Entwicklung und Implementierung eines Planungssystems zur robotergestützten Laserosteotomie

Kurzfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein möglicher Arbeitsablauf für die Planung einer robotergestützten Laserosteotomie entwickelt und dazu ein prototypisches System implementiert. Das System ermöglicht es in einer simulierten Umgebung an dreidimensionalen anatomischen Strukturen Laserschnitte zu definieren. Die Laserosteotomie kann präoperativ simuliert und visualisiert werden. Die Simulation berücksichtigt die Roboterkinematik des am DLR entwickelten Leichtbauroboters MIRO, die Laserparameter des chirurgischen Er:YAG Lasers AT Fidelis und die laserspezifischen Materialparameter von Knochen. Mit der präoperativen Simulation kann geklärt werden, ob der Schnitt mit dem verwendeten Roboter durchführbar ist und wie sich der Abtrag entlang des Schnitts verhält. Nach Abschluss der Planung können die Parameter exportiert und für die Steuerung des Roboters und des Lasers verwendet werden. Intraoperativ kann eine Verbindung zwischen dem realem System und der simulierten Umgebung hergestellt sowie der Abtrag mit den realen Prozessparametern berechnet und visualisiert werden. Zur Abtragsberechnung wurde der Knochen als Voxelvolumen modelliert, von welchem mit jedem Laserpuls eine bestimmte Menge an Abtragsvoxeln entfernt wird. Um auch größere Knochenstrukturen modellieren zu können wurde ein Octree verwendet. Damit ist auch die Berechnung größerer Abtragsvolumina möglich. Es wurden zwei mathematische Abtragsmodelle implementiert. Eines berücksichtigt die gaußsche Energieverteilung im Strahlenquerschnitt und berechnet für jedes vom Laserstrahl getroffene Voxel den individuellen Energieverlust. Da die Voxel einzeln betrachtet werden, können Heterogenitäten wie verschiedene Knochendichten berücksichtigt werden. Bei Einwirken eines Pulses in homogenes Material ergibt sich eine gaußsche Kraterform, welche der in Experimenten gemessenen Kraterform entspricht. Ein zweites Modell berechnet einen vereinfachten, zylindrischen Krater. Anstatt für jedes Voxel den spezifischen Energieverlust zu berechnen, werden im Zylinder liegende Voxel direkt entfernt. Das Modell ist stark vereinfacht und ermöglicht die Berücksichtigung von heterogenen Materialeigenschaften nicht. Es wurden Experimente durchgeführt um die Modelle bezüglich der Genauigkeit und der benötigten Rechenzeit zu vergleichen. Dabei wurde sichtbar, dass nur mit Voxelgrößen von ca. 0,1 mm eine Formgenauigkeit zu erzielt werden kann, mit der auch Einzelkrater in ihrer charakteristischen Form visualisiert werden können. Zur Abtragsberechnung bei dieser Voxelgröße waren mit beiden Modellen Rechenzeiten von >150 ms nötig. Bei dem Modell zur Berechnung des gaußschen Kraters fiel außerdem auf, dass die Rechenzeiten mit wachsender Kratertiefe steigen. Daher war die intraoperative Abtragsberechnung vorerst nur mit Voxelgrößen >0,3 mm und dem vereinfachten Modell möglich.