Kamera steuert Operationssystem

Optisches 3D-Tracking für die chirurgische Navigation

Der Einsatz innovativer Technologien in der Medizintechnik macht es möglich: Mit Hilfe eines neu-entwickelten Navigationssystems für Hals-Nasen-Ohren-Eingriffe (HNO) können endoskopische Operationen in der funktionellen Nasen- und Nasennebenhöhlenchirurgie (FESS) nun deutlich präziser durchgeführt werden.
Um Polypen zu entfernen, den natürlichen Abfluss der Nasennebenhöhlen wieder herzustellen oder Sinusitis zu behandeln werden u.a. Endoskope, Küretten und weitere chirurgische Instrumente durch die Nase eingeführt. Bedingt durch die anatomischen Eigenheiten des jeweiligen Patienten stellen diese Eingriffe auch mit viel chirurgischer Erfahrung noch immer eine Herausforderung für den behandelnden Arzt dar. Besonders wichtig ist es, das Gehirn während des HNO-Eingriffes nicht zu touchieren und Verletzungen der Augen zu vermeiden. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass der operierende Chirurg exakt weiß, wo sich die eingesetzten Instrumente im Inneren des Körpers gerade befinden und wie sie dort positioniert sind. Hier unterstützen neue bildverarbeitungsgesteuerte Operationssysteme, welche die Position der Instrumentenspitze in Echtzeit auf ein CT-Bild übertragen. So kann der Chirurg erkranktes Gewebe zuverlässig entfernen und kritische Bereiche meiden.

Optisches Tracking

Bisher war das Tracking von chirurgischen Instrumenten mittels elektromagnetischer Systeme sehr komplex und teuer. Ingenieure der kanadischen Firma ClaroNav Kolahi haben ein deutlich einfacheres Verfahren entwickelt, das auf optischem Tracking basiert. Das System soll einen neuen, kostengünstigeren Ansatz bieten, Chirurgen während endoskopischer, transnasaler HNO-Eingriffe an den Nebenhöhlen und der Schädelbasis zu unterstützen. Ahmad Kolahi, CEO von ClaroNav Kolahi, nennt die vier Hauptkomponenten des Navient-Systems: eine 3D-Stereo-Kamera mit integrierter Beleuchtung, ein Mac Book Pro zur Datenverarbeitung, ein Instrumentenset mit schwarz-weiß-gemusterten Markern und einen platzsparenden und faltbaren Rollwagen, um das Trackingsystem und den Laptop bequem neben dem Endoskopie-Monitor im Operationssaal zu positionieren. Die geringe Größe des Systems ermöglicht eine Platzierung in nahezu jeder Umgebung, so auch in engen Behandlungsräumen. Mit Hilfe der optischen Triangulation ermittelt das System dynamisch die Position der Spitze verschiedener chirurgischer Instrumente im dreidimensionalen Raum. Die Position des Instruments wird daraufhin an der korrespondierenden Stelle eines zuvor aufgenommenen computertomografischen Scans (CT) des Patientenkopfes angezeigt. So bekommt der Chirurg die Position seines Instruments während des Eingriffes an der Schädelbasis visualisiert.

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Zur Positionsbestimmung der Instrumentenspitze nutzt das System eine Point Grey Bumblebee XB3 3-Sensor-Kamera mit einem FireWire-Anschluss. Die Stereokamera enthält drei CCD-Kameras mit je 1,3MP-Auflösung. Die zwei Kameras links und rechts liefern Grauwert-Bilder mit einer Auflösung von 1.280×960 Pixeln bei 16fps, während die dritte Kamera die gesamte Szenerie aufnimmt. Die Kamera bietet zwei Abstände mit 12 bzw. 24cm für die Stereo-Bildverarbeitung. Im Navient-System wurde der größere Kameraabstand gewählt, um mehr Präzision bei größeren Arbeitsabständen zu gewährleisten. Die Kamera erkennt die Position von speziellen s/w-Markern, die auf den Instrumenten sowie auf der Stirn des Patienten angebracht sind. Das FlyCapture SDK 2.5 zur Kamerasteuerung und zur Bildaufnahme läuft auf Windows 10 (64 Bit). Die Position des Instruments relativ zum auf der Stirn des Patienten befestigten Marker wird durch die eigene optische Tracking Software Micron Tracker von ClaroNav auf einen kleinen Bruchteil eines Millimeters genau berechnet.

Position auf Schädelbasis visualisiert

Typische HNO- und Schädelbasis-Eingriffe werden bei stark gedimmtem Licht durchgeführt. Zudem war es wichtig ein optisches Trackingsystem zu entwickeln, welches den Chirurgen nicht einschränkt. Für eine korrekte Ausleuchtung nutzt das System eine Reihe von Infrarot-LEDs, die im Trackingsystem zusammen mit der Stereo-Kamera verbaut sind. Das auf die Szenerie gerichtete LED-Licht wird zu den Kameras zurück reflektiert. Spezielle IR-Bandpass-Filter lassen dieses Licht zu den Kamerasensoren durch. Um die gewonnenen Informationen über die 3D-Position der Operationsinstrumente exakt über das CT-Bild legen zu können, ist es notwendig das CT-Bild an die Lage des Patienten anzupassen. Dafür markiert der Chirurg einige Referenzpunkte auf dem CT-Bild und identifiziert mit Hilfe des von der Kamera erfassten Registrierungs-Pointers die dazugehörigen physischen Stellen am Körper des Patienten. Das System erstellt damit automatisch eine Karte, welche die Position der Instrumente im 3D-Raum und in der virtuellen Darstellung auf dem CT-Bild in Korrelation setzt. Während Navient mit den äußeren stereoskopischen Kameras der Bumblebee XB3 die Position der Instrumente bestimmt, nimmt die mittlere Kamera des Systems ein Video auf und zeigt es dem Arzt live auf dem Bildschirm an. Ahmad Kolahi sieht für Ärzte viele Vorteile in der Bereitstellung des Live-Videos, z.B. wenn das Blickfeld der Stereo-Kamera verdeckt wird und das System nicht mehr in der Lage ist, die Position der Instrumente zu verfolgen. In einem solchen Fall, kann der behandelnde Chirurg anhand des Live-Videos sofort die Verdeckung beseitigen, um mit der Operation fortzufahren. Das System ist seit 2013 in klinischen Tests im Einsatz und hat sich seitdem stark weiterentwickelt. Anfang 2016 hat es alle technischen Zertifizierungen für die Zulassung der kanadischen Gesundheitsbehörde sowie nach CE-Standard mit 60601 -1-Zertifizierung, EMC- sowie die fotobiologische und biokompatible Zertifizierung 62471 erhalten. Im April 2016 wurde das System von der kanadischen Gesundheitsbehörde für den Verkauf und Einsatz in Kanada zugelassen.

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