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Forschungsbereich Medizintechnik

Forschungsschwerpunkte:

  • Planung und Evaluierung der Ausführung von cranio-maxillo-facialen chirurgischen Eingriffen
  • Intraoperative Navigation
  • Roboterunterstützter Arbeitsplatz


Im Rahmen des Forschungsbereichs Navigation und Robotik, computergestütztes Operieren haben sich die Universitäten in Karlsruhe und Heidelberg und das Deutsche Krebsforschungszentrum (DKFZ) zusammengeschlossen, um rechnerintegrierte Methoden zur Unterstützung des Chirurgen zu erforschen und für die klinische Praxis zur Verfügung zu stellen.

Am Beispiel von Pilotprojekten in den Anwendungsgebieten der Mund - Kiefer - Gesichtschirurgie werden Problemlösungen und Prototypsysteme erarbeitet. Die Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf konkrete medizinische Fragestellungen.

Diese betreffen die Operationsplanung, Navigation und Robotik im Kopfbereich. Alle Projekte werden übergreifend durch sogenannte Querschnittsprojekte unterstützt. Die rechnergestützten Systeme dienen zur Unterstützung der Chirurgen bei der Diagnostik, Therapie- bzw. Operationsplanung, Abschätzung der Folgen von Therapiemaßnahmen und Operationsausführung sowie Ergebniskontrolle nach den Eingriffen. Ein wesentliches Merkmal des Forschungsbereichs Navigation und Robotik, computergestütztes Operieren ist, dass die Methoden der rechnerunterstützten Chirurgie in enger Zusammenarbeit zwischen Chirurgen, Ingenieuren, Informatikern und Mathematikern erforscht, entwickelt und in konkreten klinischen Bereichen zur praktischen Anwendung gebracht werden. Rechner haben als Werkzeug zur Unterstützung der Diagnostik, Operationsplanung und Therapie ihren festen Platz in nahezu allen Disziplinen der Medizin, speziell der Chirurgie gefunden. Sie ermöglichen zunehmend schonend und präzise, vor allem aber sicher zu operieren. Die optimale Planung und Simulation der Operation mit exakten Planungssystemen und die Durchführung des simulierten Eingriffs mit autonomen Robotersystemen ermöglichen ein optimales Ergebnis hinsichtlich funktioneller und ästhetischer Aspekte.

1) Aktuelle Projekte

Intraoperative Planung craniofacialer Eingriffe
Die mit der Einführung stereotaktischer Verfahren in die Chirurgie möglich gewordene exakte räumliche Zuordnung von Bilddaten und Patientenkörper ermöglicht eine bessere Nutzung der Bildinformationen. Zwei Problemkreise haben sich aber bei dieser Methode gezeigt:

  1. Die OP-Planung findet rein auf den Bilddaten statt. Informationen, die nicht oder nur unzureichend in den Bilddaten abgebildet sind, sind nicht Gegenstand des Planungsprozesses. Ebenso findet die intraoperative Zuordnung von Planungsinformationen nicht direkt im Patientenkoordinatensystem sondern abstrakt im Bildkoordinatensystem statt.
  2. Eine grundsätzliche Problematik Navigierter bzw. Bildgestützter Chirurgie besteht darin, dass die präoperativ erhobenen Bilddaten mit dem Beginn der Operation nicht mehr mit dem tatsächlichen Situs übereinstimmen müssen. Mit der folgerichtigen Verbreitung intraoperativer Bildgebungssysteme und deren Nutzung für die Bildgestützte Chirurgie ergibt sich der Bedarf nach geeigneten Werkzeugen für die optimale Nutzung dieser aktuellen Bilddaten. Systeme, die für auf intraoperative OP-Planung mit diesen Bilddaten zugeschnitten sind und die besondere intraoperative Situation berücksichtigen, existieren bislang nicht.

Ziel des Projektes ist die Untersuchung von Methoden für ein intraoperatives Planungssystem für die Bildgestützte Chirurgie unter Einbeziehung intraoperativ erhobener Bilddaten. Die Unterstützung der intraoperativen Planung soll durch zwei innovative Ansätze erfolgen:

  • OP-Planungssystem und Chirurg agieren interaktiv auf dem Körper des Patienten.
  • Vorhandene OP-Standardplanungen können modifiziert und individualisiert werden.

 

Mit dem Projekt wird ein entscheidender Schritt zur patientenzentrierten computergestützten Chirurgie getan. Die bisherige bilddatenzentrierte Vorgehensweise erfordert ein hohes Abstraktionsvermögen vom Chirurgen und berücksichtigt wegen der nur unvollständigen Modellierung intraoperativ relevante Bedingungen bei der Planung nicht.

 

Intraoperative Hybrid- Navigation (kombiniert optisch/ elektromagnetische) in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie.
Optische Navigationsgeräte haben in der bildgestützten Chirurgie einen festen Stellenwert in der klinischen Routine erreicht. Drei Problemkreise haben sich aber bei dieser Methode gezeigt:

  1. Ein wesentlicher Nachteil dieser Systeme besteht in der Unterbrechung der optischen Verbindung, wenn die Optiken verdeckt werden (Line of Sight (LoS)).
  2. Kritisch erweist sich der am Patientenkopf fest verankerte optische Markierungs- Stern (Tracker). Dieser Tracker schränkt die Bewegungsfreiheit des Operateurs bei Eingriffen am Gesichtsschädel erheblich ein. Auch ist das navigierte Positionieren kleiner Knochenteilen bauartbedingt nur bedingt möglich.
  3. Beide Probleme könnten mit einem elektromagnetischen Navigationssystem (EM-Tracking) umgangen werden. Die Hauptnachteile dieser Systeme bestehen jedoch in der Anfälligkeit auf Interferenzen mit ferromagnetischen Objekten, die vermehrt in Operationssälen vorkommen. Diese vergrößern den Target Registration Error (TRE) und verschlechtern damit die Genauigkeit der elektromagnetischen Navigation. Andererseits gibt es hier keine LoS Problematik und aufgrund der kleinen Tracker Größen wird die Navigation auch kleinerer Knochensegmente möglich.

 

Ziel des hier beantragten Projekts ist die Untersuchung und Implementation eines Verfahrens, welches die Vorteile beider Systeme vereint. Untersuchungen zur tatsächlichen intraoperativen Workflow- Qualität der optischen Navigation und der tatsächlichen EM- Tracking Genauigkeit unter realen Operations- Bedingungen sind vorgesehen. Zudem soll die intraoperative Navigation durch zwei innovative Ansätze erweitert werden:

  • Kombination aus kommerziell erhältlichen elektromagnetischen und optischen Navigationssytemen zu einem Hybrid- System mit Anpassung an die Erfordernisse der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie.
  • Untersuchung einer sich selbstüberprüfenden und selbstkalibrierenden Hybrid- Navigation und Einbindung des Systems in den operativen Arbeitsablauf im Patientenversuch.
  • Untersuchung des EM- Trackings und weitere Stabilisierung der Genauigkeit unter realen Operationsbedingungen.

 

Mit dem Projekt wird ein entscheidender Schritt zur Erweiterung des Einsatzspektrums der computergestützten Chirurgie getan. Eine erhöhte Genauigkeit, Stabilität und eine verbesserte Integration in den operativen Ablauf werden angestrebt. Die Integration des Systems in die Operationsplanung und den Arbeitsablauf soll standardisiert werden. Ein sich gegenseitig ergänzendes und überwachendes Navigations- Konzept in dem die Schwächen des einen durch das jeweils andere System ausgeglichen werden soll erarbeitet werden. Es wird untersucht, ob ein genaueres operatives Vorgehen bei erweiterter Operationsindikation möglich wird.



Verbesserung der Patientensicherheit durch systematisches Risikomanagement in der Nutzung von intraoperativer Bildgebung
Moderne Behandlungsmethoden erfordern ein standardisiertes Vorgehen und eine einheitliche Ausbildung um den grösst möglichen Nutzen für die Patienten zu gewährleisten. Die intraoperative Bildgebung hat das Potential die Chirurgische Therapie zu verbessern und hilft Behandlungsmethoden zu objektivieren. Mit intraoperativer Bildgebung wird die laufende Operation überprüft um das Operationsziel zu verwirklichen. Die Frage wann welche Art von Bildgebung verwendet werden sollte um das Behandlungsziel optimal zu unterstützen ist nicht abschließend geklärt. Die teils sehr unterschiedliche Ausstattung der Krankenhäuser beeinflusst diese Frage zusätzlich.


Die Optimierung von Arbeitsabläufen und Ausbildungsstandards für das Personal können die Qualität der Behandlung verbessern und das Risiko für die Patienten senken. Empfehlungen zur Verwendung von intraoperativer Bildgebung anhand einer Entscheidungsfindungs-Datenbank stehen am Ende dieses Projekts.

2) Klinische Forschung

Die klinische Forschung der Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie konzentriert sich auf die Evaluation neuer und bewährter bilddatengestützter Planungsverfahren im klinischen Einsatz. Hier werden insbesondere Operationen der Schädelbasis und die Umstellungsosteotomien im Rahmen klinischer Studien untersucht. Die Rekrutierung der Patienten erfolgt über die Spezialsprechstunden der Mund- Kiefer- und Gesichtschirurgischen Poliklinik.

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