Evaluation der Effizienz des Zero-Dose-C‐Arm-Navigations-Ansatzes

Zusammenfassung

Hintergrund: Computerunterstützte fluoroskopische Navigationssysteme können in ihrer Effizienz und Genauigkeit durch Verwendung einer strahlungsfreien Röntgenbildvorschau in Form des Zero-Dose-C-Bogen-Navigationsmoduls (ZDCAN) optimiert werden. Erfolg und Effizienz computerunterstützter fluoroskopischer Navigationssysteme sind in erster Linie abhängig von der Qualität des zugrunde liegenden Bildmaterials. Dabei spielen Genauigkeit bei der Aufnahme gewünschter Projektionen anatomischer Strukturen und Strahlenbelastung eine wichtige Rolle. Häufig werden in computerunterstützten Operationen mehr Röntgenbilder akquiriert, als sinnvoll in der Navigation verwendet werden. Zudem stellen die verwendeten Aufnahmen nicht immer eine optimale Ansicht des gewünschten Bereichs dar. Es stellt sich die Frage, ob ein ohnehin verwendetes computerunterstütztes System neben der navigatorischen Unterstützung des Operateurs dazu verwendet werden kann, Röntgenbilder mit optimaler Genauigkeit und minimaler Strahlenbelastung zu akquirieren. Methodik: Für die unteren Extremitäten wurde ein System entwickelt, welches in der Lage ist, basierend auf den Daten eines Trackingsystems und statistischen, deformierbaren Knochenmodellen eine Vorschau des zu erwartenden Röntgenbilds in Echtzeit zu visualisieren. Theoretische Untersuchungen zeigten, dass neben dem Bildausschnitt auch die Winkelabhängigkeit multiplanarer Röntgenbilder zueinander einen wesentlichen Einfluss auf die zu erwartende Navigationsgenauigkeit hat. Im Rahmen einer Ex-vivo-Studie wurden an 6 Präparaten die Effizienz und Genauigkeit des Verfahrens im Vergleich zu einer konventionellen, nicht navigierten Ausrichtung des C-Bogens untersucht. Dabei sollten von 8 Untersuchern jeweils multiplanare Aufnahmen des Femurs an Hüft- und Kniegelenk sowie im Bereich der Diaphyse mit 90 ° Winkelunterschied aufgenommen werden. Resultat: Die Auswertung der Daten zeigte, dass die Anzahl der benötigten Röntgenbilder mithilfe der ZDCAN im Mittel auf 7 Bilder pro Gelenk begrenzt wurde versus 11 Bilder bei der konventionellen Vergleichsgruppe. Die benötigte Zeit für die Bildaufnahme war in beiden Fällen ähnlich und lag im Mittel bei 5:30 min. Während bei der konventionellen Gruppe eine große Streuung des Winkels der Bilder zueinander messbar war, konnte mithilfe des Zero-Dose-Navigationsmoduls die Orthogonalität der Röntgenbilder besser erreicht werden. Folgerung: Die Studie zeigt, dass die Anzahl der Röntgenbilder bei Verwendung der ZDCAN reduziert werden kann und eine bessere Bildqualität bei geringerer Strahlenexposition erreicht wird.

Abstract

Background: The efficiency and success of computer-assisted fluoroscopic navigation systems mainly depend on the quality of the process of image acquisition: obtaining the correct view of anatomic structures, relative orientation of multiplanar X‐ray images and the necessary amount of radiation dose. These systems may be optimised by using a system called zero-dose c-arm navigation (ZDCAN). We investigate whether the available computer-assisted systems may be used to navigate the c-arm before image acquisition to obtain X‐ray images with maximised accuracy and minimal radiation exposure. Methods: Based on position data of an optical tracking system combined with statistical deformable bone models, ZDCAN is able to generate a real-time preview of expected X‐ray images of the lower extremities without using radiation. We performed a cadaver study on six full-body specimens comparing the zero-dose approach to conventional positioning of the c-arm in order to evaluate efficiency and accuracy. Eight users acquired two perpendicular X‐ray images of the hip, the knee and the femoral diaphysis. Results: The number of X‐ray images required to get a satisfying picture could be reduced to seven using the zero-dose approach; the conventional approach needed 11 images. The mean time did not differ significantly. Regarding the image quality, using ZDCAN quasi-orthogonality could be reached while the conventional approach showed a large variation of the relative orientation. Conclusion: Using ZDCAN, the amount of radiation can be reduced by requiring less X‐ray images as well as reaching better accuracy.

Schlüsselwörter

Navigation - Fluoroskopie - Anatomiestudie - Zero‐Dose‐C‐Arm‐Navigation

Key words

navigation - fluoroscopy - cadaver study - zero‐dose c‐arm navigation

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1 OrthoMIT ist ein Verbundvorhaben im Rahmen der BMBF-Leitvision „Schonendes Operieren mit innovativer Technik SOMIT“. Im Mittelpunkt der Forschungs- und Entwicklungsarbeit steht die Vorstellung von einer integrierten Plattform für schonende operative Therapie an Hüfte, Knie und Wirbelsäule in Orthopädie und Traumatologie.