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«Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Dr. med. an der medizinischen Fakultät der Universität Leipzig eingereicht von: Runge, Annette, ...»

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Die Genauigkeit der menschlichen Hand im Vergleich mit einem

Mikromanipulator- präklinische Evaluation für die Ohrchirurgie

Dissertation

zur Erlangung des akademischen Grades

Dr. med.

an der medizinischen Fakultät

der Universität Leipzig

eingereicht von:

Runge, Annette, geb. May

Geboren am 16.08.1984 in Dresden

angefertigt an der:

Universität Leipzig, Medizinische Fakultät

Klinik und Poliklinik für Hals-, Nasen-, Ohrenheilkunde, Plastische Operationen und dem Innovation Center Computer Assisted Surgery

Betreuer:

Prof. Dr. med. habil. Gero Strauß Dr. med. Mathias Hofer Beschluss über die Verleihung des Doktorgrades vom: 19.06.2012 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 2 Bibliografische Beschreibung 3 Referat 3 1 Einführung 4

1.1. Mittelohrchirurgie= Mikrochirurgie 4 1.1.1. Stapedotomie- Operationsprinzip 4 1.1.2. Mögliche Komplikationen einer Stapedotomie durch manuelle Manipulation 4

1.2. Chirurgische Genauigkeit 5

1.3. Störfaktoren der Genauigkeit bei einem mittelohrchirurgischen Eingriff 6 1.3.1. Physiologische Limitationen der menschlichen Hand 6 1.3.2. Ergonomie des mittelohrchirurgischen Eingriffs 7 1.3.3. Besondere Bedingungen des mikrochirurgischen Eingriffs 8

1.4. Chirurgische Assistenzsysteme 8

1.5. Ziel der Arbeit 13 2 Publikation 15 3 Zusammenfassung 24 4 Literaturverzeichnis 30 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 36 Curriculum Vitae 37 Publikationsverzeichnis 39 Danksagung 40 Bibliografische Beschreibung Runge, Annette Die Genauigkeit der menschlichen Hand im Vergleich mit einem Mikromanipulatorpräklinische Evaluation für die Ohrchirurgie Universität Leipzig, Dissertation 40 Seiten, 81 Literaturnachweise, 7 Abbildungen, 3 Tabellen, 7 Fußnoten, 5 Seiten Anhang Referat In der dieser Arbeit zugrunde liegenden Studie wurde die Genauigkeit der menschlichen Hand bei einem simulierten Eingriff am Mittelohr gemessen und mit den Ergebnissen verglichen, welche unter Verwendung eines Mikromanipulators (TUM, MiMed, München) erhalten wurden. Als Modell diente ein modifizierter 3D Rapid Prototyping Print (Phacon GmbH, Leipzig) eines menschlichen Schädels. 10 Probanden (ärztliche Mitarbeiter verschiedener HNO- Kliniken) zielten mit einem Perforator auf einen definierten Punkt im Mittelohr des Modellschädels. Genauigkeit und benötigte Zeit eines jeden Zielversuchs wurden durch eine Kamera und eine speziell entwickelte Software aufgezeichnet und mittels eines Workfloweditors (ICCAS, Leipzig) verarbeitet. Insgesamt wurden 4492 Messwerte generiert. Die Messergebnisse wurden, getrennt nach manueller und mikromanipulatorgestützter Versuchsdurchführung, grafisch als individuelle Lernkurven dargestellt, woraus sich insgesamt 40 Lernkurven ergaben. Die manuelle und master- slave assistierte chirurgische Präzision eines jeden Probanden wurde mithilfe von Streudiagrammen- insgesamt 20 - abgebildet. Es erfolgten eine deskriptive statistische Auswertung sowie Prüfung auf signifikante Unterschiede unter Verwendung des Wilcoxontests hinsichtlich Zeit und Genauigkeit in Abhängigkeit von der chirurgischen Erfahrung (Microsoft Office Excel, SPSS 17.0). Insgesamt betrug die manuelle Genauigkeit im Mittel 0,22 mm, die mikromanipulatorgestützte Abweichung lag bei 0,29 mm. Die durchschnittliche Zeit eines manuellen Versuchs betrug 0,65 s, für master- slave assistiertes Vorgehen waren im Mittel 3,69 s nötig. Die Lernkurven zeigten hinsichtlich Genauigkeits- und Zeitverbesserung einen deutlicheren Lerneffekt bei Verwendung des chirurgischen Assistenzsystems im Vergleich zu manuellen Zielversuchen. Eine Steigerung der chirurgischen Präzision ist anhand der Streudiagramme erkennbar. Insgesamt zeigt diese Evaluation das Potential des Mikromanipulators als Hilfsmittel bei mikroskopischen Eingriffen am Ohr, da er dank seiner kompakten Bauweise flexibel eingesetzt werden kann.

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1.1. Mittelohrchirurgie = Mikrochirurgie Eingriffe am Mittelohr erfordern chirurgisches Arbeiten im submillimetrischen Bereich, folglich wird die Sicht auf das Operationsfeld durch ein Mikroskop im Detail verbessert. Die Mikrochirurgie fasst Eingriffe zusammen, die ein solches Vorgehen erfordern. (Miehlke 2007, S.11, 27) „Otologen waren die ersten Chirurgen, die ein […] (Mikroskop, d.V.) routinemäßig im Operationssaal verwendeten“ (Mudry 2000). 1953 führten Wullstein und Zöllner das Operationsmikroskop OPMI I von Zeiss in die Otochirurgie ein. Durch eine binokulare Sicht, exzellente Ausleuchtung, selektive Vergrößerung, sowie einen adäquaten Abstand zum Arbeitsfeld eröffnete die Mittelohrchirurgie sprichwörtlich „neue Perspektiven“: In der Folgezeit entwickelten sich neue Operationstechniken und leistungsstärkere Mikroskope.

Dies führte zu einer „Verbesserung der chirurgischen Präzision […]“ und der Weiterentwicklung bzw. Systematisierung chirurgischer Ossikelrekonstruktionen (Mudry 2000, Wullstein und Wullstein 1986, S. 35 ff.) Ein Beispiel für einen solchen mikrochirurgischen Eingriff am Mittelohr stellt die Stapedotomie dar. Ein Teilschritt dieser Operation wurde in der vorliegenden Studie zur Evaluation eines Mikromanipulators untersucht.

1.1.1. Stapedotomie- Operationsprinzip Die Stapedotomie ist heute der Goldstandard zur Behandlung einer operationswürdigen Otosklerose. Dabei handelt es sich um „eine Erkrankung der knöchernen Labyrinthkapsel“, wobei es unter anderem durch neugebildeten spongiotischen Knochen zur Fixation des Steigbügels kommt (Boenninghaus und Lenarz 2007,S. 96, Tos 2000, S. 83). Grundprinzip der Intervention ist es, die Stapesankylose zu umgehen, indem eine Perforation in der Fußplatte bzw. der ovalen Fensternische angelegt wird (Tos 2000, S. 118) welche dann eine Prothese zur Wiederherstellung der Funktionalität der Gehörknöchelchenkette eingebracht werden kann. Die Perforation kann mit Perforatoren, feinen Häkchen, einem Handbohrer oder einem elektrischen Mikrobohrer vorgenommen werden (Strutz et al. 2010, S. 360 ff., Tos 2000, S. 118 f.). Zunehmend findet in diesem Operationsschritt auch der Laser Anwendung: (Häusler 2000, Maier et al. 2006, Strutz et al. 2010, S. 360 ff.). Weitere Techniken, z. B. mittels piezoelektrischer Geräte, befinden sich in klinischer Erprobung (Cuda et al. 2009).





1.1.2. Mögliche Komplikationen einer Stapedotomie durch manuelle Manipulation

Während der Eröffnung der Paukenhöhle sind bleibende Läsionen des Trommelfells sowie eine Schädigung mit konsekutiver peripherer Parese des Nervus facialis prinzipiell möglich.

Eine Entfernung oder Verletzung der Chorda tympani führt zur Modifikation oder schlimmstenfalls zum Verlust des Geschmackssinnes im vorderen Drittel der Zunge.

Luxationen des Amboss’ treten vor allem beim Loslösen des knöchernen Anulus’ oder der Fraktur des incudostapedialen Gelenks, beim „Befestigen der Prothese am langen Ambossfortsatz“ oder aber versehentlich instrumentell auf (Tos 2000, S. 152). In einem solchen Fall muss die Prothese am Hammergriff befestigt werden, was zu einem schlechteren audiologischen Resultat, d.h. geringerer hörverbessernder Wirkung der Operation mit bleibender Schallleitungskomponente führt. „Deswegen sollte jegliche Manipulation des Incus während einer […] Stapedotomie vermieden werden“ (Tos 2000, S.

152). Eine zu starke Bewegung des Steigbügels, z.B. bei einem Mobilisations- oder Frakturierungsversuch der Schenkel, kann zu einer Ruptur des membranösen Labyrinths und intralabyrinthärer Blutung führen. Natürlich ist auch die instrumentelle Verletzung häutiger Labyrinthstrukturen möglich, etwa bei zu tiefer Insertion. Eine zu lange Prothese kann postoperativ Schwindel verursachen und ist der häufigste Grund für eine Revision nach einer Stapedotomie. Es besteht das Risiko einer postoperativen Schallleitungsschwerhörigkeit- z.B. aufgrund einer zu kleinen Perforation mit konsekutiver Immobilität des Pistons, eines Innenohrhörverlusts oder einer operationsbedingten Ertaubung (Tos 2000, S. 186, Helms et al. 1994, S. 738).

1.2. Chirurgische Genauigkeit

Zur Vermeidung von Komplikationen solcher Art ist Genauigkeit bei der mikrochirurgischen Operation äußerst wichtig. Daher werden Mikrochirurgie und Genauigkeit bzw. Präzision häufig im Zusammenhang untersucht: (Sandoval et al. 2007, Safwat et al. 2009, Riviere et al. 1998) sind nur einige Beispiele. Da der Begriff der Genauigkeit in dieser Studie eine zentrale Rolle spielt, werden folgend Definition, Einflussfaktoren und experimentelle Anwendung dargestellt.

Genauigkeit (accuracy) kann auch als äußere Genauigkeit betrachtet werden. Sie ist eine qualitative Bezeichnung für das Ausmaß der Annäherung von einzelnen Messergebnissen an einen Bezugswert. Dieser kann z.B. ein anerkannter Standard sein oder auch als der Grad der Annäherung an den wahren Wert, an ein gewünschtes oder erforderliches Ergebnis, definiert werden. Die Genauigkeit kommt in der Streuung der Messungen zum Ausdruck, wenn sie unter verschiedenen äußeren Umständen wiederholt werden.

Präzision (precision) wird hingegen auch als die innere Genauigkeit von Messungen gesehen. Sie ist eine qualitative Bezeichnung für das Ausmaß der gegenseitigen Annäherung voneinander unabhängiger Messergebnisse bei mehrfacher Anwendung eines festgelegten Ermittlungsverfahrens unter vorgegebenen Bedingungen, d.h. man erhält sie durch oftmaliges Wiederholen der Messung unter gleichen Umständen und mit demselben Messgerät oder Messsystem (Strauss et al. 2006, Deutsches Institut für Normung 2010).

1.3. Störfaktoren der Genauigkeit bei einem mittelohrchirurgischen Eingriff 1.3.1. Physiologische Limitationen der menschlichen Hand Bewegungen der menschlichen Hand werden durch drei wesentliche unwillkürliche

Komponenten beeinflusst:

 Tremor: Jede Bewegung der Gliedmaßen eines gesunden menschlichen Körpers beinhaltet eine „unwillkürliche, oszillatorische 1,grob sinusoidale Bewegung“ ( Deuschl 2002), (Peral-Gutierrez et al. 2004, Duval und Jones 2005). Dieser „physiologische Tremor“ ist für das menschliche Auge unsichtbar (Deuschl et al.

1996).

 spontane, unwillkürliche, nichtoszillatorische, minimale („ruckartige“) Bewegungen und  niedrigfrequente Driftbewegungen (Peral-Gutierrez et al. 2004).

Diese lassen sich in Ruhe und bei Bewegung nachweisen.

Wird ein Gegenstand in der Hand gehalten und gezielt auf ein Objekt gerichtet, so tritt ein sogenannter „posturaler Tremor“ 2 auf. Dieser entsteht durch „gleichmäßige Kontraktionen“ von agonistischen und antagonistischen Muskelgruppen der oberen Extremität (Peterson und Magoun 1949). Die Frequenz liegt bei etwa 7- 12 Hz (Wade et al. 1982), obwohl auch Komponenten einer geringeren Frequenz (2-4 Hz) eine wesentliche Rolle spielen (Safwat et al. 2009, Sandoval et al. 2007). Das Auftreten des Tremors wird sowohl durch körpereigene, als auch äußere Faktoren beeinflusst. So ist die Tremorfrequenz eines Gelenks abhängig von seiner Trägheit bzw. Steifigkeit, was z.B. eine höhere Frequenz im Finger als im Handgelenk hervorruft (30 Hz vs. 8-12 Hz) (Stiles und Randall 1967). Weiterhin spielen der pulsatile Druck durch den Herzschlag, die Respiration und zentralnervöse Komponenten

                                                             



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