Tim Lüth

Laser-scan-based navigation in cranio-maxillofacial surgery

BACKGROUND In computer-assisted surgery, a correlation between a volume data set and the surgical site is required in order to localize the patients head on the operating table. Registration markers are commonly used for this procedure. However, the marker registration is associated with high logistics, since the markers have to be placed prior to data set acquisition and have to be kept in their position until the patient enters the operating room. This study deals with a new markerless registration method in cranio-maxillofacial surgery that is based on a high-resolution laser-scan of the patients (relaxed) skin surface. PATIENTS 20 patients with tumours, bone malformations or foreign bodies, scheduled for computer-assisted surgery, were involved in the study. STUDY DESIGN The clinically applied accuracy of the laser-scan-based registration was measured through additionally placed registration markers. The inherent precision of the laser-scan registration system was controlled in phantom studies. RESULTS The clinically applied accuracy of the new laser-scan-based registration technique ranged between 0.2 and 1.8 mm with a mean deviation of 1.1mm and a standard deviation of 0.3 mm. CONCLUSION The facial skin surface can serve as a sufficiently stable and invariable reference base in order to register patients for computer-assisted cranio-maxillofacial surgery.

Soft tissue scanning for patient registration in image-guided surgery.

Prior to an image-guided surgical intervention, a correlation between the patients data set and the surgical site is required. This study introduces a markerless registration method for craniomaxillofacial surgery that is based on a high-resolution laser scan of the patients skin surface. The Surgical Segment Navigator SSN++ rejects contaminated surface measurements in a way similar to the bluescreen technique. Acquisition of the spatial position and the corresponding surface color of each laser-scanned point facilitates this bluescreen method, removing points with a defined surface color, e.g., blue or green points. The accuracy of the laser-scan-based registration was measured via additional intraoral titanium-markers. These markers served only to check the accuracy of the markerless registration process. In twelve patients, the stability and accuracy of the data set alignment was evaluated for high-(300,000 surface points), medium-, and low-resolution (down to 3,750 surface points) laser scanning. The accuracy of the registration technique was best for high-resolution laser scanning (mean deviation 1.1 mm; maximum deviation 1.8 mm). Low-resolution laser scans revealed inaccuracies up to 6 mm.

Image-Based Control of Interactive Robotics Systems

In this paper a robotics system is described which supports the surgeon during drilling and shaping operations. The special feature of this system is the fusion of control commands by the surgeon and control commands derived directly in real-time from the image data of the patient. This interactive control of a robotics system leads to a cooperation between the surgeon and the robotics system. Because the robotics system can directly access to the image data within every control cycle it provides a higher accuracy and an enhanced safety of drilling operations. A tool for the quantitative analysis of the image data, the interactive control system of the robotics system and the first application in Anaplastology is presented.

Robot Control in Maxillofacial Surgery

This paper presents the architecture and the implementation of a robot controller for a Delta-3 manipulator used for the implantation of bone fixtures for Anaplastology. The main feature of this robotics system for maxillofacial surgery is its interactive tool handling in conjunction with an image based control. The controller allows the use of the system as an intelligent tool which carries the drilling machine, allows the handling of the drilling machine as usual during the whole intervention, and extents the potential position and orientation accuracy of the surgeon. A control algorithm is described which allows a stable guidance of the manipulator in contact and non-contact situations. This algorithm works without the use of two force/torque sensors for distinguishing contact and guiding forces. Currently, the system undergoes a technical approval and first clinical experiments with cadavers.

Next generation's navigation systems

Abstract The data set correlation between the surgical site and the corresponding image data set in the operating room (OR) is the most time-consuming process for the surgeon. The next generations navigation systems ought to perform an automatic and highly accurate patient registration in the OR. Two systems that meet these criteria, the Surgical Segment Navigator SSN and the SSN++, are described. The SSN was developed in 1997 and is used for computer-assisted bone segment navigation. The SSN++, which has further been developed since 1999, utilizes laser scans of the surgical site. Both systems perform patient registration by just one click on a command button.

Neue Konzepte in der bildgestützten Chirurgie: automatische Patientenregistrierung anhand von Kiefer und Ohrmuschel

Mit Hilfe einer automatischen und markerlosen Patientenregistrierung auf der Basis natürlicher anatomischer Grenzflächen kann im Vorfeld eines computergestützten chirurgischen Eingriffs eine deutliche Reduktion von Strahlenbelastung und logistischem Aufwand erreicht werden, weil auf das Platzieren und Einmessen röntgensichtbarer Referenzmarker verzichtet werden kann. In einer klinischen Studie sollte überprüft werden, ob neben dem Gesicht auch die Ohrmuschel sowie der Ober- und Unterkiefer als anatomische Grenzfläche zur intraoperativen Registrierung der Patientenlage verwendet werden können. Vor einem chirurgischen Eingriff wurde die räumliche Lage von 20 Patienten mit Hilfe eines hochauflösenden 3D-Laserscans registriert und markerlos mit dem präoperativen CT-Datensatz korreliert. Indikation für den chirurgischen Eingriff waren Tumoren, skelettale Fehlbildungen und Fremdkörper. Die Ohrmuschel sowie der Ober- und Unterkiefer wurden dabei zur Registrierung der Patientenlage genutzt. Durch eine zusätzliche konventionelle markerbasierte Patientenregistrierung wurde die Genauigkeit dieser neuen—an sich markerlosen—Methode klinisch evaluiert. Die markerlose Patientenregistrierung auf der Basis natürlicher anatomischer Grenzflächen war im Bereich des Oberkiefers verlässlich möglich (Abweichung: 0,8±0,3 mm), im Unterkiefer haben Zunge und beweglicher Mundboden zu geometrischer Inkongruenz und mangelhafter Laserregistrierung geführt. Mit Hilfe der Ohrmuschelregistrierung war eine hohe Präzision zu erzielen, solange die Ohrmuschel während der CT-Bildgebung oder während des Laserscannens nicht deformiert wurde (Abweichung: 1,9±0,9 mm). Die übliche CT-Bildakquisition mit Kopfschale führte jedoch bei mehr als der Hälfte der Patienten zu temporären Ohrmuscheldeformierungen, die eine exakte Laserscanregistrierung unmöglich machte. Automatic and markerless patient registration based on natural anatomical interfaces may considerably reduce the radiation load and logistical input prior to computer-assisted surgical interventions, as it is not necessary to place and measure reference markers. The present study was to find out if, apart from the facial skin, also auricles as well as the upper and lower jaw can be used as anatomical interfaces for the intraoperative registration of the patient’s position. Prior to surgical intervention the positions of 20 patients were registered by a high-resolution 3D laser scan and correlated with the preoperative CT data set. Tumors, skeletal malformations, and foreign bodies were indications for surgical intervention. Auricles as well as the upper and lower jaw were used to register the patient’s positions. The accuracy of this—basically markerless—method was clinically evaluated through the additionally placed conventional registration markers. The markerless patient registration based on natural anatomical interfaces was successful in the upper jaw (deviation: 0.8±0.3 mm). The tongue and mobile floor of the mouth led to geometric incongruence and inadequate laser registration in the lower jaw. As far as the auricles were concerned, high accuracy could only be achieved as long as the auricles had not been deformed during CT imaging (deviation: 1.9±0.9 mm). The usual CT acquisition with a conventional head support, however, led to temporary auricular deformations in more than half of the patients, which made an exact laser scan registration impossible.

Methoden und Verfahren zur Navigation in der dentalen Implantologie (Methods for Navigation in Dental Implantology)

Dieser Beitrag stellt ein neuartiges Navigationssystem zum Einsatz in der dentalen Implantologie vor. Das in der Klinik für MKG-Chirurgie und Klinische Navigation und Robotik (Prof. Dr. mult. h.c. Jürgen Bier und Prof. Dr. Tim Lüth) entwickelte System zeichnet sich durch die Automatisierung sämtlicher Messaufgaben wie Patientenregistrierung, Instrumentenkalibrierung und Bohrerlängenmessung sowie durch ein neuartiges Zielsystem zur navigierten Instrumentenausrichtung aus. Dieser Artikel stellt neben der Systemarchitektur das Konzept und die Realisierung einer automatischen Patientenregistrierung vor. In Experimenten wird die Praktikabilität der entwickelten Verfahren gezeigt.

Doppelseitige Rehabilitation mit einer implantatfixierten Orbitaepithese

Ein Patient kann nach Verlust seines Auges in der Regel durch Eingliederung einer Augenprothese aus Glas ästhetisch vollständig rehabilitiert werden. Bei starker Alteration der filigranen Strukturen der Lider oder des Augenprothesenlagers wird die Versorgung schwieriger, so daß manchmal kein kosmetisch befriedigendes Ergebnis erreichbar ist. Hier bietet sich die Rehabilitation mit einer Orbitaepithese als Alternative an. Ein sicherer Halt erfolgt über kraniofaziale Implantate. Während die einseitige Rehabilitation häufiger durchgeführt wird, ist eine doppelseitige Versorgung eine Rarität. Hier wird von einem solchen Fall nach doppelseitiger Augenentfernung und epithetischer Rehabilitation aufgrund von beidseitig aufgetretenen Retinoblastomen berichtet. From the aesthetic point of view, a patient can be completely rehabilitated after the loss of an eye with the insertion of an artificial eye made of glass. If the delicate structures of the eyelids have been severely damaged, however, or if the eye socket does not provide adequate retention for an eye prosthesis, rehabilitation becomes more difficult, and sometimes cannot be achieved with a cosmetically satisfactory result. In such cases, a facial prosthesis offers an alternative solution. Stable retention can be ensured with craniofacial implants. Single-sided rehabilitation by this method is quite common, but bilateral treatment is a rarity. We report on the prosthetic rehabilitation of a patient after exenteration on both sides due to retinoblastomas.

Automatisierungstechnische Verfahren für die Medizin Methods of Automation in Medicine

Eine Gesellschaft, die immer stärker auf die Erhaltung von körperlicher und geistiger Gesundheit angewiesen ist, muss sich dieser Herausforderung durch universitäre fachübergreifende Forschung stellen. Die Automatisierungstechnik kann hier, wie schon in der Vergangenheit gezeigt, einen entscheidenden Beitrag leisten. Es besteht ein erheblicher Wachstumsund Nachholbedarf in der Entwicklung von Technologie für Mensch und Gesundheit.

Ein System zum navigierten Schneiden unter Ultraschallkontrolle

In diesem Artikel wird ein neues System fur die Weichgewebschirurgie vorgestellt, durch das ein Elektromesser auf der Basis von Ultraschallbildern navigiert und in seiner Leistung kontrolliert wird. Dazu werden Ultraschallbilder wahrend des Eingriffs aufgenommen. Sie werden dem Arzt auf einem Anzeigegerat direkt am Situs prasentiert. Die Position des Elektromessers wird auf den Bildern visualisiert. Der Arzt plant auf den Ultraschallbildern, welche Bereiche er schneiden will. Das Elektromesser wird vom System nur in diesen Bereichen zum Schneiden freigegeben. Das System soll so helfen, Tumore in Weichgewebe (speziell in der Leber) einfach aufzufinden und sicher entfernen zu konnen.