Analyse und Simulation der disalen Unterarmstabilität während der Umwendbewegung

Einleitung: Das Radioulnar-Gelenk verbindet die beiden Unterarmknochen Radius und Ulna an ihrem körperentfernten (d.h., distalen) Ende. Die Flächen der beiden Knochen ermöglichen einen grossen Bewegungsumfang des Handgelenkes während der Umwendbewegung, wobei die notwendige Gelenksstabilität durch ein komplexes System von Bändern gewährleistet wird. Eine Verletzung der stabilisierenden Bänder kann zu einer chronischen Instabilität des Unterarmes und folglich zu starken Gelenkschmerzen oder Bewegungseinschränkungen führen. In solchen Fällen ist eine Operation notwendig, bei der das betroffene Band durch ein Sehnentransplantat ersetzt wird. Liegt zusätzlich eine Knochendeformität vor, muss auch ein Eingriff zur Umstellung des Knochens durchgeführt werden. Das Operationsergebnis ist aber nur schwer vorhersehbar, da die Auswirkung auf die resultierende Bewegungsfreiheit des Unterarmes mit derzeitigen Methoden vor einem Eingriff kaum zu bestimmen ist. Ein Grund hierfür ist, dass aktuelle orthopädische Computersimulationen für den Unterarm den Einfluss der betroffenen Weichteile nicht berücksichtigen. Beispielsweise beruht die computergestützte Planung von chirurgischen Eingriffen zur Korrektur ausschliesslich auf dem Knochen der gesunden Gegenseite, der dann als Rekonstruktionsvorlage dient. Solche Ansätze sind aber nicht verwendbar, wenn Weichteile die Hauptursache für die vorliegende Beeinträchtigung sind. Daher ist die Entwicklung neuer Computermethoden zur biomechanischen Simulation der Umwendbewegung notwendig, die auf einer patienten-spezifischen Modellierung der Weichteil- Anatomie basieren. Ziel: Ziel des Projektes ist es, ein patienten-spezifisches Knochen- und Weichteil-Bewegungsmodell zu entwickeln, dass nicht nur die gesunde sondern auch die Umwendbewegung bei Bewegungseinschränkung oder Instabilität simuliert. Neben der Verbesserung der Diagnose vor einem Eingriff, soll das Bewegungsmodell auch effektiv zur Vorhersage des Operationsergebnisses verwendet werden. Die Analyse der Umwendbewegung vor und nach simulierter Operation soll es der Chirurgin ermöglichen, die optimale Behandlungsmethode spezifisch für den jeweiligen Patienten und dessen Situation zu wählen. Ablauf: Die zentrale Idee ist die Ermittlung der patienten-spezifischen Knochen- und Weichteil- Formen anhand statischer Bilddaten, kombiniert mit dynamischen Daten der pathologischen und gesunden (kontralateralen) Umwendbewegung. Daten werden erhoben im Zuge einer klinischen Studie mit Patienten, welche an einer Instabilität des Gelenks leiden. Hierfür werden spezielle 2D-3D Registrierungsmethoden eingesetzt, um die 3-dimenionalen Bilddaten mit dynamischen Röntgenbildern zu korrelieren. Ein weiterer Punkt ist die Entwicklung von Methoden zur Erzeugung der patienten-spezifischen anatomischen Knochen- und Weichteil-Modelle. Die Daten der klinischen Studie und die 3-dimenionalen anatomischen Modelle bilden dann die Basis für die Entwicklung des Computermodells zur Simulation der gesunden und pathologischen Umwendbewegung unter Einbezug der Weichteil-Interaktion. Schlussendlich werden die Methoden in ein computergestütztes Planungssystem integriert. Bedeutung der Forschungsarbeit: Es wird erwartet, dass die genauere und aussagekräftigere Planung vor einem Eingriff und die planungsgetreue Umsetzung während der Operation zu einem besseren Operationsergebnis und zu weniger Nach-Operationen führen. Für die Patientin ergibt sich dadurch eine verbesserte Gelenksmobilität und eine Linderung der Schmerzen, was wiederum die Lebensqualität steigert (u.a. durch Wiederaufnahme der früheren Arbeitstätigkeit oder sportlichen Hobbies). Die neuartigen, automatischen Segmentierungsmethoden würden die patienten-spezifische Integration von 3D Weichteilmodellen in den klinischen Arbeitsablauf ermöglichen, was bisher aufgrund des Aufwandes nicht möglich war. Der vorgeschlagene Ansatz ist generisch und könnte daher auch auf andere Gelenke angewendet werden, um die Diagnose für funktionelle Störungen des Bewegungsapparates zu verbessern.

Ziel des Projektes war es, ein patienten-spezifisches Knochen- und Weichteil-Bewegungsmodell zu entwickeln, das nicht nur die gesunde sondern auch die Umwendbewegung bei Bewegungseinschränkung oder Instabilität simuliert. Neben der Verbesserung der Diagnose vor einem Eingriff, sollte das Bewegungsmodell auch effektiv zur Vorhersage des Operationsergebnisses verwendet werden. Die Analyse der Umwendbewegung vor und nach simulierter Operation sollte es ermöglichen, die optimale Behandlungsmethode spezifisch für den jeweiligen Patienten und dessen Situation zu wählen. Dabei ist die genaue Segmentierung des Bindegewebes nach wie vor eine schwierige Aufgabe, welche gelöst werden muss für die Generierung geometrischer Modelle für biomechanische Berechnungen. Als Alternative ist es möglich, die Ligament-Insertionsstellen vorherzusagen, und dann Geometrien anzunähern, basierend auf anatomischen Kenntnissen und morphologischen Studien. Hierzu ist im Projekt ein integriertes Framework für die automatische Modellierung der menschlichen muskuloskelettalen Bänder entwickelt worden. Dazu wurde statistische Formmodellierung mit geometrischen Algorithmen kombiniert, zur automatischen Identifizierung von Insertionsstellen. Auf Grundlage dieser wurden geometrische Oberflächen- und Volumennetze erzeugt. Für die Anpassung an die Anatomie des Unterarms sind Insertionsstellen von Bändern in dem statistischen Modell gemäß einem anatomischen Ansatz aus zuvor publizierten Arbeiten bestimmt worden. Zur Evaluierung wurden diese verglichen mit Daten aus einer Kadaverstudie, mit fünf Unterarmen bzw. insgesamt 15 Bändern. Das System erlaubte die Erstellung von 3D Modellen, die den echten Formen der Bänder nahekommen. Es wurde jedoch festgestellt, dass das statistische Modell nicht immer zuverlässig war. Die durchschnittlichen mittleren quadratischen Fehler sowie die Hausdorff-Abstände der Netze haben sich teilweise um mehr als eine Größenordnung vergrößert. Stattdessen resultierte bei Verwendung der Daten aus der Kadaverstudie ein durchschnittlicher mittlerer quadratischer Fehler von 0,59 mm und ein mittlerer Hausdorff-Abstand von weniger als 7 mm. Generell erwies sich der Ansatz zur automatischen Erzeugung von Ligament-Geometrien aus Insertionspunkten praktikabel; die Nutzung der Insertionsstellen aus einem statistischen Modell war aber zu ungenau.