Neuronavigation: Computerassistierte Neurochirurgie

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1 Neuronavigation: Computerassistierte Neurochirurgie Christian Rainer Wirtz, Stefan Kunze Schlüsselwörter: Computerassistierte Operationsverfahren, Neuronavigation, rahmenlose Stereotaxie, intraoperative Magnetresonanztomographie, bildgeführte Chirurgie Fortschritte der Computertechnologie und Bildgebung haben zur Entwicklung computerassistierter Operationsverfahren in der Neurochirurgie geführt. Die Neuronavigation erlaubt die genaue Übertragung der Bilddaten auf das Operationsfeld zur Definition von Tumorgrenzen oder wichtigen Gehirnarealen. Bei mehr als 230 Operationen mit Key words: Computer assisted surgery, neuronavigation, frameless stereotaxy, intraoperative magnetic resonance imaging, image guided surgery Improvements in computer technology and modern neuroimaging have led to the development of intraoperative computer assistance in neurosurgery. Neuronavigation or frameless stereotaxy allows the accurate transfer of the individual patient s images onto the operative field helping to define tumour margins or critical brain areas. In more than 230 Abbildung 1: Dreidimensional rekonstruierter Datensatz bei einem postzentralen Kavernom. Gyrus prä- und postcentralis sind ebenso wie kortikale Venen und das Kavernom plastisch zu erkennen. Grundlage einer jeden operativen Therapie ist die genaue Kenntnis sowohl der normalen Anatomie als auch der individuellen Pathoanatomie des Operationsgebietes. Durch die hohe Komplexität der Neuroanatomie und der anatomischen Strukturen im Schädelbereich werden an den Operateur in dieser Hinsicht besondere Anforderungen gestellt. Erschwerend kommt hinzu, daß die anatomischen Strukturen infolge von Tumoren oder Anomalien verändert sein können. Nur durch eine vorsichtige schichtweise Präparation und ein langsames Herantasten an den Befund kann in diesen Fällen eine Verletzung wichtiger Strukturen vermieden Eine kaum zu überschätzende Hilfe stellen hier die modernen bildgebenden Verfahren der Magnetresonanztomographie (MRT) und der Computertomographie (CT) dar, die mit hoher Auflösung die individuelle Anatomie abbilden. Durch gedankliches Zusammensetzen der Einzelschichten läßt sich ein dreidimensionaler Eindruck gewinnen. Dies setzt aber ein hervorragendes räumliches Vorstellungsvermögen voraus und ist mit Ungenauigkeiten behaftet. Die Neurochirurgische Klinik und Poliklinik (Direktor: Prof. Dr. med. Stefan Kunze), Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg. ZUSAMMENFASSUNG verschiedenen Navigationssystemen erwies sich die Methode als äußerst hilfreich, besonders bei kritisch, tief im Gehirn oder an der Schädelbasis, gelegenen Tumoren. Der Hauptnachteil, die Verwendung präoperativer Bilder, kann durch operationsbedingte Veränderungen der Anatomie zu Ungenauigkeiten führen. Mit der in Heidelberg entwickelten Methode der intraoperativen MRT können diese Veränderungen einbezogen und die Navigation intraoperativ aktualisiert SUMMARY operations performed with different systems the method proved to be helpful allowing the use of less invasive procedures, particularly in tumours in deep or critical locations or at the base of the skull. The major disadvantage is the use of preoperative data for navigation leading to inaccuracies, when anatomical structures are altered during the operation. With the method of intraoperative MRI developed in Heidelberg it is possible to update navigation with images reflecting intraoperative changes of anatomy. schnell fortschreitende Entwicklung der Computertechnologie hat die Voraussetzungen für ein rechnerisches Zusammensetzen der Schichtbilder zu plastischen dreidimensionalen (3-D) Rekonstruktionen (4, 5, 37, 47) geschaffen und dem Operateur diese Aufgabe so abgenommen beziehungsweise erheblich erleichtert. Diese Bilder können auf dem Monitor aus jedem Betrachtungswinkel dargestellt werden, was die Möglichkeit einer computerassistierten Operationsplanung in dreidimensionaler Form eröffnet, um Zugangswege und Freilegungen optimal, das heißt mit möglichst geringer Traumatisierung der gesunden Strukturen, zu planen (24, 31, 37, 44) (Abbildung 1). Parallel zur rein bildlichen Darstellung wurden Methoden der Industrietechnik angewandt, wie die computergestützte Fertigung gefräster oder stereolithographischer Modelle zur Anfertigung von Implantaten auf der Basis solcher Modelle (13). Auch zur Planung von Operationen an der A-2384 (36) Deutsches Ärzteblatt 95, Heft 39, 25. September 1998

2 Abbildung 2: Ablaufdiagramm einer Operation mit Neuronavigation. Obere Reihe: Am Tag vor der Operation werden dem Patienten Markierungen (Fiducial- Marken) aufgeklebt und im CT oder MRT ein 3-D-Datensatz angefertigt. Die Daten werden zur Navigationsworkstation übertragen, wo die präoperative Aufarbeitung des Datensatzes mit Erstellung eines 3-D-Modelles erfolgt. Untere Reihe: Zur Operation wird das Digitalisierinstrument (Arm, Kamera oder Mikroskop) aufgestellt und der Patient gelagert. Dann wird der Datensatz mit dem Kopf des Patienten korreliert, indem gleiche Markierungen der Reihe nach auf dem Datensatz und am Kopf definiert werden (links). Ist die Registrierung einmal erfolgt, so kann intraoperativ jederzeit die aktuelle Position der Spitze des Navigationsinstruments auf dem Datensatz lokalisiert werden (rechts). Schädelbasis werden diese Modelle verwendet, allerdings ohne die Möglichkeit, Weichteilmanipulationen simulieren zu können. Mit diesen bildgebenden Verfahren, die ohne zusätzliche Strahlenbelastung, basierend auf den einmal erfaßten Daten, verschiedene Einblicke und Ansichten der knöchernen Strukturen des Schädels erlauben, ist ein entscheidender Schritt zur Optimierung der präoperativen Diagnostik und Operationsplanung eingeleitet worden. Trotz dieser Fortschritte bleibt für den Operateur das Problem, die bei der Planung erhaltenen Informationen und Erkenntnisse auf die intraoperative Situation mit der zum Teil nur noch in Form des Operationsfeldes sichtbaren Anatomie bei sonst abgedecktem Patienten zu übertragen. So sollte eine genaue Übertragung der räumlichen Information der diagnostischen Bilder auf die operative Situation möglich sein. Dazu müssen die Raumkoordinatensysteme des Patienten und der Bilder zur Deckung gebracht In der Neurochirurgie wird dies mit dem bereits seit langem etablierten Verfahren der Stereotaxie erreicht. Hier wird mit Hilfe eines vor der CT- oder MRT-Untersuchung bis nach der Operation fest am Schädel des Patienten angeschraubten Lokalisationsrahmens ein punktgenaues Anzielen, zum Beispiel eines tiefliegenden kleinen Tumors, anhand der Bilddaten möglich (1, 28). Die Applikation dieses Rahmens ist aber umständlich, für den Patienten belastend und während der Operation teilweise hinderlich. Lösungsmöglichkeiten bieten hier Systeme zur intraoperativen Navigation, die es dem Operateur ermöglichen, seine Position im Operationssitus auf dem dreidimensional rekonstruierten Bilddatensatz des jeweils operierten Patienten darzustellen (2, 12, 17, 28, 38, 39), ohne daß ein stereotaktischer Rahmen angebracht werden müßte. Nahezu gleichzeitig wurden in den USA (29), Japan (38), der Schweiz (26) und in Deutschland (23) verschiedene Systeme zur intraoperativen Navigation entwickelt. Damit war erstmals der Schritt von der reinen Darstellung wenn auch dreidimensional von Bilddaten zur interaktiven bildgeführten Operation ( computer assisted surgery ) getan. Es ist mit diesen Navigationsverfahren möglich, die Lage einer auf den Bildern dargestellten pathologischen oder anatomischen Struktur in der individuellen Anatomie des Patienten im Operationssitus festzulegen und damit computerunterstützt zu operieren. Zur Korrelation zwischen Bilddatensatz beziehungsweise dreidimensionalen anatomischen Rekonstruktionen und der räumlichen Lage der Patientenanatomie bedient man sich der Methoden der rahmenlosen Stereotaxie, welche einen nötigen Ab- Deutsches Ärzteblatt 95, Heft 39, 25. September 1998 (37) A-2385

3 gleich der Koordinatensysteme der Bilddaten und der Patientenanatomie über Markierungen herstellen, die sich auf den Bildern darstellen und im OP am Patienten eindeutig identifizieren und zuordnen lassen. Systemtechnik Mit der Neuronavigation ist es möglich, eine genaue Übertragung der Bilddaten auf die Anatomie des Patienten zu erreichen. Dazu werden dreidimensionale Digitalisierinstrumente verwendet, deren Aufgabe es ist, Punkte im physikalischen Raum (Operationsfeld) exakt festzulegen und so eine Korrelation mit den entsprechenden Punkten im virtuellen Raum (Bilddaten des Patienten) zu ermöglichen. Die Instrumente, mit denen dies erreicht wird, beinhalten alle das gleiche Prinzip, arbeiten aber mit unterschiedlichen Techniken zur Lokalisation. Als Digitalisierinstrumente wurden zunächst positionsfühlende Gelenkarme entwickelt (17, 39, 45, 48). Elektronische Winkelmesser in den sechs Gelenken und die bekannte Länge der einzelnen Armglieder erlauben, daß die räumliche Lage des angeflanschten Operationsinstruments innerhalb der Reichweite von 60 cm in allen sechs Freiheitsgraden des Raums mit einer technischen Genauigkeit von unter einem Millimeter vermessen werden kann (Abbildungen 2 und 5). Armlose freie Systeme, die nicht mehr mechanisch ankoppeln, arbeiten nach dem Prinzip der Satellitennavigation. Drei CCD-Zeilenkameras registrieren die Lage von Infrarot-Leuchtdioden, die am Operationsinstrument angebracht sind. Über Distanzmessungen und die bekannte Geometrie des Instruments läßt sich sodann die Lage und räumliche Orientierung der Instrumentenspitze berechnen (2, 6, 46). Anstelle von Infrarot-Licht können auch Ultraschallwellen oder Magnetfelder verwendet werden (22, 27). Letzte Möglichkeit schließlich ist der Einsatz von aktiv betriebenen Roboterarmen, an deren Ende dann zum Beispiel ein Operationsmikroskop angebracht ist, dessen Fokuspunkt in Koordinaten umgerechnet werden kann (Abbildung 3). Die Bilddaten werden auf einer Computerworkstation verarbeitet, die in der Lage ist, Lokalisationspunkte schnell zu berechnen und auf einem Bildschirm in verschiedenen Ebenen darzustellen. Abbildung 3: Roboterarm-System mit integriertem Operationsmikroskop. Die Lokalisation erfolgt durch Fokussieren auf einen Punkt im Operationsgebiet. Das praktische Vorgehen bei der Vorbereitung und Durchführung einer Navigationsoperation soll nun beschrieben In der Regel werden am Tag vor der Operation die CT- oder MRT-Untersuchungen für die Planung und intraoperative Navigation durchgeführt. Dazu werden Markierungen am Kopf des Patienten aufgeklebt, die sich auf den Bildern genau erkennen lassen. Eine Verschiebung der Markierungen bis zum Zeitpunkt der Operation muß dabei ausgeschlossen Die Tomographiedaten des Patienten werden über das Kliniknetzwerk per Magnetband auf die Workstation übertragen. Hier erfolgt die Vorbereitung der Daten für die Planung und die Anwendung bei der Operation. Je nach Anforderungen des Operateurs und der Programmierung des Navigationssystems können dann die Grenzen interessierender Objekte (zum Beispiel Haut- und Knochenoberfläche, Hirnoberfläche mit Windungsrelief, Gefäße oder Tumorgrenzen) in den einzelnen CToder MRT-Schichten markiert Daraus werden dreidimensionale Oberflächendarstellungen berechnet. Diese Darstellungen können gedreht und gekippt, mit Farben versehen und auch transparent dargestellt Zusätzlich werden die Markierungen auf den Bildern gesucht und als Referenzpunkte definiert. Nachdem der Kopf des Patienten zur Operation in der Kopfstütze immobilisiert ist, wird nun das Navigationssystem synchronisiert. Man spricht bei diesem Vorgang auch von Registrierung. Dazu werden die zuvor bestimmten Referenzpunkte (aufgeklebte Markierungen) der Reihe nach mit dem Navigationsgerät am Patientenkopf lokalisiert und mit den entsprechenden Punkten auf den Bildern korreliert. Ist dieser Vorgang beendet, kann der Chirurg die aktuelle räumliche Position und Richtung der von ihm am Patientenkopf geführten Instrumente in Relation zu den Computertomographie- und/oder Magnetresonaztomographie-Daten des Patienten auf dem Monitor verfolgen. Die Berechnung einer Ultraschallansicht in der jeweils aktuellen Position und Orientierung der Sondenspitze ermöglicht ein Vorausschauen ins OP-Gebiet (Abbildung 4). Das sterilisierte oder steril bezogene Navigationsinstrument kann dann während der weiteren Operation zur Orientierung und Lokalisierung wichtiger Strukturen jederzeit herangezogen Erfahrungen mit der Neuronavigation In der Neurochirurgischen Klinik wurde in Kooperation mit den Nachbarfächern der HNO und insbesondere der Mund-Kiefer-Gesichtschirurgischen Kinik Mitte 1993 ein auf einem mechanischen Gelenkarm basierendes Navigationssystem beschafft und angewendet. Das System Viewing Wand (ISG, Mississauga, Ontario, Kanada) war das erste kommerziell erhältliche System und wurde erstmals in Deutschland eingesetzt. Spä- A-2386 (38) Deutsches Ärzteblatt 95, Heft 39, 25. September 1998

4 Tabelle Übersicht der Läsionen und Eingriffe, die mit Neuronavigation durchgeführt wurden Art der Läsion ter konnten auch andere Navigationssysteme mit den verschiedenen verfügbaren Lokalisationsmethoden wie Gelenkarmen (OAS, Radionics, Burlington, USA), Kamerasystemen (SPOCS, Aesculap, Tuttlingen, BRD, und OTS, Radionics, Burlington, USA) und in das Operationsmikroskop integriertem Roboter-System (MKM, Carl Zeiss, Oberkochen, BRD) verwendet und im klinischen Einsatz sowie unter Laborbedingungen evaluiert Untersuchungen zur Systemgenauigkeit Eine der wichtigsten Kenngrößen der Neuronavigation ist die Genauigkeit, mit der die Korrelation zwischen Antomie und Bildern hergestellt werden kann. Daher untersuchten wir vor und auch parallel zum klinischen Einsatz die verschiedenen Navigationssysteme mit Hilfe von Phantomstudien. Dazu wurde ein Plexiglas-Phantom mit integrierten Zielpunkten konstruiert, dieses räumlich exakt mit einer Genauigkeit von 0,05 Millimeter maschinell vermessen und anschließend sowohl CT- Art des Eingriffes Glioblastome 38 mikrochirurgische Eingriffe 181 Gliome ( I III) 37 supratentoriell 134 Meningiome 30 Schädelbasis 32 Metastasen 23 infratentoriell 15 Kavernome 23 Biopsien 12 sonstige vaskulär 5 Funktionelle Eingriffe 7 funktionell (z. B. Schmerz) 5 Gesamt 200 Strahlennekrose 4 Lokalisation: Hypophysenadenome 4 eloquente Areale 83 Chordome 3 Schädelbasis 32 andere Läsionen 17 sonstige 85 Gesamt 189 Gesamt 200 als auch MRT-Datensätze davon angefertigt. Nach Verarbeitung der Bilddatensätze erfolgte die Referenzierung des Phantoms mit jedem der Navigationssysteme. Dann wurden die Referenzierungsgenauigkeit, die Lokalisationsgenauigkeit der Zielpunkte und die rein mechanische Genauigkeit des jeweilen Lokalisationssystems ermittelt. Andere Faktoren, die einen Einfluß auf die Genauigkeit der Navigation im klinischen Einsatz haben, wie die Schichtdicke der Bilder und die Zahl und Positionierung der Markierungen wurden ebenfalls ermittelt. Die mechanische Meßgenauigkeit der Lokalisationssysteme liegt bei den Gelenkarmen und Kamerasystemen zwischen einem und zwei Millimetern; mit dem mikroskopintegrierten Robotersystem (MKM) lag die Genaugkeit unter einem Millimeter (40). Die Lokalisationsgenauigkeit aller Teilkomponenten zusammen wird aber zusätzlich noch von weiteren Faktoren wie Definitionsgenauigkeit der Marker im Bilddatensatz, Anzahl und Lage der Marker sowie der Schichtdicke der Bilder beeinflußt und ist daher insgesamt ungenauer. Wichtige Ergebnisse unserer Untersuchungen für die klinische Praxis waren die zunehmende Genauigkeit mit der Anzahl der zur Registrierung benutzten Marker und mit der Verringerung der Schichtdicke der CT- oder MRT- Bilder. Einsatzmöglichkeiten und Erfahrungen in der Neurochirurgie Hauptindikationen, in denen sich die Neuronavigation als besonders vorteilhaft erwiesen hat 1. Schädelbasistumoren 2. Tumoren in eloquenten Arealen 3. Tiefliegende Läsionen 4. Funktionelle Operationen 5. Kleine subkortiale Läsionen 6. Multiple Läsionen 7. Epilepsiechirurgie 8. Biopsien Insgesamt wurden seit Juli 1993, um die Methode als solche zu testen sowie die verschiedenen Systeme zu untersuchen und untereinander zu vergleichen, über 230 Operationen mit Hilfe der intraoperativen Navigation durchgeführt. Eine Auswertung von 200 Eingriffen, die bei 189 Patienten unter Neuronavigation durchgeführt wurden, sollte den klinischen Einsatz hinsichtlich der Vor- und Nachteile sowie der wichtigsten Einsatzbereiche untersuchen. Darunter waren 32 Eingriffe an der Schädelbasis, die zum Teil interdisziplinär mit Beteiligung der MKG- oder HNO- Chirurgie durchgeführt wurden. Die anderen Eingriffe verteilten sich auf 121 Operationen bei Hirntumoren, 28 bei vaskulären Läsionen, 12 Biopsien und sieben funktionelle Eingriffe (Tabelle). Zu den Hauptindikationen, bei denen sich die intraoperative Navigation als besonders hilfreich erwiesen hat, zählen Tumoren in Gehirnarealen hoher Funktionalität (Sprach-, Motokortex), Schädelbasistumoren, kleine tiefliegende Läsionen, funktionell neurochirurgische Eingriffe, multiple Läsionen und Biopsien (1, 35, 42) (Textkasten). Deutsches Ärzteblatt 95, Heft 39, 25. September 1998 (39) A-2387

5 Die bei allen Navigationssystemen vorhandene Möglichkeit der 3- D-Rekonstruktion und Eingriffsplanung hat sich als besonders vorteilhaft bei Läsionen in funktionell eloquenten Hirnarealen erwiesen. Hier können über die Analyse des rekonstruierten Hirnwindungsreliefs des Patienten sensible Areale identifiziert und intraoperativ die Traumatisierung in diesen Bereichen minimiert werden (Abbildungen 1 und 4). Auch die prä- und intraoperative Planung der Zugangswege oder Überprüfung der Resektionsradikalität (Abbildung 4) sind wichtige Vorteile der Neuronavigation. Bei einer Befragung der Operateure nach Operationen zeigte sich eine überaus positive Einschätzung der Methodik, sowohl hinsichtlich der Operationsplanung als auch in bezug auf die intraoperative Unterstützung. So wurde die verbesserte Festlegung der Trepanation in 85 Prozent und die bessere Bestimmung der Tumorgrenzen in 78 Prozent der Operationen als sehr Abbildung 4: Monitordarstellung bei intraoperativer Lokalisation der Tumorgrenze eines niedergradigen Glioms links präzentral. In der mittleren Reihe sind Schnittebenen entlang des Trajektes der Lokalisationssonde und senkrecht dazu rekonstruiert. Die aktuelle Lokalisation wird durch ein Fadenkreuz in den Bildern dargestellt. hilfreich beurteilt. Ein weiterer Effekt ist der subjektive Gewinn an Sicherheit. Die für die Genauigkeit der Lokalisierung in der klinischen Routineanwendung ermittelten Werte ergaben höhere Abweichungen als in den Phantomstudien. Dies erklärt sich dadurch, daß die Markierungen, die den Patienten aufgeklebt werden, mit der Haut des Patienten verschieblich sind. Zusätzlich können Bewegungsartefakte in den Bildern die Genauigkeit verringern, und die Entfernung der Kameras, minimale Verschiebungen des Gelenkarmes oder Operationstisches in Relation zum Mikroskop wirken sich ebenfalls negativ aus. Mit Abweichungen von zwei bis fünf Millimetern lag die klinische Anwendungsgenauigkeit nur geringfügig über den Bereichen, wie sie auch für die rahmenbasierte Stereotaxie angegeben werden (8, 19, 20). Bei der Verwendung von Schraubmarkern, die in der Schädelkalotte der Patienten verankert werden, konnten wir mit dem Robotersystem MKM auch in der klinischen Anwendung Genauigkeiten von unter einem Millimeter erreichen. Zur Illustration können folgende Fallbeispiele dienen: Fallbeispiel 1: Bei einem 71jährigen Mann wird aufgrund einer apoplektiform aufgetretenen Parese der rechten Hand ein Kernspintomogramm angefertigt und eine Raumforderung links zentroparietal festgestellt. Als Lokalisation des Tumors stellt sich der vordere Abschnitt des Gyrus praecentralis dar, eine Beziehung, die nach Rekonstruktion der Gehirnoberfläche besonders deutlich wird. Es gilt intraoperativ die Freilegung (Abbildung 5) und die Grenzen des wider Erwarten schlecht abgegrenzten Tumors festzulegen, was mit Hilfe des Navigationssystem gelingt. Durch einen Zugangsweg über den Sulcus praecentralis mit minimaler Traumatisierung des motorischen Kortex kann der Tumor komplett entfernt Auch postoperativ findet sich kein zusätzliches motorisches Defizit. Fallbeispiel 2: Bei einem 14 Monate alten Mädchen sind wegen eines Hydrozephalus bei multiplen intraventrikulären Zysten bereits zwei Shuntrevisionen mit Zystenpunktion ohne bleibenden Erfolg durchgeführt worden. Nun soll endoskopisch mit Hilfe der Navigation eine Fensterung der Zysten durchgeführt Die Planung des optimalen Eintrittspunktes und der besten Punktionsrichtung kann unmittelbar präoperativ erfolgen (Abbildung 6). Durch die Möglichkeit einer flexiblen Instrumenten- Adaptierung bei dem Infrarot-Navigationssystem kann intraoperativ auch die Position des Endoskops selbst kontinuierlich verfolgt werden, auch wenn die Orientierung anhand des endoskopischen Bildes aufgrund der komplexen anatomischen Verhältnisse extrem erschwert ist. Zunehmend werden Navigationssysteme auch in anderen chirurgischen Fächern eingesetzt. So ergeben sich weitere Einsatzmöglichkeiten des Systems in der Mund-, Kieferund Gesichtschirurgie sowie der HNO-Chirurgie. Besonders in der Kieferchirurgie erfolgt bereits der A-2388 (40) Deutsches Ärzteblatt 95, Heft 39, 25. September 1998

6 klinische Routineeinsatz bei verschiedenen Operationen. Indikationen für die intraoperative Navigation bestehen dabei vor allem in der Lokalisation pathologischer Veränderungen oder von Fremdkörpern, Tumorresektionen im Knochen und knochennahen Bereich sowie bei der operativen Korrektur von ausgeprägten Kieferfehlstellungen und Gesichtsasymmetrien im Rahmen der kraniofazilen Therapie (10, 11, 24). In der HNO werden die Systeme vor allem zur Orientierungshilfe in der endoskopischen Nebenhöhlenund Schädelbasischirurgie (14, 25) verwendet. Diskussion Techniken der computerunterstützten Chirurgie haben zum Ziel, dem Operateur stets aktualisierte Informationen über die Lage kritischer Strukturen in Relation zu seinen Abbildung 5: Intraoperative Lokalisation und Zugangsplanung zur Operation eines links zentral gelegenen Glioblastoms. Operationsinstrumenten zu geben. Durch den Einsatz solcher Systeme wird eine Verringerung der operativen Risiken, eine Verkürzung der Operationszeiten und als Folge eine deutliche Verringerung der Belastung der Patienten angestrebt (25, 45). Die vorgestellten Systeme ermöglichen die direkte intraoperative Unterstützung des Operateurs. Das gewählte operative Vorgehen kann räumlich exakt mit Hilfe der intraoperativen Navigationstechnik umgesetzt Von großer Bedeutung ist dabei die Möglichkeit der ständigen interaktiven Darstellung der aktuellen Position auf dem Bilddatensatz. Die Anwendungsgenauigkeit der Systeme, die auch in der neurochirurgischen Fachliteratur unterhalb von fünf Millimetern angegeben wird (2, 9, 33), ist für den klinischen Einsatz ausreichend und vergleichbar mit der Präzision der klassischen rahmenbasierten Stereotaxie (20, 30). Die Hauptindikationen, die im Textkasten dargestellt sind, umfassen ein breites Spektrum der Neurochirurgie, werden aber mit zunehmender Integration der Navigation in die Arbeitsabläufe noch deutlich erweitert Die mit Hilfe eines Meßarms geführten Systeme haben bereits einen Reifegrad erreicht, der sich in einem konstanten und wenig fehleranfälligen Betrieb zeigt. Nachteilig kann sich aber der durch den mechanischen Arm eingeschränkte Aktionsradius und eine gewisse Unhandlichkeit durch Limitierungen in den Gelenkstellungen erweisen. An schwer zugänglichen Stellen, mit einer größeren Ausdehnung, wie zum Beispiel der gesamte Kopfbereich oder die Wirbelsäule, ist ein armgeführtes System daher im Nachteil. Abhilfe schaffen hier die kopplungsfreien infrarotlichtbasierten Systeme, die allerdings eine direkte Sichtlinie zwischen den Kameras und dem zu lokalisierenden Instrument haben müssen. Dies kann in der Operationssituation mit kleinem Operationsfeld bei gleichzeitiger Verwendung des Operationsmikroskops Probleme bereiten. Die freie Adaptierbarkeit von chirurgischen Instrumenten an diese Navigationssysteme bewirkt eine wesentlich flexiblere Handhabung und bessere Integration in die Operationsabläufe. Beim MKM entfällt aufgrund der Steuerung durch einen Roboterarm das Problem der Sichtlinie. Zusätzlich ist auch die Einspiegelung der Bildinformation direkt in das Blickfeld des Chirurgen möglich. Abbildung 6: Planung des optimalen Zugangsweges zur endoskopischen Fensterung multipler intraventrikulärer Zysten bei einem 14 Monate alten Kind. Das Infrarot-Navigationssystem (OTS) läßt sich an das Endoskop adaptieren, so daß die Orientierung auch während des Eingriffes bei unübersichtlichen anatomischen Verhältnissen erhalten bleibt. Durch die ungewohnte aktive Führung kann die Handhabung des Mikroskops in der Operation schwieriger Bei den in der Konzeption aktiven Systemen gehen die Möglichkeiten jedoch über die reine Navigation hinaus. So ist durch die aktive Roboterkomponente eine Führung von Instrumenten, zum Beispiel Endoskopen oder Biopsienadeln, mit stereotaktischer Präzision vorstellbar. Trotz der technischen Weiterentwicklungen, die die Genauigkeit und den Umgang mit Navigationssystemen wesentlich verbessert haben, bleibt ein grundsätzliches Problem bestehen, das für alle bildgesteuerten Verfahren, die mit präoperativen Datensätzen arbeiten, zwangsläufig zutrifft: Jegliche intraoperative Verschiebung der anatomischen Verhältnisse kann natürlich nicht in den präoperativen Bilddaten dargestellt Dies bedingt zwangsläufig eine mangelhafte Übereinstimmung beziehungsweise Abweichungen zwischen dem Operationsgebiet und den Bildern. Die Ursachen für solche Deutsches Ärzteblatt 95, Heft 39, 25. September 1998 (41) A-2389

7 Verschiebungen sind vielfältig und treten in Abhängigkeit von den anatomischen Gegebenheiten besonders bei Operationen von Hirntumoren auf. So sind zum Beispiel die Strukturen der Schädelbasis kaum verschieblich, da knöchern eingebettet, weshalb hier eines der idealen Anwendungsgebiete der Neuronavigation liegt. Im Gegensatz dazu reichen die Gründe für Verschiebungen bei Operationen intraparenchymaler Tumoren von Liquorverlusten über Hirnschwellungen und Weghalten des Gehirnes mit Hirnspateln bis hin zu Veränderungen durch die fortschreitende Resektion des Tumors selbst. Die daraus resultierenden Abweichungen können unter Umständen im Verlauf einer Operation ein erhebliches Ausmaß annehmen (Abbildung 7). In einem solchen Fall sind die Lokalisationsangaben des Navigationsgerätes, die ja auf den präoperativen Bildern beruhen, am Ende einer Operation, wenn die Radikalität Abbildung 7: Intraoperativ angefertigtes MRT. Der Rest des rechtsseitigen Glioblastoms ist am dorsalen Rand der Resektionshöhle zu erkennen. Die ausgeprägte Verschiebung des Gehirnes, insbesondere des Cortex im dorsalen Abschnitt der Freilegung ist auf dem Bild ebenfalls zu erkennen. Unter Einbeziehung dieser Verschiebungen kann nun mit den intraoperativen Bilddaten erneut navigiert der Tumorresektion überpüft werden soll, möglicherweise nur noch eingeschränkt verwertbar. Die Versuche, die Abweichung der Bilder von der tatsächlichen intraoperativen Situation zu beheben, beruhten bisher hauptsächlich auf der Verringerung der Weichteilverschiebung, des sogenannten Brain-Shift, durch Operationstechniken oder Minimierung des Liquorverlustes (8, 21). Auch der Versuch, die Verschiebungen vorherzusagen und den präoperativen Datensatz entsprechend zu verformen, stellt nur eine unsichere Abhilfe dar. Erst die intraoperative Akquisition von neuen Bilddaten stellt die Übereinstimmung auf verläßliche Weise wieder her. Mit der von uns entwickelten Methode der intraoperativen Magnetresonanztomographie (Abbildung 7) (36) ist eine Aktualisierung der Navigationsdaten möglich und erstmals durchgeführt worden (41, 43). Andere Verfahren der intraoperativen Bildgebung wie Computertomographie (18, 25, 32) und Ultraschall (3, 15, 16, 34) werden zur Zeit für diese Anwendung weiterentwickelt. Welches dieser Verfahren sich letztlich durchsetzen wird, müssen die Ergebnisse weiterer Untersuchungen erbringen. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß intraoperative Navigationssysteme unzählige neue Indikationsgebiete eröffnen. Sie helfen, die Sicherheit und Qualität der operativen Eingriffe zu verbessern, das Vertrauensverhältnis zwischen Arzt und Patient durch plastische Aufklärung zu stärken und letztlich die Behandlungskosten zu senken. Ferner können die Systeme durch Techniken der virtuellen Realität ergänzt werden, um sie zur Ausbildung von Chirurgen und Studenten einzusetzen. Die Weiterentwicklung der Systeme wird eine zunehmende Integration in die Routine ermöglichen. Die positive Einschätzung führt so weit, daß die Neuronavigation in ihrer Auswirkung auf das Fachgebiet der Neurochirurgie mit der Einführung des Operationsmikroskops und mikrochirurgischer Operationsverfahren verglichen wird. Trotzdem kann der Einsatz dieser Geräte das ärztliche Denken und Handeln sowie die Verantwortung des Operateurs nicht ersetzen. Das Ziel ist vielmehr, das Operationsspektrum zum Nutzen der Patienten zu erweitern. Danksagung Ohne die Unterstützung der Abteilung für Neuroradiologie (Direktor: Prof. Dr. K. Sartor), bei der wir uns auch für die großzügige Anfertigung und Bereitstellung der Bilddaten bedanken möchten, wäre diese Arbeit nicht möglich gewesen. Der Klinik für Mund-Kiefer- und Gesichtschirurgie (Direktor: Prof. Dr. J. Mühling) gilt unser Dank für die gute Kooperation bei den klinischen und experimentellen Untersuchungen. Zitierweise dieses Beitrags: Dt Ärztebl 1998; 95: A [Heft 39] Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf das Literaturverzeichnis, das über den Sonderdruck beim Verfasser und über die Internetseiten (unter http: / erhältlich ist. Anschrift für die Verfasser Dr. med. Christian Rainer Wirtz Neurochirurgische Klinik und Poliklinik Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg Im Neuenheimer Feld Heidelberg Literaturverzeichnisse Literaturverzeichnisse, die mehr als 15 Zitierungen enthalten, sind im Sonderdruck aufgeführt und können zusammen mit dem jeweiligen Artikel über die Internetadresse des Deutschen Ärzteblatts unter abgerufen DÄ/MWR A-2390 (42) Deutsches Ärzteblatt 95, Heft 39, 25. September 1998