Analysis, design and evaluation of a computer aided planning tool to support minimally invasive procedures in interventional radiology

Abstract

Minimale invasive Technologien im Bereich der Roboterchirurgie und interventionellen Radiologie erfuhren einen grossen Entwicklungsfortschritt in den letzten zwei Dekaden. Eine der fortschrittlichsten minimal invasiven Technologien ist die sogenannte thermische Ablation. Bei dieser Methode wird pathologisches Gewebe mittels hoher oder tiefer Temperaturen im Bereich von 40C bis 105 C zerstoert. Diese Verfahren werden fuer die Behandlung verschiedener Tumore in der Leber, Niere, Prostata und der Lunge angewendet, koennen aber auch zur Behandlung von kardialer Arrhythmie herangezogen werden. Obwohl die drei am meisten genutzten Ablationsverfahren RF-Ablation, Kryoablation und Mikrowellenablation zufriedenstellende Ergebnisse im Bereich der Krebstherapie ergaben und schon seit mehreren Jahren im Einsatz sind, gibt es immer noch Maengel in der Planung, (intra- und postoperativen) Ueberwachung und Evaluierung solcher Eingriffe. Eine der schwierigsten Aufgaben ist dabei die genaue Abschaetzung der resultierenden Koagulationszone nach der Anwendung einer thermischen Ablation auf bestimmtes Gewebe. Auch die korrekte Pfadplanung fuer das Einfuehren eines thermischen Applikators ist wichtig und ausschlaggebend fuer den Erfolg eines solchen Eingriffes. Es besteht daher Bedarf nach einer Planungsplattform, die diese Probleme adressiert und den Arzt bei der Planung von thermischen Ablationen unterstuetzt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Planungsplattform entwickelt. Nach umfangreichen Literaturrecherchen wurden zunaechst die Anforderungen und Arbeitsablaeufe analysiert und ausgewertet und auf einen gut definierten Prozess abgebildet. Besondere Bedeutung kam der Pfadplanung fuer das Einfuehren des thermischen Applikators zu. Die entwickelte Plattform ermoeglicht es, realisierbare Pfade in einem drei-dimensionalen Raum mit unterschiedlichen Hindernissen zu finden. Der implementierte Pfadplanungsalgorithmus erlaubt es, automatisch Pfade fuer rigide, geradlinige Nadeln als auch fuer flexibel steuerbare Nadeln festzulegen. Der Algorithmus zur Pfadplanung basiert aktuell auf der bekannten Datenstruktur bzw. dem Algorithmus RRT (Rapidly-exploring Random Tree). Dieser Algorithmus wurde angepasst, um den Anforderungen eines modernen und performanten Pfadplanungsalgorithmus gerecht zu werden. Bei einer abschliessenden Evaluierung konnte gezeigt werden, dass die vorgestellte Planungsplattform akzeptable Ergebnisse hinsichtlich der Performance und Nutzbarkeit zeigte und in der klinischen Praxis zum Beispiel als Trainingssimulator eingesetzt werden koennte. Zukuenftige Entwicklungen sollten Funktionen, die das Simulieren von mehreren ueberlappenden Ablationszonen ermoeglichen als auch numerische Verfahren zur Echtzeitsimulation der Ablationszone und der optimalen Ausnutzung der Hardware inkludieren. Auch in Bezug auf die Pfadplanung sollte die Deformation des Gewebes waehrend der Nadeleinfuehrung beruecksichtigt und dementsprechend simuliert werden, um genaue Resultate zu gewaehrleisten.

Over the past two decades minimally invasive technology turned out to be a major breakthrough in the field of interventional radiology and robotic surgery. One of the most promising advances in the field of minimally invasive cancer therapy is thermal ablation. In thermal ablation therapy pathological tissue is destroyed by high or low temperatures in the range of the lung, but can also be used to treat cardiac arrhythmia (cardiac catheter ablation). Although the three most used thermal ablation methods microwave, radiofrequency and cryo ablation provide satisfying results and already exist for many years, there are still some deficits in the planning, (intra-operative and post-operative) monitoring and evaluation of such interventions. Meaning, it is a very complex and difficult task to accurately plan and estimate the resulting coagulation zone after applying a thermal ablation. Also, the trajectory planning for the optimal placement of the applicator is an important task and can be essential for the success of the intervention. There is a need for a planning tool which is capable of handling all the previously stated issues and that can support the physician in planning the intervention. In the course of this work such a tool was developed with special focus on the applicator insertion procedure. After comprehensive literature research the requirements were analyzed and evaluated and mapped onto a well-defined process. The tool provides the possibility to find feasible needle trajectories in a three-dimensional environment including obstacles of any shape and size. The implemented path planning algorithm allows to automatically determine feasible paths for rigid, straight needles as well as for flexible steerable needles. The path planning algorithm bases on the well-known data structure and algorithm RRT (Rapidly-exploring Random Tree). This algorithm is slightly modified to be more effective with regard to finding a feasible needle trajectory in minimum time. After the evaluation of the tool, the path planning method showed acceptable results regarding performance and usability, i.e. such a tool could be beneficial for the planning of thermal ablation interventions in the clinical practice (e.g. as training platform). In future approaches simulation methods for multiple overlapping ablation zones, real-time numerical estimation of the ablation zone and better hardware optimization/exploitation are highly desirable. Also, with regard to needle path planning, the deformation of the tissue (or environment) during the needle insertion has to be considered and accordingly simulated to guarantee highly accurate results.