Accurate 3D-reconstruction and -navigation for high-precision minimal-invasive interventions

Abstract

Im Rahmen des DFG-Projekts MUKNO (Multi-Port Knochenchirurgie am Beispiel der Otobasis, FOR 1585), wurde erstmals ein System eines Multi-Port-Zuganges an der Otobasis entwickelt. Es verfolgt das Ziel eines gewebeschonenden minimaltraumatischen Operationsverfahrens. Hierbei werden drei Bohrkanälen zu einem Zielpunkt innerhalb des Felsenbeins gebohrt, die dann synchron für einen Endoskop zur Visualisierung des Zielgebietes sowie für zwei Instrumentenkanäle genutzt werden können. Ein Überblick über den Prozess des Multi-Port Eingriffs ist in Abbildung 0.1 gegeben: Es wird nach der Diagnose entschieden ob der Patient für eine MUKNO-Operation geeignet ist. Wenn ja, wird am Tag der Operation nach der Allgemeinanästhesie die Grundplatte inklusive Marker am Patienten angebracht. Eine hochauflösende Computertomographie (CT) wird dann aufgenommen und basierend darauf werden die relevanten Risikostrukturen segmentiert und eine hochpräzise Planung der Bohrkanäle erstellt. Danach wird die Positioniereinheit für den Bohrer auf die Grundplatte montiert. Nach der Übertragung der Planung in das lokale Koordinatensystem der Positioniereinheit mit Hilfe der Marker kann mit dem Bohrprozess begonnen. Während der Anlegung der Zugänge wird die Lage des Bohrers punktuell mit einem C-Bogen überprüft. Anschließend wird die Operation im engeren Sinne durchgeführt. Die Anatomie des Felsenbeins ist äußerst komplex und beinhaltet eine enge Lagebeziehung der sensorischen Organe (Hörschnecke und Gleichgewichtsorgan), Nerven und vitale Gefäße. Um eine genaue Lokalisierung der anatomischen Strukturen zu ermöglichen, müssen die akquirierten Bilddaten mit möglichst hoher isotroper Auflösung aufgenommen werden: Die Präzision der Bildgebung ist entscheidend für die Genauigkeit der Segmentierung, Planung und den eigentlichen Bohrprozess. In dieser Arbeit werden verschiedene Verfahren zur hoch-präzisen 3D Rekonstruktion sowie Navigation für die Multi-Port Otobasischirurgie entwickelt. Dafür werden zwei Ansätze untersucht: - Super-Resolution Rekonstruktion (SRR) zur Rekonstruktion hochaufgelöster isotroper Voxeldaten aus zwei niedrigaufgelöster CT Volumen. - Die direkte Aufnahme hochaufgelöster isotroper Voxeldaten mittels eines C-Bogens. Weiterhin werden Methoden zu Navigation entwickelt, um präzise intra-operative Kontrolle der Instrumentenlage (Soll-Ist-Vergleich) zu ermöglichen