Roboterassistierte Umstellungsosteotomie: Computer- und roboterassistierte Umstellungsosteotomie unter Verwendung neuartiger Osteotomieverfahren und kraft-/ momentenbasierter, robotischer Operationsplanung und Operationsausführung

• Applicants: Professor Dr.-Ing. Friedrich-Wilhelm Bach (†); Professor Dr. Christian Krettek; Professor Dr.-Ing. Friedrich M. Wahl
• Subject Area: Automation, Mechatronics, Control Systems, Intelligent Technical Systems, Robotics
• Term: from 2010 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 158373448

Angeborene oder z.B. nach Frakturen oder Tumoren erworbene Fehlstellungen der unteren Extremitäten des menschlichen Skeletts führen unter Belastung in der Regel zu einer ungleichmäßigen Druckverteilung in den angrenzenden Gelenken (Knie/Hüfte). Bleiben diese Fehlstellungen unbehandelt, kommt es in der Folge nicht selten zu Abnutzungserscheinungen, die schließlich einen Gelenkersatz erforderlich machen. Eine rechtzeitig durchgeführte und erfolgreiche Korrekturoperation kann somit dazu beitragen, die Prothesenimplantation zu vermeiden oder zumindest entscheidend zu verzögern. Die exakte Herstellung der optimalen Druckverteilung im Knie ist ein entscheidender Faktor für eine erfolgreiche Operation mit den gewünschten positiven Langzeitergebnissen beim Patienten. Allerdings stehen intraoperativ derzeit keine Hilfsmittel zur Verfügung, mit denen die Druckverteilung bei belastetem Knie zuverlässig gemessen werden könnte. Darüber hinaus ist die unter biomechanischen Gesichtspunkten optimale Osteotomieform (Schnittführung) der Focal-dome Osteotomie aufgrund der schwierigen technischen Durchführung klinisch nicht etabliert, sodass in der Praxis auf andere, suboptimale Osteotomieformen ausgewichen wird.Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung und Erprobung neuartiger Operationsmethoden, durch die eine Steigerung der Qualität der oben genannten chirurgischen Eingriffe erreicht werden kann, indem eine präzise OP-Planung und OP-Durchführung gewährleistet wird. Mithilfe einer robotisch-/sensorischen Analyse der Kraft-/Belastungsverteilung im Kniegelenk wird automatisch ein Operationsplan generiert, der sowohl eine optimal platzierte Osteotomie (Schnittebene bzw. -kurve) als auch einen optimalen Korrekturwinkel beinhaltet. Bei der Schnittführung sollen neue Technologien zum Einsatz kommen, die die konventionellen Methoden hinsichtlich Qualität (Oberflächenglätte) der Schnittflächen und thermischer Effekte während des Schneidprozesses übertreffen. Das Wasserstrahlschneiden ist eine Technologie, die beide Bedingung erfüllt und die im Rahmen dieses Antrags für diese klinische Anwendung weiterentwickelt und erprobt werden soll. Das Führen des Wasserstrahlschneidinstruments wird hochpräzise durch einen Roboter erfolgen, der schließlich auch die Korrekturbewegung unter Verwendung von Kraft-/Momentensensorik, Röntgenbildgebung und chirurgischer Navigation durchführt.Die erfolgreiche Bearbeitung dieses Projekts wird im medizinischen Bereich neue Erkenntnisse bzgl. Planung und Herstellung optimaler Belastungsverhältnisse im Kniegelenk durch Korrekturoperation erzielen. Darüber hinaus wird die klinische Anwendbarkeit der anspruchsvollen Focal-dome Osteotomie durch die zu entwickelnden Methoden gefördert. Im Ingenieursbereich wird die Technologie des Wasserstrahlschneidens in Richtung einer klinischen Anwendbarkeit weiterentwickelt werden. Im robotisch-/informatischen Bereich werden schließlich neue Methoden zur Qualitätskontrolle bei chirurgischen Eingriffen durch Multisensorintegration/-fusion und durch den Einsatz von Robotern entwickelt werden.

• DFG Programme: Research Grants
• Participating Persons: Privatdozent Dr. Thomas Gösling; Privatdozent Dr. Stefan Hankemeier; Dr.-Ing. Thomas Hassel; Dr.-Ing. Ralf Westphal