Image Guided Surgery - Technische Universität Dresden
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1.3 Grundlagen der computerassistierten Operationsnavigation Die Möglichkeit, nichtinvasiv pathologische Strukturen zu visualisieren, ist in den letzten Jahren durch die Weiterentwicklung der diagnostischen Bildgebung revolutio- niert worden. Trotzdem existierte bisher keine Verbindung der diagnostischen 3-D- Daten zum Operationsgeschehen. Es ist zumeist immer noch Aufgabe des Chirurgen, die zweidimensionalen diagnostischen Daten in ein dreidimensionales geistiges Modell zu überführen. Verschiedene Verfahren wurden entwickelt, um diese Aufgabe zu ü- bernehmen. Mit Hilfe von mechanischen Armen, aktiven Leuchtdioden, passiven Markersystemen und magnetischen Feldern kann die Lage von Patient und Instrumen- tarium kontinuierlich und zunehmend in Echtzeit visualisiert werden. Im folgenden soll ein Überblick über den Entwicklungsprozess und den gegenwärtigen Stand der Technik gegeben werden. 1.3.1 Historische Entwicklung Die Ursprünge der computergestützten intraoperativen Navigation sind am Ende des letzten Jahrhunderts bei den Anfängen der Stereotaxie zu suchen [45]. Der Begriff Stereotaxie bedeutet das Aufsuchen eines Punktes im Raum, also die exakte Lokalisa- tion anatomischer Strukturen. Dittmar, ein Neurophysiologe, begann als Erster, mit einer mechanischen Vorrichtung im Tierversuch tiefliegende Strukturen anzusteuern [21]. Mussen entwickelte einen stereotaktischen Rahmen, den er am Menschen ein- setzte [86]. Diese Verfahren basierten jedoch zunächst auf der Verwendung von ana- tomischen Atlanten. Es fehlte damals noch die bildgebende Diagnostik pathologischer Strukturen als wesentliche Voraussetzung für die gezielte stereotaktische Behandlung. Die Verfügbarkeit von Röntgenstrahlung am Ende des 19. Jahrhunderts eröffnete neue diagnostische Möglichkeiten. Damit konnten erstmals auf Grundlage von Röntgenauf- nahmen präoperative Planungen erstellt und realisiert werden. Als ein weiterer Mei- lenstein in der Entwicklung der Stereotaxie sind die Arbeiten von Kirschner zu wer- ten, der zur Behandlung der damals kaum therapierbaren Trigeminusneuralgien das Ganglion Gasseri gezielt ausschaltete [59]. Erst die Verfügbarkeit des Computertomographen Anfang der 70er Jahre, gebaut von 8
Hounsfield und Ambrose, sowie ausreichende Rechenleistung für hochauflösende De- tektoren erlaubten die Realisation von computergestützten 3D-Navigationssystemen [4, 57]. Während anfänglich jedes einzelne Bild eines CT-Datensatzes mit einer Video- kamera oder einem Scanner in den Rechner übertragen wurde, können heute die Da- tensätze direkt aus dem CT oder einem anderen Aufnahmegerät in das Navigationssys- tem übertragen werden. Seit Mitte der 80er Jahre wurde mit der Entwicklung sogenannter rahmenloser Stereo- taxie begonnen. Verschiedene Arbeitsgruppen entwickelten Systeme, die auf Grundla- ge unterschiedlicher technologischer Prinzipien funktionierten [20, 65, 80, 81, 116, 126]. So wurde von Schlöndorff ein intraoperatives Navigationssystem realisiert, das mit einem positionsempfindlichen elektromechanischen Arm funktionierte. Die von diesem System gemessenen Koordinaten wurden von einem Rechner ausgewertet und als Positionen in den korrespondierenden CT-Schichten des Patienten als Fadenkreuz dargestellt. Tan gelang es wohl erstmals, mit einem magnetischen Positionsmessgerät eine Sonde relativ zu einem präoperativen Bilddatensatz zu positionieren [110]. Andere Arbeitsgruppen versuchten, das Operationsmikroskop in den 3D- Navigationsprozeß einzubinden [28, 36, 58]. Dabei wurde der Focuspunkt des Mikro- skops zunächst mit Ultraschall und später mit optischen Elementen verfolgt. Mit Entwicklung der MRT stand eine weitere diagnostische Modalität zur intraopera- tiven Navigation im Raum zur Verfügung. Heute kann praktisch in Korrelation zu allen 3D-diagnostischen Bildbefunden navigiert werden. Die Entwicklung begann an einigen ausgewählten Zentren weltweit, und nach einer lokalen Spezialisierung auf wenige Standorte im deutschsprachigen Raum ist die Technologie der Navigation so weit verbreitet, dass faktisch in jedem größeren chi- rurgischen oder akademischen Zentrum ein Navigationssystem eingesetzt wird [24, 45]. 1.3.2 Grundlagen der Positionsbestimmung im Raum Das lateinische Wort "Navigation" heißt Schifffahrt und bedeutet soviel wie die Be- stimmung des Standortes sowie die Wahl und Kontrolle des Weges. Als Beispiel, um das Funktionsprinzip eines Operationsnavigationssystems zu erläu- 9
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Stereotaxie bedeutet das Aufsuchen eines Punktes im Raum, also die exakte Lokalisa-<br />
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Strukturen als wesentliche Voraussetzung für die gezielte stereotaktische Behandlung.<br />
Die Verfügbarkeit von Röntgenstrahlung am Ende des 19. Jahrhunderts eröffnete neue<br />
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