Del, , Google Plus, Pinterest,

Print

Posted in:

Navigasjonsteknologi blir benyttet innenfor stadig flere kliniske områder

Denne artikkelen gir en innføring i hva navigasjonssystemer er og en kort oversikt over teknologisk forskning og metodeutvikling innenfor ulike kliniske områder.

Navigasjonsteknologi brukes i dag innenfor noen kirurgiske områder som nevrokirurgi og ortopedi. Innenfor andre områder er behovene tilstede men erfaringene sparsomme og begrenset til forskningsmiljøenes kompetanse fordi det enda ikke finnes kommersielle løsninger. Ett av disse forskningsmiljøene er Nasjonalt kompetansesenter for ultralyd og bildeveiledet behandling i Trondheim som er et tverrfaglig samarbeid mellom St. Olavs Hospital, NTNU og SINTEF. Senteret har fokus på bred klinisk og medisinsk teknologisk forskning, kompetanseutvikling- og spredning innen feltet ultralyd og bildeveiledet behandling. Denne artikkelen gir en innføring i hva navigasjonssystemer er og en kort oversikt over teknologisk forskning og metodeutvikling innenfor ulike kliniske områder.

 

Figur 1: Sporing av kirurgiske verktøy. A) Navigasjonssystem med optisk og magnetisk sporing montert. B) Ulike instrumenter med optisk sporing. C) Laparoskopisk ultralyd-probe med elektromagnetisk sporingssensor vist ved siden av. D) Pasientreferansesensor festet til operasjonsbordet og optisk laparoskopisk peker i bruk under laparoskopi. E) Bronkoskop med elektromagnetisk sensor gjennom arbeidskanal for navigert bronkoskopi. F) Elektromagnetisk feltgenerator som danner feltet slik at man kan spore sensorer på tuppen av instrumenter inni kroppen.

 

Hvorfor ta i bruk navigasjonsteknologi?

Navigasjonsteknologi sikrer nøyaktig kirurgisk instrumentering ved hjelp av bildeinformasjon. GPS-baserte navigasjonssystemer er integrert i mange moderne mobiltelefoner og biler i dag. Posisjonen markeres i et kart, og forenkler GPS-brukerens vei til ønsket lokasjon. Tilsvarende prinsipp brukes for navigasjonssystemer i operasjonsstuene. Posisjonen til kirurgiske instrument blir markert i medisinske bilder av pasienten. Sammenfall mellom bildene og pasientens anatomi, bidrar til at instrumenter i kroppen når målet med høy presisjon og er skånsomt mot normalt vev. Dette muliggjør minimal-invasiv kirurgi med høy presisjon på en sikrere måte enn ved åpen metodikk.

 

Navigasjonsteknologi – noen begreper

Posisjoneringsteknologi:

Navigasjon i kirurgi krever et system som kan måle posisjonen til alle kirurgiske instrumenter som CUSA, pekere, laparoskopiske instrumenter, biopsitang, katetre og pekere (fig 1). I tillegg registreres pasientens posisjon og evt. posisjon til avbildningssystemet, som ultralyd-prober for intraoperativ avbildning, mikroskop og endoskop. Det finnes ulike posisjoneringssystemer. Det mest vanlige brukt i kirurgisk sammenheng er optiske systemer som måler posisjonen ved hjelp av reflektert lys fra kuler plassert på de ulike instrumentene (figur 1) eller utsendt lys fra aktive dioder som plasseres på instrumentene [1]. Optiske systemer forutsetter fast og rigid sammenheng mellom posisjonssensor og tupp av instrument som man ønsker å se posisjonen av, i tillegg til fri sikt mellom sensor på instrument og kamera som skal måle reflektert/utsendt lys. Ved bruk av ikke-rigide instrumenter som fleksible endoskoper, ultralyd-prober og katetre, kan magnetiske posisjonssensorer være en mulighet [2]. Posisjonsmåling i disse systemene oppnås ved at det induseres små strømmer i spoler plassert i tuppen på instrumentene når disse befinner seg i et elektromagnetisk felt (fig 1). Fordelen med disse systemene er at man kan måle posisjoner inne i kroppen uten at posisjonssensoren er synlig. En tredje posisjoneringsmulighet er bruk av mekaniske systemer som ofte brukes i robot-teknologi.

 

Figur 2: Generisk arbeidsflyt og bilde-til-pasient registrering.

 

Registrering av bilder til pasient:

Navigasjon kan gjøres med radiologiske bilder tatt før operasjon, eller med bilder som tas underveis i inngrepet. Preoperative bilder til navigasjon krever at bildene er samstemte med pasienten på operasjonsbordet (figur 2). Preoperative bilder, som f.eks. ulike CT og MR- bilder (funksjonell MRI, MR-angio etc.) må registreres til pasienten og/eller til hverandre før man kan bruke dem til navigasjon. Dette kalles pasientregistrering, og sammenholder “billedrommet” og “det fysiske” rommet der pasienten er. Pasientregistrering samordner spesifikke punkter på pasienten med tilsvarende punkter i bildene (f.eks. ved bruk av fiducial/markører som festes til pasienten før preoperativ avbildning, eller spesifikke landemerker, [3]) eller ved bruk av overflater på pasienten (funnet ved hjelp av peker eller lys [4, 5]) som sammenholdes med tilsvarende overflater i bildene (overflateregistrering). Sammenhold av bilder til hverandre kalles bilde-til-bilderegistrering. I tillegg til de overnevnte metoder kan man også bruke informasjon i selve bildene for å registrere dem til hverandre (f.eks. karstrukturer, [6]). Når bilder er tilordnet pasient og navigasjonssystem, kan de brukes for å veilede kirurgiske instrumenter inn i kroppen på en intuitiv og enkel måte.

 

Anatomiske skift og bevegelse av organer:

Bruk av statiske preoperative bilder og navigasjon til å veilede kirurgi kan være et godt verktøy så lenge anatomien ikke endrer seg. Gjennom behandlingsforløpet vil det som regel bli endringer, både fordi celler og vev fjernes og fordi organer blir flyttet på av kirurgen, og kartet (preoperativ MR eller CT) stemmer ikke lenger med terrenget (pasienten) [7]. Den vanligste måten å løse dette på er å benytte intraoperativ avbildning slik at man oppdaterer kartet og kirurgen får nye bilder for navigasjon. Både MR, CT og ultralyd er aktuelle radiologiske teknikker for å ta opp nye bilder underveis [6]. I noen intraoperative avbildningsystemer, med innebygget navigasjon, vil bildene automatisk bli tatt opp i samme romlige system som navigasjonen finner sted. Dette gjelder for eksempel ultralydbaserte navigasjonssystemer og intraoperative MR-systemer. Videre kan en detektere bevegelsen av organer (fig 3) og korrigere preoperative bilder, i overensstemmelse med pasientens anatomi underveis. Dette er prøvet ut ved lungebronkoskopi og nevrokirurgiske operasjoner. Hvis det er viktig informasjon i bilder tatt opp før operasjonen som man ønsker å benytte, f.eks. funksjonell MRI, kan man ved hjelp av intraoperativ avbildning måle det såkalte brain shiftet og oppdatere fMRI dataene, slik at de funksjonelle områdene blir riktig visualisert i det oppdaterte kartet [8]. Ofte kan preoperative bilder uansett være nyttige i kombinasjon med navigasjon, både for planlegging rett før inngrepet og for å sikre tilstrekkelig oversikt underveis i prosedyren.

 

Figur 3: Anatomiske skift. A) Skift mellom 3D Ultralyd og MR under en nevrokirurgisk tumor reseksjon. B) Skift mellom 3D Ultralyd og CT i forbindelse med en leveroperasjon.

 

Visualiseringsteknikker i navigasjon:

Det finnes mange ulike måter å vise frem bilder på [5, 9]. Det mest vanlige er ortogonale snitt (aksialt, sagittalt og koronalt, fig 4A). Det er også mulig å vise todimensjonale bilder (2D) i vilkårlig orientering fra et tredimensjonalt(3D) bildevolum. Det er instrumentets posisjon som styrer hvilke bilder som vises på skjermen i et navigasjonssystem. Ofte kan det være nyttig å benytte visualiseringsteknikker der bildene er parallelle med instrumentet, såkalt anyplane visualisering (fig 4B).

Har man 3D-volumer kan man også vise frem bilder i 3D for å få mer oversikt (volum og overflate visualisering, fig 4). Kombinering av informasjon fra ulike billedemodaliteter, såkalt multimodal avbildning, er også blitt mer vanlig. Ved å integrere informasjon fra kamera, endoskoper og mikroskoper med radiologisk bildeinformasjon kan man ved hjelp av augmented reality-teknologi projiserer det som ligger under overflaten av organene ned på pasienten [5].

 

Figur 4: Ulike display-teknikker brukt i forbindelse med bildeveiledet kirurgisk navigasjon. A) Pekerstyrt ortogonal slicing (høyre kolonne) og volum rendering av hode. B) Ultralydstyrt oblique anyplane slicing (høyre kolonne) og overflate rendering av kar-treet i hodet. Real-time 2D ultralyd er vist i øvre høyre hjørne.

 

Bruk av navigasjonsteknologi krever kunnskap og kompetanse

Navigasjonsteknologi gjør pasientbehandlingen sikrere og mer skånsom. Innføring av minimal-invasive teknikker forkorter også liggetiden. Samtidig vet vi at feil bruk av medisinsk-teknisk utstyr er en utfordring. Tilstrekkelig kompetanse og opplæring som sikrer riktig bruk av utstyr er en forutsetning for bedre pasientbehandling og øket kostnad/nytte. Nøyaktigheten til et navigasjonssystem sier noe om hvor god overensstemmelse det er mellom posisjonen til det kirurgiske instrumentet som føres inn i kroppen, bildene som vises på skjermen og pasientens anatomi. I en optimal setting vil mange av de navigasjonssystemene som benyttes ha en nøyaktighet ned mot 1 mm. Klinikere må imidlertid opparbeide kunnskap om den praktiske nøyaktigheten til det spesifikke system som skal benyttes og hva som kan være grunnlag for avvik fra denne i den gitte situasjon. Det er mange kilder som gjør at den praktiske nøyaktigheten på operasjonsstuen kan bli endret. Dette kan være unøyaktighet i selve posisjoneringssystemet, unøyaktig registrering mellom pasient og bilder og mellom ulike bilder eller endring og bevegelse av organer som gjør at kartet ikke lenger stemmer med anatomien (terrenget). Ved bruk av preoperative bilder for planlegging og bildeveiledet behandling, vil evt. unøyaktigheter underveis i operasjonen i stor grad være knyttet til behov for oppdatering av bildeinformasjonen. Bruk av intraoperativ avbildning vil derfor bidra til mer nøyaktig bildeveiledet behandling. I de senere år har 3D-ultralyd blitt mer benyttet til å oppdatere kartet for navigasjon. Dette betyr at man kan navigere instrumenter inn i hjernen med millimeters nøyaktighet  [10].

 

Erfaringer innenfor ulike kliniske områder

Nevrokirurgi – intraoperativ ultralyd og navigasjon:

Flere kommersielle løsninger integrerer navigasjonsteknologi og ultralyd avbildning ved hjernekirurgi. Selskapet Sonowand AS i Trondheim leverer den løsningen som per i dag trolig har den mest sømløse integrasjonen mellom et navigasjonssystem og ultralydavbildning. Teknologien er i hovedsak tatt i bruk i forbindelse med operasjon av intracerebrale hjernesvulster.  Klinikerne og teknologene i kompetansesenteret utvikler nye konsepter for bildeveiledet behandling innen andre nevrokirurgiske inngrep. Et eksempel er operasjon av hypofysesvulster med transspheniodal tilgang (figur 5B). Den kliniske problemstillingen innebærer at det kan være vanskelig for kirurgen å bedømme om det kan stå igjen restsvulst, samt at det er viktig å ha kontroll over lokaliseringen til kritisk anatomi som a. carotis interna og synsnerver. Kompetansesenteret utvikler ultralyd-prober som benyttes i kombinasjon med navigasjonsteknologi for intrasellær ultralyd-avbildning, med den hensikt å se etter gjenstående svulstvev, avbildning av anatomi som synsnerver og avbildning av blodstrømning med ultralyd Power Doppler [11]. Kompetansesenteret har, også gjennom deltakelse i et prosjekt finansiert av Forskningsrådets BIA-program, deltatt i utviklingen av en ultralyd-probe som egner seg for avbildning av små hypofysesvulster (mikroadenom). I dette prosjektet er Sonowand AS industriell partner, og det forventes at teknologien vil bli kommersielt tilgjengelig innen relativt kort tid.

 

Figur 5: Kliniske applikasjoner. A) Laparoskopisk navigasjon (optisk sporing). B) Nevrokirurgisk reseksjon av en hypofysesvulst. C) Lunge navigasjon i forbindelse med griseforsøk (magnetisk sporing). D) Endovaskulær navigasjon i forbindelse med kateterinnsetting.

 

Endovasculære prosedyrer – kateter navigasjon:

Endovaskulære prosedyrer veiledes i stor grad med CT uten direkte bruk av navigasjonsteknologi. Utviklingen innenfor avbildningsteknologi åpner for mer bruk av bildestyrte prosedyrer. Eksempler på slik teknologi er ConeBeam CT og hybrid intervensjonsstue-løsninger som Siemens Artis [Siemens Healthcare ] og Phillips FlexMove [Phillips Healthcare] leverer. Disse løsningene kan gi 3DCT-avbildning av pasienten før og underveis i prosedyrer. Fortsatt er imidlertid 2D-avbildning med fluoroskopi den mest benyttede avbildningsmetoden under kar-intervensjoner. Ved å benytte navigasjonsteknologi der kateter med posisjonssensorer anvendes, kan man veilede innsettingen ved hjelp av bilder som viser hvor kateter er i forhold til kar-avganger og øvrig anatomi (figur 5D). Potensialet er bedre kontroll på posisjonering av stentgraft proteser og kvalitetskontroll underveis i prosedyren. Teknologien vil også kunne redusere stråledosen til pasient og helsepersonell og begrense kontrastbelastningen for pasientene [12-15]. Forskningsaktiviteten på dette området begynner nå å resultere i kommersielle produkt
r. Navigasjonssystemer for ultralydveiledet perkutant nåleinnstikk er nå tilgjengelig på markedet. Siemens iGuide CAPPA [Siemens Healthcare] og Phillips PercuNav [Phillips Healthcare] er et par eksempler på slike systemer. Disse vil forenkle prosedyrer som frem til nå har vært avhengig av CT-veiledning i dedikerte intervensjonsstuer.

 

Laparoskopisk kirurgi:

Navigasjonsteknologien gir gastrokirurgene muligheten til å se bak overflatene av organer under laparoskopiske inngrep (figur 5A). Kirurgen kan styre visualiseringen av de preoperative bildene (MR, CT) ved hjelp av det endoskopiske kameraet. Kameraet har posisjonssensor slik at systemet vet hvor det er plassert og retningen det ser, inne i pasienten. Kirurgene kan under inngrepet vri og vende på disse 3D-kartene og forstørre og forminske etter behov (detaljer eller oversikt). Videre forskning innen laparoskopi fokuseres rundt integrasjon av ultralyd som intraoperativ avbildningsmodalitet for å kunne oppdatere kartene underveis i inngrepet og/eller navigere direkte ved hjelp av ultralydbildene (2D eller 3D). Videre vil de intraoperative ultralydbildene kunne gi flere detaljer omkring svulsten som f.eks. blodstrøm og elastografi. I tillegg jobber vi også med å utvikle nye ultralyd-prober som er bedre tilpasset laparoskopi og robotkirurgi med daVinci systemet.

 

Lungebronkoskopi:

Tradisjonelt fører størrelsen på bronkoskopet til begrensninger i hvor dypt det kan innføres i luftveiene. Dette vanskeliggjør biopsi av perifere tumorer, og gir en suksessrate ned mot 15-20% i de vanskeligste tilfellene [16]. Posisjoneringsteknologi kan øke suksessraten samt begrense stråling ved redusert bruk av fluoroskopi. Navigasjonssystemet baseres på magnetiske posisjoneringssensorer plassert i tuppen av bronkoskopet og biopsiredskapen, mens  ”navigasjonskartet” er preoperative CT-bilder (figur 5C). Bildene registreres til pasientanatomi ved å sammenholde luftveiene i CT-bildene med veien bronkoskopet tilbakelegger. Målet er at denne registreringen skal utføres helt automatisk. Navigasjonsnøyaktigheten begrenses av bevegelsen i lungene grunnet pustebevegelser, puls og forflytninger av lungevevet forårsaket av bronkoskopet. Forbedringspotensial finnes i kontinuerlig oppdatering av registreringen og kompensasjon for bevegelsesrelatert unøyaktighet. I tillegg jobber vi med å forbedre styrbarheten til biopsiredskapen for bedret navigasjon til ønsket mål.

 

Litteratur

  1. J. B. West and C. R. Maurer, Jr., “Designing optically tracked instruments for image-guided surgery,” IEEE Trans Med Imaging, vol. 23, pp. 533-45, May 2004.
  2. W. Birkfellner, F. Watzinger, F. Wanschitz, G. Enislidis, C. Kollmann, D. Rafolt, R. Nowotny, R. Ewers, and H. Bergmann, “Systematic distortions in magnetic position digitizers,” Med Phys, vol. 25, pp. 2242-8, Nov 1998.
  3. P. A. Woerdeman, P. W. Willems, H. J. Noordmans, and J. W. Berkelbach van der Sprenkel, “The effect of repetitive manual fiducial localization on target localization in image space,” Neurosurgery, vol. 60, pp. ONS100-3; discussion ONS103-4, Feb 2007.
  4. R. R. Shamir, M. Freiman, L. Joskowicz, S. Spektor, and Y. Shoshan, “Surface-based facial scan registration in neuronavigation procedures: a clinical study,” J Neurosurg, vol. 111, pp. 1201-6, Dec 2009.
  5. T. Lango, G. A. Tangen, R. Marvik, B. Ystgaard, Y. Yavuz, J. H. Kaspersen, O. V. Solberg, and T. A. Hernes, “Navigation in laparoscopy–prototype research platform for improved image-guided surgery,” Minim Invasive Ther Allied Technol, vol. 17, pp. 17-33, 2008.
  6. I. Reinertsen, F. Lindseth, G. Unsgaard, and D. L. Collins, “Clinical validation of vessel-based registration for correction of brain-shift,” Med Image Anal, vol. 11, pp. 673-84, Dec 2007.
  7. A. Nabavi, P. M. Black, D. T. Gering, C. F. Westin, V. Mehta, R. S. Pergolizzi, Jr., M. Ferrant, S. K. Warfield, N. Hata, R. B. Schwartz, W. M. Wells, 3rd, R. Kikinis, and F. A. Jolesz, “Serial intraoperative magnetic resonance imaging of brain shift,” Neurosurgery, vol. 48, pp. 787-97; discussion 797-8, Apr 2001.
  8. I. A. Rasmussen, Jr., F. Lindseth, O. M. Rygh, E. M. Berntsen, T. Selbekk, J. Xu, T. A. Nagelhus Hernes, E. Harg, A. Haberg, and G. Unsgaard, “Functional neuronavigation combined with intra-operative 3D ultrasound: initial experiences during surgical resections close to eloquent brain areas and future directions in automatic brain shift compensation of preoperative data,” Acta Neurochir (Wien), vol. 149, pp. 365-78, 2007.
  9. F. Lindseth, J. H. Kaspersen, S. Ommedal, T. Lango, J. Bang, J. Hokland, G. Unsgaard, and T. A. Hernes, “Multimodal image fusion in ultrasound-based neuronavigation: improving overview and interpretation by integrating preoperative MRI with intraoperative 3D ultrasound,” Comput Aided Surg, vol. 8, pp. 49-69, 2003.
  10. F. Lindseth, T. Lango, J. Bang, and T. A. Nagelhus Hernes, “Accuracy evaluation of a 3D ultrasound-based neuronavigation system,” Comput Aided Surg, vol. 7, pp. 197-222, 2002.
  11. O. Solheim, T. Selbekk, L. Lovstakken, G. A. Tangen, O. V. Solberg, T. F. Johansen, J. Cappelen, and G. Unsgard, “Intrasellar ultrasound in transsphenoidal surgery: a novel technique,” Neurosurgery, vol. 66, pp. 173-85; discussion 185-6, Jan 2010.
  12. N. Abi-Jaoudeh, N. Glossop, M. Dake, W. F. Pritchard, A. Chiesa, M. R. Dreher, T. Tang, J. W. Karanian, and B. J. Wood, “Electromagnetic navigation for thoracic aortic stent-graft deployment: a pilot study in swine,” J Vasc Interv Radiol, vol. 21, pp. 888-95, Jun 2010.
  13. F. Manstad-Hulaas, G. A. Tangen, T. Dahl, T. A. Hernes, and P. Aadahl, “Three-dimensional electromagnetic navigation vs. fluoroscopy for endovascular aneurysm repair: a prospective feasibility study in patients,” J Endovasc Ther, vol. 19, pp. 70-8, Feb 2012.
  14. F. Manstad-Hulaas, G. A. Tangen, S. Demirci, M. Pfister, S. Lydersen, and T. A. Nagelhus Hernes, “Endovascular image-guided navigation: validation of two volume-volume registration algorithms,” Minim Invasive Ther Allied Technol, vol. 20, pp. 282-9, Sep 2011.
  15. F. Manstad-Hulaas, G. A. Tangen, L. G. Gruionu, P. Aadahl, and T. A. Hernes, “Three-dimensional endovascular navigation with electromagnetic tracking: ex vivo and in vivo accuracy,” J Endovasc Ther, vol. 18, pp. 230-40, Apr 2011.
  16. E. Edell and D. Krier-Morrow, “Navigational bronchoscopy: overview of technology and practical considerations–new Current Procedural Terminology codes effective 2010,” Chest, vol. 137, pp. 450-4, Feb 2010.