Endoscopy of trabecular bone for intraoperative registration
Medical Physics, Biomedical Technology
Final Report Abstract
Die bisherigen Forschungsarbeiten haben in der Simulation gezeigt, dass eine Registrierung (d.h. ein Zusammenführen von Koordinatensystemen) von linearen Bohrungen in Knochen durch einen Bildvergleich von Knochen-Luft-Mustern an einer Bohrkanaloberfläche möglich ist. Dieser Bildvergleich findet dabei zwischen simulierten Computertomographiedaten und simulierten Endoskopaufnahmen auf Basis von kryo-histologischen Schnitten des humanen Felsenbeins statt. Dabei fanden die im Antrag beschriebenen Methoden des Aufnehmens und Abrollens der Bohrkanaloberfläche Anwendung. Der in der Simulation ermittelte Registrierungsfehler liegt im Bereich der benötigten Genauigkeit für die minimalinvasive Cochleaimplantation. Insgesamt sind drei optische Aufnahmetechniken für die experimentelle Evaluation der linearen Bohrungen im Mastoid untersucht worden. Dabei wurden zwei endoskopische Verfahren entwickelt, eines mit einem 360°-Rundblickendoskop auf Basis eines aufgesteckten Prismas und das andere mit einem kommerziell erhältlichen 90°-Endoskop. Das dritte Verfahren basiert auf der optischen Kohärenztomographie (OCT). Für alle drei Verfahren wurden Stitching- sowie weitere Bildverarbeitungsmethoden entwickelt, damit sichtbare Teilbereiche zu einem Gesamtbild der Innenfläche des Bohrkanals zusammengesetzt werden können. Spezielle Phantome (Knochenersatzmaterialien) wurden für den Test der Methoden erstellt und mit dem Registrierverfahren untersucht. In Experimenten konnte der Registrierfehler an der entscheidenden Engstelle (Recessus Facialis) mit (0.50 ± 0.26) mm bestimmt werden. Weitere Arbeiten innerhalb des Projekts konnten demonstrieren, dass die Methoden der Bohrpfadkorrektur, die potentiell nach der erfolgten Registrierung und Bestimmung der Korrekturpose angewendet werden müssen, funktionieren. Untersuchungen mit humanen Knochenproben (ex-vivo Knochenwirbel und Felsenbeine) wurden durchgeführt und stellen die Grundlage für den vorhandenen Erkenntnisgewinn im Bereich der Veränderung der Mikrostruktur des Knochens durch den Bohrprozess sowie der Realisierbarkeit der endoskopischen Abbildung der gesamten Bohrkanalinnenfläche dar. Die Bildverarbeitung für die endoskopische Aufnahmetechnik, damit Feature automatisch in ausreichender Güte und Anzahl für die Registrierung zur Verfügung stehen, stellt zum aktuellen Zeitpunkt noch eine große Herausforderung dar. Der manuelle Bildvergleich zwischen Endoskopaufnahmen und CT-Daten sowie OCT-Daten zeigt aber die Korrespondenzen. Die prinzipielle Machbarkeit dieser Registrierung kann durch die Vorerfahrungen in Simulation und Phantomexperimenten somit als geglückt angesehen werden. Obwohl der noch verbleibenden Herausforderungen (bis zu einem Produkt für die navigierte Chirurgie) kann die Ausgangsfrage „Lassen sich spongiöse Knochenstrukturen wie Mastoidzellen für eine intraoperative Registrierung mittels endoskopischer Exploration verwenden?“ mit „Ja“ beantwortet werden.
Publications
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(2019) Endoscopic versus volumetric OCT imaging of mastoid bone structure for pose estimation in minimally invasive cochlear implant Radiosurgery. International journal of computer assisted radiology and surgery 14 (S1) 1-194
Laves MH, Latus S, Bergmeier J, Ortmaier T, Kahrs LA, Schlaefer A
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(2015) Towards endoscopic image-to-physical registration of mastoid cells and trabecula. Proc. 14. Jahrestagung für Computer- und Roboterassistierte Chirurgie (CURAC 2015), 43-48, ISBN 978-3-000-50359-7
Bergmeier J, Daentzer D, Noll C, Majdani O, Ortmaier T, Kahrs LA
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(2016) Image-to-physical registration based on endoscopy of a drill hole inside bone. Int. J Comput Assist Radiol Surg. 11(S1): 206-207
Bergmeier J, Daentzer D, Majdani O, Ortmaier T, Kahrs LA
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(2017) Panorama imaging for image-to-physical registration of narrow drill holes inside spongy bones. Proc. SPIE, 2017, vol. 10135, pp. 1013507- 1013507–12
Bergmeier J, Fast JF, Ortmaier T, Kahrs LA
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(2017) Workflow and simulation of image-to-physical registration of holes inside spongy bone. Int. J. Comput. Assist. Radiol. Surg. 12(8): 1425-1437
Bergmeier J, Fitzpatrick JM, Daentzer D, Majdani O, Ortmaier T, Kahrs LA
