Computerunterstützte Rekonstruktion komplexer Frakturen

Die anatomisch korrekte Rekonstruktion komplexer Frakturen ist ein essentieller Teil der operativen Versorgung komplexer Frakturen. Eine unzureichende Reposition der Frakturfragmente kann schwere post-operative Komplikationen hervorrufen. Um diese zu vermeiden, wird traditionellerweise der Frakturbereich vom Chirurgen freigelegt, indem der umgebende Weichteilmantel (teilweise großflächig) eröffnet wird. Die nachfolgende Reposition der Frakturfragmente ist je nach Komplexität der Fraktur ein schwieriger Prozess, der zu einer signifikanten Verlängerung des operativen Eingriffs und oftmals zu weiteren Verletzungen der Knochenfragmente, sowie des umliegenden Weichteilgewebes führt. Dies wiederum kann zu Infektionen, Wundheilungsstörungen und Gelenksversteifungen führen. Aus diesem Grund gibt`s es einen klaren Trend in Richtung weniger invasiver Operationstechniken zur Fraktur-rekonstruktion. Um diesen Trend zu unterstützen wurden Software-Tools entwickelt, welche die anatomisch korrekte Reposition der Frakturfragmente für eine Fraktur aus vorsegmentierten CT -Daten berechnen. Das Resultatwird dem Chirurgen in Form einer (interaktiven) dreidimensionalen Visualisierung zur Verfügung gestellt. In verschiedenen Studien konnte mit Hilfe solcher Software-Tools die Operationszeit verkürzt und gleichzeitig die Genauigkeit der Rekonstruktion erhöht werden. Diese Tools sind jedoch zu einem unverhältnismäßig hohen Maß auf Benutzerinteraktion angewiesen. Der dadurch verbundene zeitliche Aufwand (bis zu mehreren Stunden pro Operation) schränkt die praktische Anwendbarkeit dieser Art der OP-Planung drastisch ein. Darüber hinaus sind existierende Ansätze zur computerunterstützen Frakturreduktion oft nur für bestimmte Frakturtypen verwendbar. Aus diesem Grund ist es das Hauptziel dieses Projekts einen Algorithmen und Werkzeuge zur entwickeln, welche die Benutzerinteraktion im Bereich der computerunterstützen Frakturreduktion minimiert (bzw. eliminiert) und die berechnete Information über die anatomisch korrekte Reposition von Knochen-fragmenten dem Chirurgen in anschaulicher Weise präsentiert. Um dieses Ziel zu erreichen, wird (teils statistisches) Vorwissen über die Anatomie gesunder (=nicht frakturierter) Knochen einfließen. Darüber hinaus soll vermehrt Bildinformation aus den CT Daten zusammen mit geometrischen Eigenschaften einzelner Areale auf der Knochenoberfläche genutzt werden, eine anatomisch korrekte Reposition zu ermitteln. Um sowohl die Anwendbarkeit, als auch die Dissemination der entwickelten Methodik zu maximieren, werden die zugrundeliegenden Algorithmen in ein weit verbreitetes und weltweit frei verfügbares Software Paket zur Operationsplanung, namens 3D Slicer, integriert. Dieses Software Paket stellt bereits eine Reihe moderner Algorithmen zur Visualisierung von Volumendatensätzen zur Verfügung und liefert so das technische und methodische Umfeld, welches für eine zeitgerechte Umsetzung der geplanten Projektziele notwendig ist. Nicht zuletzt durch die Integration in 3D Slicer bilden die entwickelten Algorithmen auch eine sehr gute Basis für weitere Projekte in verwandten Wissenschaftsbereichen wie der medizinische Robotik, der Frakturklassifikation oder der Knochenqualitätsanalyse. Die Leistungsfähigkeit der entwickelten Methoden wird sowohl quantitative anhand von synthetischen und realen Testdaten, als auch qualitativ durch Chirurgen, mittels Inspektion und Auswertung der 3D Visualisierung der Ergebnisse, ermittelt. Darüber hinaus werden Chirurgen die Benutzerfreundlichkeit, sowie den zeitlichen Aufwand der Rekonstruktion in Verbindung mit einem effizienten Algorithmus zur Segmentierung von CT Daten, evaluieren. Die anberaumt Laufzeit für das Projekt beträgt 12 Monate. Die Durchführung des Projekts erfolgt in enger Kooperation mit dem "Surgical Planning Lab" (Brigham and Women`s Hospital, Boston), der "Minerva Research Group" (Georgia Institute of Technology, Atlanta) und dem "Computer Vision Lab" (ETH Zürich).