Ultraschallbasierte Wirbelsäulennavigation

Die intraoperative Navigation während einer Wirbelsäulenoperation wird üblicherweise mit Röntgenbildern von einem C-ARM-Gerät durchgeführt. Zusätzlich werden invasive Marker an den Knochen des Patienten angebracht, um ein festes Referenzkoordinatensystem für das C-ARM-Gerät zu erhalten, das zur Fusionierung der Röntgenbilder mit einem präoperativen CT oder MRT verwendet werden kann. Darüber hinaus werden diese Fusionsinformationen zur intraoperativen Lokalisierung der Wirbelsäulenknochen für die Bohrung verwendet. Obwohl dieses Verfahren dem neuesten Stand der Technik entspricht, wird es durch die Röntgenstrahlung behindert, der sowohl der Chirurg als auch der Patient ausgesetzt sind, und die Verwendung eines C-ARM benötigt viel Platz, was die Mobilität im Operationssaal einschränkt.
Ultraschall (US) ist im Vergleich zu anderen konventionellen bildgebenden Verfahren wie MRT und CT das billigste, nicht-invasive und leicht transportierbare Verfahren. Diese Vorteile von US motivierten uns, C-ARM-Röntgenbilder durch US-Bilder für die Navigation in einer Wirbelsäulenoperation zu ersetzen. Die suboptimale Qualität von Echtzeit-US-Bildern und Speckle-Rauschmuster erschweren jedoch die Knochenerkennung in US-Bildern im Vergleich zu Röntgenbildern. Um dieses Ziel zu erreichen, schlagen wir eine schnelle, bildbasierte Knochensegmentierung und 2D-3D-Registrierung vor, die mit verfolgten 2D-US-Bildern und präoperativen CT- oder MRT-3D-Volumen arbeitet.
Unser Ansatz reduziert deutlich die intraoperative Strahlenbelastung und den enormen Platzbedarf des C-ARM im Operationssaal.

Ultrasound Based Spinal Navigation

Intra-operative Navigation during a spinal surgery is conventionally carried out using X-Ray images from a C-ARM device. Additionally invasive markers are attached to the patients bone to have a fixed reference coordinate system for the C-ARM, which can be used for fusing the X-Ray images with a pre-operative CT or MRI. Further this fusion information is used to intra-operatively locate the spinal bones for drilling. Even though this procedure is the state of art, it is inhibited by the X-ray radiation exposure to both surgeon and the patient, and using a C-ARM occupies a lot of space which inhibits the mobility inside an operating room.
Ultrasound(US) is the cheapest, non-invasive and easily portable imaging modality compared to other conventional imaging modalities like MRI and CT. These advantages of US motivated us to replace C-ARM X-ray images with US images for navigation in a spinal surgery. However suboptimal quality of real-time US images and speckle noise patterns make bone detection in US images harder compared to X-Ray images. In order to achieve this goal, we propose a fast, image based bone segmentation and 2D-3D registration framework that operates with a tracked 2D US images and preoperative CT or MRI 3D volumes.
Our approach clearly reduces the intra-operative radiation exposure and huge space occupied by C-ARM inside the operating room.