Computer unterstützte Navigation für minimal invasive Intervention

39. DGMP Tagung 2008 in Oldenburg
Computer unterstützte Navigation für minimal invasive
Intervention mit CT und C-Arm Systemen
Markus Nagel1
1CAS
innovations AG, Erlangen, Deutschland
Einleitung
Bildgestützte, minimal-invasive Interventionen gehören in der heutigen Zeit zum klinischen Standard in der
Radiologie. Minimal-invasive Techniken reduzieren das Risiko von Komplikationen, sind patientenschonend
und lassen sich schnell umsetzen. Auf der anderen Seite verlangen solche Interventionen viel Erfahrung und
Geschicklichkeit des Radiologen.
Relevante Appliktionen in der interventionellen Radiologie erstrecken sich von minimal-invasiven perkutanen
Interventionen wie Biopsien, Vertebroplastien / Kyphoplastien / Drainagen bis hin zur Radiofrequenzablation.
Im Allgemeinen also jegliche medizinische Applikationen, bei denen eine Nadel an eine bestimmte Stelle im
Körper vorgeschoben werden muss.
Bei Interventionen, die eine hohe Genauigkeit erfordern und bei denen eine fehlerhafte Positionierung der
Nadel zu gefährlichen Komplikationen führen kann, muss die Position der Nadel während des Vorschubs im
Patienten durch wiederholte Kontrollscans überprüft und gegebenenfalls korrigiert werden. Dabei sind fünf bis
zehn oder sogar mehr Kontrollaufnahmen keine Seltenheit. Dies erhöht zum einen die gesamte Interventionszeit
als auch die Strahlenexposition für den Patienten und den Arzt.
Darüber hinaus werden bei perkutan durchgeführten Interventionen oftmals genaue Kenntnisse über die zu
Grunde liegende Anatomie benötigt. 3D-Informationen sind für die optimale Planung eines Zugangsweges nötig.
Insbesondere schräg liegende Zugangswege lassen sich oft nicht in ein oder zwei transversalen CT-Bildern
darstellen. Dies erschwert die gesamte Planung oder solche Trajektorien sind letztendlich nicht umsetzbar, da die
Gefahr einer Komplikation durch ein fehlerhaftes Positionieren der Nadel zu groß ist. Schwierigkeiten ergeben
sich auch beim Nadelvorschub. Hier muss der Arzt entlang einer gedachten 3D-Linie die Nadel ohne
Führungshilfe vorschieben. Ermüdungserscheinungen und das Zittern der Hand stellen hier weitere Probleme
dar.
Während computerunterstützte Navigationssysteme in der Orthopädie sich bereits bewährt haben, sind solche
System im Bereich der interventionellen Radiologie noch sehr rar. In der Orthopädie kommen größtenteils
optisch arbeitende Navigationssysteme zum Einsatz, die für minimal-invasive Anwendungen aufgrund ihrer
Hardwarevorraussetzungen und Komplexität nicht besonders geeignet sind.
Neu entwickelte computerunterstützte Navigationssysteme mit elektromagnetischem Tracking dagegen sind
klein, handlich und in der Lage den Arzt bei der Durchführung von minimal-invasiven Interventionen zu
unterstützen. Beim elektromagnetischen Tracking werden Instrumente, wie Beispielsweise eine Biopsienadel,
mit einer kleinen Spule in der Spitze ausgerüstet. Diese Spule kann in dem elektromagnetischen Feld geortet
werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Position einer Nadel direkt in einem präoperativ erstellten Datensatz
virtuell am Bildschirm darzustellen. Das Ziel der neuen computerunterstützten Navigationssystemen ist es, den
Arzt bei perkutanen Interventionen zu unterstützen und gleichzeitig ohne zusätzliche Röntgenstrahlung die
Nadel präzise zu positionieren.
Verfahren
Das elektromagnetische Navigationssystem (CAPPA IRAD EMT, CAS innovations AG, Erlangen,
Deutschland) besteht aus einem Trackingsystem, einem Standard PC mit Touchscreen Funktionalität für
Interaktionen und einem mobilen Rack. Ein Feldgenerator, Teil des Trackingsystems, erzeugt ein
elektromagnetisches Feld mit einem Arbeitsvolumen von ca. 500500500 mm. Bringt man eine Spule in dieses
Feld, wird eine Spannung in der Spule induziert. Die Spannung wird von einer Kontrolleinheit (CIU) gemessen.
Je nach induzierter Spannung kann somit festgestellt werden, wo sich die Spule in dem Feld befindet. Die
Bilddaten werden mit einem CT-Scan oder einem CT-fähigen C-Bogen erhoben und nach der Bildaufnahme
über das TCP/IP Netzwerk an das Navigationssystem gesendet. In der Abbildung 1 sind alle Komponenten des
Navigationssystems und ihre Zusammenhänge dargestellt.
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R ac k
F ield
g enerator
T ools
C IU
Imag ing s ys tem
S erial P ort
Input/O utput
T C P /IP
(DIC O M network applic ation)
Abbildung 1:Navigationskomponenten: Tools (Nadeln, Hautsensor), Feldgenerator (Field generator), Kontrolleinheit (CIU),
Bildgebung (Imaging system) und das Rack mit Touchscreen Monitor und integriertem PC.
Um die Spitze einer Interventionsnadel zu „tracken“, werden kleine Spulen in die Spitze der Nadel eingebracht
(Abbildung 2). Auf diese Weise ist es möglich, auch bei einem Verbiegen der Nadel während des Vorschubes
durch Gewebe die exakte Position der Nadelspitze zu bestimmen, die dann im Datensatz eines Patienten zur
Verfolgung angezeigt wird.
Abbildung 2: Spule mit einem Durchmesser von 0.8 mm und einer Länge von 9 mm, wie sie Beispielsweise in der
abgebildeten Nadelspitze oben im Bild, eingebaut ist.
Ein am Patient befestigter Hautsensor erfasst während des gesamten Eingriffs ständig die Bewegungen des
Patienten und meldet diese an das Navigationssystem. Der Sensor besteht aus zwei orthogonal angeordneten
Spulen. Somit ist die Position des Sensors im Arbeitsfeld des Trackingsystems bestimmbar.
Ein weiterer baugleicher Sensor ist zusammen mit CT-Markern in einer Patientenplatte fest eingebaut. Der
eingebaute Sensor dient dem Navigationssystem als Referenz und wird gleichzeitig für die Patientenregistrierung
verwendet. Vor der Datenakquise mit einem CT oder C-Arm mit CT Option wird die Platte zusammen mit dem
Sensor am Patienten angebracht. Die Position der CT-Marker relativ zum Sensor (Trackingkoordinatensystem)
ist fest und bekannt. Nach der Bildaufnahme bestimmt ein Marker-Detektions-Algorithmus innerhalb der
Navigationssoftware die Position der CT-Marker im Bildkoordinatensystem. Anschließend kann eine
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vollautomatische Patienten-zu-Bild-Registrierung durchgeführt werden. Ab diesem Zeitpunkt ist die Position der
Nadel relativ zum Datensatz des Patienten bestimmt und am Monitor sichtbar (siehe Abbildung 3).
Abbildung 3: Screenshot einer navigiert durchgeführten Intervention. Eine trackbare Nadel wird für eine anschließende
Radiofrequenzablation unmittelbar vor den Tumor in der Wirbelsäule vorgeschoben.
Klinische Ergebnisse
Bisher wurden mehr als 25 Interventionen mit dem vorgestellten Navigationssystem CAPPA IRAD EMT
erfolgreich durchgeführt. Das Anwendungsgebiet erstreckte sich von Lungenbiopsien, Nierenbiopsien, Biopsien
am Knochen, Vertebroplastien und Kyphoplastien, Drainagen bis hin zu Radiofrequenzablationen an der
Wirbelsäule. Bei keiner navigiert durchgeführten Intervention traten Komplikationen auf und alle Interventionen
konnten erfolgreich abgeschlossen werden. Die Gesamtzahl der gefahrenen Scans reduzierte sich auf einen
Planungsscan und einen Kontrollscan, bei bereits finaler Position der Nadel. Lediglich bei einer Intervention
wurde während des Nadelvorschubs ein weiterer Kontrollscan zur Sicherheit durchgeführt. Somit konnte die
Anzahl der Kontrollscans während der Intervention im Vergleich zum konventionellen Vorgehen ohne
Navigation deutlich reduziert werden.
Mit Hilfe des Planungsmoduls war es möglich auch komplexe doppelt schräge Zugangswege in einer
vergleichbaren Interventionszeit umzusetzen, wie bei einfachen Zugangswegen innerhalb einer Schicht. Die
gesamte Navigation (Ausrichten der Nadel und Nadelvorschub zur Zielposition) war bei allen Interventionen in
weniger als 3 Minuten abgeschlossen.
Diskussion
Die vorgestellte Navigationsmethode mit elektromagnetischem Tracking (EMT) eignet sich besonders für
minimal-invasive Interventionen in der interventionellen Radiologie. Standard Biopsienadeln mit einem
Durchmesser von 11 – 18G und einer Länge von 50 mm – 200 mm können heutzutage problemlos mit einer
trackbaren Spule in der Spitze ausgerüstet werden. Auch spezielle Nadeln für Vertebroplastien oder
Knochenbiopsien kommen zum Einsatz.
Aufgrund der Tatsache, dass das elektromagnetische Trackingsystem im Gegensatz zum optisch arbeitenden
Navigationssystem keinen direkten Sichtkontakt zum Navigationswerkzeug (Nadel) benötigt, kann es
unkompliziert direkt in die Bildgebungsmodalität integriert werden (z.B. angebracht unter dem Tisch). Über die
DICOM-Schnittstelle können die Navigationssysteme an verschiedene Bildgebungsmodalitäten wie CT oder CArm Systeme mit CT Option problemlos über das LAN Netzwerk angeschlossen werden.
Erste klinische Einsätze zeigten, dass eine Vielzahl von Interventionen sicher und präzise durchgeführt werden
können. Besonders die Interventionszeit und die Strahlenbelastung lassen sich mit einem solchen
Navigationssystem weiter reduzieren.