roboterbasierte nadelorientierung in der radiofrequenzablation

MCI MANAGEMENT CENTER INNSBRUCK, 18. Oktober 2015
ROBOTERBASIERTE NADELORIENTIERUNG IN DER RADIOFREQUENZABLATION
Thomas Gabloner, Michael Marek
1. EINLEITUNG
Die Radiofrequenzablation (RFA) ist eine mikroinvasive
Methode zur Behandlung von Tumoren auf Basis der
Zerstörung von Gewebe durch Zuführung von thermischer
Energie [1]. Hochfrequenter Wechselstrom erhitzt den Tumor
über eine oder mehrere nadelförmige Elektroden auf bis zu
100°C. Eine genaue Positionierung der Elektrode ist essentiell
für die vollständige Zerstörung des Tumors und Schonung des
gesunden Gewebes [2]. An der „Medizinischen Universität
Innsbruck“ werden die Positionen aller verwendeten Geräte,
sowie des Patienten selbst über ein globales Navigationssystem
im Operationssaal erfasst. Dies ermöglicht es Positionierdaten
der Elektroden aus der Operationsplanung während des
Eingriffs zu visualisieren (Abb. 1).
Orientierung der Nadel mit einer Genauigkeit von 0,5° bei einer
gleichzeitigen Reduktion der Strahlenbelastung zu erreichen.
Außerdem musste ein sicherer Prozess gewährleistet werden,
von dem keine Gefährdung für den Patienten und Bediener
ausgeht. Die gesamte Aufgabe umfasste daher die Entwicklung
eines Bildverarbeitungsalgorithmus, sowie den Entwurf eines
digitalen Reglers, eingebettet in einem geschlossenen
Regelkreis.
3. MATERIALIEN UND METHODEN
Aufgrund rechtlicher Auflagen zur Betreibung eines
Röntgen-Bogens wurde dieser an einem Teststand durch ein
zueinander kalibriertes Kamerasystem und eine dafür
entwickelte Nadelaufnahme ersetzt (Abb. 4).
Abb. 1: Patient im Operationssaal und Operationsplanung
Die Positionierung der Elektroden erfolgte bisher durch
ein manuell angesteuertes Robotersystem (Abb. 2) [3] unter
kontinuierlichem visuellen Feedback mittels Marker in einer
Röntgenaufnahme (Abb. 3). Dabei ermöglichen 2 metallische
Ringe in der Nadelaufnahme entlang ihrer Achse die Detektion
der Nadelorientierung mithilfe eines parallel zur Zielachse
ausgerichteten Röntgen-Bogens. Die gewünschte Nadelachse
wird folglich als grüner Punkt im Röntgenbild dargestellt.
Abb. 4: Konzept der Realisierung im Operationssaal
4. PRAKTISCHE DURCHFÜHRUNG
Der in Matlab entwickelte Bildverarbeitungs- und
Regelungsalgorithmus ermöglicht eine automatisierte Erfassung
und Kompensation der Roboterorientierung in Bezug auf die
Röntgenbild-Ebene. Die Betätigung eines Tasters genügt, um
die Nadelachse entsprechend der Operationsplanung
automatisch auszurichten und dabei einen sicheren Prozess zu
gewährleisten.
5. ERGEBNISSE
Abb. 2: iSYS1 Robotersystem zur Nadelpositionierung
Abb. 3: Manuelle Nadelausrichtung mittels Röntgenaufnahme
Die Dauer der Nadelpositionierung ist abhängig von der
Erfahrung und Übung des Chirurgen und kann daher stark
variieren. Dabei ist der Patient permanent der Strahlenbelastung
des C-Bogen Röntgengerätes ausgesetzt. Eine Automatisierung
der
Nadelausrichtung
mithilfe
von
Regelund
Bildverarbeitungsalgorithmen hat das Potential die Effizienz
der Behandlung zu steigern und die Strahlenbelastung zu
minimieren.
2. PROBLEM- UND AUFGABENSTELLUNG
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, unter Verwendung
der Vorort vorhandenen Komponenten, eine automatisierte
Mithilfe der entwickelten Algorithmen war es möglich die
Netto-Ausrichtungsdauer der Elektrode von 21,2 s auf
durchschnittlich 4,8 s zu reduzieren. Außerdem ergaben
Funktionstests eine Positioniergenauigkeit von 0,07 mm ± 0,03
mm, was einer Orientierungsgenauigkeit von 0,10° ± 0,04°
entspricht und im Vergleich zur manuellen Ansteuerung eine
Erhöhung der Genauigkeit um den Faktor 10 ergibt. Besonders
erwähnenswert ist die Tatsache, dass nur vier einzeln erfasste
Bilder zur Positionsregelung nötig sind.
Diese Ergebnisse ermöglichen eine deutliche Reduktion
der Strahlenbelastung und eine signifikante Effizienzsteigerung
im Operationsbetrieb.
6. LITERATURVERZEICHNIS
[1] Bale, R., 2007 “Tumor ‚verkochen’- schonend und
vielversprechend”, Ärzte Krone
[2] Bale, R.; et al., 2011. “Percutaneous stereotactic
radiofrequency ablation of colorectal liver metastases”,
Springer, European Society of Radiology
[3] Vogele, M., 2011 “Punktgenaue Behandlung gegen
Leberkrebs”, Chemiereport