Kurzfassung. Ziel dieser Arbeit ist es eine neuartige Aspirationsnadel mit integriertem elektromagnetischen Sensor vorzustellen und bezu¨glich ihrer Zuverla¨ssigkeit und Genauigkeit zu evaluieren. Hierfu¨r wurde ein Navigationssystem bestehend aus virtueller Bronchoskopie und Echtzeit Positionsangabe der Nadel entwickelt und in einer beatmeten Schweinelunge untersucht. Es wurden sieben Punktionsversuche wa¨hrend normaler Atembewegung durchgefu¨hrt und die Genauigkeit des Navigationssystems fu¨r jeden Versuch evaluiert. Den Ergebnissen zufolge ist das vorgestellte Navigationssystem performant und stellt einen vielversprechenden Ansatz dar um die Trefferrate von transbronchialen Biopsien zu erho¨hen.
Ziel dieser Arbeit ist es, eine neue Aspirationsnadel zu entwickeln, die aus einer handelsu¨blichen Wang Transbronchial Cytology Needle mit direkt integriertem elektromagnetischen Sensor besteht und diese in einer beatmeten Schweinelunge zu evaluieren. Hierfu¨r haben wir ein Software Navigationsystem zur Anzeige der aktuellen Position der TBNA-Nadel entwickelt. In einer explantierten Schweinelunge wurden unter Verwendung des ARTIChestTM(PROdesign Gesellschaft fu¨r Produktentwicklung mbH, Germany) Thoraxphantom bei normaler Atembewegung sieben Punktionen durchgefu¨hrt und die Treffergenauigkeit evaluiert. 2
Zur Evaluation der neuartigen Aspirationsnadel wurde ein Navigationssystem entwickelt und anschließend in einer beatmeten Schweinelunge untersucht.
Eine handelsu¨bliche Wang Transbronchial Cytology Needle (22 gauge, 13 mm needle projection, 1.9 mm diameter) wurde in Einzelteile zerlegt und ein Aurora⃝R 5 degrees of freedom (DoF) Sensor am unteren Ende der Nadelspitze befestigt (Abb. 1). Das Sensorkabel wurde entlang des Fu¨hrungsdrahtes u¨ber das Luer-Lock aus der TBNA-Nadel gefu¨hrt. Somit konnte sichergestellt werden, dass die Bewegung der Nadel im Inneren des Plastikhu¨lle nicht beeintra¨chtigt wurde und die Nadel wa¨hrend der Punktion immer noch arretiert werden kann.
Um die Bewegung der TBNA-Nadel wa¨hrend einer Intervention zu erfassen wurde ein Navigationssystem, in Anlehnung an das von Wegner et al. vorgestellte [4] entwickelt. Das von Wegner beschriebene Centerline Constraint ist fu¨r diesen Anwendungsfall jedoch nicht geeignet, da das zu ortende Instrument sich nicht immer im Inneren des Tracheobronchialbaums befindet. Folglich wurde Abb. 1. Spezialangefertigte TBNA-Nadel. (Links) Fu¨hrungsdraht mit befestigtem elektromagentischen Sensor. (Mitte) TBNA-Nadel Spitze. (Rechts) Sensorkabel am Luer-Lock Ausgang. die Centerline Constraint basierte Atembewegungskompensation fu¨r die TBNA Punktionen nicht implementiert. Abb. 2c zeigt eine Momentaufnahme des Navigationssystems. Es ermo¨glicht eine virtuelle Bronchoskopie vor dem Eingriff und bietet wa¨hrend der eigentlichen Intervention eine Navigationsunterstu¨tzung. Hierfu¨r wird nach Registrierung der Koordinatensysteme (KS) von Bild und elektromagnetischen Trackingsystem kontinuierlich die Position der TBNA-Nadel auf den Bilddaten und in der virtuellen 3D Szene angezeigt.
Das fu¨r die TBNA Versuche verwendete Thoraxphantom besteht aus einem verschließbaren Kunststoffbeha¨lter in den eine Schweinelunge samt Herz platziert und durch Anlegen eines Vakuums entfaltet wird (Abb. 2a). Die Atembewegung kann durch zyklisches Aufblasen und Entleeren eines Ballons -a¨hnlich der Zwerchfellbewegung- simuliert werden. Die Trachea wird an einer Ro¨hre, die aus dem Beha¨lter herausfu¨hrt, befestigt. Dadurch wird der Luftaustausch gewa¨hrt und ein Bronchoskop kann eingefu¨hrt werden. Weiterhin ko¨nnen Atemfrequenz und Atemvolumen u¨ber die Phantom-Software eingestellt werden.
Anhand des Thoraxphantoms konnte unter Atembewegnug untersucht
werden wie zuverla¨ssig der elektromagnetische Sensor in einer feuchten Umgebung
(Lungengewebe) funktioniert und wie pra¨zise die Positionsangabe der
TBNANadel im Navigationssystem mit der realen Position u¨bereinstimmt. Vor den
Versuchen wurde eine CT Planungsaufnahme in Inspirationslage akquiriert, fu¨r
alle sieben TBNA Interventionen wurde anschließend folgender Ablauf befolgt:
(
Software geregelt. (
Der fiducial registraton error (FRE) variierte bei den TBNA Versuchen #1-7 zwischen 3.02 und 3.51 mm. Nach Registrierung von Kontroll- und Planungsaufnahme war der root mean square error (RMS) von den verwendeten Landmarken fu¨r alle sieben Versuche kleiner 0.63 mm. Der ku¨rzeste Abstand von aufgezeichneter TBNA-Nadel Position zur Position in der Kontrollaufnahme betrug fu¨r die Versuche #1-7: 10.5, 6.6, 7.2, 8.7, 3.5, 10.7 and 0.8 mm. Diese Werte wurden gemessen wa¨hrend sich das Thoraxphantom in Inspitrationslage befand.
Abb. 3 zeigt den Box-Whisker-Plot fu¨r die berechneten Absta¨nde von getrackten TBNA-Nadel Positionen zu der Nadelposition in der Kontrollaufnahme. Niedrige Distanzen deuten auf eine hohe Positionsgenauigkeit im Navigationssystem hin. Die maximal gemessene Distanz (dmax) betrug 23.1 mm, die minimale Distanz (dmin) 0.8 mm. Der Abstand von dmax zu dmin in jedem TBNA Versuch entspricht dem Bewegungsintervall der Nadel wa¨hrend eines Atemzyklus. Die durchschnittliche Nadelbewegung (mavg) von Inspiration zu Expiration war mit n=7 und i=# TBNA Versuch 8.1 mm mavg = ∑i dmaxi
dmini
n
(
Ausreißer werden als Kreuze und der Median als Linie dargestellt. Innerhalb der Box befinden sich 50% aller gemessenen Distanzen (0.25-Quantil bis 0.75-Quantil). In der vorliegenden Arbeit wurde eine neuartige TBNA-Nadel mit integriertem elektromagnetischen 5 DoF Sensor vorgestellt. Die TBNA-Nadel wurde bezu¨glich Verla¨sslichkeit in feuchtem Gewebe und Genauigkeit in einer beatmeten Schweinelunge evaluiert. Hierfu¨r wurde ein Navigationssystem bestehend aus virtueller Bronchoskopie und Echtzeit-Positionsangabe der getrackten TBNA-Nadel entwickelt. Fu¨r alle sieben durchgefu¨hrten TBNA Versuche konnte die Nadelposition erfolgreich -ohne Ausfa¨lle- angezeigt und aufgezeichnet werden. Um die Genauigkeit der angezeigten Nadelposition im Navigationssystem zu bestimmen wurden die Distanzen von den aufgezeichneten Nadelpositionen (wa¨hrend des Versuchs) zu der Nadelposition in der Kontrollaufnahme berechnet. Den Ergebnissen zufolge ist das von uns vorgestellte TBNA-Nadel Navigationssystem ein viel versprechender Ansatz. Die Analyse der Genauigkeit der Nadelposition im Navigationssystem zeigte, dass es zu einer fehlerhaften Anzeige von bis 23 mm kommen kann, jedoch nur wa¨hrend sich die Nadel in Expirationslage befand. In Inspirationslage hingegen, war der Anzeigefehler nicht gro¨ßer als 10 mm. Weiterhin konnte mit mavg gezeigt werden, dass die durchschnittliche Bewegung der Nadel wa¨hrend eines Atemzyklus um die 8 mm liegt und somit ein einem vertretbaren Rahmen bleibt. Dennoch ko¨nnen die Ergebnisse insbesondere wa¨hrend eines kompletten Atemzykluses noch verbessert werden. Folglich wird ein Bestandteil zuku¨nftiger Arbeit die Integration eines Atembewegungs-Kompensationsmodels sein, um somit die Genauigkeit wa¨hrend des gesamten Atemzykluses zu erho¨hen.
Zusammenfassend la¨sst sich sagen, dass den Ergebnissen zufolge elektromagnetisch navigierte TBNA erfolgreich durchgefu¨hrt werden konnte und ein aussichtsreiches Verfahren darstellt um die Trefferrate von TBNA Biopsien zu erho¨hen.
Literaturverzeichnis