Assistenzsystem für die zervikale Spondylodese

A computer-assisted surgery system for cervical spondylodesis

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-15775
  • Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige Konzepte und alternative Verfahren zur Registrierung von Bilddatensatz und Patient für die Nutzung in der computer-assistierten Chirurgie ermittelt und deren Einsatzfähigkeit experimentell überprüft. Existierende Registrierverfahren weisen unzureichende Genauigkeit für den Einsatz in Navigationssystemen im Anwendungsbereich der Halswirbelsäulenchirurgie auf. In der Wirbelsäulenchirurgie existieren hohe Genauigkeitsanforderungen zur Implantation von Halte- und Fixiersystemen in und an den Wirbelkörpern. Dies gilt im besonderen Maße für die Stabilisierung der Halswirbelsäule aufgrund deutlich kleinerer anatomischer Strukturen bei gleichzeitigIm Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige Konzepte und alternative Verfahren zur Registrierung von Bilddatensatz und Patient für die Nutzung in der computer-assistierten Chirurgie ermittelt und deren Einsatzfähigkeit experimentell überprüft. Existierende Registrierverfahren weisen unzureichende Genauigkeit für den Einsatz in Navigationssystemen im Anwendungsbereich der Halswirbelsäulenchirurgie auf. In der Wirbelsäulenchirurgie existieren hohe Genauigkeitsanforderungen zur Implantation von Halte- und Fixiersystemen in und an den Wirbelkörpern. Dies gilt im besonderen Maße für die Stabilisierung der Halswirbelsäule aufgrund deutlich kleinerer anatomischer Strukturen bei gleichzeitig deutlich höherer Flexibilität des zu operierenden Gebietes. Diese besonderen Anforderungen des Anwendungsfeldes stellen besondere Herausforderungen an die Genauigkeit der zugrunde liegenden Registrierung von Bilddatensatz und Patienten während navigierten Eingriffen. Der Einsatz von Navigationssystemen in der Wirbelsäulenchirurgie ist inzwischen gut etabliert, jedoch mangelt es oft an hinreichend exakter Registrierergebnisse auf Basis prä-operativer Bildgebung. Die heute erreichbare Genauigkeit ermöglicht den Einsatz im Lenden- und Brustwirbelbereich. Adäquate klinische Assistenzsysteme für die Stabilisierung der Halswirbelsäule durch Wirbelkörperfusion (Spondylodese) fehlen jedoch am Markt. Eine fehlerfreie und exakte Registrierung ohne zusätzliche, möglicherweise fehlerbehaftete, Eingaben eines Benutzers bietet das größte Entwicklungspotenzial. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden zwei alternative Konzepte entworfen. Einerseits wird mit dem Ziel einer interaktionslosen Ausführung der Registrierung (automatisierte 2D/3D-Registrierung) der gesamte Vorgang deutlich vereinfacht. Andererseits wird durch Integration von Bildgebung und Navigation (registrierungsfreie Bildgebung) in einen einzigen Arbeitsschritt der Registriervorgang überflüssig. Die Konzepte wurden durch experimentellen Nachweis auf Basis von Phantomstudien evaluiert. Es wurden keine Patientendaten verwendet und keine anatomischen Studien durchgeführt. Die Studien wurden mit anthropomorphen Phantomen unter Laborbedingungen in einem kliniknahen Setup durchgeführt. Nachweise und Genauigkeitsuntersuchungen wurden durch räumliche Vermessungen sowie durch bildbasierte Analysen erzielt. Die aus diesen Evaluierungsverfahren resultierenden Ergebnisse wurden miteinander verglichen und durch Differenzbildung der Gesamtfehler der vorgestellten Verfahren ermittelt. Während die Evaluierung der 2D/3D-Registrierung nur unzureichende Ergebnisse lieferte, die für den Einsatz in der Halswirbelsäulenchirurgie nicht ausreichend waren, lieferte die registrierungsfreie Bildgebung akzeptable Ergebnisse. In diesem Verfahren wurden mittlere Abweichungen von 0.7 mm ermittelt. Diese Ergebnisse aus der vorliegenden Machbarkeitsstudie lassen die Nutzung des resultierenden Bildvolumens in Navigationsumgebungen realistisch erscheinen. Es wurde gezeigt, dass der Einsatz der registrierungsfreien Bildgebung für die chirurgische Navigation hinreichende bis gute Ergebnisse liefert. Darüber hinaus wurden weitere Optimierungspotenziale identifiziert, die eine zusätzliche Verbesserung der erreichbaren Genauigkeit vermuten lassen.show moreshow less
  • In this thesis new concepts and alternative approaches to register an image dataset to a patient are introduced. The utilizability of these new methods was evaluated for computer-assisted surgery as field of application. Existing registration-processes are characterized by a limited accuracy in respect to the use in navigation systems for cervical spine surgery. A very high accuracy for the implantation of fixation system is required in spine surgery. That is in fact even increasing for cervical spine procedures due to smaller anatomical structures and higher flexibility of the considered area also. These special needs derived from the field of application and leads to outstandingIn this thesis new concepts and alternative approaches to register an image dataset to a patient are introduced. The utilizability of these new methods was evaluated for computer-assisted surgery as field of application. Existing registration-processes are characterized by a limited accuracy in respect to the use in navigation systems for cervical spine surgery. A very high accuracy for the implantation of fixation system is required in spine surgery. That is in fact even increasing for cervical spine procedures due to smaller anatomical structures and higher flexibility of the considered area also. These special needs derived from the field of application and leads to outstanding requirements concerning accuracy of registration-processes during computer-assisted interventions. The assignment of navigation systems in spine surgery is well-known but there are still deficient registration results using pre-operative imaging. State-of-the-art registration fulfills the accuracy requirements for application in thoracic or lumbar spine procedures. Adequate clinical navigation systems for stabilization of cervical spine via fusion of vertebral bodies (spondylodesis) are still missing on the market. An error-free and accurate registration process without any additional, maybe erroneous, user-input offers the highest capability for innovation. Two alternative concepts were developed to reach this goal. On the one hand the whole registration process will get easier and more accurate by use of fully automatic 2-d/3-d registration. On the other hand the registration process itself will be superset by integration navigation into the imaging process (register-free imaging). Both concepts were evaluated with the help of experimental verification based on phantom studies. Neither patient data were used nor anatomical studies were carried out. The experimental studies were carried out with anthropomorphic phantoms under lab conditions in a near-clinical setup. Proof-of-concept and evaluation of accuracy were achieved by spatial measurements and image-based analysis. The results coming from these two methods were compared to each other. The deviation showed the total error of the approach. The evaluation of 2-d/3-d registration showed deficient results, which were insufficient for the usage in cervical spine surgery. However the register-free imaging showed adequate results. In this method the mean deviation was 0.7 mm. The promising results of the present feasibility study offered a presumable use of resulting image volume in navigation systems. It was assumed that the assignment of register-free imaging showed adequate results for computer-assisted surgery. Furthermore additional aspects for optimization were identified, which may increase the reachable accuracy.show moreshow less

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Metadaten
Author:Uwe Kirschstein
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-15775
Advisor:Willi A. Kalender
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2009
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Medizinische Fakultät
Date of final exam:2009/12/21
Release Date:2010/01/13
Tag:Robotik; computer-assistierte Chirurgie
Computer-Assisted Surgery; Robotics
SWD-Keyword:Navigation; Halswirbelsäule; Halswirbelsäulenverletzung; Spondylodese; Registrierung; Registrierung <Bildverarbeitung>; CAS
Institutes:Medizinische Fakultät / Medizinische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 61 Medizin und Gesundheit / 610 Medizin und Gesundheit
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