Im Bereich der Unfallchirurgie sind verschiedene Navigationssysteme auf dem Markt [9, 11, 12, 14]. Im wesentlichen unterscheiden sie sich von der Art der verwendeten Technik Instrumente zu verfolgen (Tracking). Es gibt hier aktive—die Instrumente senden Signale aus—und passive—die Instrumente reflektieren Signale—Systeme.

Allen Navigationssystemen ist gemeinsam, dass sie mit der Behauptung antreten, mit ihrer Hilfe präzise Implantatpositionen zu ermöglichen. Dieser Präzisionsgewinn bringt beispielsweise im Bereich der Wirbelsäule eine zentrale Lage der Implantate im Pedikel [4, 10, 16]. Im Bereich des Beckens sind exakte Schraubenplazierungen um das Acetabulums oder ISG möglich [4, 10, 16, 17, 18].

Es wird behauptet, dass die Systeme in ihrer Präzision einem erfahrenen Operateur überlegen sind. Die Kosten für derartige Systeme belaufen sich für den Bereich der Navigation (Rechnersystem, Kamera und Instrumente) im Bereich von 150.000–250.000 €. Hinzukommt ein C-Arm-System, das mit einem Kostenpreis von 100.000,–150.000 € Euro angekoppelt wird.

Prinzipien

Derzeit muss man generell zwischen 3 verschiedenen Prinzipien in der Navigation unterscheiden:

  • Es gibt die CT-basierte Navigation, die auf dem Einlesen präoperativer Datensätze eines konventionellen CT beruht. Nachteil dieser Technik ist, dass hierbei eine präoperative Bildgebung zur Operation verwendet wird und somit nicht unbedingt der Datensatz den tatsächlichen Verhältnissen im Operationssaal entspricht. Darüber hinaus ist eine Referenzierung (Matching) erforderlich, d. h. der mathematische Abgleich der Datensätze, welcher eine Fehlerquelle in sich darstellt [7].

  • Die zweite Technik ist die C-Arm-Navigation. Diese benutzt intraoperativ aufgenommene konventionelle C-Armbilder. Da der C-Arm in sich selbst referenziert und damit registrierfähig ist, kann die Lage der Bilder im Raum sofort festgestellt werden, sodass unmittelbar nach Erheben dieser Bilder eine Navigation in den konventionellen Röntgenbildern möglich ist. Der Vorteil ist, dass diese Technik universell anwendbar ist und in sich selbst präzise, da keine zusätzliche Registrierung erforderlich ist [13]. Nachteil dabei ist, dass man von der Bildqualität der konventionellen C-Armbilder abhängig ist .

  • Die dritte Methode ist die Anwendung des Iso-C-3D. Dieser C-Arm ist in der Lage, durch Rotation und dabei aufgenommenen digital getriggerten Einzelbildern einen Volumendatensatz von sog. high density objects zu generieren. Dieser Datensatz wird in CT-ähnlicher Bildgebung visualisiert. Auch hier entfällt eine zusätzliche Registrierung, sodass in diesem dreidimensionalen Datensatz sofort navigiert werden kann. Vorteil gegenüber dem 2D-C-Arm-Verfahren besteht hierin, dass eine bessere räumliche Auflösung gegeben ist [5] (Abb. 1).

    Abb. 1.
    figure 1

    Übersicht der derzeit gängigen Techniken in der navigationsgestützen Chirurgie

Präzision

Die Präzision wird durch das angewendete Verfahren, die Datenqualität der Ursprungsdaten und die erforderliche Registrierung bzw. dem sog. Matchingprozess beeinflusst. Darüber hinaus beeinflusst der Operateur die Präzision der Navigation. Unsachgemäßes Verwenden von Instrumenten führt zu deren Verbiegung und damit zu einer ungenauen Zielweisung [8]. Darüber hinaus können Kirschner-Drähte, die ebenfalls biegsam sind, dazu führen, dass ein falsches Ergebnis bei der Navigation erreicht wird. Schlussendlich ist der Chirurg als Bediener ebenfalls als Einflussmöglichkeit auf die Präzision anzusehen [1].

Wirbelsäule

Im Bereich der Wirbelsäule ist eine relativ hohe Präzision gefordert. Untersuchungen von Rampersaud et al. [15] zeigten, dass insbesondere im Bereich der thorakalen Wirbelsäule die erlaubte Irrtumstoleranz im Bereich von unter 1 mm liegt (Abb. 2).

Abb. 2.
figure 2

Problem der erlaubten Toleranz im Bereich der Wirbelsäule

Um diese Forderung zu prüfen, wurden von uns Untersuchungen der Präzision und Navigation im Bereich der Wirbelsäule anhand von Zielbohrungen in Kunststoffwirbelkörper auf Metallkugeln zu durchgeführt [22]. Die CT-basierte Auswertung der Bohrkanäle ergab, dass es hierdurch im Vergleich zum konventionellen Verfahren bei der C-Arm und CT-basierten Navigation zu einer Erhöhung der Präzision kommt. Die höchste Präzision wird beim CT-basierten Verfahren erreicht. Bei der Unterscheidung der einzelnen Wirbelsäulensegmente konnte festgestellt werden, dass insbesondere im thorakalen Wirbelsäulenbereich die CT-basierte Navigation die höchste Präzision erreicht (Abb. 3).

Abb. 3.
figure 3

Präzision von experimentellen navigierten Bohrungen im Bereich der Wirbelsäule [2]

Parallel hierzu wurde eine klinisch-prospektive Studie durchgeführt [1]. Hierbei wurden navigierte Pedikelschrauben konventionell operierten Schrauben gegenübergestellt. Alle Eingriffe wurden in beiden Gruppen durch 2 Operateure durchgeführt, um Erfahrungseinflüsse der Operateure auszuschalten. Als Ergebnis konnte festgestellt werden, dass bei den herkömmlich eingebrachten Implantaten in 12% eine Schraubenfehllage mit einer Abweichung von mehr als Schraubenstärke vorlag. Für die Navigation konnte die CT-basierte Navigation eine präzise Präzision in 93% der Fälle erbringen und bei der C-Arm-basierten Technik in 90% der Fälle.

Es ist somit eine geringgradige Steigerung der Präzision durch Anwendung der CT-C-Arm-basierten Navigation gegeben. Am deutlichsten kommt dieser Unterschied bei der CT-basierten Navigation zum tragen. Diese Ergebnisse decken sich auch mit aktuellen Daten (Merlot et al. , Abstractband CAOS 2003).

Ursachen hierfür sind bei der CT-basierten Navigation darin zu sehen, dass hier ein Registrierungs-/Matchingvorgang durchgeführt werden muss. Dieser, falls nicht korrekt durchgeführt, ist extrem anfällig für Fehlweisungen. Die C-Arm-Navigation ist hierbei weniger anfällig.

Letztere hat jedoch ihre Anfälligkeit bei der Qualität der erhobenen Bilder. Insbesondere thorakal und thorakolumbal ist die normale C-Arm-Bildgebung durch das Problem des sich bewegenden Zwerchfells bzw. durch die Kontrastprobleme im thorakalen Bereich bei dem Medium Luft der Lunge deutlich beeinflusst.

Femur

Auch für den Femur wurde von uns eine Präzisionsstudie durchgeführt. Ähnlich wie im Bereich der Wirbelsäule bestand die Aufgabe darin, Bohrkanäle auf eine Kugel zuzubohren. Auch hier folgte die Auswertung dreidimensional im CT der Abeichung des Bohrkanals vom Mittelpunkt der Kugel [3]. Hierbei lag die Präzision in Abhängigkeit vom gewählten Eintrittswinkel des Bohrkanals (135°/100°) bei 1,6–2,7 bzw. 1,8–4,2 mm. Diese hier nachgewiesene Präzision im Bereich des proximalen Femurs unterscheidet sich deutlich von den Herstellerangaben, ist jedoch aus chirurgischer Sicht für Anwendungen im Bereich des proximalen Femurs ausreichend.

Iso-C-3D

Die Anwendung des Iso-C-3D-C- Arm ist die jüngste Anwendung aus dem Bereich der Navigation.

Erste Ergebnisse zur Bildqualität zeigen, dass in einer ausreichenden Weise Schnittbilder aus der Wirbelsäule und dem Becken dem Operateur zur Verfügung gestellt werden. Die ersten klinischen Erfahrungen im Bereich der HWS und des Beckens zeigen eine primäre ausreichende Präzision, um sofort in den darin erhobenen dreidimensionalen Datensätzen navigieren zu können (Abb. 4). Bezüglich der Laborpräzision liegen bislang keine Daten vor. Die ersten klinischen Erfahrungen sind jedoch vielversprechend.

Abb. 4.
figure 4

Intraoperative Darstellung der navigierten ISG Fugenverschraubung in einem 3D-C-arm-Datensatz. Eingeblendet ist das Instrument

Fazit

Die Navigation scheint in vivo die Präzision etwas zu erhöhen. Im Vergleich zu den Herstellerangaben wird die Präzision jedoch klinisch eher überbewertet. Die Laboruntersuchungen zeigen, dass eine reelle Präzision im Bereich von 1–2 mm zu erwarten ist. Auf alle Fälle kann festgestellt werden, dass nach Analyse der klinischen Daten die Anwendung von navigationsgestützten Eingriffen zu einer deutlichen Verminderung der intraoperativen Strahlenbelastung führt [6]. Darüber hinaus muss man einschränkend feststellen, dass wie alle modernen Verfahren hier eine erhebliche Lernkurve vorliegt. Aufgrund einer mehrjährigen Erfahrung der Autoren erscheint derzeit die Anwendung der Iso-C-3D-Bildgebung für die Navigation die besten Möglichkeiten zu bieten. Hier werden die Zukunft und weitere Laborstudien zeigen, wie hoch die Qualität und Präzision einzuschätzen ist.

Bezüglich der Kosten-Nutzen-Relation ist festzuhalten, dass derzeit die zur Verfügung stehenden Navigationssysteme einen erheblichen finanziellen und personellen Aufwand bedeuten. Eine gesonderte Vergütung ist diesbezüglich derzeit nicht vorgesehen. Die zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch durch die Navigation verlängerten Operationszeiten beeinflussen wirtschaftliche Gesichtspunkte ebenfalls eher negativ. Langfristig ist jedoch davon auszugehen, dass die Systeme aufgrund ihrer sich weiter verbreitenden Anwendungsmöglichkeiten und der Zunahme der Benutzerfreundlichkeit weitere Verbreitung finden werden. Für die tagtäglich unfallchirurgische Versorgung sind sie jedoch zum gegenwärtigen Zeitpunkt noch nicht ausgereift.