Intraoperative 3D-Rekonstruktion des PMMA-Köchers zur computerassistierten Revisionshüftendoprothetik auf Basis von 2D-Röntgen-Bildgebung

Zusammenfassung

Fragestellung: Die computerassistiert navigierte und optional robotisch unterstützte Entfernung von Zement aus dem Femurmarkraum erfordert die exakte Definition seiner räumlichen Begrenzungen. Seine hinreichend genaue Rekonstruktion durch Segmentierung möglichst weniger klassischer 2D-Röntgenbilder verlangt die Entwicklung eines speziellen mathematischen Verfahrens zur automatischen Oberflächeninterpolation. Das Resultat muss ein im Rahmen technischer Möglichkeiten mit dem zu navigierenden Bearbeitungswerkzeug entfernbares Volumen sein. Methodik: Die im Rahmen der Entwicklungsarbeit notwendigen Studien wurden an anatomischen Präparaten menschlicher Femura mit zementierten Kunststoffprothesen durchgeführt. Zur Evaluation wurden in 5-mm-Abständen Querschnitte mit der Präzisionssäge angefertigt und mit einer Auflösung von 600 dpi gescannt. In jedem Schnittbild wurde der Zement manuell mittels einer virtuellen verformbaren Schablone segmentiert. Diese Konturen dienten zum einen der Simulation von Röntgenprojektionen aus beliebiger Richtung, zum anderen der Validierung des auf Basis dieser Röntgenbilder generierten 3D-Modells. Auf diese Weise konnten systematische Fehler z. B. bei der Akquisition von Röntgenbildern, der Positionsmessung oder der Segmentierung weitgehend ausgeschlossen und die Genauigkeit der 3D-Zementrekonstruktion selektiv überprüft werden. Ergebnisse: Mit steigender Anzahl der verwendeten Röntgenbilder konnte der Abstandsfehler des rekonstruierten 3D-Modells zum Original sukzessive reduziert werden. Bereits 5 aus definierten Richtungen zueinander akquirierte Bilder erwiesen sich mit einem Rekonstruktionsfehler des Modells unter 1 mm als für das relevante distale Femur ausreichend. Durch 6 oder mehr Bilder war keine signifikante Verbesserung zu erreichen. Schlussfolgerung: Das innovative Verfahren bietet eine entscheidende Grundlage für den künftigen Einsatz von 2D-Bild-basierter fluoroskopischer Navigation bei der Zemententfernung mit der Op-tion auf rechnergesteuerte, bzw. robotische Materialbearbeitung.

Abstract

Aim: Computer-assisted cement removal out of the femoral medullary canal requires the exact definition of the plug's shape within a 3D coordination system. Aiming at a sufficiently precise reconstruction based on segmentation of just a few 2D X-ray images a special mathematic procedure is needed for automatic surface interpolation. The geometric specification of the resulting virtual model should take into account the characteristic geometry of the navigated tools in order to achieve the best possible removal. Method: Studies were performed on anatomic specimens of entire human femora, that underwent cemented THA before being cut every 5 mm. The cross-sections were scanned at the high resolution of 600 dpi. Segmentation of the cement was performed with the help of a virtual deformable template and was both used for simulation of X-ray projections from various points of view and for validation of the reconstructed 3D model. By this means systematic errors such as those possible during X-ray acquisition, tracking or segmentation could be avoided and the precision of the procedure could be measured exclusively. Results: With increasing number of X-rays the distance from the reconstructed 3D model to the original could continuously be reduced. Using only two x-rays a maximum error was measured with 6.5 mm, wheras 5 pictures taken from different angles showed to be enough to ensure an error below 1 mm in the distal part of the femur. By the use of 6 or more pictures no significant improvement could be attained. Conclusion: The innovative procedure is essential for future 2D image-based fluoroscopic navigation of PMMA removal and bears the options of computer-controlled and robotic material working, respectively.

Schlüsselwörter

CAOS - Computer - 3D - Segmentierung - Rekonstruktion - Navigation - Robotik - TEP - Wechsel - Revision - Hüfte - PMMA - Zement

Key words

CAOS - computer - 3D - segmentation - reconstruction - navigation - robotic - TEP - arthroplasty - revision - hip - PMMA - cement

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1 CAOS - Computer Assisted Orthopaedic Surgery