DFG GR 796/2-1,2: Modellbasierte Registrierung zur Simulation und Visualisierung von ,,Brain Shift`` Phänomenen bei neurochirurgischen Eingriffen
(01.07.2000 - 31.03.2004)
Mit brain shift bezeichnet man Veränderungen des Gehirns in Lage und Form, die während eines neurochirurgischen Eingriffes stattfinden. Durch dieses Phänomen verliert computergestützte intraoperative Neuronavigation an Genauigkeit. Der brain shift kann mit intraoperativ erstellten Aufnahmen kompensiert werden. Jedoch gehen dabei sämtliche zusätzlichen präoperativen Informationen, wie zum Beispiel funktionelle Daten, verloren. Aus diesem Grund sollen im Rahmen der Forschungsarbeiten dieses Projektes zuverlässige und robuste Verfahren entwickelt werden, die das Phänomen mit hoher Präzision voraussehen lassen, um nicht nur eine bessere Planung, sondern auch deren Umsetzung während einer Operation zu ermöglichen. In diesem Zusammenhang sollen alle präoperativen Informationen und intraoperativ verfügbaren Daten berücksichtigt werden.Dazu sind zunächst mit Hilfe von adaptiver Berechnung auf hierarchischen Datenstrukturen eine voxelbasierte, stückweise lineare Registrierung des prä- und intraoperativen Datensatzes implementiert worden. Darüber hinaus wurde zur Beschleunigung moderne 3D-Graphik-Hardware eingesetzt.
In der zweiten Phase des Projektes wurde zur Analyse der Effekte, die durch das brain shift Phänomen hervorgerufen werden, ein realistisches, physikalisch basiertes Simulationsmodell erstellt. Darin sind sowohl die Porösität des Hirngewebes und die dadurch bedingten Flüssigkeitsverlagerungen, als auch seine Elastizität berücksichtigt worden. Dabei wurde eine Technik entwickelt, die eine Bestimmung der mechanischen Eigenschaften des Hirngewebes ermöglicht. Dafür wurden die Erkenntnisse aus dem Registrierungsbereich eingesetzt. Zusätzlich wurden auch andere physikalische Faktoren, wie Druck und Schwerkraft integriert. Zur mathematischen Beschreibung wurden die aus der Kontinuumsmechanik stammenden Differentialgleichungen verwendet. Ihre Lösung erfolgte mittels der Finite Elemente Methode, die auf ein hybrides, unstrukturiertes Volumengitter angewendet wurde.
Die Evaluierung und Analyse der entwickelten Verfahren erfolgt abschließend mit Methoden der interaktiven direkten Volumenvisualisierung. Auf diese Weise wird eine wesentliche Unterstützung bei Planungen eines chirurgischen Eingriffs erzielt.
Die Untersuchungen werden in enger Kooperation des Lehrstuhls für Graphische Datenverarbeitung und der Neurochirurgischen Klinik am Neurozentrum des Kopfklinikums der Universität Erlangen-Nürnberg durchgeführt.
