Intuitive Visualisierung von Zielregionen in der minimal invasiven Chirurgie mittels projektorbasierter Erweiterter Realität

Intuitive verständliche Navigationshilfen für Operateure in der minimal invasiven Chirurgie werden durch das vorgestellte Erweiterte Realitäts System direkt auf den Körper des Patienten projiziert. Das System berechnet Pfade einer Intervention anhand aufgezeichneter Trajektorien und erstellt daraus einen Navigationspfad, der aus einer Abfolge von Zielregionen besteht. Der Operateur kann diesen Pfad für eine präoperative Planung nutzen und modifizieren. Zu Beginn der Operation werden optimierte Trokarpositionen auf den Körper des Patienten projiziert. Intraoperativ werden dann Zielregionen ausgehend von der Instrumentenspitze des chirurgischen Instruments visualisiert um die Navigation zu erleichtern. Durch Selektion der endoskopischen Kamera als Zielregion, kann zudem die Navigation der Instrumentenspitzen in das Sichtfeld der Kamera erleichtert werden. Die vorgestellten Navigationshilfen sind intuitiv verständlich und ermöglichen einen Zielfindungsprozess mit einer durchschnittlichen Genauigkeit von 2.6mm. Durch zusätzliche Projektion von Bildgebungsdaten kann die Indirektion aufgehoben werden, welche durch die Blickrichtung des Operateurs auf das Endoskopbild entsteht. Schlüsselworte: Navigation, Virtual Fixtures, Erweiterte Realität, minimal invasive Chirurgie 1 Einleitung Problemstellung und Stand der Forschung Die Sicht auf den Situs erfolgt in der minimal invasiven Chirurgie ausschließlich über ein Endoskop, welches nur einen kleinen Sichtbereich bietet. Außerdem unterscheidet sich die Blickrichtung von der des Operateurs, was die Navigation zu bestimmten Zielen erschwert. Ein Erweitertes Realitäts System wird eingesetzt, um dem Operateur Hilfestellungen zu bieten. Bei standardisierten Interventionen sind die Schritte einer erfolgreichen Operation ähnlich und in gewissem Rahmen vorhersagbar. Dies wird genutzt, um aus gesammelten Operationsdaten Navigationspfade zu berechnen, welche aus einer Abfolge von Zielregionen bestehen. Der Operateur kann hierbei die Anzahl der Zielregionen vorgeben. Das System liefert automaProceedings curac2010@MEDICA 119 tisch einen Vorschlag für einen präoperativen Plan, welcher vom Operateur weiter modifiziert und verfeinert werden kann. Die vorgestellten Navigationshilfen werden intraoperativ direkt auf den Körper des Patienten projiziert und unterstützen den Zielfindungsprozess der jeweils nächsten Zielregion. Ist diese erreicht, kann der Operateur die nächste Zielregion wählen. Die automatische Berechnung von Pfaden wurde bereits in einigen Forschungsarbeiten untersucht, um dem Operateur aus gelernten Trajektorien eines Experten Hilfestellungen bezüglich einer auszuführenden Aufgabe zu gegeben [1-3]. Solche Hilfestellungen werden als Virtual Fixtures bezeichnet. Dieses Konzept wurde von Rosenberg eingeführt und bezeichnet das Überlagern von sensorischen Informationen (z.B. haptisch, visuell) in den Arbeitsbereich, um die Performanz beim Ausführen einer Aufgabe zu erhöhen [4]. In [1] wird der Benutzer durch automatisch generierte Virtual Fixtures so durch den Arbeitsbereich geführt, dass seine Bewegungen idealerweise denen eines Experten gleichen. Das Auffinden der korrespondierenden Stelle in der Trajektorie des Benutzers bezüglich der Trajektorie des Experten geschieht hier durch die Bestimmung der minimalen Euklidischen Distanz innerhalb eines Zeitfensters in der Expertentrajektorie. Das Zeitfenster bewegt sich in konstanter Zeit innerhalb der ablaufenden Intervention. Dies macht die Anwendung für längere Operationen kaum möglich, da Interventionen hinsichtlich des zeitlichen Ablaufs stark variieren. Eine Navigationshilfe, die einem Operateur vollautomatisch einen Pfad vorgibt und die aktuelle Position innerhalb des Pfades auch während einer längeren Operation findet, um den Operateur stetig und robust bis ans Ziel seiner Operation zu leiten, ist nicht bekannt. Wir sind der Überzeugung, dass der Operateur bislang manuell den Übergang von einer Zielregion zur nächsten bestimmen sollte, um Sicherheit im Zielfindungsprozess zu gewährleisten. Um eine intuitive Visualisierung der nächsten Zielregion zu bieten, erfolgt die Visualisierung der Navigationshilfen einerseits über eine dreidimensionale Ansicht am Bildschirm und andererseits über das von Hoppe et. al [5] entwickelte Erweiterte Realitäts-System Probaris direkt durch Projektion von Navigationssymbolen auf den Körper des Patienten. Probaris besteht aus handelsüblichen Kameras und Projektoren. Zur Erfassung eines dreidimensionalen Oberflächenmodells des Patienten wird dieser vor der Operation mittels modulierter Streifenlichtprojektion gescannt (siehe Abb. 1, rechts) und ein dreidimensionales Oberflächenmodell generiert. Das System in der Lage die Position eines Trackingkörpers in Echtzeit zu bestimmen und damit sich verändernde Positionen des Patienten zu berücksichtigen. Durch einen modifizierten ICPAlgorithmus wird das Oberflächenmodell mit präoperativen Bilddaten (wie CT oder MRT) zur Deckung gebracht. Probaris wurde bereits klinisch eingesetzt und präzise kalibriert [6]. Durch die Projektion ist der Einsatz bisher nur bei manuellen minimal invasiven Eingriffen möglich, in denen eine freie Sicht vom ProjektorSystem auf den Körper des Patienten gegeben ist. Mit dem Probarissystem wurden zudem bereits Trokarpositionen auf das Abdomen projiziert [7]. 120 Proceedings curac2010@MEDICA Abb. 1: Links: Das projektorbasierte Erweiterte Realitäts – System Probaris. Rechts: Projektion von moduliertem Streifenlicht zur Erfassung des Oberflächenmodells Es gibt bereits Ansätze, die eine Visualisierung des Zielfindungsprozesses untersuchen und realisieren. Beispielsweise ist der Zielführungsprozess des Probaris-Systems patentiert [8]. In [9] wird eine in-vitro Evaluation verschiedener Visualisierungsansätze für computerassistierte Navigation in Weichgewebe untersucht. Die Visualisierung erfolgte hier ohne Methoden der Erweiterten Realität. Für die Visualisierung der Richtung und Tiefe von Zielpunkten wurde eine Projektion auf verschiedene Projektionsebenen untersucht. Pfeile zeigen bei einer Biopsie in die Richtung, in welche die Nadel zu bewegen ist, wobei die Tiefe der Instrumentenspitze durch eine Pegelanzeige visualisiert wird.