Intraoperative Mensch-Maschine-Interaktion zur 3D-Röntgenbildgebung

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1 Intraoperative Mensch-Maschine-Interaktion zur 3D-Röntgenbildgebung Fabian Stopp 1, Marc Käseberg 2, Christian Winne 2, Felix Fehlhaber 2 und Erwin Keeve 1,2* Schlüsselwörter: 3D-Bildgebung, Röntgen, Intraoperative Anwendung, Bildaufnahme, Workflow Zusammenfassung Bei konventionellen dreidimensionalen Röntgenbildgebungssystemen rotieren Röntgenquelle und Röntgendetektor in einer starren Anordnung kreisförmig um den Patienten um einzelne Projektionsbilder aufzunehmen und das durchleuchtete Volumen dreidimensional zu rekonstruieren. Diese kreisförmige Bewegung um den Patienten ermöglicht zwar eine hohe 3D- Rekonstruktionsqualität, umschließt aber den Patienten vollständig und versperrt somit den Zugang für den Chirurgen. Hierdurch können die Systeme während des Eingriffes nicht am Patienten verbleiben, wodurch der chirurgische Arbeitsablauf erheblich beeinträchtigt wird. Um den Patientenzugang zu gewährleisten und die intraoperative Mensch-Maschine- Interaktion zu vereinfachen besteht unser Ansatz darin den Bewegungsbereich der Röntgenquelle einzuschränken und die starre Anordnung von Röntgenquelle und Detektor zueinander aufzulösen. Anhand der Optimierung der Projektionsrichtungen hinsichtlich der erreichbaren 3D-Bildqualität entwickelten wir ein neues Bildaufnahmeverfahren, bei dem sich die Röntgenquelle ausschließlich oberhalb des Patienten bewegt und der Röntgendetektor ortsfest auf dem OP-Tisch positioniert wird. Dies ermöglicht die Entwicklung eines offen gestalteten 3D- Röntgenscanners, der sich verbessert in die OP-Situation integrieren lässt. Abstract 3D x-ray imaging systems, like CTs and 3D C-arms, are characterized by a circular movement of x-ray source and image detector around the patient. Using this technique the radiographed volume is reconstructed accurately, but the patient is fully enclosed and the access for the surgeon is limited. This leads to an interruption of the surgical workflow because the imaging systems normally cannot remain at the patient during the intervention. To improve the usability of intraoperative 3D x-ray imaging and to reduce the required imaging time we break the rigid configuration of x-ray source and image detector and developed a new image acquisition method by optimizing the directions of x-ray projections within a limited angle range above the patient. The resulting orbital x-ray source trajectory allows an open system concept of a 3D x- ray scanner that ensures free access to the patient. Intraoperative 3D-Bildgebung In der Chirurgie ermöglicht die dreidimensionale Röntgenbildgebung eine intraoperative Kontrolle des Verlaufs und des Ergebnisses des operativen Eingriffes. Zum Beispiel ist die Überprüfung der korrekten Lage von eingebrachten Implantaten relativ zu sensiblen anatomischen Strukturen oder der genauen Repositionen von komplexen Frakturen an Gelenken oftmals nur mit 3D-Bildgebung möglich (Schnake et al., 2004) (Beck et al., 2009) (Klatt et al., 2011) (Lotfinia et al., 2010). Durch die intraoperative Anwendung von 3D-Bildgebung können not- 1 Charité Universitätsmedizin Berlin, Klinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie / Klinische Navigation, Berlin 2 Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK, Berlin * Kontakt: keeve@charite.de Die Arbeit wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert, Förderkennzeichen 01EZ

2 wendige Korrekturen bereits während der Operation vorgenommen werden, wodurch kostenintensive Folgeoperationen und somit ein zusätzliches Leiden des Patienten vermieden werden können (Abb. 1). In (Hüfner et al., 2007) wird dargelegt, dass aufgrund der zusätzlichen während der Operation gewonnenen 3D-Bildinformationen bei 24 von 126 Patienten (19 %) bereits intraoperativ Revisionen durchgeführt wurden, d.h. Korrekturen der Implantatlage oder der Reposition. Abb.1: Workflow von komplexen chirurgischen Eingriffen mit und ohne intraoperativer 3D-Bildgebung Um ein dreidimensionales Volumen einer körperinneren Region zu generieren, rotieren bei konventionellen 3D-Röntgensystemen Röntgenquelle und Röntgensensor kreisförmig um den Patienten. Durch die Aufnahme einer Vielzahl von zweidimensionalen Durchleuchtungsbildern des Operationsfeldes aus unterschiedlichen Richtungen und die Ermittlung der zugehörigen Lageinformationen, kann über analytische oder iterative Verfahren das gescannte Volumen rekonstruiert werden. Diese kreisförmige Rotation der Röntgensysteme um den Patienten ermöglicht zwar eine hohe Rekonstruktionsgenauigkeit, der Patient wird aber vollständig umschlossen und der Zugang zu ihm versperrt. Die Systeme können in der Regel während der OP nicht am Patienten verbleiben, wodurch der chirurgische Arbeitsablauf unterbrochen werden muss um 3D-Bilddaten aufzunehmen. 3D-Röntgensysteme Derzeit gibt es zwei prinzipielle Arten von intraoperativ einsetzbaren 3D-Röntgensystemen: Computertomographen (CTs) und 3D-C-Bögen. CTs bestehen aus einem kreisförmigen geschlossenem Gehäuse innerhalb dessen Röntgenquelle und Sensor gegenüberliegend um den Patienten kreisen. CTs bieten zwar eine ausgezeichnete Bildqualität, benötigen aber durch ihre Bauweise viel Platz und verursachen hohe Kosten. Spezielle mobile Weiterentwicklungen von CTs für die Chirurgie sind beispielsweise der Dominion von Imaging3, ein schmales kippbares CT-System, und der O-arm von Medtronic. Bei diesem System lässt sich das kreisförmige Gehäuse zur seitlichen Anordnung am Patiententisch öffnen. Zur Bildaufnahme wird es geschlossen, damit Röntgenquelle und Sensor vollständig innerhalb des Gehäuses um den Patienten kreisen können. 3D-C-Bögen bestehen aus einer C-förmigen Struktur, an der die Röntgenquelle und der Röntgensensor gegenüberliegend angeordnet sind (Abb. 2a). Für die 3D- Bildaufnahme sind die Achsen motorisiert und die C-förmige Struktur rotiert um den Patienten um die einzelnen Röntgenbilder aufzunehmen. Hierbei unterscheidet man zwei Konstruktionsarten: Isozentrische und nicht-isozentrische C-Bögen. Bei isozentrischen C-Bögen rotieren Röntgenquelle und Sensor durch die Konstruktion der C-Form um einen festen Rotationspunkt. Bei nicht-isozentrischen C-Bögen werden die Hub- und Schubachsen des C-Bogens bei der C- Rotation nachgeregelt um die Isozentrik zu gewährleisten, wodurch ihre Bauform kompakter gestaltet werden kann. Die neue Generation von 3D-C-Bögen besitzt flache digitale Röntgendetektoren, wodurch die Bildqualität gesteigert und der Abstand von Sensor und Röntgenquelle vergrößert werden kann (Abb. 2b). Eine neue Entwicklung ist der Artis Zeego von Siemens (z.b. Niebler et al., 2008). Bei diesem System ist der C-Bogen an einem Roboter-arm befestigt. Zur Bildaufnahme führt der fest am Boden des OP-Saals installierte Roboter den C-Bogen an den Patiententisch und rotiert ihn kreisförmig um den Patienten. 253

3 a) b) Abb.2: Intraoperative Anwendung von 3D-C-Bögen in der Charité Universitätsmedizin Berlin Anwendungsworkflow 3D-C-Bogen Da in der Chirurgie überwiegend 3D-C-Bögen eingesetzt werden, wird im Folgenden der Workflow zur Anwendung eines solchen Systems in einzelnen Schritten beschrieben (Abb. 3). Abb.3: Arbeitsablauf bei der Verwendung eines 3D-C-Bogens 1. Präoperativ: Das C-Bogen-Fahrstativ und der Monitorwagen werden in den OP-Saal gebracht und miteinander verbunden. Die C-Form des Systems wird steril verpackt. 2. Die OP wird unterbrochen und die Chirurgen verlassen den OP-Saal. Der Bediener des C- Bogens verbleibt im Raum. 3. Da sich die C-Form bei der Bildaufnahme erst unterhalb des Tisches im unsterilen Bereich und anschließend oberhalb des offenen Situs des Patienten bewegt, wird vor der Bildaufnahme auch der Patient abgedeckt. Die Abdecktücher werden dabei unterhalb des Tisches verklebt um den notwendigen Freiraum für die C-Rotation zu schaffen. 4. Die C-Achse des C-Bogens wird in die vertikale 90 -Stellung (anterior posterior) gebracht und das System an den Patiententisch gefahren. 5. Durch das Bewegen des gesamten Fahrstativs wird der C-Bogen zur Zielregion am Patienten ausgerichtet. Hierfür ist ein einblendbares Laserkreuz am System vorhanden. Da der Situs aber durch die Tücher abgedeckt und nicht einzusehen ist, werden vorwiegend einzelne Röntgenbilder des Patienten aufgenommen, damit die Zielregion abgebildet ist. 6. Anschließend wird der C-Bogen in die horizontale 0 -Stellung (lateral) gebracht. 7. In dieser Stellung wird das System in der Höhe zur Zielregion ausgerichtet. Dies geschieht durch die motorisierte Hub-Achse des C-Bogens oder durch die Höhenverstellung des Patiententisches. Hierfür werden in der Regel wieder einzelne Röntgenbilder aufgenommen, da der Situs abgedeckt ist. 8. Wurde der C-Bogen in 0 - und 90 -Stellung ausgerichtet, wird ein vollständiger strahlungsfreier Bewegungsablauf der Bildaufnahme zum Kollisionscheck durchgeführt. Dies geschieht entweder manuell oder durch Betätigung eines Bedienelementes automatisch. Hierdurch soll bereits vor dem Scanvorgang eine Kollision des C-Bogens mit dem Tisch, dem Patienten oder anderen Geräten, Kabeln oder Schläuchen ausgeschlossen werden. 254

4 9. Durch einen Fußschalter der mit dem C-Bogen-Fahrstativ verbunden ist, wird der 3D- Scan ausgelöst. Hierbei werden einzelne Röntgenbilder der Zielregion aufgenommen, je nach C-Bogensystem über einen Rotationsbereich von 135 bis Anhand der einzelnen Röntgenbilder und der zugehörigen Lageinformationen wird das durchleuchtete Volumen des Patienten dreidimensional rekonstruiert und das Ergebnis auf dem Monitorwagen des Systems angezeigt. 11. Die Chirurgen betreten wieder den Raum um die 3D-Bilddaten auszuwerten und den Operationsverlauf oder das -ergebnis zu überprüfen. Um den Scanvorgang zu einem späteren Zeitpunkt zu wiederholen, um beispielsweise eine veränderte Implantatlage oder Reposition nochmals zu überprüfen, startet der Vorgang bei Punkt 2 erneut. In (Hüfner et al., 2007) wird für einen Einsatz eines 3D-C-Bogens eine durchschnittliche Unterbrechungszeit der OP von 9,9 min angegeben (die Zeiten variierten zwischen 7,8 und 22 min). Darin enthalten sind die sterile Abdeckung des Patienten, die Positionierung des C-Bogens am Tisch, die Ausrichtung zum Zielgebiet, der Scanvorgang, die Rekonstruktion und die Analyse der Bilddaten. Der An- und Abtransport und Aufbau des C-Bogens sowie die Verbindung mit dem Monitorwagen dauerten im Durchschnitt 7,5 min (6,7 12 min). Systemkonzept ORBIT Um die intraoperative Anwendbarkeit von 3D-Röntgenbildgebung zu vereinfachen, den Patientenzugang zu verbessern und das Arbeiten unter sterilen Bedingungen zu vereinfachen, besteht unser Ansatz darin bei der Bildaufnahme nicht mehr vollständig um den Patienten zu rotieren, sondern den Bewegungsbereich der Röntgenquelle einzuschränken und die starre Anordnung von Röntgenquelle und Detektor zueinander aufzulösen. Anhand der Optimierung der Projektionsrichtungen hinsichtlich der erreichbaren 3D-Bildqualität, entwickelten wir ein neues Bildaufnahmeverfahren bei dem sich die Röntgenquelle auf einer Kreisbahn oberhalb des Patienten bewegt (Abb. 4a) (Stopp et al., 2011). Hierdurch muss der Patient z.b. nicht mehr steril abgedeckt werden, da sich keine Systemkomponenten mehr erst unter- und dann oberhalb des Patiententisches bewegen. Dies würde auch eine Ausrichtung des Systems zur Zielregion ausschließlich mit Hilfe einer Laser-Einblendung ermöglichen, da das Operationsgebiet nicht mehr abgedeckt werden muss und man dadurch die Laserkreuz-Position im Bezug zum Zielgebiet besser einsehen kann. a) b) Abb.4: a) Bewegungsbahn der Röntgenquelle oberhalb des Patiententisches; b) Mobiles Systemkonzept ORBIT zur Umsetzung der Bildaufnahme In einer Kooperation vom Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK, der Charité Universitätsmedizin Berlin und der Ziehm Imaging GmbH entwickeln wir hierfür ein erstes Funktionsmuster eines neuen 3D-Röntgensystems für die Chirurgie. Der offene Röntgenscanner für die bildgeführte interventionelle Therapie (ORBIT) besteht aus einem Roboterarm an dem die Röntgenquelle befestigt ist, einem großflächigem, in den OP- 255

5 Tisch integrierten oder darauf befestigtem digitalen Flachdetektor und einer Steuer- und Anzeigeeinheit. Der Roboterarm mit der Röntgenquelle kann neben dem Patiententisch positioniert (Abb. 4b) (mobiles Konzept) oder fest in den OP-Saal integriert und an der Decke befestigt werden (stationäres Konzept). Der Workflow zur Anwendung des ORBIT-Systems könnte dabei wie untenstehend dargestellt aussehen. Abb.5: Arbeitsablauf bei der Verwendung eines 3D-C-Bogens 1. Präoperativ: Die Inbetriebnahme und die sterile Abdeckung von Röntgenquelle und einem Teil des Roboterarms werden vor OP-Beginn durchgeführt. Der Röntgen- Flachdetektor ist an dem OP-Tisch befestigt oder darin integriert. 2. Die OP wird unterbrochen und die Chirurgen verlassen den OP-Saal. Der Bediener des Systems verbleibt im Raum. 3. Die am Roboterarm befestigte Röntgenquelle wird vom Bediener bewegt und über ein von der Röntgenquelle ausgehendes und am Patienten sichtbares Laserkreuz senkrecht zur Zielregion ausgerichtet. Dies kann entweder automatisch oder manuell geschehen. Da das Operationsgebiet nicht abgedeckt ist und dadurch das Laserkreuz darin sichtbar ist, sind Röntgenbildaufnahmen zur Ausrichtung des Systems nicht notwendig. 4. Wurde das System ausgerichtet, wird ein vollständiger strahlungsfreier Bewegungsablauf der Bildaufnahme zum Kollisionscheck durchgeführt. Hierdurch soll bereits vor dem Scanvorgang eine Kollision des Roboterarms oder der Röntgenquelle mit anderen Geräten, Kabeln oder Schläuchen ausgeschlossen werden. 5. Durch einen Fußschalter wird der 3D-Scan ausgelöst. Die Röntgenquelle bewegt sich entlang eines Kreises in einer festen Ebene oberhalb des Patienten. Dabei werden einzelne Röntgenbilder der Zielregion aufgenommen. 6. Anhand der einzelnen Röntgenbilder und der zugehörigen Lageinformationen wird das durchleuchtete Volumen des Patienten dreidimensional rekonstruiert und das Ergebnis auf einem Monitor angezeigt. 7. Die Chirurgen betreten wieder den Raum um die 3D-Bilddaten auszuwerten und den Operationsverlauf oder das -ergebnis zu überprüfen. Um den Scanvorgang zu einem späteren Zeitpunkt zu wiederholen, muss der Vorgang bei Punkt 2 erneut begonnen werden. Beim stationären Systemkonzept kann der Vorgang ohne eine erneute Ausrichtung (ab Punkt 4) wiederholt werden, unter der Voraussetzung dass die gleiche Zielregion abgebildet werden soll und die Lage des Patienten zum OP-Tisch nicht verändert wurde. Im Vergleich zum vorher beschriebenen Anwendungsworkflow von 3D-C- Bögen entfällt der Arbeitsschritt der Abdeckung des Patienten, da die Röntgenquelle steril verpackt ist und sie sich ausschließlich oberhalb des Patienten bewegt. Außerdem wird nur noch von einer Richtung aus das System zum Patienten ausgerichtet. Dabei müssen keine Röntgenbilder aufgenommen werden, da das Operationsgebiet nicht abgedeckt ist und das Laserkreuz des Systems im Bezug zur Anatomie des Patienten erkennbar ist. 256

6 Diskussion In diesem Beitrag wurde der Arbeitsablauf zur intraoperativen Anwendung von 3D- Röntgenbildgebung beschrieben und ein Konzept vorgestellt, um einen Einsatz dieser Bildgebung in der Chirurgie weiter zu vereinfachen. Anhand eines Bildaufnahmeverfahrens ausschließlich oberhalb des Patiententisches kann der Patientenzugang verbessert und die Handhabung in der sterilen Umgebung eines Operationssaals optimiert werden. In experimentellen Untersuchungen wurde bereits gezeigt, dass mit der vorgestellten Bildaufnahmetechnik zusätzlich bildstörende Metallartefakte (aufgrund von Implantaten im Operationsgebiet) im Vergleich zur konventionellen C-Bogen-Bildaufnahmetechnik reduziert werden können. Allerdings ist mit einer winkelbeschränkten Bildaufnahme eine exakte Rekonstruktion des gescannten Volumens nicht erreichbar. In zukünftigen Arbeiten müssen Ansätze zur Qualitätsverbesserung der winkelbeschränkten Tomographie weiterentwickelt werden (z.b. in Sidky et al., 2006), um die Vorteile einer solchen Bildaufnahmetechnik für die intraoperative Anwendung auszunutzen. Literatur Beck, M., Moritz, K., Gierer, P., Gradl, G., Harms, C., & Mittlmeier, T. (2009). Intraoperative Kontrolle der Pedikelschraubenposition mittels 3-D-Bildwandler. Eine prospektive Studie bei der Versorgung thorakolumbaler Frakturen. Zeitschrift für Orthopädie und Unfallchirurgie, 147(01), Hüfner, T., Stübig, T., Gösling, T., Kendoff, D., Geerling, J., & Krettek, C. (2007). Kostenund Nutzenanalyse der intraoperativen 3D-Bildgebung. Der Unfallchirurg, 110(1), Klatt, J., Heiland, M., Blessmann, M., Blake, F., Schmelzle, R., & Pohlenz, P. (2011). Clinical indication for intraoperative 3D imaging during open reduction of fractures of the neck and head of the mandibular condyle. Journal of cranio-maxillo-facial surgery : official publication of the European Association for Cranio-Maxillo-Facial Surgery, 39(4), Elsevier Ltd. Lotfinia, I., Sayahmelli, S., & Gavami, M. (2010). Postoperative computed tomography assessment of pedicle screw placement accuracy. Turkish neurosurgery, 20(4), Niebler, C., Tita, R., & Kalender, W. A. (2008). Trajektorienreproduzierbarkeit eines robotergeführten C-Bogen-Systems. 7. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computerund Roboterassistierte Chirurgie (pp ). Schnake, K. J., König, B., Berth, U., Schroeder, R. J., Kandziora, F., Stöckle, U., et al. (2004). Genauigkeit der CT-basierten Navigation von Pedikelschrauben an der Brustwirbelsäule im Vergleich zur konventionellen Technik. Der Unfallchirurg, 107(2), Sidky, E. Y., Kao, C. M., & Pan, X. (2006). Accurate image reconstruction from few-views and limited-angle data in divergent-beam CT. Journal of X-Ray Science and Technology, 14(2), IOS Press. Stopp, F., Käseberg, M., Winne, C., & Keeve, E. (2011). A conic image recording method for intraoperative 3-D X-ray imaging. Int. Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, 6(1),