Ultraschallbasierte Navigation

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1 Ultraschallbasierte Navigation für die minimalinvasive onkologische Nieren- und Leberchirurgie vom Fachbereich Informatik der Technischen Universität Darmstadt genehmigte DISSERTATION zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) von Dipl.-Ing. Matthias Keil geboren in Magdeburg, Deutschland Referenten der Arbeit: Prof. Dr.-Ing. Georgios Sakas Technische Universität Darmstadt Prof. Dr. techn. Dieter W. Fellner Technische Universität Darmstadt Priv.-Doz. Dr. med Dr. med. habil. Christian Mönch Westpfalz-Klinikum, Kaiserslautern Tag der Einreichung: Tag der mündlichen Prüfung: 16. Juli Oktober 2013 Darmstädter Dissertation D 17 Darmstadt, 2013

2 Seite 1. Bedeutung der minimalinvasiven onkologischen Weichteilchirurgie Positive Aspekte für den Patienten Negative Aspekte für den Chirurgen Visuelle Beeinträchtigungen Haptische Beeinträchtigungen Lokalisation der Zielstruktur 5 2. Wissenschaftlicher Beitrag zur intraoperativen Navigation Datengenerierung Segmentierung Registrierung Regmentation Tracking Visualisierung Gefäßsegmentierung aus Ultraschallbilddaten Stand der Technik Gliederung der Segmentierungsverfahren Taxonomie Tubuläre Strukturen/Gefäßartigkeit Schwellwertverfahren/Region Growing Modellbasierte/Level-Set-Methoden Centerlinebasierte Verfahren Künstliche Intelligenz Hybride Fazit Entwickelte Segmentierungsmethoden B-Mode-Bilddaten Power-Doppler-Bilddaten Kombinierte Segmentierung Ergebnisse Eigenschaften der Bilddaten B-Mode-Bilddaten Power-Doppler-Bilddaten Kombinierte Segmentierung Registrierung von Ultraschall- und CT-Bilddaten Stand der Technik Gliederung der Registrierungsverfahren Taxonomie Bildbasiert 58 v

3 LiverLab Inhaltsverzeichnis Landmarkenbasiert Modellbasiert Hybrid Fazit Entwickelte Registrierungsmethoden Bildbasierte Registrierung der Niere Registrierbarkeit von Elastographie und CT Metrik Optimierung Gefä'ßbasierte Registrierung der Leber Landmarkengenerierung Initiale Registrierung Graph Matching Rigide Registrierung Verfeinerung der Landmarken Deformierbare Registrierung Integration - für die perkutane Leberintervention Ergebnisse Bildbasierte Registrierung: B-Mode vs. Elastographie Phantome für die Bildgebung und Datengenerierung Bildgebung Metrik und Optimierung Experimente und Ergebnisse Fazit zur bildbasierten Registrierung Gefäßbasierte Registrierung Rigide Registrierung Verfeinerung der Landmarken Deformierbare Registrierung Fazit zur gefäßbasierten Registrierung Regmentation Stand der Technik Regmentation für die Gefäßsegmentierung Erzeugung des Maskenbildes Hervorhebung der Ultraschall-Vesselness Verbesserte Gefäßsegmentierung Artefaktbereinigung Korrektur der Gefäßdurchmesser Ergebnisse Vorteile durch die verbesserte Gefäßsegmentierung Steigerung der segmentierten Gefäßlänge Steigerung des segmentierten Gefäßvolumens Steigerung der Anzahl korrespondierender Landmarken Limitierungen des entwickelten Ansatzes Abhängigkeit von der Registrierungsqualität Qualität der Gefäßmittellinien Unzureichende Segmentierung großer Ultraschallgefäße Übersegmentierung von Gefäßen Abhängigkeit von der Richtungsabschätzung 148

4 6. Tumortracking und intraoperative Visualisierung Stand der Technik Interaktive bildgestützte Chirurgie Tumortracking Visualisierung und Navigation Permanente Tumorvisualisierung Fazit Entwickeltes Navigationssystem Systemaufbau Operationsplanung Videoaufnahmen Verwendetes Trackingsystem Tumortracking und Markierungsdraht Kalibrierung Intrinsische Kalibrierung Extrinsische Kalibrierung Visualisierung D-Darstellung D-Darstellung Umsetzung für die laparoskopische partielle Nephrektomie Ergebnisse Kamerakalibrierung Intrinsisch Projektion Tumordarstellung Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung Gefäßsegmentierung aus Ultraschallbilddaten Registrierung von Ultraschall- und CT-Bilddaten Regmentation Tumortracking und intraoperative Visualisierung Ausblick Mögliche Erweiterungen Weitere Anwendungsszenarien 194 A. Vesselness 197 B. Horns Methode 199 C. Deformationsberechnung mit Splines 201 C.l. Von Thin-Plate-Splines zu Elastic-Body-Splines 201 C.2. Berechnung der Deformation mit generalisierten Splines 202 C.3. Approximation mit generalisierten Splines 203 D. Phantome für die Ultraschall-Elastographiebildgebung 205 D. I. Ex-vivo Phantome aus Schweinenieren 205 D.2. Künstliche Phantome 206 D.3. Ultraschallbildgebung 207 vii

5 E. Optisches Tracking in der Chirurgie 209 E.l. Grundlagen des optischen Trackings 209 E.l.l. Stereokameras 209 E.1.2. Endoskopische Stereokameras 210 E.1.3. Intraoperative Bildgebung 211 E. 2. Optisches Tracking von implantierten Landmarken 211 E.2.1. Stereotaktische Rahmen 211 E Marker im Weichgewebe 212 F. Elektromagnetisches Tracking in der Chirurgie 217 F. l. Grundlagen des elektromagnetischen Trackings 217 F Kabelgebundene Systeme 217 F.1.2. Kabellose Systeme 217 F.1.3. Störungen in der klinischen Umgebung 220 G. Visualisierung und Navigation in der Chirurgie 221 G. l. Präoperativ 221 G.2. Intraoperativ 222 H. Intrinsische Kamerakalibrierung 227 I. Extrinsische Kamerakalibrierung 231 J. Betreute studentische Arbeiten 235 K. Lebenslauf 237 Eigene Veröffentlichungen 239 Literaturverzeichnis 241 viii