Cluster Mechatronik & Automation

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15.06.2015

Fachbeitrag

Entwicklung einer Software-Anwendung zur Planung und Simulation von Hüft- und Kniearthroplastik in 3D

Der Ersatz von Hüft- und Kniegelenken gehört zu den Operationen mit den höchsten Fallzahlen, allein in Deutschland waren im Jahr 2013 knapp 400.000 Patienten an Arthrose erkrankt1. Der Erfolg der Operation und daraus ggf. resultierende Probleme hängen sehr stark davon ab, wie gut die präoperative Planung des Chirurgen war und wie diese intraoperativ umgesetzt werden konnte.


Im kürzlich abgeschlossenen Projekt IMPLANNER2  wurde gemeinsam mit der Universität Siegen und der französischen Firma EOS Imaging eine neue Systemlösung entwickelt, die den gesamten klinischen Workflow abdeckt.


Gegenüber klassischen Operationsplanungen in 2D konnte gezeigt werden, dass mit dem Einsatz computerassistierter, dreidimensionaler Verfahren ein hohes Verbesserungspotential besteht. Wichtige klinische Kenngrößen, die für eine lange Standzeit der Prothese und ein bestmögliches funktionelles Bewegungsausmaß von Bedeutung sind, konnten sehr genau und mit wesentlich verbesserter Reproduzierbarkeit eingehalten werden.


Die Projektpartner haben zunächst gemeinsam mit klinischen Experten geeignete Zielparameter evaluiert und festgelegt. 4 Plus hat diese in einem regelbasierten Expertensystem für die automatische Implantatauswahl und –positionierung umgesetzt. Parallel dazu wurde eine herstellerunabhängige Datenbank aufgebaut. Unterstützung bei der intraoperativen Umsetzung bieten ein DICOM Planungsreport sowie das von der Universität Siegen entwickelte 3D Lokalisierungssystem. Auch postoperative Auswertungen konnten für z.B. Revisionsplanungen benutzerfreundlich umgesetzt werden. Funktionsweise und Anwendung des Systems sind anhand eines exemplarischen Workflows erfolgreich demonstriert und nachgewiesen worden.

Präoperativer Support:
Die verschlüsselte Datenbank besteht aus aufbereiteten Daten der Implantathersteller und enthält neben den 3D CAD Daten der Implantate auch die dazugehörigen Metainformationen wie z.B. Verbindungspunkte zwischen den Komponenten, Resektionsebenen, Achsen und implantatspezifische Parameter.

 

Den Hauptteil der präoperativen Planung bildet die Implantatauswahl und -positionierung mittels des Expertensystems, welches 3D-Implantatmodelle und durch das Lokalisiersystem intraoperativ aufgenommene 3D Informationen der anatomischen Gegebenheiten des Patienten nutzt und regelbasiert auswertet.

 

Anhand eines Entscheidungsbaums werden spezifische Regeln angewandt und die Summe der in der Datenbank zur Verfügung stehenden Implantate reduziert.

Der Standardanwendungsfall sieht folgendermaßen aus:

  • Der Anwender startet die Planungssoftware und wählt die anatomische Region aus, an der er planen möchte. Beispielsweise Hüfte.
  • Aufgrund dessen reduzieren sich die möglichen Implantatkomponenten auf diejenigen, die hüftspezifisch sind. Beispielsweise Pfannen, Inlays, Köpfe, Schäfte.
  • Der Anwender setzt die erforderlichen anatomischen Landmarken und Messungen im Patientenbild
  • Das Expertensystem präsentiert eine Liste passender und zueinander kompatibler Implantate.


Parallel zur Auswahl greifen die Positionierregeln, anhand derer die passende Implantatgröße in das Patientenbild eingefügt und ausgerichtet wird (siehe auch Abbildung 1):

  • Pfanne und Inlay platzieren sich im Rotationszentrum des Acetabulums und richten sich nach gemessenen oder empfohlenen Inklinations- und Anteversionswinkeln aus.
  • Die potentiell passenden Schäfte werden anhand der Femurachsen vorplatziert und anhand des medullären Kanals optimiert.
  • Der Kopf schließt die Lücke zwischen Schaftkonus und Inlay. Die Ausrichtung des Kopfes folgt dem Schaft.

 

Abbildung 1 – Beispiel Hüftparameter für Pfannenimplantat, Quelle 4 Plus GmbH


Um die Passgenauigkeit eines Schaftimplantats in den medullären Kanal des Femurs prüfen zu können, wird dieser zuvor mittels eines semiautomatischen Verfahrens segmentiert (siehe Abbildung 2).

 

Abbildung 2 - Beispiel Segmentierung des medullären Kanals eines Femurs, Quelle 4 Plus GmbH


Das Ergebnis der präoperativen Planung ist in Abbildung 3 zu sehen.

 


Abbildung 3 - Beispiel einer 3D Hüftplanung, Quelle 4 Plus GmbH


Intraoperativer Support:

Die umfangreichen Informationen aus der Planung müssen für die Übertragung mittels des PACS in den Operationssaal aufbereitet werden. Dazu wurde ein entsprechender DICOM-Report generiert, welcher neben den zur eindeutigen Identifizierung wichtigen Patientendaten die visuellen Ergebnisse der präoperativen Planung, wichtige Parameter sowie die zu verwendenden Implantate enthält.

 

Mit Unterstützung eines 3D Lokalisierungssystems können die präoperativ gemessenen Kenngrößen am Patienten umgesetzt werden.

 

Postoperativer Support:
Der Vergleich von präoperativer Planung mit dem tatsächlichen Eingriff erlaubt eine qualitative Kontrolle.

 

Im Projekt konnte ein spezifischer Workflow umgesetzt werden, anhand dessen der Anwender mittels postoperativer Patientenaufnahmen anatomische Parameter wie beispielsweise die Pfanneninklination und Anteversion bestimmen kann. Eine Revisionsplanung wird damit insofern erleichtert, dass Größe und Ausrichtung des verbauten Implantats erkannt werden und der Anwender dieses in einer weiteren Planung durch ein Revisionsimplantat ersetzen kann ohne erneut alle relevanten anatomischen Parameter bestimmen zu müssen.

Im Rahmen des Projekts wurde erfolgreich die technische Machbarkeit der Entwicklung nachgewiesen. Das Softwaresystem „modiCAS||3D“ soll mit voller 3D Funktionalität zur Produktreife weiterentwickelt und als Medizinprodukt zugelassen werden. Das Ziel ist, es zeitnah und mittels Lizenzvereinbarungen interessierten Krankenhäusern und Kliniken zur Verfügung zu stellen.

 

Zum heutigen Stand ist bereits eine aktualisierte Version der 2D Planungssoftware „modiCAS||plan“ auf dem Markt, darin fanden vor allem die Erweiterung der Implantatdatenbank sowie neue Workflows zur Positionierung von Implantaten Eingang.

Quellen:
1 Statistisches Bundesamt  
2 E!6929 IMPLANNER: Durchgeführt im Rahmen des europäischen Förderprogramms EUROSTARS und gefördert durch das BMBF



Autorin


Cathleen Runge
Qualitätsmanagement

Kontakt

 

 


4 Plus GmbH
Am Weichselgarten 36
91058 Erlangen
www.4plus.de


Die 4 Plus Tochtergesellschaft modiCAS GmbH präsentiert modiCAS||3D“ erstmalig auf dem DKOU 2015 in Berlin.

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