Zur Umsetzung neuer Bildaufnahmekonzepte bei der intraoperativen 3D-Röntgenbildgebung wurde ein Konzept mit unabhängig voneinander beweglicher Röntgenquelle und Röntgen-Flachbilddetektor entwickelt. Gerade zur Anwendung neuer Bildaufnahmestrategien ist die freie Bewegung beider Komponenten vorteilhaft. In diesem Zusammenhang wird ein Konzept einer an der Operationstischbasis montierten, fünf-achsigen Robotermechanik zur Bewegung des Röntgen-Flachbilddetektors vorgestellt. Diese befindet sich unterhalb des Operationstisches und erlaubt eine Auslenkung des Röntgen-Flachbilddetektors seitlich und unterhalb des Zielgebietes in unmittelbarer Patientennähe.
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Zur Umsetzung einer geeigneten Mechanik zur Bewegung des Röntgen-Flachbilddetektors wurden verschiedene Anforderungskriterien evaluiert. Notwendig zu betrachten waren die Anforderungen hinsichtlich des Arbeitsraums, der Patientennähe, der Integration sowie der möglichen Detektorgröße bzw. des Detektormodells und der damit verbundenen Arbeitslast durch das Detektorgewicht.
Abb. 2: Angestrebter Bewegungsbereich des Röntgen-Flachbilddetektors im Vergleich zu konventionellen, intraoperativen 3D-Röntgensystemen Zur Realisierung großer Bildaufnahmen bzw. rekonstruierbarer 3D-Volumina ist, bei einer kegelstrahlförmigen Röntgenstrahlausbreitung, der Röntgen-Flachbilddetektor möglichst nah am Patienten zu bewegen (Angestrebter Arbeitsbereich in Abb. 2). Damit Projektionsbilder aus jeder Richtung um den Patienten aufgenommen werden können, ist ein Bildaufnahmebereich von mindestens 180° um den Patienten anzustreben (Aufnahmewinkelbereich in Abb. 2). Dies ist zum einen vorteilhaft für die erreichbare Bildqualität der 3D-Bildaufnahme und zum anderen ggf. notwendig bei einzelnen Durchleuchtungen seitlich des Patienten, beispielsweise aus lateraler Richtung. Bzgl. der Integration des Systems sind der angestrebte Arbeitsraum, die geringe Raumeinnahme der Mechanik sowie ein freier Fußbodenbereich zu berücksichtigen. Der Operationstisch sollte sich ohne Bewegung der Mechanik in Längs- richtung bewegen lassen. Kipp-, Neig- und Schwenkbewegungen des Operationstisches sollte die Mechanik allerdings folgen. 3
Zur Realisierung eines bewegten Röntgen-Flachbilddetektors mit den gewünschten Bedingungen wurden verschiedene Bewegungsmechaniken betrachtet. Hinsichtlich Flexibilität und Praktikabilität zeichnete sich eine Robotermechanik als zielführend ab (Abb. 3). In Zusammenarbeit mit Klinikern der Charité - Universitätsmedizin Berlin und einem industriellen Projektpartner wurden die wesentlichen Anforderungen hinsichtlich des Freiraums unterhalb des Operations- bzw. Aufnahmegebietes erörtert. Als eine mögliche Umsetzungsvariante wurde die in Abb. 3 dargestellte Robotermechanik betrachtet. Ausgehend von einer Montage der Roboterbasis unterhalb des Operationstisches stellen drei Drehantriebe die notwendige Basisbewegung zur Verfügung (Achsen 1, 2 und 3 in Abb. 3). Die Bewegung entlang des Operationstisches wird durch eine Linearachse oder wie in den Abbildungen dargestellt durch zwei Drehachsen realisiert (Achsen 4 und 5 in Abb. 3). Die Rotationsbewegung des Röntgen-Flachbilddetektors wird mithilfe einer Drehachse ermöglicht (Achse 5 in Abb. 3).
Die Robotermechanik wurde in zwei Bewegungsräume unterschieden, die durch eine Kombination der Drehantriebe zur Verfügung gestellt werden: Die ersten drei Drehantriebe ermöglichen die Bewegung um den Patienten bzw. das Zielgebiet, die letzten beiden Drehachsen ermöglichen die Bewegung entlang des Patienten.
Der benötigte Linearhub entlang des Operationstisches wird maßgeblich durch die vierte Achse, gezählt ab Operationstischbasis, ermöglicht. Im Gegensatz zu einer Umsetzung des Linearhubs mithilfe eines Linearantriebs ist die Linearbewegung zwar nicht unabhängig von den restlichen Antrieben, verfügt aber, aufgrund des eingesparten Linearlagers, über eine kompaktere Bauweise. Das Vorgestellte System profitiert von den voneinander losgelösten Komponenten. Während der Operation bzw. der Bildaufnahme befindet sich der Röntgen-Flachbilddetektor entweder unterhalb oder seitlich des Operationstisches, dort verhältnismäßig naheliegend zum Patienten (Abb. 4). Demgegenüber ist die Röntgenquelle weiter entfernt, oberhalb und seitlich zum Zielgebiet. Dies führt zu einem geringeren Risiko bezüglich möglicher Kollisionen zwischen Bildge- bungssystem und Patienten bei einer 3D-Röntgenaufnahme. Bei der 2DBildgebung ermöglicht der temporär unbeweg- te Detektor einen offenen Zugang zum Patienten ohne eine mechanische Verbindung zwischen Röntgenquelle und Röntgen-Flachbilddetektor.
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Vorgestellt wurde ein Konzept eines bewegten Röntgen-Flachbilddetektors mit dem Ziel, neue Möglichkeiten hinsichtlich Systemintegration und flexiblen Bildaufnahmestrategien der intraoperativen 3D-Röntgenbildgebung zur Verfügung zu stellen. Unser Ansatz ist die Befestigung einer fünfachsigen Robotermechanik unterhalb des Operationstisches an der Operationstischsäule. Neben den Anforderungen an die Mechanik zur Bewegung des Röntgen-Flachbilddetektors muss die Operationstischplatte, aufgrund der Positionierung des Röntgen-Flachbilddetektors unterhalb des Operationstisches, im Bereich des Aufnahmegebietes röntgendurchlässig sein. Hier eignen sich starre Operationstischplatten aus Karbon-Materialien. Segmentierte, bewegliche OP-Tischplatten eignen sich für den vorgestellten Aufbau nicht, da mithilfe der vorgestellten Mechanik eine Nachverfolgung der einzelnen Segmente nicht möglich ist. Die Verwendung von Multi-Segment-OP-Tischen würde eine deutlich aufwändigere Mechanik zur Folge haben.
Diskutiert wurden außerdem mögliche Gefahrenquellen durch einen Kontakt des TAURUS-Systems mit Kabeln oder Schläuchen. Das Gefahrenpotential ist ähnlich zu dem der 3D-C-Bögen, der Bewegungsbereich des TAURUS-Systems muss frei von kollisionsgefährdeten Objekten sein.
Gerade bei den weiter steigenden Röntgen-Flachbilddetektorgrößen und den damit verbundenen RöntgenFlachbilddetektorgewichten werden Konzepte zur Kalibrierung der Bewegungsmechanik immer wichtiger, während bei einfachen Mechaniken die Genauigkeit rein konstruktiv erreicht werden kann. Die Realisierbarkeit des Systems ist wesentlich vom Integrationsgrad in den OP-Tisch abhängig. Hier besteht bereits eine Zusammenarbeit mit einem namhaften OP-Tisch-Hersteller bzgl. der Integration dieses Systems in den OP-Tisch.
In enger Zusammenarbeit mit Bildgebungs- und OP-Tisch-Herstellern ist das nächste Ziel der Aufbau eines funktionsfähigen Labormusters. Weiterhin werden in kommenden Arbeiten die Genauigkeit, Bildaufnahmebahnen sowie Patientensicherheit untersucht.
Dieses Vorhaben wird freundlicherweise durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert (Förderkennzeichen 01EZ1115)