Multi-Port Knochenchirurgie am Beispiel der Otobasis

DFG-Forschergruppe FOR 1585

Das DFG-Forschungsprojekt "Multi-Port Knochenchirurgie am Beispiel der Otobasis" (MUKNO) ist eine Kooperation zwischen der Hals-Nasen-Ohren-Klinik in Düsseldorf, dem Werkzeugmaschinenlabor in Aachen und dem Fachgebiet "Graphisch-Interaktive Systeme" in Darmstadt. Ziel dabei ist, die Durchführung gewebeschonender Operationsverfahren an der Otobasis zu untersuchen. Die Herausforderung bei Operationen an der Otobasis ist, keine vitalen Strukturen wie z. B. Gesichtsnerv oder Halsschlagader zu verletzen. Bisher legt der Arzt alle Kollisionsstrukturen frei, was ein hohes Risiko für den Patienten bedeutet. In Zukunft sollen nur noch drei Bohrkanäle angelegt werden, durch die die Instrumente zum Ziel des Eingriffs geführt werden, und der Arzt soll bei der Navigation vom Computer gestützt werden. Um die Komplikationsrate unter 0.5% zu halten, muss die Prozesskette bei der OP beherrschbar sein. Das heißt, in jedem Schritt der Kette - von der Bildaufnahme über die Segmentierung, Registrierung und Planung bis zur Bohrung - soll der mögliche Fehler im zulässigen Rahmen gehalten werden.

 

Bildaufnahme

Um eine Gesamtgenauigkeit von unter 1 mm mit einer Wahrscheinlichkeit von 99,5% zu erreichen, sollen die Bilder mit einer isotropen Auflösung von 0.1-0.2 mm aufgenommen werden. Dafür wurden zwei Ansätze untersucht:

- Bildakquisation mittels eines C-Bogens (CBCT), der die Aufnahme hochaufgelöster isotroper Voxeldaten ermöglicht.

- Aufnahme von zwei orthogonalen (anisotropen) Bildstapeln mittels eines CT's, die durch einem Super-Resolution-Ansatz zu einem hochaufgelösten Datensatz rekonstruiert werden.


Kontakt: Wissam El Hakimi

 
 

Segmentierung

Um die Bilddaten weiterverarbeiten zu können, müssen die einzelnen Strukturen segmentiert werden. Da die wichtigen Strukturen wie Gesichtsnerv und Schlagader in den CT-Bilddaten oft schwer zu erkennen sind, soll Vorwissen in die Segmentierung integriert werden. Auch hierbei ist es wichtig, eine Aussage über die Genauigkeit der Segmentierung zu treffen.

Ausschnitt des Felsenbeins mit manuell segmentiertem Gesichtsnerv.

Kontakt: Meike Becker

 
 

Registrierung

Die Instrumentenposition relativ zur Patientenanatomie soll mittels Verifikationsaufnahmen kontrolliert werden. Dafür werden die intraoperativen mit den proxi-operativen Bilddaten registriert und die Abweichung zwischen den Ist- und Planungs-Daten berechnet. Um entstehende Abweichungen rechtzeitig zu erkennen und evtl. abzugleichen, müssen Verfahren entwickelt werden, die eine schnelle Registrierung der Bilddaten ermöglichen.

Kontakt: Wissam El Hakimi

 
 

Planung

Zunächst wurde ein Tool entwickelt, das präoperativ anhand von CT Daten analysiert, ob der Zugang zum Ziel des Eingriffs durch lineare Bohrkanäle überhaupt möglich ist, ohne wichtige Strukturen zu verletzten. Dabei werden zunächst alle zulässigen Pfade berechnet, d. h. alle Pfade die keine Risikostruktur verletzen. Aus dieser Menge an Pfaden kann der Arzt zur Zeit eine Kombination von drei Pfaden manuell auswählen.

Manuelle gewählte Bohrpfadkombination für das Operationsziel Felsenbeinspitze.

Als Grundlage für die Simulationssoftware wird das Sofa-Framework verwendet (SOFA) .

Kontakt: Meike Becker

Publikationen

  • Variance-based iterative image reconstruction from few views in limited-angle C-arm computed tomography
    El Hakimi, Wissam; Sakas, Georgios
    In: SPIE Medical Imaging Symposium 2014, San Diego, CA, USA, 2014
  • Path Planning for Multi-port Lateral Skull Base Surgery Based on First Clinical Experiences
    Meike Becker, Stefan Hansen, Stefan Wesarg, Georgios Sakas
    In: Clinical Image-Based Procedures. Translational Research in Medical Imaging, Volume 8361, Springer International Publishing, 2014
    http://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-05666-1_4li>
  • Accurate Super-Resolution Reconstruction for CT and MR Images
    El Hakimi, Wissam; Wesarg, Stefan
    In: IEEE Symposium on Computer-Based Medical Systems (CBMS) 26, Porto, Portugal, 2013
    http://dx.doi.org/10.1109/CBMS.2013.6627837
  • Anisotropy Correction of Medical Image Data Employing Patch Similarity
    Keyhani, Mohammad Hossein; El Hakimi, Wissam; Wesarg, Stefan
    In: IEEE Symposium on Computer-Based Medical Systems (CBMS) 6, Porto, Portugal, 2013
    http://dx.doi.org/10.1109/CBMS.2013.6627822
  • Towards Automatic Path Planning for Multi-port Minimally-Traumatic Lateral Skull Base Surgery
    Meike BeckerAffiliated withCarnegie Mellon UniversityInteractive Graphics Systems Group, TU Darmstadt, Ralf Gutbell, Igor Stenin, Stefan Wesarg
    In: Clinical Image-Based Procedures. From Planning to Intervention, Volume 7761, Springer Berlin Heidelberg, 2013
    http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-38079-2_8
  • Ein Prototyp zur Planung von Bohrpfaden für die minimal-invasive Chirurgie an der Otobasis
    Ralf Gutbell, Meike Becker, Stefan Wesarg
    In: Bildverarbeitung für die Medizin 2012, Springer Berlin Heidelberg, 2012
    http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-28502-8_31
  • Confidence map based super-resolution reconstruction
    El Hakimi, Wissam; Wesarg, Stefan
    In: SPIE Medical Imaging Symposium 2012, San Diego, CA, USA, 2012
    http://dx.doi.org/10.1117/12.911535
  • Planning of High Precision Surgery at the Lateral Skull Base
    Wesarg, Stefan; Becker, Meike; El Hakimi, Wissam
    In: Korea-Germany Joint Workshop on Advanced Medical Image Processing 14, Heidelberg, Germany, 2011

Kontakt

Technische Universität Darmstadt

Graphisch-Interaktive Systeme

Fraunhoferstr. 5
64283 Darmstadt

Tel. +49 6151 155 679

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