Fortschritte in der hepatobiliären Chirurgie
Teil I:

Navigationsunterstützte Leberchirurgie: Stand der klinischen und experimentellen Forschung

Markus Kleemann, Philipp Hildebrand, Lutz Mirow, Volker Martens, Stefan Schlichting, Armin Besirevic, Conny Bürk, Uwe Roblick, Achim Schweikard, Hans-Peter Bruch

Abb. 1: Abweichung der geplanten (rot) von der tatsächlichen Resektionsebene (gelb) in Abhängigkeit des Dissektionswinkels

Einleitung
Navigation in der Viszeralchirurgie am Beispiel der Leberchirurgie
Chirurgische Eingriffe am Menschen erfordern eine genaue Kenntnis der Anatomie und die Notwendigkeit sich anhand der eigenen dreidimensionalen Vorstellungskraft am und im Körper zu orientieren. Die funktionell-anatomische Gliederung der Leber nach Couinaud³ entsprechend dem intrahepatischen Gefäßverlauf der vaskulären Strukturen ist die Basis jeder modernen Leberchirurgie. Um die intrahepatische Gefäßstruktur in Relation zum Tumor und den zu erhaltenden Gefäßstrukturen darzustellen, erfolgt routinemäßig die intraoperative Ultraschalluntersuchung (IOUS) der Leber vor der Parenchymdissektion. Nach Projektion der Gefäßverläufe auf die Leberkapsel entsprechend dem IOUS erfolgt die Dissektion gegenwärtig ohne bildgebende Unterstützung, sodass signifikante Abweichungen von der geplanten Resektionsebene resultieren können (Abb. 1).

	Tab. 1: Übersicht über verschiedene Trackingverfahren (li.) und wichtige Messgrößen4 (re.)

Die Exaktheit der Dissektion stellt jedoch einen der entscheidenden prognostischen Faktoren dar und wird maßgeblich vom Operateur beeinflusst. Um eine exakte Übertragung der idealen Resektionsebene auf die Leber zu ermöglichen, kommen Navigationssysteme zum Einsatz, die dem Operateur durch den Einsatz von verschiedenen Visualisierungstechniken und die Verwendung von Trackingsystemen bei der Umsetzung der Operationsplanung helfen. Hierfür wird beispielsweise der IOUS getrackt und als Basis für eine Registrierung mit präoperativen Planungsdaten verwendet. Unter dem Begriff Registrierung wird die Transformation von Bildern/Volumen verstanden, sodass gleiche Bild-/ Volumenpunkte auch gleiche Punkte der Wirklichkeit repräsentieren. Die Registrierung der aktuellen intraoperativen Daten mit den präoperativen Daten ermöglicht eine überlagerte Darstellung der beiden Datensätze und erlaubt es, bestimmte Arbeitsschritte während einer Leberoperation zu navigieren.

Tab. 2: Gründe für den Einsatz von Navigationsverfahren in der Viszeralchirurgie

Erste Ergebnisse bei der Verwendung von Navigationssystemen im Bereich der Leberchirurgie zeigen, dass die angestrebte Verbesserung der Umsetzung der Operationsplanung erreicht werden kann^1,2.

Stand der klinischen und wissenschaftlichen Forschung
Das Thema Navigationsunterstützung im Bereich der Leberchirurgie ist zurzeit Gegenstand verschiedener Forschungsprojekte. Nachfolgend werden die wichtigsten Projekte dargestellt.

Meinzer et al.^4,5 befassen sich im Rahmen des ARION-Projektes (Augmented-Reality for Intra-Operative Navigation) mit der Machbarkeit der computerunterstützten Navigation in der offenen Leberchirurgie. Ein wesentlicher Bestandteil des Projektes ist die Entwicklung eines Planungssystems für die Leberchirurgie. Das Konzept sieht des Weiteren die Verwendung der individuellen Gefäßstruktur eines Patienten zur Registrierung der intraoperativen Verformung der Leber mit den präoperativen Planungsdaten vor und verwendet hierzu ein Echtzeit-Deformationsmodell. Des Weiteren wurden die wesentlichen Anforderungen an ein Navigationssystem für den Bereich der Leberchirurgie definiert^6,7.

	Tab. 3: Instrumenten- und Markertracking: Vergleich optische und elektromagnetische Systeme (modifiziert nach5)

Ellsmere et al.⁸ beschreiben ein Navigationssystem für die laparoskopische Leberchirurgie, welches nicht auf der Gefäßstruktur der Leber für die Registrierung beruht, sondern stattdessen die Aorta als Referenz verwendet. Im Gegensatz zu den vorhergehenden Gruppen wird ein elektromagnetisches (EM-)Trackingsystem verwendet, um ein Tracking der laparoskopischen Instrumente zu ermöglichen.
Einen anderen Ansatz für die laparoskopische Leberchirurgie verfolgen Nakamoto et al.^9,10CF21, die ein hybrides Trackingsystem - bestehend aus einem optischen und einem EM-System - entwickeln. Die Kombination der beiden Systeme ermöglicht es die Vorteile aus beiden Verfahren zu kombinieren und die Beschränkungen weitestgehend aufzuheben.

Abb. 2: Sender elektromagnetisches Feld (oben), Konnektion der Magnetfeldsensoren unter sterilen OP-Bedingungen an den Ultraschallkopf und die Radiofrequenzablationssonde (blauer Pfeil); nach20 (Fotos: Uni Lübeck)

Derzeitiges Ziel mehrerer deutscher Arbeitsgruppen ist die Entwicklung einer individualisierten Präzisionschirurgie für Weichgewebe am Beispiel der Leber¹. Die zentrale Komponente ist hierbei die Übertragung von präoperativ aus Volumenbilddaten gewonnenen Planungsdaten¹¹ auf den intraoperativen Situs für die verschiedenen in Betracht kommenden Therapieoptionen (offene Chirurgie, Laparoskopie und/oder Ablation einschließlich transkutaner Verfahren). Die Entwicklung einer echtzeitfähigen Registrierung ist ein Kernpunkt dieses Konzeptes und erfolgt auf Basis der individuellen Gefäßstruktur des Patienten. Das Tracking erfolgt je nach Therapie entweder rein optisch¹² oder - im laparoskopischen Fall - elektromagnetisch.

Prä- und intraoperative Bildgebung
In einer Serie von 25 Patienten mit komplexen chirurgischen Lebereingriffen konnte gezeigt werden, dass die Ergebnisse der computerassistierten Risikoanalyse in mehr als 20 Prozent der Resektionen zu entscheidenden Änderungen der präoperativen Operationsplanung sowie der intraoperativen Operationsstrategie führten^11,CF22.

	Abb. 3: Virtuelle Verlängerung (Trajektorie) des Dissektionsinstrumentes und Überlagerung mit dem intraoperativen sonographischen B-Bild

Für die intraoperative, echtzeitnahe Bildgebung in der navigierten Chirurgie kommt derzeit nur der IOUS in Frage, da die Alternativen - die interventionelle CT und die offene MRT - wegen erhöhter Strahlenbelastung bzw. erhöhten Kosten ausscheiden. Die grundsätzliche Machbarkeit der Registrierung präoperativer Daten mit dem IOUS wurde gezeigt und ermöglicht die Einbindung der präoperativen Bildgebung in das operative Geschehen¹¹. Jedoch scheiterte die klinische Anwendung bisher an noch unzulänglichen Registrierungsalgorithmen. Während des Eingriffes treten Organdeformationen durch Mobilisation und Bewegungsartefakte durch die Atmung auf, die den Einsatz von nicht-linearen Registrierungsalgorithmen erfordern. In den vergangenen Jahren wurden verschiedene nicht-lineare Registrierungsalgorithmen entwickelt^14,15. Durch die Registrierung der prä- und intraoperativen Daten können die präoperativen Risiko- und Planungsanalysen an die operativ-bedingten Deformationen angepasst, intraoperativ modifiziert werden.

Abb. 4: Konnektion des elektromagnetischen Trackers an ein Wasserstrahldissektionsinstrument21

Anwendungen der Navigationsunterstützung in der Leberchirurgie
Es wurde ein Navigationssystem auf Basis eines EM-Trackingsystems (US-Guide 2000®, UltraGuide, Israel) verwendet. Das Navigationssystem besteht aus folgenden Systemkomponenten: der zentralen Recheneinheit auf dem die Navigationssoftware installiert ist, einem System-Monitor der zugleich als Touch-Screen dient, einer Sendeeinheit und zwei Magnetfeldsensoren (Abb. 2). Auf dem Systemmonitor werden das vom Ultraschallgerät gewonnene und in das Navigationssystem übertragene sonographische B-Bild angezeigt und die Navigationsdaten in Echtzeit überlagert und ermöglichen so die Darstellung einer virtuellen Resektionslinie (Abb. 3). Das von der Sendeeinheit erzeugte Magnetfeld mit einer Ausdehnung von etwa 40 x 40 x 30 cm muss den Körperbereich, in dem die Operation durchgeführt wird, das heißt, den rechten Oberbauch mit der Leber abdecken. Zugleich müssen sich die am Ultraschallkopf sowie an der Spitze des Dissektionsinstrumentes bzw. der RFA-Sonde befestigten Sensoren während der gesamten Navigationsphase innerhalb des Magnetfeldes befinden. Das gleichzeitige Tracking von Instrument und Ultraschallkopf erlaubt eine gezielte Instrumentenführung zum Zielpunkt auch außerhalb der Schallebene¹⁶.

	Abb. 5 a: Adapterschuh (Pfeil) zur Aufnahme des elektromagnetischen Trackers
	Abb. 5 b: Konnektion des Adapters an die abwinkelbare Spitze der laparoskopischen Ultraschallsonde (B & K Medical)

Navigation von Leberpunktionen und Radiofrequenzablation
Der Einsatz des Navigationssystems erfolgte bei 39 Interventionen an elf Patienten (35 transcutane und vier offene Punktionen). Das Navigationssystem wurde mit dem Ultraschallgerät Hawk 2102® (B-K Medical, Dänemark) mit einem multifrequenten (2,7-5,0 MHz) curved-array-Schallkopf (Typ 8665, B-K Medical) verbunden. In 23 Fällen erfolgte die Radiofrequenzablation nach navigierter Punktion der Lebermetastase, darunter viermal intraoperativ nach Laparotomie. Hierbei wurden insgesamt 16 Lebermetastasen bei vier Patienten behandelt, die primär nicht resektabel waren. Einige Metastasen wurden aufgrund ihrer Größe mehrfach punktiert und abladiert. Des Weiteren erfolgten 15 diagnostische Punktionen bei sieben Patienten mit Lebertumoren. Eine Punktion erfolgte aus therapeutischen Gründen zur Drainage eines Abszesses. Nach erfolgter Kalibrierung der Punktions- und Ablationsinstrumente mit dem Ultraschallkopf traten unter strikter Einhaltung des Punktionsalgorithmus keine Fehlpunktionen auf¹⁷.

Abb. 7: Schematischer Aufbau und Benutzeroberfläche des Lap-Assistenten© mit simultaner Darstellung Ultraschallbild und 3D-CT

Navigation in der offenen Leberchirurgie
Es folgte die Entwicklung eines speziellen für den Hydrojet-Dissektor konzipierten Adapters (Abb. 4) und es gelang erstmals ein Navigationssystem mit einem Parenchymdissektionsinstrument zu verbinden und im Rahmen von Leberresektionen einzusetzen. Zwischen 1/2003 und 6/2007 erfolgte die navigierte Leberresektion bei elf Patienten mit primären und sekundären Lebertumoren unter intraoperativer ultraschallgesteuerter Navigation der Dissektionsphase. Es wurde bei elf Eingriffen eingesetzt, wobei zwei Patienten primäre Leberkarzinome und die übrigen neun Patienten Lebermetastasen hatten. Eine Segment- bzw. Bisegmentektomie wurde bei fünf Patienten durchgeführt, eine rechtsseitige Hemihepatektomie wurde bei zwei Patienten, eine erweiterte rechtsseitige Hemihepatektomie bei drei Patienten und bei einem Patienten wurde eine Mesohepatektomie durchgeführt. Die zusätzliche Nutzung des Navigationssystems verlängerte weder die Dauer der Dissektion, noch erhöhte sie den Blutverlust des Patienten signifikant. Bei allen Patienten konnte eine R0-Resektion unter einer exakten Führung des Hydrojet-Dissektors erreicht werden. Es traten intraoperativ keine auf der Navigationstechnik basierenden Komplikationen auf¹.

	Abb. 6: Anwendungsprototyp mit Kamerabild und Instrument relativ zueinander (oben) und mit Darstellung des präoperativen Lebermodells (unten)

Navigation in der laparoskopischen Leberchirurgie
Trotz technischer und instrumenteller Fortschritte in der laparoskopischen Chirurgie bleibt der Einsatz der Laparoskopie in der Leberchirurgie aufgrund methodischer Limitationen auf ausgewählte Indikationen beschränkt und ist Stand der derzeitigen kontroversen Diskussion^2,8,19. Erste Arbeiten hierzu wurden mittels des oben beschriebenen Navigationssystems und eines eigens konstruierten Adapters mit einer laparoskopischen Ultraschallsonde (B-K Medical, Dänemark) durchgeführt (Abb. 5a/b). Beim Einsatz am Tiermodell kam es zu keinen objektivierbaren Interferenzen zwischen dem Navigationssystem und dem laparoskopischen Instrumentarium²⁰.

Abb. 8: Schema zur Darstellung des präoperativen und intraoperativen Arbeitsablaufs beim Einsatz von Navigationssystemen und assoziierten Fehlerquellen (nach Hauser HNO 2; 2000)

Zurzeit wird im Rahmen des oben beschriebenen FUSION-Projektes* ein laparoskopisches Navigationssystem entwickelt, welches sowohl die laparoskopische Resektion als auch die Ablation ermöglicht und die präoperativen Planungsdaten verwendet. Die Planungsdaten werden von Mevis, Bremen, aufbearbeitet und zur Verfügung gestellt¹⁴. Die intraoperative Bildgebung besteht zum einen aus dem laparoskopischen Kamerabild, zum anderen aus dem laparoskopischen Ultraschallbild. Durch Registrierung der aktuellen intraoperativen Situation mit den präoperativen 3D-Daten sollen dem Chirurgen sowohl im Kamerabild als auch im Ultraschallbild die an die aktuelle Lage und Form der Leber angepassten präoperativen Daten präsentiert werden (Abb. 6, 7). Bei intraoperativ neu diagnostizierten Metastasen erfolgt eine Neuberechnung der Risikoanalyse, was eine Anpassung der Resektionsstrategie erlaubt. Außerdem wird die relative Lage der übrigen Instrumente zum Ultraschallkopf und zueinander visualisiert werden. Für die Lagebestimmung wird ein EM-Trackingsystem integriert, da die beweglichen Instrumententeile im Körper nicht von außen optisch erfasst werden können. Das System befindet sich im Stadium der Entwicklung und Evaluation. Eine Umsetzung dieser Technik kann jedoch in einer häufigeren minimal-invasiven Resektion von Lebertumoren münden.

Entwicklung eines Fehlermodells
Die Systemfehlerkontrolle ist für den Chirurgen essentiell. Die Fehlerquellen eines Navigationssystems müssen einzeln und summativ erkannt und hinsichtlich ihrer Wertigkeit und Beeinflussbarkeit analysiert werden. Nur so können diese Teilfehler minimiert und die intraoperative Navigation verbessert werden²¹. Ein Schema über die Fehlerquellen ist in Abb. 8 zu sehen.

Fazit
In Zukunft kann durch Einbeziehung neuerer Techniken, wie die der Navigation, die Orientierung und die Genauigkeit bei Leberoperationen verbessert werden. Insbesondere bei fortgeschrittenen oder zentral gelegenen Lebertumoren ist eine Erhöhung der onkologischen Radikalität und somit im besten Falle eine Steigerung der Überlebenshäufigkeit zu erwarten. Eine Kombination von präoperativer mit intraoperativer Bildgebung eröffnet dem Operateur bei notwendigen Änderungen des Resektionsausmaßes die Möglichkeit online Informationen über das verbleibende Restvolumen der Leber zu erhalten. Bedarf für rechnerunterstützte Navigationsverfahren besteht in der offenen, als auch in der laparoskopischen (Leber-)Chirurgie. Die Vorteile der minimal-invasiven Chirurgie sollen erhalten und ihre Nachteile, wie das Fehlen der taktilen Sinneswahrnehmung durch den Einsatz der Navigationstechnik, aufgehoben werden.

* Fusion (Future Environment for gentle Liver Surgery using Image-guided Planning and Intra-operative Navigation), BMBF Fördernummer 01 EQ 0401


Dr. Markus Kleemann¹, Dr. Philipp Hildebrand¹, Stefan Schlichting¹, Armin Besirevic^1, Dr. Lutz Mirow¹, PD Dr. Conny Bürk¹, Dr. Uwe Roblick¹, Prof. Dr. Hans-Peter Bruch¹, Volker Martens², Prof. Dr.-Ing. Achim Schweikard<sup>2

1</sup> Klinik für Chirurgie, UK S-H, Campus Lübeck, Ratzeburger Allee 160, 23538 Lübeck
² Institut für Robotik und kognitive Systeme, Universität zu Lübeck, Ratzeburger Allee 160, 23538 Lübeck

Literatur:

1. Kleemann M, Hildebrand P, Matthäus L, Schweikard A, Birth M, Bruch HP:
   Navigation in der Viszeralchirurgie. Posterpräsentation auf der 4. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboterassistierte Chirurgie (CURAC); 22.-24.09. 2005; Berlin
   
2. Descottes B, Glineur D, Lachachi F: Laparoscopic liver resection of benign liver tumors. Surg Endosc, 2003; 17(1):23-30
   
3. Couinaud W: Bases anatomique des hepatectomies gauche et droite reglees, techniques qui en deroule. J Chir 1954; 70:933-966
   
4. Meinzer HP, Thorn M, Cárdenas CE: Computerized planning of liver surgery - an overview. Computers & Graphics Volume 2002 Aug;26(4):569-76
   
5. Lamadé W, Glombitza G, Fischer L, Chiu P, Cardenas CE Sr, Thorn M, Meinzer HP,
   Grenacher L, Bauer H, Lehnert T, Herfarth C. The impact of 3-dimensional reconstructions on operation planning in liver surgery. Arch Surg. 2000 Nov;135(11):1256-61
   
6. Vetter M, Hassenpflug P, Wolf I, Thorn M, Cardenas CE, Grenacher L, Richter GM, Lamadé W, Büchler MW, Meinzer HP: Intraoperative Navigation in der Leberchirurgie mittels Navigationshilfen und Verformungsmodellierung. In: Meiler M, Saupe D, Kruggel F, Handels H, Lehmann T (Hrsg.): Bildverarbeitung für die Medizin 2002; Springer Verlag: 73-6
   
7. Vetter M, Hassenpflug P, Cardenas C, Thorn M, Glombitza W, Richter G, Meinzer HP: Navigation in der Leberchirurgie- Ergebnisse einer Anforderungsanalyse Anforderungen. In : Bildverarbeitung für die Medizin 2001, H. Handels, A. Horsch, T. Lehmenn, H.-P. Meinzer (Hrsg.), Informatik aktuell, S. 49-53, Springer, 2001
   
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10. Konishi K, Nakamoto M, Kakeji Y, Tanoue K, Kawanaka H, Yamaguchi S, Ieri S, Sato Y, Maehara Y, Tamura S, Haschizume M: A real-time navigation system for laparoscopic surgery based on three dimensional ultrasound using magneto-optic hybrid tracking configuration. Int J CARS (2007) 2: 11-18.
    
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