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MCI MANAGEMENT CENTER INNSBRUCK, 18. Oktober 2015
ROBOTERBASIERTE NADELORIENTIERUNG IN DER RADIOFREQUENZABLATION Thomas Gabloner, Michael Marek 1. EINLEITUNG Die Radiofrequenzablation (RFA) ist eine mikroinvasive Methode zur Behandlung von Tumoren auf Basis der Zerstörung von Gewebe durch Zuführung von thermischer Energie [1]. Hochfrequenter Wechselstrom erhitzt den Tumor über eine oder mehrere nadelförmige Elektroden auf bis zu 100°C. Eine genaue Positionierung der Elektrode ist essentiell für die vollständige Zerstörung des Tumors und Schonung des gesunden Gewebes [2]. An der „Medizinischen Universität Innsbruck“ werden die Positionen aller verwendeten Geräte, sowie des Patienten selbst über ein globales Navigationssystem im Operationssaal erfasst. Dies ermöglicht es Positionierdaten der Elektroden aus der Operationsplanung während des Eingriffs zu visualisieren (Abb. 1).
Orientierung der Nadel mit einer Genauigkeit von 0,5° bei einer gleichzeitigen Reduktion der Strahlenbelastung zu erreichen. Außerdem musste ein sicherer Prozess gewährleistet werden, von dem keine Gefährdung für den Patienten und Bediener ausgeht. Die gesamte Aufgabe umfasste daher die Entwicklung eines Bildverarbeitungsalgorithmus, sowie den Entwurf eines digitalen Reglers, eingebettet in einem geschlossenen Regelkreis. 3. MATERIALIEN UND METHODEN Aufgrund rechtlicher Auflagen zur Betreibung eines Röntgen-Bogens wurde dieser an einem Teststand durch ein zueinander kalibriertes Kamerasystem und eine dafür entwickelte Nadelaufnahme ersetzt (Abb. 4).
Abb. 1: Patient im Operationssaal und Operationsplanung Die Positionierung der Elektroden erfolgte bisher durch ein manuell angesteuertes Robotersystem (Abb. 2) [3] unter kontinuierlichem visuellen Feedback mittels Marker in einer Röntgenaufnahme (Abb. 3). Dabei ermöglichen 2 metallische Ringe in der Nadelaufnahme entlang ihrer Achse die Detektion der Nadelorientierung mithilfe eines parallel zur Zielachse ausgerichteten Röntgen-Bogens. Die gewünschte Nadelachse wird folglich als grüner Punkt im Röntgenbild dargestellt.
Abb. 4: Konzept der Realisierung im Operationssaal 4. PRAKTISCHE DURCHFÜHRUNG Der in Matlab entwickelte Bildverarbeitungs- und Regelungsalgorithmus ermöglicht eine automatisierte Erfassung und Kompensation der Roboterorientierung in Bezug auf die Röntgenbild-Ebene. Die Betätigung eines Tasters genügt, um die Nadelachse entsprechend der Operationsplanung automatisch auszurichten und dabei einen sicheren Prozess zu gewährleisten. 5. ERGEBNISSE
Abb. 2: iSYS1 Robotersystem zur Nadelpositionierung
Abb. 3: Manuelle Nadelausrichtung mittels Röntgenaufnahme Die Dauer der Nadelpositionierung ist abhängig von der Erfahrung und Übung des Chirurgen und kann daher stark variieren. Dabei ist der Patient permanent der Strahlenbelastung des C-Bogen Röntgengerätes ausgesetzt. Eine Automatisierung der Nadelausrichtung mithilfe von Regelund Bildverarbeitungsalgorithmen hat das Potential die Effizienz der Behandlung zu steigern und die Strahlenbelastung zu minimieren. 2. PROBLEM- UND AUFGABENSTELLUNG Ziel der vorliegenden Arbeit war es, unter Verwendung der Vorort vorhandenen Komponenten, eine automatisierte
Mithilfe der entwickelten Algorithmen war es möglich die Netto-Ausrichtungsdauer der Elektrode von 21,2 s auf durchschnittlich 4,8 s zu reduzieren. Außerdem ergaben Funktionstests eine Positioniergenauigkeit von 0,07 mm ± 0,03 mm, was einer Orientierungsgenauigkeit von 0,10° ± 0,04° entspricht und im Vergleich zur manuellen Ansteuerung eine Erhöhung der Genauigkeit um den Faktor 10 ergibt. Besonders erwähnenswert ist die Tatsache, dass nur vier einzeln erfasste Bilder zur Positionsregelung nötig sind. Diese Ergebnisse ermöglichen eine deutliche Reduktion der Strahlenbelastung und eine signifikante Effizienzsteigerung im Operationsbetrieb. 6. LITERATURVERZEICHNIS [1] Bale, R., 2007 “Tumor ‚verkochen’- schonend und vielversprechend”, Ärzte Krone [2] Bale, R.; et al., 2011. “Percutaneous stereotactic radiofrequency ablation of colorectal liver metastases”, Springer, European Society of Radiology [3] Vogele, M., 2011 “Punktgenaue Behandlung gegen Leberkrebs”, Chemiereport
