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Verifizierung und Validierung eines navigiert-kontrollierten Shavers in der NNH-Chirurgie

Vergleich mit einem konventionellen und einem konventionell-navigierten Shaver

Doktorarbeit / Dissertation 2007 58 Seiten

Medizin - Chirurgie, Unfall-, Sportmedizin

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG
1.1 GEGENWÄRTIGER FORSCHUNGSSTAND
1.2 PROBLEMSTELLUNG
1.3 ZIELSTELLUNG

2 GRUNDLAGEN
2.1 ANATOMIE UND PHYSIOLOGIE DER NASE UND DER NASENNEBENHÖHLEN
2.2 ERKRANKUNGEN DER NASE UND DER NASENNEBENHÖHLEN
2.3 NASENNEBENHÖHLENCHIRURGIE IM WANDEL DER ZEIT
2.4 KOMPLIKATIONEN IN DER NASENNEBENHÖHLENCHIRURGIE
2.5 CAS (COMPUTER ASSISTED SURGERY)
2.5.1 Navigationssysteme
2.5.2 Genauigkeit chirurgischer Navigationssysteme
2.5.3 Navigated Control
2.6 AUFBAU UND EINSATZ DES SHAVERS

3 MATERIAL UND METHODE
3.1 MODELL ZUR BESTIMMUNG DER CHIRURGISCHEN REGISTRIERGENAUIGKEIT
3.1.1 Registrierung des Schädelmodells
3.1.2 Instrumentenregistrierung
3.1.3 Bestimmung der chirurgischen Registriergenauigkeit
3.2 BESTIMMUNG DER UMSETZUNGSGENAUIGKEIT
3.2.1 Der Nasennebenhöhlendemonstrator
3.2.2 Festlegen des Arbeitsraumes
3.2.3 Resektion des Arbeitsraumes
3.2.4 Vermessung und Bezeichnung der Kavitätenwände

4 ERGEBNISSE

5 DISKUSSION
5.1 CHIRURGISCHE REGISTRIERGENAUIGKEIT DES NAVIGIERT-KONTROLLIERTEN SHAVERS
5.2 UMSETZUNGSGENAUIGKEIT DER GEPLANTEN KAVITÄT
5.2.1 Vergleich von navigiert-kontrollierter, konventioneller und konventionell-navigierter Resektion
5.2.2 Vergleich der navigiert-kontrollierten Umsetzungsgenauigkeit - Initialstudie und aktuelle Versuchsreihe
5.3 WERTUNG DER UMSETZUNGSGENAUIGKEIT DES NAVIGIERT-KONTROLLIERTEN SHAVERS UND KLINISCHE RELEVANZ

6 ZUSAMMENFASSUNG

7 LITERATURVERZEICHNIS

8 DANKSAGUNG

Bibliographische Beschreibung Pankau, Andreas

Verifizierung und Validierung eines navigiert-kontrollierten Shavers in der NNH- Chirurgie - Vergleich mit einem konventionellen und konventionell-navigierten Shaver

Universität Leipzig, Dissertation

44 S., 49 Lit., 31 Abb., 6 Tab. Referat:

In der NNH-Chirurgie sollen Eingriffe am Patienten künftig noch sicherer werden. Dies ist mit einem neu entwickelten Gerät, dem navigiert-kontrollierten Shaver, möglich. Durch das präoperative Festlegen von Grenzen schaltet das Instrument beim Erreichen von gefährdeten Strukturen, wie z. B. Schädelbasis und Orbita automatisch ab. Für den Chirurgen ist diese Methode entlastend, da ein ständiger Blickwechsel zwischen den Monitoren, wie etwa bei der Arbeit mit einem navigierten Instrument notwendig, wegfällt. In einem Initialversuch wurde bereits die Machbarkeit eines navigiert- kontrolliert arbeitenden Shavers nachgewiesen. Dabei traten jedoch noch Defizite in der Genauigkeit auf. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, diese anhand von erneuten Versuchen unter veränderten Bedingungen auszuräumen. Dazu wurde in einem ersten Versuch die chirurgische Registriergenauigkeit des navigiert-kontrollierten Shavers anhand von Landmarken an einem Kunststoffschädel untersucht. Sie betrug 1,93 mm, was im Vergleich zur Literatur als ausreichend genau anzusehen ist. In einem zweiten Versuch wurden Experimente zur Umsetzungsgenauigkeit einer geplanten Kavität mit dem navigiert-kontrollierten Shaver durchgeführt. Dafür wurde ein spezieller Nasennebenhöhlen-Demonstrator entwickelt, mit dem auch die Umsetzungsgenauigkeit eines konventionell-navigierten und eines konventionell geführten Shavers überprüft wurde. Die Ergebnisse zeigen eine Überlegenheit des navigiert-kontrollierten Shavers bei der Umsetzungsgenauigkeit einer geplanten Kavität von mehr als 15% gegenüber der konventionell-navigierten und von 30% gegenüber der konventionellen Instrumentation. Für die Resektion des Arbeitsraumes, wurde bei der navigiert- kontrollierten und konventionellen Instrumentation deutlich weniger Zeit benötigt, als bei der konventionell-navigierten Instrumentation. Die Ergebnisse beider Versuche sprechen für einen zukünftigen klinischen Einsatz des navigiert-kontrollierten Shavers.

Meinen Eltern gewidmet

1 EINLEITUNG

1.1 Gegenwärtiger Forschungsstand

In den letzten Jahrzehnten ist eine rasante technische Entwicklung in der Chirurgie zu verzeichnen. Durch Fortschritte in der Diagnostik und Therapie wird versucht, dem Arzt die tägliche Arbeit zu erleichtern. Man spricht auch von einer Automatisierung (Strauß et al. 2006).

Die Anfänge der CAS (Computer Assisted Surgery) liegen im Jahre 1989. In diesem Jahr stellte Schlöndorff das erste CT-basierte Navigationssystem für die HNO-Chirurgie vor. Damit war es erstmals möglich, intraoperativ Ortsinformationen über ein Instrument auf einem Display zu erhalten (Schlöndorff et al. 1989). Durch Verbesserungen in der bildgebenden Diagnostik und intensive Weiterentwicklungen dieser Systeme sind sie zu einer wertvollen Unterstützung für den HNO-Chirurgen geworden. Bestimmte operative Eingriffe (z. B. FESS-Functional Endoscopic Sinus Surgery, Biopsien) können sicherer durchgeführt werden oder sind dadurch erst ermöglicht worden. Die derzeit zu erzielende intraoperative Genauigkeit dieser Systeme für das HNO-Gebiet liegt bei 1 mm (Gunkel et al. 2000; Sittel und Plinkert 2004).

2001 wurde von Lüth et al. erstmals die Steuerung kraftgetriebener Instrumente nach einem präoperativ festgelegten Arbeitsraum beschrieben. Bei diesem mechatronischen System wird die aktuelle Position des abtragenden Instrumentes ständig mit der präoperativ definierten Resektionsgrenze verglichen. Erreicht das Instrument die Grenze des Arbeitsraumes, so wird dessen Leistung durch eine Kraftdose reduziert oder abgeschaltet. Damit soll ein intraoperatives Überschreiten von präoperativ festgelegten Grenzstrukturen verhindert werden und somit chirurgische Eingriffe am Patienten sicherer gemacht werden. Auf dieser Grundlage wurde ein navigiert-kontrollierter Shaver entwickelt, dessen Funktionstüchtigkeit bereits nachgewiesen wurde - wenn auch mit Defiziten (Strauß et al. 2005a).

1.2 Problemstellung

In einer Initialstudie wurde bereits die Machbarkeit eines navigiert-kontrollierten Shavers für die Nasennebenhöhlenchirurgie nachgewiesen (Strauß et al. 2005a). Neben der prinzipiellen Realisierbarkeit zeigten sich jedoch Defizite in der Umsetzung des Arbeitsraumes. Die chirurgische Registriergenauigkeit lag bei einer maximalen Abweichung von 2,96 mm. Die Umsetzung des präoperativ definierten Arbeitsraumes ergab eine mittlere Abweichung (Überschreiten der Resektionsgrenzen) von 3,4 mm in der horizontalen Ebene und 4,4 mm in der vertikalen Ebene. Die maximale Abweichung lag bei 6,6 mm. Alle Abweichungen lagen in positiver Ausrichtung, d. h. die resultierende Kavität wurde größer als geplant.

Fehlerquellen waren eine Instabilität des Shavermessers, was zu einer systemeigenen Ungenauigkeit führte, sowie die Eindrückbarkeit des Versuchstoffes (Kunststoffmasse).

Für standardisierte und reproduzierbare Messungen ist außerdem ein Demonstrationsmodell notwendig. Dieses Modell muss eine technische Abstraktion erlauben und sollte gleichzeitig die Spezifika der Operationsbedingungen wie Lagerung des Kopfes, Abdecktücher, Tubuslage, Verdeckung der “line of sight“ nachahmen.

1.3 Zielstellung

1. Untersuchung der chirurgischen Registriergenauigkeit eines navigiert- kontrollierten Shavers mit einer verbesserten Rigidität anhand von anatomischen Landmarken an einem Schädelmodell
2. Bestimmung der Umsetzungsgenauigkeit eines definierten Arbeitsraumes mit einem navigiert-kontrollierten, einem konventionell-navigierten und einem konventionellen Shaver anhand eines Nasennebenhöhlen-Demonstrators (Kriterien: Zeitaufwand, Umsetzungsgenauigkeit, klinische Praktikabilität des navigiert-kontrollierten Shavers)

2 Grundlagen

2.1 Anatomie und Physiologie der Nase und der Nasennebenhöhlen

Die Nase des erwachsenen Menschen besteht aus zwei Nasenhaupthöhlen (Cavitas nasi) und den vier paarig angelegten Nasennebenhöhlen (Sinus paranasales):

- Kieferhöhle (Sinus maxillaris)
- Stirnhöhle (Sinus frontalis)
- Siebbeinzellen (Cellulae ethmoidales)
- Keilbeinhöhle (Sinus sphenoidalis)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.1: Frontalschnitt durch die Mitte der Orbita (Sobotta und Putz 2000)

Die beiden Nasenhaupthöhlen (NHH) werden zur Mitte (medial) durch die Nasenscheidewand (Septum nasi) getrennt. Das Dach der NHH bildet die Lamina cribrosa des Siebbeins (Os ethmoidale) mit der Regio olfactoria. Sie bildet zugleich die knöcherne Begrenzung zur vorderen Schädelbasis. Die seitliche Begrenzung (lateral) zur Augenhöhle (Orbita) bildet eine papierdünne Knochenlamelle (Lamina papyracea) des Siebbeins. Die Grenze nach unten (inferior) bildet der Gaumen.

In die NHH ragen lateral drei Nasenmuscheln (Conchae nasales), welche die drei Nasengänge (Meatus nasi) voneinander trennen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.2: Laterale Nasenwand (Netter 2000)

In die Nasengänge münden die Ausführungsgänge der Nasennebenhöhlen und des Tränennasenganges (Ductus nasolacrimalis). In den oberen Nasengang münden die hinteren Siebbeinzellen und der Sinus sphenoidalis. In den mittleren Nasengang münden der Sinus frontalis über den Ductus nasofrontlis, der Sinus maxillaris durch das Ostium sinus maxillaris und die vorderen und mittleren Siebbeinzellen. Im unteren Nasengang liegt der Ausführungsgang des Ductus nasolacrimalis (siehe Abbildung 2.2).

Unter der mittleren Muschel liegt kranial der Kieferhöhlenöffnung die größte Kammer des Siebbeins, die Bulla ethmoidalis. Am vorderen Rand ihrer knöchernen Begrenzung findet sich eine knöcherne Erhebung, der Processus uncinatus, der den Eingang zur Kieferhöhle nach vorne begrenzt. Entzündungen in diesen Bereichen können zur Verlegung der Kieferhöhlenöffnung führen.

Um die Nasenhaupthöhlen gruppieren sich die Nasennebenhöhlen (NNH). Die NNH sind mit Luft gefüllte Hohlräume, welche sich erst im Laufe des Lebens während des Schädelwachstums ausbilden (Pneumatisation). Nur die Siebbeinzellen sind schon von der Geburt an pneumatisiert. Nebenhöhlenentzündungen finden sich bei Kindern daher vorwiegend in den Siebbeinzellen (Gefahr des Orbitadurchbruchs).

Die Innenseite der Nasennebenhöhlen ist mit respiratorischem Flimmerepithel ausgekleidet. Der Flimmerschlag ist zu den Ausführungsgängen gerichtet, so dass Sekret und Fremdkörper durch den gerichteten Flimmerschlag der Zilien abtransportiert werden können.

2.2 Erkrankungen der Nase und der Nasennebenhöhlen

Ein entzündlicher Prozess, der die Schleimhäute einer oder mehrerer Nasennebenhöhlen betrifft, wird als Sinusitis bezeichnet. In aller Regel ist dabei auch die Nasenschleimhaut mit einbezogen. Umgekehrt kommt es bei einem viralen Schnupfen in 87% der Fälle zu einer computertomographisch nachweisbaren Beteiligung der Nasennebenhöhlen, weswegen man von einer Rhinosinusitis spricht (Gwaltney et al. 1994). Während unter der akuten Sinusitis ein entzündlicher Prozess verstanden wird, der bei gestörtem Abfluss und gestörter Ventilation der Nasennebenhöhlen infolge einer nasalen Infektion entsteht, wird für die Entstehung der chronischen Sinusitis eine allmähliche Obstruktion durch vermehrte Gewebebildung im ostiomeatalen Komplex angenommen (Lund und Kennedy 1997) (siehe Abbildung 2.3).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.3: Frontalschnitt. Wenn die Schleimhaut in den Siebbeinzellen (grün) aufgrund einer Entzündung (Sinusitis) anschwillt, blockiert sie den Sekretfluss (siehe Pfeile) aus Stirn-(gelb) und Kieferhöhle (ocker) in der ostiomeatalen Einheit (rot). Durch die Blockade des Sekretabflusses verbleiben auch in den anderen Sinus Keime und führen dort ebenfalls zu einer Sinusitis (Schünke et al. 2006).

Ist bei einer Sinusitis durch eine konservative Therapie keine oder keine dauerhafte Besserung zu erzielen, oder treten orbitale und zerebrale Komplikationen auf, ist eine chirurgische Intervention indiziert (Smith und Brindley 1993; Eufinger und Machtens 2001).

Eine weitere häufig gestellte Diagnose ist die Polyposis nasi et sinuum. Nasenpolypen sind blass-grau gestielte Ausstülpungen, welche ihren Ursprung größtenteils nahe der Ausführungsgänge der Nasennebenhöhlen im mittleren und oberen Nasengang haben (Larsen und Tos 2004). Dadurch kann es zu einer Verlegung der NNH- Ausführungsgänge kommen. Die Pathogenese der Polyposis nasi et sinuum ist bis heute weitgehend ungeklärt. Bekannt ist die Assoziation mit einer Acetylsalicylsäure- Intoleranz und mit intrinischem Asthma (Pawliczak et al. 2005). Symptome sind unter anderem eine eingeschränkte Nasenatmung und Riechstörungen. Therapeutisch werden lokale und systemische Cortisonpräparate eingesetzt. Oft führt dies aber nicht zum gewünschten Erfolg, sodass eine chirurgische Intervention notwendig wird (Leunig und Berghaus 2005; Grevers et al. 1999; Tasman 1999; Delank und Stoll 1994).

2.3 Nasennebenhöhlenchirurgie im Wandel der Zeit

Die Chirurgie zur Behandlung entzündlicher Erkrankungen der Nasennebenhöhlen hat im letzten Jahrhundert einen grundlegenden Wandel erlebt. Gründe dafür sind sowohl veränderte pathophysiologische Modellvorstellungen als auch technische Neuerungen.

Bis in die 70er Jahre des 20. Jahrhunderts hinein galt bei Sinusitis maxillaris die 1893 entwickelte Radikaloperation nach Caldwell und Luc wegen der vermeintlich fehlenden Regenerationsfähigkeit der polypösen Kieferhöhlenschleimhaut als Therapie der Wahl. Über einen großen osteoklastischen Zugang in der Kieferhöhlenvorderwand wurde die gesamte Kieferhöhlenschleimhaut radikal entfernt und zur dauerhaften Belüftung und Drainage der Kieferhöhle ein großes Fenster zum unteren Nasengang angelegt. Wie sich jedoch im Laufe der Jahrzehnte gezeigt hat, bringt die Aufhebung der physiologischen Verhältnisse langfristig erhebliche Nachteile mit sich und führte häufig zu typischen Sekundärbeschwerden, die unter dem Sammelbegriff des Schmerzsyndroms nach radikaler Kieferhöhlenoperation zusammengefasst werden. Wegen des Ersatzes des physiologischen Flimmerepithels durch Narbengewebe wird die mukoziliäre Clearance mit ihrem Sekrettransport durch diese radikale Chirurgie unmöglich gemacht. Die Vernarbungsprozesse bewirken eine Verkleinerung der Kieferhöhle, Einziehung der fazialen Kieferhöhlenwand und einen Tiefstand des Orbitabodens. Des Weiteren kommt es durch die Einziehung von Wangenweichteilen im Bereich des fazialen Knochendefektes in die Kieferhöhle häufig zu einem narbigen Zug am N. infraorbitalis mit resultierenden neuralgieformen Beschwerden (Schwenzer und Ehrenfeld 2002).

Ende der 60er Jahre des letzten Jahrhunderts setzte sich in zunehmendem Umfang eine funktionelle Chirurgie (FESS - Functional Endoscopic Sinus Surgery) mit Belassung der Kieferhöhlenschleimhaut durch. Entscheidend für diesen Umbruch waren sowohl veränderte pathophysiologische Modellvorstellungen als auch die Entwicklung von Stablinsen-Endoskopen mit verschieden stark abgewinkelten Sehachsen, die erstmals den „Blick um die Ecke” ermöglichten (Sittel und Plinkert 2004). Die von Messerklinger entwickelte Technik der systematischen endoskopischen Untersuchung der lateralen Nasenwand bestätigte, dass die meisten Erkrankungen der großen Nebenhöhlen, wie Sinus frontalis und Sinus maxillaris, rhinogen entstehen. Er konnte zeigen, dass die Erkrankungen meist von der Nase auf die Nebenhöhlen übergreifen. Den Engstellen in der ostiomeatalen Einheit (siehe Abbildung 2.3) der lateralen Nasenwand kommt dabei eine Schlüsselrolle für die Normo- und Pathophysiologie der NNH zu. Messerklinger zeigte, dass eine polypös veränderte Kieferhöhlenschleimhaut nach Beseitigung der Entzündungsursache (Engstellen in der ostiomeatalen Einheit) unter temporärer Drainage ausheilt (Messerklinger 1969, 1979, 1987). Die so entwickelte Messerklinger-Stammberger-Technik zielt darauf ab, nach exakt vorausgegangener Diagnostik mit minimal-invasiven endoskopischen oder kombiniert mikrosopisch-endoskopischen Operationsverfahren nur die erkrankten Schlüsselstellen unter weitgehender Schleimhautschonung zu sanieren. Terminologisch werden folgende Eingriffe unterschieden:

- Infundibulotomie (Uncinektomie) ± maxilläre Sinusotomie (I, II, III)

- partielle anteriore Ethmoidektomie

- Frontoethmoidektomie

± frontale Sinusotomie (I, II, III)

- Sphenoethmoidektomie

± sphenoidale Sinusotomie (I, II, III)

- Frontosphenoethmoidektomie

± maxilläre Sinusotomie (I, II, III) ± Sphenoidotomie (I, II, III)

- sphenoidale Sinusotomie (I, II, III)

Diese können je nach Befund separat oder kombiniert durchgeführt werden. Zum Beispiel wird bei einer isolierten eitrigen Sinusitis maxillaris, sowie einer chronischen Rhinosinusitis nur eine Infundibulotomie durchgeführt. Dabei wird der Processus uncinatus in der Umgebung des natürlichen Kieferhöhlenostiums abgetragen. Sind akzessorische Kieferhöhlenostien vorhanden, werden diese mittels einer maxillären Sinusotomie I in die natürliche Kieferhöhlenöffnung integriert, um einen zirkulierenden Schleimtransport und damit einen neuen Infektionszyklus zu verhindern. Die Grade der Sinusotomien geben Auskunft über das Ausmaß der operativen Erweiterungen der Verbindungsgänge von der Nasenhaupthöhle zu den Nebenhöhlen. Bei einer Erkrankung der vorderen Siebbeinzellen oder der Kiefer- und Stirnhöhle wird die partielle anteriore Ethmoidektomie durchgeführt. Bei diesem Eingriff bleibt der Recessus frontalis unberührt und es wird versucht, mit einer postoperativen medikamentösen Therapie akute Stirnhöhlenerkrankungen zu beseitigen. Bei einem Versagen dieser Therapie kann eine Frontoethmoidektomie mit einer zusätzlichen Eröffnung der Recessus frontalis notwendig werden. Bei einer ausgedehnten Polyposis nasi et sinuum kann auch eine Sphenoethmoidektomie notwendig werden. Eine sofortige Indikation für eine Frontoethmoidektomie sind Pilzerkrankungen der Stirnhöhle, Barotraumen, Mukozelen und Osteome. Die Sphenoethmoidektomie kombiniert eine Infundibulotomie, anteriore Ethmoidektomie und das Operieren im hinteren Siebbein und in der Keilbeinhöhle. Der Zugang zur Stirnhöhle wird ausgelassen. Indikationen zur Operation in diesem Gebiet sind eine ausgedehnte Polyposis nasi et sinuum, als auch ein invertiertes Papillom oder Mukozelen, welche die NNH mit betreffen. Die Frontosphenoethmoidektomie beinhaltet eine anteriore und posteriore Ethmoidektomie, eine Sphenoidotomie, sowie eine Eröffnung des Recessus frontalis mit einer frontalen Sinusotomie. Dieser große Eingriff kann bei persistierenden Symptomen nach einer anterioren und posterioren ethmoidalen Operation durchgeführt werden, bzw. bei schwerer rezidivierender Polyposis nasi et sinuum, um ein längeres symptomfreies Intervall zu verschaffen. Bei der Sphenoidotomie wird der Sinus sphenoidalis über einen transnasalen Zugang geöffnet. Indikation ist eine isolierte Keilbeinhöhlenerkrankung, z. B. Aspergillose, purulente bakterielle Infektionen, ein invertiertes Papillom, Mukozelen und bei Biopsien von Schädelbasisläsionen.

In den späten 80er Jahren liegen die Anfänge der computerassistierten Chirurgie (CAS) bzw. der computergestützten intraoperativen Navigationssysteme. Durch intensive Weiterentwicklung dieser Systeme leisten sie bereits heute eine wertvolle Unterstützung für den HNO-Chirurgen. Auf die verschiedenen Navigationssysteme soll später noch im Einzelnen eingegangen werden.

2.4 Komplikationen in der Nasennebenhöhlenchirurgie

Über die Inzidenz von Komplikationen bei der NNH-Chirurgie gibt es in der Literatur vergleichsweise wenige Angaben. Rombout und De Vries (2001) werteten die Literatur von 1979 bis 1999 aus. Mit FESS lag die Häufigkeit der großen Komplikationen bei 1%, die der kleinen Komplikationen bei 5-6%.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 2.1: Überblick der Komplikationen, nach (Rudert et al. 1997)

Im Folgenden sollen einige mögliche intraoperative Komplikationen kurz erläutert werden Eine gefährdete Struktur im Rahmen einer endonasalen Nebenhöhlenchirurgie ist der Saccus lacrimalis und Ductus nasolacrimalis, dessen dorsale Wand sich in unmittelbarer Nähe zum Processus uncinatus und zum Ostium maxillare befindet und an die Aggernasi-Zellen grenzt. Verletzungen können bei der Abtragung des Processus uncinatus, der Erweiterung des Ostium maxillare nach vorne und bei der Eröffnung und Abtragung der Agger-nasi-Zellen entstehen.

Ein retrobulbäres Hämatom kann entstehen, wenn die Arteria ethmoidalis anterior in der Nähe der Lamina papyracea verletzt wird, oder das Gefäß aus seinem Bett gerissen wird. In beiden Fällen retrahiert sich der Stumpf der Arterie in die Orbita. Das entstehende retrobulbäre Hämatom führt zu einer druckbedingten Drosselung der Arteria ophtalmica und hat, bei unterbleibender Intervention, durch die Druckwirkung auf den N. opticus eine Erblindung zur Folge.

Der Nervus opticus kann gefährdet sein, wenn sich eine hintere Siebbeinzelle (OnodiZelle) über den Nervus opticus nach lateral schiebt, sodass dessen Kanal frei durch das Siebbein zieht (siehe Abbildung 2.4). Diese anatomische Variation soll in 3% der Bevölkerung vorkommen (Bansberg et al.1987; Delano et al. 1996).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.4: Verlauf des Nervus opticus durch eine Onodi-Zelle. Es sollte bei operativen Eingriffen an der Keilbeinhöhle ein transnasales Vorgehen erfolgen. Bei der transethmoidalen Operation besteht die Gefahr der Verletzung des Nervus opticus. Aus (Rudert et al. 1997)

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.5: Die klinische Bedeutung der Niveauunterschiede der Lamina cribrosa. Bei Tiefstand der Lamina cribrosa kann deren extrem dünne laterale Lamelle perforiert werden, wenn man sich bei der endonasalen Siebbeinausräumung zu weit medial hält (Pfeile). Aus (Rudert et al. 1997)

Bei Siebbeinausräumungen in kranialer Richtung kann es zur Verletzung im Bereich der vorderen Schädelgrube kommen. Zum einen kann die Lamina cribrosa direkt perforiert werden. Zum anderen können Niveauunterschiede im Bereich der Lamina cribrosa Grund dafür sein, dass es zu einer Eröffnung der vorderen Schädelbasis kommt, wenn man bei der endonasalen Siebbeinausräunmung zu weit nach medial geht (siehe Abbildung 2.5). Dabei kann es zu einer Verletzung der Fila olfactoria, der Dura mater und ihrer venösen Blutleiter, der Arachnoidea mit Austritt von Liquor cerebrospinalis und im schlimmsten Fall zu einer Subarachnoidalblutung aus der Arteria cerebri anterior kommen, die tödlich enden kann.

Weitere Gefäße, welche bei einer Verletzung zu starken Blutungen führen können, sind die Arteria sphenopalatina mit ihren Ästen und die Arteria carotis interna. Die Arteria sphenopalatina selbst ist sehr kurz. Sie zweigt sich im Foramen sphenopalatinum in die Arteriae nasales posteriores laterales et mediales auf. Starke Blutungen im Bereich der hinteren mittleren und unteren Nasenmuschel werden durch Verletzungen der Arteriae nasales posteriores laterales verursacht. Die Arteriae nasales posteriores mediales können bei Operationen im Bereich des Nasenseptums und der Keilbeinhöhlenvorderwand in Mitleidenschaft gezogen werden.

Die Arteria carotis interna kann bei Keilbeinhöhlenoperationen verletzt werden. Sie bildet am Übergang von Seitenwand zu Hinterwand der Keilbeinhöhle eine mehr oder weniger ausgeprägte Prominenz.

2.5 CAS (Computer Assisted Surgery)

Der Einsatz intraoperativer Navigationssysteme stellt heute eine wesentliche Orientierungshilfe in der NNH-Chirurgie dar. Auch in der Neurochirurgie, Orthopädie und Wirbelsäulenchirurgie werden Navigationssysteme erfolgreich eingesetzt. Eine Fünfjahresstudie von Tabae et al. (2003) zeigt, dass durch den Einsatz von Navigationssystemen in der NNH-Chirurgie intraoperative Komplikationen reduziert werden konnten. Jedoch ersetzen diese Systeme nicht profunde anatomische Kenntnisse und ein chirurgisches Geschick (Grevers et al. 1999).

Beim Arbeiten mit einem Navigationssystem werden dem Chirurgen Informationen über die Lage eines Instrumentes in allen drei Raumebenen auf einem Monitor angezeigt (siehe Abbildung 2.6). Die Grundlage für diese Informationen bilden präoperativ angefertigte Schnittbildverfahren. In der NNH-Chirurgie ist das CT-Bild die Datensatzbasis. Präoperativ müssen die Strukturen am Patienten und im Bilddatensatz durch eine so genannte Registrierung zur Deckung gebracht werden. Vor der Anfertigung von Bilddaten werden dafür z. B. am Patienten Marker angebracht, die auf dem CT-Bild differenziert dargestellt werden können. Während der OP wird ein Navigationsinstrument verwendet, um die Marker am Patienten im Bezug zum Kamerasystem zu lokalisieren und zu definieren. Das Navigationssystem korreliert die genaue Position des Instrumentes an den Patientenmarkern mit deren Positionen in den radiologischen Bildern.

Die Informationen über die Lage eines Instrumentes werden auf einem separaten Monitor angezeigt. Das heißt, der Chirurg muss den Blick vom Operationsgebiet abwenden, um auf dem Monitor zu sehen, wo sich sein navigiertes Instrument gerade befindet (siehe Abbildung 2.6). Da die eigentliche Präparation aber immer unter videoendoskopischer Sicht stattfindet, erfolgt dies wiederum freihändig. Es gibt Studien über die Einblendung von Informationen über ein Display welches am Kopf des Chirurgen befestigt wird (Birkenfelder et al. 2003; Maithel et al. 2005; Wanschitz et al. 2002). Des Weiteren wurden Konzepte zur automatischen Positionierung des Mikroskops geprüft (Heermann et al. 2001).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.6: Blick in einen OP-Saal der Universität Leipzig bei der Verwendung eines Navigationssystems. Links auf dem Monitor ist die Position eines getrackten Instrumentes zu sehen. Der Bildschirm in der Mitte des Bildes zeigt die Informationen des Endoskops an.

2.5.1 Navigationssysteme

Bei den Navigationssystemen in der HNO-Chirurgie unterscheidet man zwischen drei technischen Arten.

- Elektromechanische Systeme
- Elektromagnetische Systeme
- Optische Systeme

Bei den elektromechanischen Systemen wird die Position einer starren Sonde, welche an einem mehrgelenkigen Messarm befestigt ist, über Potentiometer in den Gelenkarmen registriert und die Raumkoordinaten an einen Computer weitergegeben. Aufgrund der unhandlichen Bedienung haben diese Systeme an Interesse verloren.

Bei den optischen Systemen lokalisieren Kameras infrarot emittierende Dioden (LEDs-Light Emitting Diodes) im Raum. Diese Dioden sind an so genannten Trackern befestigt, von denen einer am Patienten und einer am Instrument fixiert ist (siehe Abbildung 2.7). Über geometrische Verfahren wird ein Objekt im Raum relativ zu einem anderen detektiert. Mit dieser Methode wird das Instrument relativ zum Patienten gemessen und im CT-Datensatz die Position der Instrumentenspitze angezeigt. Es gibt aktive und passive optische Systeme. Bei den aktiven Systemen wird von starr auf dem Instrument befestigten LEDs Infrarotlicht an die Kameras gesendet. Bei den passiven Systemen wird infrarotes Licht von Sendern, die in der Nähe der aufnehmenden Kameras eingebaut sind, emittiert und von geeigneten Objekten am Instrument reflektiert. Vorteil der passiven Systeme ist, dass kein Kabel notwendig und somit eine größere Bewegungsfreiheit gegeben ist. Bei den optischen Systemen muss immer ein Sichtfeld zwischen Kamera, den LEDs am Patienten und denen am Instrument gegeben sein („line of sight“), da sonst keine Navigation möglich ist.

Bei den elektromagnetischen Systemen wird von einem am Patienten befindlichen Sender ein Magnetfeld generiert und über einen Empfänger am Instrument, das in Stärke, Orientierung und zeitlicher Charakteristik bekannte Magnetfeld gemessen. So kann die Raumlage des Instrumentes (Empfänger) zu der bekannten Raumlage des Patienten (Sender) errechnet werden. Nachteil dieser Systeme ist, dass magnetisierbare Objekte im Operationsgebiet Störungen verursachen können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.7: Funktionsweise eines passiven optischen Navigationssystems. Links im Bild sind die Tracker (T-förmig) mit den LEDs zu sehen. Rechts im Bild die Kamera, welche Infrarotstrahlen (rote gestrichelte Linien) aussendet und die emittierten Strahlen (rote durchgezogene Linie) aufnimmt.

2.5.2 Genauigkeit chirurgischer Navigationssysteme

Die Genauigkeit von chirurgischen Navigationssystemen stellt das herausragende Kriterium für deren Evaluation dar. Einflussgrößen sind unter anderen die Auflösung der Computertomographie, die Art des Markierungsverfahrens und die Art der Registrierung. Es gibt heute eine Vielzahl von Markierungsverfahren. Diese reichen von invasiven Markern wie, z. B. Schrauben, über nichtinvasive Marker, wie einfach klebende Hautmarker, Kopfhalterungen und Bissschienen mit daran befestigten Markern, bis hin zur markerlosen lasergestützten Registrierung. Hautklebemarker führen wegen der Verschieblichkeit der Haut, abhängig von Alter, Hautturgor, Lagerung des Patienten zu einer Ungenauigkeit von bis zu 5 mm (Bale et al. 1997; Gunkel et al. 2000; Troitzsch et al. 2003; Nilius 2004).

Die derzeit geforderte Genauigkeit chirurgischer Navigationssysteme liegt bei ca. 1 mm Abweichung (Gunkel et al. 2000). Jedoch variieren die Angaben in der Literatur selbst bei der Betrachtung eines identischen Gerätetyps beträchtlich, und liegen meist über der geforderten Genauigkeit (Khan et al. 2003; Heermann et al. 2001b; Roumbaux et al. 2003).

Hinzu kommt, dass bis heute keine klar definierten Kriterien zur Bewertung der chirurgischen Genauigkeit eines Navigationssystems vorliegen und dass kein einheitliches Verständnis für den Begriff der Genauigkeit existiert (Strauss et al. 2005b). Strauss et al. (2005b) empfehlen für standardisierte Messungen, dass die chirurgische Genauigkeit als technische Systemeigenschaft die maximalen Werte der Abweichung zwischen Erwartungswert (Messwert) und Bezugswert (wahrem Wert) Amax und zusätzlich die jeweilige Präzision P unter klinischen Bedingungen enthalten sollte (siehe Abbildung 2.8).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2.8: Graphische Darstellung von Präzision und Richtigkeit (nach Schmidt 1997, modifiziert) Unter Präzision versteht man in der Fehlerrechnung die innere Genauigkeit von Messungen. Man erhält sie durch mehrmaliges Wiederholen einer Messung unter gleichen Bedingungen mit demselben Messgerät oder Messsystem. Sie bildet die Standardabweichung des Erwartungswertes. Der Erwartungswert ist der Mittelwert der Messwerte. Die Richtigkeit ist nach DIN 55350-13 die systematische Messabweichung zwischen Erwartungswert und Bezugswert. Die Genauigkeit bedeutet eine äußere Genauigkeit. Sie kommt in der Streuung von Messungen zum Ausdruck, wenn diese unter verschiedenen äußeren Umständen wiederholt werden. Nach DIN 55350 beinhaltet der Begriff Genauigkeit die Präzision und die Richtigkeit. (DIN Taschenbuch 1995; Schmidt 1997).

Strauß et al. (2005b, S. 80) stellen folgendes fest: „Die Präzision hat in der chirurgischen Bewertung eines Navigationssystems isoliert betrachtet keinen Wert. Ein System kann präzise wiederholt mit einer Abweichung von beispielsweise 20 mm neben dem Bezugswert liegen und verfügt (trotzdem) über eine hohe Präzision, aber eine schlechte Genauigkeit. Sie definiert wichtige Randbedingungen, wie die Qualität des Verfahrens zur Bestimmung der Genauigkeit oder die Robustheit eines Navigationsverfahrens.“

2.5.3 Navigated Control

2001 wurde von Lüth et al. die Steuerung kraftgetriebener Instrumente nach einem präoperativ definierten Arbeitsraum beschrieben. Bei dieser mechatronischen Steuereinheit erfolgt ein kontinuierlicher Vergleich zwischen aktueller Position des abtragenden Instruments und der präoperativ festgelegten Resektionsgrenze. Erreicht das Instrument die Grenze des Arbeitsraumes, so wird dessen Leistung über eine Kraftdose reduziert oder abgeschaltet. Auf diese Weise können präoperativ Grenzen zu gefährdeten Strukturen, wie z. B. Orbita und Schädelbasis, festgelegt werden. Intraoperativ kann der Chirurg unter Sicht arbeiten, mit der Sicherheit gefährdete Nachbarstrukturen nicht zu verletzen.

2.6 Aufbau und Einsatz des Shavers

Das Prinzip der Shaver-Systeme wurde in der Medizin im Bereich der Orthopädie erstmalig im Jahre 1985 verwendet. Haupteinsatzgebiete waren zunächst die Kniegelenksarthroskopie, später dann Schulter- und Kiefergelenksarthroskopie. Im Jahre 1994 führte Ruben Setliff erstmalig ein Shaver-System in die endonasale NNH- Chirurgie ein und konnte die Anwendungsmöglichkeiten vor allem bei Nasenpolypen aufzeigen, was in der Literatur bestätigt wurde. Es können aber auch kleine Knochenplättchen gut entfernt werden (Ferguson et al. 1999; Hamels et al. 1997; Hawke und McCombe 1995).

Vom Grundprinzip ähneln sich alle auf dem Markt befindlichen Shaver-Systeme. Ein, in einem an der Spitze offenen Saugkanal, rotierendes Hohlmesser schneidet die in den Kanal mit konstantem Sog angesaugten Gewebemassen mit einer oszillierenden Bewegung ab (siehe Abbildung 2.9, 2.10). Das abgetrennte Gewebe wird durch den Schaft des Hohlmessers und einen Verbindungsschlauch abgesaugt und kann z. B. über ein Saugkörbchen aufgefangen und so der histologischen Untersuchung zugeführt werden. Unterschiede gibt es im Design der Shaver-Fenster, sowie der Schnittkanten der Schnittblätter. Vorteile des Shaverprinzips sind unter anderem, dass durch das Arbeiten unter einem konstanten Sog simultan auch Sekrete und vor allem Blut abgesaugt werden. Dies hilft zum einen, häufige Instrumentenwechsel wie z. B. das Einführen von diversen Saugern zu vermeiden und macht Platz für ein Endoskop um unter Sicht arbeiten zu können. Außerdem führt es zu einem blutärmeren und damit besser übersichtlichen Operationsfeld. Durch Dosieren des Soges und gegebenenfalls des Anpressdruckes können Weichteile punktuell oder auch flächig abgetragen werden. Da nur das eingesaugte Gewebe abgeschnitten wird, lassen sich die verschiedenen Arten von Polypen besonders gut entfernen (Stammberger 1998). Dieses geringere Kraftmoment bei der Entfernung begünstigt eine bessere Wundheilung. Die Verwendung stumpfer Instrumente, welche die Schleimhaut von den Wänden abzieht, führt zu einer sekundären Wundheilung mit lang andauernder Verkrustung oder Eiterung (Simmen und Jones 2005).

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Abbildung 2.9: Nahaufnahme eines Shaverblattes mit dahinter befindlichen Polypen

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Abbildung 2.10: NNH- Shaverhandstück der Firma Karl Storz GmbH, Tuttlingen

3 Material und Methode

3.1 Modell zur Bestimmung der chirurgischen Registriergenauigkeit

An einem Kunststoffschädel (Novartis) wurden vier Klebemarker (Beekley-Spot 2 mm; Beekley Coorp., Bristol, USA) angebracht. Die durchnummerierten Marker befinden sich im Abstand von etwa 50, 75, 100 und 150 mm vom Zentrum des Registriersterns bzw. Trackers entfernt (siehe Abbildung 3.1, 3.2) in anatomisch relevanten Regionen: Schädelbasis, Lamina papyracea und Clivus. Ein weiterer Klebemarker ist an der Vorderwand der Kieferhöhle angebracht.

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Abbildung 3.1: Kunsstoffschädel mit bissschienenfixiertem Registrierbogen und daran befestigten Registrierstern bzw. Tracker (links von vorn, rechts von unten)

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Abbildung 3.2: Klebemarker (Beekley-Spot) vergrößert; in Mitte Metallkugel, d=2mm

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Abbildung 3.3: Verstärkte Tiefziehschiene (Bissschiene) mit eingearbeiteten Registrierbogen und daran befestigten Tracker.

3.1.1 Registrierung des Schädelmodells

Vom Oberkiefer des Kunststoffschädels wurde ein Alginatabdruck (Alginoplast, Heraeus Kulzer) genommen. Anschließend wurde diese Abformung mit Gips (Occludur, ORBIS-Dental) ausgegossen und auf dem Modell eine Tiefziehschiene (Durasoft, Scheu-Dental) gefertigt. Diese wurde durch das Aufbringen von autopolymerisierendem Kunststoff (weiß) verstärkt und gleichzeitig eine Retention für den Registrierbogen eingearbeitet. Anschließend wurde die Schiene auf die Oberkieferzahnreihe des Schädels gesetzt und mit einem Modellierkunststoff (Pattern Resin LS, GC) fixiert. Ebenso wurde der Registrierbogen in der eingearbeiteten Vertiefung der Bissschiene mit dem Modellierkunststoff (rot) fixiert, um ein späteres Herauslösen zu verhindern (siehe Abbildung 3.3).

Der Registrierbogen (Ingenieurteam um Prof. Lüth (MiMed) wird zur Registrierung des Patienten benutzt. Er ist an einer reversibel verbundenen Oberkiefer-Bissschiene des Patienten befestigt. Der Registrierbogen enthält sechs Titanmarker in definierten Positionen. Nach Anfertigung eines CT-Bildes (Kollimation 1.0, rekonstruierte Schichtdicke 0,75, 120 kV, 100 mAs, Somatom Volume Zoom, Siemens) vom Schädelmodell mit bissschienenfixiertem Registrierbogen werden die Daten in die Navigationssoftware NaviBase HNO 2.0.0 (Ingenieurteam um Prof. Lüth (MiMed) importiert. Die Lage der Titanmarker wird durch die Software erkannt und automatisch abgeglichen. Die Entfernung vom Tracker zum Registrierbogen ist ebenfalls in der Software festgehalten. Nach dem formschlüssigen Anbringen des Trackers am Registrierbogen (siehe Abbildung 3.1 und 3.3) ist die Registrierung des Patienten abgeschlossen.

3.1.2 Instrumentenregistrierung

Nach der automatischen Registrierung des Patienten erfolgt die Registrierung des Shavers zum Patienten. Die konstante Entfernung von dem am Shaver befindlichen Tracker und der Shaverspitze ist in der Navigationssoftware integriert. Die Shaverspitze wird in eine Registriervorrichtung am Patiententracker eingeführt. Über das optische Navigationssystem (NaviBase®) (LapDoc Accedo) werden die Koordinaten der Tracker empfangen und an den Computer weitergeleitet. Stimmen die Soll- und Ist-Werte (inklusive Toleranz) überein, ist die Registrierung abgeschlossen.

3.1.3 Bestimmung der chirurgischen Registriergenauigkeit

Nach der Anfertigung des CTs und vor der Registrierung wurden die vier Klebemarker in allen drei rekonstruierten Schichtebenen des CT-Bildes aufgesucht und mit einem Fadenkreuz (siehe Abbildung 3.4) mittig markiert.

Nach der Registrierung wurde jeder der vier Marker 100mal angefahren (siehe Abbildung 3.4 und 3.5). Dabei wurde versucht, mit der Spitze des Shavers die Mitte der Markerspitze zu berühren. Die Koordinaten wurden durch das Betätigen einer Taste in eine Datei geschrieben. Die Bestimmung der chirurgischen Genauigkeit erfolgte durch den Vergleich der Koordinaten des Bezugswertes (grünes Fadenkreuz im CT-Bild) und dem Erwartungswert (Messwert, entspricht der Position der Shaverspitze).

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Abbildung 3.4: Screenshot. Anfahren der Beekley-Spots (grüne Fadenkreuze in allen 3 Raumebenen) mit der Shaverspitze (rotes Fadenkreuz)

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Abbildung 3.5: Schädelmodell und Shaver mit daran befindlichem Tracker. Anfahren der Klebemarker mit der Shaverspitze.

3.2 Bestimmung der Umsetzungsgenauigkeit

3.2.1 Der Nasennebenhöhlendemonstrator

Für die Bestimmung der Umsetzungsgenauigkeit eines definierten Arbeitsraumes wurde ein Nasennebenhöhlendemonstrator entwickelt. Dieser besteht aus zwei Teilen, einem Schädelmodell und reversibel verbundenen Nasennebenhöhlenmodellen (NNH- Modellen) (siehe Abbildung 3.6).

Das Schädelmodell (Plastikwürfel, 9x9x9 cm) ist mit einem aus Silikon gefertigten Oberkiefermodell (Ingenieurteam um Prof. Lüth (MiMed) verbunden. Das Oberkiefermodell ist mit einem reversibel verbundenen Registrierbogen versehen (siehe Abbildung 3.7). Als NNH-Modelle dienen zylinderförmige Plastikbecher (h=6 cm, d=4,5 cm), welche mit Steckfix-Dry-Phenolschaum (Smithers-Oasis GmbH u. Co.Kg, Grünstadt) gefüllt sind.

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Abbildung 3.6: Schädelmodell (Würfel, blau) und NNH-Modell (Zylinder, rot). Der Kunststoffkopf im Hintergrund soll die realistische Dimension des technischen NNH-Demonstrators aufzeigen.

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Abbildung 3.7: Oberkiefermodell mit

Registrierbogen am Schädelmodell (Plasikwürfel) befestigt.

Für die Verbindung zwischen Schädel- und NNH-Modell wurde ein Splitcast-System aus der Zahntechnik verwendet. Mit einem Splitcast-Sockelformer (Firma Girrbach Dental GmbH) wurden aus Gips (Occludur, ORBIS- Dental) 15 Sockelplatten hergestellt. Diese zeichnen sich an der Unterseite durch eine integrierte Metallplatte und definierte Vorwölbungen aus (siehe Abbildung 3.8). Eine dieser Sockelplatten wurde zur Herstellung der Negativform verwendet. Dazu wurde diese mit einem Isoliermittel (Mirapor, Hager & Werken) beschichtet und an der Metallplatte ein Magnet angebracht. Dann wurde der Boden des Schädelmodells mit Gips (Occludur, ORBIS-Dental) ausgegossen und die isolierte Sockelplatte in den noch nicht abgebundenen Gips hineingesetzt, sodass der Magnet und die Vorwölbungen bedeckt waren. Nach Erhärtung des Gipses wurde die Sockelplatte entnommen, die Kanten der Negativform gebrochen und die Gipsoberfläche mit Cyan-Acrylat-Kleber (Liquicol, Renfert) gehärtet, um ein späteres Abnutzen der Negativform zu verhindern.

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Abbildung 3.8: Schlüssel- Schloss-Form zwischen Schädelmodell (Boden) und

NNH-Modell (Sockelplatte nach oben geklappt)

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Abbildung 3.9: NNH-Modelle (Sockelplatten mit Steckfix-Dry-Phenolschaum gefüllten Plastikbechern)

Ein reibungsloses Ein- und Ausgliedern jeder Sockelplatte aus dem Schädelmodell wurde überprüft. Eine einheitliche Höhe der Sockelplatten wurde mit Hilfe eines Gipstrimmers (MT - Plus, Renfert) erreicht.

Danach wurde in jeden der 15 Plastikbecher Steckfix-Dry-Phenolschaum hineingepresst. Der Überschuss wurde mit einem Teppichmesser entfernt. Die Befestigung der Plastikbecher an den Sockelplatten erfolgte in einem einheitlichen Abstand von dessen Rand mit Hilfe einer Heißklebepistole. Abschließend wurden die NNH-Modelle mit Ziffern von 1 bis 15 durchnummeriert (siehe Abbildung 3.9).

3.2.2 Festlegen des Arbeitsraumes

Vom gesamten NNH-Demonstrator wurde ein CT angefertigt (Kollimation 1.0, rekonstruierte Schichtdicke 0.75, 120 kV, 100 mAs, Somatom Volume Zoom, Siemens) und der CT-Datensatzes in die Navigationssoftware NaviBase HNO 2.0.0 (Ingenieurteam um Prof. Lüth (MiMed) importiert. Als Orientierung für die Festlegung des Arbeitsraumes diente der im CT-Bild sichtbare Becherrand (siehe Abbildung 3.10). Mit einem Sicherheitsabstand von ca. 1cm zum Becherrand wurde die Dimension des Arbeitsraumes auf 24 x 24 x 30 mm (Breite x Länge x Tiefe) festgelegt.

3.2.3 Resektion des Arbeitsraumes

Nach der Registrierung (siehe Kapitel 3.1.1 und 3.1.2) wurde zunächst im navigiert- kontrollierten Modus das festgelegte Volumen der NNH-Modelle 1 bis 5 mit dem Shaver entfernt. Dabei wurden die Wände der entstandenen Kavität so lange manuell mit dem Shaver abgefahren bis ein Abtragen durch Abschalten des Motors nicht mehr möglich war.

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Abbildung 3.10: Entfernung des festgelegten Arbeitsraumes (blau) durch den Shaver (grün) im navigiert-kontrollierten Modus (Button „FESS Control ON“ + „Navigation“ aktiviert). Überschreitet die Spitze des Shavers (rotes Fadenkreuz) den Arbeitsraum, erfolgt ein Farbumschlag von grün nach rot und ein Abschalten des Shavers.

Bei den NNH-Modellen 6 bis 10 wurde der festgelegte Arbeitsraum im navigierten Shavermodus entfernt. Dabei wurde so lange geshavert, bis ein Verlassen des Shavers (Anhaltspunkt: Position des roten Fadenkreuzes und Farbumschlag des Shavers von grün zu rot) aus dem Arbeitsraum auf dem Monitor zu erkennen war (siehe Abbildung 3.10). Abbildung 3.11 und 3.12 zeigen die Versuchanordnung der navigiertkontrollierten- und navigierten Resektion des Arbeitsraumes.

Danach erfolgte die konventionelle Entfernung des Arbeitsraumes der NNH-Modelle 11 bis 15 ohne jegliche Navigation. Hier diente eine navigiert geshaverte Kavität als Vorlage. Orientierungspunkt war die Entfernung vom Becherrand zur Kavität (siehe Abbildung 3.13). Bei allen Versuchen wurde die aufgewendete Zeit gestoppt. Anschließend wurden alle Kavitäten jeweils zweimal mit Racing Lackspray weiß eingesprüht und im Lacktrockenoffen (10 min) bei 60°C getrocknet, um eine stabilere Oberfläche zu erreichen (siehe Abbildung 3.14).

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Abbildung 3.11: Versuchsanordnung für das Entfernen des Arbeitsraumes unter navigiert- kontrollierten und navigierten Bedingungen. Links im Bild die Kamera des optischen Navigationssystems. Der Laptop im Abbildung 3.12: Nahaufnahme der Hintergrund zeigt die Lage der Shaverspitze im Abbildung 3.11 navigierten- und navigiert-kontrollierten Modus an.

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Abbildung 3.14 Fixierung der Kavitätenoberfläche mit Racing-Lackspray weiß (Peter Kwasny GmbH, Gundelsheim)

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Abbildung 3.13: Entfernung des Arbeitsraumes unter konventionellen Bedingungen. Das rechte NNH-Modell dient als Vorlage.

3.2.4 Vermessung und Bezeichnung der Kavitätenwände

Zur Vermessung der Kavitäten wurde eine 3-D-Koordinaten-Messmaschine (Wenzel LH-65, Wenzel GearTec GmbH, Karlsruhe) und ein Faro-Arm Titanium (Faro Technologies Inc.) verwendet. Mit der 3-D-Koordinaten-Messmaschine wurden die Seitenwände und der Kavitätenboden abgetastet (siehe Abbildung 3.15). Für jede Wand wurden bei einem Raster von 2 mm, 100 Messwerte erhoben. Somit wurden pro Kavität 500 und insgesamt 7500 Messwerte erhoben (100 Messwerte x 5 Wände x 15 Kavitäten). Die Koordinaten x, y, z jedes Tastpunktes wurden in einem Loc-File gespeichert. Anschließend wurde der Abstand d zwischen den Koordinaten der Planung und denen der geshaverten Kavität berechnet (Ingenieurteam um Prof. Lüth (MiMed).

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Abbildung 3.15: Vermessung der einzelnen Kavitätenwände mit einer 3-D-Koordinaten Messmaschine (Wenzel LH-65, Wenzel GearTec GmbH, Karlsruhe). Bezeichnung der Kavitätenwände: Wand 1 = Kavitätenboden, Wand 2 = vorn (Dach der Nasenhöhle), Wand 3 = links vom Chirurgen (Wand zur rechten Orbita), Wand 4 = hinten, zum Chirurgen (Boden der Nasenhöhle), Wand 5 = rechts vom Chirurgen (Wand zur linken Orbita)

Die Beziehung der Koordinaten der geshaverten Kavität und die der Planung wurden wie folgt hergestellt. Das Bezugskoordinatensystem für die Vermessung der Kavitäten wurde an einer industriell gefertigten Metallplatte festgelegt. Diese wurde vor der Vermessung mit Hilfe einer Heißklebepistole am Schädelmodell befestigt. Das Bezugskoordinatensystem an der Metallplatte wurde mit Hilfe eines Faro-Arms mit den Koordinaten der sechs Titanmarker im Registrierbogen in Beziehung gebracht, die das Bezugskoordinatensystem für die geplante Kavität sind. So wurde für jede einzelne Kavität die Abweichung zur geplanten Kavität berechnet.

4 Ergebnisse

Ad 3.1: Untersuchung der chirurgischen Registriergenauigkeit des Shavers mit einer verbesserten Rigidität anhand von anatomischen Landmarken an einem Schädelmodell

Tabelle 1 fasst die Messergebnisse zur chirurgischen Genauigkeit des Shavers an vier unterschiedlichen Messpunkten (417 Messungen) zusammen. Die maximale Abweichung Amax der angezeigten Position des Shavers vom Bezugswert betrug 1,93 mm. Die durchschnittliche Abweichung lag bei 1,29 mm mit einer Standardabweichung über alle Werte sd von 0,29 mm. Die Standardabweichung aller vier Punkte gemittelt liegt bei 0,12 mm. Es ist eine lineare Abhängigkeit der chirurgischen Genauigkeit des Shavers von der Entfernung zum Zentrum des Schädel-Registriersterns zu erkennen (siehe Abbildung 4.1).

Ad 3.2: Bestimmung der Umsetzungsgenauigkeit

Der beschriebene Demonstrator erwies sich als geeignet für eine reproduzierbare Versuchsreihe mit mehreren Probekörpern. Die Fixierung der NNH-Modelle im Schädelmodell war durch eine schnelle und einfache Handhabung gekennzeichnet.

Die verwendete Kunststoffmasse unterschied sich von der des Initialversuches durch eine erhöhte Dichte und damit eine geringere Eindrückbarkeit.

Bei der Betrachtung der Ergebnisse fällt zunächst Ebene 1 auf mit deutlich abweichenden Werten im Vergleich zu den anderen Ebenen. Bei navigiert-kontrollierter Resektion wurden hier im Schnitt 4,6 mm, bei navigierter Resektion 4,5 mm und bei konventioneller Instrumentation 5,6 mm zu wenig entfernt (siehe Tabelle 4.4). Ebene 1 ist der Boden der Kavität, der im Gegensatz zu den übrigen Ebenen durch den Shaver indirekt abgetragen wird. Diese Ebene wurde aus den folgenden Betrachtungen (siehe Kapitel 5.2) ausgeschlossen und die Auswertung auf die Ebenen 2 bis 5 beschränkt.

Der maximale Mittelwert des Überschreitens der geplanten Kavität betrug bei navigiertkontrollierter Resektion 1,62 mm, bei navigierter Resektion 2 und bei konventioneller Resektion 2,5 mm (siehe Tabelle 4.2).

Die Streuung ist bei allen drei Arten der Resektion gering und liegt nahe beieinander. Sie beträgt insgesamt (über alle Kavitätenwände der fünf jeweiligen NNH-Modelle) bei navigiert-kontrollierter Resektion 0,56, bei navigierter Resektion 0,52 und bei konventioneller Resektion 0,48 (siehe Tabelle 4.3 und 4.4).

Für die Resektion des Arbeitsraumes, wurde bei navigiert-kontrollierter und konventioneller Instrumentation deutlich weniger Zeit benötigt, als bei der konventionell-navigierten Instrumentation (siehe Tabelle 4.5). Die Abbildung 4.2 stellt den benötigten Zeitaufwand graphisch dar.

Ein Beispiel der graphischen Auswertung zwischen geplanter und geshaverter Kavität stellt die Abbildung 4.3 dar. Rechts unten im Bild ist auf der y-Achse die Ebene 1 zu sehen mit deutlichem Unterschreiten der Resektionsgrenze.

Tabelle 4.1 Chirurgische Registriergenauigkeit des Shavers an vier unterschiedlichen Messpunkten am Schädelmodell (n=417 Messungen)

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Tabelle 4.2: Mittelwerte der Abweichungen der einzelnen Kavitäten vom geplanten Resektionsraum (negative Werte bedeuten zu kleine resultierende Resektion, positive Werte bedeuten zu ausgedehnte Resektion) [mm]. Dick unterlegt ist der max. Mittelwert des Überschreitens der Resektionsgrenze.

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Abbildung 4.1: Landmarke: 1 = Kieferhöhlenvorderwand , 2 = Schädelbasis, 3 = Lamina papyracea, 4 = Clivus

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Abbildung 4.3: Beispiel der Auswertung (Ingenieurteam um Prof. Lüth (MiMed) einer geshaverten Kavität (blau) zu der geplanten Kavität (grün). Rechts oben NNH-Demonstrator mit eingezeichnetem Koordinatensystem.

5 Diskussion

5.1 Chirurgische Registriergenauigkeit des navigiert kontrollierten Shavers

Um unter klinisch-praktischem Aspekt Angaben zur chirurgischen Genauigkeit des verwendeten Systems machen zu können, werden hier nur die maximalen Werte betrachtet. Die maximale Abweichung Amax des registrierten Shavers beträgt 1,93 mm (siehe Tabelle 4.1) gegenüber 2,96 mm im Initialversuch. Durch das Anbringen der Titanschelle wurde die Rigidität des Shavers verbessert. Die transversale Auslenkung des Shaverschaftes bei seitlichem Druck auf die Shaverspitze konnte reduziert werden. Die Standardabweichung von 0,29 über alle Messungen und 0,12 im Mittel aller vier Punkte (siehe Tabelle 4.1) deutet auf eine hohe Präzision (siehe dazu Abbildung 2.8) hin. Bei durchschnittlich 100 Messungen pro Punkt weichen die gemessenen Positionen (Erwartungswerte) nur minimal voneinander ab.

Die verwendeten Klebemarker haben einen Eigendurchmesser von 2 mm. Da versucht wurde, das Fadenkreuz in die Mitte der Marker zu legen (siehe Kapitel 3.1.3), ist von einer Distanz von bis zu 1 mm zur Markeroberfläche auszugehen. Betrachtet man diese als Toleranz, wäre Amax bei einer Distanz von 150 mm des Markers zum Zentrum des Schädelregistriersterns nur 0,93 mm statt 1,93 mm.

Des Weiteren wird Amax des registrierten Shavers dann geringer, wenn man den Marker genau mit der Shaverspitze, also zentral berührt (siehe Abbildung 5.1). Sobald die Shaverspitze leicht seitlich auf den Marker trifft, kommt es zu einer Abweichung, da der Shaver in der Software als Strahl definiert ist (siehe Kapitel 5.2.1). Aufgrund der geringen Standardabweichung kann jedoch davon ausgegangen werden, dass überwiegend eine zentrale Markerberührung stattgefunden hat.

Die geschilderte Abhängigkeit der chirurgischen Genauigkeit von der Entfernung der Messpunkte und dem Zentrum des Schädel-Registriersterns (siehe Abbildung 4.1) wird auch in anderen Versuchsreihen beschrieben (Nilius 2004). Die Genauigkeit von markergetragenen Oberkieferschienen als Referenzierungshilfe in Abhängigkeit zur Entfernung referenzierter Knochenstrukturen betrug bei Naumann (2001) schienennah (Gaumenbereich) 0,71 ± 0,12 mm und schienenfern (Okzipitalbein) 1,85 ± 0,46 mm.

Es ist festzustellen, dass die chirurgische Registriergenauigkeit des registrierten Shavers im Vergleich zu bestehenden Literaturangaben ausreichend genau ist (Khan et al. 2003; Heermann et al. 2001b; Roumbaux et al. 2003).

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Abbildung 5.1: Fehlermöglichkeit bei der Bestimmung der chirurgischen Genauigkeit. Links: Die Spitze des Shavers berührt den Marker. Rechts: Shaver wird seitlich auf den Marker aufgesetzt.

5.2 Umsetzungsgenauigkeit der geplanten Kavität

5.2.1 Vergleich von navigiert-kontrollierter, konventioneller und konventionell-navigierter Resektion

Diese Studie zeigt eine genauere Umsetzung der geplanten Kavität durch den navigiertkontrollierten Shaver im Vergleich zum navigierten und konventionellen Shaver. Der Unterschied liegt beim Vergleich der maximalen Mittelwerte (siehe Tabelle 4.2) bei mehr als 15% bzw. 30%.

Bei der Betrachtung des Zeitdiagramms (siehe Abbildung 4.2 und Tabelle 4.5) fällt auf, dass bei navigiert-kontrollierter und konventioneller Resektion nahezu die gleiche Zeit gebraucht wurde, hingegen bei navigierter Resektion fast doppelt so viel Zeit beansprucht wurde. Der annähernd gleiche Zeitaufwand bei navigiert-kontrollierter und konventioneller Instrumentation der würfelförmigen Kavität ist wahrscheinlich auf einen Lerneffekt zurückzuführen, da die konventionelle Resektion zuletzt durchgeführt wurde. Ein komplexerer Arbeitsraum, welcher annähernd den anatomischen Verhältnissen der NNH entspricht, hätte wahrscheinlich größere Messwert- und Zeitdifferenzen zur Folge.

Unter navigiert-kontrollierten Bedingungen konnte die geplante Kavität am schnellsten entfernt werden. Die Zeitdifferenz zwischen navigiert-kontrollierter und navigierter Arbeitsweise liegt darin begründet, dass beim Arbeiten mit reiner Navigation immer zwischen den einzelnen Ansichten auf dem Monitor gewechselt werden musste, um die Resektionsgrenzen möglichst genau einzuhalten. Dieser erhöhte Zeitaufwand fällt beim

Arbeiten mit einem navigiert-kontrollierten Instrument weg, da dieses beim Erreichen der Arbeitsgrenzen abschaltet und der Chirurg seine Blickrichtung nicht ständig ändern muss.

Der Shaver ist in der Navigationssoftware NaviBase HNO 2.0.0 als Strahl definiert. Der obere Strich des Fadenkreuzes in Abbildung 5.2, der zentral durch das Instrument verläuft, kann dies anschaulich machen. Die Lage der Shaverspitze - sie ist durch das Fadenkreuz gekennzeichnet - ist entscheidend dafür, ob der Shaver im navigiert- kontrollierten Zustand arbeitet oder nicht. Wie in Abbildung 5.2 zu sehen ist, hat das Instrument bereits fast die rechte Resektionsgrenze erreicht. Das Fadenkreuz liegt aber noch ca. 2-3 mm im Arbeitsraum. In Abbildung 5.3 liegt das Fadenkreuz noch innerhalb der festgelegten Begrenzung, der weiterhin arbeitende Shaver (grüne Farbe) jedoch schon außerhalb der Resektionsgrenze.

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Abbildung 5.2: Shaver innerhalb des Abbildung 5.3: Arbeitender Shaver Arbeitsraumes außerhalb des festgelegten Arbeitsraumes

Man kann also annehmen, dass das Instrument bei zur Resektionsfläche paralleler Arbeitsweise immer die Hälfte seines Durchmessers mehr abtragen wird. Der Durchmesser des verwendeten Shavers beträgt 3,5 mm. Demzufolge kann es systembedingt zu einem Überschreiten der Grenzen von bis zu 1,75 mm kommen.

Anders gestaltet sich dies am Boden (Wand 1) der Kavität. Hier müsste der Shaver theoretisch sehr präzise arbeiten, da die Spitze des Instrumentes dem Fadenkreuz entspricht. Jedoch zeigen die Ergebnisse, dass unter anderem bei navigiert-kontrollierter Resektion am Boden aller fünf Kavitäten im Mittel 4,63 mm (siehe Tabelle 4.4) zu wenig entfernt wurden mit einer Standardabweichung von 0,49 mm (siehe Abbildung 4.3: rechts unten auf y-Achse = Wand1). Diese Ebene wird als einzige Begrenzung in einem Winkel zwischen Shavermesser und Resektionsfläche von 90° bearbeitet. Die rundliche Kuppenform der Schaftspitze erlaubt zwar ein Eindrücken des Gewebes bzw. der Kunststoffmasse, der rein seitlich gerichtete Schneidemechanismus verhindert jedoch Läsionen in der Arbeits- bzw. Schaftrichtung. Da dies folglich zu einer systembedingten Ungenauigkeit führt, wurde die Ebene 1 bei der Auswertung vernachlässigt.

5.2.2 Vergleich der navigiert-kontrollierten Umsetzungsgenauigkeit - Initialstudie und aktuelle Versuchsreihe

Im Vergleich zur Initialstudie ist bei der Betrachtung der Mittelwerte eine verbesserte Umsetzung der Resektionsgrenzen von bis zu 50% in der horizontalen Ausrichtung der geplanten Kavität festzustellen. Die festgelegte Grenze wurde bei der Initialstudie in dieser Ebene um 3,4 mm überschritten. Das Überschreiten von nur 1,62 mm in der aktuellen Versuchsreihe ist auf das Anbringen der Titanschelle am Shaverschaft zurückzuführen. Dadurch konnte das transversale Auslenken des arbeitenden Shavers reduziert werden.

In der vertikalen Dimension ist jedoch anstatt des Überschreitens von 4,4 mm im Initialversuch, die Resektionsgrenze (Wand 1, der Boden der Kavität) gar nicht erreicht worden. Sie wurde im Mittel sogar um 4,6 mm unterschritten. Als mögliche Fehlerquelle ist hier der weichere Phenolschaum im Initialversuch zu nennen, der beim senkrechten Aufsetzen des Shavers zum Eindrücken der Versuchsmasse geführt hat. Auch die transversale Auslenkung des Shaverschaftes sei hier erwähnt, welche bei nicht ganz senkrechter Arbeitsweise zum Boden der Kavität zum Eindrücken der Masse geführt haben kann. Zusätzlich konnten durch die 3-D-Koordinatenmessmaschine präzisere Messergebnisse erzielt werden als bei der Vermessung der Kavitäten mit dem Faro-Arm im Initialversuch, welcher ein Eindrücken der Kunststoffmasse verursacht.

5.3 Wertung der Umsetzungsgenauigkeit des navigiert- kontrollierten Shavers und klinische Relevanz

Als Fehlerquelle für das Überschreiten der Resektionsgrenzen unter navigiertkontrollierten Bedingungen wird die Softwareprogrammierung des Shavers als Strahl angenommen. Für genauere Umsetzungen von definierten Volumen sollte der Shaver in die Software in seinem vollen Durchmesser eingearbeitet werden. Eine andere Möglichkeit bestünde darin, einen virtuellen Sicherheitskorridor um die Shaverspitze zu legen, welcher dem Radius des Instrumentes entspricht.

Trotz genannter Defizite ist schon jetzt festzuhalten, dass der navigiert-kontrollierte Shaver im Hinblick auf Genauigkeit und Zeitaufwand bei der Umsetzung einer definierten Kavität der navigierten und konventionellen Resektion überlegen ist. Aufgrund dieser Tatsache ist der klinische Einsatz dieses Systems empfehlenswert. Dieses mechatronische Assistenzsystem unterstützt den Chirurgen dabei, Operationen sicherer und schneller durchführen zu können. Die Arbeit wird ihm dabei nicht abgenommen. Sie wird aber effektiver, da unter anderem OP- und Anästhesiezeiten verkürzt werden können.

Nach Abschluss dieser Versuche wurden an der Leipziger Universitätsklinik mit dem navigiert-kontrollierten Shaver bereits 17 Patienten erfolgreich operiert.

6 Zusammenfassung

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Dr. med. dent.

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Hintergrund

2001 wurde von Lüth erstmals die Steuerung kraftgetriebener Instrumente nach einem präoperativ festgelegten Arbeitsraum beschrieben. Bei dieser mechatronischen Steuereinheit wird die aktuelle Position des abtragenden Instrumentes ständig mit der präoperativ definierten Resektionsgrenze verglichen. Erreicht das Instrument die Grenze des Arbeitsraumes, so wird die Leistung des Instruments durch eine Kraftdose reduziert oder abgeschaltet. Damit soll ein intraoperatives Überschreiten von präoperativ festgelegten Grenzstrukturen verhindert und somit chirurgische Eingriffe am Patienten sicherer gemacht werden.

Auf dieser Grundlage wurde in Zusammenarbeit mit der Klinik und Poliklinik für Hals-, Nasen- Ohrenheikunde/Plastische Operationen der Universität Leipzig und dem Ingenieurteam um Prof. Lüth (MiMed) ein navigiert-kontrollierter Shaver entwickelt, dessen Funktionstüchtigkeit trotz geringer Defizite bereits nachgewiesen wurde.

Ziel dieser Arbeit war es, die chirurgische Registriergenauigkeit eines verbesserten navigiert-kontrollierten Shavers zu ermitteln. Außerdem sollte überprüft werden, wie genau die Umsetzung eines festgelegten Arbeitsraumes bei Einsatz eines navigiert- kontrollierten, eines konventionell-navigierten bzw. eines konventionell arbeitenden Shavers ist.

Methodik

Die Untersuchungen zur chirurgischen Genauigkeit erfolgten durch ca. 400 Messungen anhand von Landmarken an einem Kunststoffschädel.

Für die Untersuchung der Umsetzungsgenauigkeit einer geplanten Kavität wurde ein NNH-Demonstrator entwickelt. Dieser besteht aus einem Schädelmodell und 15 austauschbaren NNH-Modellen, welche mit Phenolschaum gefüllt sind. Die geplante Kavität von 24 x 24 x 30 mm wurde jeweils fünfmal durch navigiert-kontrollierte, navigierte und konventionelle Arbeitsweise des Shavers entfernt. Die dafür jeweils aufgewendete Zeit wurde gestoppt.

Ergebnisse

Die Versuche zur Ermittlung der chirurgischen Genauigkeit ergaben eine maximale Abweichung der Shaverspitze (Erwartungswert) von der Position der Marker im CTBild (Bezugswert) von 1,93 mm.

Die maximale mittlere Abweichung des Überschreitens des geplanten Arbeitsraums lag bei navigiert-kontrollierter Resektion bei 1,62 mm, bei navigierter Arbeitsweise bei 2 mm und bei konventioneller Arbeitsweise des Shavers bei 2,5 mm. Die erforderliche Zeit für die Resektion der geplanten Kavität lag bei navigiert-kontrollierter Resektion und konventioneller Arbeitsweise im Mittel mit 9,4 min bzw. 10,4 min nahe beieinander. Für die navigierte Entfernung wurde mit durchschnittlich 16,7 min fast doppelt so viel Zeit gebraucht.

Schlussfolgerung

Die chirurgische Registriergenauigkeit des registrierten Shavers ist im Vergleich zu bestehenden, in der Literatur zu findenden Messwerten als ausreichend genau anzusehen. Diese Studie zeigt eine genauere und schnellere Umsetzung einer geplanten Kavität durch den navigiert-kontrollierten Shaver als durch den navigierten bzw. konventionell arbeitenden Shaver. Verbesserungen bei der navigiert-kontrollierten Umsetzung einer geplanten Kavität wären durch Softwareaktualisierungen des mechatronischen Systems zu erzielen.

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass der navigiert-kontrollierte Shaver im Hinblick auf Genauigkeit und Zeitaufwand bei der Umsetzung einer definierten Kavität der navigierten und konventionellen Resektion überlegen ist. Ein klinischer Einsatz dieses Gerätes wäre vor diesem Hintergrund erstrebenswert, zumal dieses mechatronische Assistenzsystem den Chirurgen dabei unterstützt, Operationen sicherer und schneller durchzuführen. Die Arbeit wird ihm dabei nicht abgenommen. Sie wird aber effektiver, da unter anderem OP- und Anästhesiezeiten verkürzt werden können.

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Details

Seiten
58
Jahr
2007
ISBN (eBook)
9783640097814
Dateigröße
3.3 MB
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v90627
Institution / Hochschule
Universität Leipzig – Universität Leipzig, Klinik und Poliklinik für Hals-, Nasen-, Ohrenheilkunde/Plastische Operationen
Note
1,0 magna cum laude
Schlagworte
Verifizierung Validierung Shavers NNH-Chirurgie

Autor

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Titel: Verifizierung und Validierung eines navigiert-kontrollierten Shavers in der NNH-Chirurgie