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23. Jänner 2006

Robotik, Navigation und Endoprothetik

Der vermehrte Einsatz von Computern soll operative Eingriffe optimieren. Ob sich der notwendige Mehraufwand an Mitteln und Zeit in besseren klinischen Ergebnissen niederschlagen wird, bleibt abzuwarten.

Computer wurden in die Medizintechnik eingeführt (Computer Aided Surgery, CAS), um Bild- und Datenverarbeitung in den operativen Fächern zu nutzen und eine exakte präoperative Planung in der Operation umzusetzen (Image Guided Surgery, IGS). In der Orthopädie stehen Industrieroboter, sogenannte aktive Navigatoren, für die Endoprothetik zur Erhöhung der Präzision standardisierter Abläufe zur Verfügung. Neben Hüftendoprothesen können auch Knieendoprothesen mit Hilfe von Robotern implantiert werden. Die Anwendung beschränkt sich jedoch nicht allein auf die Endoprothetik großer Gelenke, vielmehr werden Roboter auch als semiaktive Navigatoren bei der Wirbelsäulenchirurgie oder als Werkzeugführungen in der Neurochirurgie sowie bei der Applikation von Kathetern genutzt.

Aktive Roboter

Aktive Roboter können am Patienten selbständig Operationsschritte ausführen. Die nötigen Parameter werden üblicherweise präoperativ programmiert. Aktive Roboter eignen sich für häufig wiederkehrende Arbeitsschritte, daher liegt der Hauptanwendungsbereich der Roboter in der orthopädischen Chirurgie in der Hüft- und Knieendoprothetik und dem Kreuzbandersatz. Die Bearbeitungskräfte können als vernachlässigbar angesehen werden. Der zu bearbeitende Knochen muss jedoch fest fixiert werden, was zusätzliche Verletzungen zur Folge haben kann.

Semiaktive Roboter

Semiaktive Roboter führen am Patienten keine selbständigen Arbeitsschritte aus. Die Aufgabe des Roboters dabei ist, definierte Positionen anzufahren und dann Führungshülsen für Katheter oder Biopsienadeln oder Schnittblöcke für Knochenschnitte ruhig zu halten.

Navigationssysteme

Navigationssysteme unterstützen den Chirurgen bei der Orientierung im Körper des Patienten. Sie führen jedoch selbständig keine Operationsschritte durch, alle Arbeitsschritte werden vom Anwender selbst ausgeführt. Es erfolgt keine automatisierte Bewegung. Der Hauptanwendungsbereich der Navigationssysteme liegt in der Wirbelsäulenchirurgie, Knie- und Hüftendoprothetik, der Neurochirurgie, HNO-Anwendungen und Kieferchirurgie.
Durch den Einsatz von aktiven Robotern in der orthopädischen Chirurgie entstehen Anschaffungskosten von etwa 500.000 Euro und Unterhaltskosten von etwa 250 bis 750 Euro pro Operation. Der zusätzliche Zeitbedarf liegt - abhängig von der Learning-Curve - zwischen 100 und 500 Prozent. Der Platzbedarf von Operationsrobotern beträgt ungefähr 0,6 bis 0,9 Quadratmeter. Das Investitionsvolumen für ein Navigationssystem beträgt zwischen zirka 75.000 und 140.000 Euro. Sowohl Roboter als auch Navigationsverfahren per se benötigen die Erfassung der Knochenmorphologie. Dazu bestehen drei unterschiedliche Systemansätze: CT-Navigation, Kinematik/Landmarken Navigation sowie die C-Bogen-Navigation.

CT-Navigation

CT-Datensätze werden rekonstruiert und zu dreidimensionalen Bildern zusammengesetzt. Diese enthalten ausschließlich die operationsrelevanten Strukturen (= ROI, Region Of Interest). Mittels Datensatz wird die Operation geplant und intraoperativ die Position der Instrumente und Implantate relativ zum Knochen dargestellt. Dazu werden der Zielpunkt am Knochen, Instrumentenspitze und -ende als Zielkreuze auf dem Bildschirm dargestellt. Sie müssen zur Deckung gebracht werden, um die korrekte Position und Ausrichtung des Instruments zu erreichen.

Kinematik- und Landmarkennavigation

Alternativ zur präoperativen Bildgebung verzichten einige Navigationssysteme in der Hüft- und Knie-Endoprothetik wegen der Strahlenbelastung und der Betriebskosten auf eine CT-gestützte präoperative Planung. Diese nicht bildgeführten Navigationssysteme erfassen die Skelettmorphologie mittels Kinematik und das Antasten von definierten Landmarken. Dazu werden Drehpunkte und Gelenksachsen ermittelt und definierte Landmarken sowie Gelenkflächen mit einem Pointer digitalisiert. Anhand dieses Datenmaterials können die Größe und Lage des Implantats bestimmt und die Schnittblöcke positioniert werden. Bei der Arbeit mit Navigationssystemen werden die navigierten Instrumente vom Chirurgen geführt. Die Position des Instrumentariums muss vom Operateur gehalten werden. Haltungsabhängige Abweichungen müssen nachgeregelt werden. Der ständige Wechsel der Blickrichtung von Situs zum Monitor kann zu ungewollten Bewegungen des Instrumentariums führen und das Operationsergebnis verschlechtern.

C-Bogen-Navigation

Dazu werden mit einem kalibrierten und optisch markierten C-Bogen intraoperativ ein oder mehrere Bilder erstellt und das Instrumentarium vom Rechner dargestellt. Für den Operateur ergibt sich die gleiche Arbeitsweise wie unter herkömmlicher Durchleuchtung.

Registrierung

Die Registrierung der knöchernen Strukturen bildet das schwächste Glied in der Prozesskette der computerunterstützten Chirurgie. Sowohl CT-basierende als auch die nicht bildgeführten Navigationssysteme sind systembedingt auf eine Bestimmung der Patientenkoordinaten angewiesen. Die exakte Auswahl der anzutastenden Landmarken und die Digitalisierung (=Antastung) erfordert vom Operateur höchste Präzision. Eine ungenaue Registrierung der Knochenmorphologie führt zur falschen Anleitung durch das Navigationssystem und gefährdet das Ziel und die Möglichkeit der Optimierung des Operationsergebnisses. Die Erfassung und Registrierung der Knochenmorphologie zeigt ein großes Gebiet für weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeit und bedarf noch größerer Sicherheit. Die derzeit zur Verfügung gestellten neuen Techniken sind noch nicht vollständig ausgereift. Aufgrund des rasanten Fortschrittes im Bereich der Computerwissenschaften sind jedoch stetige Verbesserungen zu erwarten.

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