Der Durchmesser der Trajektorien und damit der Pedikelschrauben wird zum einen bedingt durch die biomechanisch notwendige Stabilität, um ein Brechen der Schrauben bei Belastung zu vermeiden, zum anderen durch die anatomischen Gegebenheiten (Pedikeldurchmesser). Stärken zwischen 4 und 7 mm sind üblich. An der BWS werden allerdings aufgrund der geringen Pedikeldurchmesser selten Schrauben von mehr als 5 mm benutzt. Zur Planung der Trajektorien wurden 4 und 5 mm Stärken benutzt. Der Chirurg wird, wenn immer möglich, die stabilste Lösung mit dem größten Schraubendurchmesser wählen.

Die Auswahl des Trajektoriendurchmessers kann bei SurgiGATE® mit Hilfe der präoperativen Planung bestimmt werden. Stellte sich während der Planung heraus, dass der Durchmesser zu groß oder zu klein gewählt wurde, so wurde die Planung wiederholt.

Der Eintrittspunkt der Trajektorie wird nach der von Vaccaro [17] beschriebenen Methode gewählt. Der intrapedikuläre Verlauf der Trajektorie kann völlig frei bestimmt werden. Der Bildschirmaufbau erlaubt eine axiale, sagittale und koronare Ansicht. Somit lässt sich die Trajektorie entsprechend dem gewünschten Verlauf verändern. Das Gleiche gilt für die Länge, die sich anhand des dreidimensionalen Bildes in jeder Ebene kontrollieren lässt. Nachdem die Trajektorie die optimale Lage in der Planung erreicht hat, bietet das System die Möglichkeit, den Wirbelkörper vom Ein- bis Austrittspunkt der Trajektorie zu durchfahren (trajectory simulation). Der Verlauf der Schraube wird so simuliert. Dies ermöglicht eine Lagekontrolle der Trajektorie auch an der dünnsten Stelle des Pedikels. So lässt sich die Trajektorie zumindest am Modell in die virtuelle Mitte des Pedikels legen. Die Trajektorien werden nach der Planung gespeichert (Abb. 25). Damit ist die Planung abgeschlossen und das System kann intraoperativ eingesetzt werden.

Abbildung 25: Trajektorie

Die zentrale Rechnereinheit, die schon für die präoperative Planung benutzt wurde, besteht aus dem Computer mit dem integrierten Navigationssystem SurgiGATE® (Abb. 28). Die Bedienung erfolgt per Maus und Tastatur. Des weiteren wird eine elektronische Anschluss-Stelle (interface) zwischen dem Rechner und den Instrumenten angeschlossen.

Die mobile Infrarotkamera OPTOTRAK® 3020 der Firma Northern Digital Inc. (Waterloo, Ontario, Kanada) wird auf eine Entfernung von 1,75 bis 2,2 m an das OP-Gebiet gefahren. Sie besteht aus drei Kameraeinheiten, die mit hoher Präzision die Position der LED der Referenzbasis und der Instrumente im Operationsfeld erkennen und die Daten an den Computer weitergeben (Abb. 27). Die vom Hersteller angegebene Genauigkeit bei 2,5 m Entfernung liegt bei 0,1 mm für die x- und y-Koordinaten, sowie bei 0,15 mm für die z-Koordinaten.

Abbildung 27: Infrarotkamera OPTOTRAK® 3020

Abbildung 28: Rechnereinheit SurgiGATE®

Abbildung 27: Infrarotkamera OPTOTRAK® 3020

Abbildung 28: Rechnereinheit SurgiGATE®

Das Instrumenten-Interface dient als elektronische Anschluss-Stelle zwischen dem Computer/Kamera-System und dem chirurgischen Instrumentarium. Aus praktischen Gründen wird das Interface am Instrumententisch befestigt. Die Instrumente werden angeschlossen, wobei eine Kontroll-LED die korrekte Verbindung anzeigt.

Alle Instrumente sind mit 4 LED ausgestattet und kalibriert. Dies bedeutet, dass die geometrischen Beziehungen zwischen Instrumentenspitze, Instrumentenachse und LED konstant und vermessen sind. Die Dioden werden von der Kamera im Raum erkannt und der Rechner ermittelt aus den Koordinaten die Position und Achse des Instrumentes im Raum. Das Instrument kann somit in Echtzeit als (in diesem Fall grüner) Balken auf dem Bildschirm angezeigt werden (Abb. 29).

Abbildung 29: Virtuelle Echtzeit-Darstellung des Instrumentes (grün)

Das System benötigt einen fixen Punkt im Raum, der in einem konstanten Verhältnis zu allen noch zu bestimmenden anderen Punkten und den Instrumenten steht. Die DRB definiert ein Referenzkoordinatensystem. Da immer nur ein Wirbelkörper navigiert wird, sollte die DRB auch an dem entsprechenden Wirbelkörper befestigt sein. Die Referenzbasis gewährleistet also die Genauigkeit des System, auch wenn die Kamera oder der Patient intraoperativ bewegt werden (z.B. durch Atemexkursionen oder Manipulationen des Operateurs). Die Referenzbasis wird mittels einer Klemme idealerweise am Processus spinosus des zu navigierenden Wirbelkörpers befestigt. Sie ist für die korrekte Navigation unabdingbar (Abb.30). Während der Navigation des Wirbelkörpers darf sie nicht verrückt werden. Auch Manipulationen wie das Verdrehen oder Verbiegen sind zu unterlassen, da sonst ein inkorrektes Navigieren die Folge sein kann. Es besteht allerdings die Möglichkeit, intraoperativ eine Genauigkeitsüberprüfung (accuracy check) durchzuführen.

Abbildung 30: Instrumente (DRB am Wirbel befestigt)

Das Zeigeinstrument besitzt eine punktförmige Spitze und ist ebenfalls mit 4 LED bestückt. Er dient bei der Anpassung (Matching) der Punkteauswahl auf dem Wirbelkörper und kann im weiteren Verlauf zur Bedienung der virtuellen Tastatur benutzt werden (Abb. 30).

Die Eröffnungsahle (Pfriem) und Vertiefungsahle sind im Prinzip wie normale Operationsahlen konzipiert, aber mit LED ausgerüstet (Abb. 30).

Präoperativ wurden wie unter 2.2.4.1 beschrieben fünf Messpunkte in standardisierter Art und Weise am virtuellen 3D-Modell bestimmt. Im Prinzip reichen dem System sogar 3 Messpunkte. Verständlicherweise bieten aber mehr Messpunkte (bis zu acht) eine bessere Darstellung der anatomischen Gegebenheiten. Zudem wird, wie weiter unten beschrieben, häufig eine Landmarke nicht mit in das Matching genommen. Basis des Matching-Vorganges ist, dass der Operateur die präoperativ gewählten Messpunkte mit möglichst hoher Genauigkeit wieder findet und mit Hilfe des Pointers digitalisiert. Dabei werden die Koordinaten des Punktes im System registriert und gespeichert.

Nach der Digitalisierung und Speicherung kann die Anpassung berechnet werden. Das System gibt zusätzlich einen Qualitätsindex (Fehler), der einen bestimmten Schwellenwert (in diesem Fall 2.0) nicht überschreiten darf. Je geringer die Abweichung beim Matching, desto kleiner der angegebene Qualitätsindex. Allerdings ist dieser kein absoluter Zahlenwert, der eine durchschnittliche Abweichung als Distanz oder ähnliches angibt (Abb. 32).

Der Operateur kann durch eine visuelle Kontrolle der Lage der Messpunkte sein Matching-Ergebnis ebenfalls beurteilen. Auf dem Bildschirm erscheinen die präoperativ gewählten Messpunkte rot. Die intraoperativ digitalisierten Messpunkte werden grün angezeigt. Die optischen Übereinstimmung (Überlappung) der Messpunkte gibt einen Hinweis auf die Genauigkeit. Zum anderen erscheinen die grünen intraoperativ digitalisierten Messpunkte in unterschiedlicher Stärke, je nachdem ob sie auf dem Knochen, im Knochen oder darüber schwebend gewählt wurden.

Abbildung 32: Paired-Point Matching (rot-Planung, grün-intraop)

Liegt der Qualitätsindex über 2.0, so muss das Matching wiederholt werden. Dabei können entweder alle Messpunkte erneut digitalisiert werden oder nur die, die am ungenauesten waren. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis eine hinreichende Genauigkeit erreicht worden ist.

Schließlich bietet das System noch die Möglichkeit mittels eines „skip worst“ den Messpunkt zu entfernen, der die größte Ungenauigkeit aufweist. Dementsprechend werden dann nur 4 Messpunkte digitalisiert und verwendet (Abb. 33).

Abbildung 33: Skip-worst des ungenauesten Punktes

Bei der Oberflächen-Anpassung kann der Operateur beliebig viele, mindestens aber 12 Messpunkte am Wirbelkörper digitalisieren. Allerdings führt eine große Anzahl von Messpunkten zu einer größeren in Anspruchnahme der Rechnerkapazität, was mit einem erhöhten Zeitbedarf verbunden ist. Im Rahmen dieser Arbeit haben wir einen Kompromiss von 20-25 zu wählenden Messpunkten geschlossen.

Der Operateur kann bei der Oberflächen-Anpassung die Messpunkte frei mit dem Pointer digitalisieren. Es gelten aber prinzipiell die gleichen Vorraussetzungen wie bei der Anpassung von Punktepaaren. Dementsprechend sollte versucht werden, den Wirbelkörper in seiner topographischen Gesamtheit zu digitalisieren (Abb. 34).

Auch bei der Oberflächen-Anpassung wird ein Qualitätsindex vom System errechnet, der günstigsten Falles gegen 0 geht, die 2.0 aber nicht überschreiten darf.

Abbildung 34: Surface Matching