Fluoroskopiebasierte, virtuelle Navigation in der Neurochirurgie

Bei neurochirurgischen Eingriffen an der Wirbelsäule wird die Fluoroskopie als bildgebendes Verfahren eingesetzt, um die räumliche Lage von chirurgischen Instrumenten und Operationsmaterialien (Nägel oder Schrauben) zu erkennen und im Bedarfsfall zu korrigieren. Als Aufnahmegeräte dienen mobile Röntgengeräte, sogenannte C-Bögen. In der bisherigen Praxis müssen solche Aufnahmen während einer OP häufig wiederholt werden, teilweise werden ganze Arbeitsabläufe wie das Ausrichten einer Schraube unter Bestrahlung ausgeführt. Das führt zu einer hohen Strahlenbelastung für den Patienten und den Operateur sowie zu Zeitverlusten durch die Unterbrechung des eigentlichen OP-Verlaufs.

Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer Methode zur Vermeidung dieser Nachteile. Da bei dieser Technik Instrumente und Materialien mit algorithmischen Methoden in vorher aufgenommene Fluoroskopiebilder projiziert werden, spricht man von einer virtuellen Navigation. Wichtigstes Hilfsmittel zur Realisierung diese Ziels ist ein Trackingsystem, mit dem die Position und Orientierung von chirurgischen Instrumenten im OP-Feld ständig gemessen wird.

Die Grundidee besteht darin, das zu behandelnde anatomische Objekt (z.B. ein Wirbelkörper) und das chirurgische Instrument gleichzeitig mit dem Trackingsystem zu erfassen und somit ihre relative Lage zueinander zu bestimmen. Kennt man zusätzlich die die relative Lage des C-Bogens zum anatomischen Objekt während der Aufnahme, ist die Projektion des Instruments in das Bild eine einfache Aufgabe. Das noch zu lösende Problem besteht also in der Bestimmung der relativen Lage des C-Bogens zum anatomischen Objekt. Von Joskowicz et al. wurde eine Methode beschrieben, bei der die Positionen des C-Bogens und des Objekts direkt mit den Trackingsystem gemessen werden. Der Vorteil, das Problem auf eine algorithmisch gut beherrschbare Aufgabe zu reduzieren, die man in Realzeit lösen kann, wird durch einen höheren Anspruch an die technische Realisierung erkauft: Das direkte Tracken des C-Bogens ist für elektromagnetische Systeme problematisch, da deren Messgenauigkeit nur im unmittelbaren OP-Feld optimal ist. Bei der Verwendung von optischen Systemen ist der Bewegungsraum des C-Bogens durch Sichtbarkeitsprobleme eingeschränkt. Darüber hinaus addieren sich die Fehler von zwei Messungen, nämlich am C-Bogen und am Objekt.

Die in diesem Projekt entwickelte Herangehensweise vereinfacht die technische Umsetzung mit Hilfe einer aufwendigeren algorithmischen Lösung. Sie basiert auf einem speziell entworfenen 3-dimensionalen Punktmuster, dem sogenannten Phantom, das während der Bildakquisition in einer bestimmten Position zum anatomischen Objekt befestigt wird. Das Design des Phantoms erlaubt es, seine Lage im Strahlengang aus der Projektion des Punktmusters im Bild zu berechnen. Dieser neuartige Zugang zeichnet sich durch ein hohes Maß an Flexibilität und Fehlertoleranz aus. Das Verfahren kann für beliebige C-Bögen eingesetzt werden. Es können optische und prinzipiell auch elektromagnetische Trackingsysteme eingesetzt werden (sofern die Messgenauigkeit letzterer nicht zu stark durch den C-Bogen eingeschränkt wird). Werden von den zehn Phantompunkten bis zu zwei nicht oder fehlerhaft detektiert, so kann dies erkannt und behandelt werden. Die Genauigkeit der berechneten, virtuellen Navigation hängt im Wesentlichen nur von der Messgenauigkeit des Trackingsystems ab. Die Position des zu behandelnden Wirbels im Raum muss dabei nicht als starr vorausgesetzt werden muss.