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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie, 75. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie, 97. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie, 52. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie und Unfallchirurgie

25. - 28.10.2011, Berlin

Ein neuartiger Ansatz zur 3D-Oberflächendarstellung von Knochen mittels Ultraschall

Meeting Abstract

  • F. Bludau - Universitätsmedizin Mannheim, Orthopädisch-Unfallchirurgisches Zentrum, Mannheim, Germany
  • D. Hlindzich - Uni Heidelberg, Institut für technische Informatik, Institut für Computerunterstützte Medizin, Mannheim, Germany
  • P. Krasopevtsev - Uni Heidelberg, Institut für technische Informatik, Institut für Computerunterstützte Medizin, Mannheim, Germany
  • A. Kryvanos - UltraOsteon GmbH, Mannheim, Germany
  • U. Obertacke - Universitätsmedizin Mannheim, Orthopädisch-Unfallchirurgisches Zentrum, Mannheim, Germany
  • M. Schwarz - Labor für Biomechanik und experimentelle Orthopädie, Orthopädisch-Unfallchirurgisches Zentrum, Iniversitätsmedizin Heidelberg, Mannheim, Germany

Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie. 75. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unfallchirurgie, 97. Tagung der Deutschen Gesellschaft für Orthopädie und Orthopädische Chirurgie, 52. Tagung des Berufsverbandes der Fachärzte für Orthopädie. Berlin, 25.-28.10.2011. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2011. DocGR16-889

DOI: 10.3205/11dkou493, URN: urn:nbn:de:0183-11dkou4930

Veröffentlicht: 18. Oktober 2011

© 2011 Bludau et al.
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Gliederung

Text

Fragestellung: Ziel unserer Arbeit war die Entwicklung eines ultraschallbasierten Scanners, der in der Lage ist, automatisch 3D-Oberflächenanalysen von Röhrenknochen durchzuführen.

Folgende Spezifikationen wurden definiert: Darstellung ohne Röntgen, berührungsloses Scannen, reproduzierbare Ergebnisse, Präzision, nicht-modell-gebundene Visualisierung.

Mit dem ersten Prototypen des Scanners führten wir Untersuchungen zu folgenden Zielen durch:

1.
Validierung des Scanners durch Vergleich der Genauigkeit mit verschiedenen gebräuchlichen bildgebenden Verfahren am Kunstknochen,
2.
Validierung der Genauigkeit am natürlichen Knochen (mit Weichteilmantel),
3.
3D-Visualisierung von künstlichen Frakturen.

Methodik: Der Scanner besteht aus einem wassergefüllten Becken, in welchem konventionelle Ultraschall-Transducer verstellbar angeordnet sind. Über ein mechanisches Tracking wird die Position mit den US-Daten synchronisiert. Bei Rotation des Scanners um das Objekt wird eine 3D-Rekonstruktion erstellt (Abbildung 1a [Abb. 1]).

Die Kalibrierung erfolgte mittels eines selbstentwickelten Phantomkörpers, der im CT exakt vermessen wurde.

Für Versuchsaufbau 1 führten wir einen Scan eines künstl. Femurs (Sawbones) mittels CT und US-Scanner durch. Weiterhin erfolgte das Vermessen mittels optisch-getracktem Touch-Pointer und mit Freihand-Ultraschall.

Für jedes Verfahren erfolgte die statistische Datenanalyse des euklidischen Abstandes zum CT-Model (RMS, Mittelwert, Standardabweichung) (Tabelle 1 [Tab. 1]).

Zur Validierung der Genauigkeit des Scanners bei natürlichem Knochen (V 2) erfolgte ein analoges Vorgehen mittels CT- und US-Scans an einem Schlachtschwein-Unterschenkel.

Die Fraktur-Darstellung (V 3) wurde an zwei US-Modellen mit künstl. Frakturen (Sawbones-Tibia und Schafs-Tibia) getestet (Abbildung 1b-e [Abb. 1]).

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Im Versuch 1 wurden 138 Punkte mit dem Touch-Pointer, 5.688 Punkte mit Freihand-Ultraschall und 38.886 Punkte mit dem Scanner ermittelt.

Die höchste Genauigkeit wurde für den Touch-Pointer (RMS 0,24mm) gemessen. Der US-Scanner lieferte geringe Unterschiede (RMS 0,27mm).

Der Freihandultraschall brachte die schlechtesten Ergebnisse (RMS 0,63mm).

Für den zweiten Versuch (V 2) konnten 4308 Punkte mit dem Scanner erfasst werden.

Die Genauigkeit der 3D-Rekonstruktion von natürlichem Knochen erbrachte einen Fehler von 0,32 mm RMS, dieser war im Vergleich zum Sawbone etwas größer, dies ist auf störendes Weichgewebe zurückzuführen.

Die 3D-Rekonstruktion von Frakturen gelang bei einem Frakturspalt von ~1 mm bei Sawbones und bei natürlichem Knochen (Abbildung 1b-e [Abb. 1]).

Wir konnten zeigen, dass mittels mechanischem Tracking und konventionellen US-Transducern eine 3D-Darstellung der Knochenoberfläche möglich ist, mit der die Frakturerkennung gelingt.