Virtual endoscopy for preoperative planning and training of endonasal transsphenoidal pituitary surgery

Abstract

Virtuelle Endoskopie ist die Navigation einer virtuellen Kamera durch computerunterstützt aus radiologischen Daten rekonstruierte Anatomie. Virtuelle Endoskopie wird zu Diagnosezwecken ebenso herangezogen wie zur Planung von endoskopischen Eingriffen und zur postoperativen Begutachtung. Weiters findet sie Verwendung als Übungswerkzeug in der Ausbildung von Ärzten.<br />Diese Dissertation stellt STEPS, ein Softwaresystem, das als Werkzeug zur Planung und zum Training von endonasaler transsphenoidaler Hypophysenchirurgie konzipiert ist, vor. Endonasale transsphenoidale Hypophysenchirurgie wird zur schonenden, minimalinvasiven Entfernung von Hypophysentumoren herangezogen: Ein starres Endoskop wird in die Nase des Patienten eingeführt und durch die natürlichen Luftwege bis in die Keilbeinhöhle gesteuert. Anschließend wird der Sellaboden, die knöcherne Wand, die die Keilbeinhöhle von der Hypophyse trennt, geöffnet. Durch das entstandene Loch kann der Tumor entfernt werden.<br />STEPS rekonstruiert die Wände der vom virtuellen Endoskop durchquerten Hohlräume als Iso-Oberfläche. Vorsegmentierte Objekte können der Szenerie beigefügt und hinter der semi-transparenten Iso-Oberfläche dargestellt werden. Diese Objekte fungieren als Orientierungshilfen und helfen bei der Planung der tatsächlichen Operation. Knöcherne Strukturen hinter der Iso-Oberfläche können mittels diverser Darstellungsmethoden kommuniziert werden.<br />Der Benutzer von STEPS kann entweder frei durch den rekonstruierten Patienten navigieren, oder die tatsächliche Operation simulieren. Durch die Verwendung eines Force-Feedback Joysticks werden Kollisionen des virtuellen Endoskops mit der dargestellten Oberfläche haptisch fühlbar.<br />Mittels virtueller chirurgischer Instrumente kann beispielsweise die Öffnung des Sellabodens simuliert werden. Weiters unterstützt STEPS die Simulation von Winkeloptiken und Linsenverzerrungen. Diese Dissertation gibt einen Überblick über existierende Methoden und Anwendungen der virtuellen Endoskopie, erklärt das medizinische Anwendungsgebiet und beschreibt ausführlich das Softwaresystem STEPS.

Virtual endoscopy is the navigation of a virtual camera through anatomy, computationally reconstructed from radiological data. Virtual endoscopy is used for diagnosis, planning of endoscopic interventions, postoperative assessment of surgical success and training.<br />This thesis introduces STEPS, a virtual endoscopy system designed as a planning and training tool for endonasal transsphenoidal pituitary surgery, a method used to remove tumors of the pituitary gland. A rigid endoscope is inserted into the nose and advanced through intracranial cavities towards the bony wall covering the pituitary gland. This bone is then opened and the tumor is removed.<br />STEPS reconstructs the boundaries of the investigated cavities primarily using iso-surfacing in original CT-data. Presegmented objects of interest can be added to the scene and displayed behind the semi-transparent isosurface. These objects aid in planning the endoscopic approach, and help the user find an ideal site for actual surgical activity. Visual information can be further enhanced by display of rigid structures beyond the isosurface.<br />All rendering techniques applied by STEPS are completely CPU-based, ensuring a high amount of flexibility and hardware-independence.<br />Nevertheless, rendering is efficient resulting in smooth interaction. STEPS allows free navigation through the nasal and paranasal anatomy, but can also be used to simulate the movement parameters of the rigid endoscopes. This includes simulation of surgical instruments and haptic feedback. Furthermore, STEPS allows the simulation of angled endoscopes and the simulation of barrel distortion as exhibited by real endoscope optics. This thesis gives an overview about existing techniques and applications of virtual endoscopy, introduces the field of application, and, in detail, describes STEPS, the required preprocessing, the rendering techniques and the user interface.