Navigation wird in der Weichgewebechirurgie klinisch bisher kaum oder gar nicht genutzt. Hauptproblem ist die Verschieblichkeit und Deformation der Organe. Im klinischen Szenario einer laparoskopischen Rektumresektion versuchen wir durch gleichzeitiges Tracking der Instrumente (optisches Tracking) und des Rektums (elektromagnetisches Tracking), dieses Problem zu lösen. Die Versuche wurden mit einem eigens konstruierten menschenähnlichen Phantom durchgeführt, wobei 14 Glaskugeln als Navigationsziele und ein elektromagnetischer Sensor in der Wand des Silikonrektums platziert wurden. Der Target registration error wurde für verschiedene Ausmaße der Organbewegung gemessen und mit bzw. ohne Organtracking analysiert. Anschließend erfolgte die statistische Auswertung unter besonderer Berücksichtigung der Geometrie des Rektums und des Abstands der Navigationsziele vom Organsensor. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Organtracking klare Vorteile bringt, aber das bisherige lineare Modell um ein komplexeres Weichgewebemodell erweitert werden muss.
Die Experimente wurden mit dem HELIOS-Phantom durchgeführt, das in unserer Arbeitsgruppe als originalgetreue Nachbildung des menschlichen Körpers entwickelt wurde und Silikonorgane enthält. Für diese Experimente wurde lediglich das Beckenmodul mit der Beckenbodenmuskulatur, dem Rektum und dem Becken selbst, auf dem die Registration Fiducials befestigt wurden, genutzt. In der Wand des Rektums wurden 14 Glaskugeln als Navigationsziele platziert, sowie ein 6D-elektromagnetischer Trackingsensor. Anschließend wurde das Rektum mit Watte im Becken immobilisiert. Danach wurde eine CT-Bildgebung mit einem Siemens Somatom Definition Flash (Siemens AG, Erlangen, Deutschland) mit einem Schichtabstand von 1,0 mm bei einer Röhrenspannung von 120 V durchgeführt.
Nachdem die CT-Bilder in das Navigationssystem geladen waren, wurden sowohl die 6 Registration Fiducials, als auch die 15 Navigationsziele und die Ausgangsposition des Organsensors in den Bildern markiert. Darauf folgte die Registrierung der CT-Daten mit beiden Trackingsystemen und der Start der Navigation.
Nach der Mobilisierung durch Entfernung der Watte wurde das Rektum jeweils in zehn verschiedenen Zugweiten gespannt, sämtliche Navigationsziele wurden mit einem optisch getrackten Pointer angefahren und der Target Registration Error (TRE) berechnet. Hierbei wird die gespeicherte Ausgangsposition des Organsensors genutzt, um die Bewegung
Die vorläufige Auswertung von drei Experimenten ergab eine deutliche Reduktion des TRE durch die Korrektur mittels Organtracking (Students t-test, p<0.001). Der TRE lag für die einzelnen Punkte über alle Zugweiten ohne Korrektur zwischen 22,4 mm (SD 12,5 mm) und 42,9 mm (SD 23,8 mm) bzw. mit Korrektur zwischen 3,2 mm (SD 1,6 mm) und 13,4 mm (SD 6,1 mm). Darüberhinaus waren die Messwerte bei 11 von 15 Zielpunkten signifikant kleiner als die chirurgische Anforderung von 10 mm. Bei 9 von 15 Zielpunkten waren mehr als 95 % aller Messwerte kleiner als 10 mm. Diese 9 Zielpunkte sind die 5 Zielpunkte auf Höhe des Organsensors, ein Zielpunkt 5 mm unter dem Sensor, sowie die 3 Zielpunkte jeweils 5, 10 und 15 mm über dem Sensor.
Allein durch ein lineares Modell der Deformation des Rektums, das auf der Information eines einzelnen elektromagnetischen Organsensors beruht, konnte die Genauigkeit der Navigation erheblich gesteigert werden. Eine genauere Subgruppenanalyse ergab, dass die Genauigkeit auf der Höhe des Organsensors bereits jetzt sehr gut ist, insbesondere unterhalb des Sensors jedoch starke Verzerrungen auftreten. Diese können durch die Verwendung des einfachen linearen Modells erklärt werden, sodass von weiterem Verbesserungspotential durch die Nutzung eines komplexeren Weichgewebemodells auszugehen ist. Nichtsdestotrotz bleibt offen, inwieweit sich die Ergebnisse des Phantomexperiments in vivo reproduzieren lassen. Durchblutung, Vernarbung und der Tumor haben Einfluss auf das Gewebe des Rektums und somit Beweglichkeit und Verformung.
Zusätzlich zum hier beschriebenen Tracking des ganzen Organs gibt es etwa in der Leberchirurgie Ansätze, lediglich die
Position des Tumors im Raum zu verfolgen, damit ein vorgegebener Sicherheitsabstand zum Instrument nicht
unterschritten wird [
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Die vorliegende Arbeit entstand im Projekt M1 "Intraoperative Risikoreduktion durchmodellbasierte Einblendung komplexer anatomischer Strukturen" des Graduiertenkolleg 1126 Intelligente Chirurgie gefördert durch die deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). Darüberhinaus danken die Autoren den Kollegen aus der Radiologie für die Möglichkeit zur Nutzung der Computertomographie.