Motion compensation and computer guidance for percutaneous abdominal interventions

262 Pages·2009·12.68 MB·English

MOTION COMPENSATION AND
COMPUTER GUIDANCE FOR
PERCUTANEOUS ABDOMINAL
INTERVENTIONS
Zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Ingenieurwissenschaften
von der Fakultät für Informatik
der Universität Fridericiana zu Karlsruhe (TH)
genehmigte
Dissertation
von
Lena Maier-Hein
aus Hamburg
28 04 2009
Tag der mündlichen Prüfung: . .
Erster Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Rüdiger Dillmann
Zweiter Gutachter: Prof. Dr. sc. hum. Hans-Peter Meinzer
LenaMaier-Hein:Motioncompensationandcomputerguidanceforpercutaneous
abdominal interventions, PhD thesis, © May 2009
ZUSAMMENFASSUNG
Minimal-invasive Verfahren zur Krebsdiagnose und -therapie lösen offene
Verfahren aufgrund ihres schonenden Charakters in der klinischen Routine
zunehmend ab. Diese Eingriffe erfordern typischerweise das Einführen
einesnadelförmigenInstrumentesindasvomKrebsbefalleneOrgan.Dabei
hängt der Erfolg der Intervention nachweislich von der Genauigkeit der
Instrumenteninsertion und somit von der Erfahrung des Arztes ab. Nach-
dem sich computergestützte Navigation an rigiden Strukturen bereits in
der klinischen Routine etabliert hat, beschränkt sich der Einsatz von Com-
puterunterstützung in Weichgewebe noch auf nicht-invasive Diagnostik
und Operationsplanung. Dies kann insbesondere auf die fehlende Kom-
pensation intra-interventioneller Organbewegung zurückgeführt werden.
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung, Umsetzung und Evaluation neu-
er Konzepte für computer-assistierte Interventionen in Weichgewebe. Die
1
Hauptbeiträge dieser Arbeit umfassen ( ) die Entwicklung und Evaluation
einer echtzeitfähigen Methode zur intra-interventionellen Bewegungskom-
pensation für perkutane Eingriffe im Abdominalraum basierend auf Hilfs-
2
nadeln, ( ) die Entwicklung und Evaluation einer Visualisierungsmethode
zum zielsicheren und schnellen Übertragen einer geplanten Nadeltrajek-
3
torie auf den Patienten und ( ) die Entwicklung eines Atembewegungssi-
mulators zur Evaluation der vorgestellten Methoden in einem realistischen
Patientenmodell. Da die Leber neben den Lymphknoten das am häufigsten
von Metastasen befallene Organ ist und zudem besonders großen Bewe-
gungen unterliegt, wurden die entwickelten Konzepte beispielhaft anhand
eines Navigationssystems für perkutane Leberinterventionen umgesetzt.
Basierend auf einer Fehleranalyse des vorgestellten Ansatzes wurde das
entwickelte Prototypsystem in zwei Phasen evaluiert. Zunächst wurden
die notwendigen Systemmodule implementiert und in diversen in-silico,
in-vitroundin-vivoVersuchenevaluiertundoptimiert.Anschließendwurde
das Gesamtsystem in klinischen Workflow in enger Zusammenarbeit mit
klinischen Partnern evaluiert. Nach den Ergebnissen einer in-vivo Genauig-
keitsstudie ist der vorgestellte Ansatz mit einer Insertionsgenauigkeit von
4
unter mm höchst akkurat im Vergleich zu verwandten Arbeiten. Zudem
konnteimVergleichzurkonventionellenCT-gesteuertenInsertionsmethode
bei vergleichbaren Prozedurzeiten eine signifikant höhere Genauigkeit und
geringere Strahlenbelastung erzielt werden. Da die entwickelten Metho-
den auf verschiedenste Organe und Interventionen anwendbar sind, stellt
diese Arbeit einen wichtigen Beitrag zum Stand der Forschung im Bereich
computer-assistierter medizinischer Interventionen dar.
i

ABSTRACT
Clinical practice is increasingly replacing traditional open surgical proce-
dures with minimally invasive techniques for cancer diagnosis and therapy.
These procedures typically require placement of a surgical instrument into
the organ of interest with a high degree of accuracy. In general, the success
of a treatment or of a diagnosis is highly dependent on the accuracy of in-
strument insertion and thus depends crucially on the skills and experience
of the physician. While intra-operative navigation has been proven to be
highly effective in interventions on bony or sufficiently rigid structures,
such as the spine and the brain, computer aided soft tissue procedures are
still limited to non-invasive diagnostics and surgical planning. This can
primarily be attributed to the lack of robust methods for compensation of
intra-interventional organ motion caused by respiration, heartbeat, patient
movement and manipulation by surgical instruments.
Inthisthesis,newconceptsforcomputer-assistedsofttissueinterventions
were developed, implemented and evaluated. The main contributions
1
include ( ) development and evaluation of a real-time capable motion
compensation method for percutaneous abdominal interventions based on
2
fiducial needles, ( ) development and evaluation of a guidance method to
allow for fast and precise insertion of a needle-shaped instrument along a
3
predetermined trajectory and ( ) development of a respiratory liver motion
simulator for evaluating the proposed methods in a realistic setting. As
the liver is one of the most common sites for metastatic disease and, at
the same time, one of the organs most affected by respiratory motion, a
prototype system for navigated liver punctures was developed according
to the proposed concepts. Based on an analysis of the sources of error
associated with the approach, the system was evaluated in two stages.
Firstly, the individual system modules were evaluated in various in-silico,
in-vitro, and in-vivo experiments. Secondly, the system was evaluated in the
clinical workflow in close cooperation with medical partners. According to
an in-vivo accuracy assessment study, the novel approach is highly accurate
compared to state of the art work, yielding an overall needle insertion
4
error below mm. Furthermore, the proposed method outperforms the
conventional CT-guided needle insertion method with respect to accuracy
and radiation exposure to the patient. The developed methods are broadly
applicable to various organs and procedures and are thus an important
contribution to the field of computer-assisted medical interventions.
iii

PUBLICATIONS
Some ideas, figures and tables from this thesis have appeared previously
in the following publications:
international journals
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