Räumlich präzise Repositionierung von Knochen in 6 Freiheitsgraden bei der Gesichtsschädelrekonstruktion
Final Report Abstract
Umstellungsosteotomien spielen eine tragende Rolle im therapeutischen Konzept komplexer, in Fehlstellung verheilter Schädelverletzungen, sowie angeborener und erworbener Fehlbildungen des Gesichtsschädels. Die Oberkieferosteotomie in der Le- Fort-I Ebene gehört dabei zu den am häufigsten durchgeführten dysgnathiechirurgischen Eingriffen zur Korrektur stark ausgeprägter Anomalien im Mund-Kiefer- Gesichtsbereich. Navigierte computerassistierte Systeme unterstützen zwar den Chirurgen, führen aber aufgrund von Systemeigenschaften zu limitierten Genauigkeiten. Im Projekt "Räumlich präzise Repositionierung von Knochen in sechs Freiheitsgraden bei der Gesichtsschädelrekonstruktion" wurde ein Assistenz-Robotersystem entwickelt, welches den Chirurgen bei dysgnathiechirurgischen Eingriffen unterstützt. Der Roboter fungiert dabei als intelligentes Haltesystem, welches das zu verlagernde Knochenstück in der relativen Zielposition zum Patienten positioniert und während der Fixierung durch Chirurgen mittels Osteosyntheseplatten in der Zielposition hält. Nach einer eingehenden Anforderungsanalyse erfolgte die Konzeption und Entwicklung eines prototypischen End-Effektors für die Le-Fort-I Osteotomie. Das Gesamtsystem besteht aus einem Roboter, dem interventionsspezifischen End-Effektor zur Kopplung an das zu repositionierende Knochenstück ausgestattet mit einem Kraft-Momenten- Sensor, einem optischen Lokalisationssystem und einem Standard-PC zur Ausführung und Steuerung der einzelnen Systemkomponenten. Das entwickelte Gesamtkonzept erlaubt durch den modularen Aufbau der Software, sowie die Nutzung von manuellen Greifer-Wechsel Systemen die einfache Integration neuer End-Effektoren für weitere dysgnathiechirurgischen Eingriffe. Die einfache Integration des Roboterassistenzsystems in den klinischen Workflow und im speziellen für die Le-Fort-I Osteotomie wurde untersucht. Der konventionelle Workflow bleibt weitestgehend erhalten, womit sich für Chirurgen und medizinisches Personal nur leichte Änderungen ergeben. Insbesondere die präoperative Planung wird weiterhin konventionell durchgeführt. Für einen roboterassistierten Einsatz muss zusätzlich die initiale Lage der Maxilla sowie die geplante Zielposition mit dem Roboter erfasst werden. Weiterhin muss ein maxillärer Splint angefertigt werden, welcher auf den End-Effektor aufgebracht zum einen der intraoperativen Registrierung des Patienten im Roboterkoordinatensystem und des Weiteren zur Kopplung des End-Effektors an die Maxilla dient. Der intraoperative Ablauf der Intervention entspricht ebenfalls der konventionellen Vorgehensweise. Nach der initialen Registrierung des Patienten, erfolgt die Mobilisation des Oberkiefers durch den Chirurgen konventionell. Das Robotersystem verfährt anschließend in die geplante Zielposition relativ zum Schädel des Patienten. Während der Fixierung mittels Osteosyntheseplatten assistiert der Roboter dann dem Chirurgen indem er die Maxilla in der Zielposition hält und geringfügige Patientenbewegungen kompensiert. Im Vergleich zu in der Literatur beschriebenen Methoden ist somit erstmals die intraoperative direkte Umsetzung von im Vorfeld geplanten Umstellungsosteotomien mit einem präzisen Assistenz-Robotersystem möglich. Im abgeschlossenen Projekt "Räumlich präzise Repositionierung von Knochen in sechs Freiheitsgraden bei der Gesichtsschädelrekonstruktion" wurde durch die erfolgreiche interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen dem IPR Karlsruhe und der MKG Heidelberg ein neues Robotersystem entwickelt. Nach einer umfangreichen Prüfung an Phantomen soll das entwickelte Robotersystem zukünftig am anatomischen Präparat und im Anschluss erstmals klinisch erprobt werden. Das entwickelte Gesamtsystem weist durch den modularen Aufbau ideale Voraussetzungen für die Adaption weiterer dysgnathie- und kraniofazialen chirurgischer Eingriffe auf. Die Integration dreidimensionaler präoperativer Planungsmöglichkeiten für umfangreichere Umstellungsosteotomien die auf Basis von tomographischen Bildern des Patienten erfolgen, soll langfristig erfolgen. Langfristig ist geplant das entwickelte System gemeinsam mit einem Roboterhersteller und einem Medizintechnikhersteller zu einem Medizinprodukt weiterzuentwickeln.
Publications
- Innovative Endeffektoren für die Chirurgie. Dissertation ISBN 978-3- 89959-599-4, Universität Karlsruhe (TH), 2006.
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- UML Based Modeling of Medical Applications Workflow in Maxillofacial Surgery. GMS CURAC 2(1), 2006.
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- Risk Management of a Robotic Assistant System for LeFort I Maxillary Osteotomy. Tagungsband der 6. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboterassistierte Chirurgie e.V., ISBN 978-386805-008-0: 187-200, 2007.
M. Toma, V. Vieira, J. Raczkowsky, R. Boesecke, H. Wörn, J. Mühling, R. Marmulla
- Semiautomatisches Ankopplungsverfahren für einen Assistenzroboter zur Repositionierung osteotomierter Knochenstücke bei orthognathchirurgischen Eingriffen. Tagungsband der 6. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboterassistierte Chirurgie e.V., ISBN 978-3-86805-008-0: 275-278,2007.
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- System for robot assisted Orthognathic Surgery. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, Proceedings of the 21st International Congress and Exhibition: 419-421, 2007.
J. Burgner, M. Toma, V. Vieira, G. Eggers, J. Raczkowsky, J. Mühling, R. Marmulla, H. Wörn
- Methods for end-effector coupling in robot assisted interventions. 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation, California, Accepted for publication
J. Burgner, Y. Zhang, G. Eggers, J. Raczkowsky, J. Mühling, H. Wörn
