Kurzfassung. Eine der gro¨ßten Herausforderungen im Kontext von computergestu¨tzten Systemen fu¨r laparoskopische Eingriffe stellt die intraoperative pra¨zise und schnelle Rekonstruktion von Organoberfla¨chen dar. Diese ermo¨glicht eine Registrierung pra¨operativer Planungsdaten auf die Patientenanatomie zur Einblendung von Ziel- und Risikostrukturen in das Videobild. Vor diesem Hintergrund ero¨ffnet die Time-ofFlight (ToF)-Kameratechnik aufgrund der schnellen und dichten 3DOberfla¨chenvermessung neue Perspektiven fu¨r die laparoskopische computerassistierte Chirurgie. In diesem Beitrag stellen wir die erste invitro Evaluationsstudie zum Vergleich ToF-basierter endoskopischer mit Stereoskopie-basierter Oberfla¨chenrekonstruktion vor.
Wa¨hrend der letzten Jahre erfahren computergestu¨tzte Assistenzsysteme fu¨r
laparoskopische Eingriffe zunehmend Aufmerksamkeit in Wissenschaft und
Praxis. Solche Assistenzsysteme arbeiten in der Regel mit einem pra¨operativ
erstellten Patientenmodell, welches wa¨hrend der Operation auf die aktuell
vorliegende Patientenanatomie u¨bertragen wird [
ToF-Endoskop. Das ku¨rzlich vero¨ffentlichte erste Endoskop, das auf
ToF-Kamera-Technik basiert [
Stereoskop. Ein Stereoskop (3D Endocam, No. 5535.901, R. Wolf; Stereoskop, No. 8934.501, 10mm, 25◦, R. Wolf) mit einer Auflo¨sung von 640 × 480. Beide Kameras wurden mit anwendungsspezifischen Methoden kalibriert. 2.2
Um eine entrauschte Oberfla¨che aus dem ToF-Endoskop zu erhalten, wurde der Median pixelweise von einer Sequenz n (default: n = 100) aufeinanderfolgender Bilder berechnet und das zu untersuchende Organ in dem Intensita¨tsbild segmentiert. Als na¨chstes wurde ein Bilateralfilter als kantenerhaltender Gla¨ttungsfilter auf die Median-Bilder angewandt. Als letztes wurde der Teil des Distanzbildes, der zuvor im Intensita¨tsbild segmentiert wurde, mit den intrinsischen Kameraparametern ins Kartesische Koordinatensystem transformiert. Mit Hilfe einer Delaunay-basierten Triangulationsmethode konnte daraufhin ein Dreiecksnetz erstellt werden.
Zur Stereo-Rekonstruktion wurde eine modifizierte Version des Hybriden
Rekursiven Matchings mit Subpixel-Genauigkeit angewandt [
Die Ergebnisse zur Evaluation der Oberfla¨chenrekonstruktion mittels ToF-Endoskopie und Stereoskopie sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die u¨ber alle (a) Gelatineleber (b) Pelvi
(c) Niere und Lunge in Pelvi Abb. 1. Phantome und Aufbau im Laparoskopietrainer Pelvi. Tabelle 1. Statistische Kenngro¨ßen der Distanz aller Punkte auf der jeweiligen rekonstruierten Oberfla¨che zur korrespondierenden Goldstandard-CT-Oberfla¨che. Mittelwert [mm] 3.9 Standardabweichung [mm] 2.5 Maximum [mm] 11.5
Gelatine ToF
Stereo Punkte gemittelte Abweichung der rekonstruierten Oberfla¨che zur GoldstandardOberfla¨che liegt bei Stereo bei 2.3 mm ± 0,8 mm und bei ToF bei 4.0 mm ± 0.1 mm, gemittelt u¨ber die Durschnittswerte der einzelnen Organe. Die mit Stereo rekonstruierten Oberfla¨chen besitzen im Mittel 132207 ± 30303 Knoten und eine Gro¨ße von 4039 mm2 ± 2188 mm2, die mit ToF rekonstruierten Oberfla¨chen hingegen im Mittel nur 9766 ± 1276 Knoten und eine Gro¨ße von 1306 mm2 ± 509 mm2. Ein Beispiel zweier mit Stereo bzw. ToF rekonstruierten LungenOberfla¨chen, die auf die dazugeho¨rige CT-Oberfla¨che registriert wurden, ist in Abb. 2 zu sehen. 4
In dieser in-vitro Evaluation wurde erstmals die Oberfla¨chenrekonstruktion mittels der neu entwickelten ToF-Endoskopie-Technik mit einer State-of-the-Art 8.8 mm 0 mm 11.7 mm 0 mm (a) ToF (b) Stereo (c) Foto Abb. 2. Oberfla¨chen der Lunge rekonstruiert mit (a) dem ToF-Endoskop und (b) dem Stereoskop, welche mit einer rigiden Transformation anhand einer marker-basierten Registrierung auf die korrespondierende Goldstandard-CT-Oberfla¨che abgebildet wurden. Die Farbe der rekonstruierten Oberfla¨che gibt die Distanz zur CT-Oberfla¨che (grau) an. (c) zeigt die urspru¨ngliche Schweinelunge im Pelvi-Trainer.
Groch et al.
Rekonstruktionsmethode basierend auf Stereoskopie verglichen. Die Studie deutet darauf hin, dass die Stereo-basierte Rekonstruktion bessere Oberfla¨chen (genauer und gro¨ßer) erzeugt, wenn auch die ToF-basierte Rekonstruktion trotz des Prototyp-Charakters des ToF-Endoskops nur wenig schlechtere Genauigkeit aufweist. Da es sich um eine Studie mit relativ wenigen Daten handelte sowie manche Aspekte wie Gro¨ße der rekonstruierten Fla¨che, Aktualisierungsrate der Rekonstruktion, etc. nur indirekt betrachtet oder ganz außer Acht gelassen wurden, planen wir eine gro¨ßere Studie, bei der zusa¨tzlich auch andere Methoden zur Oberfla¨chenerzeugung wie Structure-from-Motion-Ansa¨tze miteinbezogen werden sollen. Von dieser Studie erhoffen wir uns, Ru¨ckschlu¨sse auf die Rekonstruktionsqualita¨t im Zusammenhang von beeinflussenden Eigenschaften wie Homogenita¨t, Farbe oder Beschaffenheit der Organoberfla¨che ziehen zu ko¨nnen. Dieses Wissen soll dann fu¨r einen Fusionsansatz von ToF-basierter und Multiple-View-basierter Oberfla¨chenrekonstruktion genutzt werden.
Zusammenfassend la¨sst sich sagen, dass Stereoskopie im Moment die bessere Methode zur Oberfla¨chenrekonstruktion ist. Durch die rasante Entwicklung der jungen ToF-Technik in den letzten Jahr und ihrer Vorteile gegenu¨ber der Stereoskopie bei der Aktualisierungsrate oder der Dichte des Tiefenbildes sehen wir aber die ToF-Endoskopie als zukunftstra¨chtige Methode fu¨r die laparoskopische computergestu¨tzte Chirurgie.
Danksagung. Vielen Dank an Herrn Prof. Do¨rfler und die Neuroradiologische Abteilung des Universita¨tsklinikums Erlangen fu¨r die CT-Aufnahmen und die Unterstu¨tzung, an die Forschungsgruppe fu¨r Minimal-invasive Interdisziplina¨re Therapeutische Intervention am Klinikum rechts der Isar der TU Mu¨nchen, sowie an die Graduate School of Information Science in Health, TU Mu¨nchen.