Entwicklung einer Software zur Planung von Knieimplantatoperationen, Umstellungsosteotomie sowie ein System zu standardisierten Röntgen

Die Implantation eines künstlichen Kniegelenks ist mit 160000 Primärimplantationen pro Jahr eine der häufigsten Operationen in Deutschland, wobei die demographische Entwicklung eine weitere Zunahme erwarten lässt. Neben der Beseitigung der Schmerzen stellt die Normalisierung der Funktion und der Ausgleich einer etwaigen Achsfehlstellung das wichtigste Behandlungsziel dar. Unverzichtbare Voraussetzungen hierfür sind die dauerhaft feste Verankerung und Funktion der Implantate sowie eine exakte Rekonstruktion der Biomechanik, wofür eine präzise softwarebasierte OP-Planung vor und während der Operation erforderlich ist.

Das Ziel des Projektes besteht darin, eine OP-Planungssoftware für Knieimplantate zu erstellen, mit deren Hilfe bereits vor der Operation die Implantatgröße und -position mittels einer besserem Röntgenaufnahmetechnik exakt geplant werden kann. Eine eigens entwickelte neuartige Kalibrierungsmethode soll die Exaktheit der Planung garantieren.

Laufzeit: 01.04.2016 - 31.03.2018

Entwicklung einer Software zur präoperativen Planung, intraoperativen Unterstützung und postoperativen Analyse von Hüftendoprothesenimplantationen sowie eines Messinstrumentes für die Hüftkopfresektion sowie Rekonstruktion des Kopfzentrums mit modularen Implantaten

Die Implantation eines künstlichen Hüftgelenkes ist mit 214.000 Primäreingriffen und 21.000 Revisionen pro Jahr eine der häufigsten Operationen in Deutschland, wobei die demographische Entwicklung eine weitere Zunahme erwarten lässt . Neben der Beseitigung der Schmerzen stellt die Normalisierung der Funktion das wichtigste Behandlungsziel dar. Unverzichtbare Voraussetzungen hierfür sind die dauerhafte feste Verankerung und Funktion der Implantate sowie eine exakte Rekonstruktion der Biomechanik. Zur Wiederherstellung der ursprünglichen Biomechanik ist eine präzise softwarebasierte OP-Planung vor und während der Operation erforderlich.

Das erste Ziel des Projektes besteht darin, eine OP-Planungssoftware für Hüftimplantate zu erstellen, mit deren Hilfe bereits vor der Operation die Implantatgröße und -position in nur einer Röntgenaufnahme exakt bestimmt werden kann. Das zweite Ziel des Projektes besteht darin, ein chirurgisches Mess- und Markierungsinstrument zu entwickeln. Mit dessen Hilfe kann der Operateur die vorher geplante Position der Schnittlinie ermitteln, wo der Hüft-Gelenkkopf abgesägt werden soll. 

ISD übernimmt folgende Aufgaben:

Entwicklung der OP-Planungs-Software, insbesondere folgender Aufgaben:

• Software-Technologie-Auswahl und Evaluation
  Lösungsansatz:
  Eine wesentliche Frage, die entscheidend ist für die Durchführungsdauer und Qualität des Projekts, ist die Auswahl der Programmiersprache und der zu verwendenden Bibliotheken. Diese Entscheidung betrifft insbesondere die Entwicklung der Visualisierung, Datenhaltung und des Datenaustauschs.
  Es sollten die in Frage kommenden Technologien verglichen werden, wobei nicht nur funktionelle Kriterien entscheidend sein sollten, sondern auch die verfügbare Expertise der Mitarbeiter. Weiterhin muss die Auswirkung auf potenzielle Lizenzfragen bei der Weiterentwicklung zu einem Produkt bedacht werden.
   
• Errichtung Wartungs- und Entwicklungsumgebung
  Lösungsansatz:
  Für die kooperationspartnerübergreifende und verteilte Softwareentwicklung sind Werkzeuge zur Verwaltung des Quellcodes notwendig. Nur so ist es möglich, schnell und effizient Änderungen einzupflegen und diese den Kooperationspartnern zur Verfügung zu stellen. Neben der Quellcodeverwaltung sollte in diesem Teilprojekt auch eine Lösung für die Fehlernachverfolgung angestrebt werden.
  Die existierenden, etablierten Lösungen (z. B. Team Foundation Server, SVN, Git) sollten auf Basis der konkreten Anforderungen verglichen werden. Die Codeverwaltung sollte auch nach den organisatorischen Gegebenheiten der einzelnen Kooperations- partner ausgewählt werden (z.B. existierende Firewalls, Beschränkungen).
   
• Programmierung Software-Modul Datenexport
  Lösungsansatz:
  Während der Entwicklung und des Betriebs wird es notwendig sein, Daten für Drittanwendungen für Kooperationspartner zu exportieren. Dies könnten z. B. Daten für die Simulation des Implantats oder statistische Daten über die Nutzung des Prototypens sein. Da die zu exportierenden Formate sehr unterschiedlich sein können, müssen ge- eignete Dateiformate festgelegt werden. Sofern es sich aber um komplexere Formate, wie STL für triangulierte 3D-Oberflächennetze, handelt, ist es angebracht entsprechende Softwarebibliotheken zu nutzen.
   
• Programmierung Software-Modul Planung
  Lösungsansatz:
  Die erarbeiteten Konzepte für die Implantationsplanung müssen implementiert werden. Diese Kernaufgabe der Softwareentwicklung wird oft in ihrer Komplexität und Zeitintensität unterschätzt. Gerade deshalb muss sie so zielgerichtet und effizient wie möglich durchgeführt werden. Dabei müssen unter anderem Funktionen für das Schneiden, Positionieren, Kombinieren und Kalibrieren von Röntgenbildern realisiert werden. Gleiches gilt für die Datenhaltung, Datenbank-Anbindung sowie die grafische Benutzeroberfläche. Ein wesentlicher Punkt für die erfolgreiche Implementierung ist die gute Konzeptionierung, die in den vorangegangenen Paketen realisiert worden sein sollte. Für eine ausreichende Codequalität sollten sinnvolle Metriken sowie Styleguides herangezogen werden. Aufgrund der verteilten Programmierung ist über die Kontrolle der Vorgaben mithilfe von Eincheckrichtlinien nachzudenken.
   
• Implementierung der digitalisierten Implantatdaten
  Lösungsansatz:
  Eine der Kernfunktionalitäten des Prototypens ist die Auswahl des richtigen Implantats. Dafür müssen alle administrativen, geometrischen und biomechanischen Eigenschaf- ten der verfügbaren Implantate der Software zur Verfügung stehen.
  Die digitalisierten Daten der Hüftimplantate müssen in ein gemeinsames Datenbank- modell eingepflegt werden. Erschwerend kommt hierbei hinzu, dass insbesondere die geometrischen Daten oftmals in verschiedensten Datenformaten vorliegen.
   
• Visualisierung
  Lösungsansatz:
  Auf Basis der Erkenntnisse über die Arbeitsabläufe, die Implantatdaten und den Messsensor des chirurgischen Instruments zur Bestimmung der Schnittposition zur Abtrennung des Hüftgelenkkopfes muss ein Datenmodell entwickelt werden, das die Grundlage der Softwarenentwicklung für alle Beteiligten darstellt. Es sollten (grafische) Werkzeuge zur Datenmodellentwicklung (z. B. Visual Studio, Eclipse EMF) genutzt werden. Weiterhin sollte das Modell versioniert werden. Eventuell kann eine modellbasierte Codegenerierung vorteilhaft sein.

Laufzeit 01.09.13 - 31.08.15