Mastoid-Control: Ein mechatronisches Assistenzsystem für die Felsenbein-Chirurgie
Final Report Abstract
In dem beschriebenen DFG-Projekt „Mastoid Control: Ein mechatronisches Assistenzsystem für die Felsenbein-Chirurgie" im Schwerpunktprogramm Medizinische Navigation und Robotik wurde ein System zur Planung, zur Navigation und zum leistungsgesteuerten Fräsen bei Eingriffen im Bereich des Felsenbeins entwickelt. Das System unterstützt den Chirurgen bei komplexen und risikobehafteten Operationen am Felsenbein. Es ermöglicht den aktiven Schutz von Risikostrukturen wie etwa wichtigen Nerven oder Blutgefäßen beim Fräsen an Knochen. Das Grundprinzip von Mastoid Control ist die automatische Verringerung der Leistung einer Fräse in der Nähe von Risikostrukturen. Die Lage der zu schützenden Risikostrukturen wird dabei vor der Operation mit Hilfe einer Planungs software in Computertomographieaufnahmen (CT) eingezeichnet. Der Chirurg führt die Fräse manuell mit der Hand. Ein Navigationssystem vermisst die Position von Patient und Fräse mittels optischer Reflektoren (Tracker). Sobald die Spitze des Fräsers den geplanten Risikostrukturen zu nahe kommt, wird die Leistung der Fräse durch eine Steuerung kontinuierlich reduziert und schließlich abgeschaltet. Damit werden bei dieser Lösung erstmals die Vorteile der robotergestützten Systeme und der reinen Navigationssysteme für Eingriffe am Felsenbein kombiniert. „Mastoid Control" ist das erste System zur Leistungssteuerung von Instrumenten für die Mastoidektomie. Es besteht aus einer Navigationskamera, einem Panel-PC mit Mastoid-Control Software sowie einer fehlertoleranten Steuereinheit und wird mit einem handelsüblichen chirurgischen Fräsersystem kombiniert. Der Benutzerablauf gliedert sich in die Bereiche Planung, Registrierung und Behandlung: Bei der Planung werden präoperativ die zu schützenden Risikostrukturen in die zuvor erstellten CT-Aufnahmen eingezeichnet. Dies wird durch eine effiziente und bedienerfreundliche Softwareoberfläche vereinfacht. Bei der Registrierung wurde die Möglichkeit geschaffen sowohl Landmarken (natürliche und künstliche) als auch Bissschienen (automatische Registrierung) zu verwenden. Zur Lösung der Line-of-Sight Problematik (keine Sichtverbindung zwischen Navigationskamera und Tracker) wurden spezielle Trackerhalterungen für Patient und Fräse entwickelt, die sich optimal zur Kamera ausrichten lassen. Die Kalibrierung des Fräsers (Durchmesser, Länge, Achse) erfolgt durch einen neu entwickelten hochgenauen Kalibrierkörper. In der intraoperativen Behandlung wird die Leistimg der Fräse in Abhängigkeit vom Abstand zur Risikostruktur, von Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit des Fräsers und von der durch den Chirurgen eingestellten Pedalstellung geregelt. Das Mastoid Control System kann die durch den Chirurgen mit dem Fußpedal eingestellten Fräserleistung lediglich verringern, aber niemals erhöhen, was ein wesentliches Sicherheitsmerkmal des Systems darstellt. Das abgetragene Material wird auf dem Panel-PC anschaulich visualisiert. Besonderes Augenmerk wurde auf die Entwicklung der fehlertoleranten Steuerelektronik gelegt. Eine Vielzahl von Sicherheitsmechanismen wie Redundanz, Watchdog und Zustandsüberwachung sorgen für einen sicheren Betrieb. Zur Durchführung vorbereitender Untersuchungen für klinische Studien wurde ein realitätsgetreues Kopfphantom mit integrierten Risikostrukturen entwickelt. Es ermöglicht das realitätsnahe Fräsen unter klinischen Bedingungen und eine Beurteilung der dabei erzielten Genauigkeiten über Farbkodierungen. Genauigkeitsexperimente unter Verwendung des Kopfphantoms zeigten eine maximale Abweichung von 0,5mm (zu früh vor der Risikostruktur gestoppt). Es wurde keine Risikostruktur verletzt. Die Auswertung von sechs klinischen Einsätzen am Patienten bestätigte die Funktionalität, Sicherheit und Zuverlässigkeit des Systems. Durch die Integration einer Neuromonitoring-Funktionalität in das Mastoid Control System könnte die Sicherheit und Effizienz bei Operationen am Mastoid weiter erhöht werden.
Publications
- (2006): Farbkodiertes Phantom für Genauigkeitsstudien in der computer-assistierten Chirurgie. In: '5 th Leipzig Research Festival for Life Sciences 2006', pp. 173
Dittrich, E.; Grunert, R.; Hofer, M.; Koulechov, K.; Strauß, M.; Korb, W.; Dietz, A.; Lueth, T. & Strauss, G.
- (2006): Mastoid-Control: Ein mechatronisches Assistenzsystem für die Felsenbein-Chirurgie. Vortrag CURAC 2006
Strauss, M.; Dittrich, E.; Hofer, M.; Koulechov, K.; Strauss, G.; Dietz, A. & Lueth, T.
- (2006): The Mastoidectomy With Navigated Control - First Technical Trial. In: '5. Jahrestagung der Gesellschaft für Computer- und Roboterassistierte Chirurgie e.V., CURAC 2006', pp. 187
Hofer, M.; Grunert, R.; Dittrich, E.; Müller, E.; Möckel, H.; Koulechov, K.; Strauß, M.; Korb, W.; Schulz, T.; Dietz, A. & Strauss, G.
- (2007). 'The navigation-controlled drill in temporal bone surgery: a feasibility study'. Laryngoscope 117(3), 434-41
Strauss, G.; Koulechov, K.; Hofer, M.; Dittrich, E.; Grunert, R.; Moeckel, H.; Müller, E.; Korb, W.; Trantakis, C.; Schulz, T.
- (2007). Improved accuracy of the navigated controlled drill for otologic surgery. In: 'International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery', Springer, pp. 233—235
Dittrich, E.; Hofer, M.; Baumberger, C.; Strauß, M.; Koulechov, K.; Grunert, R.; Korb, W.; Dietz, A.; Lüth, T. & Strauss, G.
- (2007): Ein neues Modell fur die Leistungssteuerung manuell geführter Fräser in der Felsenbein-Chirurgie. Abstract CURAC 2007, p. 53-56
Strauss, M.; Gerold, J.; Strauss, G.; Dittrich, E.; Hofer, M.; Dietz, A. & Lueth, T.
- (2007): Improved accuracy and precision of navigated controlled mill for ENT surgery. In: 'Proceedings of 4th International CAS-H Conference', pp. 37-38
Dittrich, E.; Strauss, G.; Hofer, M.; Dietz, A.; Korb, W.; Koulechov, K.; Strauss, M. & Lueth, T.
- (2007): Mastoid-Control: Ein mechatronisches Assistenzsystem für die Felsenbein-Chirurgie. Tübingen, Vortrag SPP 1124 Workshop
Strauss, M.; Dittrich, E.
- (2007): Mastoid-Control; Ein mechatronisches Assistenzsystem für die Felsenbein-Chirurgie. Karlsruhe, Vortrag CURAC 2007
Dittrich, E.; Strauss, M.; Strauss, G.; Hofer, M.; Dietz, A. & Lueth, T.
- (2007): Surgery on the Lateral Skull Base with the Navigated Controlled Drill Employed for a Mastoidectomy (Pre Clinical Evaluation). Medicine Meets Virtual Reality 15: In Vivo, in Vitro, in Silico: Designing the Next in Medicine
Hofer, M.; Grunert, R.; Dittrich, E.; Müller, E.; Möckel, M.; Koulechov, K.; Strauss, M.; Korb, W.; Schulz, T.; Dietz, A.
- (2007): System for power controlled and manually guided instruments for petrosal bone surgery. Abstract CAS-H 2007
Strauss, M.; Dittrich, E.; Strauss, G.; Koulechov, K.; Hofer, M.; Dietz, A. & Lueth, T.
- (2007): Verbesserte Genauigkeit und Präzision der navigiert-kontrollierten Fräse für die Ohrchirurgie. In: '78. Jahresversammlung der Deutschen Gesellschaft für Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde, Kopf- und Hals-Chirurgie e.V.'
Dittrich, E.; Strauss, G.; Hofer, M.; Dietz, A.; Baumberger, C.; Grunert, G.; Korb, W.; Koulechov, K.; Strauss, M. & Lueth, T.
- (2008). 'First clinical evaluation ofthe navigated controlled drill at the lateral skull base.'. Stud Health Technol Inform 132, 171-173
Hofer, M.; Dittrich, E.; Scholl, C.; Neumuth, T.; Strauss, M.; Dietz, A.; Lüth, T. & Strauss, G.
- (2008). 'Improvement of Registration Accuracy for Navigated-control Drill in Mastoidectomy (Autopilot).' Laryngorhinootologie 87(8), 560— 564
Strauß, G.; Dittrich, E.; Baumberger, C.; Hofer, M.; Strauß, M.; Stopp, S.; Koulechov, K.; Dietz, A. & Lüth, T.
