Calibration of endoscopic ultrasound and its application in gastroenterology

Abstract

Entwicklungen im Bereich der minimal-invasiven Chirurgie haben den Einsatz von Endoskopen für diagnostische und therapeutische Interventionen gefördert. Endosonografie (EUS) bezieht sich auf das Anwenden von Endoskopen, ausgestattet mit einer Ultraschallsonde, um Bilder von inneren Organen zu erhalten und hinter Gewebegrenzen zu sehen. Leider liefern diese Sonden schlecht auflösende Bilder, die schwer zu interpretieren sind. Um diese Bilder für Operationen zu verbessern, sind hochauflösende Datensätze von CT/MRI wünschenswert. Um den gleichen Schnitt von solchen Datensätzen, wie im US-Bild zu erhalten, muss die US-Sonde zu einem elektromagnetischen Trackingsystem (EMTS) kalibriert werden. Das EMTS stellt Position und Orientierung der Sonde im Operationssaal in Echtzeit bereit. In einem zweiten Schritt, werden präoperative CT/MRI Daten zu dem Trackingsystem registriert, das Bildfusion dieser Bildmodalitäten ermöglicht. Diese Arbeit stellt zwei Methoden vor um ein EUS-System mit einem EMTS zu kalibrieren und beschreibt einen Ansatz für eine interaktive Visualisierung für bildgestützte, endoskopische Verfahren in der Gastroenterologie. Beide Methoden nutzen unterschiedliche Phantome - das String-Phantom und das Z-Phantom - basieren jedoch auf ähnlichen Arbeitsabläufen. Zuerst wird das Phantom durch Punkt-zu-Punkt-Registrierung mit dem EMTS registriert.<br />Um die US-Sonde mit dem EMTS zu kalibrieren, werden Bilder aus verschiedenen Winkel und Positionen aus der Mitte der Phantome erfasst.<br />Der Benutzer muss die durch das US-Bild geschnittenen Drähte, die im Bild als Punkte sichtbar sind, identifizieren und mittels einer grafischen Benutzeroberfläche markieren. EUS-Kalibrierung wird anschließend mit 2D/3D Bild-Registrierung durchgeführt. EUS-Kalibrierung mit dem String-Phantom ergab einen Fiducial Registration Error (FRE) von 2,91 +/- 0,75 mm. Diese Genauigkeit ist für endoskopische Navigation oder Biopsie-Führung ausreichend.<br />

Rapid developments in minimally invasive surgery have promoted the effective use of endoscopes for a wide variety of diagnostic and therapeutic interventions. Endoscopic ultrasound (EUS) refers to endoscopes equipped with an US scan head to obtain images of internal organs and to look behind tissue boundaries. Unfortunately these scan heads only feature low resolution images, which are difficult to interpret. To enhance visual information for surgical interventions, pre-operative, high resolution datasets of CT/MRI are desirable. To obtain the same oblique slice from such datasets as seen on the US image, the US scan head of the endoscope has to be calibrated with an electromagnetic tracking system (EMTS). The EMTS provides the position and orientation of the EUS in the operating room in real-time. In a second step, the CT/MRI data can be registered to the tracking system, which enables image fusion of both image modalities. This thesis introduces two different methods for calibrating an endoscope with an EMTS and describes an approach for an interactive visualisation system for image guided endoscopic procedures in gastroenterology. Both methods make use of different imaging phantoms - the String-Phantom and the Z-Phantom - but are principally based on similar workflows. First the phantom is registered to the EMTS with point-to-point registration using five holes in the phantom mantle. In order to calibrate the US scan head of the endoscope with the EMTS, images from different angles and positions are grabbed from the middle of each phantom. The user has to identify the intersected wires, which are visible as points, and mark them with the help of a graphical user interface. EUS calibration is then processed with 2D/3D image registration. EUS calibration has been performed with the String-Phantom and resulted in a fiducial registration error (FRE) of 2.91 +/- 0.75 mm. This precision seems to be sufficient for endoscopic navigation or biopsy guidance.