Intuitive verständliche Navigationshilfen für Operateure in der minimal invasiven Chirurgie werden durch das vorgestellte Erweiterte Realitäts - System direkt auf den Körper des Patienten projiziert. Das System berechnet Pfade einer Intervention anhand aufgezeichneter Trajektorien und erstellt daraus einen Navigationspfad, der aus einer Abfolge von Zielregionen besteht. Der Operateur kann diesen Pfad für eine präoperative Planung nutzen und modifizieren. Zu Beginn der Operation werden optimierte Trokarpositionen auf den Körper des Patienten projiziert. Intraoperativ werden dann Zielregionen ausgehend von der Instrumentenspitze des chirurgischen Instruments visualisiert um die Navigation zu erleichtern. Durch Selektion der endoskopischen Kamera als Zielregion, kann zudem die Navigation der Instrumentenspitzen in das Sichtfeld der Kamera erleichtert werden. Die vorgestellten Navigationshilfen sind intuitiv verständlich und ermöglichen einen Zielfindungsprozess mit einer durchschnittlichen Genauigkeit von 2.6mm. Durch zusätzliche Projektion von Bildgebungsdaten kann die Indirektion aufgehoben werden, welche durch die Blickrichtung des Operateurs auf das Endoskopbild entsteht.
tisch einen Vorschlag für einen präoperativen Plan, welcher vom Operateur weiter modifiziert und verfeinert werden kann. Die vorgestellten Navigationshilfen werden intraoperativ direkt auf den Körper des Patienten projiziert und unterstützen den Zielfindungsprozess der jeweils nächsten Zielregion. Ist diese erreicht, kann der Operateur die nächste Zielregion wählen.
Die automatische Berechnung von Pfaden wurde bereits in einigen Forschungsarbeiten untersucht, um
dem Operateur aus gelernten Trajektorien eines Experten Hilfestellungen bezüglich einer auszuführenden
Aufgabe zu gegeben [
Eine Navigationshilfe, die einem Operateur vollautomatisch einen Pfad vorgibt und die aktuelle Position innerhalb des Pfades auch während einer längeren Operation findet, um den Operateur stetig und robust bis ans Ziel seiner Operation zu leiten, ist nicht bekannt. Wir sind der Überzeugung, dass der Operateur bislang manuell den Übergang von einer Zielregion zur nächsten bestimmen sollte, um Sicherheit im Zielfindungsprozess zu gewährleisten.
Um eine intuitive Visualisierung der nächsten Zielregion zu bieten, erfolgt die Visualisierung der
Navigationshilfen einerseits über eine dreidimensionale Ansicht am Bildschirm und andererseits über das von
Hoppe et. al [
Streifenlicht zur Erfassung des Oberflächenmodells
Es gibt bereits Ansätze, die eine Visualisierung des Zielfindungsprozesses untersuchen und realisieren.
Beispielsweise ist der Zielführungsprozess des Probaris-Systems patentiert [
Die Navigationshilfen bestehen zum einen aus einem Symbol, das auf den Körper projiziert wird und intuitiv anzeigt, in welche Richtung der Operateur das Instrument bewegen muss, um eine Zielposition zu erreichen. Zum anderen wird ein Navigationspfad als Navigationshilfe berechnet und visualisiert. Es handelt sich um eine zusammenhängende Abfolge von Zielregionen, verbunden durch Zylindersegmente, welche die aufgezeichneten Trajektorien eines erfahrenen Operateurs umschließt. In Abbildung 2 ist eine Trajektorie und der berechnete Navigationspfad zu sehen. Über die Radien der einzelnen Zylindersegmente werden Abweichungen der Trajektorie als Konfidenzintervall berücksichtigt. Zusätzlich zu diesem Navigationspfad wird die aktuelle Position der Instrumentenspitzen auf einem Bildschirm visualisiert. Wird das Konfidenzintervall des Pfades verlassen, wird die Farbe des Navigationssymbols verfärbt, um den Operateur vor einer möglichen Gefahr zu warnen. 2.1
Für die Berechnung des Navigationspfades werden Trajektorien mit einer festen Frequenz abgetastet und aufgezeichnet. Um eine für die Intervention typische Abfolge von Zielregionen zu berechnen, wird für jede Trajektorie der Instrumente separat ein Clustering durch den Complete Linkage Algorithmus durchgeführt, einer agglomerativen hierarchischen Clustertechnik, die iterativ die Anzahl der Cluster verringert, indem jeweils zwei Cluster mit minimaler Distanz vereint werden. Dazu werden die Distanzen der am weitesten entfernten Elemente der Cluster verwendet, wodurch sich kompakte Cluster ergeben. Diese iterative Prozedur wird beendet sobald n Cluster erzeugt wurden. Die Anzahl der Zielregionen n kann frei gewählt werden. Als Metrik wird die dreidimensionale Euklidische Distanz verwendet. Zusätzlich wird die Bedingung eingeführt, dass in jedem Schritt nur Punkte vereinigt werden, welche zeitlich direkt aufeinander folgen. Nach dem Clustering wird jeder Cluster durch seinen räumlichen sowie seinen zeitlichen Schwerpunkt repräsentiert. Die n Cluster weden nach aufsteigender Zeit sortiert, wodurch sich eine Durchlaufreihenfolge der Zielregionen ergibt. Um jeden Clusterschwerpunkt wird eine Kugel gelegt, deren Radius proportional zur räumlichen Varianz der Elemente um den Clusterschwerpunkt ist. Durch Verschieben der Kugel zum jeweils zeitlich folgenden Clusterschwerpunkt, ergibt sich eine Abfolge von aneinanderhängenden SweptSphere Objekten. Dies ermöglicht effiziente Punktanfrage, um festzustellen, ob sich die Instrumentenspitze im Pfad befindet. Die berechnete Abfolge von Zielregionen, sowie die Radien der einzelnen Segmente können vom Operateur modifziert werden, um die Intervention am Patienten zu planen.
Abb. 2: Trajektorie, Abfolge von Clusterschwerpunkten und Navigationspfad aus Swept-Sphere Objekten. Um den Patienten zum Projektorsystem zu registrieren, wird die Körperoberfläche des Patienten mit dem Pobarissystem gescannt und das entstandene Oberflächenmodell mit den präoperativen Daten in Deckung gebracht. Während der Intervention wird dann das chirurgische Instrument fortlaufend optisch getrackt. Über die Transformation, welche aus der Registrierung gewonnen wurde und den geometrischen Eigenschaften des Instruments, wird die Instrumentenspitze fortlaufend im Planungskoordinatensystem lokalisiert und es ist möglich die abgetasteten Trajektorien aufzuzeichnen. 2.2
Die Richtung zum Zielpunkt wird durch ein Kreuz symbolisiert, welches sich in Draufsicht direkt über dem Zielpunkt befindet. Zudem wird eine Linie vom Eintrittspunkt der Instrumente in den Körper (Trokarposition) zu diesem Kreuz eingezeichnet. Die Linie zeigt also die Richtung an, in der sich das Ziel befindet. Die Tiefe wird durch einen Kreis um das Richtungssymbol angezeigt. Der Radius des Kreises visualisiert die Tiefendifferenz zwischen der Ist-Position und der Soll-Position der Instrumentenspitze. Ist das Instrument zu tief, verfärbt sich der Kreis rot.
x
w
Abb. 3: Gescanntes Oberflächenmodell, Trokarposition A, Instrumentenspitze B, Zielpunkt C.
In Abbildung 3 bezeichnet Punkt A den Eintrittspunkt der Instrumente in den Körper (Trokarposition). Der Vektor v=C-B von der Instrumentenspitze B zum Zielpunkt C bestimmt die visualisierte Richtung, w=C-A gibt die Richtung vom Eintrittspunkt zum Zielpunkt an und x=B-A die Richtung vom Eintrittspunkt zur Instrumentenspitze. Der Radius des Tiefenkreises ist proportional zu δ=|w|-|x|, der Länge der Strecke, um die das Instrument in den Körper eingeführt oder herausgezogen werden muss, um dieselbe Tiefe im Körper zu erreichen, die auch der Zielpunkt vom Eintrittspunkt hat. Beim Annähern an das Ziel bewegt sich das Navigationskreuz somit auf den Eintrittspunkt zu, bis die Instrumentenspitze das Ziel erreicht hat. Ist der Tiefenkreis zu sehen, muss das Instrument tiefer in den Körper eingeführt werden. Dabei wird der Kreisradius kleiner, bis er schließlich auf der Höhe des Zielpunktes zu einem Punkt wird. Ist das Symbol rot, ist das Instrument zu tief eingedrungen.
Die Genauigkeit des gesamten Projektorsystems (Einscannen, Registrierung und Projektion) beträgt
durchschnittlich 2.6 mm, wobei der Fehler zum Rand des Abdomens zunimmt und im Bereich um den Bauchnabel
eine Genauigkeit von einem Millimeter erreicht [
Der Vorteil der direkten Visualisierung auf dem Abdomen kann vom Operateur genutzt werden, wenn die Endeffektoren der Instrumente nicht im Endoskopbild sichtbar sind. In einer typischen chirurgischen Situation wird zuerst das Endoskop in den Körper geführt, um das Operationsgebiet zu betrachten, erst danach werden die Instrumente eingeführt. Die Endeffektoren sind damit im Allgemeinen nicht im Sichtbereich des Endoskops. Der vorgestellte Zielführungsprozess erleichtert diese „blinde Navigation“, wenn das Endoskop als Ziel gewählt wird. Auch während der Operation kann die Visualisierung der momentanen Kameraposition für den Assistenten beim Einführen und Navigieren des Instruments eine Hilfe bieten. Durch das System ist eine genaue Navigation zu Zielregionen möglich, die der Operateur in der präoperativen Bildgebung segmentiert und zum berechneten Navigationspfad hinzugefügt hat.
Durch eine Integration von Navigationssymbolen in das Endoskopbild, bleibt die Indirektion zwischen Blickrichtung und Intervention am Situs bestehen, jedoch wäre Informationszuwachs im betrachteten Endoskopbild gegeben. Im Gegenzug könnte durch eine entzerrte Projektion präoperativer Bilddaten auf das Abdomen der Informationsgewinn beim direkten Betrachten des Patienten erhöht werden. Beispielsweise könnten Schichten der präoperativen Bildgebung als Draufsicht durch das System entzerrt auf das Abdomen projiziert werden, wobei die Höhe der dargestellten Schicht durch die Höhe der Instrumentenspitze bestimmt wird und der Operateur durch ein am Instrumentengriff angebrachtes Scrollrad zusätzlich die Möglichkeit bekommt durch die Schichten zu navigieren. Bei fortlaufender Entwicklung echtzeitfähiger Bildgebungsverfahren, kann in Verbindung mit Methoden der Erweiterten Realität, darüber hinaus das Ziel verfolgt werden, Operateuren in der minimal invasiven Chirurgie die Möglichkeit zu bieten, „durch den Abdomen hindurch“ zu sehen. Eine dreidimensionale Visualisierung der Anatomie auf dem Abdomen des Patienten wäre dann dadurch möglich, das Projektorsystem mit Shutter-Brillen zu synchronisiert und abwechselnd Bilder für das rechte und das linke Auge zu projizieren. Durch Tracken der Blickrichtung der Operateure kann so der Eindruck eines dreidimensionalen Bildes erzeugt werden.
Im vorgestellten Ansatz gibt der Operateur an, wann eine Zielregion erreicht ist. Zudem ist eine Kontrolle
der Übertragbarkeit der Pfade nötig. Ein weiteres Forschungsziel ist eine kognitive Erweiterung des
Ansatzes, um eine automatische Übertragung und Zielführung über die gesamte Intervention hinweg zu
erreichen. Dies erfordert Kontextwissen und eine semantische Interpretation der Intervention.
In Kombination mit optimierten Trokarpositionen, wie sie in [
Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen des Graduiertenkollegs 1126 – „Intelligente Chirurgie – Entwicklung neuer computerbasierter Methoden für den Arbeitsplatz der Zukunft in der Weichteilchirurgie“ und wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt.