Integration of Intraoperative 3D-Ultrasound in a Commercial Navigation System

Abstract

Study Aims: The purpose of this study was the integration of three-dimensional ultrasound data into a neuronavigation system, in order to allow a guided intraoperative resection control during neurosurgical interventions. Material und Methods: A system for iterative neuronavigation based on 3D-ultrasound (US) has been developed. The main components of the system are the ultrasound device Voluson 730 (GE Healthcare) with a 5 - 9 MHz probe, the navigation system VectorVision2® (BrainLAB AG) and a standard PC with Windows XP. The ultrasound data are transferred via DICOM from the ultrasound device to an external computer, where they are processed with a C++ program for representation in the neuronavigation coordinate system. The data transfer between the navigation system and the external computer is performed via the VVLink interface from BrainLAB. The feasibility test of the system was performed with an ultrasound phantom RMI 403GS (Gammex-RMI GmbH). Results: The error of homologous points mapping from US datasets to a CT dataset in the neuronavigation system was determined to be 1.9 ± 0.97 mm. The maximum time required to technically integrate the ultrasound data into the navigation system was 1.5 min. Conclusions: The developed system allows 3D-ultrasound based navigation to be carried out with a commercially available navigation system. The functionality of this system has been proven by technical tests. Recording and integration of the ultrasound data can be repeated at any time during surgery and can be used to update anatomical data and consequently for resection control. Another application is the intraoperative adaptation of preoperative datasets (MRI or CT) in order to compensate for “brain shift” during neurosurgical operations.

Zusammenfassung

Ziele der Studie: Das Ziel war die Integration dreidimensionaler Ultraschalldaten in ein kommerzielles Navigationssystem, um eine navigierte intraoperative Resektionskontrolle bei neurochirurgischen Eingriffen zu ermöglichen. Material und Methoden: Das System für die intraoperative 3D-Ultraschallnavigation wurde entwickelt. Die Hauptkomponenten des Systems sind das Ultraschallgerät Voluson 730 von GE Healthcare (ehem. Kretztechnik AG) mit der 5 - 9-MHz-Sonde, Navigationssystem VectorVision2® von der Fa. BrainLAB AG und ein Standardrechner mit Windows XP-System. Die Ultraschalldaten werden per DICOM vom Ultraschallgerät an einen externen Rechner übertragen und dort mit einem C++-Programm für die Darstellung im Navigationskoordinatensystem transformiert. Die Datenübertragung zwischen dem Navigationssystem und dem Rechner erfolgt über die VVLink-Schnittstelle von der Firma BrainLAB. Der Test der Systemfunktionalität wurde mit einem US-Phantom RMI 403GS der Firma Gammex-RMI GmbH durchgeführt. Ergebnisse: Die für das System berechnete Genauigkeit der Abbildung der entsprechenden Datenpunkte vom US-Datensatz auf den CT-Datensatz im Navigationssystem beträgt 1,9 ± 0,97 mm. Die technisch notwendige Zeit für die Integration von 3D-Ultraschalldaten in die Navigation liegt innerhalb von 1,5 min. Schlussfolgerungen: Das entwickelte System ermöglicht einen navigierten Einsatz der intraoperativen 3D-US-Daten in einem kommerziellen Neuronavigationssystem. Der Test hat die Funktionalität des Systems bestätigt. Die US-Untersuchung ist mehrfach wiederholbar und kann für die Aktualisierung der anatomischen Daten und für die Resektionskontrolle benutzt werden. Eine weitere mögliche Systemanwendung ist die intraoperative Adaptation präoperativer Datensätze (CT oder MRT) für die Verfolgung von “brain shift” bei neurochirurgischen Operationen.

3D-ultrasound - neuronavigation - intraoperative imaging

3D-Ultraschall - Neuronavigation - intraoperative Bildgebung

References

• 1 Coenen V A, Krings T, Weidemann J, Spangenberg P, Gilsbach J M, Rohde V. Diffusion weighted imaging combined with intraoperative 3D-ultrasound and fMRI for the resection of an optic radiation cavernoma.  Zentralbl Neurochir. 2003;  64 133-137
• 2 Comeau R M, Sadikot A F, Fenster A, Peters T M. Intraoperative ultrasound for guidance and tissue shift correction in image-guided neurosurgery.  Med Phys. 2000;  27 787-800
• 3 Fischer J, Neff M, Freundenstein D, Bartz D. Medical augmented reality based on commercial image guided surgery. In: Eurographics Symposium on Virtual Environments (EGVE) 2004; 83-86
• 4 Gronningsaeter A, Kleven A, Ommedal S, Aarseth T E, Lie T, Lindseth F. et al . Sonowand, an ultrasound-based neuronavigation system.  Neurosurgery. 2000;  47 1373-1380
• 5 Hata N, Dohi T, Iseki H, Takakura K. Development of a frameless and armless stereotactic neuronavigation system with ultrasonographic registration.  Neurosurgery. 1997;  41 608-613
• 6 Ibanez L, Schroeder W, Ng L, Cates J. The ITK Software Guide. Kitware 2003
• 7 Kaus M, Steinmeier R, Sporer T, Gansland O, Fahlbusch R. Technical accuracy of a neuronavigation system measured with a high-precision mechanical micromanipulator.  Neurosurgery. 1997;  41 1431-1436
• 8 Keles G E, Lamborn K R, Berger M S. Coregistration accuracy and detection of brain shift using intraoperative sononavigation during resection of hemispheric tumors.  Neurosurgery. 2003;  53 556-564
• 9 Letteboer M MJ, Willems P WA, Viergever M A, Niessen W J. Brain shift estimation in image-guided neurosurgery using 3-D ultrasound.  IEEE Transactions in Biomedical Engineering. 2005;  52 268-276
• 10 Lindseth F, Lango T, Bang J, Hernes T AN. Accuracy evaluation of a 3D ultrasound-based neuronavigation system.  Computer Aided Surgery. 2002;  7 197-222
• 11 Roberts D W, Hartov A, Kennedy F E, Miga M I, Paulsen K D. Intraoperative brain shift and deformation: A quantitative analysis of cortical displacement in 28 cases.  Neurosurgery. 1998;  32 749-760
• 12 Schroeder W, Martin K, Lorensen B. The visualization toolkit. 3rd ed. Kitware 2002
• 13 Steinmeier R, Rachinger J, Kaus M, Gansland O, Huk W, Fahlbusch R. Factors influencing the application accuracy of neuronavigation systems.  Stereotact Funct Neurosurg. 2000;  75 188-202
• 14 Trantakis C, Meixensberger J, Lindner D, Strauß G, Grunst G, Schmidtgen A, Arnold S. Iterative neuronavigation using 3D ultrasound. A feasibility study.  Neurological Research. 2002;  24 666-670