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cr/MRI-korrelierte Stereometrie mit Ultraschall fiir Himoperationen H. J. Z weifel ', H. F. Reinhardt' , G. A . Horstmann' . E. Amrein' Fachbereich Med izintechnik, Interstaatlich e Ingenieu rschul e Ne u-Technikum Buchs, Buchs/SG Neurochiru rgische Universitatskfinik, Kanton sspital Basel

Cf/MRI Correlated Ultrasonic St ereometry for Braio Surgery Today th e acc uracy of me di cal imaging systems lies betwee n + / - 0.5 mm (CT) an d + / - 2.5 mm (M R I). In neu rosurgery th e overall uncertainty ma y rea ch

the dim ension centimetre s. A non-tactile ultrason ic measurem ent system is de scri bed th at allows three-d imen sion al measurement with a th eoret ical acc uracy of + / - 0.1 mm in a frequen cy ra nge between 50 a nd 70 kH z. In pr actice the acc urac y is better th an + / - I mm with a rep etition rate o f 10 per second fo r the x,y,z-da ta sets.

Keywords

3-dimens iona l ultrasoni c measurem ents Ster eot axy - Ne urosurgery - CT/ M R I-co rrelated stereo me try - Co mp uter aide d su rge ry (C AS)

Einlcitung Die heuti gen bildg ebe nde n Meth od en er reic hen eine ab so lute ra urnliche Aufl osung zwischen + / - 0.5 mm bei d e r Co m p utertomogra ph ie (CT) ( 16) u nd der Digitalen Sub tra ktionsa ng iogra p hie (DS A) und we nigen Mill imetern bei d er Kern sp into mog ra p hie (Ma gne tic Reson an ce Imagin g, MRI ) (8) . M an so lite glaube n, da ll di ese Prazision bei O pe ra tione n am Hirn a uch tatsachlich zur Verfiigun g stiind e. Dies ist jedoch vollurnfa ng lich n ur be i der Stereota xie d er Fa ll, wo a uc h tiefliegen d e intra kra n ielle Zie le mit lan gen Kaniilen millimetergen au erreicht wer de n konnen. Te ilwei se trifft d ies a uch bei o ffenen neu rochirurgisch en Eing riffen zu, wenn sta nda rdisie rte o pe rative Z uga nge oder ko nsta nte a nato mische Leitstru kt ur en vorha nde n sind . Bei Krani otomien im Bereich der Schade lKo nve xita t sind wege n d er unte rschi edlichen Verkippung d es Kopfes bei d er Lagerung im Sca nne r und auf dem Oper at ion stisch ohne zusatzliche O rientierungsh ilfe n leicht Irrtumsrnoglichkeiten bis zu eini gen Ze ntime tern Ultras cha ll in Med. II ( 1990) 72- 75 © G eo rg Thie me Verlag Stutrga rt . New York

Zusammenfassung

Heuti ge bild geb ende Verfahren d er klin ischen Medizin erre iche n eine Hild aufl osung zwischen + / - 0,5 mm (CT) bis 2,5 mm (M RI ). 1m Gegensat z dazu sind in d er neuroch iru rgisch en Praxis intraoperativ Irrturnsrno glichkeit en bis zu einigen Zen timetern moglich. Urn die int eroperati ve Qualitat zu verbes sern, wird der Einsa tz eine r be riihru ngslosen Meflein richtung besch rieben, di e pul sfo rrnigen Ultrascha ll in d er Luft im Frequenzbe reic h zwischen 50-70 kH z ve rwendet. 1m drei d imen sionalen Raum wer de n Distan zen bis zu 2 m mit eine r th eoretisch en Au flos ung vo n 1/ I0 mm, in d er Praxis mit ein er Aufl osung von + / - I mm bei 10 x,y,z-Mes sunge n pro Sek u nde erreicht.

Schlusselworter 3d ime nsio na le Ultrasc ha ll-Vermessung Stereot axie - Ne uroc hiru rgie - CT/ M R I-korrelierte Stereo me trie - Compute rgestiitzte C hiru rgie

rnoglich . Au ch in der Tiefe des G ro fs hir ns ist de r C h irurg zu meist a usschlieillich a uf sein mehr ode r weniger gut en tw icke ltes Schatzu ngsverrnoge n angewiesen. Das Opera tionsmi kros ko p erleic hte rt zwa r d ie Erken nu ng vo n Details, erschwe rt je doch durch das e ngere Gesichtsfeld di e glo ba le Orientierung im Raum . Ko nvent ionell au f Ro ntge nfi lrn kopi erte CT, M RI un d DSA-Bilder. die dem C hirurgen intrao perativ di e O rientie ru ng errnog lichen sollten, sind viel zu klein und han ge n meist meter weit vom O pe rateur e ntfern t. Oft mull zude m de r Leu chtk asten wege n de s sto rend e n Fremd lichte s beim Mik rosko pgeb rau ch gelosch t werde n. Von Leksell (7) un d R iechert und Mundinger ( I I) u. a . wu rde scho n vo r 40 Jahren versucht, mit stereota ktischen Meth od en di e Z ielgena uigkeit a uch bei o ffe ne n Operatio nen a m Hirn zu verbessern . Denn och e rlebte n mec ha nische Zielsysteme - meist in Form halb seitiger Visiere an besteh enden Ste rcotax ic-Ge raten - erst in letzt er Ze it mit den Fo rtschritte n de r Diag nostik eine gewis se Ren aissan ce *. Ansatze, sich d ie opera tiven Zu gan ge

'" Zie lsyste me fur konvent. Neurochirurgie: Leksel! Micro Stereotactic System : Elekta Instrument AB. Stockholm/S : Hitchcock Stereotaxic System : D.P. Medical Systems Ltd.•Wallington . Surrey/G ll : ZD-Neurosu rgical Localizing Unit. F. L. Fischer-MET. Freihurg/D : Komai's Cf' -Stereotact ic Appa ratus, Mizuh o Medical Ltd.. Tokyo/ Ja pa n

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Ultraschall in Med . II (/9 90)

C T/ M Rl-korrelierte S tereome trie mit Ultraschallfiir Hirnoperationen

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Es wird hier der Ansatz beschrieben, sich mit Hilfe der Ultrascha ll-Messung beriihrungslos mit leichten Instrum enten im Hirn a nha nd von CT/ MRl/ DSA zu orientieren und damit Op erationen kleiner tiefliegender Prozesse sicherer und schonende r zu gesta lten. Die Arbeiten werde n durch Zu wendungen des Schweiz. Nationa lfonds ermoglicht. Methoden Verschied en e optische und akustische Mefimethod en eignen sich fiir die beriihrungslose Distan zmessun g in der Klinik. 1m folgend en wird eine Mefseinrichtung beschrieben, die mit pulsformigern Luftultrascha ll (US) 3dimen sional im Bereich bis zu 2 m mit einer theoretischen Auflosun g von I I I0 mm und einer Frequenz zwischen 50-70 kHz arb eitet. Abb.1 Zwei mil Ultraschailiokalisierbare neurochirurgische Instrumente: Zeigewerkzeug zum Anzeichnen operativer Zuqanqe mit2 US-Klickern (obeo) und Dissektor fur die Praparanon vonHirntumoren u a, mit3 US-Klickern (unten).

A (x,V,z)

US-MIK~NE

B (X,y, l)

Ref (x,y,z)

US-R efere nzk l ick er

Lineare , in ihrer Dimension genau definierte Sonden und Werkzeuge erlauben - von autsen gefUhrtMefspunkte im Schadelinnern zu bestimmen (Abb. I). Jede Sonde od er jedes Werkzeu g tragt 2 koaxial angeordnete od er 3 in einer Bezugsebene liegende , punktformige Sender (U S-Klicker lund 2, Abb. 2), die rhythmisch pulsformige Ultraschall-Kugelwellen in den Raum abstrahlen. In einer Distan z von rund einem halben Meter nehmen 4 in ihrer Anordnung genau definierte Mikrophone A, B, C, 0 die durch die Luft iibertragenen US-Pulswellen als Empfa nge r auf und setzen sie in elektrische Signale urn, die an schlieBend mit dem Computer weiterverarb eitet werden .

Aus der Messun g der Laufzeitdifferen zen der Ultraschallpulse zwischen den einzelnen Send ern und Ernpfa ngern und der durch d ie Laufzeit einer Referenzstrecke bestimmten Schallg eschwindigkeit berechnet die US-MeBeinrichtung die Distanz en zwischen US-Klicker und Mikrophonen (Abb , 3). Am verwendeten Ge rat (Sonic-Digitizer SAC GP-8-3D, ( 13) konnen bis zu 8 Klicker und 4 Mikrophone angeschlossen und pro grammiert werd en . Uber die pro grammierbare serielle oder parallele Schnitt stelle werd en die Rohdaten fiir 18 Punkte (seriell) oder bis zu 100 Punkten (parallel) pro Sekund e dem Rechner (PC) iibergeb en .

Abb.2 MeBeinrichlungmitpulsfbrmigemLutt-Ullraschall (USlli.ir3dimensionaleDistanzmessungen bis zu 1,5 m.

nicht durch sperrige Zielbiigel zu verbauen, sind seltener. Kelly et al. (6) und Cosm an und Wells (2) vergrofserten kon vention elle Stereota xie-Rahmen, urn Abstand zur Mechanik zu erh alten . Watanabe et al. ( 14), Guthrie et al. (4) und Reinhardt et al. (9, 10) konstrui erten mehrach sige

Sondengeometrie und geom etrische Anordnung der Klicker und Mikrophone A, B, C, 0 werden a ls weitere Referen zgrofsen prazise (+ I - 51 I00 mm) mit Tastern ausgemessen. Mit dem Rechn er ( PC) werd en aus den Datensatzen die Koordinaten der Sond en- oder Werkzeugspitze ( XIII / v" / z"') im Schad elinn ern beziiglich der MeB- oder Bildbasis (x/ y/ z ) durch 3malige Koordinatentransformation tiber Mikrophon-Panel (x' I y' I z' ) und Instrument/ Werkzeug (x" I y" I z" ) berechnet (Abb. 4) und da rgestellt .

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Melsarm e : Young ( 15), Benabid er al. (I ) u. a. mod ifizierten Industriero boter fur intrakr ani elle Zielprozeduren. Roberts et al. ( 12) positioni erte das Operationsmikroskop mit de r Soni c-Methode na ch praop erativen Bildern.

H. J. Zweifel, H. F. Reinhardt, G. A. Horstmann , E. Amrein

Ultraschall in Med. Jl (1990) EMPFAENGER:

X.y,z •

x,y,z -

4 US·Mikrophone

Koordinaten-

Koord inaten -

Rohdale n

Oaten

Abb.3 MeBeinrichlungmil Sonic-Digitizer SAC GPB-3Dmil Positions- und Bildrechner(AT-286/287, reap. AT-386/387); bis zu 100Messungenpro Sekunde werden vern Sonic-Digitizer Gber paranete SchnitlstellendenRechnern ubermttett

SI LO · ~

SONIC· DIGITIZ ER ~

I

r

SAC GP·8·3 D

POS ITIONS· REO-tJER AT 286/87

REa1I'B1 r

AT 386

SENDER:

t a-Kanal-

CENTRONICS·

8 US-Klic ker

Para ll e lSc hni tts t el le

Para llel Sc h nitts t e l le

Resultate 1988 haben Hengurtner et al . (5) in ihrer Diplomarbeit am NTB das gan ze Mel3system im Labor aufgeba ut und ausgemessen. Verschiedene Punkte wurden dabei mehrmal s im Betrieb mit serieller Schnittstelle und Distanzen , die den Dimensionen innerhalb des Schiidel s ent spr ach en, "angetastet" , ausgemessen und dargestellt, Ohne Kon vektion durch die Raumluft ergab sich eine Mel3genauigkeit von ma ximal + I - 0,5 mm in jeder Achsrichtung. Bei gro l3er Kon vektion - thermisch od er durch rasch e Bewegunge n von Personen im Mel3feld bedin gt - verschlechterte sich allerdings die Mel3genauigkeit auf maxim al + I - 3 mm in jeder Ach srichtung.

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MRI correlated stereometry with ultrasound in brain surgery].

Today the accuracy of medical imaging systems lies between +/- 0.5 mm (CT) and +/- 2.5 mm (MRI). In neurosurgery the overall uncertainty may reach the...
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