Die Navigation befindet sich in einem Stadium der raschen Entwicklung, die in einzelnen Bereichen bereits weit fortgeschritten ist. Dies betrifft besonders die Wirbelsäulenchirurgie sowie Knie- und Hüftendoprothetik. Die Navigation erfordert die Synchronisation von realer Anatomie und virtuellem Bild—meist über Infrarotkameras, wobei auch magnetische Systeme entwickelt wurden [1, 7].

In der Traumanavigation erfolgte diese Synchronisation primär von Anatomie und virtuellem Bild mittels Computertomographie. Erste Untersuchungen von ISG-Verschraubungen, Wirbelsäulenoperationen und Beckenumstellungsosteotomien haben gezeigt, dass die reine CT-basierte Navigation für die Unfallchirurgie unbrauchbar ist, da der Datentransfer zu aufwändig ist und bei der Frakturversorgung der ursprüngliche Datensatz aufgrund der Repositionsmanöver nicht mehr mit der aktuellen Frakturanatomie übereinstimmt [5, 6]. Mit der Einführung der Synchronisation von C-Bogen-Bildern sind jetzt anwendbare und weiter entwickelbare Systeme etabliert worden. Für die Traumanavigation gibt es inzwischen über 20 Systeme von verschiedenen Anbietern wie z. B. BrainLAB (Novalis), SurgiGATE (Medivision), iON-System (Medtronic) und das von uns verwendete Navigationssystem der Fa. Stryker [7]. Alle Systeme basieren auf der Integration des C-Bogens, der die Frakturanatomie radiologisch erfasst, und unterscheiden sich bisher im Wesentlichen hinsichtlich

  • Anwendbarkeit,

  • Praktikabilität und

  • "software features".

Ziele der Traumanavigation sind:

  • Zielgenaues Operieren unter permanenter "virtueller Röntgensicht" in mehreren Ebenen

  • Verbesserung der Operationssicherheit

  • Erweiterung der minimalinvasiven Chirurgie

  • Planung unmittelbar vor bzw. während des Eingriffs

  • Verbesserung der intraoperativen Dokumentation

  • Reduktion spezifischer Führungsinstrumente

  • Reduktion der Strahlenbelastung

Insbesondere Operateur und Operationspersonal sind bei den verschiedenen Osteosynthesen immer wieder Röntgenstrahlen ausgesetzt. Die Durchleuchtungszeit bei der Marknagelosteosynthese beträgt zwischen 3 und 30 min, wobei bis zur Hälfte der Zeit für die Freihandverriegelung der Nägel verwendet wird [8]. Suhm et al. [9] konnten bei ihren ersten Untersuchungen zur Navigation der distalen Verriegelung zeigen, dass die mittlere Röntgenzeit lediglich 16 s betrug und es nur in 2,3% der untersuchten Fälle zu Fehlplatzierungen kam. Die momentanen Möglichkeiten der Traumnavigation ergeben daher folgendes Indikationsspektrum für solche Systeme:

  • Eintrittspunktbestimmung bei der Marknagelosteosynthese

  • Reposition der beiden Hauptfragmente (z. B. Marknagelung des Femurs)

  • Verriegelung bei der Marknagelosteosynthese

  • Schraubenplatzierung:

    a):

    Gelenknah (Hüft-, Knie-, Sprunggelenk)

    b):

    Zugschraubenplatzierung

    c):

    Becken (Ileosakralfuge, Azetabulum)

  • Fixateur externe (Pinplatzierung)

  • Längen -, Winkel- und Durchmesserbestimmung (z. B. Osteotomieplanung)

Material und Methode

Das verwendete System der Fa. Stryker wird seit November 2002 in den beiden beteiligten Kliniken im klinischen Einsatz evaluiert. Mit Hilfe einer speziellen Systemplattform werden über eine Infrarotkamera die Position von C-Arm, Patient und Instrument im Raum erfasst und dem dazugehörigen Röntgenbild überlagert. Damit wird eine graphische Darstellung der Instrumente in den verschiedenen Röntgenebenen am Computerbildschirm ermöglicht. Das verwendete System ist kabellos. In die mit LED bestückten Tracker für Patient und Instrumente sowie die Kalibrierstation und den C-Arm-Adapter sind Chips integriert, die permanent gespeicherte Daten über das Tool enthalten, aber auch temporäre Daten bei der aktuellen Navigation speichern. Als Energiequelle für die aktiven Tools dienen Fotobatterien. Eine Batterie wird präoperativ in den C-Arm-Adapter eingelegt, andere stehen während der Operation steril für die verwendeten Tools zur Verfügung (Abb. 1). Diese Navigationstools werden ergänzt durch modulare Tools, die z. B. die feste Verankerung des Patiententrackers erlauben oder auch eine Fixation des Tooltrackers an verschiedenen konventionellen Instrumenten. Zusätzlich wurden spezifische Instrumente entwickelt, die einen speziellen Adapterring zur festen Fixation des Tooltrackers aufweisen (Abb. 2).

Abb. 1a,b.
figure 1

Schemazeichnung der Systemplattform (a) und der verschiedenen "smart tools" (b) wie Tracker (A), Kalibriergerät (B), Pointer (C) und C-Arm-Adapter (D)

Abb. 2.
figure 2

Schemazeichnung der Verankerungssysteme und speziellen Traumanavigationsinstrumente, die über einen integrierten Verankerungsring stabil mit dem Tooltracker verbunden werden können

Wichtig im praktischen Einsatz ist die Positionierung der verschiedenen Komponenten im OP, wie Systemplattform, C-Arm und Operationstisch. Der Eingriff muss vorab geplant und die Positionen müssen beachtet werden, damit Patiententracker und Tooltracker während der Navigation nicht verdeckt werden (Abb. 3). Danach erfolgen die Vorbereitung und die Positionierung des Patienten mit Fixation des Patiententrackers (z. B. vorderer Beckenkamm) (Abb. 4). Die Toolvorbereitung beinhaltet die Fixation des Tooltrackers an dem zu benutzenden Tool wie z. B. der Bohrmaschine, Hülsen oder auch dem Pfriem. Die Kalibrierung kann dann entweder als Achskalibrierung—die eine Richtungsbestimmung und verschiedene Messungen erlaubt—oder als Punktkalibrierung erfolgen. Nach Aktivierung des C-Bogens kann die Navigation beginnen. Zur besseren Orientierung bildet das System die verschiedenen Tracker ab. Als Validierung kann in einem ersten Schritt der Patiententracker geröntgt werden und wird bei korrekter Einstellung passgenau von einem Overlay überlagert. Die Traumanavigation beginnt dann im Allgemeinen mit Röntgenaufnahmen in den notwendigen Ebenen.

Abb. 3.
figure 3

Schemazeichnung der Patientenpositionierung während eines navigierten operativen Eingriffs im Bereich der Hüfte bzw. des Oberschenkels

Abb. 4.
figure 4

Schemazeichnung einer Nageleintrittspunktnavigation mit Patiententracker am Beckenkamm und Tooltracker am Pfriem

Neben der in Abb. 5a,b dargestellten Navigation des distalen Eintrittpunkts bei einer einfacheren distalen Schaftfraktur ist insbesondere die Führungshilfe zur C-Arm-Positionierung sehr hilfreich. Der auf dem Computerbildschirm dargestellte gelbe Kreis zeigt die Position des C-Bogens und reduziert die Strahlenexposition, da der Bildverstärker vorher an die korrekte Position gebracht werden kann (Abb. 5c,d). Die Navigation der Frakturreposition bei einem distalen Femurnagel und die Navigation der Verriegelungsschrauben sind in Abb. 6 dargestellt.

Abb. 5a–d.
figure 5

Nageleintrittspunktnavigation am distalen Femur (a,b), gelbe Linie virtuelle Bohrrichtung, blaue Linie virtuelle Position des navigierten Instruments; Führungshilfe zur C-Arm-Positionierung (c,d), gelb Führungskreis zur korrekten Positionierung des Bildverstärkers; exemplarisch im Bereich des Schenkelhalses dargestellt

Abb. 6a–e.
figure 6

Navigation der Frakturreposition und proximalen Verriegelung eines distalen Femurnagels, a,b Patiententracker am proximalen Fragment: a intraoperatives Setup zur navigierten Reposition mit b radiologischer Kontrolle der Spitze des Repositionslöffels nach Reposition, gelbes Kreuz virtuelle Spitze des Repositionslöffels; ist deckungsgleich mit dem Durchleuchtungsbild, c–e Navigation der proximalen Verriegelung des eingebrachten Nagels, c intraoperatives Setup, d,e Durchleuchtungsbilder, d navigierte Verriegelung, e abschließende Kontrolle der Schraubenposition

Ergebnisse

Das gewählte System mit dem dazu entwickelten "work-flow" konnte im klinischen Alltag eingesetzt werden. Speziell die Durchleuchtungszeit konnte, wie zu erwarten, deutlich reduziert werden. Als mittlere Röntgenzeit der letzten 6 navigierten Femurmarknagelosteosynthesen fanden sich im Schnitt 3,13 min, die Röntgenzeit der letzten 10 konventionellen Marknagelungen betrug dagegen 7,45 min.

Insgesamt wurden bis zum jetzigen Zeitpunkt

  • 18 Marknägel,

  • 1 Fixateur externe,

  • 4 USG-Verschraubungen,

  • 4 ISG-Verschraubungen und

  • 4 Schenkelhalsverschraubungen

navigiert. Bei diesen Eingriffen wurde das System zur Pin- und Schraubenplatzierung verwendet. Bei der Marknagelosteosynthese waren Eintrittspunktbestimmung, Reposition und Verriegelung möglich.

Als Fehler wurden ein Systemabsturz, zeitweise schlechte Bildqualität, Fehlplatzierung von Verriegelungsschrauben und die fehlende Erfassung des Repositionslöffels beobachtet. Die Fehlerquellen waren im Wesentlichen die schlechte Lagerung und damit Trackerpositionierung bzw. präoperative Planung, die instabile Fixierung des Patiententrackers (Fehlplatzierung einer Verriegelungsschraube) und die Instabilität des Bohrers (falsche Toolwahl). Zusätzlich war es zeitweise problematisch, die Tools im navigierten/digitalisierten Volumen (Operationsfeld) zu erfassen. Dies gilt insbesondere für den sehr langen Repositionslöffel und die Pin- und Schraubenplatzierung am Becken.

Diskussion

Unsere bisherigen Erfahrungen mit dem eingesetzten System und den gewonnenen Daten zeigen, dass die Navigation in der Frakturversorgung im Bereich der Extremitäten und des Beckens hilfreich ist. Die propagierten Möglichkeiten wie Eintrittspunktbestimmung für Marknagelosteosynthesen, Längen- und Durchmesserbestimmungen, Winkelmessungen, Reposition, Verriegelung, Schraubenplanung, bessere Präzision bei gelenknahen Frakturen (z. B. Hüfte, Becken) können genutzt werden. Die permanente Sicht in verschiedenen Ebenen am PC-Bildschirm verbessert die räumliche Orientierung ohne aufwändige Röntgenmanöver und die primäre Pin- bzw. Schraubenplatzierung. Unsere Erfahrungen bestätigen die publizierten Erfahrungen [6, 8].

Die Reduktion der Strahlenbelastung ist von besonderer Bedeutung. Relevante Schäden—insbesondere für das regelmäßig exponierte Personal—lassen sich statistisch nicht erfassen, da dies erst oberhalb einer Dosis von 0,2–0,5 Gy möglich ist. Selbst die medizinische Strahlenexposition als mittlere Jahresdosis pro Kopf der Bevölkerung ist nicht exakt bekannt. Ein grobe Abschätzung ergibt 1,5 mGy pro Kopf, was einem erhöhten Risiko von schätzungsweise 500 Leukämien und 2000 anderen Tumoren jährlich durch diagnostische Strahlen entspricht [2, 3, 4]. Die Mortalitätsrate pro Jahr einer Röntgenuntersuchung der Lunge beträgt 1:100.000 und ist deutlich geringer als die Wahrscheinlichkeit, vom Blitz getroffen zu werden (Mortalitätsraten: Blitzschlag 1:1.000.000; Verkehrsunfall 1:7100; Drachenfliegen 1:500; landwirtschaftlicher Beruf 1:1350; Bauwesen 1:1230). Bei anderen Untersuchungen mit einer deutlich höheren Dosis wie einer konventionellen Angiographie steigt das Risiko auf 1:700 und liegt damit im Bereich zwischen gefahrvollen Berufen und Drachenfliegen [2]. Solche Daten sollten den operativ tätigen Chirurgen, der täglich mit Röntgenstrahlung "arbeitet", nachdenklich machen und die Notwendigkeit der Entwicklung von Systemen zur Reduktion der beruflichen Strahlenbelastung verdeutlichen.

Das Navigationssystem erlaubt auch während des operativen Eingriffs das Beiseiteschieben des Fluoroskops, welches störend sein kann. Zudem wird das Infektionsrisiko für den Patienten gesenkt, da auf eine häufige Positionierung des Fluoroskops und erneute sterile Abdeckungen verzichtet werden kann.

Bis zu einer breiten Anwendung der Navigationssysteme müssen noch einige Probleme beseitigt werden. Hierzu gehören insbesondere die Systemerweiterung, die die Navigation von 2 Frakturfragmenten erlaubt, die Achse, Länge und Rotation kontrolliert, die dritte Ebenen integriert und mit einer weiteren Vereinfachung des Arbeitsablaufs ein universelles Traumanavigationssetting ermöglicht. Die Optimierung und Realisierung dieser wesentlichen Verbesserungen, ggf. mit Integration einer präoperativen Planung, wird dann auch deutlich weniger potenzielle Anwender vor der kurzfristigen Investitionssumme abschrecken.