Individuelle Knieimplantate
präzise planen und positionieren
Patientenindividuelle Knieimplantate bieten gegenüber Standardimplantaten langfristig eine bessere Versorgung, scheitern aber oft an den hohen Design- und Fertigungskosten. OptiKnee adressiert genau dieses Problem: Durch Automatisierung und computerunterstützte Verfahren wird der zeit- und kostenintensive manuelle Aufwand im Design- und Fertigungsprozess individueller Schnitt- und Bohrschablonen für Knieimplantate deutlich reduziert.
Der Schlüssel liegt in der präzisen Segmentierung der Knochenstrukturen aus CT-Daten und der automatischen Generierung passgenauer Schablonen. Diese berücksichtigen nicht nur die individuelle Anatomie des Patienten, sondern auch die Besonderheiten des gewählten Implantats – für eine optimale Positionierung und minimalinvasive Operationstechnik.
Im Fokus steht dabei die Entwicklung eines softwarebasierten Expertensystems, das Chirurgen bei der präoperativen Planung unterstützt und gleichzeitig die Fertigungskosten senkt. So wird individuelle Medizintechnik für die klinische Routine zugänglich.
Herausforderungen und Lösungsansätze
Eine der größten Herausforderungen im Projekt war die präzise Segmentierung der Knochenkontaktflächen im Gelenkbereich. Hier treffen Femur und Tibia aufeinander, oft mit minimalen Intensitätsunterschieden in den CT-Daten, was eine automatische Abgrenzung erschwert. Hinzu kommen Knorpelstrukturen und pathologische Veränderungen wie Osteophyten, die in Standard-CTs kaum sichtbar sind.
Das OptiKnee-Team entwickelte einen innovativen zweistufigen Segmentierungsworkflow: Zunächst wird ein idealisiertes 3D-Modell für die äußeren Implantatmaße erzeugt, dann ein exaktes Oberflächenmodell für die Schablonenpositionierung. Durch Kombination verschiedener Segmentierungstechniken (interaktives Regionenwachstum, morphologische Operationen, Schwellenwertverfahren) entstand ein robustes Verfahren, das auch bei schwierigen Bilddaten zuverlässige Ergebnisse liefert.
Besonders erfolgreich war der Ansatz, die Kontaktfläche der Schablonen gezielt zu reduzieren: Durch Fokussierung auf die für die Positionierung entscheidenden Bereiche werden unsichere Segmentierungen vermieden, während gleichzeitig Material und Fertigungskosten eingespart werden. Der chirurgische Eingriff wird dadurch präziser und weniger invasiv.
Das OptiKnee-Planungstool
Herzstück des Projekts ist ein prototypisches OP-Planungstool, das Chirurgen durch den gesamten Planungsprozess führt. In Form einer interaktiven Checkliste werden alle relevanten Messungen und Planungsschritte in der optimalen Reihenfolge abgearbeitet – von der Achsenbestimmung über die Schnittflächenpositionierung bis zur Implantatauswahl.
Das Tool bietet verschiedene Visualisierungsmöglichkeiten (2D und 3D), Echtzeit-Messungen und Korrekturfunktionen. Besonders innovativ ist die dynamische Anpassung an individuelle Chirurgenpräferenzen: Da jeder Operateur unterschiedliche Vorlieben für Schnittflächenpositionen hat, ermöglicht das System flexible Anpassungen, während es gleichzeitig Standardvorgaben als Ausgangspunkt bietet.
Für die Zukunft ist eine webbasierte Version geplant, die eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Radiologen, Chirurgen und Fertigungsexperten ermöglicht. So können Planungsdaten nahtlos vom OP-Saal in die additive Fertigung überführt werden.
Beiträge von Dornheim Medical Images
Dornheim Medical Images hat im Projekt OptiKnee maßgebliche Beiträge zur Bildaufbereitung, 3D-Rekonstruktion und interaktiven Planung geleistet. Die entwickelten Methoden zur automatisierten Segmentierung von Knochenstrukturen aus CT-Daten ermöglichen erstmals eine präzise Generierung der für die Schablonenpositionierung entscheidenden Kontaktflächen. Besonders innovativ ist der zweistufige Segmentierungsworkflow, der ein idealisiertes Modell für die Implantatmaße mit einem exakten Oberflächenmodell für die Schablonenpositionierung kombiniert.
Zudem wurde ein prototypisches OP-Planungstool entwickelt, das Chirurgen durch den gesamten Planungsprozess führt und gleichzeitig individuelle Anpassungen ermöglicht. Die Ergebnisse fließen direkt in die Weiterentwicklung des Dornheim Segmenter ein und werden als Spezialmodule für die orthopädische Planung verfügbar gemacht.
