Intraoperative fluoroskopiebasierte Patientenlageerkennung zur präzisen Unterstützung chirurgischer Eingriffe

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.