DE10065165A1 - System zur Erfassung von Rohdaten der Knochengeometrie zur Steuerung von Operationsrobotern - Google Patents

Abstract

Es wird ein System zur Erfassung von Rohdaten der Knochengeometrie bei der bildgebenden Untersuchung zur Steuerung von Operationsrobotern vorgestellt, bei dem die Sicherheit der Erfassung von Patientenbewegungen während der bildgebenden Untersuchung wie CT oder MRT deutlich verbessert werden kann. Dazu wird während der bildgebenden Untersuchung eine dreidimensionale nicht rotationssymmetrische röntgendichte Referenzstruktur verwendet, deren Translation und Rotation während der bildgebenden Untersuchung erfaßt werden kann. Die Daten der Bewegungen der Referenzstruktur können sowohl zur Fehleranalyse als auch zur Korrektur der Patientenbewegungen verwendet werden. Ein gravierender Sicherheitsnachteil bei der Erfassung von Rohdaten kann so ausgeschaltet und damit die Gesamtgenauigkeit des Systems erheblich verbessert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Verbesserung der Erfassung von Rohdaten bei der bildgebenden Untersuchung der Knochengeometrie zur Steuerung von Operationsrobotern.

Bei operativen Eingriffen werden auch in der Knochen- und Gelenkchirurgie zunehmend Roboter eingesetzt. Insbesondere in der Endoprothetik verspricht man sich von dem Einsatz dieser Maschinen einen besseren Paßsitz der Implantate im Knochen.

Dazu wird mit einem dreidimensionalen bildgebenden Verfahren (z. B. Computertomographie: CT, Kernspin: MRT) die Knochenkontur sowie die Knochendichte vermessen, im Rahmen der praeoperativen Planung das passende Implantat vor der Operation bestimmt und der Operationsvorgang virtuell simuliert. Aus dieser Simulation werden dann die sogenannten "Fräsdaten" errechnet, anhand derer der Roboter die - in den meisten Fällen spanende - Bearbeitung des Knochens vornimmt. Häufig handelt es sich hier um einen Fräsvorgang, aber natürlich sind grundsätzlich auch alle anderen spanenden Bearbeitungsverfahren - so z. B. Bohrvorgänge - möglich.

Die Basis zur Planung der Operation und zur Berechnung der Fräsdaten ist die oben erwähnte dreidimensionale Erfassung der Knochenkontur und Knochendichte mittels eines geeigneten bildgebenden Verfahrens. Während dieses Vorganges, der z. B. beim CT mehrere Minuten (da sehr viele Schichten gefahren werden müssen) in Anspruch nimmt, darf sich der auf dem Untersuchungstisch liegende Patient keinesfalls bewegen, da derartige Bewegungen sofort zu einer Verfälschung der ermittelten Knochengeometrie führen würden. Fehlfräsungen mit fatalem Ausgang wären die Folge.

Jedoch sind kleine Bewegungen des Patienten während der bildgebenden Untersuchung nicht zu vermeiden. Aber trotz vielfältiger Bemühungen, derartige Bewegungen zu erfassen und bei Überschreiten eines bestimmten Wertes die Rohdaten der bildgebenden Untersuchung nicht zur Berechnung der Fräsdaten zu verwenden und zu verwerfen, weisen die bislang verwendeten Verfahren zur Ermittlung und Bewertung von ungewollten Bewegungen während der bildgebenden Untersuchung eine Reihe von Nachteilen auf.

So wird z. B. Beispiel bei der CT-/MRT-Erfassung eines Oberschenkelknochens ein röntgendichter Referenzstab in Längsrichtung an den Oberschenkel mit Klettverschlußstreifen, Pflasterstreifen o. ä. angebracht. Bewegt sich der Patient, so ändert sich auch die Lage des Referenzstabes, so daß ein derartiger Fehler bei der Auswertung der CT-/MRT-Daten erkennbar wird. Weist der Stab eine gewisse Bewegung während der CT-/MRT-Untersuchung auf, werden die Daten nicht akzeptiert und eine neue CT-/MRT-Untersuchung ist erforderlich. Dieses bedeutet für den Patienten eine erhebliche erneute Strahlenbelastung, die - im Falle eines CTs des Oberschenkels - aufgrund der vielen aufgenommen Schichten in der Größenordnung von ca. 150 konventionellen Röntgenbildern der Lunge liegen! Dabei muß die bildgebende Untersuchung auch noch ohne Gonadenschutz durchgeführt werden, da das Hüftgelenk ja dargestellt werden soll und dieses mit Gonadenschutz nicht möglich ist!

Von besonderem Nachteil ist es jedoch, wenn der Patient während der bildgebenden Untersuchung Bewegungen ausführt, die nicht von dem Referenzstab erfaßt werden. Da derartige Bewegungen nicht zum Verwerfen der Rohdaten und zum Abruch des Verfahrens führen, werden die Fräsdaten berechnet, eine Fehlfräsung durchgeführt und letztendlich eine Endoprothese fehl implantiert! Wie der Artikel in der Zeitschrift für Orthopädie (Computer Assisted Orthopaedic Surgery (CAOS) in der Hüftendoprothetik, Z Orthop 137 (1999) Georg Thieme Verlag, Stuttgart - New York) zeigt, sind derartige Fehlfräsungen inzwischen aufgetreten. Der Grund, warum bestimmte Bewegungen des Patienten bzw. des Referenzstabes nicht erfaßt werden, liegt an der rotationssymmetrischen Gestaltung des Referenzstabes (dabei bedeutet Rotationssymmetrie: symmetrisch bezüglich der Rotation um eine Achse im dreidimensionalen Raum), wie in eigenen Untersuchungen gezeigt werden konnte: Kommt es nämlich während der bildgebenden Untersuchung zu Rotationsbewegungen der zu untersuchenden Gliedmaße (z. B. des Oberschenkels) um die Längsachse des Referenzstabes (das ist die Achse, um die der Referenzstab rotationssymmetrisch ist), so wird diese Rotation nicht bemerkt! Eine reine Rotationsbewegung um die Längsachse des Referenzstabes kann überhaupt nicht, bei Kombinationsbewegungen von Translation und Rotation kann nur der translatorische Anteil gemessen werden! Bleibt dieser translatorische Anteil unterhalb der festgesetzten Toleranzgrenze, werden die Rohdaten zur Berechnung der Fräsdaten vom System akzeptiert! Da der Referenzstab jedoch aufgrund des Muskel- und Gewebemantels in einem gewissen Abstand von dem zu vermessenden Knochen liegt, führt sogar selbst eine reine Rotationsbewegung um die Längsachse der Referenzstabes zu einer - vom System nicht bemerkten - Translationsbewegung des Knochens! Die zur Zeit durchgeführte Erfassung der Patientenbewegungen während der bildgebenden Untersuchung weist daher gravierende Sicherheitsmängel auf.

Es stellt sich daher erfindungsmäßig die Aufgabe, die Bewegung des Patienten während der bildgebenden Untersuchung (CT-MRT) in allen wesentlichen Freiheitsgraden des Raumes so zu erfassen, daß die relevanten Bewegungen des zu untersuchenden Knochens sicher erkannt und berücksichtigt werden können, um so die Sicherheit des Gesamtsystems zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig durch den Anspruch 1 gelöst.

Dazu wird während der bildgebenden Untersuchung anstelle eines rotationssymmetrischen Referenzstabes eine dreidimensionale nicht rotationssymmetrische röntgendichte Referenzstruktur verwendet. Wird eine solche nicht rotationssymmetrische Struktur bei einem bildgebenden Schichtbildverfahren wie CT oder MRT geschnitten, so läßt sich - bei bekannter Geometrie der Referenzstruktur - die Translation in der Ebene der dargestellten Schicht sowie die Rotation zur senkrechten Achse der dargestellten Schicht einer derartigen Referenzstruktur im Vergleich der einzelnen Schichten zueinander ermitteln. Die Translation in Richtung der axialen Achse (das ist die senkrecht zur dargestellten Schicht verlaufende Achse) kann wie bisher auch über die Registrierung der Anfangs- und Endpunkte der Referenzstruktur bzw. durch eine Segmentierung der Referenzstruktur erfaßt werden. Damit sind sämtliche ungewollte Bewegungsmöglicheiten des Patienten bzw. einer Extremität während der bildgebenden Untersuchung erfaßbar.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden dazu mindestens zwei Referenzstäbe verwendet. Besonders günstig ist es, wenn diese Referenzstäbe mit Querverbindern bekannter Geometrie miteinander verbunden sind, da dieses eine Vereinfachung des Rechenalgorithmus bedeutet. Damit kann die Translation und die Rotation dieser Referenzstruktur bestimmt werden. Da der Abstand von Referenzstruktur und Knochen in den CT-/MRT-Schichten sichtbar und meßbar ist, kann so auch die Translation und die Rotation des Knochens in der Ebene der CT- /MRT-Schichten errechnet werden, so daß ein Überschreiten der Toleranz in Bezug auf zulässige Knochenbewegungen erkannt werden kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die nun erkennbaren Translation- und Rotationsbewegungen des zu untersuchenden Knochens nicht nur zur Fehleranalyse verwendet: Da die Bewegung des zu untersuchenden Knochens in der Ebene der CT-/MRT-Schichten erkannt werden können, werden diese nicht nur zur reinen Fehleranalyse, sondern in einem weiteren Rechenschritt auch zur Korrektur dieser Bewegungen verwendet. Durch eine derartige Korrektur der Daten lassen sich dann auch die bildgebenden Untersuchungen verwenden, die ansonsten bei Überschreiten der zulässigen Toleranz der Knochenbewegungen nicht hätten ausgewertet werden können. Auf diese Weise kann dem Patienten eine Wiederholung der äußerst strahlenintensiven Untersuchung erspart werden.

Claims (4)

1. System zur Erfassung von Rohdaten bei der bildgebenden Untersuchung der Knochengeometrie zur Steuerung von Operationsrobotern, bei dem anhand von präoperativ gewonnenen Daten in Bezug auf Knochenkontur und Knochendichte der Weg des Knochenbearbeitungswerkzeuges berechnet wird ("Fräsdaten"), anhand derer ein Operationsroboter bei der Operation den Knochen zur Aufnahme eines Implantates zubereitet, wobei der zu untersuchende Knochen bei der bildgebenden Untersuchung mit einer röntgendichten Referenzstruktur verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die röntgendichte Referenzstruktur einen - zumindest um die senkrecht zur Achse der dargestellten Schichten des bildgebenden Untersuchungsverfahrens - nicht rotationssymmetrischen dreidimensionalen Aufbau aufweist.

2. System zur Erfassung von Rohdaten bei der bildgebenden Untersuchung der Knochengeometrie zur Steuerung von Operationsrobotern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzstruktur aus zwei Stäben besteht.

3. System zur Erfassung von Rohdaten bei der bildgebenden Untersuchung der Knochengeometrie zur Steuerung von Operationsrobotern nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzstruktur aus zwei miteinander in bekanntem Abstand verbundenen Stäben besteht.

4. System zur Erfassung von Rohdaten bei der bildgebenden Untersuchung der Knochengeometrie zur Steuerung von Operationsrobotern nach einem der oben genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Bewegung der Referenzstruktur bei Bewegungen des Patienten während der bildgebenden Untersuchung die Bewegung des mit der Referenzstruktur verbundenen Knochens berechnet und die tatsächliche Geometrie des Knochens unter Berücksichtigung dieses Bewegungsmusters rekonstruiert wird.