Ein Bordcomputer für die Chirurgie

Wie ein modernes Navigationssystem im Auto dem Fahrer den richtigen Weg weist, kann auch ein eigens für diesen Zweck konstruierter "Bordcomputer" dem Chirurgen helfen, schwierige Operationen mit hoher Präzision durchzuführen. Stefan Hassfeld und Rüdiger Marmulla von der Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie des Universitätsklinikums Heidelberg erläutern anschaulich, wie "Bordcomputer" und Roboter dazu beitragen, dass Operationen äußerst genau und sicher erfolgen. Letztlich trifft jedoch allein der menschliche Chirurg – wie der Fahrer im Wagen – die Entscheidung, welcher Weg eingeschlagen wird.

"Fahren Sie nach einem Kilometer ab, und folgen Sie dann der B1..." – der Bordcomputer in Ihrem Auto weiß stets, wo Sie sich befinden. Immer wieder aufs Neue gleicht er die Entfernung zu den vier dafür zuständigen Satelliten ab und errechnet aus diesen vier Werten die Position Ihres Wagens. Der Fachmann nennt dies "Triangulation".

Der Monitor des Bordcomputers mit chirurgischem Instrument (blau) und Fremdkörper (rot umrandete Zielstruktur).

Die errechnete Position wird zunächst intern in einem festen globalen Koordinatensystem gespeichert und anschließend auf das spezifische Koordinatensystem des zu Grunde liegenden Kartenmaterials transformiert. Die Berechnungen erfolgen im Hintergrund. Der Bordcomputer bietet dem Fahrer des Wagens ausschließlich die Informationen, die für ihn aktuell und relevant sind.

Ähnlich wie die vier Satelliten die Position eines Fahrzeugs erkennen, messen beim navigierten Operieren zwei externe Kameras, welche Position das chirurgische Instrument hat. Mit dem Verfahren der Triangulation werden die exakten Koordinaten in Bezug zum Patienten errechnet. Der chirurgische "Bordcomputer" berechnet außerdem die Korrelation zwischen den Instrumenten, dem Patienten und dem medizinischen "Kartenmaterial". Dieses besteht nicht – wie bei der Navigationshilfe für Ihr Fahrzeug – aus zweidimensionalen Straßenplänen, sondern aus computer- und/oder magnetresonanztomographischen Aufnahmen, die ein dreidimensionales Abbild des Patienten wiedergeben.

Der Chirurg kann den gesamten operativen Eingriff auf dem Bildschirm verfolgen: Müssen Knochenstücke verschoben werden, wird die ursprüngliche Position in das "Kartenmaterial" – die mit Hilfe eines Computertomographen (CT) erstellten Bilder – eingezeichnet (rot); die Sollposition ist grün gekennzeichnet.

Noch ein weiterer Unterschied besteht zwischen dem navigierten Automobil und der navigierten Chirurgie. In der Chirurgie gibt es kein festes unabhängiges Koordinatensystem: Jeder Patient führt gleichsam sein eigenes Koordinatensystem mit sich. Um das Koordinatensystem des Patienten mit dem mit Hilfe der Computer- oder Magnetresonanztomographie gewonnenen Datenmaterial (CT- und MRT-Aufnahmen) in Deckung zu bringen, erfolgt eine so genannte Registrierung. Was dazu benötigt wird, ist ein Bindeglied zwischen der virtuellen Welt (den CT-Bildern) und der "realen Welt" des Patienten.

Um dieses Bindeglied zu finden, sind zwei unterschiedliche Wege möglich. Auf dem ersten Weg erfolgt ein Übergang von der virtuellen zur realen Welt. Dazu ist es nötig, die Bildgebung gemeinsam mit "Landmarken" (fachsprachlich "Fiducials" genannt) durchzuführen, die im CT-Datensatz klar zu erkennen sind. Diese Marker sind meist aus Titan und lassen sich im CT-Bild gut detektieren. Während der Operation werden die zuvor eingebrachten Markierungselemente aufgesucht und ihre Position mit Hilfe des erwähnten Kamerasystems im patienteneigenen Koordinatensystem bestimmt. Das Kartenmaterial wird dann vom Computer solange gedreht und geschoben, bis die Marker der virtuellen Welt und die Marker der realen Welt exakt übereinander passen.

In der navigierten Chirurgie werden Bindeglieder zwischen virtueller und realer Welt benötigt. Diese Bindeglieder kann man sich wie eine Gipsmaske von einem Gesicht vorstellen (a). Es ist möglich, Bindeglieder als Kunststoffmodelle zu erstellen, die auf den Knochen einrasten, wie der Schlüssel ins Schloss (b) oder mittels Abgleich von CT-Bildern und Laserscan (c).

Ist dies gelungen, passen auch die restlichen Teile der "Karte" genau zueinander. Eine Navigation im menschlichen Körper ist nun möglich, die dem Navigieren mit dem Auto auf der Straße verblüffend gleicht.

Die Alternative ist, den Weg von der realen in die virtuelle Welt zu gehen. Dazu wird im Operationssaal eine zweite Aufnahme gemacht, zum Beispiel mit einem Laserscanner. Die Aufnahme kennzeichnet genau die Lage des Patienten während des Eingriffs. Anschließend erfolgt wieder das Drehen und Schieben der CT-Bilder und der Laserscans durch den Computer, bis deren Oberflächen exakt ineinander passen.

Die Bildreihe stellt dar, wie eine navigierte Knochenverlagerung prinzipiell abläuft. Zunächst werden CT-Bilder aufgenommen und anschließend ein Kunststoffmodell erstellt. Im Operationssaal wird am Schädel (B) des Patienten und an demjenigen Knochenstück, das es abzutrennen gilt (A), ein Infrarotsendegerät angebracht. Dadurch wird eine eindeutig zuzuordnende Verlagerung möglich.

Wenn die Zuordnung zwischen virtueller und realer Welt definiert ist, können mit Unterstützung des "Bordcomputers" viele Operationen sehr gezielt und genau erfolgen. Mit Hilfe von Zeigeinstrumenten (so genannten Pointern), die das Kamerasystem verfolgt, können beispielsweise Fremdkörper oder Tumoren im Schädel präzise aufgesucht und entfernt werden. Der "Kollege Computer" macht es auch möglich, derartige Feinarbeiten mittels kleiner Zugänge durchzuführen, also "minimal invasiv" zu operieren.

Außer den Pointern kann man auch andere chirurgische Werkzeuge – etwa Bohrinstrumente – über das Kamerasystem verfolgen und das Instrument in Bezug zum Patienten mit Hilfe des vorliegenden "Kartenmaterials" (den CT-Bildern) navigieren.

Eine spezielle Anwendung der Navigation, die unter Leitung von Professor Joachim Mühling, dem Ärztlichen Direktor der Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie, erforscht wurde, ist das Verlagern von Knochensegmenten. Dies kann erforderlich werden bei Patienten, deren Gesichtsschädel durch Unfall, Krankheit oder von Geburt an deformiert ist. Als Gesichtschirurgen versuchen wir, solche Defekte, die meist mit körperlichen und sozialen Problemen einhergehen, zu reparieren. Traditionellerweise erfolgt die Planung und Durchführung der Operation "nach Augenmaß" und im Vertrauen auf das handwerkliche Geschick des Operateurs. Wie bei einer Autofahrt ist es jedoch auch bei einer Operation ohne "Bordcomputer" oft nur eingeschränkt möglich, zweifelsfrei den richtigen Weg zu finden. Aus diesem Grund haben wir nach Möglichkeiten gesucht, wie wir Knochen mit Hilfe des chirurgischen Bordcomputers sicher und präzise verlagern können.

Wir verwenden dazu ein kleines räumliches Kunststoffmodell – ein "Stereolithographiemodell" – als Bindeglied zwischen virtueller und realer Welt. Wie es auszusehen hat, errechnet der Computer direkt aus den CT-Bildern des Patienten. Ziel des neuen Verfahrens ist es zum einen, die Präzision zu verbessern. Zum andern bleibt dem Patienten das Einsetzen von Markierungsschrauben in den Kopf vor einer CT-Aufnahme erspart. 80 Patienten wurden bislang mit unserer neuen Methode erfolgreich behandelt.

Man kann sich das Stereolithographiemodell wie eine "Gipsmaske" vorstellen. Unsere Gipsmaske wird allerdings nicht der Haut angepasst, sondern dem darunter liegenden Knochen. Außerdem wird sie nicht direkt am Patienten geformt, sondern anhand seines CT-Datensatzes konstruiert und gefertigt. Diese Kunststoffschablone basiert auf rund 2000 Oberflächenpunkten aus den CT-Bildern. Sie lässt sich während der Operation exakt auf den Knochen auflegen und rastet ein wie ein Schlüssel in das Schloss.

Referenzrahmen mit drei Infrarotsendern: Fest am Patienten montiert, kann ee von dreidimensionalen Laserscanner präzise lokalisiert werden.

Anschließend wird an die Schablone ein Infrarotsende-System befestigt. Es meldet uns über eine Kamera während der gesamten Operation die aktuelle Position des zu bewegenden Knochens. Die Schablone fungiert also als Bindeglied zwischen dem "Kartenmaterial" – den CT-Bildern – und der realen Welt.

Da das Knochenstück während der Operation zusammen mit der Schablone und dem Sender bewegt werden soll, ist in der realen Welt ein weiteres – unbewegtes – Infrarotreferenzsystem erforderlich. Es wird während des Eingriffs fernab an der Schädelkalotte fixiert und gibt ein weiteres Koordinatensystem vor. Über diese Referenz vergleicht der Computer die Operationsplanung mit dem real erfolgenden Eingriff. Dazu werden beide Infrarotsender eingemessen ("registriert"). Die räumlichen Beziehungen liegen dann fest, so dass sich der Knochen ganz ohne Markierungsschrauben gezielt "navigieren" lässt.

Die Operation selbst beginnt mit Einschnitten in Bereichen, die entweder von Haaren bedeckt sind oder eine unauffällige Narbenheilung versprechen. Von dort aus löst man die Weichteile vom Knochen und erzeugt einen Tunnel unter der Haut, der zum fehlstehenden Knochensegment führt. Durch diesen Tunnel wird die Schablone geschoben, bis sie in der richtigen Position einrastet. Ein kleiner Schnitt über dem zu verschiebenden Knochensegment ermöglicht es, das Infrarotsendesystem am Adapter der Kunststoffschablone anzukoppeln. Es folgt die erste Infrarotmessung, bei der die Position des unbewegten Infrarotreferenzsystems gegenüber dem Sendesystem am zu trennenden Knochen bestimmt wird. Daraufhin wird das Knochenstück ausgesägt und verschoben. Über einen Monitor lässt sich die Bewegung verfolgen. An der Sollposition wird das Knochensegment verschraubt, anschließend werden die technischen Hilfsmittel – Schablone und Infrarotsendesystem – gelöst und die Schnitte vernäht.

Wir streben an, den komplexen Vorgang der Registrierung vollständig dem Computer zu überlassen und so die teure und zeitaufwendige Stereolithographie zu umgehen. Deshalb experimentieren wir seit einiger Zeit mit Laserscannern. Dabei scannen wir unmittelbar vor einer Operation den intakten Hautmantel samt Referenzsendesystem mit einem Laser und überführen das gemessene Oberflächengesichtsprofil in das korrespondierende Oberflächenprofil, das aus den CT-Bildern berechnet wurde.

Bindeglied zwischen realer und virtueller Welt ist nun der Laserscan des Weichteilmantels mit dem daran fixierten Infrarotreferenzsystem. Die "Gipsmaske" wird nun also komplett virtuell gefertigt.

Zudem wird der Vorgang der Registrierung von der Etage der Knochenoberfläche auf die Etage des Weichteilmantels verlegt. Damit hat der "Bordcomputer" neben der Navigation auch die Aufgabe des Registrierens komplett übernommen.

Ein Problem bleibt: Es muss eine möglichst gute und eindeutige Passung der zwei leicht verschiedenen Darstellungen derselben Gesichtsstruktur – also des Laserscans und der CT-Bilder – gefunden werden. Diese so genannten Surface-Matching-Algorithmen gibt es bereits im Handel, allerdings berücksichtigen die existierenden Lösungen nicht, dass während der Operation ein Beatmungsschlauch die Struktur verändert, die der Scanner abtasten soll. Der Schlauch darf während der Operation nicht – auch nicht kurzzeitig – entfernt werden.

Für unsere Zwecke kommen nur schnelle, robuste und fehlertolerante Algorithmen in Frage, die fähig sind, jene Bereiche, die nicht aufeinander passen, schon während der Berechnung auszusondern.

Solche Algorithmen wurden von unserer Gruppe entwickelt und auf ihre Tauglichkeit hin untersucht. In einer umfassenden Studie wurde bereits gezeigt, dass der Laserscan des Weichteilmantels genügend formstabil ist, um einen präzisen Abgleich zwischen Patient und CT-Bildern zu gewährleisten. Da wir uns im neuen Laserscanverfahren etwa 60 000 Oberflächenpunkte zu Nutze machen, zeigen unsere bisherigen Untersuchungen schon jetzt eine hohe Präzision der Patientenregistrierung. In zwei Jahren könnte das neue Laserscan-System mit vollautomatischer Patientenregistrierung zur Standardausstattung der Gesichtschirurgie gehören. Auf die beschriebene Weise – also mit Laserscan und Navigation – kann beispielsweise eine Jochbeinoperation mit Knochenverschiebung mit einer Genauigkeit von circa einem Millimeter erfolgen. Ohne Roboterunterstützung ist dieser Präzisionsgrad kaum mehr zu verbessern, da die Knochensegmente frei von Hand gehalten werden. Selbst wenn man noch genauer wüsste, wo sich das Objekt befindet, kann die menschliche Hand es nicht präziser führen.

Aus diesem Grund werden an unserer Klinik auch Chirurgie-Roboter eingesetzt. Die Systemerprobung konnte unlängst erfolgreich abgeschlossen werden, so dass nun erste Eingriffe bei Patienten möglich sind. In der Chirurgie müssen Roboter besondere Ansprüche erfüllen. In der Industrie werden sie zumeist dazu verwendet, ein und dieselbe Aufgabe Tausende Male wiederholt auszuführen. Dazu wird der Roboter ein einziges Mal programmiert. In der Chirurgie ist das gänzlich anders. Jeder Patient hat sein eigenes "Koordinatensystem", und jeder Mensch hat eine andere Schädel- und Gesichtsform.

Unsere Aufgabe bestand deshalb zunächst darin, Verfahren für die Bildverarbeitung, Planung und vor allem für die Registrierung zu entwickeln, die an den Roboter angepasst sind. Da der Roboter ein eigenes Koordinatensystem mitbringt, müssen mindestens drei Systeme referenziert werden: das Patienten-, das Bild- und das Roboterkoordinatensystem.

In der Chirurgie wird der Roboter vor allem eingesetzt, um die Präzision zu erhöhen, – in der Industrie geht es vor allem darum, Zeit einzusparen. Eine besonders wichtige Rolle spielt in der Chirurgie zudem die Sicherheit.

Deshalb wurde von uns im Sonderforschungsbereich "Informationstechnik in der Medizin – Rechner- und sensorgestützte Chirurgie" gemeinsam mit Professor Heinz Wörn vom "Institut für Prozessrechentechnik, Automation und Robotik" der Universität Karlsruhe ein spezielles Steuerungskonzept und Sicherheitsmanagement für die Kopfchirurgie entwickelt. Es beruht auf einer redundanten und diversitären Steuerung des Robotersystems.

Die Redundanz wird durch eine doppelte Überwachung der Instrumentenposition erreicht: Neben der Berechnung der Position aus den überwachten Gelenkwinkeln des Roboters wird das Instrument auch durch ein Infrarot-Navigations-System überwacht. Diversität bedeutet, dass die gleiche Aufgabe durch mehrere unterschiedliche Algorithmen gelöst wird.

Am wichtigsten ist es jedoch, dass der Roboter vom Chirurgen kontrolliert wird. Dazu wurde ein Bestätigungsschalter eingebaut, der ständig vom Operateur gehalten werden muss, damit sich der Roboter bewegt. Dieser Schalter ist in Serie mit dem Notauskreis des Roboters geschaltet, sodass ein Steuerfehler keine unbeabsichtigte Bewegung verursachen kann.

Der Roboter ist lediglich der "Assistent" des Chirurgen. Die Befürchtung, dass Chirurgie-Roboter "in Eigeninitiative" operieren oder Arbeitsplätze wegrationalisieren könnten, ist unbegründet.

Sind die neuen Systeme erst eingeführt und in den Routinebetrieb übernommen, erwarten wir, dass mund-, kiefer- und gesichtschirurgische Eingriffe sicherer, präziser und schneller erfolgen können. Dies ist das wesentliche Ziel der Forschungen im geplanten Schwerpunktprogramm "Innovationen in der Informationstechnologie – intelligente Modellsysteme von Bildgebung und -verarbeitung in der Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde" und im Sonderforschungsbereich "Informationstechnik in der Medizin – Rechner- und sensorgestützte Chirurgie".

Ähnlich wie der "Bordcomputer" in Ihrem Wagen den richtigen Weg anzeigt, zeigt auch der Roboter während der Operation den Weg und hält zudem das Instrument in einer eindeutig reproduzierbaren Position – ohne zu Zittern. Gleiches gilt für die navigierte Knochenverlagerung. Die Entscheidungen trifft aber stets und ausschließlich der menschliche Chirurg.

Autoren:
Priv.-Doz. Dr. Dr. Stefan Hassfeld und Priv.-Doz. Dr. Dr. Rüdiger Marmulla,
Klink und Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie,
Universitätsklinikum Heidelberg,
Im Neuenheimer Feld 400, 69120 Heidelberg,
Telefon (0 62 21) 56 73 01, Fax (0 62 21) 56 43 75,
e-mail: ruediger_marmulla@med.uni-heidelberg.de