DE-102013110699-B4 - Verfahren zur Nachbildung von Knochen und Planung eines operativen Eingriffs

Abstract

Verfahren zur Nachbildung von Knochen und Planung eines operativen Eingriffs, aufweisend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines digitalen Datensatzes einer 3D-Aufnahme der Knochen mittels digitalem Röntgen, Orthopantomographie (OPT), Computertomographie (CT), digitaler Volumentomographie (DVT) und/oder Magnetresonanztomographie (MRT); Identifizierung von Abweichungen von der regelhaften Anatomie anhand der 3D-Aufnahme; Erstellung eines realen 3D-Modells, das der 3D-Aufnahme entspricht; Identifizierung der Abweichungen anhand des realen 3D-Modells zur Planung eines operativen Eingriffs, wobei das reale 3D-Modell die Anatomie der Knochen einschließlich der Abweichungen innerhalb eines Toleranzbereichs von ±0,05 mm exakt wiedergibt, bei der Planung die Anordnung der Knochen und von Knochenbruchstücken untersucht wird sowie die Zugriffsmöglichkeit auf die Knochenbruchstücke und deren Entfernbarkeit festgestellt wird, freischwebende Knochenbruchstücke, die keine Verbindung zu den übrigen Knochen aufweisen, in der 3D-Aufnahme vor Herstellung des realen 3D-Modells identifiziert werden, und in die 3D-Aufnahme entsprechende Abstandshalter zwischen den freischwebenden Knochenbruchstücken und den übrigen Knochen eingearbeitet werden, um die freischwebenden Knochenbruchstücke zu halten.

Inventors

• Ludwig Prücklmaier

Assignees

• Helmut Hans Boris Pende
• Prücklmaier GmbH Dental-Labor

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20130927

Claims (15)

1. Verfahren zur Nachbildung von Knochen und Planung eines operativen Eingriffs, aufweisend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines digitalen Datensatzes einer 3D-Aufnahme der Knochen mittels digitalem Röntgen, Orthopantomographie (OPT), Computertomographie (CT), digitaler Volumentomographie (DVT) und/oder Magnetresonanztomographie (MRT); Identifizierung von Abweichungen von der regelhaften Anatomie anhand der 3D-Aufnahme; Erstellung eines realen 3D-Modells, das der 3D-Aufnahme entspricht; Identifizierung der Abweichungen anhand des realen 3D-Modells zur Planung eines operativen Eingriffs, wobei das reale 3D-Modell die Anatomie der Knochen einschließlich der Abweichungen innerhalb eines Toleranzbereichs von ±0,05 mm exakt wiedergibt, bei der Planung die Anordnung der Knochen und von Knochenbruchstücken untersucht wird sowie die Zugriffsmöglichkeit auf die Knochenbruchstücke und deren Entfernbarkeit festgestellt wird, freischwebende Knochenbruchstücke, die keine Verbindung zu den übrigen Knochen aufweisen, in der 3D-Aufnahme vor Herstellung des realen 3D-Modells identifiziert werden, und in die 3D-Aufnahme entsprechende Abstandshalter zwischen den freischwebenden Knochenbruchstücken und den übrigen Knochen eingearbeitet werden, um die freischwebenden Knochenbruchstücke zu halten.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Knochenbruchstücke auf Wiederverwertbarkeit überprüft werden und bei Nichtwiederverwertbarkeit zu ersetzenden Knochenbruchstücken entsprechende Knochenersatzteile auf Basis der 3D-Aufnahme konzeptioniert und hergestellt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2 , wobei bei der Konzeption eines Knochenersatzteiles die zu ersetzenden Knochenbruchstücke identifiziert werden und das Knochenersatzteil durch Zusammensetzen der Knochenbruchstücke erstellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 2 oder 3 , wobei ausgehend von der 3D-Aufnahme als digitales Ist-Modell die zu ersetzenden Knochenbruchstücke herausgefiltert und durch Knochenersatzteile ersetzt werden, und die Knochenersatzteile an vorgesehenen Positionen in den übrigen Knochen eingefügt werden, um ein digitales 3D-Soll-Modell zu erhalten.
5. Verfahren nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 2 oder 3 , wobei zum Erhalten des digitalen 3D -Soll-Modells auch die wiederverwerteten Knochenbruchstücke an die vorgesehenen Positionen versetzt werden.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 4 oder 5 , wobei eine abschließende Überprüfung des fertiggestellten digitalen 3D-Soll-Modells erfolgt, bei der die Knochenersatzteile, falls notwendig, an die übrigen Knochen und die wiederverwerteten Knochenbruchstücke angepasst werden.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 2 - 6 , wobei die Konzeption der Knochenersatzteile zunächst anhand des realen 3D-Modells erfolgt.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das reale 3D-Modell mittels 3D-Druck hergestellt wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das reale 3D-Modell die Anatomie der Knochen einschließlich der Abweichungen innerhalb eines Toleranzbereichs von ±0,025 mm exakt wiedergibt.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei es sich bei den Abweichungen von der regelhaften Anatomie um unfallbedingte, anatomische Veränderungen handelt.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 2 bis 10 , wobei die Knochenersatzteile aus Zirkonium, Titan, Kunststoff oder Stahl gefräst und/oder gesintert werden.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 2 bis 11 , wobei die Knochenersatzteile mittels 3D-Druck hergestellt werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12 , wobei Zellkulturen des Patienten als 3D-Druckmaterial dienen.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 2 - 13 , wobei die Herstellung des realen 3D-Modells und der Knochenersatzteile gleichzeitig erfolgt.
15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 2 - 14 , wobei das reale 3D-Modell innerhalb von weniger als 12 Stunden hergestellt wird, und/oder die Knochenersatzteile innerhalb von weniger als 12 oder 24 Stunden hergestellt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung behandelt ein Verfahren zur Nachbildung von Knochen oder Weichgewebe und zur Planung eines operativen Eingriffs. Insbesondere behandelt die Erfindung dabei eine Eingriffssimulation an einem nachgebildeten Schädel. Dabei können Abweichungen von der regelhaften Anatomie festgestellt werden. Unter der Anatomie werden Gestalt, Lage und Struktur von Körperteilen, Organen, Geweben, Zellen als auch des Skeletts betrachtet. Da beispielsweise bei Knochen die Gestalt, Lage und die Größenverhältnisse der Knochen nur relativ geringfügige Toleranzen erlauben, kann von einer regelhaften Anatomie bei einem gesunden Menschen gesprochen werden. Von dieser regelhaften Anatomie können jedoch Abweichungen auftreten. Dabei ist zunächst zwischen angeborenen, anatomischen Veränderungen und erworbenen, anatomischen Veränderungen zu unterscheiden. Bei den erworbenen anatomischen Veränderungen kann es sich beispielsweise um krankheitsbedingte oder um unfallbedingte Veränderungen handeln. In jedem Fall kann ein operativer, korrigierender Eingriff sinnvoll sein, insbesondere bei unfallbedingten, anatomischen Veränderungen ist der Eingriff zudem äußerst dringlich. Gerade bei einer schwerwiegenden Kopfverletzung ist es jedoch sinnvoll, vor einem Eingriff den aktuellen Istzustand zu überprüfen, um somit eine entsprechende Operationsstrategie vorbereiten zu können. Hierfür bestehen unterschiedliche Aufnahmeverfahren, wie beispielsweise digitale Röntgenaufnahmen, Computertomographie (CT), Magnetresonanztomographie (MRT), digitale Volumentomographie (DVT) usw. Selbst wenn sich jedoch der operierende Chirurg mittels solcher Aufnahmeverfahren vorab ein Bild von dem Istzustand hat verschaffen können, hat er trotzdem bei einer schweren Verletzung, wie beispielsweise einem Schädelbasisbruch, große Schwierigkeiten, die Operation wie geplant durchzuführen. Dies liegt zum einen daran, dass bei der tatsächlichen Operation größere Mengen Blut austreten können, die die Übersichtlichkeit der zerbrochenen Schädelteile erschweren. Andererseits bilden die Aufnahmen, die an einem Computerdisplay dargestellt werden, den realen Istzustand der Verletzungen nur unbefriedigend ab, da bei der angezeigten 2D-Aufnahme am Computerdisplay Größenverhältnisse einzelner Bestandteile falsch interpretiert werden können. Dabei ist auch zu beachten, dass es sich bei dem operierenden Chirurgen um keinen Theoretiker handelt. Seine Arbeit und Spezialisierung liegt vielmehr in der praktischen, handwerklichen Durchführung von Operationen. Daher erscheint für ihn eine Visualisierung mittels Computerdisplays oftmals als unbefriedigend. II. Technischer Hintergrund Aus dem Stand der Technik ist es daher bekannt, anatomische Modelle in der Human- und Veterinärmedizin herzustellen, anhand derer ein operierender Arzt eine Operationsstrategie planen kann. Aus DE 102007042922A1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Herstellen anatomischer Modelle in der Human- und Veterinärmedizin bekannt, bei der das Modell mittels der Rapid-Prototyping-Technik hergestellt wird. Unter Rapid-Prototyping-Technologie ist beispielsweise 3D-Druck oder die Stereolithographie zur Erzeugung eines greifbaren anatomischen 3D-Modells zu verstehen. Zur Bildakquisition der Patientendaten wird 2D- oder 3D-Ultraschall mit einem Ultraschallgerät vorgeschlagen, da CT-Aufnahmen eine zu hohe Strahlenbelastung für den Patienten bedeuten würden und MRT-Aufnahmen zu kostenintensiv sind. Mittels des Ultraschallgeräts können Organe, wie beispielsweise Leber oder Herz, plastisch aufgenommen werden, um somit Krankheitsbilder zu identifizieren. Dabei werden die Bilddaten des Ultraschallgeräts in eine Bildverarbeitungssoftware importiert und eine Segmentierung der relevanten anatomischen Strukturen, das heißt der interessierenden Organe, vorgenommen. Basierend auf den Daten wird ein reales Modell erstellt, das der Arzt zur Unterstützung in der Diagnostik verwenden kann und ebenfalls eine Operationsstrategie an Hand des Modells planen kann. Nachteilhaft an dem vorgeschlagenen Verfahren ist, dass es sich nur schlecht auf die Nachbildung von Knochen oder zur Identifizierung von Abweichungen von der regelhaften Anatomie anwenden lässt. Bei Knochenbrüchen, beispielsweise bei einem Schädelbruch, könnte mittels des vorgeschlagenen Verfahrens nur ein relativ ungenaues Bild des tatsächlichen Istzustands wiedergegeben werden. Weiterer druckschriftlicher Stand der Technik im vorliegenden technischen Gebiet ist in den Dokumenten US 2012/0 224 755 A1, Source Graphics, 1530 N. Harmony Circle, Anaheim, CA 92807: Datenblatt ProJet® 3500 DP & MP, erstellt am 26.01.2013, US 2011/0 319 745 A1, US 2012/035 888 A1, DAHLEN, C.; ZWIPP, H. Computer-assistierte OP-Planung. Der Unfallchirurg, 2001, 104. Jg., Nr. 6, S. 465-465, KHALYFA, Alaadien, et al. Development of a new calcium phosphate powder-binder system for the 3D printing of patient specific implants. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 2007, 18. Jg., Nr.