Optische Kohärenztomographie für eine geregelte Laserablation an Grenzschichten der Schädelbasis (OCT-LABS)

  • Huber, Robert (Projektleiter*in (PI))
  • Klenzner, Thomas (Projektleiter*in (PI))
  • Wörn, Heinz (Projektleiter*in (PI))
  • Raczkowsky, Jörg (Beteiligte Person)
  • Schipper, Jörg (Beteiligte Person)

Projekt: DFG-ProjekteDFG Einzelförderungen

Projektdetails

Projektbeschreibung

Die Schädelbasis enthält sehr relevante und vital notwendige Strukturen; an der seitlichen Schädelbasis befinden sich eingebettet in den Knochen des humanen Felsenbeins die innere Halsschlagader, der Gesichtsnerv, das Innenohr mit Gleichgewichts- und Hörorgan sowie Anteile des Geschmacksnervs. Bilden sich in diesem Bereich Tumore oder andere Pathologien, so sind sehr präzise Interventionen für ein minimales Trauma beim Patienten gefordert. Bei solchen mikro-chirurgischen Eingriffen ist ein definierter und vollständiger Knochenabtrag im Submillimeterbereich mit Schonung der darunter liegenden Nerven, Gefäße und Organe zwingend erforderlich. Als Anforderungen an ein neuartiges System ergeben sich die Detektion von Gewebeübergängen sowie der Stopp des Knochenabtrags vor dem Erreichen bzw. der Schädigung angrenzender Weichgewebestrukturen. Der Lösungsansatz besteht aus der Regelung eines ablatierenden Lasersystems durch automatische Detektion der Grenzfläche mittels optischer Kohärenztomographie. Damit wird erstmalig ein Regelungsansatz für ein Assistenzsystem untersucht, welches den realen Anforderungen der Schädelbasischirurgie im Submillimeterbereich gerecht wird. Das System wird beispielhaft anhand der Eröffnung des Innenohrs (Cochleostomie) evaluiert, indem bei gleichzeitigem Erhalt der membranöser Auskleidung der darüber liegende Knochen vollständig abgetragen werden soll.

Ergebnisbericht

Im Rahmen dieses Projekts wurde ein System zur automatisierten Laser-Cochleostomie mit OCT-Regelung entwickelt. Erstmalig wurde ein OCT-System verwendet um die kritische Grenzschicht unterhalb eines Bohrkanals direkt darzustellen, diese zu segmentieren und die Ablationsmuster entsprechend zu planen. Der größte Erfolg besteht darin, dass eine OCT-basierte Regelung der Laser-Knochen-Ablation erstmals erfolgreich realisiert wurde. Nach der Bildqualitätsverbesserung anhand des innovativen „History Compounding"-Verfahrens kann die kritische Grenzschicht unterhalb der Knochenoberfläche robust mit der OCT detektiert werden und zwar einige hundert Mikrometer bevor die Struktur freigelegt wird. Damit kann das Dickenprofil der verbleibenden Knochenschicht sehr präzise berechnet werden. Die tatsächliche Verteilung der Restknochenschicht bestimmt das hier erarbeitete Verfahren mit der Genauigkeit von wenigen Zehnmikrometern. Es konnte auch gezeigt werden, dass das System in der Lage ist ohne jegliche präoperative Planung die LaserKnochen-Ablation zu führen. Dem Regelungsmodul ist eine Planung vorgeschaltet, die automatisch sowohl die Pulspositionen als auch deren Dauer plant. Damit konnte erreicht werden, dass die Form des Bodens des Cochleostomie-Kanals präzise gegen die natürliche Krümmung der kritischen Struktur konvergiert. Außerdem stoppt der Ablationsprozess automatisch, wenn die gewünschte Restgewebedicke erreicht wird, ohne die kritischen Struktur zu schädigen. Eine wiederholbare Ablationsgenauigkeit von rund 20µm konnte experimentell nachgewiesen werden. Während die Trackinggenauigkeit konventioneller Trackingsysteme nicht ausreicht für die Detektion relativer Bewegungen des Situs kleiner 100µm zwischen der Zielregion und der Laseroptiken, kann das OCT-System selbst innovativ als ein optisches Trackingsystem benutzt werden. Durch das im Projekt entwickelte Trackingkonzept mittels Nachverfolgen von winzigen Landmarken um den Cochleostomie-Kanal herum wurde eine globale Trackinggenauigkeit von nur 25µm zwischen der Zielregion und den Laseroptiken erzielt. Somit können selbst minimale Bewegungen kompensiert und eine genaue Ausführung des geplanten Ablationsmusters garantiert werden.
Statusabgeschlossen
Tatsächlicher Beginn/ -es Ende01.01.1031.12.14

UN-Ziele für nachhaltige Entwicklung

2015 einigten sich UN-Mitgliedstaaten auf 17 globale Ziele für nachhaltige Entwicklung (Sustainable Development Goals, SDGs) zur Beendigung der Armut, zum Schutz des Planeten und zur Förderung des allgemeinen Wohlstands. Die Arbeit dieses Projekts leistet einen Beitrag zu folgendem(n) SDG(s):

  • SDG 9 – Industrie, Innovation und Infrastruktur

Strategische Forschungsbereiche und Zentren

  • Forschungsschwerpunkt: Biomedizintechnik

DFG-Fachsystematik

  • 407-02 Messsysteme

Fingerprint

Erkunden Sie die Forschungsthemen zu diesem Projekt. Diese Zuordnungen werden Bewilligungen und Fördermitteln entsprechend generiert. Zusammen bilden sie einen einzigartigen Fingerprint.