Ziel der Arbeit war die Evaluation von Registrierstrategien mit einem neuen Navigationssystems (Fiagon GmbH) im Bereich der lateralen Schädelbasis. Der bisherige klinische Einsatz beschränkte sich auf das Gebiet der Nasennebenhöhlen. Das Navigationssystem integriert sich in den Endoskopieturm, der Magnetfeldgenerator ist in die Kopfstütze des Operationstisches eingebaut. Der an der Instrumentenspitze navigierte FlexPointer wird endoskopisch oder mikroskopisch assistiert eingeführt und zeigt die aktuelle Position im CT-Datensatz. Im Fokus der Untersuchung ist die Bestimmung der Messunsicherheit und im zweiten Schritt ein Vergleich unterschiedlicher Registriermethoden, wobei zusätzlich der Einfluss von OP Sperrern beobachtet wurde. Wir führten die Registrierung und wiederholte Messungen an Schraubmarkern, die an spezifischen Lokalisationen an fünf anatomischen Felsenbeinpräparaten angebracht waren, durch. Aufbau und Bedienung des Navigationssystems zeigen sich am anatomischen Felsenbeinpräparat einfach und gut durchführbar. Eine praktische Anwendung im klinischen Alltag an der lateralen Schädelbasis ist gut vorstellbar. Es zeigte sich ein freies Hantieren im OP-Gebiet ohne Rücksichtnahme auf Sichtlinie. Bei einer Registrierstrategie mit 3 einseitig angebrachten Fiducial-Markern beträgt der Fehler auf der Mastoidoberfläche und im Bereich der aufgebohrten Mastoidhöhle einen Mittelwert von 0,8 mm. Die Messungen am Schraubmarker am inneren Gehörgang zeigte im Mittelwert eine im Vergleich größere Abweichung von 1,6 mm. Im Vergleich verschiedener verbesserter Registrieransätze zeigt sich die geringste Messunsicherheit bei einer Registrierung mit beidseitig angebrachten Titanschrauben gefolgt von der Oberflächenregistrierung im halben Gesicht und der Laterobasis gefolgt von der Registrierung im Bereich der Mastoidhöhle. Die gemessenen Werte entsprechen unserer klinischen Erwartung und sind grundsätzlich bei Kenntnis der vorhandenen Messunsicherheit verwendbar. Intraoperative Bildgebung kann eine Applikation von Schraubmarkern zur Navigation (Goldstandard) während der Operation innerhalb derselben Narkose ermöglichen, oder die Erfassung bereits manipulierter Gewebeoberflächen zur Registrierung bereitstellen. Hier wären dann entsprechende Möglichkeiten zur Erhöhung der Präzision gegeben.
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Das Navigationssystem (FIAGON) besteht im Wesentlichen aus einem Hardwaremodul (Abb. 1), einer Anwendungssoftware, dem Magnetfeldgenerator (Abb. 2) und applikationsspezifischen Sensoren (Abb. 3), wie einem Kopflokalisator und einem flexiblen Pointer, der an der Spitze Sensorspulen trägt. Für die Registrierung wird eine Berechnung der Transformation auf Basis von Punktepaaren (anatomische oder künstliche Landmarken im Model und im Situs) sowie einem nachgelagerten Iterative Closest Point Algorithmus auf Basis von weiteren Oberflächenpunkten durchgeführt.
Abb. 1: Hardwaremodul
Abb. 2: Magnetfeldgenerator
Abb. 3: Kopflokalisator, flexibler Pointer Es wurden Messungen zur Bestimmung der Zielpunktabweichungen mit dem Navigationssystem an fünf Felsenbeinpräparaten durchgeführt. Die ausgewählten Zielstrukturen wurden durch je vier Schraubmarker pro Felsenbein gekennzeichnet. Weitere drei Schraubmarker wurden zur Registrierung im Bereich des Mastoides angebracht. Vier von fünf Felsenbeinen waren mastoidektomiert, alle Präparate waren weitgehend vom Weichteilmantel befreit. Im Zuge der Vorbereitung des Experiments wurde von allen Felsenbeinpräparaten eine Computertomographie mit der Schichtdicke von 1mm durchgeführt. Diese Navigationsdatensätze wurden dann durch das System eingelesen und die Schraubmarker, die der Registrierung oder Evaluierung dienen, werden in den Bilddaten manuell markiert (Abb. 4). Die Position im Bilddatenkoordinatensystem wird so ermittelt und diese Positionen als Referenzdaten gespeichert. Nach der Registrierung auf drei Schraubmarkern wurden an den Schraubmarkern, die der Evaluierung dienen sollen, je zehn Wiederholungsmessungen durchgeführt (Abb. 5). An jeder Schraubenposition werden die gemessenen Daten gespeichert und daraus der mittlere Fehler sowie die Standardabweichung berechnet.
Abb. 4: Festlegung der Registrier- und Evaluationspunkte im Bildkoordinatensystem (Felsenbein Nr. 3)
Abb. 5: Experimentelle Messung der Positionsfehler (Felsenbein Nr. 2) mit angebrachtem Patientenlokalisator und zugehöriger Visualisierung am Bildschirm. In einem zweiten Versuchsaufbau wurde ein Vergleich zwischen der Registrierung an Schraubmarkern und der Registrierung an Hand der Oberfläche durchgeführt. Zur Erhöhung der Tiefeninformation wurden sechs Schraubmarker (Abb. 6) an einem Kopfpräparat frontal, occipital und im Bereich des Jochbogens beidseits angebracht und erneut ein CT - Felsenbein mit 1 mm Schichtdicke durchgeführt. Es wurden je fünf Wiederholungen des Registriervorganges pro Seite durchgeführt, und es erfolgte erneut die Bestimmung der Messunsicherheit an Schrauben im Bereich der Mastoidoberfläche, in der Mastoidhöhle und im inneren Gehörgang.
Bei der Oberflächenregistrierung wurde zuerst von präaurikulär einschließlich der Stirn bis zur Laterobasis registriert, im Anschluss nur im Bereich der aufgebohrten Mastoidhöhle. Diese beiden Registrierungen wurden der Registrierung an Schraubmarkern gegenübergestellt. Diese Methoden wurden auf Grund der möglichen prä- bzw. intraoperativen Situationen ausgewählt. Zusätzlich wurde der Einfluss von OP-Sperrern beobachtet.
Abb. 6: Schraubmarker frontal, Jochbein, occipital 3
Der Aufbau und die Bedienung des Navigationssystems zeigen sich am anatomischen Felsenbeinpräparat einfach und gut durchführbar. Der Registriervorgang war durch das Antasten von drei vorgegebenen Schraubmarkern zügig durchführbar. Die Führung des Flexpointers in der eigenen Hand zeigte sich vertraut, da die Form einem üblichen Sauger aus der Kopf-Hals Chirurgie sehr ähnelt. Bei der Überprüfung der Registrierung wurde kein Vorgang durch uns oder das System auf Grund zu hoher Ungenauigkeit verworfen. Wir konnten ein freies Hantieren im OP-Gebiet ohne Rücksichtnahme auf Sichtlinien, wie es unter Umständen bei der optischen Navigation der Fall ist (Line-of-sightProblematik), feststellen. Verbesserungsfähig ist der noch vorhandene mögliche Störeinfluss durch metallische Instrumente und Tische. Die während einer Operation an der lateralen Schädelbasis benötigten metallischen Spreizer störten teilweise das elektromagnetische Feld. In der Ebene der Sperrer selbst d.h. auf der Mastoidoberfläche war keine Anwendung des Systems möglich. Im Bereich der Mastoidhöhle und des inneren Gehörganges konnten Messungen durchgeführt werden.
Für die einseitige Fiducial-Registrierung sind die Abweichungen zwischen gemessener und berechneter Position in Tabelle 1 zusammengefasst. Insgesamt beträgt der Fehler an den auf dem Mastoid und an den im Bereich der aufgebohrten Mastoidhöhle (z.B. lateraler Bogengang) einen Mittelwert von 0,8 mm. Die Messungen am Schraubmarker am inneren Gehörgang zeigte im Mittelwert eine im Vergleich größere Abweichung von 1,6 mm. Der Schraubmarker im Bereich des inneren Gehörganges wurde an den anatomischen Präparaten nicht durch den operierten Situs hindurch angetastet, sondern durch ein Drehen des Präparates, d.h aus der intrazerebralen Richtung.
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Eine Messunsicherheit von 0,8 mm entspricht ca. den Werten, die von Stegmann et al. [