Medizinischen Hochschule Hannover (Leiter Prof. Dr. med. C. Krettek)
Präzisionsanalyse von CAS-navigierten Bohrungen am Beispiel der Arthrodese des oberen Sprunggelenkes
Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin in der Medizinischen Hochschule Hannover
vorgelegt von
Gunther Oldag aus Uelzen
Hannover 2007
Inhaltsverzeichnis
1 Vorwort ... 1
1.1 A n a t o m i e ... 3
1.1.1 Statik des Fußes ... 3
1.1.2 Der Talus ... 4
1.1.3 Die Tibia ... 5
1.1.4 Das obere Sprunggelenk... 6
1.2 Arthrose... 8
1.3 Die operative Therapie ... 10
1.3.1 Die Arthrodese... 10
1.3.2 Indikationsstellung OSG-Arthrodese ... 11
1.3.3 OSG-Arthrodese – Verfahren und Methodik ... 13
1.3.4 OSG-Totalendoprothese ... 17
1.4 Bildgebung für das obere Sprunggelenk ... 20
1.4.1 Röntgen... 20
1.4.2 Computertomographie ... 20
1.5 Präzision der Computertomographie... 21
1.6 Computer-assistierte Chirurgie (CAS) ... 22
2 Fragestellung und Zielsetzung ... 26
3 Material und Methoden... 29
3.1 Navigationssystem (CAS) ... 29
3.2 Hardware ... 29
3.3 Software ... 32
3.4 Bohrer ... 32
3.5 Präoperative Planung... 33
3.6 Intraoperative Anwendung... 34
3.7 Registrierung ... 34
3.8 CT-Bildgebung... 35
3.9 Vorversuche „3-D-Schablone“... 36
3.9.1 3-D-Schablone ... 36
3.9.2 Versuchsaufbau 3-D-Schablone ... 37
3.9.3 Registrierung 3-D-Schablone ... 39
3.9.4 Bohrungen 3-D-Schablone ... 40
3.9.5 Messung der Abweichungen ... 41
3.10 Spongiosaquader ... 41
3.10.1 Versuchsaufbau Spongiosaquader... 42
3.10.2 Registrierung Spongiosaquader... 45
3.10.3 Bohrungen Spongiosaquader... 46
3.10.4 Messung der Abweichungen ... 48
3.11 Hauptversuche... 49
3.11.1 Versuchsaufbau Kunststoff-OSG ... 50
3.11.2 Registrierung Kunststoff-OSG ... 51
3.11.3 Bohrungen Kunststoff-OSG ... 52
3.11.4 Versuchsaufbau Kadaver-OSG... 53
3.11.5 Registrierung Kadaver-OSG... 53
3.11.6 Bohrungen Kadaver-OSG... 55
3.11.7 Bewertung der Schraubenlage ... 56
3.12 Statistik... 58
4 Ergebnisse ... 59
4.1 Bohrgenauigkeit am Plexiglasquader... 59
4.2 Bohrgenauigkeit an Spongiosa-Quadern... 62
4.2.1 Betrachtung der Zielpunkte an Spongiosaquadern... 62
4.2.2 Betrachtung der Eintrittspunkte an Spongiosaquadern ... 69
4.3 Vergleich der Bohrgenauigkeiten... 72
4.3.1 Vergleich der Abweichungen am Zielpunkt (Spongiosa- vs. Plexiglasquader) ... 72
4.3.2 Vergleich von Plexiglas- zu Spongiosaquadern über 50, 100 und 150mm... 74
4.4 Cut Off für alle Bohrer ... 76
4.5 Bohrgenauigkeit am Kunstknochen ... 79
4.6 Bohrgenauigkeit am Kadaverknochen ... 83
4.7 Vergleich der Bewertungen der Arthrodesen... 85
4.7.1 Vergleich navigierte zu nicht navigierte Arthrodesen... 85
4.7.2 Vergleich der Arthrodesen von Kunst-Knochen zu Kadaver-Knochen ... 87
4.8 Bewertung weiterer Parameter ... 88
4.8.1 Zeiten der Bohrungen ... 88
4.8.2 Betrachtung der Zeiten sortiert nach Schrauben und Knochen ... 91
4.8.3 Betrachtung der Röntgenzeiten ... 93
4.8.4 Betrachtung der eingetretenen Revisionen ... 93
4.9 Vergleichende Statistik aller Schrauben ... 94
4.9.1 Vergleich navigierte zu nicht navigierte Schrauben nach Punktwert. 94 4.9.2 Vergleich Kunststoff- zu Kadaver-OSGs nach Punktwert ... 95
4.9.3 Vergleich der Schrauben 1, 2, 3, 4 nach Punktwert ... 95
4.9.4 Vergleich navigierte zu nicht navigierte Arthrodesen nach Zeit... 96
4.9.5 Vergleich Kunststoff- zu Kadaver-OSGs nach Zeit ... 96
4.9.6 Vergleich der Schrauben 1, 2, 3, 4 nach Zeit ... 97
5 Diskussion ... 98
5.1 CAS-unterstützte Bohrungen ... 100
5.2 Genauigkeit der Bohrungen an der Plexiglasschablone... 101
5.3 Genauigkeit der Bohrungen an Spongiosaquadern ... 102
5.4 Genauigkeit der Bohrungen am Kunststoff-Modell... 107
5.5 Genauigkeit der Bohrungen an Kadaverknochen... 108
5.6 Vergleich der Genauigkeiten der verschiedenen Arthrodesen ... 109
5.7 Vergleich der Arthrodesen von Kunst- zu Kadaver-Knochen ... 109
5.8 Bewertung weiterer Parameter ... 110
5.9 Ausblick ... 111
6 Zusammenfassung und Schlussfolgerung... 113
7 Anhang ... 115
7.1 Literatur... 115
7.2 Tabellen... 125
7.4 Abbildungen ... 127
7.5 Abkürzungen ... 128
7.6 Danksagungen ... 129
7.7 C U R R I C U L U M V I T A E ... 131
7.8 Erklärung nach § 2 Abs. 2 Nrn. 5 und 6... 133
1 Vorwort
Navigation ist dort sinnvoll und notwendig, wo der einfache Orientierungssinn nicht mehr ausreicht. Dem Seefahrer auf dem Meer z.B. fehlen jegliche Orientierungspunkte.
Beim Start vom Festland aus hat der Seefahrer seinen Standort auf der Seekarte markiert und den zum Ziel führenden Kurs eingezeichnet. Dieser Kurs wird jetzt mit Hilfe des Kompasses gehalten. Einflüsse wie Sturm und Strömung jedoch versetzen das Schiff seitlich.
[26]
Abbildung 1: Querversetzung eines Schiffes: rwK = zielführender Kartenkurs
KdW = berücksichtigt zusätzlich den Wind KüG = berücksichtigt zusätzlich die Strömung
Ohne dass laut Kompass der Kurs verlassen wurde (Kiellinie und gehaltener Kompasskurs stimmen überein), befindet sich das Schiff nicht mehr auf dem eingezeichneten Kurs über Grund. Ohne Korrektur des Kurses über Bojen (in der Fachsprache „Tonnen“) und über Peilung von Leuchttürmen wird das Schiff sein Ziel verfehlen. Auch der erfahrene Seefahrer, der die Störeinflüsse wie Strömung oder Sturm einschätzen kann, muss die Navigation durch Peilung überprüfen. Die angepeilten auf der Karte eingezeichneten Objekte (Leuchttürme, Leuchtfeuer) sind die Referenzbasis für den Seemann.
Auf weiter See außerhalb jeglicher Bezugspunkte an Land ist die Benutzung eines Sextanten sinnvoll. Der Sextant ist ein Instrument zur Navigation mittels Bestimmung eines Winkels zwischen zwei Objekten, dem Horizont und einer Lichtquelle. Die Form
Montiert sind zwei Spiegel. Der eine Spiegel wird auf den Horizont (Kimm) eingestellt, mit dem zweiten Spiegel wird tagsüber die Sonne, nachts der Polarstern anvisiert. Beide Objekte werden in Deckung gebracht. Nun wird am Sextanten der Winkel abgelesen.
Dieser Winkel in Grad entspricht auf der Nordhalbkugel dem nördlichen Breitengrad.
Den Wert des Sextanten macht seine hohe Präzision mit 10 Winkelsekunden aus, das entspricht einer Genauigkeit von 0,0028°. Unter Berücksichtigung der Zeit kann auch der Längengrad bestimmt werden.
Abbildung 2: Der Sextant
Mit Hilfe des Sextanten wird also der momentane Standort des Schiffes in Zusammenhang mit Sonne, Mond oder Sternen, z.B. dem Polarstern ermittelt. Es werden Referenzpunkte außerhalb des Gebietes, in dem man sich bewegt, verwendet, im Gegensatz zur Peilung über Leuchttürme, Bojen oder ähnliche Landmarken.
Die Navigation im Operationssaal hat nicht die Orientierung in einem unüberschaubaren Raum als Ziel. Überschaubarkeit ist in der Medizin durch einen ausreichend großen Zugang in der Regel leicht zu erzielen. Wenn aber wie in der minimal-invasiven Chirurgie der Zugang so klein wie möglich gehalten werden soll, ist die Orientierung mit Hilfe eines Navigationssystems eine gute Option. Der minimal- invasive Gedanke in der Chirurgie erbringt kürzere Zeiten der Wundheilung, dadurch verkürzte stationäre Aufenthaltszeiten und geringere Kosten. Neben dem minimal- invasiven Ansatz bringt die Navigation in unübersichtlichen Körperregionen (Beckenchirurgie) faßbare Vorteile.
Diese Arbeit entstand in den Jahren 2000 / 2001 und handelt von den Störeinflüssen der Navigation im Operationssaal. Das Medium Wasser, welches durch seine Strömung das Schiff seitlich versetzt, ist einerseits das die Schifffahrt erst ermöglichende Element und andererseits einer der Störfaktoren der Navigation, ganz ähnlich dem Bohrer, der durch das Material, das er durchbohrt, abgelenkt wird und dadurch seinen „Kurs“ verlässt.
Bewertet werden soll ein sich möglicherweise durch die Navigation ergebender Vorteil für die Fußchirurgie.
1.1 A n a t o m i e
Die Bedeutung der Füße für den Menschen ist bedingt durch Stehen und Gehen in aufrechter Haltung. Der Fuß entwickelte sich vom Greiforgan zum Standorgan.
Funktionell bestimmend sind die statische (Stand) und die dynamische Komponente (Abrollen, Abstoßen, Balancieren).
Anschließend erfolgt die Auflistung der knöchernen Strukturen, die durch vielfältige Traumata verletzt werden und im Falle einer Arthrodese fusioniert (z.B. verschraubt) werden und so ihre biomechanischen Eigenschaften verlieren (z. B. die Syndesmosis).
1.1.1 Statik des Fußes
Im Stand ruht unser gesamtes Körpergewicht auf unseren Füßen.
Abbildung 3: Auflagepunkte der Fußsohle [54] Abbildung 4: Fußsohle im Schema [54]
In plantigrader Normal-Null-Stellung (OSG) verteilt sich das Körpergewicht zu auf die Kontaktfläche des Tuber calcanei (C) und zu insgesamt auf die Auflageflächen von Mittelfußköpfchen I (A) und V (B). Das Körpergewicht wird vom Bein auf den Fuß
ungleich komplexer. Das bedeutsamste Gelenk am Fuß ist das obere Sprunggelenk, weil es den größten Bewegungsumfang aufweist, aber auch am verletzungsträchtigsten ist.
1.1.2 Der Talus
Der Talus gehört zu den Ossa brevia mit innerer Spongiosa und äußerer Compacta. Er besteht aus drei Anteilen, dem Caput tali (distaler Anteil), dem Corpus tali (zentraler Anteil), verbunden durch das Collum tali. Die Seiten des Corpus tali divergieren von dorsal nach plantar und von anterior nach posterior, so daß sich in der Frontalebene ein breitbasiges Trapez und in der Horizontalebene ein Trapez mit der breiten Basis nach anterior ergibt. Der Talus (gr.: astragalus) hat keine Sehnenansätze und wird durch benachbarte Knochen und ansetzende Bänder in Position gehalten.
Abbildung 5: Rechter Talus von oben [94] Abbildung 6: Rechter Talus von unten [94]
Das Caput tali bildet den vorderen Anteil des unteren Sprunggelenks mit Os naviculare und Os calcaneus. Der Corpus tali bildet den hinteren Anteil des unteren Sprunggelenks
8 Facies malleolaris lateralis 9 Processus lateralis tali 10 Facies malleolaris medialis 11 Facies articularis calcanea anterior 12 Facies articularis calcanea media 13 Sulcus tali
14 Facies articularis calcanea posterior 1 Caput tali
2 Corpus tali 3 Collum tali 4 Trochlea tali
5 Tuberculum laterale des Processus posterior tali 6 Tuberculum mediale des Processus posterior tali 7 Sulcus tendinis m. Flexoris hallucis longi
mit dem Os calcaneus. Die Trochlea tali (Teil des Corpus tali) artikuliert mit dem Tibiaplafond für das obere Sprunggelenk. Der Talus (Taxlus = Taxillus = Würfel) wurde wegen seiner zahlreichen Facetten schon von römischen Soldaten zum Würfeln benutzt, in diesem Fall der Talus eines Pferdes. Diese charakteristischen Gelenkflächen machen 60 % der Oberfläche aus. Somit stehen nur 40 % für die Blutversorgung zur Verfügung steht, hauptsächlich der Talushals. Die Gefahr der Nekrose ist bei Frakturen des Talus mit Zerreißung der Arterien sehr hoch. Die Blutversorgung wird hergestellt durch die Arteria sinus tarsi aus der Arteria tibialis anterior und durch die Arteria canalis tarsi aus der Arteria tibialis posterior. Beide Arterien anastomosieren und bilden ein netzartiges Geflecht um die gelenkflächenfreie Talusoberfläche.
Da der Talus wie oben beschrieben das gesamte Körpergewicht aufnimmt, ist er bedingt dadurch ein Knochen mit einer hohen Dichte. Die 12 Kadaver-Tali für die dieser Arbeit zugrunde liegenden Versuche stammen aus einem gemischten Kollektiv von männlichen und weiblichen Leichen unterschiedlicher Konstitution. Sie wogen im Mittel 44,01 ± 5,35 g, maßen im Mittel 37,42 ± 4,74 cm³ und zeigten eine mittlere Dichte von 1,18 ± 0,07 g/cm³.
Tabelle 1:Auflistung der untersuchten Kadaver-Tali
Talus Gewicht [g] Volumen [ml] Dichte [g/ml]
B 1 51,59 42,00 1,23
B 2 51,78 40,00 1,29
B 3 44,86 41,00 1,09
B 4 47,61 42,00 1,13
B 5 47,88 41,00 1,17
B 6 47,89 42,00 1,14
B 7 40,47 35,00 1,16
B 8 40,04 39,00 1,03
B 9 38,43 31,00 1,24
B 10 36,40 30,00 1,21
B 11 42,98 35,00 1,23
B 12 38,15 31,00 1,23
Mittelwert 44,01 37,42 1,18
Standardabweichung 5,35 4,74 0,07
1.1.3 Die Tibia
Die Tibia ist ein Röhrenknochen, proximal am Kniegelenk, distal am oberen Sprunggelenk und lateral an der Articulatio tibiofibularis beteiligt. Die Diaphyse weist im Horizontalschnitt eine dreieckige Form mit Margo anterior, Margo medialis und
interossea, die Tibia und Fibula verbindet. Die Epiphyse zeigt im Horizontalschnitt eine rechteckige Form. Lateral findet sich die Incisura fibularis, die Gelenkfläche zur distalen Fibula, medial der Malleolus medialis. Die insgesamt glatte distale Tibia zeigt kaum prominente Punkte (Landmarks), was sich später beim Registrieren (Matching s.
Kap. 3.11.2 und 3.11.5) als negativ herausstellen wird.
1.1.4 Das obere Sprunggelenk
Das obere Sprunggelenk (OSG), auch als Articulatio talocruralis bezeichnet, arbeitet wie ein Scharniergelenk mit einem Freiheitsgrad. Die Achse, um die sich das Scharniergelenk bewegt, liegt transversal (Frontalebene) durch die Knöchelgabel. Die Bewegungsebene ist die Sagittalebene. Möglich ist eine Plantarflexion (Beugung) und eine Dorsalextension (Streckung). Teilweise wird von Dorsalflexion gesprochen, weil die Dorsalextension intuitiv eher einer Beugung entspricht. Das OSG ist das funktionell bedeutsamste Gelenk im Rückfußbereich, weil es unentbehrlich für die Fortbewegung auf ebenem und unebenem Grund ist [54].
Zusammen mit dem unteren Sprunggelenk, den Fußwurzelgelenken und der Drehmöglichkeit bei Beugung im Kniegelenk bildet diese Einheit vom funktionellen Charakter her ein dreiachsiges Gelenk. Die Achsen dieses dreiachsigen Gelenkes liegen transversal durch die Knöchel (xx’), vertikal längs des Unterschenkels (y-Achse = Abduktion / Adduktion im Rückfuß) und in Richtung der Fußlängsachse (z-Achse). Um die Fußlängsachse z finden Pronation und Supination statt, die am Fuß Inversion und Eversion heißen. Diese Bewegung ist notwendig zur Ausrichtung der Fußsohle und findet im unteren Sprunggelenk statt.
Abbildung 7: Bewegungsachsen am Fuß [54]
Das Bewegungsausmaß für das obere Sprunggelenk beträgt für die Dorsalextension 20°
– 30° und für die Plantarflexion 30° – 50°. Die Neutral-Null-Stellung entspricht einem Winkel von 90° zwischen Unterschenkellängsachse und Fußsohle.
[54]
Der distale Gelenkpartner ist der Talus. Er stellt für das Gelenk eine zylindrische Oberfläche, die Trochlea tali zur Verfügung. Der Zylinder liegt mit seiner Achse transversal orientiert im Raum. Die proximalen Gelenkpartner werden gestellt durch die distale Tibia und die distale Fibula. Zusammen entsprechen sie einem ausgekehlten Block, der dem Zylinder (hier die Trochlea tali) bündig aufsitzt.
[54]
Die Trochlea tali beteiligt sich als distaler Gelenkpartner mit drei Gelenkflächen am oberen Sprunggelenk. Das ist proximal die Facies superior, medial die Facies malleolaris medialis und lateral die Facies malleolaris lateralis.
Abbildung 8:
Tibiale Gelenkfläche = 70°
Talare Gelenkfläche = 140-150°
Abbildung 9:
OSG-Schema
A: Talus
B: Tibia + Fibula
Abbildung 10: Ansicht von medio-posterior [54] Abbildung 11: Ansicht von latero-posterior [54]
Die Konvexität der Trochlea tali liegt in der Sagittalebene und bildet mittig eine longitudinale Rinne. Diese Rinne wird medial und lateral von einer Wange bzw.
Schulter begrenzt. Die Rinne ist leicht nach vorn lateral orientiert und deckt sich damit mit der Längsachse des Fußes. Die Trochlea tali ist vorn wesentlich breiter als hinten, verläuft nach hinten konisch und sitzt dadurch in Plantarflexion sehr viel lockerer als in Dorsalextension. Daraus erklärt sich ein sehr viel häufigeres Auftreten von Supinationstraumata in Spitzfußstellung als in Normalfußstellung.
Der proximale Gelenkanteil wird gebildet tibial aus der Facies articularis inferioris tibiae und der Facies articularis malleoli medialis und fibular aus der Facies articularis malleoli lateralis. Die Facies articularis inferioris tibiae ist sagittal konkav und passt sich mit einem First in die Rinne der Trochlea tali ein. Medialer und lateraler Anteil artikulieren mit den Schultern der Trochlea tali. Die Facies malleolaris medialis tali ist fast plan und sagittal gestellt, die Facies malleolaris lateralis tali ist bikonkav und nach lateral abgeschrägt. Beide Knöchel sind sehr unterschiedlich gestaltet. Der Malleolus lateralis ist massiger, reicht weiter nach distal und liegt weiter posterior in Bezug auf den Malleolus medialis. Der Tibiaplafond, die Facies articularis inferioris tibiae, ist von hinten nach vorn um 15° - 20° ansteigend. Den Schluss der Knöchelgabel gewährleistet die tibiofibulare Syndesmose.
1.2 Arthrose
Knochen werden durch Gelenke beweglich miteinander verbunden. An Gelenken beteiligte Knochenflächen sind mit einem glatten Knorpelüberzug versehen, der von der Synovialflüssigkeit geschmiert und ernährt wird. Störungen dieses Ablaufes führen zu
morphologischen Änderungen und damit zu funktionellen Einschränkungen im betroffenen Gelenk. In Bezug auf die Pathogenese kann zwischen primärer (nicht vorbelastetes Gelenk) und sekundärer Arthrose (durch Grunderkrankung vorgeschädigtes Gelenk) unterschieden werden.
Ätiologie der primären Arthrose:
Ursache unbekannt
Ätiologie der sekundären Arthrose:
posttraumatische Arthrosen nach intraartikulärer Fraktur und nach massiver Kompression des Knorpels akuter (z.B. Verkehrsunfall) oder chronischer (z.B.
Skirennläufer) Genese
Inkongruenzarthrosen nach intraartikulären Frakturen, nach funktionellen Fehlbelastungen oder bei angeborenen Gelenkdeformitäten
endokrine Arthrosen (Hypothyreose, Akromegalie, Hyperparathyreoidismus, Diabetes mellitus)
neuropathische Arthrosen (Erkrankungen mit neurosensorischer Störung, z.B.
Tabes dorsalis)
metabolische Arthrosen (Ablagerung organischer oder anorganischer Metaboliten, z.B. Ochronose, Oxalose, Gicht, Pseudogicht)
postinfektiöse Arthrosen
immunologisch bedingte Arthrosen (autoaggressiv, allergisch)
Tabelle 2: Klassifikation des Knorpelschadens [13][89]
Outerbridge Klassifikation zur Einteilung von Knorpelschäden
Grad 1 Erweichung der Oberfläche, glatt erhalten, keine Fibrillation Grad 2 aufgefaserte Oberfläche mit Einrissen, deutliche Fibrillation
Grad 3 tiefer Knorpelschaden (Fissuren, Ulcus), instabile / unterminierte Ränder, subchondraler Knochen noch nicht erreicht
Grad 4 Vollschicht-Knorpelverlust („Knorpelglatze“) bis auf den subchondralen Knochen (Ulcus der Knochenplatte mit Eröffnung des Markraumes)
Grad 0 keine röntgenologischen Veränderungen
Grad 1 initiale Arthrose; geringe Ausziehungen an Innenknöchel und Tibiavorderkante
Grad 2 mäßiggradige Arthrose; Ausziehungen an Tibiabasis und beiden Malleoli, Grad 3 mittelgradige Arthrose; hälftige Verschmälerung des Gelenkspaltes,
deutliche Entrundung der Talusrolle, osteophytäre Randwulstbildung an der Tibiabasis und den Knöchelspitzen, ausgeprägte subchondrale Sklerosierung
Grad 4 ausgeprägte Arthrose; Gelenkdestruktion mit ausgeprägter Verschmälerung / Aufhebung des Gelenkspaltes und unruhiger Randkontur, zystische Veränderungen an Tibiabasis und Talusrolle, Valgus- bzw. Varusdeformität
Im Sprunggelenk stellt die posttraumatische Arthrose in einzelnen Kollektiven den größten Anteil. Für die folgende Arbeit ist das Bild der posttraumatischen Arthrose als sekundäre Arthrose das grundlegende Szenarium.
Die (sekundäre) posttraumatische Arthrose zeigt klinisch:
Bewegungs- und / oder Belastungsschmerz, ggfs. Ruheschmerz rezidivierende Gelenkergüsse
Verdickung der Gelenkkapsel
Bewegungseinschränkung bis hin zu rezidivierenden Gelenksblockaden
Im Röntgen sind subchondrale Sklerosierungen des Knochens, zystische Aufhellungen, Randwulstbildungen und eine Verschmälerung des Gelenkspaltes zu sehen.
1.3 Die operative Therapie
Nach Ausschöpfung der konservativen Therapiemöglichkeiten erfolgt nach strenger Indikationsstellung die chirurgische Intervention.
1.3.1 Die Arthrodese
Die Arthrodese ist die Versteifung eines Gelenks über eine stabile Osteosynthese mit Schrauben, Platten, Drähten oder einen Fixateur externe zur knöchernen Durchbauung des Gelenks. Das Ziel einer Arthrodese sollte ein schmerzfreies, belastbares, stabiles Gelenk mit möglichst geringer Gehbehinderung (= Funktionseinschränkung für die gesamte Extremität) sein [9].
1.3.2 Indikationsstellung OSG-Arthrodese
Für die Indikationsstellung zur Arthrodese des oberen Sprunggelenks präoperativ sowie zur postoperativen Verlaufskontrolle sind Scores von McGuire [76], Gruen und Mears
[35], Kitaoka [57], sowie die AOFAS Ankle Hindfoot Scale [57] und der MHH- Score-OSG [112] hilfreich.
Indikationen zur Arthrodese:
die schmerzhafte Arthrose
• posttraumatische Arthrose
• Talusnekrose das instabile Sprunggelenk
die Sanierung bei Gelenkdestruktion durch
• langjährig bestehende chronische Polyarthritis im OSG
• chronische Infektion
• akute Infektion
das in einer ungünstigen Fehlstellung stehende Sprunggelenk solider Ausweg bei Versagen eines Gelenkersatzes (OSG-TEP)
Die Notwendigkeit einer OSG-Arthrodese ist am häufigsten Ergebnis eines posttraumatischen Verlaufes (80 % [23] , 41,2 % [124] ). Eine Weber-C-Fraktur führt in 23% zu einer posttraumatischen Arthrose, die nach 4 Jahren in 46% eine Arthrodese erforderlich machen. Eine Pilon-tibiale-Fraktur führt sogar in 68% zur Arthrodese
[128] .
Bei der Indikationsstellung bleibt oberster Grundsatz, dass die zu erzielenden Vorteile (Schmerzausschaltung etc.) die Nachteile des Funktionsverlustes (Versteifung) überwiegen müssen. Voraussetzung ist die Unversehrtheit der Nachbargelenke, da die verminderte Gelenkfunktion im OSG durch eine Hypermobilität im Chopart- und Lisfranc-Gelenk kompensiert werden muss. Herausgestellt wird immer wieder der richtige Zeitpunkt für die Arthrodese, nämlich dann wenn noch keine Nachbargelenke arthrotisch verändert sind [9][128]. Nach Früharthrodese (vor Ausbildung von Anschlussarthrosen) des OSG in Neutralstellung sind Anschlussarthrosen weniger häufig, insbesondere unter frühfunktioneller krankengymnastischer Nachbehandlung zur Mobilisierung der Chopart-Gelenklinie [128]. Jedoch wird in der Literatur die schicksalhafte Ausbildung von Anschlussarthrosen im Subtalargelenk und in der
[114][124]). Eine „prophylaktische“ Versteifung der benachbarten Gelenke ist aber nicht gerechtfertigt [124]. Eine Arthrodese bei zunehmender Altersarthrose aller Gelenke und bei Befall multipler Gelenke durch chronische Polyarthritis ist sicher problematisch und als relative Kontraindikation einzuschätzen. Arthrodesen werden nicht durchgeführt bei Kindern und Jugendlichen, insbesondere aufgrund möglicher Anschlussarthrosen [112][114].
Tabelle 4: Komplikationen der Arthrodese
Studie Pseudarthrosen Infektionen
[9] 35 % 25 %
[15] 8 % 23 %
[24] 22 % 33 %
[59] 4 %
[90] 5 %
[111] 7 %
[112] 7,1 %
[124] 20 %
[128] 2 %
Die unterschiedlich hohen Pseudarthroseraten finden ihre Ursache in der Vermischung von externer und interner Fixation. OP-Verfahren mit Fixateur externe zeigten deutlich höhere Pseudarthroseraten: nach Thermann et al. 1996: Fixateur externe 47 %, Fixateur interne 10 % Pseudarthrosen [112].
Risikofaktoren, eine Komplikation zu entwickeln:
Diabetes mellitus
Durchblutungsstörungen
dauerhafte Einnahme von Kortikosteroiden Osteoporose
Nikotinabusus
1.3.3 OSG-Arthrodese – Verfahren und Methodik
Bei der Arthrodese im oberen Sprunggelenk ist die richtige Einstellung für eine gute Funktion besonders wichtig. Die funktionell günstigste Stellung ist einer Meinung nach in Plantarflexion 0 (– 5)°, Außenrotation 10 (– 15)°, Rückfussvalgisierung 5 (– 10)°
([9][15][16][27][83][111][112]) zu sehen, einer anderen Meinung nach in physiologischer Rechtwinkelstellung (plantigrad) unter Korrektur aller Achsen ([124][128]). Die Stellung hat direkten Einfluß auf das Gangbild und auf das Ergebnis bzgl. Knochenfusion bzw. Pseudarthrose. Therapieziel ist eine geringe Gehbehinderung bei schmerzfreier Belastbarkeit.
Erstmalig wurde die tibiotalare Arthrodese von Albert 1879 [1] durchgeführt. Seitdem wurden 40 verschiedene Techniken beschrieben.
Einteilung der Techniken
Arthrodesen durch Verriegelungsspan
- Verriegelungsarthrodese nach Campbell (1929) - Arthrodese nach Wilson (1969)
transfibulare Arthrodesen
interne Kompressionsarthrodesen
- Schraubenarthrodesen (Holz 1990[43], Wagner 1982[120], Zwipp 1984[127])
- Kompressionsarthrodese mit Autokompressions-Winkelplatten (Mittelmeier 1975 [82])
externe Kompressionsarthrodesen
- Arthrodese mit Fixateur ext. (Greifensteiner 1947, Charnley 1951[18]) - Ilizarov-Ringfixateur (Hawkins 1994 [38])
Arthroskopische Arthrodese (Schneider 1983, Morgan 1987, Pierre 2002 [93]) Die Spantechniken wurden inzwischen zugunsten der Kompressionsarthrodesen weitgehend verlassen. Spantechniken verbinden Tibia und Talus durch die externe Verstrebung im Sinne einer Rahmenspannung oder Rahmenmontage. Nach Campbell wird ein Knochenspan aus der vorderen Tibia im Talus verbolzt und ein Steinmann- Nagel von plantar bis in den Talus geführt. Nach Wilson werden zwei Knochenspäne von Tibia und Fibula entnommen und als Knochenbrücken zwischen Tibia und Talus
Gipsverband mit der Gefahr der ungenügenden knöchernen Durchbauung und der Veränderung der ursprünglich eingestellten Fußposition.
Die Kompressionsarthrodesen sind Verfahren, bei denen die Knochen direkt durch Schrauben (6,5mm- oder 7,3mm-Spongiosa-Schrauben) gegeneinander fixiert und unter Kompression gebracht werden. Das bewirkt eine schnellere und sichere knöcherne Konsolidierung gegenüber der Knochenspan-Technik. Statt Schrauben sind auch Klammern oder Drähte gebräuchlich.
Ein temporäres Verfahren ist die Kompressionsarthrodese mit Fixateur externe. Sie wird bei Infektion des Gelenks, nach Trauma mit schwerem Weichteilschaden, nach septischer Endoprothesen-Lockerung, aber auch im osteoporotischen Knochen durch- geführt. Nachteilig ist die mögliche Infektion entlang der Steinmann-Nägel. Die Infektion bedingt Lockerung mit Korrekturverlusten der ursprünglichen Versteifungs- stellung. Die durchschnittliche Zeit für die knöcherne Konsolidierung beträgt 4,5 Monate (bei der internen Fixation 3 Monate) [108].
Abbildung 12: Schraubenarthrodesen des oberen Sprunggelenkes mit 2 bis 5 Schrauben [123]
Methoden der Kompressionsarthrodese: Nach Holz werden die Gelenkflächen und beide Knöchel mit einer oszillierenden Säge reseziert und Tibia und Talus gegen- einander mit 4,5 mm-Spongiosa-Schrauben fixiert. Bei guter Qualität der entnommenen Fibula kann diese als Knochenspan lateral für eine Knochenbrücke verwendet werden.
Vorteile sind die Möglichkeit zur Einstellung der Arthrodese unter Sicht und die hervorragende Stabilität. Am 11. postop Tag wird im Unterschenkelgehverband Vollbelastung angeordnet, nach durchschnittlich 10 Wochen ist nach definitiver
knöcherner Durchbauung kein Stützverband mehr notwendig [43]. Nachteil der Kompressionsarthrodese ist speziell im osteoporotischen Knochen das Problem eines nur unzureichenden Haltes der Schrauben im Knochen. Vorteile der internen Fixation sind die fehlende Gefahr einer Bohrlochinfektion, die Möglichkeit zur frühfunktionellen Nachbehandlung mit deutlich kürzeren Konsolidierungszeiten und ein minimaler Aufwand an Implantaten, wodurch das Auftreten von Wundheilungsstörungen minimiert wird. Kontraindikationen für die interne Fixation sind eine fortgeschrittene Osteoporose, Osteolysen (z.B. durch Infektion) und eine fortgeschrittene arterielle Verschlusskrankheit.
Die Kompressionsarthrodese mit Autokompressions-Winkelplatten [82] ist besonders für aseptische Sprunggelenke mit hochgradigen posttraumatischen degenerativen Veränderungen indiziert. Mit den Platten werden im Sinne einer Rahmenverspannung Tibia, Fibula und Talus miteinander verschraubt. Die Platten üben entsprechend ihrer Bezeichnung eine Kompression auf den Knochen aus und gehören damit in die Gruppe der Kompressionsarthrodesen. Die Vorteile der Kompressionsplatten sind die einfache technische Handhabung, die hervorragende Stabilität und die schnelle knöcherne Konsolidierung. Nach drei Monaten war eine Teilbelastung möglich [82], damit liegen die Autokompressions-Winkelplatten bzgl. der Dauer der knöchernen Konsolidierung hinter den Schrauben-Kompressionsarthrodesen, aber vor den Knochenspantechniken.
Die arthroskopische Arthrodese des OSG bleibt den Operateuren mit umfassender Erfahrung in der Sprunggelenksarthroskopie vorbehalten. Vorteile sind die Möglichkeit zur sparsameren Resektion mit einem geringeren Verlust an Rückfußhöhe und ein weichteilschonenderer Zugang mit geringeren postoperativen Schmerzen.
Achsenkorrekturen von mehr als 5° sind arthroskopisch nicht möglich. Anfänglich gab es eine hohe Anzahl von Pseudarthrosen. Pierre et al. hingegen berichtet von einer Pseudarthrosenrate von 15 % und einer knöchernen Konsolidierung nach 15 Wochen, beide Daten vergleichbar mit denen der offenen Arthrodese. Jedoch sei im Gegensatz zur offenen Methode der Krankenhausaufenthalt auf im Mittel 4 Tage verkürzt [93]. Zur Vervollständigung eine Einteilung nach der Lokalisation: Es sind die talocrurale (OSG), die pantalare (Double, Triple) und die subtalare (USG) Arthrodese zu erwähnen.
Abbildung 13: Schema verschiedener Schraubenarthrodesen über unterschiedliche Gelenke [123]
Komplikationen aller Arthrodesen sind die Verschiebung der Knochenflächen gegen- einander mit Verfehlen der Neutral-Null-Stellung im OSG, außerdem die Ausbildung einer Beugekontraktur zwischen 20° - 90° (Zeichen fehlender Verknöcherung), die Aus- bildung von Pseudarthrosen und plegischen Schlottergelenken. Nicht zu vergessen sind Wundheilungsstörungen mit einer hohen Infektionsrate. Diese Komplikationen werden begünstigt durch die anatomischen Verhältnisse des OSG, nämlich den kleinen Flächenkontakt bei hohen Hebelkräften durch Fixierung eines kurzen Hebels (Fuß) an einem langen Hebel (Unterschenkel).
Postoperativ ist nach der letzten Gipsabnahme in der überwiegenden Zahl der Fälle eine orthopädische Schuhversorgung im Sinne eines Arthrodesenstiefels (z.B. Variopromed stabil, Fa. Busch, Heilbronn) erforderlich. Die Schraubenarthrodesen sind primär übungs- und teilbelastungsstabil und frühfunktionell mit orthopädischen Schuhen im Sinne des Feststell-Abroll-Schuhes (Ruhigstellung des Operationsgebietes bei gleichzeitigem Ermöglichen / Erleichtern des Gehvorganges) zu versorgen. Im weiteren Verlauf ist eine Innenschuhversorgung oder eine Schuhzurichtung an Konfektionsschuhen in Form einer zurückverlegten Ballenrolle (Mittelfußrolle) mit zusätzlichem Rollabsatz angemessen. Die Abrollhilfen im orthopädischen Schuh oder als Schuhzurichtung helfen, die Entwicklung von Anschlussarthrosen hinauszuzögern.
Die verbreitete Arthrodese bei posttraumatischer Arthrose ist in der Klinik für Unfallchirurgie der MH Hannover die Schraubenarthrodese nach Zwipp.
Abbildung 14: Schraubenarthrodese nach Zwipp [127][128][126]
Sie gehört zu den talocruralen internen Kompressionsarthrodesen, ist aber auf eine pantalare Arthrodese im Sinne einer Double- oder Triple-Arthrodese erweiterbar. Der Zugang ist der anteriore Zugang zum oberen Sprunggelenk. Verwendet werden 4 Stück 6,5-mm-Spongiosa-Schrauben. Zwei Schrauben werden in die distale Tibia von anterior gesetzt und fassen den posterioren Anteil des Talus. Mit diesen Schrauben wird der Winkel zwischen Tibia und Talus bestimmt, der vorzugsweise 90° betragen sollte, da der rechte Winkel biomechanisch günstiger ist und somit weniger Anschlussarthrosen nach sich zieht (s.o.). Die dritte Schraube fasst, ausgehend vom posterioren Malleolus medialis, die antero-laterale Portion des Caput tali. Diese Schraube ist die Längste der 4 Schrauben. Dadurch gibt sie viel Kompression auf die Gelenkflächen. Für die Platzierung dieser Schraube ist eine Stichinzision notwendig. Die vierte Schraube läuft quer von lateral nach medial und fixiert, ausgehend vom lateralen Malleolus und endend im medialen Corpus tali, den lateralen Teil der Knöchelgabel. Sie bezieht die Fibula mit ein und bringt dadurch zusätzliche Verwringungssteifheit. Auch für diese Schraube ist eine Stichinzision notwendig.
1.3.4 OSG-Totalendoprothese
Eine Alternative zur OSG-Arthrodese ist die OSG-Totalendoprothese geworden. Die Entwicklung der OSG-TEPs begann mit Lord und Marotte 1970 [73]. Anschließend erfolgte eine langwierige Entwicklungsphase (gekoppelt und zementiert) in den 70er und 80er Jahren. Häufige Komplikationen waren Wundheilungsstörungen, Infektionen und aseptische Lockerungen. Rettungsoperationen endeten mit ausgedehnten Fusionen, häufig auch Amputationen. Probleme beim Implantieren der Prothesen ergaben sich
die Biomechanik (Kopplung) und durch das schwierige Ausbalancieren der Bänder
[23]. Die zementfrei implantierbaren 2- und 3-Komponenten-Designs (s. Abb. 15) der 2. Generation der OSG-TEPs zeigen bei besserer Verteilung des Kraftflusses längere Standzeiten [116]. Durch die Freigabe der Beweglichkeit wurde die Knochen- Prothesen-Verankerung erheblich entlastet, so daß eine zementfreie Implantation möglich wurde.
Auf dem Markt sind das Agility-Ankle-System (Fa. DePuy)), die S.T.A.R.
(Scandinavian-Total-Ankle-Replacement)-Prothese (Fa. Link), die LCS-Prothese (Buechel-Pappas), die Hintegra- (B. Hintermann), die Salto- (T. Judet) und die Ramses- Prothese (G. Mendolia).
[123]
Abbildung 15: Unterschiedliche Prothesenmodelle
A: einachsiges Gelenk (2 Komponenten): 1: Talus- (Metall), 2: Tibiakomponente (Polyethylen) B: mehrachsiges Gelenk (2 Komponenten): 1: Talus- (Metall), 2: Tibiakomponente (Polyethylen) C: Gelenk mit beweglichem Inlay (3 Komponenten): 1: Talus- (Metall), 2: Bewegliches Inlay (Poly- ethylen), 3: Tibiakomponente (Metall)
Tabelle 5: Komplikationen (Agility):
Revision talare Komponente 3 %
Revision tibiale Komponente 1 %
Revisionsarthrodese 1 %
oberflächliche Wundinfektion 2 %
tiefe Infektion 1 %
verzögerte / ausbleibende Heilung der Syndesmose 29 % / 9 %
Kontraktur in Plantarflexion 50 %
[23]
Eine Kontraktur in Plantarflexion (s. Tab. 5) ist abhängig von präoperativem Ausgangszustand (z.B. Weichteilschaden) oder postoperativ eingetretenen Faktoren (z.B. verlängerte Ruhigstellung) zu behandeln, etwa durch Verlängerung der Achillessehne oder durch selektive Verlängerung des M. gastrocnemius im muskulotendinösen Übergang. Wichtig ist eine erhaltene kraftvolle Plantarflexion zum Abheben der Ferse für ein normales Gangbild. Spätkomplikation ist die Lockerung insbesondere der talaren Komponente. Pyevich berichtet 1998 von sehr ermutigenden Ergebnissen mit deutlicher Reduktion der Schmerzen bei 98% der Pat. Radiologisch beunruhigende Befunde korrelierten nicht mit der positiven Klinik [96]. Hintermann berichtet 1999 in einer Nachuntersuchung von 50 S.T.A.R.-Prothesen (Nachunter- suchungszeitraum max. 2 Jahre) von einer hohen Zufriedenheit der Pat. (91%). Die Pat.
konnten mit sofortiger Vollbelastung und funktioneller Behandlung nach 6 Wochen postoperativ ins Berufsleben zurückkehren [42].
Tabelle 6: Komplikationen (STAR)
Revision Fibulaspitze nach Impingement 6 %
Achillessehnenverlängerung 2 %
Wundheilungsstörungen 2 %
Arthrolyse posteromedial 2 %
Stressfraktur der Tibia 2 %
[42]
Kitaoka et al. (Mayo-Sprunggelenkprothese) riet 1996 nicht mehr zur Implantation einer OSG-TEP, im Hinblick auf die hohe Rate an Komplikationen (talare Auslockerung 57%). Die radiologischen Veränderungen postoperativ hielt er bei fehlender Klinik für Vorboten von Komplikationen [60]. Kofoed konstatierte 2004 einen erstaunlicherweise exzellenten Verlauf der 2. Prothesen-Generation. Die 12-Jahres-Bilanz zeigt Über- lebensraten von über 90 %, vergleichbar mit Hüft- und Knie-Prothesen [61]. Alle Autoren sind sich einig, dass die zementfreie OSG-TEP der zementierten weit überlegen ist. Zudem ist die gründliche Selektion der für die Operation geeigneten Pat.
wesentlich. Der jüngere Pat., der sein Sprunggelenk dauerhaft schwer belastet sowie der deutlich übergewichtige Pat., sollte für eine OSG-Arthrodese vorgesehen werden.
Indikation: - älterer Pat., moderates Aktivitätslevel, gute Knochenqualität Kontraindikation: - neuropathische degenerative Gelenkerkrankungen
- Hypermobilität des OSG durch Grunderkrankung (z.B. Ehlers-Danlos-Syndrom)
- Starke Rückfußfehlstellungen (Varus-/Valgus-Stellung > 30°) - Schwerste Weichteilschädigungen im Bereich OSG
- schwere sensorische/motorische Dysfunktionen im Bereich untere Extremität
- Osteonekrose des Talus, Knochendefekte
[114][115][116]
Nach den ersten Misserfolgen mit der 1. Prothesengeneration sind die Probleme mit einer kritischen Selektion der Patienten auf das übliche Komplikationsniveau in der Prothetik zu begrenzen. Zudem wird der weiterentwickelten 2. Sprunggelenks- prothesengeneration eine weitere Verbesserung zugetraut. Die Sprunggelenks- endoprothetik ist eine Alternative zur Arthrodese geworden. Bei sparsamer Resektion des Knochens im Zuge der Prothesen-Implantation bleibt die Möglichkeit zur anschließenden (Rettungs-)Arthrodese weiter offen.
1.4 Bildgebung für das obere Sprunggelenk
1.4.1 Röntgen
Zur Beurteilung der Arthrose im oberen Sprunggelenk ist die reduzierte Gelenkspaltweite (Normwert 3 - 4 mm) und die subchondrale Sklerosierung und ggfs.
Zystenbildung richtungweisend. Die Rückfuß-Geometrie lässt sich in der seitlichen Aufnahme des Fußes beurteilen. Parameter dabei sind:
1) Tubergelenkwinkel 30 - 40° (Winkel zw. Tuber calcanei und der unteren Sprunggelenkfläche)
2) Calcaneus-Achse - mediale Fußlängsachse 144° ± 5°
3) Tangente Calcaneus – Os metatarsale V 150 - 170° (jeweils Unterkante) 1.4.2 Computertomographie
Die Computertomographie (CT) ergibt die differenziertesten Aussagen über Knochenfragmente und Gelenkverhältnisse. Als präoperative Diagnostik zur
Bestimmung der frakturierten Gelenkflächen und deren Rekonstruktion ist das CT wesentlich.
1.5 Präzision der Computertomographie
Zur Akquisition der relevanten Bilddaten für die Computer-assisted Surgery ist die Ortsauflösung der Bildgebung besonders für spätere Präzisionsanalysen entscheidend.
Die Ortsauflösung [mm/Pixel] ist abhängig von der Anzahl der Pixel und der Größe des Messfeldes. Die 4. Generation der CT-Geräte hat eine Ortsauflösung von 512 Pixeln, verteilt auf ein Messfeld von 500 mm2 (Becken). Entsprechend der Formel Wpixel = DFOV / Npixel ergibt sich eine Auflösung von 1 mm/Pixel, wobei W (Width) des einzelnen Pixel definiert wird als Durchmesser (Diameter) des Scanvolumens (FOV = Field of View) dividiert durch die Anzahl der Pixel. Diese Auflösung bezieht sich jedoch nur auf die x- / y-Scanebene, nicht aber auf die z-Ebene. Letztere wird beein- flusst durch die Schichtdicke aber auch durch den Rekonstruktionsindex in der z – Ebene [53]. Da für den Export in das Navigationssystem jedoch die Daten ohne Rekonstruktionen übernommen werden, ist eine konstante Abhängigkeit nur von der Schichtdicke vorhanden.
Störungen der Bildgebung entstehen durch Artefakte in der radiologischen Bildgebung oder durch das bildgebende System (Abb. 16). Ursachen für Artefakte sind Patientenbewegungen während der Scanphase oder Aufhärtungs- und Teilvolumen- artefakte durch Metallimplantate.
Abbildung 16: Bildpunktrauschen. Links: Metallartefakt an einem Kunststoff-Becken mit supra- acetabulärem Fixateur externe. Rechts: Höherer Röhrenstrom ergibt ein deutlich reduziertes Bildpunktrauschen.
Rauschstrukturen mit Unterdrückung der Kontrastunterschiede umgebender kontrast- armer Gewebe.
1.6 Computer-assistierte Chirurgie (CAS)
In der Literatur hat sich der Begriff CAS (“Computer Assisted Surgery”) für die Computer assistierte Chirurgie durchgesetzt. Weitere Begriffe sind „Computer Integrated Surgery“, „Computer Aided Surgery“ oder „Image Guided Surgery“. Diese Begriffe beschreiben eine computergestützte Integration von Bilddaten in die chirurgische Therapie.
Erst die CT-Technologie mit digitalen Bilddaten machte einen direkten Bildtransfer in die klinische Anwendung möglich. Die reduzierte Bildqualität des intraoperativ verwendeten Bildwandlers zeigte im Vergleich zu den präoperativ angefertigten detaillierten CT-Bilddaten erhebliche Defizite. Das wurde besonders deutlich in der Becken- und der Wirbelsäulenchirurgie. Die Entwicklung einer integrierenden Technologie wurde angestrebt.
Schon in den 80er Jahren konnte in der Neurochirurgie mit Hilfe der Stereotaxie der Eingriff am Gehirn präziser und weniger invasiv durchgeführt werden. Dazu wurde dem Patienten vor Anfertigung der präoperativen Röntgenaufnahmen ein Rahmen an die Schädelkalotte montiert. Nach durchgeführten Röntgenaufnahmen in mehreren Ebenen konnten intraoperativ im rahmenbezogenen Koordinatensystem gezielt bestimmte Punkte bestimmt werden. Das Verfahren blieb auf die Qualität der additiven Röntgenaufnahmen beschränkt. Mit Entwicklung der CT konnte die Stereotaxie auf diese Schichtaufnahmen umgestellt werden. Jedoch konnten weiterhin nur lineare Trajektorien (Pfade, die zum Objekt führen) in Bezug auf den Rahmen geplant werden
[8][92]. Der erreichten Präzision standen zudem ein zusätzlicher Eingriff für die Rahmenapplikation, eine erhebliche Einschränkung des Patienten bis zur Operation und Kompromisse bei der Sterilität gegenüber.
Die Entwicklung der rahmenlosen Stereotaxie machte einen intraoperativen Abgleich zwischen CT-Bilddatensatz und Patient erforderlich: die Registrierung (s. Abb. 17).
Abbildung 17: Prinzip der Registrierung: Das therapeutische Objekt (hier: das Becken) muss mit dem virtuellen Objekt (dem Datensatz) abgeglichen werden. Dies geschieht über die Registrierung. Hilfsmittel sind der Computer und die optoelektronische Kamera. Die eigentliche Registrierung muss jedoch der Operateur durchführen.
Bei der Registrierung müssen im Idealfall drei Punktepaare am Skelett und im CT- Datensatz identifiziert und zur Deckung gebracht werden. Dieser Abgleich wird Paar- Punkt-Registrierung (PPR) genannt. Die Berechnung der Transformation auch der übrigen Punkte des Datensatzes und die Berechnung des Fehlers beruht auf iterativen Algorithmen oder Berechnungen der „absoluten Orientierung“ mit Quaternionen
[44][95]. Ist die Registrierung präzise durchgeführt worden, ist theoretisch jeder weitere Punkt des Bilddatensatzes ebenfalls deckungsgleich mit dem des Patienten. Die ersten kommerziellen Anwendungen in der Neurochirurgie erfolgten mit aufklebbaren Elektroden oder in die Kalotte eingebrachten Markern. Somit konnte nach korrekter Registrierung jeder Punkt intrakraniell (z. B. ein Tumor) mit einem an das System angeschlossenen (navigierten) Instrument ebenso präzise angesteuert werden.
Als erste Anwendung am Skelett außerhalb des Schädels erfolgte die Pedikelschrauben- applikation an der Wirbelsäule. Sie wurde Ende der 80er Jahre entwickelt und ab Anfang der 90er Jahre klinisch eingesetzt [85]. Die Registrierung erfolgte im Verfahren der Paar-Punkt-Registrierung mit anatomisch markanten Punkten („Landmarks“) (Abb. 18).
Abbildung 18: Registrierungstechniken
Links: Paar-Punkt-Registrierung (PPR) am Beispiel der Wirbelsäule: Prä- und intraoperativ muss der zu operierende Wirbelkörper identifiziert werden. Die roten Punkte markieren die präoperativ am Monitor gewählten Punkte für die PPR („Landmarks“), die grünen die korrespondierenden intraoperativ aufgefundenen Punkte. Im gewählten Beispiel besteht im kranialen Anteil des Wirbelkörpers weitestgehend Deckungsgleichheit, kaudal liegen die geplanten und intraoperativ ausgewählten Punkte auseinander.
Rechts: Oberflächenregistrierung (OR): Der Operateur wählt beliebige zwölf Punkte auf der Knochenoberfläche. Voraussetzung für eine hohe Präzision ist die Verteilung der Punkte entsprechend der Anatomie des Knochens und die korrekte Segmentierung des Datensatzes, also nahe der wahren Knochenoberfläche.
Da dieses Verfahren in der klinischen Praxis nicht ausreichend präzise durchführbar war, wurde zusätzlich die Oberflächenregistrierung entwickelt. In den ersten Entwicklungsstufen wurden 50 – 200 beliebig auf der Knochenoberfläche aufgenommene Punkte benötigt [71]. Das dann verfügbare Punkte-Netz wurde unter Verwendung von Algorithmen mit der segmentierten Knochenoberfläche verglichen.
Mit dieser Methode konnte zwar ein sehr viel genauerer Abgleich als mit der PPR erzielt werden, nachteilig blieb jedoch die hohe Anzahl an Punkten, welche digitalisiert werden mussten. Deswegen wurden die Algorithmen weiterentwickelt. Zurzeit sind für eine präzise Oberflächenregistrierung nur noch etwa 12 - 15 Punkte erforderlich [8]. Mit den bisher verfügbaren CT-basierten Modulen können Operationsschritte wie Pedikelschraubenapplikationen, Bohrungen oder Osteotomien durchgeführt werden
([63][65][68][69][70][72]). Bis zu Beginn dieser Arbeit existierten nur wenige Arbeiten zur Präzision der navigierten Bohrungen [8], die zudem nicht klinisch orientiert waren.
2 Fragestellung und Zielsetzung
Die „Computer-assisted surgery“ (CAS) ermöglicht z.B. in Form des Spine Moduls von Surgigate, PRAXIM-Medivision, navigierte Bohrungen. Der Chirurg führt die Instrumente und kann diese dabei ständig in Richtung und Position mit den auf der Navigations-oberfläche geplanten Wegen (Trajectory) kontrollieren.
Durch die Navigation kann die Präzision chirurgischer Maßnahmen am Knochen deutlich erhöht werden, einerseits um vulnerable Strukturen (z.B. Spinalnervenwurzeln) zu schonen, andererseits um die Knochensubstanz durch Vermeidung von Fehlbohrungen zu schonen. Nach Fehlbohrungen verliert der Knochen Substanz, die für einen festen Halt der zu setzenden Schrauben wichtig ist.
Die Präzision ist abhängig von der Bildgebung, der Registrierung und der intraoperativen Kalibrierung. Der Einfluß der Steifigkeit des Bohrers, resultierend aus Bohrerdurchmesser und Bohrerlänge, ist bis zum Zeitpunkt der Untersuchung (2000/2001) nicht untersucht.
Präoperativ erfolgt die Planung des Bohrkanals, wobei Parameter wie Durchmesser von Bohrer und Schraube vorher einzugeben sind. Intraoperativ wird die kalibrierte Bohrerspitze navigiert. Dabei nimmt der Computer den Bohrer als starr an und stellt den Bohrer als eine Achse vom LED-Schild am Handgriff der Bohrmaschine bis zur Spitze des Bohrers dar. In der Realität bleibt der Bohrer nicht starr und biegt sich unter Einwirkung der Kräfte, die auf ihn durch das Material und durch den Chirurgen wirken.
Abbildung 19: Reale Bohrerbiegung Abbildung 20: Darstellung des Bohrers (grün)
Abbildung 21: Reale Bohrerbiegung Abbildung 22: Darstellung Amstutz et. al. S. 124 [4]
Das Navigationssystem, basierend auf den CT-Daten des Patienten, kann die Biegung des Bohrers nicht darstellen. Vertraut der Chirurg in diesem Moment dem Navigationssystem, so verläßt er in der Überzeugung, den Bohrer entlang des geplanten Bohrkanals zu führen, den geplanten Bohrkanal. Da stellt sich die Frage nach der Präzision des Navigationssystems. Wie genau kann die Navigation sein? Ist die Navigation eine valide Hilfe? Ist die vermeintliche Genauigkeit, die durch eine sehr klare Darstellung suggeriert wird, überhaupt vorhanden?
In anderen Arbeiten der CAOS-AG der Unfallchirurgischen Klinik der MH Hannover wurden folgende für die Präzision wesentlichen Arbeitsschritte evaluiert:
Präzision der Bildgebung anhand der zur Verfügung gestellten CT-Daten Präzision der Registrierung
Ziel dieser Arbeit war die Evaluation der Präzision der Bohrungen
Dazu wählten wir die Arthrodese des oberen Sprunggelenks nach Zwipp als Untersuchungsmedium, auf der einen Seite mit der Unterstützung des Navigationssystems, auf der anderen Seite unterstützt durch das Fluoroskop nach herkömmlicher Art.
Doch vor Beurteilung von Schraubenlagen wurden die Untersuchungen mit der Vermessung von „navigierten“ Bohrkanälen begonnen, mit der Frage, wie genau man bohren kann, ohne Einfluß von Material, erschwerenden Umständen bei den Bohrungen oder sonstige erschwerende Faktoren. Zur Evaluation der Präzision wurden zuerst
Quadern, jeweils mit verschiedenen Standard-Bohrern.
Anschließend wurde an Kunststoffmodell-Knochen, dann an Kadaverknochen mit Hilfe einer nachgestellten Operation einer Arthrodese des oberen Sprunggelenks nach Zwipp die Bohrungen durchgeführt, Gewinde geschnitten und die Schrauben eingedreht. Bei der Untersuchung der Bohrgenauigkeit wurde ergänzend die benötigte Gesamtzeit und die Durchleuchtungszeit (Fluoroskop) betrachtet. Die Schraubenlage war mit postoperativen CTs zu beurteilen.
Abschließend wurde im Vergleich zur herkömmlichen OP-Methode die Operation mit Hilfe der Navigation nach Genauigkeit und OP-Zeit beurteilt und ein Nutzen der Navigation speziell für Operationen am Fuß beurteilt.
3 Material und Methoden
3.1 Navigationssystem (CAS)
Das von uns verwendete Navigationssystem arbeitet mit einem CT-Datensatz des zu behandelnden Patienten. Dieser Datensatz wird orts- und zeitunabhängig von der Operation angefertigt. Intraoperativ muss vor Beginn der Navigation ein Abgleich (Matching = Registrierung) des CT-Datensatzes (virtuell) mit dem Patienten (real) erfolgen. Mittels Infrarot-Signalen kann dann die Kamera Patienten und Instrumente im Raum ausrichten und über den Monitor darstellen. Das von uns verwendete Navigationssystem ist ein passives System. Die Kamera empfängt die Signale aus dem Operationsgebiet, ohne vorher Signale aussenden zu müssen. Errechnet das Navigationssystem eine kleinstmögliche Abweichung von virtuellem und realem Gegenstand, so ist die Navigation zuverlässig durchführbar.
3.2 Hardware
Die Hardwarekomponenten des verwendeten Navigationssystems „Surgigate“ (Fa.
PRAXIM-Medivision, La Tronche, France) bestehen aus Kamera, Workstation und Monitor, die auf einer mobilen Einheit montiert sind.
Abbildung 23: Mobile Kamera Abbildung 24: Mobile Workstation
Abbildung 25: navigierte Instrumente (von links nach rechts): 1 dynamische Referenzbasis (DRB), 2 Pointer gerade, 3 Pointer gebogen, 4 Bedienelement mit Kalibriereinheit, 5 navigierte Bohrmaschine
Unabdingbar für die navigierten Bohrungen ist die Kalibrierung der unterschiedlichen Bohrerlängen mittels Kalibriereinheit. Erst danach kann das Navigationssystem die Position der Bohrerspitze genau berechnen.
Abbildung 26: Aufbau Kalibrierung 1: 1 DRB, 2 Pointer, 3 Kalibriereinheit, 4 Bohrmaschine, 5 Stroberbox, 6 3-D-Magnetfuß, 7 Monitor, 8 Infrarot-Kamera, 9 Spongiosaquader
Abbildung 27: Aufbau Kalibrierung 2: Nummerierung wie Abb. 26
Abbildung 28: Verbesserungswürdige Kalibrierung: 3,8mm (sollte <2mm sein), angegeben wird außerdem die Entfernung der Instrumente zur Kamera
Die Bestimmung der Lage der Instrumente im Raum ist mit 3 LEDs präzise möglich.
Für eine höhere Präzision und Redundanz (Ausfallsicherheit) verwendet der Hersteller 4 LEDs pro Instrument. Die Instrumente sind jeweils mit einem Kabel zur Versorgung der LEDs versehen. Alle Instrumente werden an die Verteilerbox (Stroberbox) angeschlossen. Hier erfolgt die Identifikation der Instrumente. Das System kann 12 Instrumente parallel identifizieren und navigieren.
Prinzip „Dynamische Referenzierung“:
Im Gegensatz zur Neurochirurgie ist es in der Orthopädie und Unfallchirurgie nicht möglich, den Patienten am Operationstisch absolut fest zu fixieren. Darum wurde das Prinzip der dynamischen Referenzierung eingeführt. Die dynamische Referenzbasis (DRB) ist ebenfalls mit 4 LEDs bestückt und wird direkt am zu operierenden Knochen befestigt. Die DRB definiert das Koordinatenkreuz mit dem Schnittpunkt von x- (Abszisse), y- (Ordinate) und z-Achse. Durch die Fixierung der DRB am Knochen wird das Zentrum des Koordinatensystems relativ zum virtuellen Objekt genau festgelegt und darf für die Dauer der Navigation nicht verändert werden. Löst sich die DRB unglücklicherweise vom Knochen, so muss die Navigation neu eingeleitet werden, beginnend mit der Registrierung.
3.3 Software
Verwendet wurde das handelsübliche Softwarepaket („Surgigate“, Fa. PRAXIM- Medivision) zur Applikation von Pedikelschrauben im Rahmen der Wirbelsäulen- osteosynthese aus dem Programm „Spine“. Enthalten sind Module zur Datenakquisition von verschiedenen CT-Scannern, zur präoperativen Planung, zum intraoperativen Instrumenten-Check, zur Registrierung und zur intraoperativen Navigation.
3.4 Bohrer
Die Untersuchungen wurden mit Bohrern der Fa. Clinical House (vormals Synthes), Bochum, durchgeführt. Folgende Abmessungen wurden als praxisrelevant eingeschätzt.
Tabelle 7: Bohrerdaten
Bohrerbezeichnung 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Bohrerdurchmesser 2,5 2,5 2,5 3,2 3,2 3,2 3,5 3,5 3,5 4,5 4,5 4,5
Bohrerlänge 1 88 134 159 123 173 227 86 201 229 154 193 214
Bohrerlänge 2 113 160 184 148 198 253 112 227 258 182 221 242
Alle Bohrer wurden bei der Fa. für Mess- und Prüftechnik Perschmann GmbH, Braunschweig, optisch vermessen. Benutzt wurde dazu der Toolmaster 4, ein Werkzeugeinstellgerät der Fa. PWB, Schweiz.
In das Bohrfutter des Toolmaster 4 wird der zu vermessende Bohrer mit den gleichen Längenparametern wie beim Bohren eingespannt. Weißes Licht wird jetzt über Spiegel so umgelenkt, daß man ein Schattenbild erhält, auf dem der Bohrer als Punkt dargestellt wird. Das Schattenbild stellt also einen transversalen Schnitt durch den Bohrer dar. Auf dem Hintergrund für das Schattenbild befindet sich ein Fadenkreuz, das vorher mit dem Zentrum des Bohrfutters als Null abgeglichen wurde. Die Abweichungen werden auf dem Schattenbild mit 20-facher Vergrößerung dargestellt, die Messunsicherheit liegt bei 0,002mm. Im Prüfprotokoll nach der Richtlinie VDI/VDE/DGQ 2618 Blatt 27 Ü wurden zu jedem Bohrer 2 Messpunkte angegeben:
1. Rundlauf: Entscheidend ist der Punkt des Schaftes des Bohrers, der die größte Abweichung von der idealen Kreisbahn aufwies; der Wert bezeichnet die Abweichung dieses Punktes von der Kreisbahn.
2. Abweichung der Bohrerspitze von der Bohrerachse.
Für die Bohrer ergab sich ein Rundlauf im Mittel von 0,0173 mm ± 0,0132 mm. Die Abweichung der Bohrerspitze von der Bohrerachse betrug im Mittel 0,3845 mm ± 0,3126 mm.
3.5 Präoperative Planung
Nach der Akquisition der CT-Daten werden die Bilddaten in den drei Raumebenen angezeigt. Der Operateur führt die Segmentierung manuell durch. Dabei legt er die Sichtbarkeits–Schwelle (Threshold) des Knochenfensters fest (Erosion). Dies kann Schwierigkeiten bereiten bei verminderter Knochendichte durch eine manifeste Osteoporose oder bei verminderter Bildqualität durch Artefakte, hervorgerufen durch Metallimplantate. Nun wird manuell der zu bearbeitende Teil der Daten, das „Volume of Interest“, definiert (Selektion). Das ist z.B. der zu operierende Wirbelkörper, auch Zielvolumen genannt. Damit wird der Datensatz auf die für die jeweilige Operation notwendigen Daten reduziert, wodurch die Software sicherer und schneller arbeitet.
Die nach der Segmentierung vorhandenen Daten sind die Grundlage zur Berechnung der Oberflächenkarte für die präoperative Planung und die intraoperative Durchführung der Registrierung. Ein großer Vorteil des Systems ist, dass im Vergleich zu anderen Systemen die manuelle Definition neben den Standardapplikationen (z.B. Wirbelsäule, periacetabuläre Osteotomie) auch individuelle Planungen und Operationen erlaubt.
Im Operationssaal wird die Kamera so positioniert, dass eine freie Sicht zur dynamischen Referenzbasis und den mit LED bestückten Instrumenten gewährleistet ist. Der Abstand zwischen der Kamera und der DRB sollte zum Erreichen der größtmöglichen Präzision ca. 2,25m betragen. Die Sicht des Chirurgen auf den Monitor darf nicht beeinträchtigt sein. Die Verteilerbox (Stroberbox) wird mit den Instrumenten bestückt und mit der Workstation verbunden. Der Datensatz des Patienten wird aufgerufen. Jetzt erfolgt die Kontrolle der Instrumente („Tool Check“) und die Montage der DRB an den zu operierenden Knochen. Nach der Registrierung kann der Patient bewegt werden, da die Bewegungen und die Instrumente relativ zum lokalen, mittels der DRB am Patienten fixierten Koordinatensystem erfolgen. Die wesentliche Voraussetzung für eine erfolgreiche Navigation ist die feste Verbindung der DRB ohne Relativbewegungen zum betroffenen Knochen, dem Zielvolumen.
3.7 Registrierung
Da der CT-Datensatz des Patienten zeit- und ortsunabhängig von der Operation erhoben wird, muss intraoperativ vor Beginn der Navigation ein Abgleich (Matching - Registrierung) des CT-Datensatzes mit dem dargestellten Knochen des Patienten erfolgen. Das virtuelle Bild muss mit dem realen Objekt in Übereinstimmung gebracht werden (Transformation).
Dazu wird an dem Patienten die dynamische Referenzbasis (DRB) fixiert. Die DRB wird an dem für diese Operation zentralen Knochen befestigt. Das ist z.B. der Zielknochen für die zu setzenden Schrauben.
Dem Navigationssystem wird der Sitz der DRB über die Registrierung präzise vermittelt, so daß die CT-Daten entsprechend der Lage des Patienten im Raum ausgerichtet werden. Dies geschieht über Signale im Infrarot-Bereich, indem die Kamera die Signale, die von der DRB ausgesendet werden, empfängt und zur Verrechnung weiterleitet.
Das Surgigate System vereinigt zwei Techniken:
1. Paar-Punkt-Registrierung (PPR): Die präoperativ definierten vier bis sechs markanten Punkte (z.B. an der Wirbelsäule: Dornfortsatz, Facettengelenke) werden intraoperativ nacheinander mit dem Pointer aufgesucht und digitalisiert. Die Lokalisation dieser digitalisierten Punkte relativ zum bekannten Koordinatensystem
der DRB wird durch einen Algorithmus mit der Lokalisation der präoperativ definierten Punkte (Landmarks) im Raum verglichen. Nach Lavallée handelt es sich um eine Starrkörpertransformation mit den Referenzmerkmalen der korrespondierenden Punktepaare [71]. Der durchschnittliche Fehler wird angezeigt.
Für eine ausreichende Präzision während der Navigation sollte dieser nach Herstellerangaben weniger als 2 mm betragen.
2. Oberflächenregistrierung (OR): Da intraoperativ die zu den präoperativ definierten Punkten korrespondierenden Punktepaare oft nur schwer aufzufinden sind, ist die Genauigkeit der oben beschriebenen PPR oft erheblich eingeschränkt. Eine Lösung zur Verbesserung der Präzision und Vereinfachung der Methodik ist die Oberflächenregistrierung. Dabei wird mit dem Pointer die intraoperative Knochenoberfläche segmentiert und mit der präoperativen Segmentierung verglichen. Diese Technik setzt die absolut sichere Digitalisierung der Knochen- oberfläche voraus. Um die Zahl der zu digitalisierenden Punkte gering zu halten (üblich waren bisher 50 – 100 Punkte), haben Bächler et al. den „Restricted Surface Matching“-Algorithmus entwickelt [8]. Unter Verwendung der Starrkörper- transformation durch die PPR wird eine initiale Transformation erreicht, entsprechend einer ersten Annäherung. Die Optimierung durch die OR wird so auf die Umgebung der ersten Annäherung beschränkt. Es sind dadurch nur noch 12-15 Punkte notwendig, welche den zu operierenden Knochen repräsentieren. Durch den Algorithmus wird das globale Minimum für die endgültige Starrkörper- transformation gesucht, entsprechend der Lösung im zweiten Schritt.
In Präzisionsanalysen am Becken konnte mit mathematischen Störfunktionen folgendes festgestellt werden:
1. Bis zu einer Störgröße von 1 mm lässt sich eine sehr hohe Stabilität nachweisen.
2. Innerhalb der Region of Interest (ROI) lässt sich eine Präzision von 1,5 ± 0,8 mm nachweisen. (Präzision ist hier definiert als Abweichung der realen Position von definierten Punkten am Objekt vs. der virtuell angezeigten Position). [8][34]
3.8 CT-Bildgebung
Die CT-Datensätze wurden erhoben mit einem Spiral-CT der 5. Generation (Somatom +4, Fa. Siemens, Erlangen, Standort Abt. Diagnostische Radiologie I der Medizinischen
wurde das folgende, für die Beckenchirurgie relevante Scan- Protokoll gefahren: 140 kV, 80 mAs mit Rotationszeit 0,5s (ergibt effektiv 40 mAs), Schichtdicke 2 mm (kolliminiert 1 mm), Tischvorschub 4 mm pro Umdrehung und Rekonstruktionsabstand 2 mm (Rekonstruktionsalgorithmus BF60). Mit dem Team aus der Radiologie wurde vereinbart, die Füße wie nach dem Beckenprotokoll von proximal nach distal zu scannen. Die Rohdaten wurden unkomprimiert abgespeichert.
3.9 Vorversuche „3-D-Schablone“
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 Außenabmessungen 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
