Positionierungsgenauigkeit in einem registrierungsfreien, CT-basierten Navigationssystem

Hintergrund. In der bildgeführten Therapie (Image-Guided Therapy, IGT) werden immer
mehr Anstrengungen unternommen, bildgebende Modalitäten in den Operationssaal zu
integrieren. Der Vorteil liegt darin, dass aufwendige Registrierungsvorgänge, welche den
räumlichen Zusammenhang zwischen Patientenanatomie und Bilddatensatz wiederherstellen,
nicht nötig sind und Veränderungen des Operationsvolumens intraoperativ überwacht werden
können. Ausgehend von diesen Überlegungen wurde an unserem Krankenhaus ein
spezialisierter Operationssaal (Multifunctional Image-Guided Therapy Suite, MIGTS)
zusammen mit einem Industriepartner entwickelt. In dieser sterilen Arbeitsumgebung können
Angiographien und Computertomographien (CT) durchgeführt werden ohne den Patienten
umzulagern. Realisiert wird dies durch einen „Advanced Workplace for Image-Guided
Surgery“ (AWIGS), bestehend aus einem spezialisierten Operationstisch mit einem
strahlendurchlässigen Transferboard, welches dem Patienten als permanente Unterlage dient
und direkt auf einen passenden CT-Tisch geschoben werden kann. Dies ermöglicht die
Implementation eines in unserem Hause entwickelten „modalitätsbasierten“
Navigationssystems, wo Instrumente im Koordinatensystem der bildgebenden Modalität
abgebildet werden. Um die Genauigkeit dieses Systems nach erfolgter Kalibration
beizubehalten, muss der Computertomograph anhand der Koordinaten eines gescannten
Zielobjektes fähig sein, dieselbe Position wiederholt anzufahren und identische Bildvolumina
zu erzeugen. Wir haben die Positionierungsgenauigkeit in unserer Navigationsanwendung und
deren Auswirkung auf die Navigationsgenauigkeit mittels einer grossen Serie an
Genauigkeitsmessungen in unserem System untersucht.
Methoden. Insgesamt N = 154 Bildvolumina eines spezialisierten Phantoms wurden nach
Anfahren jeweils identischer Transferboard-Positionen akquiriert. Zwischen den Scans haben
wir das Board um unterschiedliche Distanzen entlang verschiedener Achsen verschoben.
Nacheinander generierte Bildvolumina wurden auf translationale Verschiebungen innerhalb
des Referenzsystems des Computertomographen geprüft. Dabei haben wir den Einfluss der
Position des Phantoms auf dem Transferboard sowie die Auswirkung von unterschiedlich
verteiltem Gewicht auf dem Board bei den verschiedenen Translationen untersucht. Die
Genauigkeit des Navigationssystems nach vorangegangener Kalibration (N = 12) wurde
bestimmt. Da die Navigationsgenauigkeit spätestens beim nächsten Scan ohne
vorangegangene Kalibration von der Positionierungsgenauigkeit des Transferboards innerhalb
der Modalität abhängt, haben wir einen Test entworfen, der dieser Tatsache Rechnung trägt
und die Positionierungsgenauigkeit des Transferboards in die Kalibrationsgenauigkeit mit
einbezieht.
Resultate. Die initiale Kalibrationsgenauigkeit des Systems liegt bei 2.1 ± 0.7 mm (N =
12). Unter Einbeziehung der Positionierungsgenauigkeit des Transferboards innerhalb der
Modalität beträgt die Kalibrationsgenauigkeit 3.0 ± 0.9 mm (N = 10). Fälle von
translationalen Verschiebungen wurden detektiert und einem systematischen Fehler beim
Docken des Transferboards zum CT-Tisch zugeordnet (10.9 ± 0.9 mm, N = 8). Ein
Skalierungsfehler von (0.83 ± 0.03) : 1 in der Distanzausgabe des AWIGS bei
Höhenveränderung des Transferboards (N = 8) wurde erkannt.
Interpretation. Die erreichte Genauigkeit stufen wir als ausreichend für ein breites
Spektrum an Anwendungen in der Chirurgie und der interventionellen Radiologie ein. Dies
wird auch durch die ersten klinischen Anwendungen des Systems bestätigt, bei welchen unser
Prototyp aufgrund der in dieser Arbeit aufgezeigten Probleme zwischen den Interventionen
rekalibriert wurde. Mittlerweile wurde eine korrekte Referenzierung des Transferboards zum
CT-Tisch sowie des CT-Tisches zur CT-Gantry durch den Hersteller verwirklicht, trotzdem
müssen im Betrieb regelmässige Genauigkeitsmessungen zur Qualitätssicherung eingeplant
werden.