Ein Durchgängiges System Zur Computer- Und Roboterunterstützten Chirurgie

ISBN-13: 9783540611455 / Niemiecki / Miękka / 1996 / 160 str.

Jose Luis Moctezuma De La Barrera

Opis

Die vorliegende Dissertation entstand wahrend meiner Tatigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut fur Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der Technischen Universitat Munchen. Den Herrn Prof. Dr. -Ing. J. Milberg und Prof. Dr. -Ing. G. Reinhart, den Leitern dieses Instituts, gilt mein besonderer Dank fur die wohlwollende Forderung und grosszugige Unterstutzung meiner Arbeit. Herrn Prof. Dr. B. Radig, dem Leiter des Lehrstuhls fur Informatik der Technischen Universitat Munchen, danke ich fur die Ubernahme des Korreferates und die aufmerksame Durchsicht der Arbeit. Daruberhinaus mochte ich allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts und allen Studenten, die mich bei der Erstellung meiner Arbeit unterstutzt haben, recht herzlich danken. Munchen, im Oktober 1995 Jose Luis Moctezuma de la Barrera Inhaltverzeichnis 0 Begriffserklarung und Formelverzeichnis vi 0. 1 Hauptachsen vi 0. 2 Hauptebenen vii Richtungen im Raum viii 0. 3 viii 0. 4 Bewegungsrichtungen ix 0. 5 Allgemeine Bezeichnungen Wichtige Knochen der Extremitaten xi 0. 6 xii 0. 7 Mathematische Definitionen 1 Einleitung 1 Einfuhrung 1. 1 1. 2 Problemstellung 2 Stand der Technik 4 2 Computerunterstutzte Planung chirurgischer Eingriffe 4 2. 1 2. 2 Therapiedurchfuhrung unter Zuhilfenahme von passiven und aktiven Einrichtungen 5 2. 2. 1 Passive Einrichtungen (Navigations-und Positioniersysteme) 5 Aktive Einrichtungen (Handhabungsgerate) 6 2. 2. 2 2. 3 Korrelation und Lagebestimmung mit 7 Bildverarbeitungsverfahren 2. 4 Zusammenfassung Stand der Technik 7 3 Zielsetzung und Vorgehen 10 4 Analyse der Einsatzmoglichkeiten und Anforderungen an das System 12 4. 1 Einsatzmoglichkeiten in der Orthopadie 13 4

Spis treści

Inhaltverzeichnis.- 1 Einleitung.- 1.1 Einführung.- 1.2 Problemstellung.- 2 Stand der Technik.- 2.1 Computerunterstützte Planung chirurgischer Eingriffe.- 2.2 Therapiedurchführung unter Zuhilfenahme von passiven und aktiven Einrichtungen.- 2.2.1 Passive Einrichtungen (Navigations- und Positioniersysteme).- 2.2.2 Aktive Einrichtungen (Handhabungsgeräte).- 2.3 Korrelation und Lagebestimmung mit Bildverarbeitungsverfahren.- 2.4 Zusammenfassung Stand der Technik.- 3 Zielsetzung und Vorgehen.- 4 Analyse der Einsatzmöglichkeiten und Anforderungen an das System.- 4.1 Einsatzmöglichkeiten in der Orthopädie.- 4.2 Korrekturen am Hüftgelenk.- 4.2.1 Anatomische Achsen und Winkelgrößen der unteren Extremität.- 4.2.2 Korrekturmöglichkeiten der Hüfte.- 4.3 Weitere Korrekturmöglichkeiten an den Extremitäten.- 4.4 Zusammenfassung Analyse der Einsatzmöglichkeiten.- 4.5 Anforderungen an ein System zur computer- und roboterunterstüzten Chirurgie.- 4.5.1 Voraussetzungen für die computerund roboterunterstützte Chirurgie.- 4.5.2 Bildübernahme und Rekonstruktion.- 4.5.3 Computerunterstützte Operationsplanung.- 4.5.4 Roboterunterstützte Therapie.- 4.5.5 Benutzeroberfläche.- 5 Konzeption und Systementwurf.- 5.1 Grundkonzeption.- 5.1.1 3-D Darstellungsverfahren diagnostischer Bildinformation.- 5.1.2 3-D Simulationssystem.- 5.1.3 Passive und aktive Hilfseinrichtungen.- 5.1.4 Grundkonzept für die Korrelation.- 5.1.4.1 Darstellung des biologischen Objektes in einem korrelierbaren Bezugssystem.- 5.1.4.2 Nicht invasive Systeme.- 5.1.4.3 Invasive Systeme.- 5.2 Gesamtsystem zur computerund roboterunterstützten Chirurgie.- 6 Teilsystem zur Rekonstruktion.- 6.1 Visualisierung von CT-Sequenzen.- 6.2 Bildauswertung für die Diagnose.- 6.3 Extraktion von Konturen.- 6.3.1 Segmentierung.- 6.3.2 Konturenextraktion.- 6.4 3-D Rekonstruktionssystem.- 7 Teilsystem zur Planung der Therapie und deren Durchführung.- 7.1 Analyse der herkömmlichen Operationsplanung.- 7.1.1 Planung einer intertrochanteren Osteotomie.- 7.1.2 Umsetzung der Planung in der Operation.- 7.1.3 Fehlerquellen bei der Planung und Umsetzung.- 7.2 Simulationssystem.- 7.2.1 Koordinatensysteme.- 7.2.2 Geometriebeschreibung.- 7.3 Abbildung physiologischer Parameter und Funktionalität.- 7.3.1 Allgemeines Schema.- 7.3.1.1 Isolierung von Teilbereichen.- 7.3.1.2 Berechnung der approximierenden Fläche.- 7.3.2 Modul zur Definition der Femurschaftachse.- 7.3.3 Modul zur Definition des Femurkopfmittelpunktes.- 7.3.4 Modul zur Definition der Femurhalsachse.- 7.3.5 Modul zur Definition der Kniegelenksachse.- 7.3.6 Abbildung der Physiologie.- 7.4 Veränderung der Gestalt anatomischer Objekte.- 7.5 Auswahl geeigneter Implantate.- 7.5.1 Modellierung der lmplantate.- 7.5.2 Der Einpaßvorgang.- 7.5.2.1 Die Bewertung des Sitzes.- 7.5.2.2 Bohrungen und Schrauben.- 7.6 Auswahl und Einsatzplanung der chirurgischen Instrumente.- 7.6.1 LASER-Zeigerinstrument.- 7.6.2 Bohrer.- 7.6.3 Oszillierende Säge.- 8 Teilsystem zur Therapiedurchführung.- 8.1 Patientenlagerung.- 8.1.1 Fixierung.- 8.1.2 Ermittlung der optimalen Roboter-Patienten-Anordnung.- 8.2 Objektwiedererkennung und Korrelation.- 8.2.1 Voraussetzungen.- 8.2.2 Kamerakalibrierung.- 8.2.2.1 Fehlermöglichkeiten.- 8.2.2.2 Kameramodell.- 8.2.2.3 Lösungsmethoden und Ergebnisse.- 8.2.3 Objektlagebestimmung.- 8.3 Durchführung der Therapie.- 8.3.1 Roboterprogrammierung.- 8.3.2 Erstellung eines Roboterprogrammes.- 8.3.2.1 Übersetzung des Operationsplans.- 8.3.2.2 Bahnplanung.- 8.3.3 Positioniergenauigkeit des Handhabungsgerätes.- 8.3.3.1 Hintergrund.- 8.3.3.2 Genauigkeitskenngrößen.- 8.3.3.3 Fehlerkorrektur.- 8.3.4 Prozeßdurchführung.- 9 Realisierung und Erprobung.- 9.1 Systemintegration.- 9.1.1 Systemkommunikation zwischen den einzelnen Prozessen.- 9.1.2 DNC-Kommunikation.- 9.2 Systembeschreibung.- 9.2.1 Konzept der Benutzeroberfläche.- 9.2.2 Grauwertbildvisualisierung und 3D-Rekonstruktion.- 9.2.3 Modifizierung gefundener Konturen.- 9.2.4 Planung der Therapie und deren Durchführung.- 9.2.5 Änderung eines Operationsplanes.- 9.2.6 Lageerkennung und Korrelation.- 9.2.7 Roboterunterstützte Therapiedurchführung.- 9.3 Erprobung.- 9.3.1 Eignung für den klinischen Einsatz.- 9.3.2 Genauigkeit der Ausführung.- 10 Zusammenfassung und Ausblick.- 11 Literaturverzeichnis.