Computergestützte Quantitative Mitralklappenanalyse

Intraoperatives Computergestütztes Assistenzsystem

Konventionelle rekonstruktive Techniken können sehr vielseitig sein: Bestandteil fast aller rekonstruktiver Verfahren ist die Annuloplastie, die Implantation eines Rings auf den Mitralannulus, ein fasriges, ringförmiges Gewebe, welches die Klappensegel umgibt und stabilisiert. Durch Implantation dieses künstlichen Rings wird die pathologisch veränderte Mitralklappe stabilisiert und durch Umformung in eine anatomisch günstigere Form gebracht. Die Segel der Mitralklappe sind an Sehnenfäden befestigt, den sogenannten Chordae Tendineae. Diese verhindern das Durchschlagen der Segel in den Vorhof. Sind diese Sehnenfäden verlängert oder abgerissen führt dies zu einer undichten Klappe (Blutrückfluss in den linken Vorhof). Operativ kann dies durch das Kürzen der Chordae Tendinae oder durch Einnähen von Neo-Chordae (Gore-Tex Fäden) behoben werden. Gewebeüberschuss oder Spalten im hinteren Segel können mit einer drei- oder viereckigen Resektion oder einem einfachen Verschluss therapiert werden. Welche chirurgische Therapieform letztendlich für den Patienten am optimalsten ist, ist medizinisch bisher nicht bis ins Detail geklärt und Bedarf deshalb weiterer genauerer Analysen.

Vermessungen der Klappengeometrie mit Optischem Tracking System

In unserer Forschungsgruppe arbeiten wir an einem neuartigen computer-basiertes Assistenzsystem, dass eine umfangreiche quantitative Analyse der A) komplexen patientenspezifischen Klappengeometrie, B) des chirurgischen Vorgehens und C) des chirurgischen Ergebnisses ermöglichen soll. Ein zentraler Baustein des Assistenzsystems stellt die optische Trackingtechnologie dar, die eine sub-millimetergenaue reproduzierbare Vermessung des intraoperativen Mitralklappenapparates ermöglicht, wie wir durch Experimente zeigen konnten [Engelh2016b]. Für das System wurden getrackte Titan-Instrumentprototypen angefertigt (Bild 1), welche die dreidimensionale Lokalisierung von vordefinierten anatomischen Landmarken am Klappenapparat erlauben. Verschiedene Positionen an der Klappe können vom Chirurgen mit den Instrumentenspitzen angefahren werden. Für die chirurgische Strategie wichtige, bisher aber nicht ohne weiteres zu akquirierende Quantifizierungen, wie beispielsweise die der patienten-spezifischen Größe, Form und Fläche des Annulus, die Lage und Länge der Koaptation, spezifische regionale Chordaelängen u.v.m. können durch dieses Messverfahren intraoperativ ermittelt werden. Das Besondere ist, dass der Vermessungsprozess durch virtuelle Repräsentationen der Instrumente und der Landmarken am Bildschirm live vom chirurgischen OP-Team mitverfolgt werden kann (Bild 1).

Translation

Ein bisheriger Projekt-Meilenstein stellt die Translation der entwickelten Soft- und Hardwarekomponenten in den Operationssaal dar. Das System wurde bereits im Rahmen von Pilotstudien bei 9 Patienten mit Mitralklappeninsuffizienz an der Universität Heidelberg eingesetzt [Engelh2016a] (Bild 2) und konnte die Machbarkeit der Methodik unter Beweis stellen.

Der Ansatz zeigt das Potential auf, umfangreiche und komplett neue quantitative Deskriptoren in die klinische Routine zu integrieren. Dies kann die Entscheidungsfindung auf längere Sicht objektiver, standardisierter und einfacher verständlicher für den Chirurgen und die Prozedur sicherer für den Patienten machen. Gleichermaßen kann in Zukunft der intraoperative chirurgische Entscheidungsprozesses reproduzierbar quantitativ und damit objektiv unterstützt werden, insbesondere bei der Wahl der korrekten Neo-chordae Länge und einer adäquaten Annulus-Ringprothese (Bild 2).

Ausgewählte Preise

2015: 2. Platz EACTS Techno-College Innovation Award 2015: "From intraoperative empirical mitral valve inspection towards quantitative analysis using optical tracking" (Raffaele De Simone, Sandy Engelhardt, Ivo Wolf)

2015: Friedrich-Wingert-Stiftung Stipendium 5.000€ (Silvio Kolb)

2015: 2. Platz conhIT-Nachwuchspreis für die Bachelorarbeit "Tracking chirurgischer Fäden in Endoskopiesequenzen für eine automatische Prothesenselektion bei Mitralklappenrekonstruktionen" (Silvio Kolb)

2014: MICCAI-Augmented Environments Best Paper Award 2014 „Augmented Reality-Enhanced Endoscopic Images for Annuloplasty Ring Sizing” (Sandy Engelhardt)

2014: BVM-Preis für den besten Vortrag "Vermessung des Mitralapparats mit einem optisch getrackten Zeigeinstrument für die virtuelle Annuloplastie” (Sandy Engelhardt)

Ausgewählte Publikationen

[Engelh2016a] Engelhardt S, Wolf I, Al-Maisary S, Schmidt H, Meinzer H-P, Karck M, De Simone R. Intraoperative Quantitative Mitral Valve Analysis Using Optical Tracking Technology. Ann Thorac Surg. 2016 May;101(5):1950-6. doi: 10.1016/j.athoracsur.2016.01.018.

[Engelh2016b] Engelhardt S, De Simone R, Al-Maisary S, Kolb S, Karck M, Meinzer H-P, Wolf I. Accuracy Evaluation of a Mitral Valve Surgery Assistance System Based On Optical Tracking. Int J Comput Assist Radiol Surg. 2016 Oct;11(10):1891-904. doi: 10.1007/s11548-016-1353-z.

[Engelh2014a] Engelhardt S, De Simone R, Zimmermann N, Al-Maisary S, Nabers D, Karck M, Meinzer H-P, Wolf I. Augmented Reality-Enhanced Endoscopic Images for Annuloplasty Ring Sizing. In: 9th MICCAI Workshop on Augmented Environments for Computer Assisted Interventions AE-CAI 2014, Lecture Notes in Computer Science Volume 8678, 2014, pp 128-137. doi: 10.1007/978-3-319-10437-9_14.

[Engelh2014b] Engelhardt S, De Simone R, Nabers D, Zimmermann N, Al-Maisary S, Beller CJ, Karck M, Meinzer H-P, Wolf I. Intraoperative measurements on the mitral apparatus using optical tracking: a feasibility study. In: Image-Guided Procedures, Robotic Interventions, and Modeling Vol. 9038; SPIE Medical Imaging, 2014. doi: 10.1117/12.2043391.3

[Engelh2014c] Engelhardt S, Graser B, De Simone R, Zimmermann N, Karck M, Meinzer H-P, Nabers Diana, Wolf Ivo. Vermessung des Mitralapparats mit einem optisch getrackten Zeigeinstrument für die virtuelle Annuloplastie. In: Bildverarbeitung für die Medizin 2014, 252-257. doi: 10.1007/978-3-642-54111-7_48.

[Seitel2009] Seitel M, Maier-Hein L, Seitel A, Franz AM, Kenngott H, De Simone R, Wolf I, Meinzer H-P, 2009. RepliExplore: coupling physical and virtual anatomy models. Int J CARS 4, 417–424. doi:10.1007/s11548-009-0363-5

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