Medizin & Technik

3D-Tracking für Chirurgische Navigation

20.07.2011 -

3D-Tracking für Chirurgische Navigation. Im Bereich der Chirurgie zeigt sich seit Jahren ein Trend zu computergestützter Planung und Navigation. Eine der zentralen Technologien zur intraoperativen Umsetzung der Planung ist die dynamische Lagebestimmung und -verfolgung (Tracking). Trackingsysteme erfassen die Position und Orientierung von Patient und Instrumenten und ermöglichen so eine Unterstützung des Chirurgen durch den Computer.

Den Standard in der orthopädischen Chirurgie stellen zurzeit optische Trackingsysteme dar. Ein Stereokamerasystem erfasst – ganz nach dem Vorbild der menschlichen Augen – kleine Marker und errechnet deren Position. Kommerzielle Systeme erreichen dabei Genauigkeiten von deutlich unter 0,5 mm. In der praktischen Anwendung haben optische Trackingsysteme jedoch einige Nachteile: Zum einen werden relativ große sogenannte „Rigid-Bodys“ benötigt, welche durch die notwendige rigide Befestigung im Knochen einem minimal-invasiven Vorgehen teilweise entgegenstehen. Des Weiteren ist stets eine freie Sichtlinie zum Kamerasystem notwendig.

Diese Nachteile führen zu einem verstärkten Interesse an elektromagnetischen Trackingsystemen (EMT), welche durch Messung der Feldstärke die Position kleiner Spulen in einem schwachen Wechselfeld ermitteln. EMT sind unabhängig von der Sichtlinie und ermöglichen so auch das direkte Tracking von Instrumenten im Körper. Gleichzeitig wird die Invasivität reduziert, indem die großen optischen Marker durch kleine Sensorspulen ersetzt werden. Moderne Systeme erreichen zwar eine für chirurgische Eingriffe ausreichende Genauigkeit, in der Praxis sind diese Werte aber aufgrund der hohen Störanfälligkeit nicht immer realisierbar. Diese Störungen werden durch Feldverzerrungen hervorgerufen, welche durch ferromagnetische Stoffe im Messbereich, Wirbelströme in leitenden Materialien oder externe Störfelder hervorgerufen werden. Durch den Einsatz spezieller Materialien oder durch auf das Tracking abgestimmte Anordnungen können diese Probleme in vielen Anwendungen verringert werden. Der vollständige Verzicht auf Metall ist jedoch bei klinischen Anwendungen oft nicht möglich.

Die Schwierigkeiten des klinischen Einsatzes zeigen sich auch in Laborversuchen. In optimierter Laborumgebung zeigt sich eine akzeptable Genauigkeit, wohingegen in einer OP-Umgebung (OP-Tisch und mehrere Instrumente) die Abweichungen stark zunehmen und starke Ausreißer zeigen.

Ist eine Anpassung der Umgebung nicht möglich, so muss das verwendete Trackingsystem angepasst werden. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekts „OrthoMIT“ werden am Lehrstuhl für Medizintechnik der RWTH Aachen mehrere Ansätze verfolgt, um den zuverlässigen Einsatz elektromagnetischen Trackings für klinische Anwendungen zu ermöglichen.

Ein Ansatz ist die Verwendung sogenannter hybrider Systeme, die verschiedene Trackingtechnologien kombinieren. Hierbei kann die eine verwendete Technologie jeweils die Schwächen der anderen ausgleichen. Durch geschickte Verbindung der redundanten Positionsdaten entsteht so ein störungstolerantes System. Der erste Prototyp wurde unter Verwendung elektromagnetischen und optischen Trackings aufgebaut und kann temporäre Sichtlinienverdeckungen überbrücken sowie kurzzeitig Feldverzerrungen ausgleichen. Ein wichtiger Nachteil optischer Systeme – die Notwendigkeit von Rigid Bodys – besteht jedoch weiterhin. Der nächste Schritt ist daher ein hybrides System, welches elektromagnetische und inertiale Sensoren verbindet. Beide Sensoren sind gut miniaturisierbar und erlauben ein Tracking unabhängig von der Sichtlinie. Da Inertialsensoren jedoch eine prinzipbedingte Drift zeigen, muss das EMT regelmäßig Stützstellen für eine Kalibrierung liefern.

Will man sich auf elektromagnetisches Tracking beschränken, so könnte die Kompensation der oben genannten Feldverzerrungen einen Weg darstellen. Mit einer Kalibriervorrichtung kann das Feld mitsamt den Verzerrungen vermessen und ein Kompensationsfeld berechnet werden. Dieser Weg wird bei statischen Störungen im Bereich der Virtuellen Realität bereits angewendet. Schwieriger wird es im klinischen Bereich, wo man stets die Veränderungen im OP-Feld einbeziehen muss. Auch treten die Feldverzerrungen nur lokal auf. Daher muss man sich auf einen kleinen Arbeitsraum beschränken, oder aber sehr viele Sensoren verwenden. Letzteres kann durch ein zeitliches „Spulen-Multiplexing“ erreicht werden. Eine derartige Methode zur Kompensation von Störungen wurde am Lehrstuhl entwickelt und zum Patent angemeldet.

Das elektromagnetische Tracking kann viele Probleme des Trackings im klinischen Einsatz lösen und neue Anwendungsgebiete für die chirurgische Navigation ermöglichen. Mit der heutigen Technik scheint jedoch der zuverlässige klinische Einsatz auf wenige Anwendungen beschränkt. Forschungsaktivitäten bei uns und anderswo zeigen das Potential, diese Einschränkungen in Zukunft zu überwinden.

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