Automatisierte Multiobjektive Pedikelschraubenplanung

Da chirurgische Führungssysteme bei chirurgischen Wirbelsäuleneingriffen zunehmend verbreitet sind, besteht ein wachsender Bedarf an detaillierter virtueller Planung der zu platzierenden Schrauben. Aktuelle Planungsmethoden basieren stark auf manuellen Prozessen, die zeitaufwändig sind und Informatioen zur patientenspezifischen Anatomie nicht vollständig nutzen.

Grenzen der manuellen Planung

Die traditionelle Pedikelschraubenplanung weist mehrere inhärente Limitationen auf:

• Zeit- und kognitiver Aufwand: Manuelle Planung ist arbeitsintensiv und mental anspruchsvoll.
• Schraubenstabilität: Die heterogene Knochenstruktur innerhalb der Wirbel erzeugt erhebliche Variationen in der mechanischen Festigkeit, aber menschliche Planer können diese Dichteunterschiede nicht einfach nutzen.
• Komplexität der Stabkonturierung: Schlecht ausgerichtete Schraubenköpfe erfordern umfangreiche Stabbiegung, was das Konstrukt schwächen und die Operation verkomplizieren kann.

Unsere automatisierte Planungspipeline

Wir entwickelten eine Pipeline für die automatisierte Pedikelschraubenplanung basierend auf CT. Ein neuronales Netzwerk identifiziert und segmentiert zunächst die Wirbel und ein neuartiger Oberflächenanpassungsalgorithmus dient zur Identifizierung spezifischer anatomischer Regionen, um den Korridor für sichere Schraubenplatzierung zu bestimmen. Ein multiobjektives Optimierungsverfahren identifiziert dann den Schraubenplan, der das beste Gleichgewicht aus klinischer Sicherheit, biomechanischer Stabilität und Schraubenkopfausrichtung liefert.

Eine detaillierte Analyse der Pipeline zeigte, dass diese konstant klinisch durchführbare Schraubenpläne liefert, die in mechanischer Stabilität und Schraubenkopfausrichtung manuell erstellten Plänen überlegen sind.