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NV-US (B. Brendel)
NV-US (B. Brendel) (english)
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Ultraschallbasierte Rückkopplung für Navigationsaufgaben
bei Operationen in rigiden und nichtrigiden Geweben

Motivation:

Die Navigation ist in den letzten Jahren ein wichtiger Bestandteil zahlreicher chirurgischer Eingriffe geworden. Durch die Nutzung von Navigationssystemen konnte die Sicherheit bei minimalinvasiven Eingriffen in unterschiedlichsten chirurgischen Disziplinen erhöht werden. Hierfür wurden Navigationssysteme verwendet, die sich auf präoperativ aufgenommene Daten (meist CT oder MRT) stützen. Daher ist bei diesen konventionellen Navigationssystemen eine Berücksichtigung von intraoperativen Veränderungen des Operationsfeldes (Bewegung von Gewebe oder Knochen) nicht möglich.

The Motivation:

Navigational procedures have become extremely important in modern surgical procedures. During the last years navigation systems based on preoperatively obtained radiologic data (mostly computer tomography and magnetic resonance tomography) have given additional safety to minimal invasive procedures in different surgical disciplines.
Since there is no intraoperative feedback in conventional navigation systems, changes in the operation field during the surgical procedure (shift of tissue and bones) cannot be taken into account.

Methode:

Ziel des Projektes ist es, Ultraschall als intraoperative Bildgebungsmodalität in existierende Navigationssysteme einzubeziehen, um Registrierungsvorgänge einfacher, sicherer und genauer zu gestalten und um Änderungen im Operationsfeld berücksichtigen zu können.
Ultraschall hat den Vorteil, dass es keine ionisierende Strahlung verwendet und intraoperativ eine einfache und kostengünstige Datenakquisition ermöglicht.
Die Struktur eines Navigationssystems unter Einbeziehung von intraoperativem Ultraschall ist in Abbildung 2 dargestellt: Präoperative Daten werden akquiriert und zur Planung der Eingriffs herangezogen. Außerdem findet eine Vorverarbeitung für die intraoperative Nutzung statt. Während der Operation werden 3D Ultraschalldaten akquiriert und vorverarbeitet. Anschließend findet die Registrierung mit dem Koordinatensystem des Patienten und des präoperativen Datensatzes statt (Abbildung 3).
Diese Registrierung kann eine nichtrigide Methode sein, die eine Veränderung des präoperativen Datensatzes ermöglicht, und ihn so an die Veränderungen im Operationsfeld anpasst.
Der registrierte Datensatz wird an das Navigationsystem übertragen. Dort werden die Operationsinstrumente mit den Bildinformationen überlagert und auf einem Monitor dargestellt, sodass sich der Operateur orientieren kann, ohne direkten Sichtkontakt zum kompletten Operationsfeld zu haben (Abbildung 4).
Kernaufgabe des Projektes ist die Entwicklung von Registrierungsalgorithmen, für die es zwei wesentliche Ansätze gibt. Der erste Ansatz ist ein „teilrigider“ Ansatz, der in Situationen verwendet werden kann, in denen die betrachtete anatomische Struktur aus einer Anzahl von rigiden Elementen besteht, die sich zueinander verschieben können. Einsatzgebiete sind vor allem Eingriffe an Knochenstrukturen (Wirbelsäule, Hüfte, Knie, ...). Der zweite Ansatz sollte für navigierte Eingriffe am weichen Geweben geeignet sein (Gehirn, Leber, ...), bei denen ein komplett nichtrigider Algorithmus notwendig ist.

The Method:

The aim of the project is to integrate ultrasound as an intraoperative imaging modality into existing navigation systems for registration purposes and to take into account changes in the operation field. Ultrasound seems to be the most powerful tool for this task due to the lack of ionizing radiation and because of its fast and cheap data acquisition.
The complete structure of the navigated technique including intraoperative ultraosund can be seen in figure 2: Preoperative data is acquired and used for planning the surgical procedure. Additionally, it is preprocessed for intraoperative usage. During the operation 3D ultrasound data is acquired and preprocessed. It is then registered with the coordinate system of the operating room and the preoperative dataset (figure 3). This registration can be a non-rigid method, which allows modifications of the preoperative data to fit with the actual situation in the operation field. The registered datasets are transferred to the navigation system. The navigation system overlays surgery tools like probes or screwdrivers and displays all information on a monitor. Thus the surgeon can orientate himself with the help of these images without a direct view the complete working space (figure 4).
The key task of this project is the development of registration algorithms. There are two main approaches. The first approach is based on situations, where a party rigid registration is sufficient. This is the case, when the anatomical structure of interest contains a number of rigid elements which can change their position to each other. It can be used for navigated surgical procedures at bone structures (spine, hip, knee,…). The second approach should be suitable for navigated surgical procedures at soft tissue (brain, liver,…) where the registration algorithm must be completely non-rigid.

Ziel:

Ziel des Projektes ist es, dem Chirurgen bei navigierten Eingriffen eine bessere Unterstützung durch das Navigationssystem zu bieten, um die Möglichkeiten und die Sicherheit bei solchen Eingriffen zu erhöhen.
Der fehlende intraoperative Abgleich zwischen präoperativen Datensatz und aktueller Situation im Operationsfeld limitiert die Applikationsreichweite erheblich und stellt eine große Fehlerquelle dar. Dieser Nachteil soll durch die Einbeziehung intraoperativer Ultraschallbildgebung ausgeglichen werden.

The Target:

The aim of the project is to give the surgeon a better support while acting in his working space during navigated surgical procedures, in other words an improvement of the possibilities and safety of navigated surgery dealing with hard and soft tissue (orthopedic surgery, neurosurgery and traumatolologic surgery).
The missing real-time correction of the preoperative datasets to mirror the actual situation in the operation field is the main source of error of navigation systems and limits their range of applications. To overcome this substantial disadvantage, an appropriate feedback between the operation field and the navigation system based on intraoperative ultrasound imaging should be developed.

Vision:

Die Integration von intraoperativer Ultraschallbildgebung in Navigationssysteme kann zu einer erhöhten Sicherheit bei mikrochirurgischen und anderen navigierten Eingriffen führen. Dies gilt für viele chirurgische Bereiche, in denen der Einsatz von Navigation sinnvoll ist, um die Invasivität des Eingriff zu verringern (Orthopädie, Neuro-, Unfall-, Mund-, Kiefer-, Gesichtschirurgie, ...)
Verbesserte minimalinvasive Techniken können die Aufenthaltsdauer in den Kliniken reduzieren und Rehabilitationsmaßnahmen verkürzen. Damit sind erhebliche Einsparungen im Gesundheitswesen verbunden. Verglichen damit scheint der zusätzliche Einsatz von intraoperativem Ultraschall sehr kostengünstig.
Weiterhin kann ein nichtrigider Registrierungsalgorithmus für 3D-CT- und 3D–Ultraschalldatensätze zu neuen Möglichkeiten in der Diagnostik führen ("animiertes CT"), die auch eine Reduzierung der Strahlenbelastung für den Patienten bedeuten.

The Vision:

The integration of intraoperative ultrasonic imaging into navigation systems accomplishes an enhanced safety quality level for microsurgical interventions and other navigated surgical procedures. This is true not only for the surgical areas mentioned above, navigational techniques can be introduced in all surgical disciplines in order to minimize surgical trauma and tissue exposure (maxillofacial surgery, ENT, gynecology, urology and others).
Advanced minimal invasive techniques can reduce the duration of hospital stay and the need for long periods of rehabilitation as well as peri- and postoperative morbidity and mortality. This can lead to a significant cost reduction. In comparison to these advantages the additionally needed intraoperative ulrasound technology appears to be rather inexpensive.
Furthermore, a non-rigid registration algorithm for 3D-ultrasound and CT leads to new possibilities ("animated CT") which could create new diagnostic methods and reduce the amount of ionizing radiation needed for diagnostic purposes.


Structure of a navigated surgical procedure

Bild 2:
Struktur eines navigierten Eingriffs mti intraoperativer Bildgebung

Fig. 2:
Structure of a navigated surgical procedure with intraoperative imaging


Fused CT and ultrasound-slice

Bild 3:

Fusion eines CT- und eines Ultraschallbildes der Lendenwirbelsäule (sagittal) nach der Registrierung der 3D-Datensätze (rot: CT, grau: Ultraschall)

Fig. 3:

Fused CT and ultrasound-slice of the lumbar spine after registration of the 3D-datasets (red: CT, gray: ultrasound)


Using intraoperative imaging

Bild 4:

Intraperative Bildgebung zur Korrektur von Deformierungen der Wirbelsäule während dem chirurgischen Eingriff

Fig. 4:

Correction of deformation of the spine using intraoperative imaging

 
 
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Letzte Änderung: 16.02.2005 | Ansprechpartner: Webmaster