Einsatz der OCT-Bildgebung zur medizinischen Nahfeldnavigation
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Für die Verwendung der Optischen Kohärenztomographie (OCT) als Navigationsinstrument in der Chirurgie ist zunächst die genaue Charakterisierung der optischen Abbildungseigenschaften zwingend erforderlich. Hierfür wurden geeignete Phantome hergestellt und evaluiert, die sowohl eine geometrische Kalibrierung als auch eine Auflösungsbestimmung erlauben. Als Grundlage für die geometrische Kalibrierung wurde ein physikalisches „white-box“ Modell eines OCT entwickelt, dass jedoch auf eine sphärische Linsengeometrie beschränkt ist. Neben einer geometrischen Verzeichniskorrektur müssen zudem Brechungsindexgrenzschichten in einem OCT Datensatz detektiert und eine aus den Grenzschichtverläufen resultierende Verzeichnung des volumetrischen Datensatzes korrigiert werden. Hierfür entwickelte und in MatlabTM implementierte Routinen wurden mit der geometrischen Kalibrierung kombiniert und führten in OCT Messungen an Tierpräparaten zu einer verbleibenden Messabweichung kleiner 50 µm. Das zentrale Arbeitspaket zur Umsetzung der Nahfeldnavigation beinhaltet die Fusion der Informationen aus OCT- und CT-/DVT-Bildgebung, indem eine Bildregistrierung zwischen OCT- und CT-Daten berechnet wird. Die genaue Transformation von realen Daten wurde mit Hilfe von künstlichen Landmarken (Goldstandard, Titankugeln) bestimmt. Die punktbasierte Registrierung bildet die Basis der quantitativen Evaluation der Gütekriterien und Optimierungsverfahren. Für die Bildregistrierung wurden merkmalsbasierte und voxelbasierte Ähnlichkeitsmaße, sowie deterministische (und stochastische) Optimierungsalgorithmen untersucht. Trotz Evaluation unterschiedlicher Gütekriterien bleibt noch eine Fehltransformation zur gewünschten Transformation. Die Ursache für die Fehlregistrierung kann in der Eindringtiefe abnehmende OCT-Signalintensität einen Grund haben. Eine kontinuierliche Lagebestimmung mit hoher Genauigkeit zur Bestimmung des gesuchten Systemzustandes (aktuelle Verschiebung) wurde anfangs über die Extraktion von künstlichen Landmarken in CT- und OCT-Daten erreicht. Eine hochgenaue echtzeitfähige Registrierung war durch die gegeben Randbedingungen allerdings nicht möglich, da die Reduktion der Datenmengen zu einem Verlust des Referenzkoordinatensystems führte. Für die Evaluation wurde ein Aufbau basierend auf einer Kombination von OCT und abtragendem Laser benutzt. Die Navigation basiert hierbei auf den OCT-Daten sowie dessen Genauigkeit auf der Lokalisierungsgenauigkeit der OCT. Es wurden dieselben künstliche Landmarken eingesetzt, die für den Goldstandard verwendet wurden und mit Hilfe eines Navigationsphantoms wurden die Genauigkeiten an zwei Punkten evaluiert, so dass ein Target Registration Error (TRE) in einer Tiefe von 35 mm extrapoliert werden konnte. Die Ergebnisse zeigen, dass Navigation mit OCT um mind. Faktor 2 genauer ist als Navigation mit optischem Tracking. Der extrapolierte Fehler in 35 mm Tiefe ist mit OCT-Navigation kleiner als 0,5 mm, was der Zielgröße entspricht. Zur Erprobung des Assistenzsystems unter kliniknahen Bedingungen wurden in humane Schädelpräparate künstliche Landmarken in Form kleiner Titankugeln eingebracht, die im DVT und OCT zu erkennen sind. Auf Basis einer manuellen Segmentierung der Risikostrukturen wurden in einer eigens entwickelten Planungssoftware Zielpunkte für die Lasermarkierungen definiert und mithilfe des Laser-OCT-Systems gesetzt. Dabei konnte auf ein zusätzliches stereooptisches Navigationssystem verzichtet werden. Anschließend legte ein erfahrener HNO-Chirurg in einer simulierten Akustikusneurinom-Chirurgie den inneren Gehörgang frei. Die Markierungen halfen dem Chirurgen dabei, Risikostrukturen zu umgehen, von denen keine verletzt wurden. Das größte Optimierungspotential wurde im gegenwärtig zu geringen Arbeitsabstand des Laser-OCT-System identifiziert, der die Positionierung des Assistenzsystems zum Patienten im klinischen Einsatz erschweren würde. Darüber hinaus könnte das Einbringen der Kugelmarker durch ein Trägersystem erleichtert werden. Durch solche Optimierungen könnte die Handhabung dieses vielversprechenden Systems erleichtert und die Arbeitsabläufe beschleunigt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Towards Intraoperative OCT Guidance for Automatic Head Surgery: First Experimental Results,” in Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention – MICCAI 2013, K. Mori, I. Sakuma, Y. Sato, C. Barillot, and N. Navab, Eds. Springer Berlin Heidelberg, 2013, pp. 347–354
J. Díaz Díaz, D. Kundrat, K.-F. Goh, O. Majdani, and T. Ortmaier
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“Towards refractive index corrected optical coherence tomography as a navigation tool for bone surgery”, The European Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO_Europe) 2013, CL_P_2
M. Rahlves, J. Díaz Díaz, J. Thommes, O. Majdani, B. Roth, T. Ortmaier, E. Reithmeier
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, “Normal distributions transform in multi-modal image registration of optical coherence tomography and computed tomography datasets,” 2014, SPIE 9034, p. 90343L–90343L–7
J. Díaz Díaz, M. H. Riva, O. Majdani, and T. Ortmaier
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“Accuracy of optical navigation systems for automatic head surgery: optical tracking versus optical coherence tomography,” 2014, SPIE 8926, p. 89262F–89262F–6
J. Díaz Díaz, M. H. Riva, O. Majdani, and T. Ortmaier
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“Localization accuracy of sphere fiducials in computed tomography images,” 2014, SPIE 9036, p. 90360Z–90360Z–7
J.-P. Kobler, J. Díaz Díaz, J. M. Fitzpatrick, G. J. Lexow, O. Majdani, and T. Ortmaier
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"Korrektur geometrischer Verzeichnungen zur Kalibrierung von optischen Kohärenztomographiesystemen", Bildverarbeitung für die Medizin, Springer, pp. 233-238, 2015
J. Stritzel, J. Díaz Díaz, M. Rahlves, O. Majdani, T. Ortmaier, E. Reithmeier, B. Roth
