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Neuronavigation/Brain mapping

Neuronavigation/Brain mapping

Die Neuronavigation ermöglicht, zielgenau auch kleinere tief gelegene bzw. mehrere Raumforderungen aufzusuchen. Sie stellt während der Operation eine Orientierungshilfe dar

Prinzip der Neuronavigation

Die Neuronavigation beruht auf der Verknüpfung des physikalischen Raumes (des OP-Situs) mit dem virtuellen Bildraum eines präoperativ angefertigten 3D-CT's oder MRT's.

Diese Verknüpfung geschieht durch Identifikation einer ausreichend großen Anzahl identischer Punkte sowohl im Bild- als auch im physikalischen Raum und der Berechnung einer Transformationsmatrix (rigide Transformation mit Translation und Rotation), so dass durch Interpolation jeder beliebige Punkt des physikalischen Raums dem Bildraum zugeordnet werden kann („Registrierung“).

Im Gegensatz zur klassischen Stereotaxie wird bei der „rahmenlosen“ Neuronavigation nicht jede einzelne Bildschicht im 3D-Raum mittels stereotaktischem Lokalisator identifiziert, sondern im 3D-Raum interpoliert.

Platzhalter BildBildschirmfoto einer Anwendung zur Neuronavigation.

Technische Realisierung

Die technische Realisierung eines Systems zur Neuronavigation besteht in einem Zeigeinstrument („Pointer“), dessen räumliche Position exakt und kontinuierlich bestimmt werden kann, und einer Workstation, die den 3D-Bilddatensatz im Arbeitsspeicher vorhält, die Transformationsmatrix berechnet („Registrierung“) und die aktuelle Zeigerposition dem Operateur im Bildraum,  zumeist am Computerbildschirm, darstellt.

Historisch war das Zeigeinstrument zunächst auch tatsächlich ein Zeiger, realisiert als mechanischer Arm; mittlerweile ist das Zeigeinstrument zumeist virtuell in dem Sinn, dass der optische Fokuspunkt des OP-Mikroskopes als Zeiger dient.

Auch die zunächst auf einem Computerbildschirm dem Operateur dargestellte aktuelle Zeigerposition ist insoweit virtuell geworden, als aus dem Bilddatensatz extrahierte Informationen (etwa der Zielpunkt einer OP oder Tumorgrenzen nach Segmentierung der Bilddaten) direkt in den Strahlengang des Mikroskops eingeblendet und dem physikalischen Bild des Situs überlagert werden können („augmented reality“).

Hiermit wird das Ziel des „Sehens jenseits der aktuell präparierten Struktur“ („look through/look ahead“) wahr.

Die Ortung eines Instrumentes im Raum geschieht heute zumeist mittels Infrarot-LED's und einem Infrarot-Sensorarray („Kamera“). Hierbei sind mindestens 3 LED's auf dem Instrument positioniert, die getaktete Infrarotimpulse aussenden. Diese Impulse werden vom Kamera-Array lokalisiert und identifiziert. Die Ortung im Raum übernimmt ein zusätzlicher Computer, der die Raumkoordinaten, auch von mehreren Instrumenten gleichzeitig, kontinuierlich ausgibt.

Genauigkeit der Neuronavigation

Ein entscheidender Punkt liegt in der Genauigkeit, mit der die Neuronavigation durchgeführt werden kann. Es gibt unterschiedliche Einflussfaktoren auf die Gesamtgenauigkeit, die als Summe der Einzelfaktoren aufzufassen ist.

  • Der wesentliche Faktor liegt in den Bilddaten selbst, wobei sowohl die Voxelgröße als auch die geometrische Verzeichnungen der Bildgebung einen wesentlichen Einfluss haben.
    Erstrebenswert ist eine möglichst geringe Schichtdicke (1-2 mm) für den 3D-Bilddatensatz, wobei allerdings eine geringe Schichtdicke die Abbildungsqualität aufgrund eines ungünstigen Signal- zu-Rausch-Verhältnisses herabsetzt.

  • Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Güte der Registrierung, wobei erhebliche Einflüsse etwa bei fiducialbasierter Registrierung schon allein durch die Anzahl und geometrische Anordnung der fiducial bestehen.

  • Einen vermutlich nur geringen Einfluss auf die Gesamtgenauigkeit hat die technische Genauigkeit des Navigationsgerätes selbst, die bei den meisten Geräten im Bereich unter 1 mm liegen dürfte.

Die Summe der Genauigkeiten aus Bildgebung, Registrierung und technischer Genauigkeit wird als Anwendungsgenauigkeit („application accuracy“) bezeichnet.

Von wesentlicher Bedeutung für die Gesamtgenauigkeit sind zusätzliche intraoperative Einflüsse, die

  • zum einen durch Verlagerung des Kopfes in der Kopf-Halterung und damit zum ursprünglichen Registrierungs-Zustand eintreten können („positional shift“),

  • zum anderen die während der OP zunehmende Verlagerung des Hirns gegenüber dem knöchernen Schädel, an dem die initiale Registrierung stattgefunden hat („brain shift“).

Da das Hirngewebe ganz unterschiedliche biomechanische Eigenschaften aufweist, eine unterschiedliche Menge von Liquor während der OP abfließen kann und auch topographische Unterschiede bestehen, etwa durch relative Fixierung des Hirns an der Basis, am Tentorium etc., also auch die Kopflagerung einen Einfluss hat, ist der brainshift quantitativ nur schwer zu erfassen, individuell bei jeder OP sehr unterschiedlich und mit zunehmendem OP-Fortschritt deutlich progredient.

Die Applikationsgenauigkeit ist mit 2-3 mm bei günstigsten Bedingungen anzusetzen und kann, etwa bei „schlechter“ Registrierung, auf Werte von über 7 mm anwachsen. Während der Einfluss von positional- und brainshift am Anfang einer Operation eher zu vernachlässigen ist, kann sich ihr Ausmaß im OP-Verlauf bis auf 1-2 cm vergrößern, so dass ein Einsatz der Neuronavigation dann nicht mehr sinnvoll ist.

Das Problem des brainshift ist bis heute nicht gelöst; Lösungsansätze könnten sich aus dem Einsatz von navigationsgestützer 3D-Ultraschallsonographie ergeben, mit deren Hilfe die Erkennung der Verlagerung realisiert werden kann und eine „elastische“ Registrierung des präoperativen Bilddatensatzes denkbar ist.

Indikationen zum Einsatz der Neuronavigation

Es lassen sich verschiedene, eindeutig definierbare Indikationsstellungen angeben, wobei diese in der Praxis oft kombiniert vorkommen:

  • Bei kleinen, kalottennah gelegenen Prozessen, etwa Konvexitätsmeningeomen, kann mittels Neuronavigation die genaue Lage und Größe der Trepanation sehr gut bestimmt und entsprechend der Tumorgröße minimiert werden.

  • Das Aufsuchen des pathologischen Prozesses selbst mittels Neuronavigation ist sinnvoll und hilfreich bei tiefergelegenen Prozessen, etwa bei Lokalisation im Marklager, Ventrikelnähe etc..

  • Kleine Tumoren und Missbildungen sind ohne Neuronavigation oft nur schwer aufzufinden.

  • Bei unregelmäßig gestalteten Prozessen oder solchen mit unscharfer Grenzzone (Gliome) könnte die Neuronavigation eine Hilfe zur Überprüfung einer vollständigen oder weitgehenden Resektion sein.

Hier kommen aber die wesentlichen Probleme des brainshift zum Tragen. Aufgrund tumorbiologischer Eigenschaften ist unabhängig von der brainshift-Problematik die Identifikation der Tumorgrenze bei Gliomen/Glioblastomen im CT- oder MRI-Bildraum oft nicht eindeutig möglich.

  • Bei großen Schädelbasis-Tumoren können wesentliche Strukturen (z.B. A. carotis, Hirnnerven) so umwachsen und/oder verlagert sein, dass ein Auffinden und eine entsprechende Schonung ohne Neuronavigation oft nur schwer möglich ist.

Hier ist die Neuronavigation im Sinne des „look ahead/look through“ zum funktionserhaltenden Operieren besonders wertvoll.

Durch die Entwicklung spezieller Führungsadapter (etwa für Biopsie-Nadeln) tritt die Neuronavigation als „rahmenlose Stereotaxie“ in Konkurrenz zur rahmengebundenen Stereotaxie, prinzipiell sind die erreichbaren Genauigkeiten beider Methoden in vergleichbarer Größenordnung.

Durch die Kombination mit „starren“ Endoskopen kann die Neuronavigation die endoskopische Neurochirurgie sicherer machen, da eine Orientierung allein durch das endoskopische Bild oft schwer möglich ist. Hier kann die Neuronavigation als erste Positionierungshilfe dienen.

Ein zunehmend bedeutsamer Indikationsbereich in Orthopädie und Neurochirurgie stellen spinale Eingriffe, etwa zur Positionierung von Schrauben bei Stabilisierungs-OP's, dar.

Durch das Fehlen eines einfach anwendbaren Referenzierungsmodus ist derzeit ein Einsatz nur mit der relativ aufwendigen Methode der anatomischen Referenzierung speziell definierter Punkte für jeden einzelnen Wirbelkörper möglich.

Integration funktioneller Informationen & Ausblick

Mit verschiedenen Modalitäten des „functional brain imaging“, z.B. PET, SPECT, MEG, fMRI, lassen sich verschiedene eloquente Hirnareale oft eindeutig bereits präoperativ lokalisieren und mit einem konventionellen CT/MRI-Datensatz verknüpfen („matching“).

Der Transfer dieses komplexen Datensatzes mittels Neuronavigation in den OP-Situs könnte hier einen vielversprechenden neuen Indikationsbereich für die Neuronavigation bei Operationen in oder in der Nähe eloquenter Regionen darstellen, da die intraoperativ einsetzbaren Lokalisationstechniken im OP-Ablauf vergleichsweise zeitaufwendig bzw. für den Patienten belastend sein können.


Ausblick


Die rahmenlose Neuronavigation ist nicht nur die einfache Fortentwicklung der rahmenbasierten Stereotaxie, sondern besitzt erheblich darüber hinausgehende Potentiale.

Die Kombination leistungsstarker Workstations mit 3D-Bilddatensätzen erlaubt etwa auch eine Visualisierung zur OP-Planung durch die Möglichkeiten des schnellen Reformatierens sowie durch Segmentierung und Rendering.

Auch die neurochirurgische Ausbildung kann sich dadurch wesentlich ändern.

Ein besonderer Aspekt ist der hohe Finanzbedarf für diese Systeme, der schon bei „einfachen“ Geräten mindestens 150.000 € beträgt.

Durch Minimierung des OP-Zuganges, schonenderes, „funktionserhaltendes“ Operieren bei gleichzeitig verbessertem Resektionsausmaß wird aber vermutlich auch die Krankenhausverweildauer herabgesetzt und die Lebensqualität des Patienten erhöht, obwohl prospektive wissenschaftliche Untersuchungen als Kosten/Nutzen-Analyse hierzu bisher nicht vorliegen.