Risk assessment of minimally invasive surgery at the otobasis

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Robert Heinrich Schmitt
• Subject Area: Measurement Systems ; Automation, Mechatronics, Control Systems, Intelligent Technical Systems, Robotics ; Production Systems, Operations Management, Quality Management and Factory Planning
• Term: from 2010 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 179880849

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Ziel von Teilprojekt 5 war die Risikobetrachtung minimalinvasiver Operationen an der Otobasis mit nichtlinearen Zugängen. Im ersten Schritt wurde der chirurgische Prozess analysiert. Dazu wurde im Konsortium die chirurgische Prozesskette für nichtlineare Zugänge definiert. Um den Prozess auf Fehlerursachen und Verletzungsrisiken zu untersuchen, wurde eine Fehlerbaumanalyse durchgeführt und identifizierte Fehlerursachen mit Risikoprioritätszahlen bewertet. Als Hauptursachen für eine nicht erfolgreiche Operation wurden die Unvollkommenheiten der Bildgebung und -verarbeitung, der Navigation, des Bohrprozesses und der Temperaturbestimmung identifiziert. Zur Bestimmung der Unsicherheit der medizinischen Bildgebung uimg wurde in der ersten Förderphase ein Prüfkörper entwickelt, anhand dessen eine experimentelle und aufgabenbezogene Messunsicherheitsbestimmung durchgeführt werden kann. Auf Basis von Wiederholmessungen wurde die Standardunsicherheit des Messprozesses für fünf verschiedene Messaufgaben bestimmt. Um zu überprüfen, inwiefern der entwickelte Prüfkörper dem menschlichen Vorbild entspricht, wurden Wiederholmessungen an drei menschlichen Kadaverschädeln durchgeführt. Aus den Kadaverschädeln wurden anschließend Prüfkörpereinsätze gefertigt, die ebenfalls wiederholt vermessen wurden. Die Unsicherheit der anatomischen Unterschiede uw wurde zu 0,04 mm bestimmt. Die Unsicherheit aus Unterschieden zwischen Prüfkörper und natürlichem Vorbild wurde mit uref = 0,1 mm angegeben. Zur Abschätzung des Unsicherheitsbeitrags, der aus Abweichungen vom geplanten Durchmesser/Pfad resultiert, wurden robotergeführte Wiederholbohrungen in knochenäquivalentes Material eingebracht und der Einfluss verschiedener Bohrparameter untersucht. Auf Basis der Ergebnisse wurde udrill zu 0,22 mm abgeschätzt. Die ermittelten Unsicherheiten fließen in das Modell für das mechanische Verletzungsrisiko ein. Das Modell setzt die Unsicherheiten der Bildgebung uimg, der Bohrernavigation unav und des Bohrprozesses udrill in Bezug zum minimalen Abstand zwischen dem geplanten Bohrkanal und der nächstgelegenen Risikostruktur. Die sensitive Struktur wird nicht verletzt, wenn der Abstand zum Bohrkanal groß genug ist, um die Unsicherheiten entlang des Operationsprozesses zu kompensieren. Mithilfe des Modells kann die Wahrscheinlichkeit einer Verletzung präoperativ angegeben werden. Um die Verletzungswahrscheinlichkeit in Echtzeit angeben zu können, wurde das Modell auf die Betrachtung von n Punkten entlang der geplanten Bohrtrajektorie erweitert. Neben dem Risiko mechanischer Verletzungen besteht auch ein thermisches Verletzungsrisiko. Das Modell für das thermische Verletzungsrisiko setzt die bestimmten Äquivalenzminuten bei 43 °C (CEM43-Wert) und die Unsicherheit des CEM43-Wertes in Relation zum Grenzwert des CEM-43-Wertes. Die Modelle für das mechanische/thermische Risiko wurden zu einem Gesamtmodell kombiniert. Darüber hinaus ist die Angabe des Verletzungsrisikos während einer Operation in Echtzeit wünschenswert. Für die echtzeitfähige Risikobetrachtung wurde das Modell für das mechanische Verletzungsrisiko in einem ersten Schritt experimentell in R implementiert. Der Abstand zu den kritischen Strukturen für einen nichtlinearen Bohrkanal wird auf Basis der Vorarbeiten der Projektpartner aus Darmstadt errechnet. Die Abschätzung der Gesamtunsicherheit basiert auf den Vorarbeiten zur Quantifizierung der Unsicherheitsbeträge. Anschließend wurde das Verletzungsrisiko entlang eines Pfades errechnet.

Publications

• Messunsicherheit im medizinischen Kontext – Rückgeführte Messungen anatomischer Strukturen, VDI-Fachtagung Messunsicherheit, Braunschweig, 19.-20.11.,2015
  Bevermann, J.; Schmitt, R.
  
• Traceable measurement of anatomical structures – Assessing the patient’s risk of minimally invasive surgery, Technical Presentation, CIRP Winter Meeting, Paris, 18.-20.02, 2015
  Schmitt, R.; Bevermann, J.
  
• Determining the patient’s risk in minimally invasive surgery to the lateral skull base. In: Proceedings 15. CURAC Jahrestagung 2016, Bern, Schweiz, 29.09.-01.10.2016., S. 155-161, 2016
  Bredemann, J; Voigtmann, C; Schmitt, R.; Stenin, I.; Kristin, J; Klenzner, T; Schipper, J.
  
• Applications of CT for dimensional metrology, In: Industrial X-ray Computed Tomography, Editors: Carmignato, S; Dewulf, W; Leach, R.; Springer, 2017
  Buratti, A.; Bredemann, J; Pavan, M.; Schmitt, R.H.; Carmignato, S.
  
• Unsicherheitsbetrachtung für bildbasierte minimalinvasive Eingriffe an der Otobasis. In: tm – Technisches Messen, 84 (5), S. 359-369, 2017
  Bredemann, J.; Voigtmann, C.; Schmitt, R.H.
  
• Risikomodell zur Abschätzung des intraoperativen Verletzungsrisikos an der lateralen Schädelbasis, In: Tagungsband 17. CURAC Jahrestagung, Leipzig, 13.-15. 09.2018, S. 43-50, 2018
  Voigtmann, C., Bredemann, J.; Knott, A.; Schmitt, R.H.; Stenin, I.; Schipper, J.; Kristin, J.
  
• Task-specific uncertainty estimation for medical CT measurements, In: JSSS
  Bredemann, J.; Schmitt, R.H.