Die computergestützte Planung der Resektion von Lebermetastasen auf Basis von CT Daten ermöglicht es für jeden Patienten optimale, individuell Operationsstrategien zu entwickeln. Die Übertragung der Planung, vor allem für Weichgewebe, in den intraoperativen Situs stellt ein Problem dar. Wir haben ein System entwickelt für die navigierte Leberresektion. Unser Navigationssystem LiverTrack basiert auf intraoperativem Ultraschall (Voluson 730D, GE Healthcare), einem optischen Trackingsystem (Polaris®, Northern Digital Inc.) und einem elektromagnetischen Trackingsystem (Aurora®, Northern Digital Inc.). Mit unserem System kann die Navigation während des gesamten Eingriffs aufrecht erhalten werden. In Rahmen der Vorbereitung der klinischen Prüfung des Navigationssystems LiverTrack wurde die Genauigkeit der Navigation präklinisch evaluiert. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Genauigkeit der Nachführung der Ultraschalldaten mit dem elektromagnetischen Trackingsystem.
Abb. 1: Ultraschallphantom für die Genauigkeitsstudie (rechts) und als virtuelles Modell (links).
Der Ablauf der Genauigkeitsuntersuchung unterscheidet sich kaum vom Einsatz im OP. Im ersten Schritt wird eine Ultraschallaufnahme mit dem optisch getrackten Ultraschallkopf akquiriert. Anschließend kann die Zielstruktur mit dem Pointer anvisiert werden. Wir wählten dazu die vier Eckpunkte der drei Radiergummis, insgesamt 12 Messpunkte. Die Positionen sind zum einen durch die optische Referenz am Phantom bekannt, zum anderen durch die Markierung in den Ultraschalldaten. Die Differenztransformation der beiden Positionen stellt das Fehlermaß dar. Für die Genauigkeit der elektromagnetischen Nachführung wurde ein EM-Sensor in das Silikon eingebracht. Das Phantom wurde dann auf einem definierten Gitter (± 3 cm in x und y Richtung in 1cm Schritten und jeweils 2 Messpunkte auf den Diagonalen) verschoben. Dabei wurde kein neuer Ultraschalldatensatz aufgenommen, sondern mit dem Sensor nachgeführt. In jedem Punkt wurde dann die Abweichung der Pointerspitze zur Zielstruktur in allen 12 Messpunkten in den Ultraschalldaten bestimmt. In Abbildung 2 ist ein Snapshot des Navigationsbildschirms zu sehen. Dargestellt sind der Ultraschalldatensatz mit den Radiergummis frontal (links) und in der Draufsicht (rechts), der Pointer mit einer kleinen roten Kugel zur Visualisierung der Spitze und der EM Sensor für die Nachführung.
Abb. 2: Navigationsansicht der US-Daten frontal (links) und in der Draufsicht (rechts).
Verschiedene Aspekte spielen bei der Beurteilung der Genauigkeit eine Rolle. Die Differenz zwischen den in den USDaten markierten Landmarken und durch die optische Referenz am Modell bestimmten Punkte betrug im Durchschnitt 1.8 mm. Im Mittel lagen die mit dem handgeführten Pointer erfassten Landmarken 2.1 mm von der korrespondierenden Landmarke im Modell entfernt. Verschiedene Fehlerquellen kommen dabei zusammen: die gemessene Lage des Sensors im Magnetfeld schwankt im Mittel um 0.34 mm (dabei kommt der Fehler primär aus x und y Richtung, die Schwankungen um z sind sehr gering), die Spitze des handgeführten Pointers im Mittel um 0.4 mm und zusätzlich die Ungenauigkeit beim Abtasten der Zielstruktur mit dem Pointer. Das optische Trackingsystem allein liefert eine hohe Genauigkeit mit einer mittleren Schwankung von 0.04 mm. Die einzelnen Verteilungen sind in Abbildung 4 dargestellt. Tabelle 1: Abstand der manuell erfasste Landmarken LMman zu den korrespondierenden im Modell LMmod in mm. Auffällig ist die Verschiebung der manuell selektierten Landmarken im Mittel von 1.4 mm in x-Richtung, was in diesem Fall der Schwenkrichtung des 2D Transducers entspricht (Abbildung 3). Die Verschiebungen des Phantoms in der XYEbene haben dabei nur minimalen Einfluss auf den Fehler des Systems. Die ermittelte Gesamtgenauigkeit von im Schnitt 2.14 mm ist ausreichend, um die von uns definierten Anforderung des Navigationssystems für die Weichgewebschirurgie zu erfüllen.
Abb. 3: Links: Position der erfassten Landmarken in Relation zu den korrespondierenden Landmarken im Modell (Kreuz). Rechts: Abweichung bei der EM Nachführung an den Rasterpunkten der Verschiebung des Phantoms. σ 1,012
y Abb. 4: Histogramme für die Abweichung des Pointers zum Modell (links), die Streuung der Positionserfassung durch das elektromagnetische Tracking (mitte) und die Streuung des handgeführten optischen Pointers (rechts). 4
Das in dieser Arbeit vorgestellte Modell ist für die schnelle Überprüfung der Genauigkeit des Navigationssystems sehr geeignet. Zudem ist die Herstellung einfach und preisgünstig. In Hinblick auf den 3D Ultraschall hat es sich im Vergleich zum Fadenphantom als die bessere Alternative herausgestellt. Eine Einschränkung des Phantoms ist, dass es sich um ein starres Modell handelt, das keine definierten Deformationen zulässt. Da die Zielstruktur aus Silikon und Gummi besteht, ist für die Zukunft auch ein elastisches Modell geplant.
Das Verfahren entspricht in großen Teilen dem Einsatz des Navigationssystems im OP. Für einen realistischen Vergleich
wurde deshalb der Pointer mit der Hand geführt. Die dabei erzielte Genauigkeit von 2.1 mm erfüllt die von uns
gestellten Anforderungen an das Navigationssystem. Alle Messungen wurden im Labor unter optimalen Bedingungen
durchgeführt. Im Operationssaal ist auf Grund von metallischen und elektromagnetischen Störeinflüssen mit einer geringeren
Genauigkeit beim EM-Tracking zu rechnen [
Wir danken der Deutschen Forschungsgesellschaft, die das Projekt „Entwicklung eines klinisch einsetzbaren Navigationssystems mit kontinuierlichem Deformationsausgleich zur präzisen Resektion von Lebertumoren“ unterstützt. 5