Elektromagnetisch navigierte und MRT-gesteuerte Eingriffe in der radiologischen Intervention: Wirbelsäule, Gefäße und Prostata

Abstract

Diese Arbeit hatte zum Gegenstand, die Genauigkeit und Effizienz der Steuerung von Eingriffen auf Basis von elektromagnetischer Navigation und Magnetresonanztomographie zu untersuchen und zu optimieren, sowie das Einsatzgebiet der elektromagnetischen Navigation zu erweitern. In Originalarbeit 1 wurde der Einsatz der elektromagnetischen Navigation auf Basis von computertomographischen Bilddaten untersucht. In mehreren Versuchsreihen zu minimalinvasiven Wirbelsäuleneingriffen im Phantom- und Schweinemodell konnte eine hohe Genauigkeit des Verfahrens festgestellt werden. Zudem wurden Einflussgrößen wie die korrekte und konstante Registrierung und eine Kontrolle der Atemexkursion als essentiell für eine erfolgreiche Navigation identifiziert. Originalarbeit 2 setzte sich mit der elektromagnetischen Navigation im roboterarm-basierten Flachdetektor-CT auseinander. Es war die erste Beschreibung der Kombination beider Methoden. Unter Verwendung des zuvor etablierten Phantom- und ex vivo Modells zur Bestimmung der Genauigkeit zeigte sich, dass das große Bildvolumen der vor allem im Hybrid-OP verwendeten roboterarm-basierten Flachdetektor-CT gut geeignet ist, als Basis für die elektromagnetische Navigation zu dienen. Es konnte eine zur CT-Umgebung vergleichbare Genauigkeit gefunden und somit das potentielle Anwendungsgebiet für die elektromagnetische Navigation erweitert werden. In Originalarbeit 3 wurde die Anwendung der elektromagnetischen Navigation im klinischen Alltag untersucht, insbesondere im Hinblick auf die Effizienz, Genauigkeit und Strahlenersparnis. In einer Kohorte von 25 Eingriffen wurde die Durchführung einer Reihe von Interventionen analysiert. Eine hohe Genauigkeit, vergleichsweise rasche Durchführbarkeit der Interventionen und eine Strahlenersparnis im Vergleich zu konventionell CT- geführten Interventionen wurden bestätigt. Wiederum konnte gezeigt werden, dass die Konstanz der Registrierung, insbesondere die Fixierung der Registrierplatte am Patienten, einen zentralen Einfluss auf den Erfolg der Intervention hat. Originalarbeit 4 beschäftigte sich mit der Weiterentwicklung der elektromagnetischen Navigation, welche im Gegensatz zu früheren Technologien eine direkte Nachverfolgung von Instrumentenspitzen, wie zum Beispiel für die Navigation von Kathetern notwendig, unterstützt. In dieser Arbeit wurden Interventionskonzepte erstellt, um zwei komplexe katheterbasierte Eingriffe durchzuführen: Die elektromagnetisch navigierte in situ Fenestrierung von Aortenprothesen bei juxtarenalen Aortenaneurysmen und die elektromagnetisch navigierte Anlage von transjugulären portosystemischen Shunts. Zusätzlich zur Ausarbeitung der Konzepte wurden das dazugehörige Instrumentarium und die entsprechende Hard- und Software entwickelt. In Originalarbeit 5 wurde die in situ Aortenfenestrierung in vivo umgesetzt. In einer tierexperimentellen Reihe mit 14 Fenestrierungsvorgängen unter dem neu entwickelten Konzept und dem dazugehörigen Instrumentarium konnten 93% der Versuche erfolgreich abgeschlossen werden. Somit wurde die Machbarkeit der in situ Aortenfenestrierung im Tiermodell belegt. Zudem erfolgte die Identifikation notwendiger Schritte zur weiteren Translation der Technologie. In Originalarbeit 6 wurde schließlich die direkte Navigation von Prostatastanzbiopsien im Magnetresonanztomographen untersucht. Dazu erfolgte die erstmalige Analyse einer Kohorte von 90 in-bore, transperinealen MRT- gesteuerten Prostatabiopsien analysiert. Die Biopsien wurden in einer heterogenen Gruppe von Patienten mit Verdacht auf Prostatakarzinom und bisher erfolgloser Diagnostik, Patienten nach Behandlung eines Prostatakarzinoms und Patienten unter Active Surveillance durchgeführt und nach Subgruppen getrennt untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass diese Methode komplikationsarm und mit einer hohen Detektionsrate durchführbar ist. Insbesondere wurde eine hohe Zahl an klinisch relevanten Tumoren diagnostiziert. Zusammenfassend wurden präklinische und klinische bildgesteuerte Eingriffe im Phantom, Tiermodell und im Patienteneinsatz untersucht. Durch die Erkenntnisse zur Genauigkeit und Effizienz konnte ein Beitrag zur Einordnung des Nutzens der einzelnen Methoden geleistet werden.

The aim of this work was to investigate and optimize the accuracy and efficacy of electromagnetically and magnetic resonance imaging (MRI) guided interventions and to expand electromagnetically guided interventions towards vascular applications. In the first study, the performance of electromagnetically guided interventions based on computed tomography (CT) data was evaluated. A series of in-vivo and in-vitro experiments yielded a high degree of accuracy and identified influencing factors for robust navigation. The second study investigated the combination of electromagnetical navigation and a robot based flat detector CT. It comprises the first description combining the two technologies, finding a to the CT setting comparable high level of accuracy and good applicability of technologies large filed of view. The third study describes the application of electromagetical guidance in cohort of clinical procedures. Results include a high accuracy, swift performance, and importance of correct and reliable registration for successful completion of the procedures. Additionally a potetial dose reduction compared to non-navigated procedures was found. The fourth and fifth part describe the development of new electromagnetically navigated vascular interventions targetting the in-vivo fenestration of aortic stent grafts and navigated transjugular intrahepatic shunt placements. Concepts, hard- and software for both procedures are shown, as well as in-vivo experiments demonstrating the feasibility of the in-situ fenestration were performed. The last part described the perfomance of 90 MRI-guided transperineal prostate biopsies. The study finds a low complication rate together with a high detection rate of especially clinically significant prostate cancers. In summary, in-vitro and in-vivo preclinical as well as clinical image-guided interventions investigated. The findings on accuracy and efficiency have a potential to correctly classify the benefits and limits of the individual methods.