Zahlreiche chirurgische Eingriffe werden heutzutage durch den Einsatz intraoperativer Navigationssysteme unterstützt. In diesen Systemen wird die Position eines medizinischen Instruments präzise bezüglich der mittels Bildgebungstechniken erfassten anatomischen Strukturen des Patienten - z.B. in einem Computertomographie-Datensatz (CT) oder einem Röntgenbild - verfolgt. Dies erlaubt eine Verbesserung des Operationsresultates bei gleichzeitiger Reduktion der Belastungen durch den Eingriff für den Patienten. Kernpunkt dieser Arbeit ist die Entwicklung und Evaluierung eines für die klinische Anwendung geeigneten Navigationssystems unter Verwendung der intraoperativen Bildgebung eines chirurgischen Bildverstärkersystems (BV) - einer röntgenbasierten Technik, auch Fluoroskop oder C-Bogen genannt - zur Unterstützung von Eingriffen im Bereich der Orthopädie. Aufgrund der speziellen physikalischen Eigenschaften eines Fluoroskops ist eine aufwändige Kalibrierung nötig, um eine präzise Navigation zu ermöglichen. Im ersten Teil der Arbeit werden hierzu tragfähige Lösungsansätze beschrieben. Dies beinhaltet die Evaluierung verschiedener Verfahren zur subpixelgenauen Detektion von Kalibriermarken, zur Bereinigung nichtlinearer Verzeichnungen des BV sowie zur Bestimmung der projektiven Eigenschaften eines C-Bogens. Die Bewertung erfolgt dabei sowohl innerhalb von Simulationen als auch durch reale Daten und berücksichtigt Präzision und Robustheit der Verfahren, insbesondere in Hinblick auf die typischen, während eines Eingriffes in den Röntgenbildern auftretenden Artefakte. Basierend auf dem entwickelten Navigationssystem werden in einem zweiten Teil innovative Konzepte zur Computer-Unterstützung der operativen Behandlung bei aseptischen Knochennekrosen (Morbus Perthes) sowie zur jugendlichen Hüftkopflösung (Epiphysiolis capitis femoris) vorgestellt, zwei Krankheiten die am Hüftkopf lokalisiert sind. In einem abschließenden Teil wird die Erweiterung des Systems für die Integration von präoperativen CT-Datensätzen in die Navigation mittels intensitätsbasierter 2D/3D-Registrierung gezeigt, die auf der numerischen Maximierung der Ähnlichkeit zwischen hardware-beschleunigter Volumen-Darstellungen des CT - in diesem Kontext auch als Digitally Reconstructed Radiographs bekannt - mit den intraoperativ erfassten fluoroskopiebasierten Bildern basiert.
Übersetzte Kurzfassung:
Many surgical interventions are nowadays aided by the application of intraoperative navigation-systems. In such systems the position of a medical instrument is precisely tracked relative to the anatomical structures of the patient that are acquired by medical imaging-techniques – e.g. x-ray images or computed tomography (CT)-datasets. This approach is able to enhance the outcome of the intervention while simultaneously reducing the physical strain for the patient. This work describes the development and evaluation of a navigation-system using a surgical image-intensifier system - an x-ray based technique, also commonly known as fluoroscope or c-arm - for aiding surgical interventions in the field of orthopaedics that is suitable for clinical application. Because of the special physical characteristics of a fluoroscope, an extensive calibration process is required to enable a precise navigation. The first part of this work describes solution approaches to this problem. This includes the evaluation of different methods for subpixel accurate detection of calibration-markers, for equalizing non-linear distortions introduced by the image-intensifier and for the determination of the projective properties of the c-arm system. The evaluation is based on simulations as well as real data with respect to precision and robustness, especially regarding typical imaging artefacts that are occuring during an intervention. Based on the developed navigation-system a second part shows innovative concepts for the computer aided operative treatment of aseptic osteonecrosis (Morbus Perthes) and epiphyseolysis capitis femoris, two deseases located at the femoral head. A final part shows the extension of the system for the integration of preoperative CT-datasets into the navigation by the means of intensity-based 2D/3D registration, which is based on numerical maximization of the similarity between hardware-accelerated volume-renderings of the CT - in this context also known as digitally reconstructed radiographs - with intraoperatively acquired fluoroscopy-based images.
Veröffentlichung:
Universitätsbibliothek der Technischen Universität München
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