3D-Rekonstruktion bei Hüftfraktur

Die Stryker Corporation ist einer der größten Hersteller von Medizintechnik weltweit und eines der führenden Unternehmen im Bereich orthopädischer Produkte. Die Markteinführung eines von Stryker Navigation in Freiburg entwickelten Computer Assisted Surgery Systems zur minimalinvasiven Behandlung von Hüftfrakturen Ende 2011 krönte eine vierjährige Phase, in der wir als Institut immer wieder wesentliche Unterstützung im Bereich Parameteridentifikation leisten durften.

Bei einer Hüftfraktur wird ein Nagel in den Schaft des Oberschenkelknochens eingeführt und mit einer Schraube durch den Oberschenkelhals fixiert. Für maximale biomechanische Stabilität ist es wichtig, dass die Schraube möglichst weit in den Gelenkkopf eindringt. Andererseits darf die Schraubenspitze unter keinen Umständen die Knochenhaut durchstoßen, um die Beweglichkeit des Kugelgelenks nicht zu gefährden.Da die Operation minimalinvasiv durchgeführt wird, kann der Operateur die relative Lage von Schrauben und Knochen nicht selbst in Augenschein nehmen, sondern muss sie bildgebenden Verfahren entnehmen.

3D-Rekonstruktion lässt Durchstoßpunkt der Schraube vorhersagen

Hier hat Stryker Navigation in den vergangenen Jahren eine richtungsweisende Lösung entwickelt, die einerseits präzises Arbeiten ermöglicht, andererseits aber nur geringe Änderungen am bisherigen Arbeitsablauf erfordert und mit zwei Röntgenaufnahmen auskommt, die sich mit einem gewöhnlichen C-Bogen erstellen lassen. Dabei wird dem Nagel, der als Schraubenführung dient, ein Referenzkörper angeheftet, dessen Kügelchen sich in den 2D-Röntgenaufnahmen gut abheben.

Dies ermöglicht eine 3D-Rekonstruktion der erwarteten Schraubenachse. Unter Ausnutzung der Kugelgestalt des Hüftkopfes lässt sich auch dessen Kontur extrahieren, seine räumliche Lage rekonstruieren und schließlich der Durchstoßpunkt der Schraube vorhersagen.

Herausforderungen in der Praxis - Lösungen aus der Mathematik

Dieses zunächst gradlinig erscheinende Konzept birgt in der Praxis eine Vielzahl von Herausforderungen: die Kügelchen des Referenzkörpers können teilweise verdeckt oder ihre scheinbaren Mittelpunkte durch optische Effekte verschoben sein. Auch die Zuordnung ist zunächst unklar. Schließlich treten bei der automatischen oder manuellen Hüftkopfextraktion Verwechselungen mit der Gelenkpfanne auf oder es kommt zwischen den Aufnahmen zu Verschiebungen.

In diesen Fällen darf dem Operateur keine 3D-Rekonstruktion geboten werden. Für all diese Problemfelder konnten wir durch Kombination von Methoden aus den Bereichen nichtlineare Parameteridentifikation, inverse Probleme, Approximationstheorie, projektive Geometrie, Statistik oder Kombinatorik innovative Lösungen beisteuern, die direkten Eingang in den algorithmischen Kern der Betriebssoftware gefunden haben.

Projektart: Industrieprojekt
Projektpartner: Stryker Leibinger GmbH & Co.KG