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==Probleme und Lösungen bei der Anwendung des Navigationssystems in der laparoskopischen Leberchirurgie==
https://ceur-ws.org/Vol-1475/Proceedings_CURAC_2010_Paper_45.pdf
Probleme und Lösungen bei der Anwendung des
Navigationssystems in der laparoskopischen Leberchirurgie
A. Besirevic¹, V. Martens², O. Shahin², H.-P. Bruch¹, M. Kleemann¹
¹ UKSH Campus Lübeck, Klinik für Chirurgie
² Universität Lübeck, Institut für Robotik und Kognitive Systeme
Kontakt: armin.besirevic@uk-sh.de
Abstract:
Lebertumore stellen ein weltweit verbreitetes Problem dar. Die beste zurzeit verfügbare Therapieform bietet eine
„offene“ oder laparoskopische chirurgische Resektion an. Die allgemeinen Vorteile einer laparoskopischen
Operation in der Leberchirurgie sind bereits bekannt. Die dabei fehlende Tiefeninformation bzw. der fehlende
Tastsinn für den Chirurgen können durch den Einsatz eines bildgestützten-Navigationssystems kompensiert
werden. Wir haben ein US–basiertes Navigationsystem entwickelt und verwenden dabei zur Lageverfolgung der
chirurgischen Instrumente ein handelsübliches elektromagnetisches Trackingsystem. Der Einsatz eines solches
Systems im sterilen chirurgischen Umfeld birgt Probleme und Herausforderungen in sich, die gelöst werden
müssen. Wir präsentieren in diesem Artikel Lösungen für einen Teil dieser Probleme.
Schlüsselworte: Laparoskopische Leberchirurgie, Navigationssystem, Elektromagnetische Trackingsensoren
1 Problem
Mit einer jährlichen Inzidenz von fast 1 Million Patienten ist das hepatozelluläre Karzinom (HCC) einer der
häufigsten soliden malignen Tumore der Welt. Außerdem stellen Lebermetastasen bei knapp 50 % aller
Patienten mit malignen Tumoren ein klinisches Problem dar. Lebertumoren haben daher einen großen klinischen
Stellenwert und eine hohe sozioökonomische Bedeutung. Bis heute stellt ohne Zweifel die chirurgische
Resektion den Gold-Standard für die beste verfügbare Therapiealternative von primären und sekundären
Lebermalignomen dar.
Bereits zu Beginn der Entwicklung der minimal-invasiven Chirurgie Anfang der 90er Jahre wurden
laparoskopische Eingriffe an der Leber vorgenommen. Die allgemeinen Vorteile der laparoskopischen bzw.
minimal invasiven Operation sind auch für Lebereingriffe unbestritten. Hierzu zählen neben den kosmetischen
Aspekten auch medizinisch relevante Vorteile wie geringere Blutungsraten, geringere postoperative Schmerzen,
reduzierte Wundheilungsstörungen u.ä. und damit verbunden sozioökonomische Vorteile wie kürzere stationäre
Aufenthalte. Nachteile, wie z.B. der fehlende und für den Chirurgen wichtige Tastsinn bzw. die fehlende
Tiefeninformation, können durch den Einsatz eines US–gestützten Navigationssystems kompensiert werden.
Wir haben in unserer Arbeitsgruppe ein US-gestütztes Navigationssystem („LapAssistent“) zur Unterstützung
der laparoskopischen Leberchirurgie entwickelt. Dabei verwenden wir als Teil unseres Systems ein
elektromagnetisches Trackingsystem, da ein optisches System wegen Sichtproblemen bei einer biegsamen
laparoskopischen US Sondenspitze nicht einsetzbar ist.
Die Anwendung eines solchen bildunterstützten Navigationssystems birgt einige Herausforderungen:
- Flexibilität der laparoskopischen US-Sondenspitze und daraus folgende Problematik der Sensorbefestigung
- Befestigung der Sensoren an den chirurgischen Dissektionsinstrumenten
- Sterilisation der elektro-magnetischen Trackingsensoren und deren Einsatz in der sterilen chirurgischen
Umgebung
- Kalibrierung im sterilen Bereich und Integration der Anwendung in den chirurgischen Workflow
- Registrierung der intraoperativen 2D - US und präoperativen DICOM (CT oder MRT) Daten
Um das System im chirurgisch-sterilen Bereich einsetzen zu können, müssen diese Probleme gelöst werden.
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2 Methoden
Eines der bekannten Probleme bei der Anwendung der Navigationssysteme in der laparakoskopischen
Leberchirurgie ist die reproduzierbare Befestigung der elektromagnetischen Trackingsensoren an der
beweglichen Spitze einer laparoskopischen Ultraschallsonde [1].
Vor allem die zylindrische und/oder die konische Form der laparoskopischen Sondenspitzen stellt eine große
Herausforderung für eine sichere Befestigung eines Sensors/Adapters dar. Erschwerend ist zudem, dass einige
US - Sondenspitzen für eine technisch sichere und reproduzierbare Adapter- bzw. Sensorbefestigung eine relativ
geringe zylindrische Fläche von nur ca. 5mm anbieten. Eine größere Flächennutzung bzw. eine
Adaptervergrößerung zur Spitze hin kann zu einer Schallflächenbedeckung und damit zu einer qualitativen
Verschlechterung der bildlichen Darstellung führen.
Hinzu kommt das Problem der Größe des Außendurchmessers von Sonden und Sensoren. Die meisten
laparoskopischen US Sonden haben einen Durchmesser von ca. 10mm. Hinzu kommt der elektro-magnetische
Trackingsensor mit einem Außendurchmesser von 2.25mm. Dies schließt die Anwendung eines 12mm Trokars
schon im Voraus aus. Eine Anwendung größerer Trokare als 15mm Durchmesser hätte keine minimal-invasiven
und vor allem keine kosmetischen Vorteile für den Patienten und ist daher für uns nicht akzeptabel. Deshalb war
es uns wichtig für verschiedene laparoskopische US Sonden Adapter zu bauen, die zusammen mit der Sonde und
dem Sensor die Verwendung eines 15mm Trokars erlauben. Das bedeutet, dass für eine reproduzierbare, feste,
nicht zerbrechliche und leicht-handhabbare Befestigung der Trackingsensoren an der Spitze der
laparoskopischen US Sonde deutlich weniger als 3mm zur Verfügung bleiben.
Wir haben für mehrere laparoskopische US Sonden individuelle Lösungen entworfen, konstruiert und angefertigt
und einige davon schon erfolgreich getestet. Dabei konnten wir verschiedene reproduzierbare Adapter mit
Außendurchmessern von ca. 14.5mm für die laparoskopischen Sonden BK Medical, Toshiba, Philips und Aloka
realisieren (Abb. 1.). Für die Fertigung der Komponenten wurden ausschließlich die biokompatiblen und
sterilisierbaren Werkstoffe PEEK, Edelstahl und Titan verwendet. Für die laparoskopische Hitachi Sonde wird
ein anderer Ansatz verwendet und der Biopsiekanal für die Sensorpositionierung genutzt. Dabei blockiert und
positioniert ein Stöpsel aus PEEK die Sensorspitze im Sondenkanal, die Verschiebung und Verdrehung wird dort
durch eine Kabelfixierung am Griff erreicht.
Die Sterilisation bzw. Wiederaufbereitung der elektro-magnetischen Sensoren und deren steriler Einsatz in der
sterilen chirurgischen Umgebung stellen für die praktische medizinische Anwendung immer noch ein ungelöstes
Problem dar. Aus diesem Grund wurden mehrere mikrobiologische Tests und Sterilisationsuntersuchungen mit
den elektro-magnetischen Sensoren unseres Systems durchgeführt. Diese mehrfachen Untersuchungen fanden im
Institut für Hygiene und Mikrobiologie des UKSH Lübeck statt.
Der Testsensor wurde zuerst mit einer hohen Konzentration von Testkeimen kontaminiert. Die Keimlösung
(Geobacillus stearothermophilus ATCC 7953, 2 x 107 KBE/ml) wurde gleichmäßig auf dem Sensorkabel verteilt.
Nach Antrocknung wurde der Sensor in den Siebkorb eingelegt, ein Sporenstreifen (Bioindikator mit
Geobacillus stearothermophilus) hinzugefügt und in einer Sterilisationsumhüllung aus Papier/Poliamid
doppelverpackt. Die Sterilisationen der Sensoren wurden im Großraumsterilisator (Fa. Webeco, E26) bei 134°C,
5Min. durchgeführt. Als positive Kontrolle wurde ein weiterer Sensor auf gleiche Weise kontaminiert, jedoch
nicht sterilisiert. Die ersten Tests der positiven Kontrolle nach der Antrocknung, und Spülung mit 20ml sterilen
aqua ad injectabilia zeigten eine Kontamination von 2,5 x 106 KBE/Sensor.
Nach der Sterilisation wurden die Sensoren unter aseptischen Bedingungen ausgepackt und in einer sterilen
Bouillon überführt. Außerdem wurde der autoklavierte Bioindikator (neg. Kontrolle) auch in eine sterile
Bouillon überführt. Beide Kulturen wurden 7 Tage bei 56°C bebrütet und danach die Ergebnisse ausgewertet.
Die Kalibrierung der verschiedenen US Sonden muss vor dem Einsatz in dem sterilen Bereich durchgeführt
werden. Wir benutzen einen speziell nach unseren Anforderungen angefertigten US-Kalibrierkörper für die
Kalibrierung der laparoskopischen US Sonden. Der Kalibrierkörper ist nicht sterilisierbar und wird
ausschließlich mit einem sterilen Überzug verwendet.
Für die Kalibrierung der Dissektionsinstrumente wurde ein Kalibrierkörper aus sterilisierbarem und
biokompatiblem Material PEEK entworfen, konstruiert und hergestellt. Er ermöglicht eine Kalibrierung der
zylinderförmigen Dissektionsinstrumente.
Wie schon am Anfang erwähnt, stellt eine Registrierung der präoperativen diagnostischen mit intraoperativen
Daten eine weitere Herausforderung dar. Eine Methode der Registrierung, die z.Zt. in unserem
Navigationssystem „Lap Assistent“ verwendet wird, wurde bereits präsentiert [2]. Dabei wird die Registrierung
mit drei Schritten durchgeführt: a) Präregistrierung mit vier Landmarken auf der Leberoberfläche, b)
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Oberflächenregistrierung mit der US Sonde und c) Blutgefäßeregistrierung. Auf weitere Einzelheiten wird hier
nicht näher eingegangen.
3 Ergebnisse
Die Adapter für die Sensorbefestigung an den laparoskopischen US-Sonden wurden für jede laparoskopische US
Sonde individuell entworfen und konstruiert.
Abb. 1a-d. Verschiedene Lösungen der reproduzierbaren Adapter mit einem Außendurchmesser unter 15mm für
diverse lap. US Sonden wie z.B.: BK–Medical (1a), Toshiba (1b), Philips (1c) und Aloka (1c).
Für die Anbringung des Adapters bzw. des Sensors an der BK Medical Sonde (Abb.1a) wird die schräge
Biopsieführung in der Sonde genutzt. Der Adapter wird auf der oberen Seite positioniert und ist genau an die
zylindrisch-konische Aussenfläche der Sonde angepasst. Die Befestigung selbst wird mit einer
Titanschraubenverbindung erreicht. Für die Schraubenbefestigung wird ein speziell dafür entworfener und
konstruierter Schraubendreher verwendet. Der Schraubendreher wurde aus sterilisierbarem Material angefertigt
und darf in steriler chirurgischer Umgebung eingesetzt werden. Der Sensor wird mithilfe einer polungssicheren
Hülse mit dem Adapter verbunden. Diese Lösung ermöglicht eine reproduzierbare Sensorbefestigung, die uns
eine Kalibrierung vor der OP und in Laborbedingungen ermöglicht. Bei den anderen abgebildeten Sonden
werden zur Sensorbefestigung verschiedene Verbindungen aus zwei Ringen verwendet (Abb.1b, c, d). Der
Innenring ist an die Sondenoberfläche und –form genau angepasst und wird mit einem zweiten Außenring
befestigt. Dank einer Positionierhilfe, die an die Spitze der US Sonde exakt angepasst ist, lässt sich der Ring
über eine Nut-Zapfen Verbindung zwischen dem Positionsteil und dem Ring reproduzierbar positionieren und
befestigen (Abb. 2). Der Sensor wird auch in diesem Fall mithilfe einer polungssicheren Hülse mit dem Ring
verbunden.
Abb. 2. Anbringung der Ringadapter mit einem Positionsteil bei Toshiba (links) und Philips (rechts)
Bei der Befestigung der Sensoren und Adapter an verschiedenen laparoskopischen chirurgischen Instrumenten
haben wir bisher einige Erfahrungen gesammelt und verschiedene Lösungen realisiert wie z.B. in Abb 3.
Hierbei wurde der Adapter mit einer max. Toleranz von 0.1mm an die Schaftdurchmesser der Instrumente
angepasst und lässt sich mit einer Schraubenverbindung an gewünschten Stellen innerhalb kurzer Zeit (unter
10sec.) befestigen. Der Sensor wird mit einer polungssicheren Hülse mit dem Adapter verbunden. Dabei wurde
eine Entfernung von 40mm zwischen Instrument und Sensor gewählt, um eine eventuelle Störung durch das
Instrumentenmaterial zu minimieren.
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Abb. 3. Befestigung der Adapter und Sensoren an den laparoskopischen Dissektionsinstrumenten Ultracision
(links) und Cusa (rechts)
Um die elektromagnetischen Trackingsensoren in sterilem chirurgischem Bereich einsetzen zu dürfen, mussten
sie auf ihre Sterilisierbarkeit hin untersucht werden. Die Auswertungen der Sterilisationsuntersuchungen haben
ergeben, dass kein Bakterienwachstum in den Bouillons bei beiden Proben aufgetreten ist. Die positive Kontrolle
ergab dagegen bewachsene Bouillon. Der Vorgang wurde dreimal erfolgreich wiederholt (Tab.1).
Die Untersuchungen auf Wiederaufbereitung inkl. Autoklavierbarkeit der elektro-magnetischen Sensoren
wurden erfolgreich durchgeführt und brachten uns damit positive Ergebnisse, welche bei der Reinigung,
Desinfektion und Sterilisation der Sensoren z.Zt. verwendet werden.
Auswertung nach der Dampfsterilisation 134°C, 5 Min. Positive Kontrolle
Versuchs - Nr. Testkeim nachgewiesen Sporenstreifen in der Verpackung Testkeim nachgewiesen
Testkeim nachgewiesen
Versuch Nr. 1 Nein Nein 2,5 x 106
Versuch Nr. 2 Nein Nein 1,0 x 106
Versuch Nr. 3 Nein Nein 1,2 x 106
Tabelle 1: Ergebnisse der Sterilisationsuntersuchungen der elektro-magnetischen Trackingsensoren
Die folgenden Abb. 4 und 5 zeigen die Anwendungen der beiden Kalibrierkörper in der sterilen Umgebung.
Abb.4. US – Kalibrierkörper und Anwendung im sterilen Überzug (links). Darstellung der Kalibrierfäden im
US-Bild (rechts).
Abb. 5. Instrumenten-Kalibrierkörper. Kalibrierung eines Ultracision-Dissektors: Pivotierung der
Instrumentetspitze (links). Rotation des Instrumentenschaftes (Mitte) und mit neuem Kalibrierkörper (rechts).
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Die Handhabung des US-Kalibrierkörpers ist trotz des sterilen Überzugs einfach und schnell und funktioniert bei
jeder laparoskopischen US-Sonde. Der Instrumenten-Kalibrierkörper ist ebenfalls leicht zu bedienen, anwendbar
bei allen zylindrischen Dissektionsinstrumenten (auch Ablationsnadeln) und zudem vollständig autoklavierbar.
Für den Einsatz beider Kalibrierkörper ist allerdings ein zusätzlicher steriler Tisch notwendig. Aus diesem Grund
wurde vor kurzem ein neuer Ansatz verfolgt und ein anderer Kalibrierkörper entwickelt. Dieser wird direkt auf
den Transmitter positioniert, ist noch einfacher in der Handhabung und ermöglicht eine Kalibrierung der
Dissektionsinstrumente (Abb.5. rechts). Bei zusätzlicher Verwendung von präkalibrierbaren US-Sonden (z.B.
BK-Medical) kann somit ganz auf einen sterilen Tisch verzichtet werden und mehr Platz im sowieso knappen
OP-Raum gewonnen werden.
Der Aufbau der beiden Kalibrierkörper im sterilen Bereich, die Kalibrierung der laparoskopischen US Sonden
oder chirurgischen Instrumente wurde in den chirurgischen Workflow eingebaut und ist in sehr kurzer Zeit
durchführbar.
4 Diskussion
Es wurden einige Probleme bei der Anwendung eines Navigationssystems in der Leberchirurgie angesprochen
und dazu passende Lösungen gezeigt. Die reproduzierbare Anbringung der Sensoren an der Spitze der
laparoskopischen US Sonde ist aufgrund der Sondenformen und des geringen Platzes durchaus schwierig. Wir
haben einige Lösungen entwickelt und erfolgreich in der Praxis realisiert. Die aktuellen Lösungen ermöglichen
eine reproduzierbare Positionierung der elektromagnetischen Trackingsensoren an der beweglichen Spitze der
verschiedenen US Sonden. Außerdem können bei einem Aussendurchmesser der US-Sonde von 10mm und
einem Aussendurchmesser der Sensoren von 2.25mm alle Lösungen mit einem Aussendurchmesser von ca.
14.5mm realisiert werden. Dies ermöglicht das Tracking der laparoskopischen US Sonden in einem 15mm
Trokar. Verglichen mit den ursprünglichen Ergebnissen zur Beginn der Entwicklung mit den Durchmessern über
18mm sind diese Ergebnisse eine deutliche Verbesserung.
Die Wiederaufbereitung inkl. Autoklavierung der Trackingsensoren ist in der medizinischen Praxis ein nicht
ganz geklärtes Problem. Wir haben nach mehreren mikrobiologischen Untersuchungen ein positives Ergebnis
erzielt und einen Weg gefunden, die Sensoren zu reinigen, zu desinfizieren und nach der Autoklavierung in der
sterilen chirurgischen Umgebung einzusetzen.
Eine Kalibrierung der US Sonden und chirurgischen Instrumente in der sterilen Umgebung ist eine weitere
Herausforderung. Wir haben einen US Kalibrierkörper nach unseren Anforderungen bauen lassen und können
ihn in der sterilen Umgebung problemlos einsetzen. Mit reproduzierbaren und sterilisierbaren
Befestigungslösungen, lässt sich der Vorgang im OP aber durchaus vermeiden und präoperativ durchführen.
Eine noch elegantere Option um die Aussenbefestigungen an den Sonden inkl. Kalibrierungen und direkte
Sensorsterilisierung zu umgehen, wäre eine feste Integration des Sensors in die US Sonde selbst. Dies ist aber
nur in Kooperation mit einem Hersteller möglich.
Die Dissektionsinstrumente müssen auch vor dem Einsatz kalibriert werden. Dazu haben wir einen
Instrumenten-Kalibrierkörper entworfen, entwickelt und nach der Fertigung erfolgreich getestet. Der Einsatz
dieses Kalibrierkörpers ist für die sterile chirurgische Umgebung durch sterilisierbares Material möglich.
Das Projekt wird vom BMBF (Bundesministerium für Bildung und Forschung-Förderkennzeichen 01IBE03A)
finanziert.
5 Referenzen
[1] Besirevic A, Schlichting S, Martens V, Hildebrand P, Roblick UJ, Mirow L, Bürk C, Schweikard A,
Kleemann M & Bruch HP, Design and Development of sterilisable adapters for navigated visceral
(liver) surgery and first practical experiences, Int. J. CARS, Vol. 2 (Suppl 1): S273-2, Juni 2007
[2] Martens V, Shahin O., Besirevic A., Schlaefer A. A combined surface and ultrasound image
approach for registration in laparoscopic liver surgery, Int. J. CARS, Vol.5 (1): S285-287, Juni 2010
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