung dass der Arzt w hrend der Behandlung steril bleiben und nach dem Laden des Pati enten die manuellen Eingaben in das System auf ein Minimum reduziert sein m ssen Eine einfache Eingabe des aktuellen Operationszustandes am Touchscreen durch den Chirurgen ist somit nicht geeignet Abbildung 48 Links f r das Ein und Ausschalten von Navigated Control wurde das Navigationssystem um ein Fu pedal erweitert rechts der Beobachter erkennt die Operationszust nde aus der Bewegung des Bohrers relativ zu den Implantaten Das System startet w hrend der Operation mit ausgeschaltetem Navigated Control Das ist not wendig da der Operateur mehrere verschiedene Aktionen wie z B die Begradigung des Alveo larkamms als vorbereitende Ma nahme vor dem eigentlichen Implantieren durchf hren k nnen muss W hrend dieser Ma nahmen richtet sich der Operateur nach Sicht Da eine CT gest tzte Planung f r diese vorbereitenden Ma nahmen nicht vorhanden ist muss der Bohrer frei einge setzt werden k nnen Um trotz des freien Bohrereinsatzes einen ergonomischen und sicheren bergang in den Zustand Bohren mit Navigated Control zu erm glichen wurde ein Fu pedal siehe Abbildung 48 links
173. lanung von FESS Eingriffen e die Softwarekomponente Beobachter e die Softwarekomponente Regler Planer e die Softwarekomponente untergeordnete Regler e die Softwarekomponente Navigationsmodul f r Shaver sowie e die Hardwarekomponenten Trackerhalterung und Kalibrier und Registrierk6rper Beobachter is oh Paneniaaregieinernng Sg Regler Planer Positionsmesssystem Untergeordnete Regler ap Sicherheitsassistent Navigationsmodul ft T lso Steuerprogramm Abbildung 52 Die in diesem Kapitel beschriebenen Softwarekomponenten f r Navigated Control in FESS sind grau hinterlegt die wei hinterlegten Softwarekomponenten werden als Fremdkomponenten eingebunden Die schwarz dargestellten im Rahmen dieser Arbeit realisierten Softwarekomponenten sind im Kapitel 6 beschrieben Dabei wurden die folgenden drei durch das Navigationssystem RoboDent zur Verf gung gestell ten Soft und Hardwarekomponenten genutzt e Die Hardwarekomponente Navigationssystem mit Positionsmesssystem e die Hardwarekomponenten Tracker f r den Shaver und f r den Patienten sowie 85 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers e die Softwarekomponente bissschienenbasierte automatische Patientenregistrierung Auf die Hardwarekomponente Steuerelektronik und chirurgische Einheit und die in der Abbildung 52 schwarz hinterlegten Softwarekomponenten Steuerprogramm sowie Sicherheitsas sistent wird im Kapitel 6 eingegangen
174. ldung 33 Links ist das Kriterium f r den Zustands bergang zwischen dem Ank rnen und dem Bohren Absenken der Bohrerspitze um d rechts zwischen Bohren und Herausnehmen Bewegung des Bohrers mit einer Geschwindigkeit von v weg vom Implantatende dargestellt Daraus folgen die folgenden Bedingungen f r die Erkennung der Zustands berg nge siehe auch Abbildung 33 1 Der bergang von Ank rnen zu Bohren wird erkannt wenn die Bohrerspitze sich das erste Mal sich um eine bestimmte Tiefe d von der Knochenoberfl che abgesenkt hat siehe Abbildung 33 links 54 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten n der Kopf Chirurgie 2 Der bergang von Bohren zu Herausnehmen wird erkannt wenn der Geschwindigkeits vektor Vimy der vertikalen von der Implantatspitze zum Knochen gerichteten Bohrerbe wegung einen festgelegten Grenzwert bersteigt siehe Abbildung 33 rechts 3 Der bergang von Herausnehmen zu Bohren wird erkannt wenn die Bedingung des Zu stands bergangs von Bohren zu Herausnehmen nicht mehr gilt Der Regler Planer bekommt als Eingabe den aktuellen Zustand z k In Abh ngigkeit von dem aktuellen Zustand aktiviert der Regler Planer ein Verhalten das f r diese Operationsphase ange passt ist Die einzelnen Verhalten sind als untergeordnete Regler implementiert F r die Be stimmung des korrekten Verhaltens beinhaltet der Regler Planer eine Nachschlagetabelle wo einem Operationszustand ein bestimmtes Verhalten zu
175. le des Systems werden f r die Leistungssteuerung eines Bohrers und eines Shavers ben tigt gehen jedoch ber den Rahmen dieser Arbeit hinaus und s nd n cht im Rahmen dieser Arbeit entwickelt worden Radiologische Medizinische Bildgebung ist die Grundlage f r Eingriffe in der Kopf Chirurgie CT Daten kommt dabei eine besonders wichtige Rolle zu CT Daten werden in einzelnen meist axialen Schichten entsprechend dem DICOM Standard gespeichert Die Rekonstruktion belie biger Schnitte und die dreidimensionale Oberfl chen und Volumendarstellung von einzelnen anatomischen Strukturen wie Knochen erm glicht eine dreidimensionale Untersuchung des Eingriffsgebietes und eine Planung was mit traditionellen R ntgenaufnahmen nicht m glich ist Das m Rahmen dieser Arbeit vorgestellte System nutzt g ngige Schnittstellen f r DICOM Daten die in einer anwendungsunabh ngigen Software Bibliothek zur Verf gung stehen und die aus den DICOM Daten Volumendaten einlesen Rekonstruktion und Visualisierung von Volumen und Oberfl chendaten erfolgt mit Algo r thmen w e Marching Cubes und 3D und 2D Visualisierung mit OpenGL F r die Visualisie rung von Schnitten durch die CT Daten werden Volumendaten ausgewertet und verschiedene 2D Schichten generiert F r die Visualisierung von Implantaten und Instrumenten werden mit einem CAD CAM Programm Oberfl chenmodelle dieser Objekte erstellt Planung der Implantatposition ist notwendig f r die Realisierung de
176. leimhaut Daf r muss der Arzt die Patientendaten die im DICOM Format als axiale CT Daten vorliegen m ssen in den blichen Schnitten axial sagittal und coronal inspi zieren Anschlie end legt der Arzt den Arbeitsraum fest indem er in den axialen Schichten die R nder des f r den Shaver erlaubten Bereichs identifiziert und als Polygone festlegt Aus den einzelnen Polygonen wird ein STL Oberfl chenmodell des Arbeitsraums generiert und zusam men mit der 3D Oberfl che des Patientengesichts dargestellt Die Position des STL Oberfl chenmodells wird zusammen mit den CT Daten in einem Planungsfile gespeichert Die Instrumente umfassen den navigierten Shaver und einen erweiterten Tracker mit Bissschie nenbefestigung f r das Tracken des Patienten F r das Tracken des Shavers wurde dieser um eine Trackerhalterung erweitert An der Trackerhalterung wird ein Instrumententracker der F rma RoboDent GmbH mit retroreflektierenden Glaskugeln befestigt Die Trackerhalterung muss derart gestaltet sein 1 Die Position und die Orientierung der Shaverspitze muss genau und zuverl ssig mit dem Positionsmesssystem bestimmt werden k nnen Daraus folgt dass der Instrumententra cker so nah und so steif w e m glich mit der Shaverspitze verbunden werden muss 2 Ein einfacher intraoperativer Wechsel der Trackerhalterung am Shaver und des Tracker an der Trackerhalterung muss m glich sein Das ist notwendig da w hrend des chirurgi schen Eingriffs der Shave
177. lektromagnetische Positionsmesssysteme Optische Positions messsysteme sind schwenkbar an einem Tragarm angebracht F r die Lagebestimmung sind an den Instrumenten und am Patienten Tracker befestigt siehe Abbildung 13 e Computer mit Touchscreen Der Computer berechnet aus der Lage des Instrumentes und des Patienten eine Darstellung des Instrumentes in den CT Daten F r die Berechnung muss eine Patientenregistrierung durchgef hrt werden Die Visualisierung und die Be dienung des Navigationssystems erfolgt meist ber den Touchscreen Positionsmesssystem Instrumtententracker Patiententracker ae ee RoboDent Abbildung 12 Links ist die schematische Darstellung eines Navigationssystems mit den wichtigsten Hard warekomponenten in der Mitte das Navigationssystem RoboDent der Firma RoboDent GmbH rechts das Navigationssystem Stealthstation der Firma Medtronic Inc dargestellt Sowohl bei den Navigationssystemen in der dentalen Implantologie als auch in der HNO werden pr operativ CT Daten des Patienten erstellt In der dentalen Implantologie wird meist die Lage eines Bohrers relativ zu pr operativ festgelegten Zielpositionen von Implantaten visualisiert In der HNO Chirurgie ist die h ufigste Anwendung die Darstellung eines Pointers in CT Daten Abbildung 13 Links ist ein Bohrer f r die dentale Implantologie mit einem Instrumententracker Firma RoboDent GmbH rechts ist ein Patiententracker der Firma BrainLAB AG fir
178. lgenden ausgewertet und verglichen Wackeln am Griff he ry N hy wi k LA in J k F m ri ott gt Z Festhalten der b Me Shaverspitze i Abbildung 35 Bei der Messung werden die Genauigkeiten der Befestigungsvariante A bzw B verglichen Durch die geringe Steifigkeit der Befestigung zwischen Shaverschaft und Shavergriff wird erwartet dass die Variante A zu hoher Ungenauigkeit bei der Bestimmung der Position der Shaverspitze durch das Positions messsystem f hrt Eine Messung zeigt dass von den prinzipiell zwei Varianten A und B der Trackerbefestigung am Shaver nur die Befestigung des Trackers am Shaverschaft also die Variante A m glich ist Bei der Messung wurde gepr ft wie die jeweilige Befestigungsvariante sich auf die Genauigkeit der Bestimmung der Position der Shaverspitze auswirkt Daf r wurde jeweils mit der Befesti gungsvariante A und B die Shaverspitze festgehalten und der Shavergriff wurde ohne Kraftauf wand bewest siehe Abbildung 35 Die durch den Positionsmesssensor gemessene Position der Shaverspitze wurde aufgezeichnet und ausgewertet F r die Bestimmung der Transformation zwischen dem Instrumententracker und der Shaverspitze wurde der Shaver kalibriert und regist riert siehe Kapitel 5 2 2 Die Daten wurden im Koordinatensystem des Patienten aufgezeichnet Die Shaverspitze wurde unmittelbar tiber dem Patiententracker festgehalten Die Ergebnisse der Messung sind in Abbildung 36 dargestellt
179. lichen Es ist jedoch keine kliniktaugliche Realisierung von Navigated Control von chirurgischen Instrumenten bekannt Eine einfache Abschaltung ist nicht geeignet f r den klinischen Einsatz Hohe kognitive Belastung des Chirurgen Die im klinischen Umfeld etablierten Navigationssysteme ben tigen die st ndige Aufmerksam keit des Chirurgen der die visuell pr sentierten Daten der Systeme auswerten und interpretieren muss Diese und Informationen vieler anderer Ger te im Operationssaal m ssen durch den Ope rateur aufgenommen gefiltert interpretiert und umgesetzt werden Insbesondere w hrend an spruchsvoller chirurgischer Eingriffe kann es zu unterschiedlichen Problemen wie zu einer berlastung und schnellen Erm dung des Chirurgen oder im schlimmsten Fall zur Fehlinterpre tation und Patientenverletzung kommen Keine kliniktaugliche systemimmanente Einhaltung der pr operativen Planung Es g bt kein kliniktaugliches System das d e Umsetzung eines pr operativen Plans berwacht und be fehlerhafter Umsetzung einschreitet Dadurch kann der chirurgische Eingriff nicht opti mal ausgef hrt werden So kann eine Bohrung in der dentalen Implantologie so durchgef hrt werden dass das postoperative sthetische Ergebnis nicht den chirurgischen M glichkeiten entsprechen w rde Bei FESS kann durch das Abtragen von zuviel Gewebe der Eingriff nicht so minimalinvasiv wie m glich durchgef hrt werden Keine kliniktaugliche intuitive Inter
180. mit Hilfe dieses Modells den Operationszustand F r die Sch tzung wertet der Beobachter aus wie sich die Operation durch die durch den Regler Planer erfolgte Aktivierung a k eines untergeordneten Reglers sich ver ndert Diese Ver nderung wird anhand der Bewegungen des Instruments relativ zur pr operativen Planung gemessen Damit ergibt s ch der Beobachters B als eine Funktion B T k a k gt z k z k o 16 Untergeordnete Regler Ein untergeordneter Regler r wird durch den Regler Planer P aktiviert Der untergeordnete Regler bestimmt aus der Abweichung des Instruments von der Zielgeometrie ET ep einen Stellwert y k der f r den aktuellen Operationszustand z k die Abweichung T minimiert Zu einem Zeitpunkt X ist nur ein Regler r aus der Menge aller Regler p aktiv r T k a k gt y k Ir ep 17 Der Stellwert y k enth lt eine geeignete Visualisierung und die maximal zul ssige Leistung Pmax k des Instruments Navigationsmodul F r die Visualisierung der Navigation in der dentalen Implantologie wird die Fremdkomponente Navigationssoftwaremodul der Firma RoboDent GmbH benutzt und erweitert Im Rahmen der Erweiterung wird die Darstellung der Abweichung zwischen der Ist und Solllage des Instruments angepasst Diese Abweichung wird anders als bei Navigationssys 46 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten n der Kopf Chirurgie temen f r die dentale Implantologie in Abh ngigkeit von dem aktuellen Operat
181. n hervorgehoben durch einen gestrichelten Rechteck mit wei em Rand Beim Verlassen des Segmentierungsmodus wird der 3D Arbeitsraum berechnet Dabei wird aus dem Stapel der vektorbasierten Polygone ein Voxelvolumen berechnet Ein Voxelvolumen ist ein dreidimensionales Array das die Graustufen des CT Datensatzes in einzelnen Voxeln spei chert Dieses Voxelvolumen wird f r die Leistungssteuerung des Shavers benutzt siehe Kapitel 5 3 F r die Berechnung des Voxelvolumens wird eine leere Kopie des Patientenvoxelvolu mens erstellt Bei einem leeren Voxelvolumen sind alle Voxel mit dem Wert O gef llt Ein iterativer Algorithmus durchl uft alle Voxel und f rbt diejenigen mit dem Wert 256 ein die innerhalb eines Polygons liegen Aus dem Voxelvolumen wird mit Marching Cubes Algorithmus ein Oberfl chenmodell erstellt Es wird fiir die dreidimensionale Visualisierung der Segmentierung benutzt Das Voxelvolumen wird zusammen mit dem Oberflachenmodell in einem Planungsfile abge speichert das die Schnittstelle Isz bildet 5 2 Navigation eines Shavers Die Aufgabe der Navigation ist die Visualisierung des Shavers in den pr operativen CT Patientendaten Das Positionsmesssystem bestimmt die Position und Orientierung des Tooltra ckers und des Patiententrackers siehe Abbildung 23 Mit Hilfe der Kalibrierung und Instrumen tenregistrierung des Shavers ist der Ubergang zwischen Tooltracker und Shaverspitze bekannt die Kalibrier und Reg
182. n und die gemittelte vertikale Entfernung Laepn k Miz zwischen der Implantatspitze und der Bohrerspitze muss kleiner als depth sein distump K lt dist AND u k Ng lt depth 38 Der Zustands bergang t8 ist ein Zustands bergang in den Unterzustand Richtungsbohren von Bohren und hat nur eine Bedeutung fiir die tibersichtlichere Darstellung des Zustandsautomaten Dieser Zustands bergang erfolgt immer automatisch nach dem Zustands bergang t7 Der Zustands bergang t9 zwischen Richtungsbohren und Tiefenbohren erfolgt wenn der Arzt eine Tiefe beim Bohren erreicht hat ab der er die Richtung der Bohrung nicht mehr ndern kann Ab dieser Tiefe gibt der bereits gebohrte Knochen eine F hrung vor Die Bedingung daf r ist in 39 dargestellt TE OEDIN an k 5 depth 39 Der Zustands bergang t10 zwischen Tiefenbohren und Implantatende bohren erfolgt wenn der Arzt nah am tiefsten Punkt des Implantats ist Die Bedingung f r t10 40 ist das Bohren tiefer als der Tiefe depth durch die Bohrerspitze s depth dritte K lt depth 40 Der Zustands bergang t11 zwischen Bohren bzw einem Unterzustand von Bohren und Abbrem sen erfolgt wenn und der Bohrer sehr schnell in den Knochen vordringt Die Bedingung f r t11 43 ist eine zu hohe vertikale Geschwindigkeit der Bohrerspitze s v k Um die Auswirkung des Rauschens des Positionsmesssystems zu verhindern wird ein gleitender Mittelwert 4w2 k X der Geschwindigkeit gebildet
183. n Ausf hrungen als VectorVision compact und VectorVision2 Alle erw hnten BrainLAB Navigationssysteme nutzen passive optische Positi onsmesssysteme die Tracker und Instrumente mit reflektierenden Einweg Kugeln verwenden 23 Stand der Technik Die Hauptfunktionalit t ist die Darstellung der Position und Orientierung eines Instruments relativ zu diesen Daten Au erdem stehen zahlreiche Funktionen wie die Definition von Ziel punkten und trajektorien zur Verf gung Es k nnen intraoperative Endoskop Mikroskop und Ultraschallbilder eingeblendet werden Es stehen unterschiedliche M glichkeiten f r die Patien tenregistrierung zur Verf gung Grevers er al 2002 e Markerregistrierung ist eine Patientenregistrierung mit Fiducials Die Marker werden vor der CT Aufnahme auf einem Sockel am Patienten angebracht und anschlie end ent fernt Intraoperativ werden antastbare Marker an den Sockeln befestigt und mit einem Pointer angetastet e Landmarkenregistrierung ist eine Patientenregistrierung auf der Grundlage von pr oder intraoperativ definierten und mit einem Pointer angetasteten anatomischen Landmarken Die Landmarkenregistrierung kann zus tzlich zur Markerregistrierung durchgef hrt werden e Bei der Headsetregistrierung wird w hrend der CT Aufnahme und w hrend des Ein griffs ein Headset am Patientenkopf angebracht Die Patientenregistrierung erfolgt dabei automatisch da die CT opaken Marker im Planungsmodus vom System erkann
184. n der so erfassten Punkte zur geplanten Kavita t wurden berechnet Es werden folgende Genauigkeiten erwartet Der mittlere Abstand einer Punktwolke zur entsprechenden Ebene der geplanten Kavi t t muss kleiner als 1 mm sein 129 Experimente e der maximale Abstand eines Punktes zur entsprechenden Ebene der geplanten Kavi t t muss kleiner als 2 mm sein Es wird keine h here Genauigkeit erwartet da 1 Der als abgetragene Masse sehr gut geeignete Phenolschaum sich auch bei einem ausge schalteten Shaver sehr leicht eindr cken l sst so dass durch reine Handbewegungen ber die Grenze hinaus die Kavit t vergr ert wird 2 Bei dem Experiment wurde nicht die Verringerung des Arbeitsraums wie im Kapitel 5 3 2 benutzt um die prinzipielle Genauigkeit des Systems ohne Sicherheitsgrenzen zu bestimmen 7 5 1 Aufbau F r das Experiment wurde in Zusammenarbeit mit dem Universit tsklinikum Leipzig das in der Abbildung 82 dargestellte Phantom hergestellt Das Phantom enth lt einen Sockel aus Gips n das ein Magnet eingearbeitet ist In diesem Sockel k nnen die Messk rper positioniert werden Die Messk rper haben auf der unteren Seite eine Gipsplatte die durch einen Abdruck des So ckels erstellt wurde In diese Gipsplatte sind Metallplatten eingearbeitet Durch die sehr genaue Passgenauigkeit des Gipssockels und der Gipsplatte durch die Magneten rasten die Sockel sehr genau und repositionierbar ein Das Verfahren fiir die genaue Po
185. nd der Technik sprechend der aktuellen klinischen Vorgehensweise w rde eine Planung vor allem der Festle gung bzw die Segmentierung eines auszur umenden Gebietes entsprechen Im Folgenden wer den die h ufigsten Segmentierungsverfahren vorgestellt Ferner werden generelle nicht FESS spezifische Planungsm glichkeiten wie sie einige aktuelle Navigationssysteme f r die HNO bieten erl utert Die Segmentierung hat zum Ziel einzelne medizinische Strukturen wie Knochen oder Arterien aus den medizinischen Bilddaten zu identifizieren Sie wird klinisch vor allem in der Radiologie angewendet Dammann 2002 In der Radiologie werden gro e Datenmengen CT MR und andere bildgebende Verfahren analysiert und das Ergebnis der Analyse muss f r die Festlegung der weiteren klinischen Schritte festgehalten werden So werden zum Beispiel verd chtige verschattete Bereiche in den Nasennebenh hlen von den Radiologen markiert und mit den HNO Chirurgen diskutiert d e dann das weitere Vorgehen planen Die daf r zur Verf gung stehenden M glichkeiten werden im Nachfolgenden anhand der Workstation Module syngo der Firma S emens vorgestellt Diese Segmentierungsfunktionalit t wird aber auch von anderen Herstellern wie GE angeboten Zum Standard geh rt vor allem die manuelle Segmentierung Die einfachste Form ist die Umkreisung eines interessanten Bereichs Region of Interest oder ROI als Ellipse Rechteck oder eine Freihandmarkierung in einer CT Schic
186. nd markt bliche Navigationssysteme vorgestellt Die Systeme und Verfahren werden dabe jeweils zuerst f r d e dentale Implantologie und anschlie end f r FESS vorgestellt Bei der Beschreibung der traditionellen Eingriffsdurchf hrung wird auf die Unter schiede und auf die Gemeinsamkeiten der beiden Operationen eingegangen Die Navigationssys teme werden anhand von zwei in Deutschland marktf hrenden Systeme vorgestellt In der dentalen Implantologie handelt es sich dabei um das Navigationssystem RoboDent der Firma RoboDent GmbH n der FESS um Navigationssysteme f r die HNO der Firma BrainLAB AG Anschlie end werden die wichtigsten Unterschiede zu den Konkurrenzsystemen aufgezeigt Bei der Beschreibung der Navigationssysteme wird das wichtige Thema der Patientenregistrierung im Detail vorgestellt Bei der Patientenregistrierung wird die Relation zwischen den pr operativ erstellten CT Daten und der intraoperativen Patientenanatomie hergestellt Anschlie end wird kurz auf bekannte mechanische Assistenzsysteme wie Schablonen und Robo ter eingegangen Daran schlie t die Betrachtung bereits erfolgter Arbeiten zu Navigated Control an Am Ende des Kapitels werden die Nachteile der beschriebenen existierenden Systeme analy siert und aufbauen darauf die ungel sten Probleme zusammengefasst 2 1 Derzeitige Eingriffsdurchf hrung Bei der traditionellen Eingriffsdurchf hrung werden keine computerassistierten Systeme ver wendet Die chirurgis
187. nde um den Shaver und ohne Verkleinerung des Arbeitsraums bestimmt so dass der Einfluss dieser Komponenten auf die Genauigkeit das Ergebnis nicht beeinflusst und getrennt ausgewertet werden kann Es wird er wartet dass die durchschnittliche Genauigkeit des Systems ca 1 mm betr gt Au erdem wird die Ergonomie der Planung f r FESS die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde 1m Hinblick auf hre Kliniktauglichkeit berpr ft Werden die oben genannten Erwartungen an Navigated Control f r FESS erf llt dann k nnen daraus die folgenden Eigenschaften f r das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte neuartige Sys tem f r Navigated Control in der Funktionalen Endoskopischen Sinuschirurgie abgeleitet wer den 117 Experimente 1 Die Materialabtragung bei FESS Eingriffen mit Navigated Control erfolgt mit einer Ge nauigkeit von besser als mm 2 Die Planung f r den FESS Eingriff ist ergonomisch und eignet sich f r den klinischen Einsatz In den nachfolgenden Experimenten werden der Mittelwert w N x die Standardabweichung o Nx x und die Standardabweichung des Mittelwerts o Nx x einer Gr e x bei N Messwerte nach den Formeln 94 bis 96 berechnet N 1 L S x 94 x k 0 WN x 1 N TE oN jy ZN 95 De a 96 7 1 Genauigkeit beim Bohren ohne Betrachtung des Bohrervorschubs In diesem Experiment wird nachgewiesen dass phasenorientiertes Navigated Control ergono misch ist
188. nden ist um alle notwendigen Bauteile unterzubringen 110 Realisierung der Sicherheitsarchitektur Der PC besteht aus den folgenden Komponenten e Mainboard mit einem PCI Steckplatz Onboard Grafikkarte und 2 seriellen Anschliissen AMD Athlon Prozessor mit 1 5 GHz MHz und 512 MByte RAM Es wurde der leis tungsschw chste handels bliche vorhandene Prozessor verwendet um die Ger uschent wicklung durch den L fter und die W rmeentwicklung gering zu halten e PCI I O Karte ADIODA PCI12LAP der Firma Wasco mit einem D A Wandler 10V acht A D Wandlern 10V 24 digitalen Ein und Ausg nge e Bootfahiger USB Stick USB Version 2 0 statt einer Festplatte f r das Steuerprogramm Der USB Stick wurde als Ersatz f r eine Festplatte verwendet um die Gefahr von Feh lern aufgrund von mechanischen Besch digungen zu verringern Aus dem gleichen Grund wurde das n cht ben tigte CD Rom Laufwerk entfernt Die Beschaltung f r die Ein und Ausgabe der Signale f r die Instrumentenleistung ist abh ngig von dem jeweiligen Fu pedal und von der ben tigten Funktionalit t Im nachfolgenden Text ist die Beschaltung beispielhaft f r den Shaver angegeben Der Shaver besteht aus zwei Pedalen das rechte Pedal wird bei dem oszillierenden und das linke Pedal bei dem st ndig rotierenden Betriebsmodus verwendet Bei der Leistungssteuerung des Shavers muss der Shaver dessen Leistung ber das linke oder ber das rechte Pedal eingestellt wird abgeschalt
189. ng 76 Das spezifische Pedalinterface ist ein Modul das f r die Anpassung an ein konkretes Fu pe dal in der Steuerelektronik verwendet wird In der hier dargestellten Realisierung f r einen Shaver kann das Signal des linken und des rechten Pedals abgeschaltet werden es sind jeweils zwei Relais Redundanz in Reihe geschaltet Der in der Steuerelektronik enthaltene PC basiert auf einem Barebone Ein Barebone bietet einen f r das im Rahmen dieser Arbeit beschriebe System optimalen Kompromiss zwischen Gr e und Erweiterbarkeit sowie Einfachheit der Handhabung Die Gr e und die Form eines Barebo ne Geh uses lassen die Steuerelektronik einfach transportieren es ist auch die Aufstellung in einem typischen Ger teturm f r Medizinger te in einem Operationssaal m glich Gleichzeitig hat ein Barebone 1 2 PCI Steckpl tze und 0 2 serielle sowie weitere Schnittstellen Dadurch ist der Einsatz einer zus tzlichen I O Karte f r die Ein und Ausgabe von analogen Spannungen sowie die Kommunikation mit dem Navigationssystem ber die serielle Schnittstelle m glich Durch die Verwendung einer Standard PC Architektur erfordert die Entwicklung und Test der Software keinen zus tzlichen Aufwand da keine Crosscompiler etc ben tigt werden d e Ent wicklung erfolgt direkt auf dem Zielsystem Ein weiterer Vorteil des Barebones ist dass durch die Entfernung von nicht ben tigten Standard PC Komponenten im Innern des Barebone Geh uses gen gend Platz vorha
190. ng der chirurgischen Einheit notwendig Die Stromwandler und die Auswertung des analogen Signals des Fu pedals sind f r die Plausibilit tspr fungen notwendig Das spezifische Pedalinterface ist eine vom jeweiligen Instrument abh ngige Schaltung mit Komponenten wie Relais das das Einlesen und die Anpassung der ber das Fu pedal eingestellten Instrumentenleistung erm g licht Die Kommunikation mit dem Navigationssystem erfolgt ber die RS 232 Schnittstelle Der PC f hrt das Steuerprogramm aus das ber die I O Karte alle Schnittstellen auswertet und an steuert chirurgische Steuerelektronik Einheit nn nn nn nn nn Motor N fanschluss x Stromwandle Strom Ji i wandler Stromin duktion kg otor 220V outs Strominduktion s n Fu pedal I O Karte spezifisches i Watchdog Pedalinter TTL face I os chirurgische egy Einheit PCI Fu pedal I z anschluss i i 0 Trenn i I transformator gt gt oy Netzteil ERS 2 232 Abbildung 75 Die Hardware der Steuerelektronik beinhaltet einen PC f r die Ausf hrung des Sean sramms dass ber die serielle Schnittstelle mit dem Navigationssystem und ber die I O Karte mit den anderen Hardwarekomponenten kommuniziert Die Stromwandler erm glichen die berwachung des Shavermotors und der chirurgischen Einheit der Watchdog unterbricht die Spannungsversorgung der chirurgischen Einheit im Fehlerfall Das spezifische Pedalinterface schleif
191. ng hat der Chirurg die M glichkeit das Instrument durch die Bet tigung eines Schalters einzuschalten und an einem Potentiometer die Drehzahl einzustellen Die Leistungs elektronik liest die beiden Signale ein und generiert aus dem Signal f r das Steuerprogramm bertragen von den untergeordneten Reglern die auf dem Navigationssystem ausgef hrt wer den ein Ausgabes gnal das an die chirurgische Einheit bermittelt wird Das generierte Aus 51 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten in der Kopf Chirurgie gangssignal ist das Minimum der vom Arzt eingestellten und der von dem Steuerprogramm berechneten Leistung Die Steuerelektronik verf gt ferner ber Sensoren und Aktoren mit denen berwachung der Hardware und Softwarekomponenten m glich ist Die Sensoren lesen die Eingangssignale des Fu pedals und der chirurgischen Einheit ein Die Aktuatoren generieren Ausgangssignale mit denen Fehlermeldungen err k f r den Sicherheitsassistenten bermittelt werden oder die chi rurgische Einheit im Notfall abgeschaltet wird 3 5 2 Gemeinsame Softwarekomponente Steuerprogramm Das Steuerprogramm ist eine Komponente die auf der PC Hardware der Steuerelektronik ausge f hrt wird Das Steuerprogramm hat die folgenden Aufgaben 1 Berechnung und Ausgabe des Signals f r die Instrumentensteuerung 2 Uberwachen der von der Steuerelektronik eingelesenen Signale und Uberpriifung der Systeminvariante Fiir die Berechnung der Ins
192. ng ist ein Datensatz in dem neben den CT Daten Lage und Anzahl von geplanten Implantaten gespei chert ist F r die Tracker k nnen autoklavierbare Glaskugeln benutzt werden die am Patienten und am chirurgischen Bohrer angebracht werden Die Patientenregistrierung erfolgt ber eine Bissschiene mit Fiducials siehe Abbildung 16 Die Fiducials sind Titanmarker die im CT Datensatz automatisch erkannt werden und auf deren Grundlage ein Paired Point Matching durchgef hrt wird Da der Patiententracker direkt an der Bissschiene befestigt ist wird die intra operative Lage der Titanmarker automatisch bestimmt Dadurch ist eine genaue v llig automati sche Patientenregistrierung m glich Intraoperativ wird die Position des Instruments in den CT Daten dargestellt Der Arzt muss die Abweichung der Bohrerspitze von der Implantatachse die Auslenkung des Bohrers sowie die Tiefe der Bohrung beim Bohren berwachen um die pr ope rative Planung optimal umzusetzen und die Risikostrukturen zu sch tzen F r die Vereinfachung dieser berwachung steht auf einem Miniaturdisplay in Patientenn he zur Verf gung Auf dem Miniaturdisplay wird in einer Art Zielscheibe die relative Lage des Instruments zum n chsten Implantat dargestellt siehe Abbildung 15 Die Zielscheibe stellt den horizontalen Abstand und den Winkelfehler zweidimensional sowie die Bohrtiefe eindimensional dar Wenn der horizonta le Abstand und der Winkelfehler eine tolerierte Abweichung untersch
193. nhalter IIH Hein 2000 und Hein er al 2001 daVinci von Intuitive Surgical sowie Zeus von Computer Motion Guthart und Salisbury 2000 Die Nachteile dieser Systeme sind ihre Gr e und die Komplexit t der Handhabung im Operationssaal Bei automati schen Robotern kommt es zu einer Ausgrenzung des Chirurgen dessen Aufgaben vom Roboter bernommen werden 2 5 Navigated Control Navigated Control ist ein patentiertes Verfahren bei dem die Leistung eines aktiven Instruments in Abh ngigkeit von seiner Position gesteuert wird L th et al 2001 Das Instrument wird dabei manuell relativ zu einem vorher definierten Grenzvolumen gef hrt In L th er al 2001 werden die Vorteile des Verfahrens wie genauer Materialabtrag Beispiele f r Anwendungen wie Medi z n handwerkliche Kleinbetriebe und generelle M glichkeiten von Navigated Control genannt Als m gliche Auspr gung von Navigated Control wird die Abschaltung des Instruments beim berschreiten einer Zielgeometrie oder die proportionale Reduktion der Instrumentenleistung in Abh ngigkeit von seiner Entfernung zur Zielgeometrie beschrieben Navigated Control wird auch als Leistungssteuerung von Instrumenten bezeichnet M gliche Anwendungen im Bereich der Wirbels ulenchirurgie werden in L th und Hein 2002 Kneissler er al 2003 und M tzig 2004 beschrieben und diskutiert In Kneissler er al 2003 w rd Navigated Control als ein zus tzlicher Regler beschrieben s ehe Abbild
194. nittstelle Iy siehe Kapitel 3 6 1 erfolgt die bertragung der durch die Regler berechneten maxima len Leistung an die Softwarekomponente Steuerprogramm die auf der Steuerelektronik ausgef hrt wird Au erdem wird I f r die berpr fung der Funktionsf higkeit des Na vigationssystems durch die Steuerelektronik und der Steuerelektronik durch das Naviga tionssystem benutzt e Fin und Ausgabe der Signale f r die Instrumentenleistung Die durch den Arzt am Fu pedal eingestellte Spannung die die Instrumentenleistung steuert wird durch die Steuer elektronik eingelesen Eine eventuell angepasste Spannung wird wiederum von der Steuerelektronik an die chirurgische Einheit ausgegeben e berwachung F r eine hohe Ausfallsicherheit werden die auf dem Navigationssystem ausgef hrten Komponenten und die chirurgische Einheit sowie der Shaver berwacht Die Motorsignale des Shavers werden eingelesen um die Durchf hrung der Plausibili t tspr fungen nach Invariante 20 zu erm glichen Um das Abschalten des Shavers im 108 Realisierung der Sicherheitsarchitektur Fehlerfall zu gew hrleisten kann die Spannungsversorgung der chirurgischen Einheit un terbrochen werden Die Abbildung 75 enth lt alle Komponenten die f r die oben genannten Aufgaben in der Steu erelektronik untergebracht sind Die Stromversorgung des PC Netzteils und des Watchdogs erfolgt ber einen Trenntransformator Der Watchdog ist f r die Sicherheitsabschaltu
195. nssystems in der dentalen Implantologie ist nicht nur die Darstellung eines Instruments in den CT Daten sondern die Positionierung und Ausrichtung eines Bohrers in bereinstimmung mit einer pr operativen Planung Der Markf hrer bei Naviga tionssystemen f r die dentale Implantologie ist die Firma RoboDent ein weiterer Hersteller ist DenX Andere Navigationssysteme von IVS Solutions und von med3D spielen keine marktrele vante Rolle Palti 2003 Ein nicht kommerizelles Forschungssystem VISIT ist in Birkfellner et al 2000 beschrieben Navigationssysteme von BrainLAB wurden ebenfalls f r das Implan tieren eingesetzt Allerdings wird im Folgenden nicht n her darauf eingegangen da die Systeme von RoboDent und DenX sowohl vom Funktionsumfang als auch von der Handhabung und preislicher Gestaltung mehr den Anforderungen von dentalen Implantologen entsprechen 6 00 L 11 00 Patient Biber Hicks Da Fe re japim Arite PEDE FOGG Lii Di Cimicg lieni Line Abbildung 15 Bei dem Navigationssystem RoboDent Fa RoboDent GmbH f r die dentale Implantologie wird der Bohrer sowohl auf Touchscreen relativ zu den pr operativen CT Daten links als auch in unmit telbarer Patientenn he in einer Art Zielscheibe relativ zum n chsten Implantat dargestellt rechts Das Navigationssystem RoboDent benutzt das optische Positionsmesssystem Polaris oder Pola ris Accedo von NDI Die Planung wurde im Kapitel 2 3 3 erl utert Das Ergebnis der Planu
196. nstrumenten n der Kopf Chirurgie Au erdem wird die Position der 6 Titanmarker in dem CT Bilddatensatz gesucht und die Lage des von den Titanmarker aufgespannten Koordinatensystems fiducials 1m Bildkoordinatensys tem img gespeichert img T fiducials 8 Os os Oe 4 iz is a fs 1 T 4 Beker tice Gacie POAT ieir ha tebe CRETE el Ted Abbildung 28 Links ist die Benutzeroberflache der Planung der Firma RoboDent GmbH fir die dentale Implantologie rechts die der im Rahmen dieser Arbeit realisierte Planung fiir FESS dargestellt Das im Rahmen dieser Arbeit konzipierte und realisierte Planungssoftwaremodul fiir FESS stellt axiale coronale sowie sagittale Schnitte durch den CT Datensatz dar Au erdem wird eine 3D Oberfl che des Patientenkopfes berechnet und visualisiert Der Operateur legt in den axialen Daten den Arbeitsbereich des Shavers mehrere Polygone poly fest Die Lage des Arbeitsraums im Bildkoordinatensystem img sowie das aus den Polygonen berechneten Arbeitsvolumen trg werden in einem Planungsfile mit Hilfe der Funktion arbeitsraum gespeichert CT trg arbeitsraum poly 9 trg Das Arbeitsvolumen wird zusammen mit dem CT Bilddatensatz visualisiert Patientenregistrierung Bei der Fremdkomponente Patientenregistrierung wird die Transforma tion ST patTracker zwischen dem Koordinatensystem img des Patienten w hrend der CT Aufnahme und dem Koordinatensystem patTracker des Patiententrackers
197. nt berwacht die Kommunikation zwischen den untergeordneten Reglern die Befehle an das Steuerprogramm schicken und dem Steuerprogramm und generiert entspre chende Warnungen Bei dem Sicherheitsassistenten handelt es sich um einen Software Watchdog der in regelm igen Zeitabst nden den Befehl Lebenszeichen von dem Steuerpro gramm erwartet Empf ngt es diesen Befehl nicht dann wird von einem Kommunikationsprob lem ausgegangen Au erdem kann der Sicherheitsassistent die Fehler Befehle Fehler chirurgische Einheit und Fehler Shaver empfangen und erkennt dadurch ein durch das Steuerprogramm detektiertes Problem Wird ein Problem erkannt dann wird e Ein Warnhinweis mit einem Warnton dem Benutzer ausgegeben s ehe Abbildung 77 e die Kommunikation zwischen den untergeordneten Regler und dem Steuerprogramm durch den Sicherheitsassistenten bernommen Der Sicherheitsassistent schickt ab die sem Moment nur den Befehl Abschalten an das Steuerprogramm Wenn die Kommu nikation von der Navibase zur chirurgischen Einheit intakt ist dann wird der Shaver durch den Befehl sofort ausgeschaltet Ist die Kommunikation nicht intakt dann emp f ngt kommen keine Befehle bei der Steuerelektronik an und der Shaver wird durch den Watchdog der Steuerelektronik nach dem Ablaufen eines Timeouts abschalten we 0 D H 9 A Poa gx Mh Nein Q E Je z A a gt Danger Shaver Error Check the Shaver and restart Navig
198. ntenposition ist nicht notwendig m Normalfall w rd das Instrument beim Verlassen des pr operativ festgelegten Arbeits raums abgeschaltet Im Fehlerfall wird die St rung detektiert der Arzt wird gewarnt Der weitere Einsatz des Systems ist durch die Abschaltung der Hardware dann nicht mehr m glich so dass ein sicherer Instrumenteneinsatz jederzeit sichergestellt ist Die ver schiedenen Fehler werden in einer Risikoanalyse identifiziert Kliniktaugliche Planung f r FESS Eingriffe Die kliniktaugliche Realisierung einer Planung f r FESS Eingriffe wird durch eine assistierte f r Funktionale Endoskopische Sinuschirurgie optimierte manuelle Segmentierung erm glicht Die Segmentierung wird durch eine vollst ndig manuelle Umrandung des interessanten Gebietes in einer CT Schicht initiiert Eine schnelle benutzerfreundliche Umrandung wird dadurch erm g 33 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten in der Kopf Chirurgie licht dass dabei ein Polygon durch wenige St tzpunkte definiert wird Bei der Betrach tung der angrenzenden CT Schichten wird das Polygon der anliegenden CT Schicht bernommen Das bernommene Polygon kann mit geeigneten Werkzeugen schnell n seiner Gr e an die leicht ver nderte Anatomie angepasst werden Dadurch dass die A natomie der angrenzenden Schichten nicht sehr variiert sind die notwendigen Anpassun gen gering und k nnen schnell durchgef hrt werden 3 2 Abgrenzung Die folgenden Bestandtei
199. nung direkt beeinflussen und sicherstellen k nnten Daraus folgt dass es keine Assis tenzsysteme f r FESS gibt mit denen die Umsetzung einer pr operativen Planung oder die Nichtverletzung von sensiblen Strukturen sichergestellt wird 2 6 3 Defizite derzeitiger Systeme mit Navigated Control Navigated Control ist ein Verfahren das die durch einen Computer kontrollierte Umsetzung einer pr operativen Planung ohne aufw ndige Kinematik wie bei Robotern erm glicht Eine geeignete Umsetzung von Navigated Control f r FESS und f r die dentale Implantologie w rde dazu f hren dass der Arzt keine sensiblen Strukturen verletzen kann Derzeitige Implementie rungen von Navigated Control erf llen jedoch nicht die Anforderungen an klinisch einsetzbare Systeme Das in L th et al 2001 beschriebene Verfahren ber cksichtigt bei der Ansteuerung des chirurgischen Instruments nicht die unterschiedlichen Anforderungen der einzelnen chirurgi schen Eingriffe Es werden lediglich exemplarisch einige Anwendungsgebiete genannt wie zum Beispiel die Herstellung von Onlays und Inlays in der Zahnmedizin Knieendoprothetik De kompression von Wirbelk rpern Trennen von Knochen und Weichgewebe oder auch Material bearbeitung in handwerklichen Kleinbetrieben Au erdem werden verschiedene Arten von Navigated Control benannt z B die Abschaltung des Instruments bei berschreitung einer Grenze oder die Reduktion der Leistung in Abh ngigkeit von der Entfernung zwi
200. obachter Der Beobachter erkennt den jeweils aktuellen Operationszustand Die untergeordnete Stufe des hierarchischen Reglers besteht aus einzelnen Reglern die von dem bergeordneten Glied Regler Planer aktiviert werden um die Abweichung zwischen Instrument und Zielgeometrie zu minimieren F r ein vorhersagbares Systemverhalten sieht die hierarchische Struktur vor dass zu einem Zeitpunkt der Regler Planer nur einen untergeordneten Regler aktiviert k a Regler Planer sil Beobachter des Operations zustandes manuelles Ein Abschalten ST ep k Planungs imgr un modul 7 ie Regler 1 Regler 2 vik Sicherheits assistent Navigations modul visuelle Darstellung m das Instrument u i Regelstrecke Prozess Abbildung 30 Durch die Verwendung eines hierarchischen beobachtergest tzten Zustandreglers k nnen Instrumente ergonomisch und kliniktauglich mit Navigated Control gesteuert werden MOT pt Patienten registrierung err k Positionsmess system i Stellglied canit cp k MT park prog ramm Applizieren der Leistung an der Position 49 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten in der Kopf Chirurgie Der Prozess des bergeordneten Regelkreises beinhaltet unter anderem die untergeordneten Regler f r Navigated Control und Navigation Das Planungsmodul gibt die F hrungsgr
201. obo Dent umgesetzt In diesem Kapitel sind Softwarekomponenten beschrieben die im Rahmen dieser Arbeit f r Navigated Control realisiert wurden und auf der Rechenhardware des Navigati onssystems ausgef hrt werden Diese Softwarekomponenten die in der Abbildung 40 grau hinterlegt sind umfassen e Den Beobachter e den Regler Planer sowie e die untergeordneten Regler Beobachter SEN Operationszustand I Iss lsz Planungsmodul 1 Patientenregistrierung MK Regler Planer I53 La Ise Positionsmesssystem Untergeordnete Regler Senmcicesssciams Navigationsmodul Isto ls4 Steuerprogramm Abbildung 40 Die in diesem Kapitel beschriebenen Softwarekomponenten f r Navigated Control in der dentalen Implantologie sind grau hinterlegt die wei hinterlegten Softwarekomponenten werden als vorhandene Fremdkomponenten eingebunden Die schwarz dargestellten im Rahmen dieser Arbeit realisierten Softwarekomponenten sind im Kapitel 6 beschrieben Dabe wurden die folgenden durch das Navigationssystem RoboDent zur Verf gung gestellten Soft und Hardwarekomponenten genutzt e Die Softwarekomponente Planungsmodul zur Planung von Implantaten die Softwarekomponente bissschienenbasierte automatische Patientenregistrierung e die Softwarekomponente Navigationsmodul e die Hardwarekomponenten Instrumente mit Trackern f r Bohrer und f r den Patienten mit autoklavierbaren Glaskugeln sowie e die Hardwarekomponente Navigationss
202. ohrer neben Bohrerposition Bohrer ist unkalibriert OR ung ltig Implantat ung ltig Bohrer ist nicht registriert OR Bohrerspitze nicht in der N he des Implantats 3 Bohrerposition neben Bestimmung der Knochenoberfl che wurde noch nicht Implantat i Knochenoberfl che bestimmt u Knochenoberfl che wurde bestimmt Bohrerposition neben t4 Ank rnen AND Implantat i z Knochen wurde noch nicht angek rnt Bohrerposition neben Implantat Knochenoberfl ch Besti ng der nn a ne i Ank rnen Knochenoberfl che wurde bestimmt bestimmt Knochenoberfl che Angek rnt Ank rnen Knochen wurde angek rnt t8 Richtungsbohren TRUE i Bohrerspitze senkt sich um die Tiefe d t Tief gebohrt Richtungsbohren Tiefenbohren unter die Knochenoberfl che Bohrerspitze senkt sich um die Tiefe d t10 Nah an Zieltiefe Tiefenbohren Implantatende bohren a P j unter die Knochenoberfl che Bremsen Bohren Abbremsen Vorschub TEN men des Bohrers schnell Vorschub Ny pire des Bohrers lang sam Entnahme Bewegung des Bohrers nach oben t14 Halten Bewegung des Bohrers nicht nach oben PatientV isible AND Drill Visible AND DrillCalibrated AND DrillRegistered 30 dis l niltTep k Puriurep k 3 1 8 i Ti et drillTep K lt dist 32 Der Zustands bergang t2 wird aktiv wenn die Bohrerspitze zu weit von den geplanten Implan tatpositionen entfernt ist oder wenn der Patiententracker oder der Instrumententrac
203. ohrers in der dentalen Implantologie kann auf viele Komponenten des Navigationssystems RoboDent der Firma RoboDent GmbH Schermeier 2002a zur ckgrei fen Herstellung der Bissschiene f r die automatische Patientenregistrierung Planung der Imp lantatpositionen sowie die Navigation des Bohrers In diesem Kapitel wird der im Vergleich zum navigierten Eingriff ver nderte intraoperative Benutzungsablauf erl utert Der Benutzungsablauf 37 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten in der Kopf Chirurgie der Operationsplanung und f r die Bissschienenregistrierung ist in Schermeier 2002a detailliert dargestellt Im Vergleich zu einem navigierten Eingriff ver ndert Navigated Control den intraoperativen Bohrvorgang Bei einem rein navigierten Eingriff wird zu jedem Zeitpunkt d e Abweichung der Position und der Orientierung des Bohrers von der dealen Implantatlage n einem Fadenkreuz siehe Abbildung 15 visualisiert Wenn die Abweichungen die vorgegebenen Toleranzen unter schreiten wird diese Position und Orientierung als korrekt visualisiert Allerdings ist der Arzt nicht auf diese Bewertung der Bohrerlage festgelegt sondern kann sie ignorieren Wenn z B der Arzt eine Gl ttung des Alveolarkamms durchf hrt ignoriert er die visuelle Freigabe und ver wendet den Bohrer wie gewohnt Bei der Verwendung der Leistungsteuerung ist das nicht m g lich wenn die Position oder die Orientierung des Bohrers vom System als nicht korrekt bewertet
204. owohl mit dem Faro Arm als auch mit der Koordinatenmessmaschine vermessen Dadurch k nnen die mit der Koor dinatenmessmaschine vermessenen Punkte p der Kavit ten relativ zur geplanten Kavit t plan dargestellt werden siehe auch Abbildung 84 _ farony faro _metal plany Plane i titan titan T hole T hole faro km _ metal T p 97 diffe w Ny p Sw 98 Die Differenz zwischen einer Wand W der geplanten Kavi t t C und einem gemessenen Punkt 1 wird nach 98 berechnet Die W nde werden mit einem Normalenvektor der Wand W nw und einem beliebigen St tzpunkt auf der Wand W sw dargestellt Bei diffc wi lt O wurde die Kavitat 132 Experimente nicht vollst ndig abgetragen bei diffcw gt O wurde die Grenze der Kavitat berschritten Nach den Formeln 94 bis 96 wurden die folgenden Kenndaten berechnet 1 F r jede Kavit t C die mittlere Entfernung meannais C W zwischen der geplanten Wand W und der an dieser Wand gemessenen Punkte Zu jedem Mittelwert meannair C W die Streuung dieses Mittelwerts stdNmean diff F r jede Kavita t C die Streuung stdnairr C W der Entfernung zwischen der geplanten Wand und der an dieser Wand W gemessenen Punkte F r jede Kavitat C die maximale Entfernung maxnaire C W zwischen der geplanten Wand und der an dieser Wand W gemessenen Punkte F r jede Kavit t C die minimale Entfernung minnair C W zwischen der geplanten Wand und der an dies
205. pekt von Navigated Control f r Bohrer ist die Vorschubbegrenzung die im Detail in der Realisierung erl utert ist Die Vorschubbegrenzung ist bereits in Kneissler 2005 f r Fr sen vorgestellt Als Vorschub wird hier die Bewegung des Bohrers entlang der Implantat achse bezeichnet Da ein chirurgischer Bohrer deutliches Nachlaufverhalten aufweist kann ein zu schneller Vorschub dazu f hren dass die geplante Tiefe berschritten wird Aus diesem Grund wird zu schneller Vorschub vermieden indem der Bohrer bei berschreitung einer ma ximalen Bewegungsgeschwindigkeit entlang der Implantatachse abgeschaltet wird Da die Be wegung im Knochen nur bei einem abtragenden Bohrer stattfinden kann wird durch diese Abschaltung der Vorschub gebremst 3 5 4 Komponenten f r FESS F r Navigated Control in FESS wurden im Rahmen dieser Arbeit die folgenden FESS spezifischen Komponenten konzipiert und realisiert 55 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten in der Kopf Chirurgie Planung e Instrumente Trackerhalterung f r Shaver e Navigationsmodul e Beobachter des Operationszustandes e Regler Planer e Untergeordnete Regler Die oben genannten Komponenten werden auf dem Navigationssystem NaviBase der Firma RoboDent GmbH ausgef hrt Die Schnittstellen zwischen den Komponenten siehe Kapitel 3 6 erm glichen den Datenaustausch Die Planung f r FESS erm glicht die Festlegung eines Arbeitsraums f r die Ausr umung der entz ndeten Sch
206. r Einsatz von Navigated Control in FESS Das System wird bis zum Ende des Jahres 2005 am Universitatsklinikum Leipzig f r FESS klinisch eingesetzt Dabei werden die Ergonomie sowie die intraoperative Entlastung des Arztes und die Auswir kung auf die Operationszeit ausgewertet Auswertung der Ergonomie und Genauigkeit in einer klinischen Studie Es hat sich gezeigt dass die intraoperativen Ergebnisse tendenziell schlechter als Genauigkeitser gebnisse der in Laborumgebung durchgef hrten Experimente sind Das h ngt damit zu sammen dass der Arzt w hrend eines chirurgischen Eingriffs durch viele Faktoren die in einer Laborumgebung nur ungen gend abgebildet werden abgelenkt w rd Au erdem werden in der Laborumgebung Phantome benutzt die die anatomischen Gegebenheiten gut aber nicht vollst ndig simulieren k nnen Einbindung einer Patientenregistrierung ohne Bissschiene f r Navigated Control in FESS Die Benutzung einer Patientenregistrierung mit einer Bissschiene f r FESS er m glicht intraoperativ einen einfachen Ablauf Die Herstellung einer Bissschiene ist al lerdings kein gew hnlicher Schritt in der HNO Chirurgie Wird diese Leistung extern eingekauft dann fallen dadurch zus tzliche Kosten an Aus diesem Grund muss f r eine erfolgreiche Verbreitung von Navigated Control in der HNO Chirurgie eine ergonomi sche genaue Patientenregistrierung entwickelt werden die keine Bissschiene ben tigt Ber cksichtigung der Pumpenansagung
207. r Leistungssteuerung f r chirurgische Bohrer Eine Planung ist mit dem Planungstool des Navigationssystems der Fa RoboDent GmbH m glich F r die Planung werden CT oder DVT Daten des behandelten Pati entenkiefers ben tigt wobei der Patient w hrend der CT Aufnahme eine Bissschiene mit 6 Titanmarkern tr gt In die Bissschiene ist der Abdruck der Prothetik an der aus prothetischer Sicht optimalen Position eingearbeitet und r ntgenopak eingef rbt Bei der Planung werden Implantatpositionen in den CT und DVT Daten festgelegt Daf r steht eine umfangreiche Da tenbank von Implantaten verschiedener Hersteller zur Verf gung Die Planung wird in einem Planungsdatensatz gespeichert der die CT Daten die Positionen von Titanmarkern sowie die Lage der Implantate relativ zu dem DICOM Datensatz sowie die 3D Oberfl che des Patienten kiefers enth lt Messen von Position und Orientierung der Instrumente und des Patienten erfolgt mit einem pass ven optischen Positionsmesssystem der Firma NDI Es wird das Positionsmesssystem Polaris oder Polaris Accedo verwendet ber eine serielle Schnittstelle wird die Lage von Tra ckern relativ zu einem Koordinatensystem des Positionsmesssystems mit einer Frequenz von 20Hz bermittelt Die Tracker bestehen aus mindestens drei retroreflektierenden Kugeln mit einer Gr e von ca 10 mm Die Position der retroreflektierenden Kugeln in dem Trackerkoordi natensystem wird dem Positionsmesssystem bei der Initialisierung t
208. r verstopfen kann und die Spitze in diesem Fall abgenommen und ges ubert werden muss fe UT ee Oe FAR jar Hr enema ERDE ARE N a i d Abbildung 34 Links Der Shaver wird in seiner gesamten Lange eingesetzt die geringe Steifigkeit der Befestigung der Shaverspitze am Shavergriff erm glicht eine Auslenkung der Shaverspitze um d rechts bei der Befestigungsvariante A wird der Instrumententracker direkt an der Shaverspitze bei der Variante B am Shavergriff befestigt 56 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten n der Kopf Chirurgie Um die Forderung nach m glichst geringer Entfernung zwischen der Shaverspitze und Instru mententracker zu erf llen muss beachtet werden dass der Shaverschaft in seiner gesamten L nge t siehe Abbildung 34 links eingesetzt wird Das f hrt zu den beiden folgenden M glich keiten der Befestigung des Instrumententrackers siehe Abbildung 34 rechts A Befestigung direkt am Shaverschaft B Befestigung am Shavergriff Prinzipiell ist die Variante B d h die Befestigung des Trackers am Shavergriff die favorisierte L sung da sie einfacher und f r den Benutzer komfortabler als die Variante A realisiert werden kann Allerdings kann die Shaverspitze sichtbar ausgelenkt werden siehe Auslenkung um d in der Abbildung 34 links was zu einem gro en Fehler bei der Bestimmung der Position der Shaverspitze f hren kann Aus diesem Grund wird die Genauigkeit der beiden Varianten im Fo
209. ragenen Kavit ten uuecessssssesssseeeeenenn 146 10 3 Parameter f r die Zustands berg nge des Beobachters 2000000000snssneeeeeeeeeen 147 10 4 Parameter f r das Einschaltverhalten der untergeordneten Regler 148 VU 1 Einleitung Das Prinzip der Navigation bei dem die Position und Orientierung von chirurgischen Instrumen ten dem Chirurgen relativ zu computertomographischen Bilddaten dargestellt wird st seit den 80 er Jahren bekannt Die stetige Weiterentwicklung f hrte seitdem durch die Einf hrung neuer Sensoren die Verwendung kleinerer einfacherer und leistungsf higerer Systeme zu einem immer h heren Nutzwert f r die Chirurgie Auch die Anwendungsm sglichkeiten sind gestiegen neben der Hals Nasen und Ohrenchirurgie HNO Chirurgie und Neurochirurgie werden Navigationssysteme z B in der Mund Kiefer und Gesichtschirurgie MKG Chirurgie der dentalen Implantologie der Orthop die und in der Wirbels ulenchirurgie eingesetzt Ein Prinzip der Navigation ist dennoch unver ndert geblieben Es gibt auch bei den heute auf dem Markt verf gbaren Navigationssystemen keine M glichkeit eine falsche pr operativ nicht geplante Aktion des Arztes durch das Navigationssystem zu verhindern Es stellt sich aber die Frage ob dieser Mangel unvermeidlich ist denn Bei einem vorhandenen pr operativen Plan ist es dem System bekannt ob der Arzt die durch das Navigationssystem ver
210. re Sitz der Bohrschablone Bei auf der Schleimhaut befestigten Bohrschablonen wird Ungenauigkeit beim Setzten der Implantate n Kauf genommen Bei auf Knochen fixierten Boschablonen muss dagegen der Kieferknochen wei tr umig freigelegt werden 28 Stand der Technik 2 6 2 Defizite der Assistenzsysteme f r FESS In der HNO Chirurgie sind neben dem traditionellen rein endoskopischen Eingriff Navigations systeme etabliert da wegen der komplexen Anatomie der Nasennebenh hlen durch den Einsatz von Navigationssystemen ernsthafte Verletzungen vermieden werden k nnen F r eine effizien tere Ausr umung der betroffenen anatomischen Region wird der elektrisch betriebene Shaver eingesetzt Allerdings werden die Navigationssysteme unter ihren M glichkeiten eingesetzt So existiert zum Beispiel keine kliniktaugliche computerassistierte Operationsplanung Die in viel fachen Auspr gungen angebotenen Navigationssysteme werden lediglich als Zeigeinstrumente benutzt die die Position eines Pointers oder eines anderen navigierten Instruments in pr operati ven CT Daten darstellen Da keine computerassistierte Operationsplanung erfolgt kann das Navigationssystem auch keine Fehler zum Beispiel die Benutzung der Instrumente au erhalb des Arbeitsgebietes und die N he sensibler Strukturen beim Einsatz des chirurgischen Instru ments feststellen Es existieren keine mechanischen Assistenzsysteme f r FESS die die Umsetzung der pr opera tiven Pla
211. reiten dann wird der Boh rer gr n dargestellt berschreitet der Chirurg die Soll Bohrtiefe dann ert nt ein akustisches 22 Stand der Technik Warnsignal Mit RoboDent kann eine durchschnittliche Gesamtgenauigkeit von besser als 1 mm beim horizontalen Abstand sowie besser als 2 beim Winkelfehler erreicht werden Schermeier et al 2001 Schermeier 2002a und Schermeier et al 2002b Koulechov und Lueth 2004 van Straelen 2003 Abbildung 16 Der Patiententracker der Fa RoboDent GmbH ist fest mit einer Bissschiene verbunden die Bissschiene beinhaltet 6 Titanmarker fiir die Patientenregistrierung Das Navigationssystem DenX hat prinzipiell einen hnlichen Ablauf wie das Navigationssystem RoboDent Allerdings wird nicht ein passives sondern ein aktives propriet res Positionsmess system verwendet Das hat zur Folge dass zus tzliche Kabel sowohl zum Bohrer als auch zum Patienten f hren Der Bohrertracker ist relativ gro was evtl zur Schwierigkeit in der Benut zung f hren kann F r die Patientenregistrierung wird hnlich wie bei RoboDent eine Biss schiene mit Titanmarkern verwendet DenX erm glicht eine Positionierung der Bohrerspitze mit weniger als 1 mm Abweichung Casap et al 2004 2 3 4 Navigationssysteme f r die HNO Navigationssysteme f r die HNO visualisieren in Echtzeit die Position und die Orientierung eines vom Arzt manuell gef hrten Instruments relativ zu pr operativen radiologischen Daten Oft is
212. reiteten Segmentiermethoden arbeiten meist grauwertbasiert Bei FESS muss jedoch keine einzelne anatomische Struktur mit einheitlichem Grauwert gefunden sondern ein inhomogenes Arbeitsgebiet definiert werden Das Arbeitsgebiet enth lt unter anderem Luft Knochen Polypen Schleim Die h ufige Abwechslung der unterschiedlichen Mate rie in dem Arbeitsgebiet die unter anderem durch die vielen H hlen bedingt sind er schwert auch den Einsatz von anderen Segmentierwerkzeugen wie LiveWire 86 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers Abbildung 53 Die Anatomie ver ndert sich nicht gravierend in den angrenzenden axialen Schichten 2 Die n dieser Arbeit beschriebene pr operative Planung wird f r eine Steuerung eines intraoperativen Instruments benutzt Der Arzt muss sich dabei auf die erfolgte Segmen tierung verlassen k nnen Daraus folgt dass auch bei einer automatischen Segmentierung der Arzt die Segmentierung in jeder Schicht kontrollieren und gegebenenfalls korrigieren muss Je nach Segmentiermethode kann dieser Aufwand sehr hoch sein und die gefor derten 5 Minuten oft bersteigen 3 Der segmentierte Arbeitsraum ndert sich nicht sehr n benachbarten Schichten der CT Daten siehe Abbildung 53 f r drei angrenzende Schichten bei einem Millimeter Schicht abstand Durch geeignete Werkzeuge kann die manuelle Segmentierung auf eine initiale Kennzeichnung des Gebiets und eine geringe Anpassung dieser Kennzeichnung in den
213. rekt visualisiert Wenn der Arzt den Bohrer ruhig h lt siehe Beschreibung des Zustand bergangs t6 im Kapitel 4 4 dann wird die gemittelte Tiefe Aaeptn k Ni6 35 als die Entfernung der Knochenoberfl che depth relativ zur Implantatspitze bernommen siehe auch Abbildung 46 und Abbildung 48 f r die Beschreibung von depthx ee k lt Hadist max 46 Sichtachse des Positionsmesssystems optimale Sicht auf die retroreflektierenderr Kugeln Bohrerachse tats chliche 4 Bohrerposition Knochen oberfl che id Knochen modellierte oberflache Bohrerposition Abbildung 50 Bei einer Neigung des Bohrers auf dem Knochen verschlechtert sich die Genauigkeit der Positionsbestimmung der Bohrerspitze Der Regler r4 st w hrend des Ank rnens akt v Beim Ank rnen muss der Arzt eine geringe Menge Knochen abtragen so dass beim anschlie enden Ausrichten und Bohren der Bohrer sicher auf der gew nschten Position bleibt Dabei ist vor allem die Position der Bohrerspitze wichtig Allerdings kann die Winkelabweichung zwischen Bohrerachse und der Achse des ge planten Implantats nicht vollst ndig vernachl ssigt werden Der Bohrer wird als ein unendlich d nner Strahl modelliert Wird aber der Bohrer n der Real t t gekippt dann n mmt der Fehler zwischen der modellierten Position der Bohrerspitze und der tats chlichen Ber hrung des Kno chens zu siehe Abbildung 50 Au erdem ist die verwendete Anordnung der retroreflekti
214. rreichen In der linken Hand wird das Endoskop gehalten 2 2 Computerassistierte Planungsverfahren In diesem Kapitel sind computerassistierte Planungsverfahren f r die dentale Implantologie und f r FESS vorgestellt Computerassistierte Planungsverfahren f r d e dentale Implantologie haben zum Ziel pr opera tiv eine optimale Lage der Implantate zu bestimmen Die meisten Systeme f hren die Planung mit Daten eines CTs Computertomograph oder eines DVTs digitaler Volumentomograph aus Die eingelesenen CT oder DVT Daten werden in verschiedenen Schichten dargestellt die die horizontale und vertikale Positionierung der Implantate erm glichen Meist wird dazu eine axiale Ansicht eine dem Orthopantomogramm hnliches Panoramaansicht sowie eine crosssec tionale Ansicht pro gesetztem Implantat erstellt siehe Abbildung 4 und Abbildung 6 Einige Planungssysteme stellen die Patientendaten auch dreidimensional dar Des Weiteren stehen meist Funktionen w e L ngen und Dichtemessung zur Verf gung Es existieren keine kommerziellen klinisch relevanten computerassistierten Planungsverfahren f r FESS Als in Frage kommende Werkzeuge muss die Segmentiersoftware zur Kennzeichnung der auszur umenden Region der Nasennebenh hlen sowie die Festlegung von Zielen und Tra jektorien bei der Planungssoftware der Navigationssysteme erw hnt werden 14 Stand der Technik 2 2 1 Planungsverfahren f r die dentale Implantologie Computerassistierte Pl
215. rschritten werden Durch die Ber cksichtigung der realen Ausdehnung des Shavers und seiner intraoperativen Bewegungsm glichkeiten bei der voxelbasierten Arbeits raumplanung werden auch die d nnen am Rand des Arbeitsraums liegenden Knochen gesch tzt Die im Rahmen dieser Arbeit realisierte Planung f r FESS erm glicht eine intuitive ergonomi sche und schnelle Festlegung des intraoperativ abzutragenden Bereichs Diese Planung kann auch ohne Navigated Control f r die reine Navigation eines Shavers eingesetzt werden die erstmals mit dem hier beschriebenen System m glich ist Die phasenorientierte Leistungssteuerung auf der Basis eines hierarchischen beobachtergestiitz ten Reglers ist nicht beschr nkt auf die in dieser Arbeit beachteten Instrumente und Eingriffe Allerdings zeigt sich auch dass die genaue Auslegung der Komponenten Beobachter Reg ler Planer und der einzelnen Regler eine genaue Analyse und Modellierung der intraoperativen Instrumentenbenutzung erfordert Die Steuerelektronik erm glicht eine modulare Einbindung von elektromotorgetriebenen elekt ronisch ber ein Fu pedal gesteuerten chirurgischen Instrumenten Ein weiterer Vorteil der Steuerelektronik ist die einfache Schnittstelle zu dem Navigationssystem das keine Hardware erweiterung des Navigationssystems ben tigt 137 Zusammenfassung und Ausblick Zuk nftige Weiterentwicklungen dieser Arbeit k nnten unter anderem die folgenden Punkte umfassen Klinische
216. rundlagen der Patientenregistrierung wie sie in der HNO und in der dentalen Implantologie verwendet wird erl utert Die konkreten Auspr gungen werden in den Kapiteln 2 3 3 und 2 3 4 bei der Beschreibung der marktfiihrenden Navi gationssysteme vorgestellt Die Patientenregistrierung ist ein grundlegendes Problem der Navigation Die Genauigkeit und die Benutzerfreundlichkeit der Patientenregistrierung sind Eigenschaften die den Erfolg eines Navigationssystems wesentlich beeinflussen Die Algorithmen stammen aus der Computergra phik Besl und McKay 1992 die Einordnung und Kategorisierung der f r die chirurgische Navigation spezifischen Methoden ist fr hzeitig durch Lavall e 1996 sowie Maintz und Vier gever 1998 erfolgt Die marktf hrenden Navigationssysteme in der dentalen Implantologie und in der HNO berechnen eine rigide Patientenregistrierung zwischen den Bilddaten und dem Pati enten Die Patientenregistrierung ist rigide weil lediglich eine Translation und eine Rotation zwischen pr und intraoperativen Daten bestimmt werden Die Verschiebung der Weichteile und die wachstums und altersbedingte Ver nderung der kn chernen Strukturen werden nicht beriicksichtigt Bei einer rigiden Patientenregistrierung wird die Lage von intraoperativ messbaren Merkmalen z B anatomische Landmarken wie Punkte am Gesicht und am Sch del in den pr operativen Bilddaten bestimmt Anschlie end wird durch die L sung eines Gleichungssystems oder dur
217. rurg die Winkel abweichung nicht mehr korrigieren e Bei Winkel und Positionsabweichungen nahe des tolerierten Fehlers kann es dazu kommen dass durch das Rauschen des Positionsmesssystems und das Zittern der Hand des Chirurgen der Bohrer fortw hrend ein und ausgeschaltet wird e Durch die Tatsache dass beim Bohren immer sowohl die Bohrerposition und winkel eine tolerierte Abweichung unterschreiten m ssen ist es f r den Arzt schwierig den Knochen anzuk rnen e Das Herausziehen des Bohrers aus dem Knochen nachdem er bei zu gro em Fehler ab geschaltet wurde ist sehr schwierig In Kneissler 2005 wurde ein neuartiges System f r das manuelle Fr sen entwickelt sowie Untersuchungen zu den Grundlagen zu dem dynamischen Verhalten und den Einflussgr en von Navigated Control durchgef hrt Das System erm glicht es dem Bediener einen optimalen Materialabtrag nach einer vorab festgelegten Zielgeometrie mit einer Fr se zu realisieren Die wichtigste Eigenschaft des Systems ist die positions und geschwindigkeitsabh ngige Leistungs steuerung eines manuell gef hrten Werkzeuges Dabei wurde der Einfluss verschiedener Para meter wie die Geschwindigkeit der Handbewegung beim Fr sen die Drehgeschwindigkeit der 27 Stand der Technik Fr se sowie die verwendeten abgetragenen Stoffe auf die Genauigkeit beim Fr sen einer Geo metrie untersucht F r optimales Abtragen einer Geometrie muss der Nachlauf der Fr se nach dem Abschalten b
218. s Bohrers beim ber und Unterschreiten des tolerierten Winkelfehlers zu vermeiden wird zus tzlich eine Hysterese verwendet siehe Abbildung 51 Der Arzt muss also den Bohrer genauer Ausrichten als f r das Bohren notwendig ist Das ver hindert dass der Arzt genau an der Grenze des tolerierten Winkelfehlers bohrt Die Bedingung f r diesen Regler ist in 50 dargestellt Leistung p k Winkel Ok Ak QXokt g TS lottep k Abbildung 51 F r die Freigabe der Instrumentenleistung in Abh ngigkeit von dem Winkel zwischen Imp lantatachse und Bohrerachse wird eine Hysterese verwendet so dass ein standiges Ein und Ausschalten im Knochen vermieden wird Dabei wird davon ausgegangen dass der Arzt den Bohrer in die vorher mit dem Regler r4 ange k rnte genaue Vertiefung gesetzt hat Die Bedingung 50 stellt lediglich eine grobe richtige Positionierung sicher Pok k EIST i k lt AiSt 1 48 Anyst k Cari gt lt ee k lt Cari 49 100 if pa K AND 0 K lt Chas 8a p k 5 100 if Pa k AND nys A AND p k 100 50 3 else Beim Regler r6 kann der Chirurg frei bohren die Leistung des Bohrers wird nicht in Abh ngig keit von der Tiefen der Winkelabweichung oder der Entfernung zwischen Bohrer und geplan 83 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers tem Implantat verringert Wenn der Regler r6 aktiv ist dann befindet s ch der Bohrer so tief m Knochenma
219. s Punkte dargestellten Messwerte der realen Kavit t sind relativ zu der geplanten Kavitat f r die zweite Kavit t dargestellt Cavity 03 planned and measured Cavity 03 planned and measured DA S u s td A 80 E n 18 hy 7 70 y u 65 u u a 70 80 90 100 70 80 90 100 x mm x mm 145 Anhang Abbildung 89 Die als Punkte dargestellten Messwerte der realen Kavit t sind relativ zu der geplanten Kavitat f r die dritte Kavit t dargestellt Cavity 04 planned and measured Cavity 04 planned and measured ceeds ELLELE L 80 4 85 x r 18 r k 80 t k 65 hy ze id x 60 70 55 er J 65 3 k 90 fi i i i ER ZATEHN i 70 80 90 100 70 80 90 100 x mm x mm Abbildung 90 Die als Punkte dargestellten Messwerte der realen Kavit t sind relativ zu der geplanten Kavit t f r die vierte Kavit t dargestellt Cavity 05 planned and measured Cavity 05 planned and measured 80 E Ea ee a k 85 a 75 ai gt P 80 ul 4 a E 3 75 S ir r a gt 65 a N 7 i gt i F 60 70 i 55 7 F 65 er EEE 50 _ eS e Saa af 70 80 90 100 70 80 90 100 x mm x mm Abbildung 91 Die als Punkte dargestellten Messwerte der realen Kavit t sind relativ zu der geplanten Kavitat f r die f nfte Kavit t dargestellt 10 2 Messdaten f r die mit dem Shaver abgetragenen Kav
220. s nicht gegeben ist Bei den drei hier vorgestellten Eingriffen wurde das System in der in dieser Arbeit beschriebenen Realisierung eingesetzt In der Abbildung 80 ist der klinische Einsatz abgebildet Beim Patient A wurden zwei Implantate im Unterkiefer gesetzt An den gebohrten Stellen wur den zuvor zwei nicht erhaltungsw rdige Z hne extrahiert Der Patient hatte sich w hrend der 124 Experimente CT Aufnahme bewegt was zu einer Verringerung der Qualit t der Bildgebung f hrte Zwischen der CT Aufnahme und dem Eingriff vergingen wenige Tage Beim Patient B wurden zwei Implantate im Unterkiefer gesetzt Die betroffenen Z hne fehlten und mussten nicht extrahiert werden Eine Stanzung ist n cht m glich da der Knochen augmen tiert werden muss Aus diesem Grund wird durch einen Winkelschnitt aufgeklappt Die CT Aufnahme wurde am Tag des Eingriffs durchgef hrt i i Lii Abbildung 80 Navigated Control f r die dentale Implantologie wurde klinisch evaluiert Beim Patient C wurden vier Implantate im zahnlosen Unterkiefer gesetzt Wegen des unbezahn ten Unterkiefers wird im Gegensatz zu den Patienten A und B die Navigationsschiene in einer ersten Sitzung mit Osteosyntheseschrauben angeschraubt Danach wurde die CT Aufnahme erstellt anschlie end fand die eigentliche Implantation statt F r jeden Eingriff wurden mehrere Protokolle erstellt die f r dieses Experiment ausgewertet wurden e Ein Systemprotokoll mit Daten wie A
221. satz gestrichelt umrandet festlegen Das Gebiet ist durch die folgenden anatomischen Strukturen begrenzt A Recessus frontalis B Frontobasis C Keilbeinh hlen vorderwand D Choane E Lamina papyracea Die Segmentierung die im Koordinatensystem des CT Datensatzes vorliegt besteht aus einer Menge M von Polygonen die in den angrenzenden axialen Schichten liegen also in der H he gestapelt sind siehe Abbildung 54 rechts Die Funktion fseg indiziert die Polygone II nach der 88 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers vertikalen Position Jedes Polygon II wiederum besteht aus einer geordneten Liste von Eckpunk ten die im Koordinatensystem der jeweiligen axialen Schicht gespeichert sind img 5 gt age oe a n oa 52 F izk gt Pet 53 ee x Yo Xis Y1 s e Hy ys Vex 54 Die bei einer Segmentierung ma geblichen Strukturen sind in der Abbildung 55 dargestellt Die wichtigsten sch tzenswerten Bereiche sind die vordere Sch delbas s und die Lamina papyracea der Durchbruch zum Gehirn oder zum Auge muss unbedingt verhindert werden F r eine Segmentierung die den Schutz dieser Strukturen gew hrleistet ist die initiale Segmen tierung und die dabei erfolgte Wahl der initialen axialen Schicht besonders wichtig Ausgehend von dieser Segmentierung werden die Ver nderungen der anatomischen Strukturen verfolgt und die Segmentierung wird angepasst Die initiale Segmentierung sollte in einer Schicht erfolgen
222. schen Instru ment und Grenze des Arbeitsvolumens Es wird nicht analysiert und beschrieben welche Anfor derungen an Navigated Control in den einzelnen Anwendungen gestellt werden m ssen Es ist aber bekannt dass z B in der dentalen Implantologie eine einfache Abschaltung des Bohrers bei nicht optimaler Position und Orientierung zu einem klinisch nicht einsetzbaren System f hrt 2 7 Zusammenfassung der ungel sten Probleme Ausgehend von der Kritik des Standes der Technik k nnen die Defizite der existierenden Ansat ze n Bezug auf d e L sung der n der Problemstellung beschriebenen Punkte identifiziert wer den Ungen gender Schutz sensibler Strukturen Es existiert kein System das ohne aufw ndige mechanische Hilfsmittel den Schutz von sensib len Strukturen beim Bohren oder beim Gewebeabtrag mit einem Shaver erm glicht Navigati onssysteme f r d e dentale Implantologie erm glichen eine genaue Planung und die Darstellung 29 Stand der Technik des Bohrers n den pr operativen CT Daten relat v zur pr operativen Planung g ngige Naviga tionssysteme f r die HNO visualisieren lediglich die Position eines Pointers oder eines anderen chirurgischen Instruments in den CT Daten In beiden Anwendungen kann ein Assistenzsystem nicht die Verletzung sensibler Strukturen verhindern Die Einbindung von Navigated Control an ein Navigationssystem scheint der geeignete Schritt zu sein um den sicheren Einsatz von In strumenten zu erm g
223. sit tsklinik der Universit t Leipzig danke ich ausdr cklich f r die Betreuung der Arbeit als Zweitgutachter sowie f r die hervorragende wissenschaftliche Zusammenarbeit auf dem Gebiet der Navigation und Leistungssteuerung chirurgischer Instrumente in der Hals Nasen und Ohrenchirurgie Bei Herrn Prof Dr Ing Klaus Bender Ordinarius des Lehrstuhls f r Informationstechnik im Maschinenwesen an der Technischen Universit t M nchen m chte ch mich sehr bedanken f r die Bereitschaft auch sehr kurzfristig den Pr fungsvorsitz zu bernehmen Herrn Prof Dr mult h c J rgen Bier Ordinarius der Klinik f r Mund Kiefer und Gesichts chirurgie Klinische Navigation und Robotik der Charit Universit tsmedizin Berlin danke ich fiir die gute Einbindung in die klinische Praxis die eine wesentliche Bedingung fiir die er folgreiche Durchf hrung dieser interdisziplin ren Arbeit war Herrn Dr Gero Strau Oberarzt der Hals Nasen Ohren Universit tsklinik der Universit t Leip zig danke ich ganz besonders f r die ganz au ergew hnliche Zusammenarbeit und f r die Durchsicht der Arbeit Neben der sehr gesch tzten fachlichen Kompetenz hat vor allem die pers nliche Mitwirkung von Dr Gero Strau zum Zustandekommen dieser Arbeit beigetragen Allen rzten der Klinik f r Mund Kiefer und Gesichtschirurgie Klinische Navigation und Robotik der Charit Berlin danke ich f r die Hilfe und Anregungen Besonders bedanke ich m
224. sitionierung mit Magnetgips platten stammt aus der Zahnheilkunde Patiententracker Phantomkiefer Messkorpers mit Hartschaum Gipsplatte des Messk rpers mit Metallplatten Gipssockel mit Magnet Abbildung 82 In das Phantom f r die Bestimmung der Genauigkeit des Abtrags mit einem Shaver k nnen einzelne Messk rper reproduzierbar eingesetzt werden Die Messk rper enthalten Hartschaum der durch den Shaver abgetragen und anschlie end vermessen wird An dem Phantom wurde ein Phantomkiefer angebracht Der Phantomkiefer erm glicht die Ver wendung der bissschienenbasierten Patientenregistrierung w e m Kapitel 7 1 beschrieben 130 Experimente Auf Basis eines CT Scans des Phantoms wurde eine rechteckige Kavit t geplant siehe Abbildung 83 Bei dem CT Scan wurde der Patiententracker abgenommen da die Glaskugeln Artefakte hervorrufen Der Magnet und die Metallplatten erzeugten keine Artefakte Die geplan te Kavitat hatte die folgenden Ausma e Breite b 24 mm H he h 23mm Tiefe t 30 mm amp 7 T a coronal EES FF 05 04 02 FESS BiemraticckMasse O2042005 idi Abbildung 83 In der Planung wurde eine Kavit t mit der Breite b von 24 mm einer H he h von 23 mm und einer Tiefe von 30 mm festgelegt Es wurden 5 Messk rper f r 5 abzutragende Kavit ten erstellt F r die Messk rper wurden Becher f r Kerzenlichter verwendet d e mit Hartschaum Phenolschaum verw
225. smodul Behandlung o Patientenregistrierung o Beobachter des Operationszustandes o Regler Planer o Untergeordnete Regler o Navigationsmodul o Steuerprogramm o Sicherheitsassistent Die Abbildung 22 zeigt den Systemaufbau 1m Operationssaal Das Navigationssystem ist eine Hardwarekomponente die die meisten zum System geh renden Softwarekomponenten ausf hrt Planungsmodul Patientenregistrierung Navigationsmodul Beobachter des Operationszustandes Regler Planer die untergeordneten Regler sowie den Sicherheitsassistenten Die Steuerelektro nik dient der Ausf hrung des Steuerprogramms Navigationssystem mit Positionsmesssystem Es wird als Fremdkomponente das Navigations system NaviBase der Firma RoboDent GmbH verwendet Es beinhaltet einen Grafikcomputer ein optisches Positionsmesssystem Polaris bzw Polaris Accedo der Firma NDI einen Touch screen einen Miniaturbildschirm und mehrere Eingabeger te Maus Spaceball CD Brenner Diese Bestandteile sind auf einem mobilen Ger tekart montiert Das Navigationssystem wurde derart erweitert dass das Leistungssignal der einzelnen Regler ber eine Hardwareschnittstelle an die Steuerelektronik ausgegeben wird Die Steuerelektronik erm glicht dann die Reduktion der vom Arzt eingestellten Instrumentenleistung Es wird das Positionsmesssystem Polaris oder Polaris Accedo der Firma NDI verwendet siehe Abbildung 23 die im Navigationssystem NaviBase der Firma RoboDent integriert sind Das Posit
226. spitze angetastet werden Beim Antasten wird die H he des Knochens an der Position des Implantats bestimmt Die H he des Knochens wird ben tigt um automatisch zu erkennen wann der Arzt das Ank rnen beendet hat Dabei wird davon ausgegangen dass beim Ank rnen nur wenig Knochen ab getragen wird und dass die Operationsphase des Ank rnens nach der Abtragung von wenigen Millimetern Knochen beendet ist b Bohren der Ausrichtung Dabei benutzt der Arzt beim ersten Mal einen meist 2 mm dicken zylindrischen Pilotbohrer mit dem er die Ausrichtung des Implan tats festlegt Nach dieser ersten Pilotbohrung wird der Bohrer gewechselt und es werden einige spezifische Bohrer eingesetzt um das Implantatbett auszuweiten In allen F llen befindet sich der Bohrer nach einigen Millimetern so weit im Kno chen dass eine nderung der Position oder der Ausrichtung des Bohrers nicht m glich s nd Erreicht der Arzt das Ende des Implantats dann geht der Arzt vor sichtiger vor so dass er nicht die geplante Tiefe der Bohrung berschreitet c Herausnehmen des Bohrers Dabe zieht der Arzt den schnell drehenden Bohrer aus dem Knochen Der Bohrer muss sich drehen so dass er nicht im Knochen verkeilt Wurde erst die Pilotbohrung durchgef hrt dann wird der Bohrer ge wechselt und der Arzt f hrt mit dem n chsten Bohrer im Schritt 4b fort Soll das n chste Implantatbett gebohrt werden dann f hrt der Arzt mit dem Schritt 4a fort Ausschalten von Naviga
227. ssistent die auf dem Navigationssystem ausgef hrt wird und die die Kommunikation mit der Steuerelektronik berwacht Beobachter i S5 Iso Planungsmodul ________ Patientenregistrierung fis Positionsmesssystem Regler Planer Untergeordnete Regler t TIURI ERCE Navigationsmodul x Is10 Steuerprogramm Abbildung 73 Die in diesem Kapitel beschriebenen Softwarekomponenten fiir die Sicherheitsarchitektur sind schwarz dargestellt Bei dem Entwurf der Sicherheitsarchitektur wurde zun chst eine Risikoanalyse erstellt Ausge hend aus dieser Risikoanalyse wurden die Anforderungen an die Software und an die Hardware ausgearbeitet Es wurden Komponenten wie z B ein Hardwarewatchdog verwendet die auch bei einem vollst ndigen Ausfall der anderen Komponenten ein definiertes Verhalten haben und z B im Fall des Hardwarewatchdogs die chirurgische Einheit durch das Trennen von der Stromver sorgung ausschalten An anderen Stellen wurde Redundanz verwendet z B bei der Reihenschal tung von Relais zum Ein und Ausschalten des chirurgischen Instruments Eine der wichtigsten Bestandteile der Sicherheitsarchitektur ist die Realisierung der Anforde rung dass die Reaktionen des Systems bei Fehlern redundant gestaltet werden sollten Wird zum 107 Realisierung der Sicherheitsarchitektur Beispiel ein Fehler beim Ausschalten des Instruments festgestellt dann wird einerseits eine visuelle und akustische Warnung durch d
228. st die Differenzmenge der blassen Voxel Bairr mit und mit gekennzeichnet Die Differenzmenge Baite ist die Differenz zwischen den Men gen Boe und Bsoe Mit einem markierte Voxel wurden nach der Drehung um 50 von der Menge der blassen Voxel abgezogen 92 Mit einem markierte Voxel der Menge B sind bei der Drehung um 50 hinzugekommen 91 Hellgrau Voxel ohne oder sind in beiden Mengen vorhanden diese Schnittmenge Bo s50 90 ist grau dargestellt Die Voxel der Menge Baite 93 stellen die nderung der Menge der blassen Voxel in Abh ngigkeit von der Drehung des Shavers dar hier nur fiir die Ausrichtung des Shavers nach oben Bisa Be Day 90 B B B 91 B_ B Ba 92 Bare B UB_ 93 105 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers Hie Sm ESESESEHESESE TENE EREIESESESESENG Abbildung 72 Durch das Kippen des Shavers ver ndert sich der Arbeitsraum des Shavers Wird der Shaver um 50 gekippt dann werden die mit markierten Voxel von der zum Arbeitsraum geh renden Voxelmenge abgezogen und die mit markierten Voxel addiert Die Ber cksichtigung der unterschiedlichen Abwinklung erfolgt dadurch dass der m gliche Winkelbereicht von und p quantisiert wird und die Arbeitsr ume winkelabh ngig gespeichert werden Intraoperativ wird dann jeweils der Arbeitsraum verwendet der zu der aktuellen An winklung des Shavers passt Die Anzahl der winkelabhangigen Arbeitsr ume h ng
229. stand Bestim mung der Knochenoberfl che h nzu Wie im Kapitel 3 5 3 beschrieben muss die Vorschubgeschwindigkeit des Bohrers kontrolliert werden Wenn die Bohrerspitze beim Bohren zu schnell abgesenkt wird d h wenn die Vor schubgeschwindigkeit zu hoch ist muss der Bohrervorschub verlangsamt werden Andernfalls kann durch das Nachlaufen des Systems die geplante Tiefe berschritten werden Das Abbrem sen des Bohrers f r die Begrenzung der Vorschubgeschwindigkeit erfolgt in einem weiteren Operationszustand Abbremsen Insgesamt ergibt sich ein Zustandsdiagramm wie am 4 Implantat in der Abbildung 41 darge stellt Die eingezeichneten Zustands berg nge verdeutlichen den Ablauf des Eingriffs mit Navi gated Control Die ersten drei Zust nde erfordern einen sequentiellen Benutzungsablauf durch den Arzt Nur der Wechsel zwischen dem Zustand Bohren Abbremsen und Herausnehmen ist 66 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers beliebig oft m glich denn der Arzt benutzt unterschiedliche Bohrer f r das Aufbohren des Implantatbetts auf die gew nschte durch das Implantat bestimmte Dicke Auch kann zu einem beliebigen Zeitpunkt das Abbremsen des Bohrers notwendig sein Die genannten vier Operationsphasen sind pro gesetztes Implantat vorhanden Die f nf Operationszust nde stellen jedoch nur einen Teil aller Operationszust nde dar F r die geeignete Navigation und Navigated Control sind weitere Operationszust nde notwendig F r
230. strumenten n der Kopf Chirurgie Beim Bohrer wird die Transformation u Wer re beim Shaver die Transformation u Lee zwischen dem Tracker und der Instrumentenspitze intraoperativ durch die Kalibrierung und die Instrumentenregistrierung bestimmt Zusammen mit der Lage der Instru mententracker relativ zum Kamerakoordinatensystem 4 bzw 5 ergibt sich daraus die Lage der Instrumentenspitze im Kamerakoordinatensystem cam __ cam drillTracker hee u Tr ttracker Laro 4 cam T _ cam T ShaverTracker shaverTep shaverTracker shaverTcp 5 patTrackerT qucials fiducials patTrac ker Abbildung 25 Sowohl fiir Navigated Control in der dentalen Implantologie als auch in FESS wird der an einer Bissschiene befestigte Patiententracker der Firma RoboDent GmbH verwendet Die Transformation a Taucias zwischen dem Koordinatensystem des Trackers und der an der Bissschiene f r die Patienten registrierung angebrachten Titanmarken ist bekannt Als Patiententracker wird in der dentalen Implantologie bei FESS die Fremdkomponente Patien tentracker der Firma RoboDent GmbH eingesetzt siehe Abbildung 25 Dieser Patiententracker wird an einem Gebissabdruck des Patienten in dem 6 Titanmarker enthalten sind befestigt Durch den bekannten mechanischen bergang zwischen dem Patiententracker und den 6 Ti tanmarkern ist die Transformation zwischen dem Patiententracker und dem Koordinatensystem der 6 Titanmarker bekannt patTracker T fiducials 6
231. t die Benutzung sowohl von CT als auch MRT Daten Magnetoresonanztomograph Daten m glich im Folgenden wird jedoch wegen der h heren Bedeutung der CT Daten f r FESS nicht auf die MRT Daten eingegangen Die bekanntesten Systeme werden von den Firmen BrainLAB Medtronic Navigat on und GE Medical angeboten In der Klinik f r MKG Chirurgie am Vir chow Klinikum Charit wurde das Navigationssystem NaviBase entwickelt Alle Systeme stellen die pr operativ aufgenommenen CT Daten auf einem meist viergeteilten Bildschirm dar zus tzlich kann bei einigen Navigationssystemen die 3D Oberfl che des Patientenkopfes siehe Abbildung 17 links oder das Endoskopbild visualisiert werden W hrend der Benutzung ber hrt der Arzt eine interessante Struktur mit einem getrackten Pointer siehe Abbildung 17 rechts und auf dem Monitor wird die Position und Orientierung des Pointers in den CT Daten darge stellt In diesem Kapitel werden zun chst die Systeme der Firma BrainLAB Marktf hrer in Deutschland vorgestellt anschlie end werden die charakteristischen Merkmale anderer Syste me erl utert Die bekannten Navigationssysteme f r die HNO Chirurgie wurden in Majdani et al 2003 zusammengefasst In Strauss et al 2005 wurden Metriken fiir den Vergleich der Genauigkeiten verschiedener Navigationssysteme beschrieben BrainLAB bietet mehrere Navigationssysteme in verschiedenen Ausf hrungen an z B als kom paktes Navigationssystem Kolibri oder in gr ere
232. t die Signale des Fu pedals durch Das Geh use der Steuerelektronik ist f r die Verwendung als Medizinprodukt angepasst siehe Abbildung 74 Die normalen PC Anschl ssen wurden an der Vorder und an der Hinterseite entfernt Alle Verbindungen sind mit mechanisch robusten Rundsteckern der Firma Lemo derart ausgef hrt dass eine Verwechslung mechanisch unm glich ist Dadurch stehen an der Vorder blende die folgenden Anschl sse und Bedienelemente zur Verf gung 1 An und Ausschalter sowie drei LEDs zur Visualisierung des Systemzustandes 2 Serieller Anschluss f r die Kommunikation mit dem Navigationssystem ber einen run den Lemo Stecker 109 Realisierung der Sicherheitsarchitektur 3 Anschluss f r das Fu pedal ber einen runden Lemo Stecker 4 Anschluss f r die angepassten Signale des Fu pedals Anschluss 3 die zur chirurgi schen Einheit geleitet werden 5 Anschluss f r den Motor des Shavers bzw des Bohrers zur berwachung des Zustandes des Motors 6 Anschluss das die Signale des Shaver bzw des Bohrermotors der chirurgischen Einheit empf ngt und am Anschluss 5 ausgibt Die hintere Blende enth lt den Anschluss f r das Netzkabel sowie einen weiteren Anschluss Schutzkontaktsteckdose f r die Spannungsversorgung der chirurgischen Einheit spezifisches Pedalinterface f r Shaver O Karte l rechtes Pedal Fu pedal linkes Pedal Chirurgische I Einheit anschluss Abbildu
233. t von der Anzahl der Quantisierungsstufen ab Um diese Anzahl gering zu halten muss der maximale Bereich Aa und AZ beachtet werden siehe Abbildung 70 Werden die Winkel in wenige Stufen aufgeteilt dann kann die Winkelabh ngigkeit auch bitweise als Voxelfarbe kodiert werden Dadurch kann auf die Benutzung mehrerer Arbeitsr ume verzichtet werden stattdessen wird die Voxelfarbe und die Funktion 79 f r die Freigabe der Shaverleistung w nkelabh ngig 106 6 Realisierung der Sicherheitsarchitektur Die Anwender stellen h here Sicherheitsanforderungen an ein System zur Leistungssteuerung chirurgischer Instrumente als an normale Navigationssysteme da sie sich bei der Leistungssteu erung durch den intuitiven haptischen Feedback Abschaltung des Instruments mehr auf den Patienten konzentrieren k nnen und die technischen Systeme weniger beachten Die in diesem Kapitel beschriebene Sicherheitsarchitektur umfasst drei Komponenten die in den nachfolgen den Unterkapiteln erl utert werden Die Softwarekomponenten sind in der Abbildung 73 schwarz hinterlegt Die drei Komponenten sind e Die Hardwarekomponente Steuerelektronik die Sensoren und Aktuatoren f r die Ver n derung der Instrumentenleistung und f r die berwachung sowie einen PC beinhaltet e die Softwarekomponente Steuerprogramm die auf dem PC der Steuerelektronik ausge f hrt wird und die S gnale der untergeordneten Regler umsetzt sowie e die Softwarekomponente Sicherheitsa
234. t werden und w hrend des Eingriffs der Patiententracker direkt mit dem Headset verbunden wird e Surface Matching hierbei handelt es sich um die Patientenregistrierung mit Surface Matching mit Laserabtastung z touch oder durch Ber hrung der Hautoberfl che Soft touch Softtouch ist ein Instrument das Hautber hrungen erkennt und diese ber eine Infrarot LED an das Positionsmesssystem meldet m J aot nee er liegia creer wem BE mc Dh Abbildung 17 Intraoperativ wird in der HNO Navigation meist ein Instrument in den CT und 3D Daten dargestellt links intraoperative Darstellung des Navigationssystems der Fa RoboDent GmbH rechts ist die intraoperative Nutzung des durch das Navigationssystem getrackten Pointers und der Patiententracker sichtbar Fa BrainLAB AG Die Firma Medtronic Navigation bietet ebenfalls Systeme in verschiedenen Ausbaustufen an Das fiir den HNO Markt spezialisierte System ist Medtronic Landmarx das ein passives opti sches Positionsmesssystem verwendet Die Patientenregistrierung basiert hier vor allem auf einem zweistufigen Verfahren bei dem zuerst mit drei anatomischen Landmarken eine grobe Ausrichtung gefunden wird Anschlie end f hrt der Benutzer mit einem Pointer eine vordefinier te Kontur am Patientenkopf ab die fiir genaueres Surface Matching verwendet wird Navigati onssysteme von Medtronic erm glichen eine Bedienung nicht nur mit Touchscreen sondern mit einem kleinen navigierten P
235. t wurde der Knochen jedoch nicht ange k rnt wurde Der Zustands bergang t5 wird aktiv wenn sowohl die Knochenoberfl che be stimmt als auch der Knochen angek rnt wurde Der Zustands bergang t6 wird aktiv wenn die Bestimmung der Knochenoberfl che beendet ist Die Knochenoberfl che ist bestimmt wenn der tats chliche Schnittpunkt der Implantatachse mit dem Knochen bekannt ist Die Schnittpunktbestimmung erfolgt indem der Operateur die Boh rerspitze entlang der Implantatachse auf dem Knochen positioniert Bei der Erkennung des Zu stands bergangs t6 wird ausgenutzt dass die Ber hrung des Knochens mit der Bohrerspitze ein sicheres Abst tzen des Bohrers erm glicht und dabei die Bohrerspitze ruhig gehalten wird Das ruhige Halten der Bohrerspitze ist vor allem entlang der Implantatachse m glich da in dieser Richtung der Knochen ein Abst tzen erm glicht Geringf gige Bewegungen sind hingegen auf der XY Ebene des Implantatkoordinatensystems m glich da der Arzt n dieser Operationsphase einen runden Ank rnbohrer einsetzt der auf einer Ebene etwas abrollen kann Die Aufgabe des Beobachters ist es also das ruhige Halten der Bohrerspitze auf dem Knochen sicher zu erkennen und den Zustands bergang t6 zu aktivieren Die Erkennung des ruhigen Haltens muss zuverl ssig sein um ein fehlerhaftes Ausl sen des Zustand bergangs t6 auszuschlie en Wird der Zustands bergang t6 fehlerhaft erkannt dann wird eine falsche zu hohe bzw zu n
236. ted Control Der Arzt kann anschlie end bei Bedarf eine Nachbereitung ohne Navigated Control das er ber ein Fu pedal abschaltet durchf h rend Benutzungsablauf bei FESS Die Leistungssteuerung eines Shavers kann verglichen mit der Leistungssteuerung des Bohrers auf wenige vorhandene Komponenten zur ckgreifen Es muss eine geeignete Operationspla nung und die Leistungssteuerung des Shavers konzipiert und realisiert werden In diesem Kapitel wird der Benutzungsablauf w hrend der FESS Behandlung inklusive der Operationsplanung erl utert Der Arzt hat die M glichkeit die Patientenregistrierung mit Bissschienen zu verwenden Die Herstellung ist in Schermeier 2002a erl utert Es wird hier nicht weiter auf diese eingegangen l F r die Segmentierung der Planung l dt der Arzt zun chst die Patientendaten von der eingelegten CD Die axialen coronalen und sagittalen Schichten und das 3D Modells werden dargestellt W hrend der Segmentierung legt der Arzt die Resektionsgrenzen fest Daf r definiert er in einer beliebigen axialen Schicht durch das Hinzuf gen von Poly goneckpunkten ein Polygon Beim Wechsel in die angrenzende axiale Schicht wird die benachbarte Segmentierung bernommen Das Polygon kann durch die Anpassung der Position seiner Eckpunkte an die ge nderte Anatomie angepasst werden Nach der voll st ndigen Segmentierung wird die 3D Darstellung des segmentierten Bereichs berechnet Der Arzt kontrolliert den Arbeitsra
237. ten ber die DICOM Import Schnittstelle Is siehe Kapitel 3 6 Berechnung der 3D Patientenoberl che und Visualisierung der koronalen sagittalen und axialen 2D Schnitte der importierten Daten sowie der 3D Patienten oberfl che Der Arzt hat die M glichkeit die 3D Oberfl che zu drehen und zu bewegen und durch die 2D Schnitte zu scrollen und sie zu vergr ern siehe Abbildung 54 links Initiale Segmentierung des Arbeitsraums in einer axialen Schicht Eine sorgf ltige initia le Segmentierung in einer geeigneten Schicht hat eine sehr hohe Bedeutung f r eine schnelle genaue Segmentierung da beim weiteren Vorgehen die initiale Segmentierung lediglich angepasst wird Wechsel in eine benachbarte axiale Schicht Dabei wird die zuletzt betrachtete Segmen tierung kopiert Der Arzt passt nun die Segmentierung an die neue Geometrie an Daf r stehen hm verschiedene Werkzeuge zur Verf gung Wiederholen des Schritts 3 bis der Arbeitsraum n seiner gesamten H he segmentiert ist Kontrollieren des Arbeitsraums n den koronalen und sagittalen Schichten gegebenen falls Anpassen des Arbeitsraums in den axialen Schichten Berechnung und Visualisierung der 3D Oberfl che des Arbeitsraums sowie letzte Kon trolle und gegebenenfalls Anpassung in den axialen Schichten Speichern der Planung Abbildung 55 Der Chirurg kann nur das wirklich abzutragende Gebiet durchgezogen umrandet oder ein maximal zul ssiges Gebiet f r den Shaverein
238. tensatz wird in der HNO Chirurgie mit 0 5 mm Schichtabstand bei einem Scanbereich von ca 100 mm mit einer Aufl sung von ca 512x512 Pixel erstellt Daraus folgt eine typische Daten satzgr6Be von ca 512x512x200 also 52 428 800 Voxel Nur die Voxel die sich innerhalb des pr operativ festgelegten Arbeitsraums befinden werden eingef rbt Wird ein Byte fiir die Mar kierung der Voxel verwendet dann erfordert diese Modellierung lediglich ein Array von ca 50 MByte Der Arbeitsraum A besteht also aus den Mengen I und N der gef rbten und nicht gef rbten Voxeln ASTrTuyN Tr rON S 14 Ist das Voxel an der Position des Shavers nicht eingef rbt dann befindet sich die Shaverspitze au erhalb des Arbeitsraums und die Leistung des Shavers muss abgeschaltet werden 79 Die Funktion i p mappt die Position Sp snaverTep K der Shaverspitze zu einem Index in das Voxe larray Diese Funktion ben tigt die Aufl sung in X Y und Z Richtung res res und resz ix Sp resx p x 75 i p res Spy 76 i Sp res p z 77 i p resx res i p 1 resx iy 8p 1 ix p 78 100 if voxelarrayli p k gt 128 p k er 79 O if voxelarray i Pip k lt 128 5 3 2 Arbeitsraummodellierung zur Ber cksichtigung der Shavergeometrie Fiir die Genauigkeit des Systems spielen verschiedene Faktoren eine Rolle Die oben beschrie bene Modellierung des Shavers als ein Punkt l sst sein
239. terial dass eine Korrektur des Winkels oder der Position nicht mehr m glich ist Die Kontrolle der Tiefe wird dadurch sichergestellt dass es einen Zustands bergang in der N he der Zieltiefe gibt so dass der Regler r6 nicht mehr aktiv ist Der Regler r7 bremst den Bohrer bei der Ann herung der Bohrerspitze an die Zieltiefe und schaltet ihn ab wenn die Zieltiefe erreicht ist 51 In Abh ngigkeit von der Entfernung der Bohrerspitze von der Zieltiefe wird die maximale Leistung des Bohrers reduziert Das ist not wendig um ein langsames und vorsichtiges Ann hern an die Zieltiefe zu gew hrleisten so dass ein Hinausbohren ber das geplante Ende des Implantats nicht m glich ist Diese tiefenabh ngi ge Rampenfunktion mit der die maximale Leistung bestimmt wird wird durch den multiplikati ven Faktor g in 51 bestimmt Dabe ist g so gew hlt dass eine lineare Skalierung der Leistung zwischen Maximum und pmin zwischen der Tiefe t bei der der Regler r7 aktiviert wird und der Zieltiefe tz erfolgt Die Leistung des Bohrers wird h chstens auf pmin begrenzt um eine minimale Leistung sicherzustellen damit bei hartem Knochen die gew nschte Tiefe auch tats chlich erreicht werden kann Es w re denkbar bei weiterer Entwicklung von Navigated Control Pin IN Abh ngigkeit von der H rte des Knochens anhand des Hounsfield Wertes an der tiefsten Stelle des Implantats zu bestimmen p k 7 max Prin s depth yurcp k 3 1f 8 depth k
240. trumentenleistung werden Signale der Navigationssystems empfan gen und ausgewertet Es wird das Minimum der durch den Arzt eingestellten und der durch die untergeordneten Regler berechneten Instrumentenleistung ermittelt Dieses Ergebnis wird ber die Aktoren der Steuerelektronik ausgegeben Die berwachung der Hardware und Softwarekomponenten erm glicht einen ausfallsicheren Betrieb des Systems Das Ziel st zu verhindern dass trotz der von der Regelung bestimmten Abschaltung des Instruments der Arzt das Instrument einsetzen kann und dass der Arzt Instru mentenleistung einstellen kann die ber die von der Regelung bestimmte Leistung hinausgeht ber die Sensoren der Steuerelektronik eingelesenen Eingangssignale werden auf Plausibilit t im Zusammenhang mit dem Signal pmax k der untergeordneten Regler berpr ft Uber die Aktu atoren werden Ausgangssignale ausgegeben mit denen Fehlermeldungen err k f r den Sicher heitsassistenten bermittelt werden oder die chirurgische Einheit m Notfall abgeschaltet wird Tabelle 2 Die Wahrheitstabelle zeigt die g ltigen Belegungen f r die Zustandvariablen untergeordnete Leistung am Leistung des a ta Warnung Regler sp Fu pedal s Shavermotors s 8 Sw Einheit s Keine min sp lt sp lt max sp min ss lt st lt max sp ooy S z w Warnung Die berwachung stellt sicher dass bei unvorhergesehenen Eingangssignalen der Chirurg ge warnt wird und die chirurgische Einheit a
241. tsassistent leitet im Normalfall y k als y k weiter Im Fehlerfall wird y k derart angepasst so dass das Instrument abgeschaltet wird Pmax k 0 und eine War nung durch das Navigationsmodul dargestellt wird Das Stellglied besteht aus dem Steuerpro gramm und aus dem Navigationsmodul Das Steuerprogramm wertet die maximale Leistung Pmax k aus und gibt ein Leistungssignal an die chirurgische Einheit weiter Das Signal err k zwischen dem Steuerprogramm und dem Sicherheitsassistenten erm glicht die Fehlererkennung und behandlung durch den Sicherheitsassistenten Das Navigationsmodul wertet den Stellwert aus und visualisiert ihn geeignet Zum Beispiel wird in der dentalen Implantologie in der Opera tionsphase Ank rnens nur die Positionsabweichung der Bohrerspitze von der Implantatachse dargestellt und fiir die Reduktion der Bohrerleistung herangezogen Die Regelstrecke die aus dem Chirurgen dem Instrument und dem Patienten besteht reagiert auf die Darstellung des Navigationsmoduls und die Reduktion der Instrumentenleistung durch die Ver nderung der Lage des Instruments T und des Patienten Ta Um dem Chirurgen zu jedem Zeitpunkt die gew hnliche Arbeit mit dem Instrument zu erm sgli chen gibt es eine direkte Eingabe vom Chirurgen zum Beobachter des Operationszustandes f r das Ein und Ausschalten von Navigated Control 3 5 Komponentenbeschreibung In diesem Kapitel werden die Komponenten die im Rahmen dieser Arbeit entstan
242. u pedal geschaltet Dabei liest die Steuerelektronik die durch den Arzt am Fu pedal eingestell te Leistung des Instruments und die von den auf dem Navigationssystem ausgef hrten unterge ordneten Reglern berechnete maximale Leistung ein Das auf der Steuerelektronik ausgef hrte Softwaremodul Steuerprogramm vergleicht diese Werte und gibt den kleineren Wert an die chirurgische Einheit weiter Die Steuerelektronik beinhaltet ferner Sensoren f r die Pr fung der Funktionen der chirurgischen Einheit und des Navigationssystems Dabe w rd der Motorstrom des Instruments ausgewertet und einer Plausibilit tspr fung unterzogen Zusammen mit einem Hardware Watchdog Konzept erm glicht ausfallsichere Leistungssteuerung die tolerant gegen ber dem Ausfall des Navigationssystems der chirurgischen Einheit und der Steuerelektronik selbst ist Planungsmodul In der dentalen Implantologie wird die Fremdkomponente Planungssoftware modul der Firma RoboDent GmbH integriert siehe Abbildung 28 links F r FESS wird ein im Rahmen dieser Arbeit konzipierte und realisierte Planungssoftwaremodul verwendet siehe Abbildung 28 rechts Das Planungsmodul der Firma RoboDent erm glicht die Positionierung und Ausrichtung von Implantaten in 3D die endg ltige Lage der Implantate wird als eine Liste von Transformationen aus dem Bildkoordinatensystem in den Ursprung eines jeden Implantates gespeichert img T l trg_i 7 44 Konzept der Leistungssteuerung von I
243. uerung eines Shavers Kapitel 2 beschrieben ist der Winkel AJ max ca 75 Wie in Abbildung 70 ersichtlich kann der Shaver um max ca fnin 25 nach unten und um max ca fmax 50 von der Okklusionse bene Ebene des Z hne nach oben abgewinkelt werden tt ttt I RN ER DR NED WAL Asse ttt AL BEE Abbildung 71 Beim Kippen des Shavers um den Winkel b ver ndern sich die durch die Shaverspitze beein tr chtigten Voxel Die Ver nderung beeintr chtigter Voxel bei einer Abwinklung des Shavers ist in der Abbildung 71 bei 50 dargestellt Die zu berechnende Menge Bso der blassen Voxel ist also winkelab h ngig A CUN UB ge Bo AT D Bogs AN 89 Die Auswirkung der Abwinklung wie in der Abbildung 71 links auf die Berechnung der Menge der blassen Voxel wird im Folgenden beschrieben Bei den gef rbten Voxeln der Abbildung 71 links handelt sich um den gleichen Arbeitsraum A wie in Abbildung 67 links In Abbildung 71 rechts sind die bei dieser Abwinklung m glicherweise beeintr chtigten Voxel relativ zur punk f rmig modellierten Shaverspitze schwarz dargestellt Im Vergleich zur Abbildung 68 links sind nur die unteren Voxel k bis o neu hinzugekommen Der daraus resultierende Arbeitsraum mit der Menge der blassen Voxeln Bso ist in Abbildung 72 dargestellt In der linken Abbildung 72 sind alle blassen Voxeln des Arbeitsraums f r die Ausrichtung des Shavers bei 4 50 Abwink lung grau dargestellt In der Abbildung 72 rechts i
244. ufnahme in der die Struktur sichtbar ist in der letzten Aufnahme in der die Struktur sichtbar ist und in einer Aufnahme in der die Struktur das gr te Ausma hat BrainLAB 2001a sowie BrainLAB 2001b Das System berechnet automatisch den Grauwert innerhalb der eingezeichneten Region und bestimmt mit Region Growing die gesamte segmentierte Region Die so bestimmten Regionen k nnen benannt und gespeichert werden au erdem k nnen Stan dard Regionen wie Kugeln z B f r die Segmentierung der Aug pfel ausgew hlt und platziert werden 2 3 Navigationssysteme Die Hauptfunktionalit t von Navigationssystemen ist die Darstellung der Position und Orientie rung eines chirurgischen Instruments relativ zu Patientendaten Die Patientendaten sind meist CT oder MR Daten k nnen aber auch fluoroskopische R ntgenaufnahmen Ultraschallbilder oder pr operativ generierte geometrische Planungsdaten sein Eine schematische Darstellung eines Navigationssystems ist in Abbildung 12 links dargestellt in Abbildung 12 mitte und rechts sind Navigationssysteme f r die dentale Implantologie und f r die HNO abgebildet Die wich tigsten meist auf einem rollbaren Ger tewagen untergebrachten Komponenten eines Navigati onssystems sind 17 Stand der Technik e Positionsmesssystem Das Positionsmesssystem bestimmt die r umliche Lage des vom Arzt benutzten chirurgischen Instruments und des Patienten Markf hrende Systeme be nutzten optische oder e
245. um passt ihn gegebenenfalls an und speichert die Planung Intraoperativ wird das Navigationssystem mit dem Shaver verbunden Da der mit Navi gated Control kontrollierte Shaver nur innerhalb des Arbeitsraums eingesetzt werden soll ist der Shaver von Beginn an leistungsgesteuert Der Arzt hat aber die M glichkeit 39 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten in der Kopf Chirurgie Navigated Control abzuschalten Der Instrumententracker wird am Shaver befestigt und der Shaver wird kalibriert Dabei wird analog zur Kalibrierung des Bohrers die Lage der Shaverachse relativ zum Instrumententracker bestimmt Die Kalibrierung ist notwendig wenn sich die tats chliche relative Lage des Shavers von der gespeicherten unterscheidet Anschlie end erfolgt die Instrumentenregistrierung Dabei wird die Position der Shaverspitze relativ zum Instrumententracker bestimmt Die Bestimmung erfolgt auto matisch Dabe wird angenommen dass sich die Spitze des Shavers auf der im System gespeicherten Achse des Shavers befindet Ist das nicht der Fall dann ist die Instrumen tenregistrierung des Shavers nicht m glich und die Kalibrierung muss durchgef hrt werden Danach erfolgt das Ausr umen der Polypen mit dem Shaver Dabei kann der Arzt den Shaver nur innerhalb des Arbeitsraums aktivieren 3 4 Systembeschreibung Aus dem im vorherigen Kapitel beschriebenen Benutzungsablauf wurden die Systemkomponen ten identifiziert und der Systementwurf erstellt
246. umentenregistrierung erm glicht Patientenregistrierung mit einer Bissschiene erm glicht eine automatische und sehr genaue Patientenregistrierung in der dentalen Implantologie mit dem Navigationssystem der Firma RoboDent GmbH Die Bissschiene wird vom Gipsabdruck des Patientenkiefers erstellt An der Bissschiene ist der Navigationsbogen befestigt Die Bissschiene mit dem Navigationsbogen wird auf den Z hnen des Patienten w hrend der CT Aufnahme und w hrend der Operation getragen Der Patiententracker wird intraoperativ direkt am Navigationsbogen befestigt Der Navigations bogen beinhaltet sechs Titanmarker Die Position der Titanmarker wird w hrend der Planung der Implantatposition automatisch detektiert und gespeichert Durch die identische Position der Titanmarker relativ zum behandelten Kiefer w hrend der CT Aufnahme und w hrend der Ope ration und durch den bekannten mechanischen bergang vom Patiententracker zum Navigati onsbogen erfolgt die intraoperative Patientenregistrierung automatisch Landmarkenregistrierung ist eine einfache Form der Patientenregistrierung Sie basiert auf der manuellen Bestimmung der Position gleicher anatomischen Landmarken wie Augenwinkel oder markante Knochen in den radiologischen Daten und am Patienten In den radiologischen Daten werden die Landmarken meist als Punkte durch den Arzt eingezeichnet Intraoperativ benutzt der Arzt eine Probe Zeigeinstrument Laser oder ein hnliches Instrument um die gleic
247. ung 20 Dabe wird parallel zur visuellen R ckkopplung der herk mmlichen Navigation 26 Stand der Technik ein weiterer Regler eingef hrt der in Abh ngigkeit von der Abweichung zwischen der Soll und Istposition eines chirurgischen Instruments die Leistung des Instruments variiert pat cp Trg Tho k Planning a eet eee A controller E Tod k Navigation system cam 4 Thal Tied P k 1 Instrument Abbildung 20 In den bisherigen Arbeiten wie in Kneissler et al 2003 wurde Navigated Control als ein Regelkreis grau hinterlegter P Controller der parallel zum Regelkreis der Navigation wei realisiert wird beschrieben cam Die Anwendung von Navigated Control in der dentalen Implantologie ist erstmals in Glagau et al 2002 beschrieben Im ersten Ansatz wurde versucht den Bohrer abzuschalten sobald seine Positions und Winkelabweichung eine vorgegebene Toleranz bersteigt Es wurde die gleiche Toleranz verwendet wie sie bei dem Navigationssystem RoboDent fiir die visuelle Indikation einer guten Lage des Bohrers benutzt wird Dieser einfache Ansatz f hrte zu mehreren Proble men e Bei einer Winkelabweichung die von der Implantatachse weg zeigt entfernt sich die Bohrerspitze w hrend des Bohrvorgangs von der geplanten Implantatachse Das kann dazu fiihren dass vor dem Erreichen des Ziels der Bohrer abgeschaltet wird Da der Bohrer allerdings schon in den Knochen eingedrungen ist kann der Chi
248. ung erfolgt mit Stromwandlern die den Motorstrom ber einen Analog Digital Wandler in die Steuerelektronik eingehen Wenn der Motor trotz der ber gz bermittelten Abschaltung dreht ist die Invariante I f r funktionsfahi gen Systembetrieb 20 verletzt 60 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten n der Kopf Chirurgie Die Ausgabeschnittstelle Ins erm glicht die Abschaltung der chirurgischen Einheit wenn die Invariante I 20 verletzt wird Durch die Abschaltung wird das System in einen Zustand ber f hrt in dem I wieder gilt Es handelt sich dabei um eine redundante bergeordnete Abschal tung der chirurgischen Einheit Die Schnittstelle ist realisiert durch eine Schutzkontaktsteckdose an der Riickseite der Steuerelektronik an die die chirurgische Einheit angeschlossen wird 3 6 2 Softwareschnittstellen Die Softwareschnittstellen nutzen zum einen die Hardwareschnittstellen um die Kommunikati on zwischen den Komponenten sicherzustellen Zum anderen existieren auch reine Software schnittstellen die die Kommunikation von Softwarekomponenten erm glichen die auf dem Navigationssystem ausgef hrt werden Im nachfolgenden Kapitel werden zun chst alle Soft wareschnittstellen kurz beschrieben 1m Anschluss wird auf die umfangreichsten Schnittstellen im Detail eingegangen Die Software Schnittstellen sind n der Abbildung 38 dargestellt Es existieren die folgenden Softwareschnittstellen e Die Softwareschnittstelle Is
249. unterbrochen ist e der Chirurg muss den Shaver in gew hnliche Weise einsetzen k nnen Ta Titank rper Shaverschaft Shavergriff Teil B Tracker eo Plastikk rper Shavergriff Teil A Abbildung 57 Die realisierte Trackerhalterung besteht aus zwei Komponenten gegossener Plastikk rper und Titanhalterung Diese beiden Komponenten k nnen intraoperativ jederzeit vom Shaver abmontiert und ohne zus tzliches Werkzeug wieder zusammengesetzt werden 91 Realisierung der Leistungssteuerung eines Shavers Ausgehend von diesen Anforderungen wurde eine Trackerhalterung wie in Abbildung 57 kon struiert und gefertigt Die Trackerhalterung besteht aus zwei Teilen 1 Gefr ster auf dem Shaverschaft sitzender Titank rper auf dem der Tracker befestigt ist 2 Gegossener Plastikk rper der den Titank rper am Shavergriff festh lt Der gefr ste Titank rper wird auf den Shaverschaft bis zum Anschlag aufgesteckt Da der Shaverschaft n maximaler L nge eingesetzt wird st durch diese Befestigung die gr tm gliche N he zur Shaverspitze sichergestellt Der Titank rper ist passgenau gefertigt und erm glicht eine freie Rotation zwischen dem Shaverschaft und dem Titank rper Dadurch kann der Arzt die Shaverspitze mit dem Zeigefinger in gewohnter Weise frei drehen Gleichzeitig f hrt jede seitli che Auslenkung der Shaverspitze durch die hohe Passgenauigkeit zu einer Ver nderung der Position der Trackerhalterung Dadurch k
250. usgenommen werden Die genaue Auspr gung der Zellen ist h chst individuell was eine vollst ndige Ausr umung erschwert Zus tzliche Schwierigkeiten kommen hinzu wenn durch voraus gegangene Eingriffe z B bei chronischer Sinusitis anatomische Landmarken nicht mehr existieren Hosemann et al 2000 Ethmoidale Zellen Abbildung 3 Die bei der Funktionalen Endoskopischen Sinuschirurgie wichtigen ethmoidalen Zellen haben eine komplexe individuelle Struktur Dem minimalinvasiven schonenden Charakter von FESS stehen teilweise schwerwiegende Komplikationen gegen ber Die Komplikationen sind durch die engen anatomischen Beziehun gen zur Sch delbasis zum Auge und dessen Nerven sowie zu den verschiedenen arteriellen Blutgef en bedingt Behrbohm er al 1998 W hrend der Operation kann es zu einer Verlet zung der Lamina papyracea sowie der Sch delbasis kommen Die Lamina papyracea ist die papierdiinne Knochenlamelle die das Siebbeinlabyrinth seitlich begrenzt die Sch delbasis ist die Begrenzung zwischen den Nebenh hlen und dem Gehirn Werden diese Komplikationen Einleitung nicht w hrend der Operation erkannt dann kann es zu schwerwiegenden z B Erblindung und lebensbedrohlichen z B Einblutung ins Gehirn Folgen kommen Hosemann et al 2000 Die medizinische Problemstellung kann folgenderma en zusammengefasst werden l Das entz ndete Gewebe muss vollst ndige entfernt werden 2 Sensiblen Strukturen wie Lamina papyra
251. usgeschaltet wird sodass der Einsatz mit unplausiblen Werten der Eingangssignale nicht mehr m glicht ist Der Zusammenhang zwischen den Ein und Ausgangssignalen wird durch die Definition und Sicherstellung einer Invariante I erreicht die zu einem beliebigen Zeitpunkt bei funktionsf higem Systembetrieb gilt Die Invariante wird aus einer Wahrheitstabelle siehe Tabelle 2 entwickelt die die m glichen zul ssigen Kombinatio nen der folgenden Ein und Ausgangssignale zusammenfasst e Fingangssignal der Leistung am Fu pedal s e Fingangssignal der Leistung des Shavermotors s 32 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten n der Kopf Chirurgie e Ausgangssignal der untergeordneten Regler sp e Ausgangssignal der Spannungsversorgung der chirurgischen Einheit s e Ausgangssignal Warnung Sw Daraus folgt die Invariante I I min sp lt sp lt max sp A min st lt sp lt max sf A Ss min Sp sp A 20 S La m 0J JXOR s 11 vw 0 Es gilt also dass entweder die messbaren Eingangssignale im in der ersten Zeile der Tabelle definierten Wertebereich liegen oder es ein Warnsignal gibt und die chirurgische Einheit ausge schaltet wird 3 5 3 Komponenten f r die dentale Implantologie Der Einsatz des Systems in der dentalen Implantologie erfordert den Entwurf und die Realisie rung der folgenden Behandlungskomponenten e Beobachter des Operationszustandes e Regler Planer e Untergeordnete Regler Die Komponenten Pl
252. uwebabeeseneteetads 1 Lol Problemstellung aus medizinischer Sicht ee 2 12 AC ISCIZUNS OEL AL DEM ame Eee 6 2 St nder Technikos 9 2 1 Derzeitige Einsriftsdurehf hr uns a I a u 9 2 2 C omp terassistierte Planunssyerl hrenz asen na ai 14 23 Navea OMSSY SLC We er en ee a 17 2 4 Mechanische Assistenz in der MedIZIM cccsseessseeeccccceceeessseeccccceesaesseeeeecceeeeaeeesses 25 2 9 Nav isated EC 0nltol nan aee ante Io ie 26 2 6 Nachterleexistierender Systeme ee nes 28 2 7 Zusammenfassung der ungel sten Probleme u00000sseeeeennnnnnnnneeneeeeeennnn 29 3 Konzept der Leistungssteuerung von Instrumenten in der Kopf Chirursie 33 IL Eisener Ans za sun 33 3 2 JNO SHCOZUNG naar 34 3 3 BERUtZUNS sah IT ers NEN Reine 36 3 4 SYSIEMDESCHTEIDUNS saena a a e 40 3 3 K 0mponentenDeschreibuns eera e E AA 50 FO SCAMS EE oera a N uae naan Maeno 59 4 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers ssssssseecccccssssceceoccssssseeococssssseeeeooo 65 4 1 Operationszust nde in der dentalen Implantolog e 0000ssneeeennnnnnennnn 66 4 2 Begrenzung der Vorschubgeschwindigkeit cccccccsssssssseccccceceeeeesecceeeceeaaeesseeeeeess 69 4 3 Metrik f r die Bewertung der Bohrerlage us00000000sseeeennnnnnnseeneeennnnnenn 71 4 4 Beobachter f r die Erkennung der Phasenwechsel cccccccccccessseseeeeeececaeeeeseeeeees 74 SV Re SC Da ar
253. vasive genaue Patientenregistrierung wird durch Headsets erm glicht Kherani er al 2003 Koele et al 2002 und Knott et al 2004 Allerdings ist ihre Handhabung mit Prob lemen wie Repositionierung behaftet Die Bissschiene erm glicht bei einigen Eingriffen sehr genaue und einfache Patientenregistrierung Schermeier er al 2002c mit einer resultierenden Systemgenauigkeit von besser als 1 mm Die Bissschienen m ssen patientenindividuell angefer tigt werden und kommen nur bei teilbezahnten Patienten zum Einsatz Das alternative Prinzip von anatomischen Landmarken ist vergleichsweise einfach Pr operativ markiert der Arzt anatomische Landmarken wie Glabella Region Gebiet zwischen den Augen brauen auf der Nase in den CT Daten Caversaccio et al 2000 Intraoperativ werden diese mit einem Pointer angetastet Die zuverl ssige schnelle und genaue Antastung von anatomischen Landmarken ist nur nach einer Lernphase m glich Wird eine hohe Registriergenauigkeit gefor dert dann m ssen die Operateure unter Umst nden mehrere Minuten versuchen die Landmar ken anzutasten Die fiir die Patientenregistrierung verwendeten Merkmale sind meistens punktf6rmig wie z B Hautmarker Titanmarker in Bissschienen Titanschrauben oder angetastete anatomische Land marken Auf punktf rmigen Merkmalen arbeitenden Algorithmen tauchen unter den Bezeich nungen Point Matching und Paired Point Matching auf Es k nnen aber auch Oberfl chen Merkmale verwend
254. verschiedenen implantat spezifischen Bohrerspitzen f r die einzelnen Operationsphasen des Eingriffs Lokale An sthesie Vollnarkose Ausr umen der betroffenen Region Elektrisch betriebener Shaver oder eine Mechanische Zange Blackesley Arbeitsraum des Instru ca 5x5x5cm ca 4 5x3x1cm ments Nachbereitung des Ein griffs Instrumentennutzung Gef hrdete Strukturen Evtl Augmentation des Kno chens Heranf hrung des Instruments vom Gesicht aus Nervus alveolares inferior im Unterkiefer Kieferh hlen Zahnwurzeln Perforation des Knochens Heranf hrung des Instruments vom Gesicht aus Perforation zum Auge Perfo ration zum Gehirn Gef hr dung von Arterien und Nerven Das Ziel der dentalen Implantologie ist es den Patienten mit einem optimalen Zahnersatz zu versorgen Dieser Zahnersatz wird auf Implantaten befestigt die im Unter oder Oberkieferkno chen eingebracht werden Die optimale Positionierung des Implantats erfordert eine genau Pla nung des Eingriffes und eine sorgf ltige Umsetzung dieser Planung 10 Stand der Technik Abbildung 4 Die typischen Schichtungen der CT Daten axial a sagittal s und coronal c W hrend der Planung werden die Risiken des Eingriffs ausgewertet und es wird ein Vorgehen geplant das diese Risiken minimieren soll und das die Einbringung von Implantaten erm glicht Als erstes erfolgen die Aufnahme der Anamnese Krankheitsgeschichte und eine Befundau
255. wahrscheinlichkeit von p 0 05 einen signifikanten Unterschied zwischen sz und 5 min 128 Experimente Die Ergebnisse des Versuchs lassen also die folgenden Schl sse zu Das Planungskonzept und die f r die Segmentierung notwendigen Schritte sind so ver st ndlich dass f r das Erlernen der Planung nur eine kurze Erkl rung und ein Lernver such notwendig sind die Planung kann innerhalb der geforderten Maximalzeit von 5 min durchgef hrt werden das benutzerfreundliche und intuitive Planungsinterface erm glicht eine weitere Steige rung der Segmentierungsgeschwindigkeit innerhalb nach wenigen Versuchen Die oben genannten Ergebnisse gelten f r typische F lle Bei der f r die Segmentierung notwen digen Zeit m ssen die folgenden Faktoren die diese Zeit ma geblich beeinflussen beachtet werden Erfahrung des Arztes bei der Diagnose anhand von axialen CT Daten Kann der Arzt die n den CT Daten sichtbaren Grenzen des erkrankten Gebiets s cher und schnell erkennen dann kann die Segmentierung schnell durchgef hrt werden Umfang der Erkrankung Dehnt s ch die Erkrankung ber einen sehr gro en Bereich des Sinus aus dann muss der Arzt mehr axiale Schichten betrachten was zu einem gr eren Umfang der Segmentierung und somit zur Verl ngerung der Segmentierzeit f hrt Abgrenzung und Form des erkrankten Gewebes L sst s ch das erkrankte Gewebe deut lich und schnell von dem gesunden Gewebe abgrenzen und weist es eine einfa
256. wo sowohl die Lamina papyracea als auch die vordere Sch delbas s im gesamten Verlauf deut lich erkennbar sind W hrend der gesamten und vor allem bei der initialen Segmentierung miis sen die Grenzen der Segmentierung in der coronalen und in der sagittalen Schicht kontrolliert werden Die st ndige Kontrolle ist wichtig da die Segmentierung sukzessive die angrenzenden Schichten fiir die Erweiterung des Arbeitsraums nutzt Bei der initialen Segmentierung legt der Arzt die Eckpunkte eines Polygons fest das das Ar beitsgebiet komplett umschlieBt Das Polygon wird geschlossen wenn der Arzt auf den An fangspunkt klickt Die Eckpunkte k nnen mit der Maus verschoben werden um das Polygon anzupassen In der koronalen und sagittalen Darstellung wird der jeweilige Schnitt durch den Arbeitsbereich dargestellt Auf der rechten Seite stehen dem Arzt mehrere Werkzeuge fiir die Durchfiihrung der Segmentie rung zur Verf gung siehe Abbildung 56 Das Werkzeug Copy Segment legt fest ob die zuletzt betrachtete Segmentierung in eine andere axiale Schicht kopiert werden soll Das Kopieren erfolgt dann wenn der Arzt in eine axiale Schicht wechselt die noch keine Segmentierung enth lt Mit den Werkzeugen Delete one Segment und Delete all Segment kann die Segmentie rung der aktuellen bzw aller axialen Schichten gel scht werden Das Werkzeug Grow Shrink erm glicht eine einfache Anpassung der Gr e eines Polygons n einer axialen Schicht Grow Shrink w
257. wurden 9 Messwerte verworfen Es wurden Messwerte mit einer verti kalen Entfernung Av gt 4 mm verworfen da diese Messwerte unplausibel sind Dabei hat sich m glicherweise die Bohrerspitze sich so weit von der Implantatachse entfernt hatte dass die f r das Loggen notwendige Mindestentfernung tibertroffen wurde Tabelle 12 In der Tabelle sind die statistischen Kennwerte fiir Ah horizontale Abweichung Av vertikale Abweichung und Aa Winkelabweichung f r die Freihandbohrung f r die navigiert durchgef hrte Bohrung und f r die Bohrung mit Navigated Control aufgef hrt Bei der Bohrung mit Navigated Control wurde die Begrenzung des Bohrervorschubs nicht verwendet um zusammen mit dem nachfolgenden Experiment siehe Kapitel 7 2 ihren Einfluss auszuwerten Die Werte x f r die der t Test f r alle Kombinationen der drei Mittelwerte a b und c einen signifikant kleinsten Mittelwert x ergibt sind mit vertikalen Streifen markiert Bei signifikant gr ten Mittelwerten wurde die entsprechende Zelle mit horizontalen Streifen markiert ed rigen ae Con N Ah aN Ah 0 23 mm ZN Ah 0 04 mm MN Av 0 32 mm SUN Av 0 09 mm MN a 0 83 AN Aa max N Ah 1 05 mm min N Av 2 03 mm max N Av O mm max N Aa i 121 Experimente Die Mittelwerte wurden unter Verwendung des t Tests f r ungepaarte Stichproben verglichen Die Irrtumswahrscheinlichkeit wurde auf 5 festgelegt Die Standardabweichungen wurden unter Verwendung des
258. xel des Arbeitsraums von der obigen Betrachtung betroffen Dieses Problem wird gel st indem die Shaverdrehung quantisiert wird z B in vier Winkelstelllungen a 0 amp 90 a3 180 und a4 270 F r jede Winkelstellung ay wird die jeweilige Menge By der blassen Voxel wie oben beschrieben berechnet Der gesamte Arbeitsraum wird dann gebildet wie in 88 durch die Vereinigung der einzelnen rotationsabh ngigen Untermengen By Es wird eine gemeinsame rotationsunabh ngige Menge B gebildet da der durch den Arzt w hrend des Eingriffs eingestell te Rotationswinkel q nicht von System erfasst wird Die Erfassung des Rotationswinkels w rde zus tzliche Sensoren am Shaver erfordern die die Kosten und den Aufwand erh hen w rden Die Abbildung 69 rechts zeigt den coronalen Schnitt durch den Arbeitsraum f r amp 0 und amp 180 A TUNUBBNT Q amp BNN Q B B UB U UB 88 Abbildung 70 Die maximale Auslenkung des Shavers ist durch die Anatomie begrenzt Bei der Berechnung der Menge B der blassen Voxel muss auch die sich w hrend des Einsatzes wechselnde Abwinklung des Shavers relativ zu dem Arbeitsraum beachtet werden siehe Abbildung 70 und Abbildung 71 Der Gesamtwinkel des Shavers relativ zu dem Arbeitsraum setzt sich aus dem Winkel fin der sagittalen Ebene siehe Abbildung 70 links und dem Winkel a in der axialen Ebene siehe Abbildung 70 rechts zusammen Wie im Kapitel 5 2 1 und im 104 Realisierung der Leistungsste
259. y Excerpta Medica pp 467 471 Marmulla R L th T M hling J Hassfeld S 2004 Automated laser registration in image guided surgery evaluation of the correlation between laser scan resolution and navigation accuracy Int J Oral Maxillofacial Surgery 33 pp 642 648 Matzig M 2004 Ein leistungssteuerndes System f r das navigierte Fr sen an der Wirbels u le In Fortschrittsberichte VDI Reihe 17 Nr 227 VDI Verlag Maurer C R Fitzpatrick J M Wang M Y Galloway R L Maciunas R J Allen G S 1997 Registration of Head Volume Images Using Implantable Fiducial Markers IEEE Transactions on Medical Imaging Vol 16 No 4 McDermott N E Chuang S K Woo V V Dodson T B 2003 Complications of Dental Implants Identification Frequency and Assosiated Risk Factors The International Journal of Oral amp Maxillofacial Implants Vol 18 No 6 pp 848 855 Milne R 1993 Dentistry Implant Paralleling Device and method of Installing Implants US5302122 US Patent Mucha D B Kosmecki T Lueth 2005 Error compensation for electromagnetic navigation in dental implantology CARS Computer Assisted Radiology and Surgery Berlin Germany 22nd 25th June NEMA 1993 Standards Publications PS3 x Digital Imaging in Communications and Medicine Part 1 13 NEMA Washington DC Palacci P 1997 Indicating device and method for making out and forming one or more attachement points for a fixture
260. ystem mit Positionsmesssystem 65 Realisierung der Leistungssteuerung eines Bohrers Auf die Hardwarekomponente Steuerelektronik und chirurgische Einheit und die in der Abbildung 40 schwarz hinterlegten Softwarekomponenten Steuerprogramm und berwachung sowie Sicherheitsassistent wird im Kapitel 6 eingegangen Das Zusammenspiel und der Datenaustausch zwischen den oben genannten Komponenten er folgt mit Hilfe der Schnittstellen die im Kapitel 3 6 erl utert wurden Die Leistungssteuerung eines Bohrers erfordert eine genaue Modellierung des Operationsab laufs Die einzelnen Operationsphasen m ssen auf Zust nde abgebildet sein Au er den im Kapitel 3 5 3 beschriebenen Zust nden Ank rnen Bohren und Herausnehmen des Bohrers sind jedoch weitere Zust nde notwendig Die Erweiterung der Anzahl von Zust nden erm glicht eine genaue Modellierung des Systemverhaltens w hrend der Operation eine benutzerfreundliche Erkennung der Phasenwechsel sowie eine benutzerfreundliche Anleitung des Arztes w hrend des chirurgischen Eingriffs In Abh ngigkeit von dem gerade aktiven Zustand w hlt der Reg ler Planer ein Verhalten bzw einen untergeordneten Regler aus der die operationsphasenspezifi sche Navigation und Navigated Control des Bohrers bernimmt Ein Problem beim Feststellen der Phasenwechsel ist die unbekannte Position der Knochenober flache Die Knochenoberfl che wird fiir die Erkennung vom Ende der Ank rnphase durch das System ben tigt

Leistungssteuerung chirurgischer Instrumente in der

Contents

Download Pdf Manuals

Related Search

Related Contents