Aus der Klinik für Unfall- und Wiederherstellungschirurgie
der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin

Dissertation

CT-basierte Computernavigation von Pedikelschrauben an der Brustwirbelsäule – Praktikabilität, klinische Ergebnisse und Vergleich zur konventionellen Technik

Zur Erlangung des akademischen Grades
Dr. medicinae (Dr. med.)

vorgelegt der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin

von Klaus John Schnake
aus Luthe, jetzt Wunstorf

Dekan: Prof. Dr. med. Dudenhausen

Gutachter:
1. PD Dr. med. M. Raschke
2. Prof. Dr. med. J. R. Weber
3. Prof. Dr. med. C. Josten

eingereicht: 23. Februar 2002

Datum der Promotion: 12. Juli 2002

Abstract

Several studies have shown that computer assisted pedicle screw insertion in spinal surgery can decrease pedicle perforation rate significantly to less than 10%. However, few data exist concerning the accuracy of pedicle screw navigation in the thoracic spine in trauma patients. The goal of this study was to evaluate the accuracy of CT-based computer assisted pedicle screw insertion in the thoracic spine in patients with fractures, metastases and spondylodiscitis compared to conventional technique. 324 pedicle screws were inserted in the thoracic spines of 85 patients. 211 screws were placed using a CT-based optoelectronic navigation system assisted by an image intensifier. 113 screws were placed with conventional technique. Screw positions were evaluated with postoperative CT-scans by an independent radiologist. In the computer assisted group 174 (82,5%) screws were found completely within their pedicles compared with 77 (68,1%) correctly placed srews in the conventional group (p < 0,003). Despite of using the navigation system 1,9% of the computer assisted screws perforated the pedicle wall more than 4 mm. The additional use of the image intensifier helped identifying the correct vertebral body and avoided cranial or caudal pedicle wall perforations.

Keywords: Computer assisted surgery, CT-based navigation, Thoracic spine, Pedicle screws, Conventional technique

Zusammenfassung

Die Einführung der Computer-assistierten Navigation von Pedikelschrauben an der Wirbelsäule in den klinischen Alltag konnte in mehreren Studien eine signifikante Senkung der Fehlplatzierungsraten auf deutlich unter 10% zeigen. Es existieren aber nur spärliche Daten bezüglich der Navigation an der Brustwirbelsäule und deren Anwendung bei unfallchirurgischen Patienten, typischerweise mit frischen Frakturen. Ziel dieser Arbeit war es, die Genauigkeit der CT-basierten Navigation von Pedikelschrauben an der Brustwirbelsäule mit Hilfe eines optoelektronischen Navigationssystems bei Patienten mit Frakturen, Tumoren und Entzündungen im Vergleich zur konventionellen Technik zu untersuchen. Dazu wurden bei 85 Patienten 324 Pedikelschrauben, 211 navigiert und 113 konventionell, an der Brustwirbelsäule gesetzt. Die Navigation erfolgte mit einem optoelektronischen System, wobei zusätzlich ein Bildverstärker zur Lagekontrolle verwendet wurde. Postoperativ wurde die Pedikelschraubenplatzierung mit Hilfe von Computertomogrammen dargestellt und durch einen unabhängigen Radiologen ausgewertet. In der navigierten Gruppe wurden 174 (82,5%) Schrauben korrekt platziert. In der konventionellen Gruppe waren es mit 77 (68,1%) Schrauben signifikant weniger (p < 0,003). Allerdings ließen sich erhebliche Fehllagen von über 4 mm in 1,9% der Fälle trotz Navigation nicht vermeiden. Die zusätzliche Röntgendurchleuchtung vermied vor allem die Navigation falscher Wirbelkörper sowie Abweichungen der Schrauben nach kaudal bzw. kranial.

Eigene Schlagworte: Computerassistierte Chirurgie, CT-basierte Navigation, Brustwirbelsäule, Pedikelschrauben, Konventionelle Technik

Inhaltsverzeichnis

• 1. Einleitung
  • 1.1.  Geschichtliche Entwicklung der transpedikulären Verschraubung
  • 1.2.  Pedikelschraubenfehlplatzierung
    • 1.2.1.  Lokalisation der Fehlplatzierungen und klinische Konsequenzen
      • 1.2.1.1. Fehlplatzierung nach lateral
      • 1.2.1.2. Fehlplatzierung nach medial
      • 1.2.1.3.  Fehlplatzierung nach kranial, kaudal oder ventral
      • 1.2.1.4. Fehlplatzierung durch zu enge Pedikel
      • 1.2.1.5. Klinische Konsequenz von Fehlplatzierungen
  • 1.3. Navigation
    • 1.3.1.  Entwicklung der Navigation
    • 1.3.2.  Historische Entwicklung an der Wirbelsäule
    • 1.3.3. Bisherige in vitro und in vivo Anwendungsergebnisse der Navigation
    • 1.3.4. Nachteile und Probleme
    • 1.3.5.  Grenzen der Computernavigation
    • 1.3.6. Zusammenfassung
  • 1.4. Problem und Aufgabenstellung
• 2.  Material und Methoden
  • 2.1. Patienten
    • 2.1.1. Verteilung der Pedikelschrauben auf die Wirbelkörperhöhen
  • 2.2. CT-basierte Navigation mit dem System SurgiGATE® der Firma Medivision/STRATEC Medical
    • 2.2.1. Prinzip des Systems
    • 2.2.2.  Computertomogramm als Basis
    • 2.2.3. Erstellen eines dreidimensionalen Modells (Segmentierung)
    • 2.2.4. Präoperative Planung
      • 2.2.4.1.  Planung der Punkte für die Anpassung von Punktepaaren (Paired-Point Matching)
      • 2.2.4.2. Planung der Trajektorien
        • 2.2.4.2.1. Durchmesser der Trajektorien
        • 2.2.4.2.2. Eintrittspunkt der Trajektorien, Länge und Verlauf im Wirbelkörper
    • 2.2.5. Intraoperative Navigation
      • 2.2.5.1. Systemkomponenten
        • 2.2.5.1.1. Zentrale Steuer- und Rechnereinheit
        • 2.2.5.1.2. Infrarotkamera
        • 2.2.5.1.3. Instrumenten-Interface und Instrumentarium
        • 2.2.5.1.4. Dynamische Referenzbasis (DRB)
        • 2.2.5.1.5.  Virtuelle Tastatur
        • 2.2.5.1.6. 3D-Zeigeinstrument (Pointer)
        • 2.2.5.1.7. 3D-Pedikeleröffnungs- und –vertiefungsahle
      • 2.2.5.2. Kalibrierung
      • 2.2.5.3. Anpassung (Matching)
        • 2.2.5.3.1.  Anpassung von Punktepaaren (Paired-Point Matching)
        • 2.2.5.3.2. Oberflächen-Anpassung (Surface Matching)
        • 2.2.5.3.3.  Prüfung der Anpassung (Verification)
  • 2.3. Operation
    • 2.3.1.  Navigationstechnik
      • 2.3.1.1. Führungsmodus (Guidance)
      • 2.3.1.2. Pedikelschrauben
    • 2.3.2. Konventionelle Technik
    • 2.3.3.  Röntgenbildverstärker
  • 2.4. Protokollierung
  • 2.5. Postoperative radiologische Untersuchungen
  • 2.6.  Auftreten von Komplikationen und Revisionsoperationen
  • 2.7. Statistische Auswertung
• 3.  Ergebnisse
  • 3.1. Präoperativ erhobene Daten
    • 3.1.1. Dauer der präoperativen Planung
    • 3.1.2. Besonderheiten und Probleme
  • 3.2. Ergebnisse der intraoperativ erhobenen Daten
    • 3.2.1. Operationsdauer
    • 3.2.2.  Anpassung
      • 3.2.2.1. Anpassung der Punktepaare (Paired-Point Matching)
        • 3.2.2.1.1. Qualitätsindex
        • 3.2.2.1.2. Anzahl der Matchingversuche
      • 3.2.2.2. Oberflächen-Anpassung (Surface Matching)
        • 3.2.2.2.1. Qualitätsindex
        • 3.2.2.2.2. Anzahl der Matchingversuche
      • 3.2.2.3. Dauer der Anpassung
    • 3.2.3.  Dauer des navigierten Einbringens von 2 Schrauben pro Segment
    • 3.2.4. Dauer der Röntgendurchleuchtung pro Schraube
    • 3.2.5.  Probleme und Besonderheiten während der Navigation
  • 3.3. Lage der navigierten Pedikelschrauben in der CT-Auswertung
    • 3.3.1. Korrekt platzierte Schrauben
    • 3.3.2. Pedikelperforationen < 2 mm
    • 3.3.3. Pedikelperforationen 2,1 bis 4 mm
    • 3.3.4.  Pedikelperforationen 4,1 bis 6 mm
    • 3.3.5. Pedikelperforationen 6,1 bis 8 mm
    • 3.3.6. Tabellarische Darstellung der navigierten Schraubenlagen
    • 3.3.7. Perforationen nach kranial oder kaudal
  • 3.4. Lage der konventionell eingebrachten Pedikelschrauben im CT
    • 3.4.1. Korrekt platzierte Schrauben
    • 3.4.2. Pedikelperforationen < 2 mm
    • 3.4.3. Pedikelperforationen 2,1 bis 4 mm
    • 3.4.4. Pedikelperforationen 4,1 bis 6 mm
    • 3.4.5. Pedikelperforationen 6,1 bis 8 mm
    • 3.4.6. Tabellarische Darstellung der konventionellen Schraubenlagen
  • 3.5.  Vergleich navigierter zu konventionell eingebrachten Pedikelschrauben
    • 3.5.1. Anzahl Schrauben pro Wirbelkörper
    • 3.5.2. Vergleich Schraubenlage navigiert zu konventionell
    • 3.5.3. Navigierte und konventionelle Fehllagen bezogen auf die Wirbelkörperhöhe
    • 3.5.4. Navigierte Fehllagen bezogen auf unterschiedliche Wirbelkörperhöhen
  • 3.6. Relation der Schraubendurchmesser zu den Pedikeldurchmessern
  • 3.7. Statistische Auswertung
    • 3.7.1. Navigierte und konventionelle Schraubenlagen
    • 3.7.2.  Navigierte und konventionelle Schraubenfehllagen
    • 3.7.3.  Vergleich unterschiedlicher Wirbelkörperhöhen
      • 3.7.3.1.  BWK 1-4
      • 3.7.3.2. BWK 5-8
      • 3.7.3.3.  BWK 9-12
  • 3.8. Neurologisches Outcome der Patienten
  • 3.9. Notfallnavigation
• 4. Diskussion
  • 4.1. Praktikabilität des Navigationssystems
    • 4.1.1. Präoperative Probleme und Besonderheiten der Navigation
      • 4.1.1.1. Durchführung des CT und der Datenübertragung
      • 4.1.1.2.  Erstellung des dreidimensionalen Modells und der präoperativen Planung
    • 4.1.2. Intraoperative Probleme und Besonderheiten der Navigation
      • 4.1.2.1.  Operativer Zugang
      • 4.1.2.2. Anpassung (Matching)
      • 4.1.2.3.  Navigation des falschen Wirbelkörpers
      • 4.1.2.4. Veränderung der Topographie
      • 4.1.2.5. Unabsichtliches Verdecken der LED
      • 4.1.2.6.  Abweichungen zwischen Navigation und Bildverstärker
      • 4.1.2.7. Zeitbedarf der Navigation und der additiven Durchleuchtung
  • 4.2. Lage der mit Navigation eingebrachten Pedikelschrauben
    • 4.2.1.  Lage der Schrauben in Bezug auf die Wirbelkörperhöhe
    • 4.2.2. Mediale und laterale Perforationen
    • 4.2.3. Relation der Schrauben- zum Pedikeldurchmesser
    • 4.2.4.  Nachteile der postoperativen CT-Auswertung
  • 4.3. Vergleich mit konventionell eingebrachten Pedikelschrauben
  • 4.4. Wie sinnvoll ist die CT-basierte optoelektronische Navigation an der BWS?
    • 4.4.1.  Präzision
    • 4.4.2. Strahlenbelastung durch CT-basierte Navigation
    • 4.4.3. Navigation für unerfahrene oder erfahrene Operateure?
    • 4.4.4.  Navigation für den Notfallpatienten
    • 4.4.5. Kosten-Nutzen-Verhältnis der Navigation
• 5. Zusammenfassung
• Erklärung an Eides Statt
• Lebenslauf
• Danksagung
• Literaturverzeichnis

Tabellen

• Tabelle 1: Patientendaten
• Tabelle 2: CT-Parameter (modifiziert aus Bedienungshandbuch SurgiGATE®)
• Tabelle 3: Darstellung der navigierten Schraubenlagen (Th=BWK)
• Tabelle 4: Darstellung der konventionellen Schraubenlagen (Th=BWK)
• Tabelle 5: Lagevergleich navigierte zu konventionellen Schrauben
• Tabelle 6: Zusammenfassung der Tabelle 5
• Tabelle 7: Fehllagen bezogen auf Wirbelkörperhöhen
• Tabelle 8: Fehllagen bezogen auf Wirbelkörperabschnitte
• Tabelle 9: Gesamtperforationsrate navigiert versus konventionell
• Tabelle 10: Schraubenfehllagen navigiert versus konventionell
• Tabelle 11: Fehllagen BWK 1-4 navigiert versus konventionell
• Tabelle 12: Fehllagen BWK 5-8 navigiert versus konventionell
• Tabelle 13: Fehllagen BWK 9-12 navigiert versus konventionell
• Tabelle 14: Studienlage bezüglich Navigation an der BWS

Bilder

• Abbildung 1: Achse der (Pedikelschrauben)
• Abbildung 2: Fixateur interne
• Abbildung 3: Röntgenbildverstärker im lateralen und ventro-dorsalen Strahlengang
• Abbildung 4: Pedikelperforation nach lateral
• Abbildung 5: Parapedikuläre Verschraubung
• Abbildung 6: Pedikelperforation nach medial
• Abbildung 7: Pedikelperforation nach kaudal
• Abbildung 8: Korpusperforation nach ventral
• Abbildung 9: Infrarotsensoren erkennen LED der Instrumente
• Abbildung 10: SurgiGATE® (Infrarotkamera und Rechnereinheit)
• Abbildung 11: BV-Navigation
• Abbildung 12: SIREMOBIL Iso-C3D
• Abbildung 13-15: AO-Klassifikation nach Magerl: A-Verletzung mit Kompression
• Abbildung 14: B-Verletzung mit Flexion-Distraktion
• Abbildung 15: C-Verletzung mit Rotation
• Abbildung 16: Computertomograph SOMATOM+4 Volume Zoom der Firma Siemens
• Abbildung 17: 3D-Modell nach Sequenzierung von dorsal
• Abbildung 18: 3D-Modell nach Sequenzierung von ventral
• Abbildung 19: Bildschirmansicht verschiedener Ebenen
• Abbildung 20: Processus spinosus
• Abbildung 21: Processus articularis inferior links
• Abbildung 22: Processus articularis superior links
• Abbildung 23: Processus articularis superior rechts
• Abbildung 24: Processus articularis inferior rechts
• Abbildung 25: Trajektorie
• Abbildung 26: Set-up Navigation
• Abbildung 27: Infrarotkamera OPTOTRAK® 3020
• Abbildung 28: Rechnereinheit SurgiGATE®
• Abbildung 29: Virtuelle Echtzeit-Darstellung des Instrumentes (grün)
• Abbildung 30: Instrumente (DRB am Wirbel befestigt)
• Abbildung 31: Transformationsprinzip der Anpassung (Matching)
• Abbildung 32: Paired-Point Matching (rot-Planung, grün-intraop)
• Abbildung 33: Skip-worst des ungenauesten Punktes
• Abbildung 34: Surface Matching
• Abbildung 35: Verification
• Abbildung 36: Intraoperativer Situs
• Abbildung 37: Pedikel- und Schanzschraube
• Abbildung 38: EXPOSCOP 8000 der Firma Ziehm
• Abbildung 39: Optimale Schraubenlage im Pedikel
• Abbildung 40: Pedikelperforation < 2 mm
• Abbildung 41: Pedikelperforation 2-4 mm
• Abbildung 42: Pedikelperforation 4-6 mm
• Abbildung 43: Artefakte durch ableitende Harnwege
• Abbildung 44: Erschwerte Höhenlokalisation
• Abbildung 45: Gesamte BWS von ventral
• Abbildung 46: Gesamte BWS von dorsal
• Abbildung 47: Zu groß gewählte Trajektorie
• Abbildung 48: Ungleichmäßige und gleichmäßige Verteilung der Messpunkte