Bildbasierte Weichgeweberegistrierung in der Laparoskopie
Creators: name: Reichard, Daniel
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2018
Subjects: Endoskopie
Computergestützte Chirurgie
Weichgeweberegistrierung
Endoskopische Bildrekonstruktion
Medizinische Bildgebung

description: Die minimal-invasive Chirurgie bietet viele Vorteile für den Patienten. 
Durch die Reduzierung des Operationstraumas und der damit beschleunigten Rekonvaleszenz des Patienten können zudem die Zeit der stationären Behandlung und damit auch die Kosten für das Gesundheitssystem reduziert werden.
Dem gegenüber steht die höhere Belastung der Chirurgen während der Operation. Erst nach jahrelangem Training sind Ärzte in der Lage, die Herausforderungen dieser speziellen Operationstechnik zu meistern. Um Chirurgen bei dieser schwierigen Aufgabe zu unterstützen, wurden in den letzten Jahren durch die Verfügbarkeit von neuen Technologien verstärkt computergestützte Assistenzsysteme entwickelt. 

Während beispielsweise in der Neurochirurgie schon kommerzielle Assistenzsysteme existieren, gibt es in der Laparoskopie ein großes ungelöstes Problem: die Weichgeweberegistrierung. Um die detaillierten Organmodelle aus präoperativen Planungsdaten (bspw. aus der Computertomografie) während der Operation nutzen zu können, müssen diese an die Position, Ausrichtung und Form des intraoperativen Organs angeglichen werden. Diese nicht-rigide Anpassung des Modells wird als Weichgeweberegistrierung bezeichnet. Dabei werden die Verschiebungen und Deformationen der Organe des Patienten sowohl durch zuvor verursache Änderungen, wie der Lagerung des Patienten oder dem Anlegen des Pneumoperitoneums (Füllen und Aufblähen des Bauchraums mit CO$_2$-Gas), als auch durch dynamische Ereignisse während der Operation, wie der Atmung des Patienten oder Manipulationen der chirurgischen Instrumente, verursacht. 
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die verschiedenen Bestandteile und Schritte für die laparoskopischen Weichgeweberegistrierung untersucht.

Zur Erzeugung von intraoperativen 3D-Modellen wurde ein auf Convolutional Neuronalen Netzen basiertes Stereorekonstruktionsverfahren entwickelt, welches Disparitäten endoskopischer Bilddaten durch das Training mit domänenspezifischen Trainingsdaten bestimmt. Da für endoskopische Bilddaten nur sehr schwer eine Referenz für die Tiefendaten bestimmt werden kann, wurde ein mehrstufiger Trainingsprozess entwickelt. Aufgrund der speziellen Endoskop-Optik und den Eigenheiten dieser Bildgebung, bspw. Glanzlichter und texturarme, kantenfreie Oberflächen, sind endoskopische Trainingsdaten jedoch unverzichtbar, um bestmögliche Resultate zu erzielen. Hierzu wurden einerseits virtuelle Stereobilder von endoskopischen Simulationen erzeugt, andererseits wurden vorhandene reale Aufnahmen genutzt, um daraus durch die Erkennung von Landmarken, vollautomatisch dünnbesetzte Referenzkarten zu erzeugen. Das Verfahren wurde mit einem öffentlichen Datensatz evaluiert und konnte eine hohe Genauigkeit bei geringer Laufzeit demonstrieren.

Für den eigentlichen Registrierungsprozess wurde ein zweistufiges Verfahren entwickelt. Im ersten Schritt wird zu Beginn der Operation eine initiale Weichgeweberegistrierung durchgeführt. Da die Verschiebungen, Rotationen und Deformationen zwischen präoperativer Aufnahme und Operation sehr groß sein können, ist hier ein möglichst umfangreiches intraoperatives Modell des betrachteten Organs wünschenswert. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Mosaikverfahren kann ein globales Oberflächenmodell aus mehreren Rekonstruktionsfragmenten der einzelnen Aufnahmen erzeugt werden. Die Evaluation zeigt eine starke Verringerung des Registrierungsfehlers, im Vergleich zur Nutzung von einzelnen Oberflächenfragmenten.

Um dynamische Deformationen während der Operation auf das präoperative Modell zu übertragen, wurde ein Verfahren zur dynamischen Registrierung entwickelt. Dabei werden die präoperativen Daten durch ein biomechanisches Modell repräsentiert. Dieses Modell wird durch die Projektion in das aktuelle Kamerabild mit den Punkten der intraoperativen 3D-Rekonstruktion verknüpft. Diese Verknüpfungen dienen anschließend als Randbedingungen für eine FEM-Simulation, die das biomechanische Modell in jedem Zeitschritt an das intraoperative Organ anpasst. In einer in silico Evaluation und einem ersten Tierversuch konnte das Verfahren vielversprechende Ergebnisse vorweisen.

Neben den eigentlichen Verfahren zur Weichgeweberegistrierung ist auch deren Evaluation von Bedeutung. Hier zeigt sich, dass künstliche Organmodelle ein wichtiges Bindeglied zwischen Simulationen und Tierversuchen darstellen. Für die Evaluation von Registrierungsalgorithmen sind vor allem die mechanischen Eigenschaften des Organmodells von Bedeutung. Der Guss von Silikonorganen ist einfach und kostengünstig, hat aufgrund des verwendeten Silikons allerdings den Nachteil, dass die Modelle deutlich härter als vergleichbares Weichgewebe sind. Um ein weiches Organmodell zu erstellen und gleichzeitig die Vorteile des Silikongusses beizubehalten, wurde in dieser Arbeit ein spezielles 3D-Druckverfahren erforscht. Dabei wird ein Negativgussmodell des Organs aus wasserlöslichem Material mit einem 3D-Drucker hergestellt. Die Besonderheit ist eine Gitterstruktur, die sich durch das ganze Gussmodell zieht. Nach dem Einfüllen und Aushärten des Silikons kann die Gussform mitsamt der innen liegenden Gitterstruktur aufgelöst werden. Dadurch entstehen überall im Silikonmodell kleine Hohlräume, welche die Struktur des Modells schwächen. In dem die Gitterstruktur vor dem Druckprozess angepasst wird kann der Härtegrad des späteren Modells in einem Rahmen von 30-100% des Silikon-Vollmodells eingestellt werden. Mechanische Experimente konnten die zuvor in der Simulation berechneten Kennwerte bestätigen.