Patientenspezifische Planung für die Multi-Port Otobasischirurgie

Bisher werden Operationen im Bereich der seitlichen Schädelbasis (Otobasis) stark invasiv durchgeführt. Um die Traumatisierung für den Patienten zu reduzieren, wird seit kurzem ein Multi-Port Ansatz untersucht, bei dem bis zu drei dünne Bohrkanäle von der Schädeloberfläche bis zum Operationsziel angelegt werden. Aufgrund der Minimalinvasivität des neuen Eingriffs ist die visuelle Kontrolle durch den Chirurgen nicht mehr möglich. Somit ist eine präzise patientenspezifische Planung basierend auf Bilddaten zwingend erforderlich. Der Fokus dieser Arbeit liegt daher auf der Planung eines Multi-Port Eingriffs basierend auf patientenspezifischen Modellen. Zur Generierung dieser Modelle habe ich zunächst Methoden für die Segmentierung der Risikostrukturen der Otobasis in Computertomographiedaten entwickelt. Die Herausforderungen dabei sind die geringe Größe der Strukturen, der fehlende Kontrast zum umliegenden Gewebe sowie die zum Teil variierende Form und Bildintensität. Daher schlage ich die Verwendung eines modellbasierten Ansatzes – das Probabilistic Active Shape Model – vor. Dieses habe ich für die Risikostrukturen der Otobasis adaptiert und intensiv evaluiert. Dabei habe ich gezeigt, dass die Segmentierungsgenauigkeit im Bereich der manuellen Segmentierungsgenauigkeit liegt. Ferner habe ich Methoden für die automatische Planung der Bohrkanäle basierend auf den durch die Segmentierung gewonnenen patientenspezifischen Modellen entwickelt. Die Herausforderung hierbei ist, dass der Multi-Port Eingriff noch nicht im klinischen Einsatz ist und somit Erfahrung mit der neuen Strategie fehlt. Daher wurde zunächst ein Planungstool zur Berechnung einer Menge von zulässigen Bohrkanälen entwickelt und die manuelle Auswahl einer Bohrkanalkombination ermöglicht. Damit haben zwei Ärzte eine erste Machbarkeitsanalyse durchgeführt. Die so gewonnene Erfahrung und Datenbasis habe ich formalisiert und ein Modell für die automatische Planung einer Bohrkanalkombination abgeleitet. Die Evaluation zeigt, dass auf diese Weise Bohrkanalkombinationen vergleichbar mit der manuellen Wahl der Ärzte berechnet werden können. Damit ist erstmals die computergestützte Planung eines Multi-Port Eingriffs an der Otobasis möglich

Three-dimensional histological specimen preparation for accurate imaging and spatial reconstruction of the middle and inner ear

PURPOSE:    This paper presents a highly accurate cross-sectional preparation technique. The research aim was to develop an adequate imaging modality for both soft and bony tissue structures featuring high contrast and high resolution. Therefore, the advancement of an already existing microgrinding procedure was pursued. The central objectives were to preserve spatial relations and to ensure the accurate three-dimensional reconstruction of histological sections. METHODS:    Twelve human temporal bone specimens including middle and inner ear structures were utilized. They were embedded in epoxy resin, then dissected by serial grinding and finally digitalized. The actual abrasion of each grinding slice was measured using a tactile length gauge with an accuracy of one micrometre. The cross-sectional images were aligned with the aid of artificial markers and by applying a feature-based, custom-made auto-registration algorithm. To determine the accuracy of the overall reconstruction procedure, a well-known reference object was used for comparison. To ensure the compatibility of the histological data with conventional clinical image data, the image stacks were finally converted into the DICOM standard. RESULTS:    The image fusion of data from temporal bone specimens’ and from non-destructive flat-panel-based volume computed tomography confirmed the spatial accuracy achieved by the procedure, as did the evaluation using the reference object. CONCLUSION:    This systematic and easy-to-follow preparation technique enables the three-dimensional (3D) histological reconstruction of complex soft and bony tissue structures. It facilitates the creation of detailed and spatially correct 3D anatomical models. Such models are of great benefit for image-based segmentation and planning in the field of computer-assisted surgery as well as in finite element analysis. In the context of human inner ear surgery, three-dimensional histology will improve the experimental evaluation and determination of intra-cochlear trauma after the insertion of an electrode array of a cochlear implant system

Entwicklung eines Feedbacksystems zur Optimierung der laparoskopischen Instrumentenführung durch Integration einer automatisierten Bildklassifizierung

Während laparoskopischer Eingriffe kann es zu akzidentellen Verletzungen benachbarter Gewebestrukturen kommen, vor allem wenn sich das Arbeitsinstrument außerhalb des Sichtfeldes der laparoskopischen Kamera befindet. Ausgangspunkt der vorliegenden Arbeit war die quantitative sowie qualitative Untersuchung des Auftretens dieser als „Adverse Events“ (AE) bezeichneten Situationen während der laparoskopischen Cholezystektomie in einem realitätsnahen Trainingssetting. Des Weiteren sollte mit der Entwicklung eines Funktionsmusters die Machbarkeit eines kontextsensitiven, audiovisuellen Feedbacksystems durch Implementierung einer automatisierten binären Klassifizierung der zugrundeliegenden Bilddaten belegt werden. Das Ziel war dabei die Erkennung von AE während des Eingriffs in Echtzeit und deren Rückmeldung an das Operationsteam. Die Evaluation erfolgte im Rahmen einer randomisierten kontrollierten Probandenstudie mit 24 Medizinstudierenden (je 12 in Interventions- versus Kontrollgruppe), welche jeweils vier konsekutive laparoskopische Cholezystektomien in einer standardisierten Trainingsumgebung durchführten. Der Interventionsgruppe nutzte dabei das Feedbacksystem. Primärer Endpunkt war die Inzidenz von AE. Insgesamt wurden in der Gesamtpopulation 2895 AE registriert. Die mediane Anzahl der AE pro Eingriff lag bei 20,5. Die entwickelte Anwendung zur binären Bildklassifizierung konnte davon lediglich 33,9 % korrekt zuordnen. In der vergleichenden Auswertung von Interventions- und Kontrollgruppe ergaben sich hinsichtlich des primären Endpunkts keine statistisch signifikanten Unterschiede. Es wird geschlussfolgert, dass sich mit dem entwickelten Klassifizierungs- und Feedbacksystem das Auftreten von AE nicht beeinflussen lässt. Grundsätzlich deutet jedoch die hohe Anzahl an AE in Verbindung mit den aus der Literatur bekannten, teils schwerwiegenden Folgen für die betroffenen Patientinnen und Patienten nach iatrogenen Verletzungen im Rahmen laparoskopischer Eingriffe auf den Bedarf an zusätzlichen Sicherheitskonzepten hin. Diesbezüglich sind die angestoßenen Weiterentwicklungen unter Verwendung von Technologien auf dem Gebiet der künstlichen Intelligenz als vielversprechend zu beurteilen

Optical Synchronization of Time-of-Flight Cameras

Time-of-Flight (ToF)-Kameras erzeugen Tiefenbilder (3D-Bilder), indem sie Infrarotlicht aussenden und die Zeit messen, bis die Reflexion des Lichtes wieder empfangen wird. Durch den Einsatz mehrerer ToF-Kameras können ihre vergleichsweise geringere Auflösungen überwunden, das Sichtfeld vergrößert und Verdeckungen reduziert werden. Der gleichzeitige Betrieb birgt jedoch die Möglichkeit von Störungen, die zu fehlerhaften Tiefenmessungen führen. Das Problem der gegenseitigen Störungen tritt nicht nur bei Mehrkamerasystemen auf, sondern auch wenn mehrere unabhängige ToF-Kameras eingesetzt werden. In dieser Arbeit wird eine neue optische Synchronisation vorgestellt, die keine zusätzliche Hardware oder Infrastruktur erfordert, um ein Zeitmultiplexverfahren (engl. Time-Division Multiple Access, TDMA) für die Anwendung mit ToF-Kameras zu nutzen, um so die Störungen zu vermeiden. Dies ermöglicht es einer Kamera, den Aufnahmeprozess anderer ToF-Kameras zu erkennen und ihre Aufnahmezeiten schnell zu synchronisieren, um störungsfrei zu arbeiten. Anstatt Kabel zur Synchronisation zu benötigen, wird nur die vorhandene Hardware genutzt, um eine optische Synchronisation zu erreichen. Dazu wird die Firmware der Kamera um das Synchronisationsverfahren erweitert. Die optische Synchronisation wurde konzipiert, implementiert und in einem Versuchsaufbau mit drei ToF-Kameras verifiziert. Die Messungen zeigen die Wirksamkeit der vorgeschlagenen optischen Synchronisation. Während der Experimente wurde die Bildrate durch das zusätzliche Synchronisationsverfahren lediglich um etwa 1 Prozent reduziert.Time-of-Flight (ToF) cameras produce depth images (three-dimensional images) by measuring the time between the emission of infrared light and the reception of its reflection. A setup of multiple ToF cameras may be used to overcome their comparatively low resolution, increase the field of view, and reduce occlusion. However, the simultaneous operation of multiple ToF cameras introduces the possibility of interference resulting in erroneous depth measurements. The problem of interference is not only related to a collaborative multicamera setup but also to multiple ToF cameras operating independently. In this work, a new optical synchronization for ToF cameras is presented, requiring no additional hardware or infrastructure to utilize a time-division multiple access (TDMA) scheme to mitigate interference. It effectively enables a camera to sense the acquisition process of other ToF cameras and rapidly synchronizes its acquisition times to operate without interference. Instead of requiring cables to synchronize, only the existing hardware is utilized to enable an optical synchronization. To achieve this, the camera’s firmware is extended with the synchronization procedure. The optical synchronization has been conceptualized, implemented, and verified with an experimental setup deploying three ToF cameras. The measurements show the efficacy of the proposed optical synchronization. During the experiments, the frame rate was reduced by only about 1% due to the synchronization procedure

Ein Steuersystem für die telemanipulierte und autonome robotergestützte Chirurgie

Die Arbeit entwickelt ein komplettes System für die telemanipulierte und autonome robotergestützte Chirurgie. Beschrieben werden die hierfür notwendigen Komponenten: Softwarearchitektur, Entwicklungsumgebung, Planung mit Validierung und Verifizierung, Einbindung der Sensordaten, Bahnplanung, Steuerung und Regelung der Aktorik. Die Funktionsfähigkeit des Systems wird anhand zweier Operationen gezeigt (Abdominalen Aortenaneurysma (AAA), Laserknochenschneiden mit einem CO2 Laser)

Optical Coherence Tomography guided Laser-Cochleostomy

Despite the high precision of laser, it remains challenging to control the laser-bone ablation without injuring the underlying critical structures. Providing an axial resolution on micrometre scale, OCT is a promising candidate for imaging microstructures beneath the bone surface and monitoring the ablation process. In this work, a bridge connecting these two technologies is established. A closed-loop control of laser-bone ablation under the monitoring with OCT has been successfully realised

Segmentierung medizinischer Bilddaten und bildgestützte intraoperative Navigation

Die Entwicklung von Algorithmen zur automatischen oder semi-automatischen Verarbeitung von medizinischen Bilddaten hat in den letzten Jahren mehr und mehr an Bedeutung gewonnen. Das liegt zum einen an den immer besser werdenden medizinischen Aufnahmemodalitäten, die den menschlichen Körper immer feiner virtuell abbilden können. Zum anderen liegt dies an der verbesserten Computerhardware, die eine algorithmische Verarbeitung der teilweise im Gigabyte-Bereich liegenden Datenmengen in einer vernünftigen Zeit erlaubt. Das Ziel dieser Habilitationsschrift ist die Entwicklung und Evaluation von Algorithmen für die medizinische Bildverarbeitung. Insgesamt besteht die Habilitationsschrift aus einer Reihe von Publikationen, die in drei übergreifende Themenbereiche gegliedert sind: -Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen -Experimentelle Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen -Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien Im Bereich Segmentierung medizinischer Bilddaten anhand von vorlagenbasierten Algorithmen wurden verschiedene graphbasierte Algorithmen in 2D und 3D entwickelt, die einen gerichteten Graphen mittels einer Vorlage aufbauen. Dazu gehört die Bildung eines Algorithmus zur Segmentierung von Wirbeln in 2D und 3D. In 2D wird eine rechteckige und in 3D eine würfelförmige Vorlage genutzt, um den Graphen aufzubauen und das Segmentierungsergebnis zu berechnen. Außerdem wird eine graphbasierte Segmentierung von Prostatadrüsen durch eine Kugelvorlage zur automatischen Bestimmung der Grenzen zwischen Prostatadrüsen und umliegenden Organen vorgestellt. Auf den vorlagenbasierten Algorithmen aufbauend, wurde ein interaktiver Segmentierungsalgorithmus, der einem Benutzer in Echtzeit das Segmentierungsergebnis anzeigt, konzipiert und implementiert. Der Algorithmus nutzt zur Segmentierung die verschiedenen Vorlagen, benötigt allerdings nur einen Saatpunkt des Benutzers. In einem weiteren Ansatz kann der Benutzer die Segmentierung interaktiv durch zusätzliche Saatpunkte verfeinern. Dadurch wird es möglich, eine semi-automatische Segmentierung auch in schwierigen Fällen zu einem zufriedenstellenden Ergebnis zu führen. Im Bereich Evaluation quelloffener Segmentierungsmethoden unter medizinischen Einsatzbedingungen wurden verschiedene frei verfügbare Segmentierungsalgorithmen anhand von Patientendaten aus der klinischen Routine getestet. Dazu gehörte die Evaluierung der semi-automatischen Segmentierung von Hirntumoren, zum Beispiel Hypophysenadenomen und Glioblastomen, mit der frei verfügbaren Open Source-Plattform 3D Slicer. Dadurch konnte gezeigt werden, wie eine rein manuelle Schicht-für-Schicht-Vermessung des Tumorvolumens in der Praxis unterstützt und beschleunigt werden kann. Weiterhin wurde die Segmentierung von Sprachbahnen in medizinischen Aufnahmen von Hirntumorpatienten auf verschiedenen Plattformen evaluiert. Im Bereich Navigation zur Unterstützung intraoperativer Therapien wurden Softwaremodule zum Begleiten von intra-operativen Eingriffen in verschiedenen Phasen einer Behandlung (Therapieplanung, Durchführung, Kontrolle) entwickelt. Dazu gehört die erstmalige Integration des OpenIGTLink-Netzwerkprotokolls in die medizinische Prototyping-Plattform MeVisLab, die anhand eines NDI-Navigationssystems evaluiert wurde. Außerdem wurde hier ebenfalls zum ersten Mal die Konzeption und Implementierung eines medizinischen Software-Prototypen zur Unterstützung der intraoperativen gynäkologischen Brachytherapie vorgestellt. Der Software-Prototyp enthielt auch ein Modul zur erweiterten Visualisierung bei der MR-gestützten interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie, welches unter anderem die Registrierung eines gynäkologischen Brachytherapie-Instruments in einen intraoperativen Datensatz einer Patientin ermöglichte. Die einzelnen Module führten zur Vorstellung eines umfassenden bildgestützten Systems für die gynäkologische Brachytherapie in einem multimodalen Operationssaal. Dieses System deckt die prä-, intra- und postoperative Behandlungsphase bei einer interstitiellen gynäkologischen Brachytherapie ab

Beitrag zur Minimierung der Insertionskräfte von Cochlea-Implantat-Elektrodenträgern: Untersuchung gerader, lateral liegender Elektrodenträger sowie deren Funktionalisierung mittels nachgiebiger Aktuatoren

Sensorineurale Hörstörungen können mit einem Cochlea-Implantat behandelt werden. Dazu wird ein Elektrodenträger (ET) vom Chirurgen in die Cochlea inseriert, um dort die geschädigten Haarzellen zu ersetzen. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem ET und dessen Insertionsprozess in die Cochlea. Dazu werden digitale und anschließend physikalische, planare Modelle der humanen Cochlea erstellt. Es werden Einflussfaktoren auf den Insertionsprozess systematisiert. Mit dem Ziel einer Reduktion der Insertionskräfte werden drei ausgewählte Einflussfaktoren mit eigens hergestellten Labormustern untersucht: Die Geometrie der Cochleamodelle, die Insertionsgeschwindigkeit des ETs und eine Alginat-Beschichtung des ETs. Abschließend wird ein fluidisch-aktuierter, nachgiebiger Mechanismus zur Funktionalisierung des ETs betrachtet. Die Skalierbarkeit dieses Mechanismus wird analytisch und numerisch gezeigt. Die Synthese des fluidmechanischen Aktuators liefert dessen geometrische Maße, um unter Druckbeaufschlagung mit definiertem Druck einer vorgegebenen Form zu entsprechen