Search

Fragestellung: Kann durch Angulation der Akquisitionstrajektorie des mobilen 3D-C-Bogens im Rahmen eines 3D-Scans die Anzahl der tangential einfallenden Röntgenstrahlen im Bereich des Metallimplantats vermindert und dadurch eine Verbesserung der Bildqualität bei gleichbleibendem Isozentrum [zum vollständigen Text gelangen Sie über die oben angegebene URL]

Die Fluoroskopie ist ein bildgebendes Verfahren, das heutzutage bei einer Vielzahl von Untersuchungen eingesetzt wird. Aufgrund dessen ist der Strahlenschutz ein wichtiger Aspekt dem Radiologietechnolog*innen, mehr Aufmerksamkeit schenken müssen. Diese Arbeit behandelt die aktuellen Strahlendosen bei fluoroskopie-gesteuerten Interventionen und die Maßnahmen des Strahlenschutzes, um eine Reduktion der Strahlenbelastung zu erreichen. Dabei werden Verbesserungsmöglichkeiten des Strahlenschutzes in der Durchleuchtung ermittelt und deren Effizienz evaluiert, um das Personal vor Strahlenschäden schützen zu können. Mithilfe von verschiedenen Studien, Literatur- und Datenbankrecherchen konnten diese Themen bearbeitet werden. Die aktuelle Strahlendosis des Personals in durchleuchtungsgestützten Eingriffen ist abhängig von der Art der Operation, der Operationstechnik und bis zu einem gewissen Grad von der Erfahrung des/der Operateur*in. Die größte mittlere Strahlenabsorption bei Wirbelsäuleninterventionen wurde bei dem/der Operateur*in registriert. Es hat sich ebenfalls herausgestellt, dass bei handchirurgischen Eingriffen unter fluoroskopischer Führung mit einer leichten Strahlenbelastung der Hände des/der Operateur*in zu rechnen ist. Eine Reduktion dieser Strahlenbelastung kann durch die optimale Einstellung der Bestrahlungsfeldgröße erreicht werden. Des Weiteren kann durch die optimale Ausrichtung des C-Bogens zusätzlich die Strahlenbelastung reduziert werden. Besonders die signifikante Wissenslücke der Studierenden über den Strahlenschutz muss durch mehrfache Ausbildungen aufgefüllt werden. Somit können die applizierten Strahlendosen zusätzlich reduziert werden. Fluoroscopy is an imaging technique that is nowadays used in a wide range of examinations. Because of this, radiation protection is an important aspect for radiological technologists that requires more attention. This thesis deals with the current radiation doses in fluoroscopy-guided interventions and the measures of radiation protection to achieve a reduction of radiation exposure. Possible improvements of radiation protection in fluoroscopy are identified and their efficiency is evaluated in order to protect personnel from stochastic or deterministic radiation damage. With the help of various studies, literature and database searches, these topics were addressed. The current radiation dose of staff in radioscopy-based interventions depends on the type of operation, the surgical technique and to a certain extent on the surgeon's experience. The highest average radiation absorption in spinal interventions has been registered with the surgeon. It has also been researched that in hand surgery under fluoroscopic guidance, slight radiation exposure of the surgeon's hands can be expected. The reduction of these radiation exposures can be achieved by optimal adjustment of the irradiation field size. Furthermore, the radiation exposure can also be reduced by making the best possible use of C-arm alignments. Especially the significant knowledge gap of the students about radiation protection must be filled by multiple training courses. Thus, the applied radiation doses can be additionally reduced.

Einleitung: Mithilfe von C-Bögen werden Echtzeit-Kontrollaufnahmen während eines operativen Eingriffes gemacht. Dazu wird ionisierende Strahlung angewendet. Ein gewisser Anteil der emittierten Röntgenstrahlung wird als Streustrahlung in die Umgebung abgestrahlt. Dies kann in Abhängigkeit der Dauer der Exposition zu einer nicht unerheblichen Strahlenexposition des Personals im Operationsraum führen. Daher besteht ein Risiko für das Personal hinsichtlich strahleninduzierter Schäden. In der Praxis beobachtet man immer wieder die Vernachlässigung der möglichen Strahlenschutzmaßnahmen bei interventionellen Eingriffen mittels C-Bogen Durchleuchtungstechnik. Das Ziel dieser Arbeit ist es, neben dem Aufzeigen von allgemeinen Strahlenschutzmaßnahmen den Einfluss von Filterung mit unterschiedlichen Materialien und Dicken, sowohl den gängigen wie Aluminium und Kupfer, aber auch alternative Materialien, wie Silber und Zinn, unterschiedlicher Einblendung oder Pulsrate auf die Strahlenexposition des Personals aufzuzeigen. Methode: Die Arbeit umfasst einen Literaturteil und einen empirischen Teil. Die Literatur- und Internetrecherche erfolgte mittels der Schlüsselworte „fluoroscopy, c arm, x-ray, dose reduction“ in Datenbanken wie ScienceDirect, PubMed und Thieme E- Book. Der empirische Teil besteht aus der Durchführung von Messreihen, um herauszufinden wie Filterung mit unterschiedlichen Filtermaterialien und Dicken, Einblendung und Pulsrate die Exposition des Personals beeinflussen. Die Messungen fanden an der Fachhochschule Campus Wien im Operationssaal-Innovation Center statt. Konklusion: Durch die Einstellung von niedrigen Pulsraten, kleineren Field of Views und ohne zusätzliche Filterung, kann die Strahlenbelastung für das medizinische Personal minimiert werden. Dies muss jedoch mit Fragestellung, der notwendigen Bildqualität und Exposition für den Patienten beziehungsweise die Patientin in Einklang gebracht werden. Die gerätetechnische Ausbildung ist ein essenzieller Bestandteil in der Radiologietechnologie, der zur Optimierung des Strahlenschutzes beiträgt. Regelmäßige Schulungen in den Bereichen Gerätetechnik, indikationsbezogenes Arbeiten und Verhaltensweisen im Zusammenhang mit Strahlung sind essenziell. Introduction: With the help of c-arm systems, real- time control images are taken during a surgical procedure. Ionizing radiation is used for this purpose. A certain proportion of the emitted x-rays is emanated into the surrounding as scattered radiation, resulting in exposure for the staff in the operating room. Depending on the duration of exposure, this can lead to a considerable radiation exposure. Therefore, there is a risk for the staff regarding radiation induced damage. In practice, the neglect of radiation protection measures during interventional procedures using c-arm fluoroscopy is often observed. The aim of this work is, besides showing general radiation protection, to demonstrate the influence of filtering with different materials and thicknesses, both the common ones, aluminium and copper, but also alternative materials such as silver and tin, different fade-in or pulse rate on the radiation exposure of the staff. Method: The thesis includes a literature part and an empirical part. The literature and internet searches were done using the keywords "fluoroscopy, c-arm, x-ray, dose reduction" in databases such as ScienceDirect, PubMed and Thieme E- Book. The empirical part consists of executing different series of measurements to find out how filtration with different filter materials and thicknesses, fade-in and pulse rate influence the exposure of the personnel. The measurements took place at the University of Applied Sciences Campus Vienna in the Operating Room Innovation Center. Conclusion: By adjusting low pulse rates, smaller field of views and without additional filtering, the radiation exposure to medical staff can be minimized. However, this must be reconciled with the image quality and exposure for the patient. Equipment training is an essential component in radiology technology that contributes to the optimization of radiation protection. Regular training in the areas of equipment technology, indication-related work and behaviour in connection with radiation is essential.

Rotational angiography using C-arm scanners enables intra-operative 3-D imaging that has proved beneficial for diagnostic assessment and interventional guidance. Despite previous efforts, rotational angiography was not yet successfully established in clinical practice for coronary artery imaging but remains subject of intensive academic research. 3-D reconstruction of the coronary vasculature is impeded by severe lateral truncation of the thorax, as well as substantial intra-scan respiratory and cardiac motion. Reliable and fully automated solutions to all of the aforementioned problems are required to pave the way for clinical application of rotational angiography and, hence, sustainably change the state-of-care. Within this thesis, we identify shortcomings of existing approaches and devise algorithms that effectively address non-recurrent object motion, severe angular undersampling, and the dependency on projection domain segmentations. The proposed methods build upon virtual digital subtraction angiography (vDSA) that voids image truncation and enables prior-reconstruction-free respiratory motion compensation using both Epipolar consistency conditions (ECC) and auto-focus measures (AFMs). The motion-corrected geometry is then used in conjunction with a novel 4-D iterative algorithm that reconstructs images at multiple cardiac phases simultaneously. The method allows for communication among 3-D volumes by regularizing the temporal total variation (tTV) and thus implicitly addresses the problem of insufficient data very effectively. Finally, we consider symbolic coronary artery reconstruction from very few observations and develop generic extensions that consist of symmetrization, outlier removal, and projection domain-informed topology recovery. When applied to two state-of-the-art reconstruction algorithms, the proposed methods substantially reduce problems due to incorrect 2-D centerlines, promoting improved performance. Given that all methods proved effective on the same in silico and in vivo data sets, we are confident that the proposed algorithms bring rotational coronary angiography one step closer to clinical applicability. Die Verwendung interventioneller C-Bogen-Systeme ermöglicht die Rekonstruktion intra-operativer 3-D Bilder des Patienten. Diese erlauben Verbesserungen in der Diagnostik und bieten eine klare Orientierungshilfe für kathetergeführte Eingriffe. Trotz einschlägiger Versuche ist es bisher jedoch nicht geglückt, dieses Verfahren in der Koronarangiographie zu etablieren. Grund hierfür sind grundlegende Schwierigkeiten die der Herzbildgebung eigen sind. Diese bestehen zum Einen aus drastischer Trunkierung, und zum Anderen aus stetiger Atem- und Herzbewegung. Für einen erfolgreichen klinischen Einsatz der interventionellen 3-D Koronarbildgebung, müssen zuverlässige und voll automatisierte Lösungen für oben angeführte Probleme gefunden werden. Wir identifizieren Unzulänglichkeiten derzeitiger Algorithmen und entwickeln Methoden die sich einerseits mit der Bewegungskompensation nicht-periodischer Bewegungsmuster und andererseits mit der 3-D Rekonstruktion beschäftigen. Dabei liegt der Fokus auf der tomographischen Rekonstruktion aus unterabgetasteten Daten, und der symbolischen Rekonstruktion aus unverlässlichen 2-D Segmentierungen. Wir verwenden virtuelle Subtraktionsbildgebung um Trunkierung zu umgehen und schließlich die Anwendung von bildbasierten Qualitätsmaßen, wie der Epipolar Konsistenz oder Autofokus Messungen, zu ermöglichen, welche wiederum die Atembewegungskorrektur ohne Vorwissen erlauben. Anschließend verwenden wir die atembewegungskorrigierte Geometrie zur tomographischen Rekonstruktion mittels eines neuen Algorithmus, der mehrere Herzphasen gleichzeitig rekonstruiert aber Informationsaustausch zwischen den Volumen zulässt, und damit implizit die Unterabtastung geschickt umgeht. Zuletzt widmen wir uns der 3-D Mittellinienrekonstruktion von Koronararterien aus sehr wenigen Ansichten und entwickeln Methoden zur Erweiterung bestehender Rekonstruktionsalgorithmen. Die Erweiterungen beschäftigen sich sowohl mit der Identifikation und Beseitigung von Ausreißern, als auch der Herstellung von Punktkonnektivität, die auf 2-D Mittellinien basiert. Anhand von zwei Methoden, die den Stand der Technik repräsentieren, wird nachgewiesen, dass die Erweiterungen eine Robustheit gegenüber inkorrekten Segmentierungen in 2-D mit sich bringen und damit schlußendlich zu besserer Rekonstruktionsqualität führen. In Anbetracht der durchweg vielversprechenden Ergebnisse in in silico und in vivo Studien, sind wir zuversichtlich, dass die hier vorgeschlagenen Methoden einen positiven Einfluss auf die klinische Anwendbarkeit der 3-D Koronarbildgebung haben.

Fragestellung: Bei der intraoperativen Verwendung des C-Bogens besteht eine positive Korrelation zwischen OP-Zeit und Strahlenbelastung für den Patienten und das Operationspersonal. Ziel dieser Studie war die Evaluation der Funktionalität des neuen Dosimetrie-Systems Dose Aware zur visuellen[for full text, please go to the a.m. URL], Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2013)

Fragestellung: Durch Beachtung des Strahlenschutzes kann das Risiko möglicher genetischer Schäden des Operationspersonal im orthopädisch-unfallchirurgischen OP reduziert werden. Die Unsichtbarkeit ionisierender Strahlen erschwert es dem Personal, das täglich der Strahlenexposition[for full text, please go to the a.m. URL], Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie (DKOU 2013)

A stroke is a medical emergency which requires immediate diagnosis and treatment. For several years, image-based stroke diagnosis has been assisted using perfusion computed tomography (CT) and perfusion magnetic resonance imaging (MRI). A contrast agent bolus is injected and time-resolved imaging, at typically one frame per second, is used to measure the contrast agent flow. However, these two modalities are not accessible in the interventional suite where catheter-guided stroke treatment actually takes place. Thus, interventional perfusion imaging, which could lead to optimized stroke management, is currently not available. In this thesis, a novel approach is developed that makes interventional perfusion imaging possible. It uses a C-arm angiography system capable of CT-like imaging (C-arm CT). This system can acquire projection images during a rotation around the object which are then used to reconstruct 3-D data sets. The comparably low C-arm rotation speed (typically 3–5 seconds per 200°) is the main technical challenge of this approach. One of the major contributions of this thesis lies in the development and evaluation of a novel combined scanning and reconstruction method. It uses several interleaved scanning sequences to increase the temporal sampling of the dynamic perfusion signals. A dedicated reconstruction scheme is applied to process the data from this protocol. For the first time, in vivo C-arm CT perfusion studies have been carried out and the results have been compared to those from a reference perfusion CT exam. Promising correlation values ranging from 0.63 to 0.94 were obtained. An additional contribution was made in the field of image reconstruction theory by deriving a theoretical model for image reconstruction artifacts due to time-varying attenuation values. The attenuation values in C-arm CT perfusion imaging vary due to the contrast agent flow during the long C-arm rotation time. It was shown that the magnitude of these artifacts can be reduced when using optimized reconstruction parameters. Furthermore, investigations regarding special injection protocols were carried out and fundamental image quality measurements were made. Through the methods developed, the measurements conducted and results obtained, this thesis made a number of significant and original contributions, both on a practical and on a theoretical level, to the novel and highly relevant research field of interventional C-arm CT perfusion imaging. Der Schlaganfall ist ein medizinischer Notfall, der eine sofortige Diagnose und Therapie erfordert. Seit einigen Jahren werden die Perfusions-Computertomographie (CT) sowie die Perfusions-Magnetresonanztomographie (MRT) zur Unterstützung der bildbasierten Schlaganfalldiagnostik eingesetzt. Dabei wird ein Kontrastmittelbolus injiziert und eine zeitaufgelöste Aufnahme mit typischerweise einem Bild pro Sekunde durchgeführt, um den Kontrastmittelfluss zu messen. Allerdings stehen diese beiden Modalitäten nicht in Angiographieräumen zur Verfügung, in denen die kathetergestützte Schlaganfalltherapie durchgeführt wird. Daher ist interventionelle Perfusionsbildgebung, welche zu verbesserter Schlaganfallbehandlung führen kann, gegenwärtig nicht möglich. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Ansatz entwickelt, der interventionelle Perfusionsbildgebung ermöglicht. Dieser Ansatz verwendet ein C-Bogen-Angiographiesystem, mit dem CT-ähnliche Bildgebung durchgeführt werden kann (C-Bogen-CT). Mit diesem System werden Projektionsbilder während einer Rotation um das Objekt aufgenommen, aus denen dann 3-D-Datensätze rekonstruiert werden. Die vergleichsweise langsame Rotationsgeschwindigkeit des C-Bogens (typischerweise 3-5 Sekunden pro 200°) stellt bei diesem Ansatz die größte technische Herausforderung dar. Ein Hauptbeitrag dieser Arbeit liegt in der Entwicklung und Evaluation einer neuartigen, kombinierten Aufnahme- und Rekonstruktionsmethode. Dabei werden mehrere, ineinander verschachtelte Aufnahmesequenzen akquiriert, um die zeitliche Abtastung der dynamischen Perfusionssignale zu erhöhen. Die Daten werden dann mit einer angepassten Rekonstruktionsmethode verarbeitet. Zum ersten Mal wurden in vivo C-Bogen-CT-Perfusionsstudien durchgeführt und deren Ergebnisse mit denen einer Perfusions-CT-Untersuchung verglichen. Dabei sind vielversprechende Korrelationswerte im Bereich von 0.63 bis 0.94 erzielt worden. Ein weiterer Beitrag wurde im Bereich der Bildrekonstruktionstheorie geleistet, indem ein theoretisches Modell für Bildrekonstruktionsartefakte durch zeitlich veränderliche Schwächungswerte hergeleitet wurde. Die Schwächungswerte ändern sich in der Perfusions-C-Bogen-CT durch den Kontrastmittelfluss während der langandauernden C-Bogen-Rotation. Es wurde gezeigt, dass sich das Ausmaß dieser Artefakte mit optimierten Rekonstruktionsparametern reduzieren lässt. Darüber hinaus wurden Fragestellungen hinsichtlich besonderer Injektionsprotokolle untersucht und grundlegende Bildqualitätsmessungen durchgeführt. Durch die entwickelten Methoden, die durchgeführten Messungen und erzielten Ergebnisse leistet diese Arbeit, in theoretischer als auch in praktischer Hinsicht, mehrere wesentliche, neue Beiträge zu dem neuartigen und hochrelevanten Forschungsgebiet der interventionellen C-Bogen-CT-Perfusionsbildgebung.

The goal of this thesis is the robust implementation of an accurate cone-beam image reconstruction algorithm such that it is able to process real C-arm data from a circle-plus-arc trajectory. This trajectory is complete and especially well suited for C-arm systems, since it can be performed purely by rotating the C-arm around the patient without the need to move the patient table. We observed two major challenges: i) non-ideal acquisition geometry and ii) data truncation. To account for deviations from the ideal description of the data acquisition geometry, we developed a novel calibration procedure for the circle-plus-arc trajectory. For the second problem, we developed two novel truncation correction methods that approximately but effectively handle data truncation problems. For image reconstruction, we adapted the accurate M-line algorithm. In particular, we applied a novel and numerically stable technique to compute the view dependent derivative with respect to the source trajectory parameter and we developed an efficient way to compute the PI-line backprojection intervals via a polygonal weighting mask. We have chosen the M-line algorithm, since it does not presume an ideal description of the data acquisition geometry. We acquired projection data of a physical phantom of a human thorax on a medical C-arm scanner. Reconstructed images exhibit strong cone-beam artifacts along the bones of the spine when applying the conventional Feldkamp algorithm. These results are compared to those obtained with our implementation of the M-line algorithm. As our ultimate goal, we demonstrate that cone-beam artifacts can be completely eliminated by applying the M-line algorithm to a Tuy complete set of data. Das Ziel dieser Arbeit ist eine robuste Implementierung eines exakten Rekonstruktionsverfahrens für die Kegelstrahl-Computertomografie, welche im Stande sein muss, reale Daten, die mit Hilfe einer C-Bogen Anlage entlang einer Teilkreis-und-Kreisbogen Abtastbahn aufgenommen wurden, zu verarbeiten. Die Teilkreis-und-Kreisbogen Abtastbahn ist eine sog. vollständige Abtastbahn und eignet sich in besonderer Weise für C-Bogen Anlagen, da lediglich der C-Bogen um den Patienten rotieren muss, ohne zusätzlich den Patiententisch zu bewegen. Zwei Hauptprobleme sind zu beachten: i) nicht-ideale Aufnahmegeometrie und ii) Datentrunkierung. Um Abweichungen von der Idealgeometrie zu berücksichtigen, wurde eine neuartige Kalibrierung für die Teilkreis-und-Kreisbogen Abtastbahn entwickelt. Für trunkierte Daten wurden zwei neuartige Trunkierungskorrekturverfahren entwickelt, welche approximativ, jedoch effectiv Trunkierungsprobleme lösen. Für die Bildrekonstruktion wurde der exakte M-line Algorithmus implementiert. Hierbei wurde ein neuartiges und numerisch stabiles Verfahren zur Berechnung der blickrichtungsabhängigen Ableitung entlang des Quellentrajektorienparameters angewandt, sowie außerdem eine effiziente Möglichkeit entwickelt die PI-Linien Rückprojektionsintervalle mit Hilfe einer polygonalen Gewichtungsmaske zu berechnen. Entscheidend für den Einsatz des M-line Algorithmus war, dass dieser keine ideale Beschreibung der Datenaufnahmegeometrie voraussetzt. Die Datenaufnahme erfolgte anhand eines physikalischen Phantoms des menschlichen Thorax mit einer medizinischen C-Bogen Anlage. Die Rekonstruktionen zeigen starke Kegelstrahlartefakte entlang der Knochen des Rückrades, wenn die Rekonstruktion mit einem herkömmlichen Feldkamp Algorithmus erfolgt. Vergleiche mit M-line Rekonstruktionen zeigen, dass die Kegelstrahlartefakte vollständig eliminiert werden können, wenn der M-line Algorithmus auf einen Datensatz angewandt wird, der Tuy's Vollständigkeitsbedingung erfüllt.

Zahlreiche chirurgische Eingriffe werden heutzutage durch den Einsatz intraoperativer Navigationssysteme unterstützt. In diesen Systemen wird die Position eines medizinischen Instruments präzise bezüglich der mittels Bildgebungstechniken erfassten anatomischen Strukturen des Patienten - z.B. in einem Computertomographie-Datensatz (CT) oder einem Röntgenbild - verfolgt. Dies erlaubt eine Verbesserung des Operationsresultates bei gleichzeitiger Reduktion der Belastungen durch den Eingriff für den Patienten. Kernpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung und Evaluierung eines für die klinische Anwendung geeigneten Navigationssystems unter Verwendung der intraoperativen Bildgebung eines chirurgischen Bildverstärkersystems (BV) - einer röntgenbasierten Technik, auch Fluoroskop oder C-Bogen genannt - zur Unterstützung von Eingriffen im Bereich der Orthopädie. Aufgrund der speziellen physikalischen Eigenschaften eines Fluoroskops ist eine aufwändige Kalibrierung nötig, um eine präzise Navigation zu ermöglichen. Im ersten Teil der Arbeit werden hierzu tragfähige Lösungsansätze beschrieben. Dies beinhaltet die Evaluierung verschiedener Verfahren zur subpixelgenauen Detektion von Kalibriermarken, zur Bereinigung nichtlinearer Verzeichnungen des BV sowie zur Bestimmung der projektiven Eigenschaften eines C-Bogens. Die Bewertung erfolgt dabei sowohl innerhalb von Simulationen als auch durch reale Daten und berücksichtigt Präzision und Robustheit der Verfahren, insbesondere in Hinblick auf die typischen, während eines Eingriffes in den Röntgenbildern auftretenden Artefakte. Basierend auf dem entwickelten Navigationssystem werden in einem zweiten Teil innovative Konzepte zur Computer-Unterstützung der operativen Behandlung bei aseptischen Knochennekrosen (Morbus Perthes) sowie zur jugendlichen Hüftkopflösung (Epiphysiolis capitis femoris) vorgestellt, zwei Krankheiten die am Hüftkopf lokalisiert sind. In einem abschließenden Teil wird die Erweiterung des Systems für die Integration von präoperativen CT-Datensätzen in die Navigation mittels intensitätsbasierter 2D/3D-Registrierung gezeigt, die auf der numerischen Maximierung der Ähnlichkeit zwischen hardware-beschleunigter Volumen-Darstellungen des CT - in diesem Kontext auch als Digitally Reconstructed Radiographs bekannt - mit den intraoperativ erfassten fluoroskopiebasierten Bildern basiert. Many surgical interventions are nowadays aided by the application of intraoperative navigation-systems. In such systems the position of a medical instrument is precisely tracked relative to the anatomical structures of the patient that are acquired by medical imaging-techniques – e.g. x-ray images or computed tomography (CT)-datasets. This approach is able to enhance the outcome of the intervention while simultaneously reducing the physical strain for the patient. This work describes the development and evaluation of a navigation-system using a surgical image-intensifier system - an x-ray based technique, also commonly known as fluoroscope or c-arm - for aiding surgical interventions in the field of orthopaedics that is suitable for clinical application. Because of the special physical characteristics of a fluoroscope, an extensive calibration process is required to enable a precise navigation. The first part of this work describes solution approaches to this problem. This includes the evaluation of different methods for subpixel accurate detection of calibration-markers, for equalizing non-linear distortions introduced by the image-intensifier and for the determination of the projective properties of the c-arm system. The evaluation is based on simulations as well as real data with respect to precision and robustness, especially regarding typical imaging artefacts that are occuring during an intervention. Based on the developed navigation-system a second part shows innovative concepts for the computer aided operative treatment of aseptic osteonecrosis (Morbus Perthes) and epiphyseolysis capitis femoris, two deseases located at the femoral head. A final part shows the extension of the system for the integration of preoperative CT-datasets into the navigation by the means of intensity-based 2D/3D registration, which is based on numerical maximization of the similarity between hardware-accelerated volume-renderings of the CT - in this context also known as digitally reconstructed radiographs - with intraoperatively acquired fluoroscopy-based images.

Beachtliche Fortschritte auf dem Gebiet der medizinischen 3D-Bildgebung (z.B. Computer-Tomographie) und insbesondere der computergestützten Visualisierung und Modellierung der gewonnenen Datensätze ermöglichen heutzutage in vielen Fällen die hochpräzise Planung eines operativen Eingriffs bereits im Vorfeld der eigentlichen Operation. Im Falle der Orthopädie ist eine solche Planung z.B. beim Einsatz von Hüft- und Kniegelenk-Implantaten oder auch bei einer gezielten Versteifung eines Teils der Wirbelsäule sinnvoll. Diese und ähnliche Operationen erfordern jeweils die exakte Durchführung einer Vielzahl komplizierter Arbeitsschritte zur gezielten Manipulation einzelner Knochen, z.B. dem Setzen von Bohrlöchern, der Entfernung von Knochenstücken durch entsprechende Sägeschnitte u.ä. Ehe sich die Ergebnisse der präoperativen Planung während der Operation optimal verwenden lassen, ist es jedoch nötig, die Lage des Patienten bzw. der betrachteten Knochenstruktur präzise zu erfassen. Nur dann ist es überhaupt möglich, die bzgl. des präoperativen Datensatzes geplanten Arbeitsschritte auch relativ zum realen Knochen exakt durchzuführen. Diese Lageerkennung wird im medizinischen Umfeld gemeinhin als Registrierung bezeichnet. Das zentrale Anliegen dieser Arbeit bestand daher in der Entwicklung und Implementierung zweier neuartiger Verfahren zur intraoperativen Registrierung von Knochenstrukturen. Konzeptionelle Randbedingungen ergaben sich durch die Verwendung eines kalibrierten Standard-Röntgenbildverstärkers ('C-Bogen', Fluoroskop) als bildgebende Komponente im Operationssaal (OP) sowie durch die Forderung, auf künstliche Hilfsmarken am Patientenknochen, die eine Registrierung erleichtern würden, zu verzichten. Registrierungstechniken unter Einsatz solcher Marken sind bekannt, sie erfordern jedoch einen -- der eigentlichen Operation vorgeschalteten -- zusätzlichen Eingriff. Das erste der beiden Verfahren simuliert intraoperativ künstliche Röntgenbilder auf Basis eines Computer-Tomographie-Datensatzes des Patienten und vergleicht diese direkt mit realen Fluoroskopieaufnahmen, um so einen präzisen Rückschluß auf die Lage des Patienten zu ermöglichen. Das zweite Registrierungsverfahren verzichtet hingegen auf den Einsatz einer präoperativen 3D-Bildgebung (Computer-Tomographie). Stattdessen dient ein formvariables 3D-Modell der patientenunabhängigen, anatomischen Modellierung zu erwartender Formausprägungen eines bestimmten Knochens. Ein solches Modell läßt sich intraoperativ an die -- in den einzelnen Fluoroskopieaufnahmen segmentierten -- Konturen bzw. Silhouetten des betrachteten Knochens anpassen. Bei der Realisierung beider Verfahren standen neben einer hohen Präzision des Registrierungsergebnisses die Kernanforderungen Praktikabilität im OP-Umfeld, Robustheit und Geschwindigkeit im Vordergrund. Umfangreiche Experimente mit Oberschenkelknochen-Phantomen und verschiedenen Wirbeln (Labor-Umgebung) sowie ein klinischer Test unter Verwendung eines pathologischen Kniepräparats (reale OP- Umgebung) runden die Arbeit ab und demonstrieren die Leistungs- fähigkeit und Grenzen der entwickelten Verfahren und Ansätze.