Effiziente Planung von Zugangswegen für sichere Nadelinsertionen AlexanderSeitel a.seitel@dkfz-heidelberg.de Abteilung Medizinische und Biologische Informatik Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg KwongYung Abteilung Medizinische und Biologische Informatik Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg MarkusEngel Abteilung Medizinische und Biologische Informatik Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg MarkusFangerau Abteilung Medizinische und Biologische Informatik Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg AnjaGroch Abteilung Medizinische und Biologische Informatik Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg MichaelMüller Abteilung Medizinische und Biologische Informatik Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg Hans-PeterMeinzer Abteilung Medizinische und Biologische Informatik Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg LenaMaier-Hein Abteilung Medizinische und Biologische Informatik Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg Effiziente Planung von Zugangswegen für sichere Nadelinsertionen 00E04A17C39F9B6815A88406D49693E5 GROBID - A machine learning software for extracting information from scholarly documents

Kurzfassung. Automatische Systeme für minimal-invasive perkutane Nadelinsertionen erfordern die Segmentierung von Risikostrukturen zur Bestimmung eines sicheren Zugangsweges. Mangels vollautomatischer Segmentierungsverfahren für alle Strukturen im Abdominalraum macht dieser Segmentierungsschritt den größten Teil der gesamten Planungsdauer aus. Um die Planung zu beschleunigen, stellen wir ein zweistufiges Konzept für eine schnelle semiautomatische Zugangsplanung vor, bei dem (1) vollautomatisch ein Großteil der Hautoberfläche als Einstichszone ausgeschlossen wird, indem nur automatisch segmentierbare Risikostrukturen berücksichtigt werden und (2) die so erhaltene Einstichszone durch Benutzung des Prinzips der Pareto-Optimalität weiter eingeschränkt und der finale Einstichspunkt interaktiv mit einer neuen Visualisierungtechnik unter Berücksichtigung der anderen Risikostrukturen gewählt wird.
Einleitung

Minimal-invasive Verfahren zur Tumorbehandlung wie z.B. Radiofrequenzablationen oder Biopsien haben in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. Viele dieser Verfahren erfordern das Einbringen eines nadelförmigen Instruments in die Zielstruktur wie z.B. die Leber. Für eine komplikationsfreie und schnelle Durchführung der Intervention ist ein gut gewählter Zugangsweg unabdingbar. Neben zahlreichen semi-automatischen Verfahren zur Zugangsplanung wurden in den letzten Jahren Ansätze präsentiert, die eine automatische Berechnung möglicher Nadeltrajektorien zum Ziel haben [1,2]. Grundlage dieser Verfahren ist die Beachtung bestimmter Bedingungen (sogenannter constraints), die für eine Trajektorie erfüllt sein müssen (Abb. 1). So darf der Zugangsweg beispielsweise keine kritische Struktur (z.B. die Lunge) kreuzen und nicht länger als die verwendete Nadel sein. In [3] einer neuen Visualisierungtechnik unter Berücksichtigung der restlichen Risikostrukturen der finale Einstichspunkt gewählt (Abschn. 2.2).

Material und Methoden
Automatische Grobplanung

Das grundlegende Prinzip der automatischen Pfadplanung, wie in [3]

Interaktive Feinplanung

Die automatisch berechnete Grobplanung wird verfeinert, indem zunächst der Suchraum innerhalb der Einstichszone eingeschränkt wird und danach eine Visualisierungstechnik verwendet wird, um dem Arzt anhand einer " Trajektorienvorschau" das errechnete Planungsergebnis direkt am Patienten zu visualisieren.

Suchraumeinschränkung
Abb. 1 .Abb. 1. Prinzip der automatischen Pfadplanung. Ausgehend von Segmentierungen der wichtigsten Strukturen wird über die hard constraints eine mögliche Einstichszone ermittelt, welche mit Hilfe der soft constraints bewertet wird.
.Abb. 2 .Abb. 2. (a) Planungsergebnis der Grobplanung sowie aktuelle Nadelposition. (b) Feinplanung direkt am Patienten mittels Volumenvisualisierung. Die Blickrichtung der Kamera des Renderers bestimmt den gezeigten Ausschnitt.
vorgestellt, ist in Abb. 1 verdeutlicht. Ausgehend von Segmentierungen der einzelnen Strukturen wird anhand der sogenannten hard constraints, wie z.B. der Nadellänge, eine Einstichszone auf der Hautoberfläche berechnet. Diese wird mittels der soft constraints bewertet und entsprechend der Gewichtung der einzelnen constraints (z.B. der Distanz zu kritischen Strukturen) farblich markiert, um dem Arzt somit eine Entscheidungshilfe für die Trajektorienauswahl zu geben. Die Farbkodierung ändert sich je nach Auswahl oder Gewichtung der soft constraint. Besonders zeitaufwändig ist die Segmentierung von Strukturen wie Leber, Herz, Magen oder Darm, da sich diese Organe nur wenig in ihren Grauwertbereichen im Bild unterscheiden. Die Rippen, die Haut, sowie die beiden Lungen lassen sich hingegen mit relativ einfachen Verfahren automatisch segmentieren. Wir verwenden daher zur Berechnung der Einstichszone nur die automatisch segmentierbaren Strukturen und berücksichtigen die anderen kritischen Strukturen im neuen, interaktiven Planungsschritt (Abschn. 2.2).
Dieser Beitrag beschreibt eine Erweiterung des in[3] präsentierten Systems zur automatischen Pfadplanung und dessen Integration als Planungskomponente in ein Navigationssystem für perkutane Nadelinsertionen. Hauptaugenmerk wurde hierbei auf die Vermeidung zeitaufwändiger Segmentierungen von kritischen Strukturen gelegt. Die Lunge, als eine der komplikationsträchtigsten Strukturen bei Punktionen der Leber konnte durch ihre leichte Segmentierbarkeit berücksichtigt werden. Das entstandene System ermöglicht es dem Arzt, anhand einer innovativen Visualisierung, mögliche Zugangswege schnell auf ihre Qualität zu überprüfen. Im Vergleich zu einer manuellen Planung auf Schichtdaten, die in der Klinik in der Regel einige Minuten erfordert[6] konnte hiermit eine schnelle Planungskomponente für Navigationssysteme gefunden werden, welche aufwändige Segmentierungen aller kritischen Strukturen vermeiden kann. Zukünftige Arbeiten konzentrieren sich auf (1) die Evaluation des Systems im klinischen Workflow sowie (2) die Integration eines Konzeptes zur Kompensation von Bewegungen und Deformationen.
3 ErgebnisseDie beschriebene Planungsmethode wurde prototypisch als Demosystem ent-wickelt und wird zur BVM 2011 präsentiert. Neben seiner Funktionalität alseigenständige Anwendung kann das Planungssystem auch in den Workflow einesNavigationssystems für Nadelinsertionen [5] integriert werden. Abbildung 2 zeigtdie Umsetzung der neuartigen Visualisierungsmethoden für die Zugangsplanung.Die initiale, automatische Planung kann innerhalb von weniger als 10 Sekundendurchgeführt werden. Erste Experimente zeigen, dass die Verfeinerung dieser in-itialen Planung im Zeitraum von wenigen Minuten abhängig von der Lage derzu punktierenden Läsion durchgeführt werden kann.4 Diskussion
Fast automatic path proposal computation for hepatic needle placement CSchumann Proc SPIE SPIE 2010 7625 1J Multi-criteria trajectory planning for hepatic radiofrequency ablation CBaegert Proc MICCAI MICCAI 2007 10 Schnelle Zugangsplanung für die perkutane Punktion der Leber MEngel Proc BVM 2010 GPU-basierte Smart Visibility Techniken für die Planung von Tumor-Operationen CTietjen Proc BVM BVM 2009 In vivo accuracy assessment of a needle-based navigation system for CT-guided radiofrequency ablation of the liver LMaier-Hein Med Phys 35 12 2008 December Navigated liver biopsy using a novel soft tissue navigation system versus CT-guided liver biopsy in a porcine model: a prospective randomized trial SAMüller Acad Radiol 17 10 2010