3D ultrasound and navigation – Applications in laparoscopic surgery

Abstract

The use of intraoperative navigation during surgery is becoming a valuable tool in several clinical applications. Often only preoperative images are used during navigation and changes that occur during surgery are hence not displayed. The introduction of intraoperative 2D and 3D ultrasound may provide an important addition to the field of image-guided surgery allowing more accurate guidance of various procedures due to updated images. During my thesis I have sought to improve minimally invasive therapy procedures, mainly through improving image guided navigation, and increasing the knowledge and usage of freehand 3D ultrasound volumes. In order to achieve this I have performed research on different aspects of 3D freehand ultrasound reconstruction algorithms: various implementations, computation time, quality, and input data sources. In our research group we have developed a prototype research and development platform, CustusX, for navigation in minimally invasive therapy. The system can import and display a range of medical images and tracked surgical tools, allowing surgeons to interactively control the display of medical images during surgery. By using CustusX we have explored various visualizations of different 2D and 3D images together with surgical instruments. In my work I have focused on image guidance of laparoscopic surgery, which is minimally invasive therapy performed through small incisions. By complementing endoscopy with ultrasound the surgeon will gain access to real-time information beyond the surface of the organs. The integration of micro positioning systems with tracked 2D and reconstructed 3D ultrasound with a flexible intraoperative ultrasound probe was tested. We found that the accuracy of the electromagnetic position sensors was satisfying and that the use of a navigated flexible ultrasound probe was feasible in the operating room, providing the surgeon with important information. In our setup we found that a fast ultrasound reconstruction algorithm performed almost as good as a slower algorithm, and video grabbed analog data gave volumes almost as good as the digital data. In conclusion we found that 3D ultrasound reconstruction may be performed in near real-time in the operating room using a simple setup with grabbing the analog video signal from an ultrasound scanner, providing the surgeon with valuable images for guidance. The use of navigation in laparoscopic surgery is promising, but the technology needs further development in order to be practically efficient and usable in most clinical procedures.

3D ultralyd og navigasjon – Anvendelser i laparoskopisk kirurgi

Bruken av intraoperativ navigasjon har blitt et verdifullt verktøy på flere kliniske områder. Ofte er bare preoperative bilder brukt under navigasjon, og endringer som skjer under operasjonen vil dermed ikke gjenspeiles. Introduksjonen av intraoperativ 2D og 3D ultralyd kan bli et viktig verktøy innenfor feltet bildestyrt navigasjon, siden dette kan gi kirurger oppdaterte bilder å navigere ut fra i flere typer operasjoner. Denne PhD-en er et forsøk på å forbedre minimalinvasiv kirurgi, hovedsakelig gjennom å forbedre bildesyrt navigasjon, og øke kunnskapen om, og bruk av frihånds 3D ultralyd. For å oppnå dette har jeg forsket på ulike aspekter med frihånds 3D ultralyd rekonstruksjonsalgoritmer: ulike implementasjoner, beregningstid og datakilder. I forskningsgruppen vår har vi utviklet en prototyp forsknings- og utviklingsplattform kalt CustusX, for navigasjon i minimalinvasiv kirurgi. CustusX kan importere ulike medisinske bilder og verktøy for navigasjon. Dette gir kirurger mulighet til interaktivt å styre visningen av medisinske bilder under inngrepet. Ved hjelp av CustusX har vi utforsket ulike visualiseringer av 2D og 3D bilder sammen med kirurgiske instrumenter. I mitt arbeid har jeg fokusert på bildestyring av laparoskopisk kirurgi (kikkhullskirurgi), som er minimalinvasiv kirurgi utført gjennom små snitt. Ved å tilby ultralyd i tillegg til endoskopbilder, vil kirurgen også kunne få tilgang til sanntidsbilder under overflaten av organene. Vi har også testet en integrasjon av et mikroposisjoneringssystem med en fleksibel ultralydprobe. Denne løsningen gir korrekt posisjon på sanntids 2D ultralyd bilder, og muligheter for 3D ultralyd opptak. Vi fant ut at nøyaktigheten på de elektromagnetiske posisjonssensorene var tilfredsstillende, og at bruken av en navigerbar fleksibel ultralydprobe er mulig i en operasjonssetting, noe som vil gi kirurgen viktig informasjon. I det oppsettet vi brukte fant vi at en rask ultralyd rekonstruksjonsalgoritme gav nesten like god kvalitet som en tregere algoritme, og at analog video gav volum med nesten like god kvalitet som digital video. Konklusjonen av dette er at 3D ultralyd rekonstruksjon kan utføres omtrent i sanntid på operasjonsstua ved hjelp av et enkelt oppsett der analog video importeres fra ultralydskanneren. Dette vil gi kirurgen verdifulle bilder for navigasjon. Bruken av navigasjon i laparoskopisk kirurgi er lovende, men teknologien må utvikles videre for å kunne bli praktisk brukbar i de fleste kliniske situasjoner.