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Computerassistierte Chirurgie
Peter Michael Schlag | Sebastian Eulenstein | Thomas Lange | Stefan Dangl
(2012)
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Abstract
Das Buch stellt die computerassistierte Chirurgie erstmals in deutscher Sprache grundlegend und umfassend dar.
Im ersten Teil werden alle wesentlichen Grundlagen über alle chirurgischen Fachgebiete hinweg behandelt, u.a. Visualisierung, computerassistierte Chirurgieplanung, Lokalisierungssysteme, roboterassistierte minimal-invasive Chirurgie, Analyse und Beschreibung chirurgischer Workflows und Bewertung der Mensch-Maschine-Interaktion.
Der zweite Teil beschreibt die klinischen Fragestellungen, Lösungsansätze und bisherigen Erfahrungen in den jeweiligen chirurgischen Fachgebieten.
Table of Contents
| Section Title | Page | Action | Price |
|---|---|---|---|
| Front Cover\r | Cover | ||
| Computerassistierte Chirurgie | III | ||
| Copyright\r | IV | ||
| Geleitwort | V | ||
| Geleitwort | VI | ||
| Vorwort der Herausgeber | VII | ||
| Autoren | VIII | ||
| Inhaltsverzeichnis | XV | ||
| Part I -\rGrundlagen | 1 | ||
| KAPITEL 1 - Bildgebung für computergestützte Operationen und Interventionen | 3 | ||
| 1.1 Einleitung | 3 | ||
| 1.2 Übersicht über digitale medizinische Bilddaten | 4 | ||
| 1.3 Operationsplanung auf Basis medizinischer Bilddaten | 11 | ||
| 1.4 Intraoperative Bildgebung | 12 | ||
| 1.5 Zusammenfassung | 15 | ||
| KAPITEL 2 - Visualisierung | 17 | ||
| 2.1 2D-Visualisierung | 18 | ||
| 2.2 Direkte Volumenvisualisierung | 20 | ||
| 2.3 Indirekte Volumenvisualisierung | 27 | ||
| 2.4 Virtuelle Endoskopie | 35 | ||
| 2.5 Visualisierung von DT-MRT-Daten | 41 | ||
| 2.6 Gefäßvisualisierung | 47 | ||
| 2.7 Virtuelle und erweiterte Realität | 52 | ||
| 2.8 Zusammenfassung | 57 | ||
| KAPITEL 3 - Bildsegmentierung | 63 | ||
| 3.1 Einleitung | 63 | ||
| 3.2 Pixelbasierte Verfahren | 65 | ||
| 3.3 Kantenbasierte Verfahren | 66 | ||
| 3.4 Regionenbasierte Verfahren | 68 | ||
| 3.5 Modellbasierte Verfahren | 71 | ||
| 3.6 Praktische Aspekte der Entwicklung von Segmentierungsverfahren | 76 | ||
| 3.7 Evaluation der Genauigkeit | 80 | ||
| 3.8 Diskussion | 81 | ||
| KAPITEL 4 - Bildregistrierung | 85 | ||
| 4.1 Einleitung | 85 | ||
| 4.2 Grundlagen der Registrierung | 88 | ||
| 4.3 Registrierung mittels Merkmalen | 93 | ||
| 4.4 Distanzmaße für intensitätsbasierte Registrierung | 97 | ||
| 4.5 Rigide intensitätsbasierte Verfahren | 99 | ||
| 4.6 Nichtrigide intensitätsbasierte Registrierung | 100 | ||
| 4.7 Integration von Vorwissen | 105 | ||
| 4.8 Bewertung von Registrierungsverfahren | 107 | ||
| 4.9 Praktische Aspekte der Entwicklung von Registrierungsverfahren | 114 | ||
| 4.10 Diskussion | 116 | ||
| KAPITEL 5 - Computerassistierte Chirurgieplanung | 119 | ||
| 5.1 Planung chirurgischer Eingriffe | 119 | ||
| 5.2 Computerassistierte Planung in der Chirurgie | 120 | ||
| 5.3 Typische chirurgische Planungsaufgaben | 129 | ||
| 5.4 Bewertungskriterien für Planungssysteme | 144 | ||
| 5.5 Resümee und Ausblick | 146 | ||
| KAPITEL 6 - Simulatoren für die Ausbildung | 151 | ||
| 6.1 Motivation | 151 | ||
| 6.2 Struktur von Simulationssystemen | 152 | ||
| 6.3 Simulatoren: Überblick | 157 | ||
| 6.4 Diskussion | 159 | ||
| KAPITEL 7 - Das Konzept der Navigation | 163 | ||
| 7.1 Geschichte der klinischen Navigation | 163 | ||
| 7.2 Grundlagen der Navigation | 164 | ||
| 7.3 Anforderungen an Navigationssysteme | 169 | ||
| 7.4 Konzepte zur Erfüllung der Anforderungen | 170 | ||
| 7.5 Grenzen und Fehlerquellen der Navigation | 173 | ||
| 7.6 Zusammenfassung und Überleitung zu den speziellen Navigationskapiteln | 174 | ||
| KAPITEL 8 - Lokalisierungssysteme | 177 | ||
| 8.1 Einführung | 177 | ||
| 8.2 Grundlagen der Positionsbestimmung im Raum | 178 | ||
| 8.3 Trackingtechnologien | 178 | ||
| 8.4 Charakteristika optischer Trackingsysteme | 181 | ||
| 8.5 Charakteristika elektromagnetischer Trackingsysteme | 184 | ||
| 8.6 Tracking mithilfe von Bildgebungsmodalitäten | 186 | ||
| 8.7 Instrumentenkalibrierung | 186 | ||
| 8.8 Trackergenauigkeit: Verfahren und limitierende Faktoren | 187 | ||
| 8.9 Medizinische Anwendungen von Trackern außerhalb der Chirurgie | 188 | ||
| KAPITEL 9 - Bild-zu-Patient-Registrierung | 191 | ||
| 9.1 Rahmenlose Stereotaxie | 191 | ||
| 9.2 Punktbasierte Registrierung (Paired-Point-Registrierung) | 191 | ||
| 9.3 Oberflächenbasierte Registrierung (Surface Matching) | 194 | ||
| 9.4 Registrierung bei intraoperativer Bildgebung | 197 | ||
| 9.5 Automatisierung der Registrierung | 198 | ||
| 9.6 Einflussfaktoren auf die Genauigkeit der Registrierung | 198 | ||
| 9.7 Verbesserung der Genauigkeit | 202 | ||
| 9.8 Klinische Kriterien für die Auswahl des Bildgebungs- und Registrierungsverfahrens | 202 | ||
| KAPITEL 10 - Typen von Navigationssystemen | 207 | ||
| 10.1 Einleitung | 207 | ||
| 10.2 Präoperative 3D-Bildgebung | 207 | ||
| 10.3 Intraoperative 2D-Bildgebung | 209 | ||
| 10.4 Intraoperative 3D-Bildgebung | 210 | ||
| 10.5 Bildfreie Navigation | 212 | ||
| 10.6 Zusammenfassung | 212 | ||
| KAPITEL 11 - Technische Bewertung von Navigationssystemen | 215 | ||
| 11.1 Einleitung | 215 | ||
| 11.2 Genauigkeit | 216 | ||
| 11.3 Effizienz, Aufwand und Kosten | 222 | ||
| 11.4 Zuverlässigkeit und Sicherheit | 222 | ||
| 11.5 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen | 223 | ||
| KAPITEL 12 - Autonome und interaktive Medizinroboter | 225 | ||
| 12.1 Begriffsbestimmung | 226 | ||
| 12.2 Wesentliche Aspekte bei der Beschreibung aktiver Assistenzsysteme | 227 | ||
| 12.3 Konzepte für Assistenzroboter | 231 | ||
| 12.4 Kombination von Navigationssystem und Roboter | 235 | ||
| 12.5 Wesentliche Schritte bei der Planung und Ausführung eines CAS-Eingriffs mit Assistenzroboter | 244 | ||
| 12.6 Mensch-Maschine-Schnittstelle | 249 | ||
| 12.7 Diskussion praxisrelevanter Aspekte anhand typischer Anwendungen | 252 | ||
| KAPITEL 13 - Navigated Control: Leistungsregelung chirurgischer Instrumente | 259 | ||
| 13.1 Einführung und Motivation | 259 | ||
| 13.2 Klinische Problemstellung | 259 | ||
| 13.3 Ansatz und Prinzip | 261 | ||
| 13.4 Benutzungsablauf | 262 | ||
| 13.5 Klinischer Nutzen | 263 | ||
| 13.6 Klärung grundlegender Missverständnisse | 263 | ||
| 13.7 Anwendungsgebiete | 264 | ||
| 13.8 Ausblick | 265 | ||
| KAPITEL 14 - Roboterassistierte minimal-invasive Chirurgie | 267 | ||
| 14.1 Die manuelle minimal-invasive Chirurgie | 267 | ||
| 14.2 Telepräsenz in der Chirurgie | 270 | ||
| 14.3 Vergleich zwischen Roboter und Mensch | 273 | ||
| 14.4 Technische Ausprägung der robotergestützten MIC | 275 | ||
| 14.5 Zusammenfassung und Ausblick | 283 | ||
| KAPITEL 15 - Aktive Navigation durch magnetische Kathetersteuerung1 | 287 | ||
| 15.2 Klinische Motivation und klinischer Hintergrund | 287 | ||
| 15.3 Magnetische Navigationstechnologie | 288 | ||
| 15.4 Magnetkatheter | 289 | ||
| 15.5 Ablauf der magnetischen Navigation | 290 | ||
| 15.6 Mapping- und Ablationsprotokoll | 291 | ||
| 15.7 Vorteile des magnetischen Systems | 292 | ||
| 15.8 Limitationen des magnetischen Systems | 293 | ||
| 15.9 Erwartungen an künftige Entwicklungen | 293 | ||
| KAPITEL 16 - Robotiksysteme für die Radiochirurgie | 295 | ||
| 16.1 Einleitung | 295 | ||
| 16.2 Aufbau und Funktionsweise des CyberKnife-Systems | 295 | ||
| 16.3 Computerassistierte Behandlungsplanung und Kollisionsvermeidung | 296 | ||
| 16.4 Bildgestützte Navigation | 298 | ||
| 16.5 Kompensation von Atembewegungen | 300 | ||
| KAPITEL 17 - Analyse und Beschreibung chirurgischer Workflows | 303 | ||
| 17.1 Einleitung | 303 | ||
| 17.2 Begrifflichkeiten und Definitionen | 304 | ||
| 17.3 Chirurgische Prozessanalyse | 304 | ||
| 17.4 Anwendungsbeispiele | 308 | ||
| 17.5 Zusammenfassung und Ausblick | 310 | ||
| KAPITEL 18 - Integration von Informationen und CAS-Systemen mit einem Therapy Imaging and Model Management System (TIMMS) | 311 | ||
| 18.1 Einführung | 311 | ||
| 18.2 Konzepte und Werkzeuge für die Patientenmodellierung | 313 | ||
| 18.3 Modellgestützte Therapie mit der IT-Infrastruktur TIMMS | 315 | ||
| 18.4 Klinische Anwendungen | 320 | ||
| 18.5 Fazit und Ausblick | 321 | ||
| KAPITEL 19 - Bewertung der Mensch-Maschine-Interaktion | 323 | ||
| 19.1 Einleitung | 323 | ||
| 19.2 Bewertung von Geräten in der computerassistierten Chirurgie | 323 | ||
| 19.3 Diskussion | 330 | ||
| Part II -\rKlinische Anwendungen | 333 | ||
| KAPITEL 20 - Navigationstypen in der Unfallchirurgie und Orthopädie | 335 | ||
| 20.1 Einleitung | 335 | ||
| 20.2 Grundlagen | 336 | ||
| 20.3 Navigationstypen nach unterschiedlichen bildgebenden Modalitäten | 337 | ||
| 20.4 Ausblick | 342 | ||
| KAPITEL 21 - Navigierte klinische Anwendungen in der Unfallchirurgie und Orthopädie | 345 | ||
| 21.1 Hüft-TEP-Navigation | 345 | ||
| 21.2 Knie-TEP-Navigation | 346 | ||
| 21.3 Tibiale Osteotomien | 348 | ||
| 21.4 Tumorresektionen | 349 | ||
| 21.5 Wirbelsäule | 350 | ||
| 21.6 Traumatologische Applikationen | 350 | ||
| KAPITEL 22 - Aktive Assistenzsysteme in der Unfallchirurgie und Orthopädie | 353 | ||
| 22.1 Einleitung | 353 | ||
| 22.2 Technische Entwicklung im Bereich der Unfallchirurgie und Orthopädie | 354 | ||
| 22.3 Anforderungen an aktive Assistenzsysteme im Operationssaal | 355 | ||
| 22.4 Zusammenfassung | 356 | ||
| KAPITEL 23 - Multimodale Bildgebung und Navigation in der Neurochirurgie | 359 | ||
| 23.1 Einleitung | 359 | ||
| 23.2 Präoperative Visualisierung und Operationsplanung | 360 | ||
| 23.3 Bildgebungstechniken für die Neurochirurgie | 361 | ||
| 23.4 Multimodale Bildgebung und Navigation in einzelnen Einsatzgebieten | 364 | ||
| 23.5 Diskussion und Ausblick | 372 | ||
| KAPITEL 24 - Intraoperative MRT-Bild | 377 | ||
| 24.1 Einleitung | 377 | ||
| 24.2 Intraoperative Niederfeld-MRT-Bildgebung (0,2 T) | 378 | ||
| 24.3 Intraoperative Hochfeld-MRT-Bildgebung (1,5 T) | 378 | ||
| 24.4 Multimodale Navigation | 381 | ||
| 24.5 Alternative intraoperative Bildgebungsmodalitäten | 382 | ||
| 24.6 Diskussion | 383 | ||
| KAPITEL 25 - Intraoperativer Ultraschall in der Neurochirurgie | 387 | ||
| 25.1 Brain-Shift und Neuronavigation | 387 | ||
| 25.2 Intraoperativer 2D-Ultraschall | 387 | ||
| 25.3 Navigierter intraoperativer 3D-Ultraschall | 388 | ||
| 25.4 Navigierter 3D-Ultraschall bei Hirntumoren | 390 | ||
| 25.5 Intraoperative kontrast | 391 | ||
| 25.6 Integration in den Operationssaal und zukünftige technische Entwicklungen | 394 | ||
| KAPITEL 26 - Virtuelle Trainingssysteme in der Neurochirurgie und die Bedeutung der Haptik | 397 | ||
| 26.1 Einleitung | 397 | ||
| 26.2 Operative Ausbildung und Lernkurve | 397 | ||
| 26.3 Anforderungen an ein virtuelles Trainingssystem | 398 | ||
| 26.4 Medizinische VR-Simulatoren | 398 | ||
| 26.5 Chirurgische VR-Simulatoren | 399 | ||
| 26.6 Verwendung von haptischem Force-Feedback | 400 | ||
| 26.7 Der Ventrikulozistern | 401 | ||
| 26.8 Ausblick: Vorteile von VR-Simulatoren für die operative Ausbildung | 404 | ||
| KAPITEL 27 - Osteotomieplanung in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie | 407 | ||
| 27.1 Einleitung | 407 | ||
| 27.2 Physische 3D-Modelle | 407 | ||
| 27.3 Virtuelle 3D-Modelle | 408 | ||
| 27.4 Datenerfassung | 408 | ||
| 27.5 Die 3D-Operationsplanung | 409 | ||
| 27.6 Navigation | 410 | ||
| 27.7 Klinisches Anwendungsspektrum für virtuelle 3D-Modelle und 3D-OP-Planungen | 410 | ||
| 27.8 Ausblick | 414 | ||
| KAPITEL 28 - Minimal-invasive Eingriffe und Biopsien in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie | 417 | ||
| 28.1 Einleitung | 417 | ||
| 28.2 Technik | 417 | ||
| 28.3 Indikationen | 418 | ||
| 28.4 Einschränkungen und technische Perspektiven | 418 | ||
| KAPITEL 29 - Dentale Implantologie | 421 | ||
| 29.1 Einleitung | 421 | ||
| 29.2 Konzept der dentalen Implantologie | 421 | ||
| 29.3 Zusammenfassung | 427 | ||
| KAPITEL 30 - Autologe Knochen trans plan tation und CAD/CAM-Implan ta tion in der Mund-, Kiefer- und Gesichts chirurgie\r | 429 | ||
| 30.1 Einleitung | 429 | ||
| 30.2 Computergestützte Systeme für die autologe Knochentransplantation | 429 | ||
| 30.3 CAD/CAM-Implantate | 431 | ||
| 30.4 Computergestützte CAD/CAM-Implantatinsertion | 431 | ||
| 30.5 Ausblick | 433 | ||
| KAPITEL 31 - Gesichtsschädelrekonstruktion | 437 | ||
| 31.1 Einleitung | 437 | ||
| 31.2 Computerbasierte Planung | 437 | ||
| 31.3 Besonderheiten der intraoperativen Navigation auf dem MKG-Gebiet | 438 | ||
| 31.4 Rekonstruktive Eingriffe | 440 | ||
| KAPITEL 32 - CAS in der HNO-Chirurgie | 445 | ||
| 32.1 Hintergrund HNO-Chirurgie | 445 | ||
| 32.2 CAS in der HNO | 448 | ||
| 32.3 Surgical Cockpit | 451 | ||
| 32.4 Fazit | 457 | ||
| KAPITEL 33 - Endoskopische Herzchirurgie | 461 | ||
| 33.1 Integration virtueller Klappenprothesen in das intraoperative 3D-Ultraschallbild | 462 | ||
| 33.2 Augmentierte Realität in der endoskopischen Bypasschirurgie | 463 | ||
| 33.3 Kathetergesteuerter Aortenklappenersatz | 465 | ||
| 33.4 Zusammenfassung | 467 | ||
| KAPITEL 34 - Ablation von Vorhofarrhythmien | 469 | ||
| 34.1 Ablation von Vorhofarrhythmien – medizinische Erfolge und Probleme | 469 | ||
| 34.2 Computermodelle vom Vorhof | 470 | ||
| 34.3 Optimierung von Ablationsstrategien | 472 | ||
| 34.4 Navigation im Herzen und Überlagerung mit Bilddaten | 473 | ||
| 34.5 Vision: Personalisierte Modelle vom Vorhof und individuelle Optimierung der Ablationsstrategie | 474 | ||
| 34.6 Zusammenfassung, Bewertung und Ausblick | 475 | ||
| KAPITEL 35 - Magnetisch gesteuerte Führungsdrähte für die Schrittmacherplatzierung1\r | 479 | ||
| 35.1 Klinischer Hintergrund | 479 | ||
| 35.2 Positionierung der Stimulationselektroden durch magnetische Navigation | 480 | ||
| 35.3 Koronarsinussondierung und Erstellung einer Gefäßkarte | 481 | ||
| 35.4 Navigation des Führungsdrahtes | 482 | ||
| 35.5 Limitationen | 483 | ||
| 35.6 Fazit | 483 | ||
| KAPITEL 36 - Navigation in der Bronchoskopie | 485 | ||
| 36.1 Einleitung | 485 | ||
| 36.2 Bildgebung als Basis zur bronchoskopischen Navigation | 485 | ||
| 36.3 Instrumentensteuerung | 489 | ||
| 36.4 Navigation | 491 | ||
| 36.5 Kommunikation | 495 | ||
| 36.6 Szenarien für die Zukunft | 495 | ||
| KAPITEL 37 - Roboterassistierte thorakoskopische Chirurgie | 499 | ||
| 37.1 Einleitung | 499 | ||
| 37.2 Organspezifische Anwendung des Roboters in der Thoraxchirurgie | 500 | ||
| 37.3 Ausblick und Diskussion | 504 | ||
| KAPITEL 38 - Planung von In-situ-Ablationsverfahren bei Lebermetastasen | 507 | ||
| 38.1 Einleitung | 507 | ||
| 38.2 Anforderungen bei der Planung von In-situ-Ablationen | 508 | ||
| 38.3 Planungssysteme | 509 | ||
| 38.4 Konzept eines Planungssystems zur RF-Ablation von Lebertumoren | 511 | ||
| 38.5 Zusammenfassung und Ausblick | 513 | ||
| KAPITEL 39 - Planung von Leberresektionen | 515 | ||
| 39.1 Einleitung | 515 | ||
| 39.2 Risikofaktoren bei Leberresektionen | 515 | ||
| 39.3 Anforderungen an die computergestützte Planung von Leberresektionen | 515 | ||
| 39.4 Technologie | 516 | ||
| 39.5 Klinische Einsatzgebiete | 519 | ||
| 39.6 Diskussion und Ausblick | 521 | ||
| 39.7 Zusammenfassung | 522 | ||
| KAPITEL 40 - Navigation in der offenen Leberchirurgie | 525 | ||
| 40.1 Einführung | 525 | ||
| 40.2 Rationale für eine computerassistierte Navigation in der Leberchirurgie | 526 | ||
| 40.3 Navigationstechnologien in der Leberchirurgie | 527 | ||
| 40.4 Zusammenfassung und Aussichten | 531 | ||
| KAPITEL 41 - Navigationsunterstützung in der laparoskopischen Leberchirurgie | 533 | ||
| 41.1 Einleitung | 533 | ||
| 41.2 Besondere Problematik in der laparoskopischen Leberchirurgie | 533 | ||
| 41.3 Navigationssysteme für laparoskopische Therapie | 534 | ||
| 41.4 Prä- und intraoperative Bildgebung | 536 | ||
| 41.5 Anwendungen der Navigationsunterstützung in der laparoskopischen Leberchirurgie | 536 | ||
| 41.6 Entwicklung eines Fehlermodells | 539 | ||
| 41.7 Fazit | 539 | ||
| KAPITEL 42 - Telemanipulatoren in der Viszeralchirurgie – SoloAssist® | 541 | ||
| 42.1 Einleitung | 541 | ||
| 42.2 Anforderungen an eine neue Generation von Telemanipulatoren | 541 | ||
| 42.3 Das System SoloAssist® | 542 | ||
| KAPITEL 43 - Assistenzsysteme für die Single-Port-Chirurgie und die Chirurgie über natürliche Körperöffnungen (NOTES) | 545 | ||
| 43.1 Einleitung | 545 | ||
| 43.2 Anforderungen an Assistenzsysteme | 545 | ||
| 43.3 Derzeitiger Stand der Technik | 546 | ||
| 43.4 Weitere Entwicklungsaufgaben | 549 | ||
| KAPITEL 44 - Simulatoren in der Viszeralchirurgie | 553 | ||
| 44.1 Laparoskopie-Simulatoren | 553 | ||
| 44.2 OP-Simulatoren in der Praxis | 554 | ||
| 44.3 Wissenschaftliche Evaluation | 556 | ||
| 44.4 Derzeitige Probleme und Entwicklungen | 558 | ||
| 44.5 Fazit und Ausblick | 559 | ||
| KAPITEL 45 - Robotische Chirurgie in der Urologie | 563 | ||
| 45.1 Einführung | 563 | ||
| 45.2 Autonome Systeme | 563 | ||
| 45.3 dv:STARTTelemanipulatoren | 563 | ||
| 45.4 Roboterassistierte laparoskopische Eingriffe in der Urologie | 565 | ||
| KAPITEL 46 - Roboterassistierte gynäkologische Operationen | 577 | ||
| 46.1 Einleitung | 577 | ||
| 46.2 Roboterassistierte Hysterektomie und Myomektomie | 577 | ||
| 46.3 Das DaVinci-System in der gynäkologischen Onkologie | 579 | ||
| 46.4 Urogynäkologische roboterassistierte Operationen | 583 | ||
| 46.5 Weitere Indikationen | 584 | ||
| 46.6 Ausblick | 584 | ||
| KAPITEL 47 - Radiochirurgie mit CyberKnife | 587 | ||
| 47.1 Einleitung | 587 | ||
| 47.3 Klinische Anwendung | 589 | ||
| 47.4 Zusammenfassung | 590 | ||
| Register | 591 |