Registrierung von 3D-Ultraschall- und CT

Inhaltsverzeihnis
Abkürzungen und Symbole
7
1 Einleitung
9
1.1
1.2
Bildgebende Verfahren
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
1.1.1
Röntgen und Computertomographie . . . . . . . . . . . . . . .
10
1.1.2
Ultrashall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
1.1.3
Intraoperative Bildgebung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
Navigierte Chirurgie
1.2.1
1.3
1.4
1.5
Navigationssysteme und Anwendungen
Registrierung
. . . . . . . . . . . . .
15
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
1.3.1
Registrierung mit Ultrashall
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
1.3.2
Optimierungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
1.3.3
Registrierung mit evolutionären Algorithmen . . . . . . . . . .
19
Pedikelvershraubung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
1.4.1
Pedikelvershraubung mit Navigation . . . . . . . . . . . . . .
21
1.4.2
Probleme der CT-basierten Navigation
. . . . . . . . . . . . .
22
Ziel dieser Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
2 Material und Methode
2.1
Gesamtkonzept
2.2
24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
Phantom
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
2.3
Patienten
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
2.4
Datenaufnahme und Datensätze
2.5
2.6
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
2.4.1
Präoperative CT-Daten
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
2.4.2
Ultrashall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
Bildvorverarbeitung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
2.5.1
Bildvorverarbeitung der CT-Daten
. . . . . . . . . . . . . . .
32
2.5.2
Vorverarbeitung der Ultrashalldaten . . . . . . . . . . . . . .
35
Registrierung
2.6.1
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Optimierungsparameter
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
38
38
INHALTSVERZEICHNIS
2.6.2
2.7
Fitness
5
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Optimierungsstrategien
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7.1
Konjugierte Gradienten und BFGS-Verfahren
2.7.2
Rprop-Verfahren
2.7.3
CMA-Evolutionsstrategie
39
40
. . . . . . . . .
42
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
2.8
Denition des Optimums
2.9
Evaluierung
2.9.1
Abstandsmaÿ
2.9.2
Variation der Startposition
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
2.9.3
Statistik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
2.10 Implementierung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.10.1 DICOM-Konverter
2.10.2 Ultrashallsan
2.10.3 Registrierung
48
51
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
51
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
52
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
54
3 Ergebnisse
57
3.1
Phantomdaten
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
3.2
Patientendaten
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
59
3.3
Denition des Optimums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
3.4
Analyse der Fitnesslandshaft
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
3.5
Registrierung der Phantomdatensätze . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
3.5.1
Startdistanzen bis 30 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
67
3.5.2
Startdistanzen bis 15 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
3.6
3.7
3.8
Registrierung Patientenwirbel
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
3.6.1
Startdistanzen bis 30 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
3.6.2
Startdistanzen bis 15 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
Vergleih der Optimierungsverfahren
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
3.7.1
Distanz nah Registrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
74
3.7.2
Fitnesswert nah Registrierung
. . . . . . . . . . . . . . . . .
75
3.7.3
Rehenzeiten
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
77
3.7.4
Suhweg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
80
3.7.5
Reproduzierbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
Registrierung mehrerer Wirbel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
85
3.8.1
Startdistanzen bis 30 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
86
3.8.2
Startdistanzen bis 15 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
87
3.8.3
Rehenzeiten
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
3.8.4
Reproduzierbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
INHALTSVERZEICHNIS
6
4 Diskussion
91
4.1
Phantomdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
4.2
Patientendaten
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
4.3
Denition des Optimums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
94
4.4
Analyse der Fitnesslandshaft
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95
4.5
Registrierung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
4.6
Registrierung der Phantomdatensätze . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
4.6.1
Startdistanzen bis 30 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
98
4.6.2
Startdistanzen bis 15 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
99
4.7
4.8
4.9
Registrierung Patientenwirbel
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
99
4.7.1
Startdistanzen bis 30 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
4.7.2
Startdistanzen bis 15 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Vergleih der Optimierungsverfahren
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.8.1
Distanz nah Registrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.8.2
Fitness nah Registrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.8.3
Rehenzeiten
4.8.4
Suhweg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.8.5
Reproduzierbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Registrierung mehrerer Wirbel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.9.1
Startdistanzen bis 30 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.9.2
Startdistanzen bis 15 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.9.3
Rehenzeiten
4.9.4
Reproduzierbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.10 Registrierung von Knohenstrukturen mittels Ultrashall
. . . . . . . 108
4.11 Möglihe Fehlerquellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.12 Verbesserungspotential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
4.13 Klinisher Nutzen und Ausblik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5 Zusammenfassung
113
Literatur
115
Tabellenverzeihnis
133
Abbildungsverzeihnis
134
Danksagung
136
Lebenslauf
137