3.9.1 3-D-Schablone
Zu Beginn der Untersuchung sollte gewissermaßen als Grundlage für alle weiteren Messungen eine Genauigkeit der navigierten Bohrungen unabhängig von äußeren Einflüssen, wie z.B. die Widerstandskraft des Materials, gemessen werden.
Dafür schien die 3-D-Schablone aus Plexiglas als Goldstandard bei der Präzisions-messung gut geeignet. Die 3-D-Schablone hat die AußenabPräzisions-messungen 166 mm x 90 mm x 70 mm und innen die Maße 150 mm x 80 mm x 60 mm. Die Wände und Zwischenböden sind 5 mm stark, die beiden Stirnseiten 8 mm.
An der Stirnseite gibt es mittig ein in die Wand eingebautes Kugelgelenk, in dem zentral ein Röhrchen als Führung für den Bohrer eingelassen ist. Dieses Gelenk wurde als „entry“ bezeichnet, da es den Eintrittspunkt des Bohrers in das Material simuliert.
Abbildung 29: 3-D-Schablone von der „entry“-Seite aus gesehen, im Vordergrund in der Mitte der Frontseite das Kugelgelenk mit Hülse zur Aufnahme des Bohrers
Die Gegenseite zur Stirnseite hat einen Abstand von 150 mm. Es lassen sich also
„Bohrkanäle“ von 150 mm Länge simulieren. Die Bohrkanäle sind natürlich nur im übertragenen Sinn Kanäle, da der Bohrer durch Luft geführt wird und so keinen Kanal produzieren kann. An der Gegenseite wurden in der Plexiglaswand 9 Titanstifte eingelassen, die radiologisch darstellbar sind und so im preop-Modus als Landmarks bzw. als Endpunkte der Trajektories geeignet sind. Diese Stifte wurden jeweils als
„exit“ bezeichnet, da sie den Endpunkt des Bohrkanals (Trajectory) und gleichzeitig den fiktiven Austrittspunkt aus dem Knochen darstellen.
Abbildung 30: 3-D-Schablone von der „exit“-Seite (Zielpunkte) aus gesehen; gut zu sehen sind die 9 Titanstifte positioniert in der Millimeterfolie
Um noch weitere Bohrkanallängen simulieren zu können, wurde die 3-D-Schablone um zwei Einschiebezwischenböden erweitert. Es wurden zwei weitere Zielpunkt-Ebenen eingeführt, die erste nach 50 mm, die zweite nach 100 mm. Damit waren weniger als 150 mm lange Bohrer untersuchbar. Alle drei Ziel-Ebenen sind von der Anordnung der Titanstifte identisch. Mittels aufgeklebter Millimeterfolie konnte die Abweichung der Bohrerspitze vom Zielpunkt direkt abgelesen werden.
3.9.2 Versuchsaufbau 3-D-Schablone
Die 3-D-Schablone wurde mit Hilfe eines Minifixateursets und zwei 3-D-Magnetfüßen auf einer Metallplatte aufgestellt (s. Abb. 32). Die Schablone kann jetzt problemlos so ausgerichtet werden, dass eine simulierte Bohrung möglich ist. Die DRB wurde an den Fixateurstangen so befestigt, dass sie nicht verdeckt werden konnte mit freier Sicht auf die Kamera. Unter der Vorgabe, auf den Bohrer keinerlei Kräfte wirken zu lassen,
Instrumentarium wurden eine DRB, ein Pointer, eine Kalibrierungseinheit und eine Bohrmaschine benötigt.
Abbildung 31: Übersicht über den Versuchsaufbau mit abgedeckter 3-D-Schablone: 1 Bohrmaschine, 2 Arthroskopie-Stativ, 3 Pointer, 4 Kalibrier-Einheit, 5 Stroberbox, 6 abgedeckte 3-D-Schablone, 7 Monitor, 8 Infrarot-Kamera
Abbildung 32: Übersicht des Versuchsaufbaus, zur besseren Verständlichkeit nicht abgedeckt: 1
Bohrmaschine, 2 Arthroskopie-Stativ, 3 Pointer, 4 Kalibrier-Einheit, 5 Stroberbox, 6 3-D-Schablone mit Tisch für die Abdeckung (s. Abb. 31), 7 Monitor, 8 Infrarot-Kamera
3.9.3 Registrierung 3-D-Schablone
Die Registrierung gestaltete sich bei dem absolut symmetrischen Körper diffizil. Das Navigationssystem konnte den Körper nicht eindeutig im Raum ausrichten. Es gab auf Grund der Symmetrie immer mehrere Möglichkeiten der Ausrichtung, deshalb wurden an den Wänden der 3-D-Schablone kleine unregelmäßige Plexiglasfragmente fixiert.
Diese Veränderungen gaben jeder Seite des Quaders ein unverwechselbares Erscheinungsbild, wodurch dem Navigationssystem eine eindeutige Ausrichtung ermöglicht wurde. In den Seitenwänden der 3-D-Schablone wurden 12 Titanstifte möglichst unregelmäßig angebracht. Diese Titanstifte fungierten als Landmarks, die im virtuellen Bild und am realen Körper eindeutig identifiziert werden konnten. Das Erzielen guter Ergebnisse in der Registrierung wurde durch den Abgleich von 9 Landmarkpaaren (virtuell – real) erreicht. Die höhere Anzahl an Landmarks ist zu erklären durch die symmetrische Form, die natürlich mit anatomischen Strukturen keinerlei Ähnlichkeit aufweist.
Die Oberflächenregistrierung nach dem Restricted Surface Matching Algorithm wurde unter Einbeziehung möglichst vieler dreidimensionaler Strukturen ausgeführt. Dabei war auch hier eine höhere Anzahl an Punkten erforderlich. Die Anzahl n = 20 erwies sich als praktikabel.
Abbildung 34: Referenzierung 3-D-Schablone Abbildung 34: Verifizierung 3-D-Schablone 1 Pointer, 2 DRB, 3 3-D-Schablone
des Monitorbildes ausgeführt. Anschließend wurde die Position der Pointerspitze zum auf dem Monitor dargestellten Punkt ausgemessen. Eine Differenz von 0 mm in mindestens sechs über den gesamten Quader verteilten Punkten wurde als Kriterium gewählt, um mit den Untersuchungen beginnen zu können.
3.9.4 Bohrungen 3-D-Schablone
Nachdem der Bohrer samt Bohrmaschine in der Kalibrierungseinheit mit kleinstmöglicher Abweichung kalibriert wurde (Kriterium: Abweichung < 2 mm), konnten die Bohrungen beginnen. Dazu wurde die Bohrmaschine am Stativ befestigt und die 3-D-Schablone abgedeckt. Die Navigation des Eintrittspunktes wurde vernachlässigt, da der Punkt an der Schablone immer gleich ist und Abweichungen eine Bohrung verhindern, denn der zu durchbohrende Innenraum des Plexiglasquaders wird nie erreicht. Die Bohrung erfolgte ausschließlich unter Monitorkontrolle.
Abbildung 36: Bohrung 3-D-Schablone(50 mm) Abbildung 37: Bohrung 3-D-Schablone (100 mm)
Abbildung 35: Bohrung 3-D-Schablone (150 mm)
War der Zielpunkt laut Monitor erreicht, wurde der Plexiglasquader aufgedeckt, die Abweichung zwischen Bohrerspitze und angesteuertem Titanstift anhand der aufgeklebten Millimeterfolie ausgezählt. Die kleinste auszählbare Einheit waren 0,5 mm. Das wurde für alle Titanstifte der 3 Zielebenen wiederholt. Daraus ergaben sich 208 Bohrungen.
Abbildung 38: Bohrung an der 3-D-Schablone über eine Länge von 150 mm (links) und 50 mm (rechts).
Gut zu sehen ist hier eines der aufgeklebten Plexiglasstücke zur Herbeiführung künstlicher Asymmetrien zur besseren Verarbeitung durch das Navigationssystem.
3.9.5 Messung der Abweichungen
An der 3-D-Schablone ist die Messung direkt im Anschluss an die Bohrung bei eingestelltem Bohrer erfolgt. Die Bohrmaschine mit Bohrer ist noch eingespannt im Stativ. Anhand der handelsüblichen Millimeterfolie, aufgeklebt auf die Zielebenen im Quader, wurde die Abweichung in x- und y-Richtung mit einer Genauigkeit von 0,5 mm ausgezählt. Die Umrechnung auf die Abweichung a= x2 +y2 wurde durchgeführt.