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Roboterunterstützte Frakturreposition am Beispiel des Femurschaftes.
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Authors
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Thomas Gösling
- Unfallchirurgische Klinik, MH-Hannover, Carl-Neuberg-Str. 1, 30625, Hannover, Phone: 0511 532 2050, Fax: 0511 532 5877
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R. Westphal
- Institut für Robotik und Prozeßinformatik, TU Braunschweig
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J. Faulstich
- Unfallchirurgische Klinik, MH-Hannover;
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F. Wahl
- Institut für Robotik und Prozeßinformatik, TU Braunschweig
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C. Krettek
- Unfallchirurgische Klinik, MH-Hannover;
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T. Hüfner
- Unfallchirurgische Klinik, MH-Hannover;
| Published: | November 11, 2003 |
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Fragestellung
Die Verriegelungsnagelung gilt als Standardverfahren bei Behandlung der Femurschaftfraktur. Als Problem sind jedoch Achsabweichungen und Strahlenbelastung bekannt. Beide sind vor allem der Reposition zuzuschreiben. Ziel ist es, durch den interaktiven Einsatz eines Roboters diese Probleme zu minimieren. Der Einsatz des Roboters als Manipulator unter optischer, metrischer und haptischer Kontrolle wird untersucht.
Methode
Es werden 15 Frakturen an Kunststofffemora erzeugt. Bei fixiertem prox. Fragment werden die Frakturen je 5x mit einem Roboter reponiert. Zwischengeschaltet ist eine Kraftmomentendose. Die Manipulation des Roboters erfolgt über einen Force-Feedback-Joystick. Zur Überwachung dienen drei Mechanismen: 1. Optisch: 2 orthogonale Kameras simulieren einen Bildwandler. Es erfolgt die Registrierung der Anzahl der Durchleuchtungen und der Wechsel der Kameraebenen. 2. Metrisch: Anzeige der Translations- und Rotationsbewegungen des Roboters umgerechnet auf das Frakturzentrum. 3. Haptisch: Der Chirurg bekommt über das Force-Feedback des Joysticks Informationen über die Kräfte. Die erreichten Repositionsparameter werden über einen 3D-Motiontracker bestimmt, welcher bereits vor Frakturierung befestigt und initialisiert wird, so dass das intakte Femur als Referenz dient.
Es werden 3 Vergleichsgruppen gebildet: Reposition ohne Roboter unter direkter Sicht und Palpation der Fraktur (G2). Reposition mit Roboter ohne haptische und metrische Rückkopplung (G3). Manuelle Reposition ohne Roboter über 2 Schanz-Schrauben unter Kamerakontrolle (G4).
Ergebnis
Bzgl. der Translation lagen die Standardabweichungen unterhalb der Genauigkeit des Motiontrackers (0,8 mm). Für die Rotation wurden folgende durchschnittliche Achsabweichungen in Gruppe 1 gemessen: Ante-/Rekurvatum 0,6° (0-2,0°), Varus/ Valgus 0,8° (0-3,0°), Rotation um die Längsachse 0,8° (0-3,1°). Zwischen den Gruppen ließen sich Unterschiede feststellen (2-way ANOVA, p<0,001). G1 zeigte einen geringeren Innen-/Aussendrehfehler als G4 (1,9°; p<0.001). G1 war jedoch G2 bzgl. Varus-/ Valgusabweichung unterlegen (0,4°; p=0.03). G1 lag mit 35 (21-60) simulierten Durchleuchtungen signifikant unter G3 (72; p<0,001) und G4 (49; p=0,01). Ein Ebenenwechsel der Kameras (Durchschwenken des Bildwandlers) war durchschnittlich 5,9 mal (2-10) nötig, und lag damit unter G3 (8,5; p<0.001) und G4 (7,4; p=0.02).
Schlussfolgerung
Durch den Einsatz eines Roboters als Manipulatur unter optischer, metrischer und haptischer Kontrolle konnte im Modellversuch eine hohe Präzison bei der Reposition erzielt werden bei gleichzeitiger Reduktion der "Durchleuchtungszeit". Die metrische und haptische Kontrolle verbessert zwar nicht das Repositionsergebnis, führt jedoch zu einer Reduktion der "Strahlung". Die fehlenden Gegenkräfte mögen eine Erklärung für die geringen Abweichungen vor allem in G2 und G4 sein. Weitere Untersuchungen bzgl. roboterassistierter Frakturreposition erscheinen lohnenswert.
