Intraoperative endoskopische Registrierung von engen Bohrungen im Mastoid
Creators: name: Bergmeier, Jan Niklas
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2023
Subjects: subject: mastoid
subject: temporal bone
subject: cone optics
subject: image-to-patient registration
subject: cochlear implantation
subject: Mastoid
subject: Felsenbein
subject: Bild-zu-Patient Registrierung
subject: Cochleaimplantation
subject: Kegeloptik
subject: Dewey Decimal Classification::600 | Technik::610 | Medizin, Gesundheit

description: Eine Stichkanalbohrung durch den Mastoid gewährt einen minimalinvasiven Zugang zur Cochlea, verläuft jedoch nahe wichtiger Nervenbahnen im menschlichen Schädel. Gegenüber dem konventionellen Auffräsen von Hand geht dem Chirurgen dabei die unmittelbare Sicht auf Risikostrukturen im Operationsgebiet verloren - der Verlauf der Bohrtrajektorie ist für ihn nicht zu erkennen. Die wichtigen Geschmacks- und Gesichtsnerven werden daher einem erhöhten Verletzungsrisiko ausgesetzt und das Vertrauen von Chirurgen und Patienten in den Eingriff kann beeinträchtigt werden. Eine intraoperative Kontrolle der Bohrtrajektorie ist deshalb wichtig, um einen sicheren Eingriff zu ermöglichen und Vertrauen zu bewahren. Bekannte Methoden zur intraoperativen Lageprüfung, die auf teuren, gesundheitsschädlichen oder im Operationssaal standardmäßig nicht vorhandenen technischen Einrichtungen basieren, werden in dieser Arbeit durch einen endoskopischen Ansatz ersetzt. Die schwammartige Mastoidknochenstruktur, die ein dreidimensionales Muster bietet, wird als Feld aus Merkmalen für eine Registrierung verwendet. Dafür werden in der minimalinvasiven Bohrung intraoperativ 2D-Endoskopaufnahmen erstellt, die mit präoperativen 3D-CT-Daten verglichen werden. Konkret handelt es sich um eine 2D-3D Bild-zu-Patient-Registrierung durch 2D-2D Bild-zu-Bild-Vergleiche. Einzelne Endoskopaufnahmen werden dazu zu einem Panoramabild zusammengefügt. Vergleichbare 2D-Bilder werden aus den 3D-CT-Daten in vielen verschiedenen Bohrkanallagen extrahiert. Je nach Lage unterscheidet sich die Struktur in den CT-Bildern, sodass über den Vergleich des Musters im Endoskopbild (realer Bohrkanal) zu den CT-Bildern (simulierter Bohrkanal) die größte Übereinstimmung und damit die Lage des Bohrkanals bestimmt werden kann. Für eine Vielfalt an sichtbaren Merkmalen ist ein Großteil der Bohrkanaloberfläche aufzuzeichnen. Verschiedene Endoskoptypen führen, in Kombination mit Stitching-Techniken, zu Panoramaaufnahmen der Mastoidstruktur an der Bohrkanaloberfläche. Kommerzielle Optiken werden auf ihre Eignung hin untersucht und eine miniaturisierte Rundblickoptik entwickelt. Die Stitching-Methoden werden speziell an die endoskopischen Bilddaten der verschiedenen Optiken angepasst. Das Vorgehen zur Registrierung wird sowohl simulativ als auch in aufeinander aufbauenden Mastoidphantomen untersucht. Erreichbare Genauigkeiten werden ausgewertet, während die beteiligten Parameter Suchraumdichte, Bohrkanaldurchmesser, Größe des endoskopierten Bereichs und die Auflösung der CT-Daten variiert werden, um deren Einflüsse zu ermitteln. Endoskopische Aufnahmen in Humanpräparaten zeigen den Transfer in die Praxis und die Integration in den Verlauf einer minimalinvasiven Cochleaimplantation. Eine Registrierung ermöglicht sowohl die Kontrolle der Bohrkanallage als auch eine intraoperative Korrektur und kann so eine vom gewünschten Pfad abweichende Bohrung berichtigen.
description: A branch canal drilling through the mastoid provides a minimally invasive access to the cochlea, but passes nearby important nerve tracts in the human skull. Compared to conventional milling by hand, the surgeon loses the immediate view of high-risk structures in the operating area - the course of the drilling trajectory is not visible to him. The important taste and facial nerves are therefore exposed to an increased risk of injury and the confidence of surgeons and patients in the surgical intervention may be impaired. Intraoperative control of the drilling trajectory is therefore important to enable a safe intervention and to maintain confidence. Known methods for intraoperative pose verification, which are based on expensive, harmful or by default non-existent technical equipment in the operating room, are replaced by an endoscopic approach in this thesis. The sponge-like mastoid bone structure, providing a three-dimensional pattern, is used as a field of features for registration. For this purpose, 2D endoscopic images are recorded intraoperatively in the minimally invasive drill hole and compared to preoperative 3D CT data. In concrete terms, this is an 2D-3D image-to-patient registration using 2D-2D image-to-image comparisons. Individual endoscopic images are combined to form a panoramic image. Comparable 2D images are extracted from the 3D CT data in many different drill hole poses. Depending on the pose, the pattern in the CT images differs, so that by comparing the pattern in the endoscope image (real drill hole) to the CT images (simulated drill hole), the best match and thus the position of the drill hole can be determined. For a variety of visible features, a large portion of the drill hole surface must be recorded. Different types of endoscopes in combination with stitching techniques lead to panoramic images of the mastoid structure at the drill hole surface. Commercial optics are investigated for their suitability and a miniaturized panoramic optics is developed. The stitching methods are specially tailored to the endoscopic image data of the different optics. The procedure for the registration is evaluated in simulations as well as in mastoid phantoms that build on one another. Achievable accuracies are evaluated while the parameters involved -- search space density, drill hole diameter, size of the area recorded via endoscope and the resolution of the CT data -- are varied to determine their influences. Endoscopic recordings in human specimens show the transfer into practice and the integration into the procedure of a minimally invasive cochlear implantation. A registration allows for both, the verification of the drill hole pose as well as an intraoperative correction, and can thus correct a drill hole that deviates from the desired path