Qualitätssicherungstools für intraoperative 3D-Navigation

Intraoperative 3D-Navigation stellt Information über Sonden- oder Instrumentenpositionen im Patienten relativ zu präoperativer radiologischer Bildgebung dar. Klinisch eingesetzte 3D-Navigation ist durch das Fehlen von geeigneten und effizienten Mitteln zur Bestimmung der Benutzerfreundlichkeit und der Applikationsgenauigkeit nicht optimal einsetzbar. Kostspielige Navigationssysteme werden oft selten genutzt, und wertvolle Operationszeit wird verbraucht. Zudem profitieren oft weder Chirurg noch Patient von dieser Technologie. Qualitätssicherung ist notwendig, um den gesamten Prozess der 3D-Navigation zu optimieren. Wesentlich dazu ist eine stabile Registrierung des Patienten an seine Daten, die Präsentation von Positionsinformationen, die Bestimmung und Vermittlung der klinischen Anwendungsgenauigkeit. Die Projektziele sind: Entwicklung eines über die Operationsdauer verlässlichen Verfahrens zur Registration des Patienten an die präoperativen Bilder, Erstellung von benutzerfreundlichen und effizienten `Möglichkeiten zur visuellen Präsentation von Positionsinformationen, Schaffung von tauglicher Qualitätssicherung. Unsere klinische Erfahrung mit 3D-Navigation ist die Grundlage für die Weiterentwicklung der verfügbaren Verfahren zur Registration. Vermessungen von Arealen des knöchernen Schädels mit AMode Ultraschall erscheinen dafür ideal; weiters können durch Automatisierung Benutzerfehler bei der Patientenregistrierung eliminiert werden. Dazu wird ein open-source Navigationssystem implementiert, das vollen Zugriff auf alle Routinen eines Navigationssystems gibt, was mit keinem kommerziellen System möglich ist. Detaillierte Untersuchungen von Registrationsalgorithmen, neuen Positionsmesssystemen und effizienter Darstellung von Positionsinformation werden so möglich. Dabei werden monoskopische und stereoskopische Paradigmen zur Visualisierung von Koordinaten untersucht. Die vordere und laterale Schädelbasis stellt durch das Fehlen von Weichteilverschiebungen ein ideales Anwendungsgebiet dar. Insbesondere wird bei den Entwicklungen immer auf chirurgische Tauglichkeit geachtet, so dass Information gemäß ihrer Relevanz mit Verfahren aus der Computergraphik zur Optimierung der Navigation verwendet wird. Dieses Projekt triggert eine Entwicklung aus der Klinik für die Klinik, die durch Phantom- und Kadaverexperimente validiert und optimiert wird und so signifikant zum Einsatz von informationsunterstützter Chirurgie beitragen wird.

Die Anwendungsgenauigkeit intraoperativer Navigation hängt dramatisch von der Lokalisierungsgenauigkeit der Registrierungspunkte am Patienten und im präoperativen Datensatz ab. In diesem Projekt konnte nachgewiesen werden, dass nur implantierte Registrationsschrauben submillimetrischer Lokalisierungsgenauigkeit bei der Definition von Registrierungspunkten am Patienten bereitstellen. Anatomische Landmarken hingegen können mit einer Sonde nur mit einer Präzision von ~4 mm lokalisiert werden, so dass dadurch der Nutzen intraoperativer Navigation auf eine grobe Orientierungshilfe reduziert wird. Bei Operationen in empfindlichen anatomischen Arealen werden gerne Computer-Assistierte Systeme (CAS) als Hilfsmittel zur intraoperativen Orientierung verwendet. Diese Systeme zeigen die aktuelle Position einer navigierten Sonde im Patienten in dreidimensionaler radiologischer Bildgebung des Patienten als Fadenkreuz an; dadurch kann wertvolle komplementäre Information über den Operationsfortschritt gewonnen werden. Speziell die Chirurgie in der Hals-, Nasen- und Ohrenheilkunde und der Neurochirurgie wenden CAS häufig an. Die wesentliche Herausforderung intraoperativ ist es, die Anwendungsgenauigkeit zu bestimmen, damit die durch das Navigationssystem dargestellten Positionen im Patienten für den Chirurgen auch von Nutzen sind. Dies gilt insbesondere für anatomische Areale, die an vitale Strukturen grenzen. Bei intraoperativer Navigation wird üblicherweise die Position einer navigierten Sonde im Patienten mittels optischer Triangulation bestimmt und als Fadenkreuz im präoperativen Datensatz dargestellt. Die Chirurgie der vorderen Schädelbasis und der Nasennebenhöhlen ist paradigmatisch für den Einsatz von CAS, da das Operationsgebiet sich durch knöcherne Begrenzung auszeichnet. Teilweise sind die Knochen zwar sehr dünn, aber sie garantieren dass die präoperative Bildgebung mit dem intraoperativen Situs korreliert. Weichteilverschiebungen treten in diesem Operationsgebiet nicht auf. Patient im Operationssaal und seine 3D-Bildgebung werden mittels Translation und Rotation zueinander registriert; die Anwendungsgenauigkeit hängt von der Qualität der 3D- Positionsmessung, der Bildgebung und von menschlichen Faktoren ab. Humane Faktoren werden als maßgeblich für diesen Schritt angesehen, waren aber quantitativ bis dato nicht bekannt. Es gibt Vorhersagemodelle für die Anwendungsgenauigkeit von CAS auf Grundlage von störungstheoretischen Näherungen erster Ordnung, jedoch wurden diese Modelle noch keiner detaillierten experimentellen Verifizierung mit Navigationssystemen wie in diesem Projekt unterzogen. Dazu war es notwendig, in einem experimentellen Operationssaal die tatsächlichen Bedingungen von navigierten Operationen nachzubauen und alle technologische Parameter zu kennen und zu kontrollieren.