Lasersystem zur Bearbeitung von biologischem Hartgewebe
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen eines ersten geförderten Projektes wurde das System zur Laserosteotomie mit gleichzeitiger OCT-Schnittvermessung am Institut für Mechatronische Systeme in Betrieb genommen. Hierfür stellen zunächst eine initiale Kalibrierung (mechanische Ausrichtung und mathematische Modellierung der Strahlengänge) und Kennwertbestimmung (erreichbare Ausgangsleistung zur Ablation, Fokusabstand, Fokusdurchmesser) aller Komponenten die grundsätzliche Funktionalität sowie überlappende Arbeitsräume von vermessender OCT und abtragenden Er:YAG-Laser sicher. Eine zusätzliche hochgenaue Registrierung der überlagerten Scanvolumina ermöglicht die automatische Bearbeitung von im OCT-Koordinatensystem geplanter Trajektorien durch den Er:YAG-Laser. Zur Durchführung der Registrierung wurde ein Verfahren mittels Auswertung der OCT-Oberflächendaten eines durch den Laser erzeugten Registrierungsmusters entwickelt. Die Bewertung der erreichten Ablationstiefen und die nachfolgende Definition von Parametern zur sicheren Weiterbearbeitung des Ablationsgebiets schließen einen iterativen Regelkreis zur Erzeugung definierter Schnittgeometrien. Ein nekrosefreier Knochenabtrag hängt von der korrekten Wahl der Laserparameter ab, sodass zunächst Parameterstudien (Pulsdauer, -frequenz, notwendige Befeuchtungsmenge) an Ersatzmaterialien und tierischen Präparaten durchgeführt wurden. Anschließend folgte die Analyse verschiedener Ablationsstrategien zur möglichst exakten Erzeugung geplanter Abtragsgeometrien (unter Variation der Scangeschwindigkeit und Optimierung der Pulsfreigabe). Speziell angepasste Bildverarbeitungsalgorithmen (Snakes, Connected Components, u.ä.) ermöglichen die Vermessung der Abtragsgeometrien im OCT-Datensatz. Erste Versuche zur Identifikation oberflächennaher Strukturen zur Bestimmung einer verbleibenden Restknochendicke und zur Vermeidung eines ungewollten Durchbruchs verliefen erfolgreich. Zur Sicherstellung der hohen Genauigkeitsansprüche wurden die im DFG-Projekt Einsatz der OCT-Bildgebung zur medizinischen Nahfeldnavigation erstellten Kalibriernormale und –skripte zur Verbesserung der Datenqualität verwendet. Im Rahmen des im genannten DFG-Projekt durchgeführten Abschlussexperimentes erfolgte anschließend mittels OCT-Oberflächenscan die Registrierung zum präoperativen DVT-Planungsdatensatz. Danach konnten die in diesem gesetzten Zielpunkte hochgenau mittels Laser bearbeitet werden. Schließlich wird das Großgerät innerhalb des EU-Projektes µRALP eingesetzt, in dem ein neuer endoskopischer Aufbau zur minimalinvasiven Laserstimmlippenchirurgie entwickelt wird. Aufgrund des OCT-überwachten Laserbereichs bietet das Laser-OCT-System eine ideale Basis zur Einkopplung des Er:YAG-Lasers in eine flexible Faser. Des Weiteren wurden Konzepte zur interaktiven Schnittplanung und Fokusnachführung anhand von Stereokameradaten erprobt. Zur Erhöhung der Genauigkeit erfolgte eine Fusion von OCT- und Kameradaten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Automatisierte Überwachung der Laserosteotomie mittels optischer Kohärenztomographie. Proceedings der 11. CURAC Jahrestagung (CURAC 2012)
Fuchs, A.; Kundrat, D.; Schultz, M.; Krüger, A.; Ortmaier, T.
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Online measurement and evaluation of the Er:YAG laser ablation process using an integrated OCT system. Proceedings der 46. DGBMT Jahrestagung (BMT 2012)
Fuchs, A.; Schultz, M.; Krüger, A.; Kundrat, D.; Díaz Díaz, J.; Ortmaier, T.
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Suitability of Optical Coherence Tomography for an Intra-Operative Navigation System by Estimation of the Fiducial Localization Error. Proceedings of the 26th International Congress on Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS 2012)
J. Díaz Díaz, M. Rahlves, T. Rau, O. Majdani, E. Reithmeier, and T. J. Ortmaier
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A one step vs. a multi step geometric calibration of an optical coherence tomography. Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers Photonics West 2013 (SPIE Photonics West 2013)
Díaz Díaz, J.; Rahlves, M.; Majdani, O.; Reithmeier, E.; Ortmaier, T.
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Towards Intra-operative OCT Guidance for Automatic Head Surgery: First Experimental Results. Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention – MICCAI 2013
Díaz Díaz, J.; Kundrat, D.; Goh, K.-F.; Majdani, O.; Ortmaier, T.
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(2014): Accuracy of optical navigation systems for automatic head surgery: optical tracking versus optical coherence tomography. Proc. SPIE 8926, Photonic Therapeutics and Diagnostics X
Díaz Díaz, J.; Riva, M. H.; Majdani, O.; Ortmaier, T.
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(2014): Tissue Surface Information for Intraoperative Incision Planning and Focus Adjustment in Laser Surgery International. Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery (JCARS)
Schoob, A.; Kundrat, D.; Kleingrothe, L.; Kahrs, L. A.; Andreff, N.; Ortmaier, T.
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Incorporating Tissue Depth Information into Visualization and Incision Planning for Endoscopic Laser Surgery. 28th International Congress on Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS 2014)
Schoob, A.; Kundrat, D.; Kleingrothe, L.; Kahrs, L. A.; Andreff, N.; Ortmaier, T.
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Normal distributions transform in multi-modal image registration of optical coherence tomography and computed tomography datasets. Proc. SPIE 9034, Medical Imaging 2014: Image Processing
Díaz Díaz, J.; Riva, M. H.; Majdani, O.; Ortmaier, T.
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Comparison of tablet-based strategies for incision planning in laser microsurgery. Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, Medical Imaging 2015 (SPIE Medical Imaging 2015)
Schoob, A.; Lekon, S.; Kundrat, D.; Kahrs, L. A.; Ortmaier, T.
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Methods for a Fusion of Optical Coherence Tomography and Stereo Camera Image Data. Proceedings of the Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, Medical Imaging 2015 (SPIE Medical Imaging 2015)
Bergmeier, J.; Kundrat, D.; Schoob, A.; Kahrs, L. A.; Ortmaier, T.
