Computer assisted surgery for fracture reduction and deformity correction of the pelvis and long bones


Kryvanos, Aleh


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URL: https://ub-madoc.bib.uni-mannheim.de/71
URN: urn:nbn:de:bsz:180-madoc-718
Document Type: Doctoral dissertation
Year of publication: 2002
Place of publication: Mannheim
Publishing house: Universität Mannheim
University: Universität Mannheim
Evaluator: Hesser, Jürgen
Date of oral examination: 23 May 2002
Publication language: English
Institution: School of Business Informatics and Mathematics > Mathematik VI (Hertling)
Subject: 004 Computer science, internet
Classification: CCS: J.3 ,
Subject headings (SWD): Bildverarbeitung , Bildsegmentierung , Beckenbruch , Osteosynthese , Operationstechnik
Keywords (English): Image Processing , Image Segmentation , Medical Technics
Abstract: Many orthopaedic operations, for example osteotomies, are not preoperative planned. The operation result depends on the experience of the operating surgeon. In the industry new developments are not longer curried out without CAD planning or computer simulations. Only in medicine the operation technology of corrective osteotomies are still in their infant stage in the last 30 years. Two dimensional analysis is not accurate that results in operation errors in the operating room. The surgeon usually obtains the preoperative information about the current bone state by radiographs. In case of complex operations (also inserting implants) planning is required. Planning based on radiographs has some system-dependent disadvantages like small accuracy, requirement of time for corrections ( distortions due to the projection) and restrictions, if complex corrections are necessary. Today the computer tomography is used as a solution. It is the only modality that allows to reach the accuracy and the resolution required for a good 3D-planning. However its a high dose rate for the patient is the serious disadvantage. Therefore in dilemma between the low dose rate and an adequate planning the first is often preferred. However in future it is expected that good operation results are guarantied only with implementation of 3D-planung. MR systems provide image information too, from which indirectly bones can be extracted. But due to their large distortions (susceptibility, non non-homogeneity of magnetic field), small spatial dissolution and the high costs, it is not expected that MRI represents an alternative in next time. The solution is the use of other image modalities. Ultrasound is here a good compromise both of the costs of the accuracy. In this work I developed an algorithm, which can produce 3D bone models from ultrasonic data. They have good resolution and accuracy compared with CT, and therefore can be used for 3D planning. In the work an improved procedure for segmenting bone surfaces is realised in combination with methods for the fusion for a three-dimensional model. The novelty of the presented work is in new approaches to realising an operation planning system, based on 3D computations, and implementing the intraoperative control by a guided ultrasound system for bone tracking. To realise these ideas the following tasks are solved: - bone modelling from CT data; - real-time extraction of bone surfaces from ultrasound imaging; - tracking the bone with respect to CT bone model. - integrating and implementing the above results in the development of an operation planning system for osteotomy corrections that supports on-line measurements, different types of deformity correction, a bone geometry design and a high level of automation. The developed osteotomy planning system allows to investigate the pathology, makes its analysis, finds an optimal way to realise surgery and provides visual and quantitative information about the results of the virtual operation. Therefore, the implementation of the proposed system can be considered as an additional significant tool for the diagnosis and orthopaedic surgery. The major parts of the planning system are: bone modelling from 3D data derived from CT, MRI or other modalities, visualisation of the elements of the 3D scene in real-time, and the geometric design of bone elements. A high level of automation allows the surgeon to reduce significantly the time of the operation plane development.
Translation of the title: Computerunterstützte Chirurgie zur Reposition und Korrektur von Beckenfrakturen und Frakturen langer Röhrenknochen (German)
Translation of the abstract: Viele Knochenoperationen, wie beispielsweise Osteotomien, werden nicht präoperativ geplant, so dass das Operationsergebnis weitgehend von der Erfahrung des Operateurs abhängt. In der Industrie sind Neuentwicklungen ohne CAD-Planungen oder Computersimulationen nicht mehr denkbar, lediglich in der Medizin hat sich die Operationstechnik bei den Korrekturosteotomien in den letzten 30 Jahren nur unwesentlich weiterentwickelt. Nach wie vor wird die Fehlstellung zweidimensional analysiert und darauf basierend im Operationssaal die Operation durchgeführt. Die präoperative Information über die aktuelle Knochensituation erhält der Chirurg durch Röntgenaufnahmen. Bei komplexeren Operationen (dazu gehört beispielsweise auch die Implantatsetzung) sind Planungen unerlässlich. Planungen basierend auf Röntgenaufnahmen haben einige systembedingte Nachteile wie geringe Genauigkeit, hoher Zeitbedarf (um die Verzeichnungen aufgrund der Projektion zu korrigieren) und Einschränkungen, wenn komplexe Korrekturen notwendig werden. Als Lösung dient heute die Computertomographie. Sie ist momentan die einzige Modalität, um hinsichtlich der Genauigkeit und der Auflösung den Anforderungen einer guten 3D-Planung zu genügen. Sie hat allerdings den gravierenden Nachteil einer höheren Dosisbelastung für den Patienten, so dass beim Abwägen zwischen der Dosisbelastung und einer adäquaten Planung oftmals erstere entscheidend ist. Zukünftig wird aber erwartet, dass für Operationsergebnisse Garantien übernommen werden, was nur mit einer guten 3D-Planung möglich ist. MR-Systeme liefern zwar Bilder, aus denen sich indirekt Knochen extrahieren lassen, aber aufgrund der großen Verzeichnungen (Suszeptibilität, Magnetfeldinhomogenitäten), geringer räumlicher Auflösung und der hohen Kosten ist nicht zu erwarten, dass sie in nächster Zeit eine Alternative darstellen. Der Ausweg aus diesem Dilemma ist die Nutzung anderer bildgebender Modalitäten. Ultraschall ist hier sowohl von den Kosten als auch von der Genauigkeit ein guter Kompromiss. In dieser Arbeit entwickelte ich einen Algorithmus, mit dem man aus Ultraschalldaten 3D-Knochenmodelle erzeugen kann, die von der Geometrie sowohl von Auflösung als auch von der Genauigkeit mit denen aus CT vergleichbar sind und daher in 3D-Planungsaufgaben genutzt werden können. Zur Lösung der Arbeit wird ein verbessertes Verfahren zum Segmentieren von Knochenoberflächen realisiert in Kombination mit Methoden zur Fusion zu einem dreidimensionalen Modell. Das Besondere der Arbeit ist die Kombination eines von mir entwickelten 3D-Operationsplanungssystems und eines Ultraschall-basierten Trackingsystems. Zum Verwirklichen dieser Ideen ist es notwendig, die folgenden Aufgaben zu lösen: - Segmentierung von Knochen aus CT Daten; - Extraktion der Knochenoberflächen aus Ultraschallbildern in Echtzeit; - Tracking der Knochenoberfläche relativ zum CT-Datensatz; - Integration der oben genannten Ergebnisse zu einem Planungssystem für Osteotomie-Korrekturen, das on-line Messungen unterstützt, verschiedene Typen der Deformität korrigiert (unter Verwendung eines anatomischen Modells) und dabei noch einen hohen Grad von Automatisierung mitbringt. Das entwickelte Osteotomie Planungssystem ermöglicht die Untersuchung und Analyse der Pathologie. Das System berechnet eine optimale Planung und ermöglicht eine präzise visuelle und quantitative Begutachtung des postoperativen Ergebnisses. Daher kann dieses System als ein zusätzliches und sinnvolles Werkzeug für die orthopädische Chirurgie betrachtet werden. Die Hauptteile sind dabei die Knochenmodellierung anhand von 3D-Daten aus CT, MRI oder anderen Modalitäten, deren Visualisierung in Echtzeit und die geometrische Modellierung von Knochenfragmenten. Ein hoher Grad an Automatisierung ermöglicht dabei eine erhebliche Reduzierung der gesamten Planungszeit für die Operation. (German)
Additional information:

Das Dokument wird vom Publikationsserver der Universitätsbibliothek Mannheim bereitgestellt.




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Kryvanos, Aleh (2002) Computer assisted surgery for fracture reduction and deformity correction of the pelvis and long bones. Open Access Mannheim [Doctoral dissertation]
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