Die seitliche Schädelbasis enthält sehr relevante, vital notwendige Strukturen, u.a. die innere Halsschlagader, der Gesichtsnerv, das Innenohr mit Gleichgewichts- und Hörorgan sowie Anteile des Geschmacksnervs. Zur Behandlungen von Pathologien in diesem Bereich sind präzise Interventionen für ein minimales Trauma beim Patienten gefordert. Bei solchen mikrochirurgischen Eingriffen ist ein definierter und vollständiger Knochenabtrag im Submillimeterbereich mit Schonung der darunter liegenden Nerven, Gefäße und Organe zwingend erforderlich. Als Anforderungen an ein neuartiges System ergeben sich die Detektion von Gewebeübergängen sowie der Stopp des Knochenabtrags vor dem Erreichen bzw. der Schädigung angrenzender Weichgewebestrukturen. Lösungsansätze bestehen in der Regelung des Knochenabtrags durch automatische Grenzflächendetektion mittels Videoüberwachung und/oder optischer Kohärenztomographie sowie Bildverarbeitung. Das System soll beispielhaft anhand der Eröffnung des Innenohrs (Cochleostomie) evaluiert werden.
Laser bietet ein gutes Strahlprofil (TEM00) und eine gute Fokussierbarkeit (Ø<250 μm). Über die fein skalierbare Pulsenergie ist eine sehr gute Kontrollierbarkeit der Dicke der einzelnen Abtragschichten möglich. Zur Regelung der Laserablationsmuster und Abtragtiefe sind Verfahren zu einer sicheren Detektion von biologischen Grenzflächen erforderlich. Mögliche Ansätze werden im Folgenden beschrieben. Ein weiterführendes Ziel ist, die systematische Erfassung der biologischen Grenzflächen durch die zu entwickelnde Sensorik auf das Laserablationsverfahren zu übertragen und den Abtrag damit zu regeln. Beispielsweise würden entsprechend als Grenzfläche erkannte Gebiete des OP-Situs im nächsten Ablationszyklus ausgespart werden können. Der Chirurg würde hierfür einen entsprechend Vorschlag über die Software des Lasersystems erhalten mit der Möglichkeit der Modifikation des vorgeschlagenen Ablationsmusters. 2
Prinzipiell können optische, akustische, haptische oder radiologische Methoden zur Grenzflächendetektion beim Übergang von knöcherner zu nicht-knöchernen Strukturen Verwendung finden. Als initiales Anwendungsbeispiel dient die Präparation der membranösen Auskleidung des Innenohrs während der Cochleostomie. Unsere beiden Ansätze sind optisch, um eine Integration in den Strahlengang der Laserablation zu ermöglichen.
Die erste Methode beruht auf einer mikroskopischen Videoüberwachung in Kombination mit
Bildverarbeitungsmethoden. Freipräparierte Strukturen sollen anhand von einer automatischen Bildmustererkennung identifiziert werden. Für
die Segmentierung dieser Regionen hat sich der Color Structure Code (CSC) als geeignet herausgestellt. Die
segmentierten Bereiche stellen die Grenzflächen dar und dienen als Grundlage für die weitere Ablationspulsregelung. Der
Vorteil dieses Ansatzes liegt in der vergleichbar einfachen Einbindung in den Operationsablauf. Komponenten dieses
Systems sind in heutigen Operationssälen vorhanden (Mikroskop, Kamera, Laser) [
Die optische Kohärenztomographie (OCT) als weiterer methodischer Ansatz ermöglicht zudem eine Tiefendarstellung
des Gewebes auf der Basis reflektierter Laserstrahlen. Die prinzipielle Abbildbarkeit von Knochen oder
Innenohrstrukturen wurde bereits in anderen Forschungsarbeiten gezeigt [
Im Gegensatz zu einer konventionellen Eröffnung des Innenohres mittels einer rotierenden Fräse, wo bei
Mikroskopieaufnahmen das Endost als Grenzschicht deutlich identifizierbar ist, ist dieses bei Lasercochleostomien
bisher nicht durchgehend gelungen (vgl. Abb. 1a). Bei den meisten Experimenten konnte die Ablation erst nach dem ersten
Laserpuls gestoppt werden, welcher durch die Membran oder Perilymphe absorbiert wurde. Sind größere Bereiche der
Membran (Endost) und des eröffneten Bereichs freigelegt, funktionierte die Segmentierung stabil (vgl. Abb. 1b/c). In
späteren Experimenten gelang die Adaptation der Laserpulsmuster und der Reduzierung der Pulsenergie, um eine bis
auf mit geringen Knochenfragmenten bedeckte Membran darzustellen (vgl. Abb. 1d).
d)
Abb. 1: Videoüberwachungsaufnahmen während einer Lasercochleostomie. a) Ein erster (mit der Methode der
Videoüberwachung oft nicht vermeidbarer) Laserpuls, der durch die Grenzschichten hindurch in die Cochlea
appliziert wird. b) Darstellung eines Teils der membranösen Auskleidung unterhalb der Eröffnung. c) Automatisch
segmentierte Regionen von Membran (blau) und Eröffnung (gestreift). d) Membran ca. zu einem Drittel freigelegt.
Die optische Kohärenztomographie ermöglicht hingegen ein Premonitoring, bei dem die Restkochendicke bekannt ist,
die über der kritischen Struktur liegt. Unsere bisherigen Experimente zeigen, dass mindestens 150µm vor einer
Perforation die Lage der Grenzfläche bekannt ist (vgl. Abb. 2). Die Proben wurden mit einem selbstgebauten OCT-System
untersucht [
Abb. 2: Darstellung von Strukturen an einer humanen Cochlea mittels optischer Kohärenztomographie. In dem exemplarischen 2D-Schichtbild kann der Knochen mit einer Dicke von mindestens 160µm dargestellt werden. Entscheidend ist die Identifizierbarkeit einer klar erkennbaren Strukturunterkante, die für eine automatische Segmentierung und somit für die Grenzflächendetektion während der Laserknochenablation verwendet werden kann. 4
In der klinischen Routine bei Manipulationen an der Schädelbasis oder Innenohr finden bisher keine navigiert kontrollierten, reproduzierbaren Prozeduren für einen Knochenabtrag im Submillimeterbereich Verwendung. Als Konsequenz ist ein entsprechender Funktionsverlust beispielsweise des Hörorgans oder Nervenschäden möglich. Für eine Detektion der Grenzfläche zwischen Knochen und Weichgewebe (Knochenhaut, Nerven, Blutgefäße, etc.) sind verschiedene Messmethoden möglich. Zwei optische Verfahren wurden anhand von Messergebnissen bei Experimenten am Innenohr in diesem Beitrag beschrieben. Die optische Kohärenztomographie zeigt sich in unseren initialen Untersuchungen der normalen Videoüberwachung bezüglich der Vorhersehbarkeit des Erreichens einer Grenzfläche bei der Laserablation überlegen. Untersuchungen bzw. Optimierung der Systeme bezüglich der maximal möglichen Eindringtiefe in Knochen sowie der automatischen Erkennung der Grenzfläche mittels Bildverarbeitung bei der optischen Kohärenztomographie stehen noch aus. Bezüglich notwendiger Redundanz können eventuell später beide Verfahren (Videoüberwachung und OCT) parallel eingesetzt werden. Dem Operateur stände durch die hier beschriebene Kombination der Grenzflächenerkennung mit der Laserknochenablation ein neues Werkzeug zur Verfügung, welches nach erfolgtem Ausrichten auf die Zielstruktur eine Ein-Knopf-Lösung für das automatische Freipräparieren von Weichgewebestrukturen unter einer Knochenschicht ermöglichen würde. Die Abbildung 3 zeigt einen möglichen schematischen Aufbau für einen experimentellen Ansatz im Operationssaal mit einem angestrebten koaxialen Strahlengang unter Verwendung eines Operationsmikroskops. Zur Evaluation des Systems müssen aus ärztlicher Sicht noch Untersuchungen durchgeführt werden, die u.a. Sicherheitsaspekte wie Ausschluss von thermischen und akustischen Schäden durch die verwendeten Laser beinhalten oder die Integration in einen OP Ablauf ermöglichen. 5
Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft, die diese Arbeit im Rahmen des SPP 1124 mit dem Projekt „Bildgestützte Navigation eines Laserstrahls zur mikrochirurgischen Knochenablation an der lateralen Schädelbasis“ unterstützt hat sowie im laufenden Normalverfahren „Optische Kohärenztomographie für eine geregelte Laserablation an Grenzschichten der Schädelbasis (OCT-LABS)“ unterstützt (Geschäftszeichen: KL 2113/1-1, KL 2113/3-1). Abb. 3: Schematische Darstellung einer möglichen Integration der Grenzflächendetektion mittels Videoüberwachung (CAM) bzw. optischer Kohärenztomographie (OCT) in ein Operationsmikroskop für die Laserknochenablation. Abbildung a) zeigt die Seitenansicht und b) die Sicht von vorne auf das Mikroskop. 6