Sensorbasierte Schädelreferenzierung für die schnittbildgeführte Navigation unter freier Kopfbewegung

Zusammenfassung

Ziel: Die Entwicklung computer- und schnittbildgeführter Operationsverfahren aus der rahmengestützten Stereotaxie bedingt bei vielen Navigationssystemen noch immer die Notwendigkeit einer starren Fixierung des Patientenkopfes während des gesamten operativen Eingriffes. Die vorliegende Arbeit beschreibt den klinischen Einsatz einer technischen Modifikation, welche die kranielle Navigation anhand von CT- und MRT-Schnittbildern sowie den hieraus berechneten 3D-Rekonstruktionsmodellen auch unter „freier Kopfbewegung” ermöglicht. Material und Methoden: Ein sensorbasiertes elektromagnetisches Neuronavigationssystem wurde um die Option erweitert, eine Ortung und Positionsüberwachung mehrerer Sensoren innerhalb eines elektromagnetischen Feldes zu ermöglichen. Einer dieser Sensoren wurde hierfür an einer Zahnschiene als zusätzliche Referenz (DRF = Dynamic Reference Frame) befestigt. Hierdurch wurden parallel zur Positionsbestimmung der sensorführenden Operationsinstrumente auch geringste Bewegungen des Schädels erfasst. Diese Information konnte dann zur kontinuierlichen Adaptation der Lage der Schnittbildebenen sowie der hieraus berechneten 3D-Rekonstruktionen an die tatsächliche Schädelposition genutzt werden. Ergebnisse: Die klinische Anwendung des DRF wurde für verschiedene neurochirurgische Operationsabläufe erprobt. Hierzu gehörten schnittbildgeführte Biopsien und endoskopische Eingriffe anhand von MRT-Datensätzen, transnasale Zugänge zur Schädelbasis anhand von CT-Datensätzen sowie die operative Entfernung multilokulärer Metastasen in beiden Schnittbildmodi. Referenzzielpunkte an der Kalotte sowie intrakraniell konnten nach willkürlicher Positionsänderung des Patientenkopfes mit hoher Genauigkeit zur initialen Einmessposition wiederbestimmt werden. Die Navigation war somit auch ohne starre Kopffixierung durch kontinuierliche Adaptation der virtuellen Bildinformation an die Positionsänderung des Patientenkopfes möglich. Schlussfolgerung: Anhand dieser ersten Testergebnisse ist ein hohes klinisches Anwendungspotenzial für den DRF in der kraniellen Navigation zu erwarten. Ziel ist, durch die Verwendung des DRF auf eine starre Fixierung des Patientenkopfes während des Navigationsvorganges verzichten zu können. Dies vergrößert das Einsatzgebiet der schnittbildgeführten Navigationsverfahren um u. a. jene bioptischen und endoskopischen Eingriffe, bei denen eine starre Pin-Fixierung des Schädels nicht erforderlich oder nicht gewünscht ist. Bei allen anderen Eingriffen wird durch die kontinuierliche Positionskontrolle des DRF eine automatische Bilddatenkorrektur bei mechanischer Lageveränderung des Schädels gewährleistet.

Abstract

Purpose: Although computer- and image-guided surgical procedures are an improvement of frame-guided stereotaxy, many navigation systems still require rigid fixation of the patient’s head throughout the operation. This study describes the clinical application of a technical modification that enables cranial navigation with “free head mobility” using CT and MR images as well as the calculated 3-D reconstruction models. Material and Methods: A sensor-based electromagnetic neuronavigation system was expanded to allow the localization and position monitoring of several sensors within an electromagnetic field. One of these sensors was attached to a dental splint as an additional reference (DRF = dynamic reference frame). Thus, it was possible to determine the position of the sensor-guiding surgical instruments and to record the slightest movement of the cranium as well. This information was then used to continuously adapt the position of the imaging plane and the resultant calculated 3-D reconstructions to the actual position of the cranium. Results: The clinical application of the DRF was tested for different neurosurgical procedures. They included image-guided biopsies and endoscopic interventions using MRI data, transnasal accesses to the base of the skull using CT data and surgical removal of multilocular metastases using data from both imaging modalities. Intracranial target reference points as well as those on the skull were found with a high accuracy to the initial measurement position after arbitrary movement of the patient’s head. Thus, navigation was also possible without rigid fixation of the head because of the continuous adaptation of the imaging data on the change in position of the patient’s head. Conclusion: Based on these first test results, a high clinical potential for DRF application in cranial navigation is to be expected. The aim of DRF is to dispense with the rigid fixation of the patient’s head. This increases the application scope of image-guided navigation procedures to include, for example, any bioptic or endoscopic intervention, in which rigid pin fixation of the cranium is not required or desired. For all other procedures, continuous position monitoring by DRF ensures automatic correction of imaging data with mechanical alteration of the head position.

Key words

Neuronavigation - image-guided surgery - head positioning - pin fixation - dynamic reference frame - free head mobility

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