DE102011003033A1

DE102011003033A1 - Verfahren und Einrichtung zur Herstellung eines Operationsmodells eines Felsenbeins mit Hörschnecke und Labyrinth

Info

Publication number: DE102011003033A1
Application number: DE102011003033A
Authority: DE
Inventors: Dr. Vorwerk Ulrich
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2012-07-26
Also published as: DE202011110484U1

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zur Herstellung eines Operationsmodells eines Felsenbeins mit Hörschnecke und Labyrinth insbesondere zum Platzieren mindestens einer Elektrode einer Hörprothese. Diese zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass weitestgehend exakte Modelle von Felsenbeinen als Operationsmodelle realisierbar sind. Dazu werden medizinische Schnittaufnahmen aufgenommen. Daraus werden Objekte der Schnittaufnahmen als Strukturen des Felsenbeins segmentiert. Hohlräumen wird ein Medium zugeordnet. Zur Vervollständigung wird vorgegebenes Gewebe in oder an Hohlräume ein- oder angefügt. Großen Hohlräumen werden vorgegebene Stützelemente zugeordnet. Das sind insbesondere Säulen, die zwischen Boden und Decke der Hohlräume angeordnet werden. Weitere Stützelemente werden dem Operationsmodell zugeordnet, so dass eine sichere Platzierung und Fixierung des Operationsmodells im Bauraum gewährleistet wird. Das Operationsmodell wird mittels eines Verfahrens zum Rapid Prototyping mit einer Einrichtung zum Rapid Prototyping erstellt, wobei das Operationsmodell entsprechend der Harten der Objekte in Form der Knochen, der Medien und der Gewebe aufgebaut wird.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren und Einrichtungen zur Herstellung eines Operationsmodells eines Felsenbeins mit Hörschnecke und Labyrinth insbesondere zum Platzieren mindestens einer Elektrode einer Hörprothese.
Durch die Druckschrift DE 10 2004 014 240 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines künstlichen Knochenmodells bekannt. Das Verfahren kann räumliche Formen eines natürlichen Knochens, wie Knochen im menschlichen Körper, dreidimensional präzise und genau reproduzieren. Das künstliche Knochenmodell weist eine sehr ähnliche Eigenschaft zu derjenigen natürlicher Knochen auf. Das künstliche Knochenmodell ist zum Ausbildungstraining oder Studieren eines Heilplans vor einer chirurgischen Operation verwendbar. Das künstliche Knochenmodell wird dabei mittels eines Laser-Sinterverfahren aus einem Pulvermaterial hergestellt. Dabei sind nur feste Bestandteile in Form des Knochens realisierbar.
Die Druckschriften DE 10 2007 042 922 A1 und US 6,464,639 B1 beinhalten Verfahren zum Herstellen anatomischer Modelle. Basis sind dabei Patientendaten die mittels 2-D- oder 3-D-Ultraschall mit einem Ultraschallgerät gewonnen werden. Die Erkennung und Aufnahme von von Knochen bedeckten Strukturen und gasgefüllten Hohlräumen ist schlecht oder nur bedingt möglich.
Der in den Patentansprüchen 1 und 8 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein weitestgehend exaktes Modell eines Felsenbeins mit insbesondere der Hörschnecke als Operationsmodell zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1 und 8 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Cochlear-Implant-Operationen haben sich zur Behandlung der cochleären Taubheit durchgesetzt. Das Cochlearimplantat (cochlear implant, CI) ist eine Hörprothese für Gehörlose, deren Hörnerv noch funktioniert. Zu dem eigentlichen Implantat des CI-Systems gehört ein Elektrodenträger mit den Stimulationselektroden. Diese Elektroden werden in die Cochlea (Hörschnecke) eingeführt. Der für die Implantation notwendige operative Vorgang setzt fortgeschrittene Operationskenntnisse im Bereich des Felsenbeins (Warzenfortsatz und Mittelohr) voraus. Das Verfahren und die Einrichtung führen vorteilhafterweise dazu, dass den Medizinern und Operateuren ein Operationsmodell bereitstellbar ist, dass dem natürlichen Felsenbein weitestgehend entspricht. Damit wird das Trainieren der kompletten Cochlear-Implant-Operation mit Einführung des Implantates ermöglicht, so dass Risiken dieser Operationen deutlich gesenkt werden können.
Insbesondere können einzelne Operationsschritte, zum Beispiel die Tympanotomie oder auch das Einführen der Elektrode, an mehreren anatomisch identischen und damit baugleichen Operationsmodellen geübt und bewertet werden. Bisher zeigt ein originäres humanes Felsenbeinpräparat nach Bearbeitung keine Möglichkeit der Wiederholung von Präparationsschritten am gleichen Objekt.
Ebenso könnte diese Modellentwicklung für fortgeschrittene Operateure an Bedeutung gewinnen. Insbesondere in der Fehlbildungschirurgie ist hier ein hilfreiches, patientenidentisches Vorbereiten auf die endgültige Operation möglich, und das an beliebigen identischen „Patientenmodellen”.
Das Operationsmodell kann damit in didaktische Konzepte der Aus- und Weiterbildung oder der Vorbereitung auf hochspezielle Operationen an Mittel- und Innenohrstrukturen wie bei der Fehlbildungschirurgie eingebunden werden. Das Operationsmodell des Felsenbeins eignet sich, bei sorgfältiger Erhebung des Ausgangsdatensatzes und der Anwendung hochspezialisierter Verfahren zum Rapid Prototyping, als Modell für Präparierübungen.
Die Verfahren und Einrichtungen zur Herstellung eines Operationsmodells eines Felsenbeins mit Hörschnecke und Labyrinth insbesondere zum Platzieren mindestens einer Elektrode einer Hörprothese zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass weitestgehend exakte Modelle von Felsenbeinen als Operationsmodelle realisierbar sind.
Dazu werden medizinische Schnittaufnahmen mit gleichzeitiger Digitalisierung der Schnittbilder aufgenommen. Aus den Schnittbildern werden Objekte der Schnittaufnahmen als Strukturen des Felsenbeins segmentiert. Hohlräumen wird ein Medium zugeordnet. Zur Vervollständigung wird vorgegebenes Gewebe in oder an Hohlräume ein- oder angefügt. Das ist insbesondere Gewebe, welches aus der Schnittaufnahme nicht segmentierbar ist. Großen Hohlräumen werden vorgegebene Stützelemente zugeordnet. Das sind insbesondere Säulen, die zwischen Boden und Decke der Hohlräume angeordnet werden. Weitere Stützelemente werden dem Operationsmodell zugeordnet, so dass eine sichere Platzierung und Fixierung des Operationsmodells im Bauraum gewährleistet wird. Insbesondere wird damit ein Kippen des Operationsmodells verhindert. Das Operationsmodell wird mittels eines Verfahrens zum Rapid Prototyping mit einer Einrichtung zum Rapid Prototyping erstellt, wobei das Operationsmodell entsprechend der Härten der Objekte in Form der Knochen, der Medien und der Gewebe aufgebaut wird.
Dazu besteht die Einrichtung zur Herstellung eines Operationsmodells eines Felsenbeins aus einem Tomograph zur medizinischen Schnittaufnahme mit gleichzeitiger Digitalisierung der gewonnenen Schnittbilder, einem Datenverarbeitungssystem und einer Einrichtung zum Rapid Prototyping zum Erstellen des Operationsmodells. Das Datenverarbeitungssystem ist ein Datenverarbeitungssystem

– zur Segmentierung von Objekten der Schnittbilder als Strukturen des Felsenbeins aus den Schnittaufnahmen,
– zur Zuordnung eines Mediums zu jeweils einem Hohlraum,
– zum Einfügen von vorgegebenen Gewebe in oder an Hohlräume und
– zum Einfügen von vorgegebenen Stützelementen in große Hohlräume und an das Operationsmodell. Das Operationsmodell wird dabei in der Einrichtung zum Rapid Prototyping so aufgebaut, dass das Operationsmodell den Härten der Knochen, der Medien und des Gewebes angepasst ist.

Rapid-Prototyping-Verfahren werden hierbei als Fertigungsverfahren für die schnelle und direkte Herstellung des Operationsmodells aus Tomografiedaten angewandt. Zur Tomografie werden beispielsweise die Computertomografie (CT) oder die Magnetresonanztomografie (MRT) verwendet. Aus den Tomografiedaten wird das Operationsmodell schichtweise realisiert. Das dazu verwendete Material wird schichtweise so bearbeitet, dass die Knochen, die Medien und das Gewebe im Wesentlichen die Härten und/oder die Härteverhältnisse zueinander des originalen Felsenbeins aufweisen.
Die Materialien zur Realisierung des Operationsmodells können dabei sowohl flüssig und/oder pulverförmig sein. Im ersteren Fall erfolgt eine Verfestigung durch Härten. Im zweiteren Fall wird das Pulver mittels Sintern/Schmelzen verfestigt. Dabei können auch kombinierte Verfahren angewandt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 7, 9 und 10 angegeben.
In einem Datenverarbeitungssystem werden nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 aus den Schnittbildern die Objekte dieser als Strukturen des Felsenbeins vorteilhafterweise durch Kantendetektion oder Schwellwertsegmentierung ermittelt. Das sind bekannte Verfahren der Bildverarbeitung. Dazu wird beispielsweise auch das sogenannte Wasserscheidenverfahren angewandt.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 wird mittels Stereolithografie als ein Verfahren zum Rapid Prototyping das Operationsmodell aufgebaut. Die Stereolithografie ist ein bekanntes Verfahren, wobei aus Daten des Datenverarbeitungssystems das Operationsmodell automatisch gefertigt wird. Dazu wird ein lichtaushärtender Kunststoff mit einer Quelle für elektromagnetische Strahlung schichtweise entsprechend der Kontur des zu bauenden Operationsmodells ausgehärtet. Das erfolgt in einem Bad mit dem Kunststoff. Nach dem Aushärten der jeweiligen Struktur der Schicht wird das Operationsmodell abgesenkt, so dass eine neue Schicht entsprechend der Struktur des Operationsmodells ausgehärtet wird. Damit wird schichtweise das gesamte Operationsmodell erstellt.
Dabei können auch kleinste Hohlräume realisiert werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auch stereolithografisch erzeugte kleinste Hohlraumstrukturen im Operationsmodell ähnlich der realen Operation Flüssigkeit enthalten. Diese kommen den realen Flüssigkeiten des Innenohres bezüglich der Viskosität sehr nahe. Damit wird ein naturnahes Modell geschaffen. Durch die nicht mit festen Material ausgefüllten Hohlräume ist die Einführung von Elektrodenträgern unter 1 mm möglich.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch Variationen des Kunststoffes die Knochenstruktur so nachbildbar ist, dass auch die Operationen von Patienten mit unterschiedlicher Knochenstruktur simulierbar sind.
Die Einführung des Cochlear-Implant-Elektrodenträgers ist in unmittelbarer Folge der vorher notwendigen Fräs- und Bohrarbeiten gegeben. Auf Grund der Materialzusammensetzung ist eine der Realität nahe kommende Haptik möglich. Das Operationsmodell bietet damit ein realitätsnahes Arbeiten mit allen erforderlichen haptischen Rückwirkungen.
In Fortführung ist die Quelle elektromagnetischer Strahlung zum Härten nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 ein Laser. Weiterhin ist dieser mit einer Steuereinrichtung verbunden, so dass die Strahlung des Lasers entsprechend der Objekte Knochen, Medien und Gewebe gesteuert wird. Das kann über die Intensität der Laserstrahlung und/oder über die Zeit des Einwirkens der Laserstrahlung erfolgen. Bei Einsatz eines gepulsten Lasers ist das über die Anzahl der Pulse je Stelle der Beaufschlagung möglich.
Der lichtaushärtende Kunststoff bei der Stereolithografie wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 mittels der Quelle für elektromagnetische Strahlen entsprechend der Objekte und damit der Strukturen in Form der Knochen, des Mediums als Flüssigkeit und des Gewebes mittels der Einrichtung zum Rapid Prototyping ausgehärtet.
Medien sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 Luft und Perilymphe als eine Flüssigkeit, so dass sich entsprechend Luft oder nicht/wenig ausgehärteter Kunststoff bei der Stereolithografie in Hohlräumen befindet.
Gewebe sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 Modelle der Fußplatte des Steigbügels, des Trommelfells und des häutigen Labyrinthes.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 wird in Schnittbildern die Fläche eines Hohlraumes als Objekt ermittelt. Weiterhin wird ab einer bestimmten Größe ein Objekt als Stützelement in dieser Fläche automatisch im Datenverarbeitungssystem eingefügt. Damit können auch relativ große Hohlräume im Operationsmodell ausgebildet werden, ohne die Stabilität zu beeinträchtigen.
Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 ist eine Längenmesseinrichtung angeordnet und mit der Steuereinrichtung verbunden, so dass nach schichtweiser Härtung die Höhe des Operationsmodells wenigstens in einem Bearbeitungszustand gemessen, mit dem realen Felsenbein aus den Schnittaufnahmen verglichen und eventuell auftretende Differenzen durch zusätzlich gehärtete Schichten von Kunststoff ausgeglichen werden. Damit ist leicht ein dem Patienten getreues Felsenbein realisierbar.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden näher beschrieben.
Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel werden ein Verfahren und eine Einrichtung zur Herstellung eines Operationsmodells eines Felsenbeins mit Hörschnecke und Labyrinth insbesondere zum Platzieren mindestens einer Elektrode einer Hörprothese zusammen näher erläutert.
Eine Einrichtung besteht dazu im Wesentlichen aus einem Computertomograph zur medizinischen Schnittaufnahme mit gleichzeitiger Digitalisierung der Schnittbilder, einem Datenverarbeitungssystem und einer Einrichtung zum Rapid Prototyping zur Realisierung des Operationsmodells.
Die medizinischen Schnittaufnahmen mit gleichzeitiger Digitalisierung der Schnittbilder werden mittels der Tomografie beispielsweise der Computertomografie oder der Magnetresonanztomografie gewonnen. Die Abtastung erfolgt kreisförmig mit einer Schichtdicke kleiner 1 mm. Das Operationsmodell ist dabei sowohl von der betreffenden Person selbst oder von Präparaten realisierbar.
Die Daten der medizinischen Schnittbilder werden im Datenverarbeitungssystem für eine Übertragung an die Einrichtung zum Rapid Prototyping bearbeitet. Dazu wird das bekannte STL-Format als Datenschnittstelle verwendet.
Die Objekte der aus den Schnittaufnahmen gewonnenen Schnittbilder werden als Strukturen des Felsenbeins segmentiert. Das erfolgt durch Kantendetektion oder Schwellwertsegmentierung, so dass die Strukturen der Objekte als digitale Daten vorhanden sind. Objekte sind dabei insbesondere die Knochen und die Hohlräume. Den Hohlräumen wird ein Medium in Form von Luft oder Perilymphe zugeordnet. Bestimmten Hohlräumen wird weiterhin Gewebe ein- oder angefügt, welches durch die Schnittaufnahmen nicht darstellbar ist. Das erfolgt automatisch modellhaft aus bestimmten Strukturen. Gewebe sind dazu Modelle der Gehörknöchelchen einschließlich der Fußplatte des Steigbügels, des Trommelfells, der Hörschnecke und des häutigen Labyrinthes. Relativ großen Hohlräumen werden weiterhin automatisch vorgegebene Stützelemente zugeordnet. Das sind insbesondere Kreise oder Mehrecke, die im Operationsmodell insgesamt Säulen zwischen Grund- und Deckfläche des jeweiligen Hohlraumes sind. Weitere Stützelemente werden dem Operationsmodell so zugeordnet, dass eine sichere Platzierung in der Einrichtung zum Rapid Prototyping gegeben ist.
Die Daten der Objekte und damit die Objekte in Form von Knochen, Gewebe, Medium und Stützelement bilden die Basis zur Realisierung des Operationsmodells in der Einrichtung zum Rapid Prototyping in Form der Stereolithografie. Der lichtaushärtende Kunststoff wird mittels eines Lasers als Quelle für elektromagnetische Strahlen entsprechend der Objekte und damit der Strukturen in Form der Knochen, des Mediums als Flüssigkeit und des Gewebes ausgehärtet, so dass das Operationsmodell entsprechend der Harten der Objekte in Form der Knochen, der Medien und der Gewebe in der Einrichtung aufgebaut wird und damit als Ergebnis als solches vorhanden ist. Dazu ist der Laser mit einer Steuereinrichtung in Form eines Datenverarbeitungssystems zusammengeschaltet.
In einer Ausführungsform ist eine Längenmesseinrichtung angeordnet und mit der Steuereinrichtung als Datenverarbeitungssystem verbunden, so dass

– nach schichtweiser Härtung die Höhe des Operationsmodells wenigstens in einem Bearbeitungszustand gemessen,
– mit dem realen Felsenbein aus den Schnittaufnahmen verglichen und
– eventuell auftretende Differenzen durch zusätzlich gehärtete Schichten von Kunststoff ausgeglichen werden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004014240 A1 [0002]
DE 102007042922 A1 [0003]
US 6464639 B1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Operationsmodells eines Felsenbeins mit Hörschnecke und Labyrinth insbesondere zum Platzieren mindestens einer Elektrode einer Hörprothese mit den folgenden Schritten a) medizinische Schnittaufnahmen mit gleichzeitiger Digitalisierung der Schnittbilder, b) Segmentierung von Objekten der Schnittbilder als Strukturen des Felsenbeins aus den Schnittaufnahmen, c) Zuordnung eines Mediums zu jeweils einem Hohlraum als ein Objekt, d) Ein- oder Anfügen von vorgegebenen Gewebe in oder an Hohlräume, e) Einfügen von vorgegebenen Stützelementen in große Hohlräume und an das Operationsmodell und f) Erstellen des Operationsmodells mittels eines Verfahrens zum Rapid Prototyping mit einer Einrichtung zum Rapid Prototying, wobei das Operationsmodell entsprechend der Härten der Objekte in Form der Knochen, der Medien und der Gewebe aufgebaut wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Datenverarbeitungssystem aus den Schnittbildern die Objekte der Schnittbilder als Strukturen des Felsenbeins durch Kantendetektion oder Schwellwertsegmentierung ermittelt werden.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Stereolithografie als ein Verfahren zum Rapid Prototyping das Operationsmodell aufgebaut wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der lichtaushärtende Kunststoff mittels der Quelle für elektromagnetische Strahlen bei der Stereolithografie entsprechend der Objekte und damit der Strukturen in Form der Knochen, des Mediums als Flüssigkeit und des Gewebes ausgehärtet wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass Luft und Perilymphe Medien sind, so dass sich entsprechend Luft oder nicht ausgehärteter Kunststoff bei der Stereolithografie in Hohlräumen befindet.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Gewebe Modelle der Gehörknöchelchen einschließlich der Fußplatte des Steigbügels, des Trommelfells, der Hörschnecke und des häutigen Labyrinthes sind.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schnittbildern die Fläche eines Hohlraumes als Objekt ermittelt wird und dass ab einer bestimmten Größe ein Objekt als Stützelement in dieser Fläche automatisch eingefügt wird.
Einrichtung zur Herstellung eines Operationsmodells eines Felsenbeins insbesondere zum Platzieren mindestens einer Elektrode einer Hörprothese nach dem Verfahren nach Patentanspruch 1 mit a) einem Tomograph zur medizinischen Schnittaufnahme mit gleichzeitiger Digitalisierung der Schnittbilder, b) einem Datenverarbeitungssystem – zur Segmentierung von Objekten der Schnittbilder als Strukturen des Felsenbeins aus den Schnittaufnahmen, – zur Zuordnung eines Mediums zu jeweils einem Hohlraum, – zum Einfügen von vorgegebenen Gewebe in oder an Hohlräume und – zum Einfügen von vorgegebenen Stützelementen in große Hohlräume und an das Operationsmodell und c) einer Einrichtung zum Rapid Prototyping zum Erstellen des Operationsmodells, wobei das Operationsmodell den Härten der Knochen, der Medien und des Gewebes angepasst ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zum Rapid Prototyping eine Einrichtung zur Stereolithografie ist, dass die Quelle elektromagnetischer Strahlung zum Härten ein Laser ist und dass der Laser mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, so dass die Strahlung des Lasers entsprechend der Objekte Knochen, Medien und Gewebe gesteuert wird.
Einrichtung nach Patentanspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längenmesseinrichtung angeordnet und mit der Steuereinrichtung verbunden ist, so dass nach schichtweiser Härtung die Höhe des Operationsmodells wenigstens in einem Bearbeitungszustand gemessen, mit dem realen Felsenbein aus den Schnittaufnahmen verglichen und eventuell auftretende Differenzen durch zusätzlich gehärtete Schichten von Kunststoff ausgeglichen werden.