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December 2012
Peter Belei
Intraoperative biomechanische Modellierung für die patientenindividuelle funktionelle Planung, Simulation und Umsetzung von Korrekturosteotomien
Die schmerzhafte Osteoarthrose bezeichnet die degenerative Gelenkerkrankung aufgrund unphysiologischer Belastungsbedingungen einzelner Gelenkstrukturen des menschlichen Körpers. Ursachen können unter anderem angeborene oder entwickelte (z. B. posttraumatischer) Knochendeformitäten an den unteren Extremitäten sein.
Konventionelle operative Therapiemaßnahmen bei kniegelenksnahen Deformitäten stellen je nach Alter, Aktivität oder anderer Indikatoren unter anderem der totale Kniegelenksersatz, der unikondyläre Gelenkersatz und Umstellungsosteotomien der unteren Extremitäten dar. Letztere gilt als schonende Alternative zu Gelenkersatzeingriffen, welche nachweislich die Notwendigkeit der endoprothetischen Gelenkversorgung potenziell um mehr als 10 Jahre hinauszögern und damit die Prognose für die Lebensqualität so behandelter Patienten deutlich verbessern kann. Dabei wird durch eine geometrische Korrektur deformierter Unter- oder Oberschenkelknochen die unphysiologischen Belastungen der Gelenkflächen des Kniegelenkes gezielt verändert.
Die computergestützte orthopädische Chirurgie konnte in den vergangenen Jahren nachweislich das Verfahren der Korrekturosteotomie zur Behandlung der Osteoarthrose am Kniegelenk, im Vergleich zu den sehr variablen Erfolgsraten beim konventionellen Vorgehen, verbessern. Jedoch berücksichtigen alle bisher vorgestellten chirurgischen Planungssysteme, genauso wie beim konventionellen Vorgehen, lediglich die knochengeometrische Problemstellung bei der Operationsplanung. Die biomechanische Planung erfolgt weiterhin auf Basis sehr einfacher biomechanischer Überlegungen unter nur qualitativer Berücksichtigung des aktiven und passiven Weichteilapparates sowie der Gelenkkette.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Methoden zur quantitativen biomechanischen Therapieplanung im klinischen Kontext am Beispiel gelenkerhaltender Korrekturosteotomien an den unteren Extremitäten entwickelt. Der dabei verfolgte Lösungsansatz ermöglicht die effiziente Akquisition und Verarbeitung individueller Patienteninformationen bezüglich Morphologie und Funktion. Ausgehend von diesen wurde ein geeignetes automatisch an die Patientenanatomie adaptierbares Mehrkörpersimulationsmodell (MKS) mit integrierten a priori Informationen entwickelt. Das auf Basis des MKS-Modells entwickelte chirurgische Planungs- und Navigationssystem, ermöglicht damit dem Chirurgen die patientenindividuelle intraoperative biomechanische Planung und Simulation von multiplanaren Korrekturosteotomien sowie basierend auf einem spezifisch angepassten Navigationsmodul deren präzise chirurgisch Umsetzung.
Konventionelle operative Therapiemaßnahmen bei kniegelenksnahen Deformitäten stellen je nach Alter, Aktivität oder anderer Indikatoren unter anderem der totale Kniegelenksersatz, der unikondyläre Gelenkersatz und Umstellungsosteotomien der unteren Extremitäten dar. Letztere gilt als schonende Alternative zu Gelenkersatzeingriffen, welche nachweislich die Notwendigkeit der endoprothetischen Gelenkversorgung potenziell um mehr als 10 Jahre hinauszögern und damit die Prognose für die Lebensqualität so behandelter Patienten deutlich verbessern kann. Dabei wird durch eine geometrische Korrektur deformierter Unter- oder Oberschenkelknochen die unphysiologischen Belastungen der Gelenkflächen des Kniegelenkes gezielt verändert.
Die computergestützte orthopädische Chirurgie konnte in den vergangenen Jahren nachweislich das Verfahren der Korrekturosteotomie zur Behandlung der Osteoarthrose am Kniegelenk, im Vergleich zu den sehr variablen Erfolgsraten beim konventionellen Vorgehen, verbessern. Jedoch berücksichtigen alle bisher vorgestellten chirurgischen Planungssysteme, genauso wie beim konventionellen Vorgehen, lediglich die knochengeometrische Problemstellung bei der Operationsplanung. Die biomechanische Planung erfolgt weiterhin auf Basis sehr einfacher biomechanischer Überlegungen unter nur qualitativer Berücksichtigung des aktiven und passiven Weichteilapparates sowie der Gelenkkette.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Methoden zur quantitativen biomechanischen Therapieplanung im klinischen Kontext am Beispiel gelenkerhaltender Korrekturosteotomien an den unteren Extremitäten entwickelt. Der dabei verfolgte Lösungsansatz ermöglicht die effiziente Akquisition und Verarbeitung individueller Patienteninformationen bezüglich Morphologie und Funktion. Ausgehend von diesen wurde ein geeignetes automatisch an die Patientenanatomie adaptierbares Mehrkörpersimulationsmodell (MKS) mit integrierten a priori Informationen entwickelt. Das auf Basis des MKS-Modells entwickelte chirurgische Planungs- und Navigationssystem, ermöglicht damit dem Chirurgen die patientenindividuelle intraoperative biomechanische Planung und Simulation von multiplanaren Korrekturosteotomien sowie basierend auf einem spezifisch angepassten Navigationsmodul deren präzise chirurgisch Umsetzung.
Keywords: Computer Aided Surgery; Biomechanical Modelling; Multibody Simulation
Aachener Beiträge zur Medizintechnik
Edited by Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. med. Steffen Leonhardt, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Radermacher and Univ.-Prof. Dr. med. Dipl.-Ing. Thomas Schmitz-Rode, Aachen
Volume 15
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