Zielsetzung dieser Arbeit ist die Vorstellung des klinischen Aufbaus und des Arbeitsablaufs eines robotischen Assistenzsystems für bildgeführte Interventionen in einem konventionellen Magnetresonanztomographen (MRT), sowie die Beurteilung der Genauigkeit und der klinischen Erfahrungen bei perkutanen Biopsien in verschieden Körperregionen. Material und Methoden: Das MR- kompatible, servopneumatische robotische Assistenzsystem lässt sich mit dem Patienten in die 60- cm Gantry eines Standard- MR- Scanners fahren. Die Genauigkeit des Systems wurde anhand von Nadelpunktionen (n= 25) in einem Phantommodell ermittelt. Perkutane diagnostische Biopsien wurden bei sechs Patienten durchgeführt. Ergebnisse: Für eine Interventionstiefe zwischen 29 und 95 mm wurde eine 3-DGenauigkeit von 2,2 +/- 0,7 mm (Intervall 0,9- 3,8 mm) bestimmt. Patienten mit einem BMI bis zu ≈30 kg/m2 konnten mit dem System punktiert werden. Die klinischen Arbeitsschritte werden anhand der Fallbeispiele dargestellt. Die mittlere Interventionszeit betrug 44 Minuten (Intervall 36 – 68 Minuten). Zusammenfassung: Die Punktion verschiedener Körperregionen ist mit Hilfe des robotischen Assistenzsystems in einem geschlossenen MRT erfolgreich und sicher möglich. Die Genauigkeit des Systems ist vergleichbar mit anderen Assistenzsystemen in der Literatur und genügt den klinischen Anforderungen. Eine kürzere Interventionszeit ist mittels einer Optimierung der einzelnen Arbeitsschritte möglich.

Abstract Magnetic resonance imaging (MRI) has excellent soft tissue contrast, which can be enhanced by different contrast agents, multiplanar imaging capability and high temporal and spatial resolution. Even blood vessels can be easily visualised, and MRI parameters are sensitive to temperature. Therefore, MRI has the greatest potential for guiding and monitoring interventional and surgical procedures. The aim of this study was to design and evaluate new solutions for MR-guided procedures and surgery, to develop the technique and to assess the feasibility of MR-guided nerve root infiltration, bone biopsy and sacroiliac (SI) joint arthrography. The possibilities for versatile use of MR scanners were studied with a setup where an MR scanner with a 0,23 T open magnet was installed in a full-scale operating room (OR) to allow diagnostic MRI examinations, research, radiological interventions and neurosurgical operations to be performed in the same facility. All of the 144 MR-guided radiological interventions and neurosurgical operations performed in Oulu University Hospital between February 1999 and September 2000 were included in the study. The studied setup was a functionally feasible solution for combined neurosurgical and radiological use. To further improve MR-guided interventions, a new user interface was developed and preliminary tested with simulated clinical experiments. The new user interface seemed to be easily adobted by radiologists for interventional procedures. MR-guided nerve root infiltrations were studied by using MRI guidance on 34 consequent patients referred for first sacral root infiltration. Needle placement into the first sacral nerve root sheath was successful in 34 of the 35 (97%) cases, and the average duration of the procedure was 32 minutes. Bone biopsies were performed using a bone biopsy set designed in our institution to be connected to an optical tracking system. The feasibility of this new guiding system was evaluated with biopsies from five different anatomical areas. The bone biopsy system was successfully applied to all patients and provided a safe and accurate guidance method for all phases of the procedure. Twenty patients with low back pain suspected to arise from the SI joint underwent MR-guided SI joint arthrography. The procedure was successfully performed in all cases. The needle guiding with optical tracking inside the soft tissues proved to be accurate enough for successful procedures. In conclusion, versatile use of MR scanners for diagnostic imaging, radiological procedures and neurosurgery is feasible if planned properly. The prototype of a new user interface for MR-guided procedures allows radiologist to fully control the MR-scanner during the procedure. MRI is a suitable and accurate guidance method for musculoskeletal interventions.

Zielsetzung dieser Arbeit ist die Vorstellung des klinischen Aufbaus und des Arbeitsablaufs eines robotischen Assistenzsystems für bildgeführte Interventionen in einem konventionellen Magnetresonanztomographen (MRT), sowie die Beurteilung der Genauigkeit und der klinischen Erfahrungen bei perkutanen Biopsien in verschieden Körperregionen. Material und Methoden: Das MR- kompatible, servopneumatische robotische Assistenzsystem lässt sich mit dem Patienten in die 60- cm Gantry eines Standard- MR- Scanners fahren. Die Genauigkeit des Systems wurde anhand von Nadelpunktionen (n= 25) in einem Phantommodell ermittelt. Perkutane diagnostische Biopsien wurden bei sechs Patienten durchgeführt. Ergebnisse: Für eine Interventionstiefe zwischen 29 und 95 mm wurde eine 3-DGenauigkeit von 2,2 +/- 0,7 mm (Intervall 0,9- 3,8 mm) bestimmt. Patienten mit einem BMI bis zu ≈30 kg/m2 konnten mit dem System punktiert werden. Die klinischen Arbeitsschritte werden anhand der Fallbeispiele dargestellt. Die mittlere Interventionszeit betrug 44 Minuten (Intervall 36 – 68 Minuten). Zusammenfassung: Die Punktion verschiedener Körperregionen ist mit Hilfe des robotischen Assistenzsystems in einem geschlossenen MRT erfolgreich und sicher möglich. Die Genauigkeit des Systems ist vergleichbar mit anderen Assistenzsystemen in der Literatur und genügt den klinischen Anforderungen. Eine kürzere Interventionszeit ist mittels einer Optimierung der einzelnen Arbeitsschritte möglich.:Einleitung 1 Publikation 5 Titelseite mit Abstract 6 Einleitung Publikation (Introduction) 7 Material und Methoden (Materials and Methods) 8 Robotisches Assistenzsystem (Robotic Assistance System) 8 Phantommessung (Phantom Experiment) 9 Patientenauswahlkriterien (Patient Selection Criteria) 11 Magnetresonanztomographie (MRI) 11 Biopsiedurchführung (Biopsy Procedure) 12 Ergebnisse (Results) 13 Phantommessung (Phantom Experiment) 13 Klinische Fälle (Clinical Experience) 14 Weichteilbiopsie kleines Becken (Soft-Tissue Biopsy in the Lesser Pelvis) 14 Weichteilbiopsie iliakaler Lymphknoten (Soft-Tissue Biopsy in Iliac Lymph Node) 15 Knochenbiopsie rechtes Femur (Bone Biopsy in Right Femur) 16 Knochenbiopsie Beckenkamm (Bone Biopsy in Iliac Crest) 17 Abszessaspiration (Abscess Aspiration) 18 Weichteilbiopsie Leber (Soft-Tissue Biopsy in the Liver) 19 Diskussion (Discussion) 22 Danksagungen (Acknowledgments) 25 Literaturverzeichnis Publikation (References) 25 Interpretation und Bewertung 30 Zusammenfassung 35 Literaturverzeichnis 39 Tabellenverzeichnis 46 Abbildungsverzeichnis 46 Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit 47 Lebenslauf und wissenschaftlicher Werdegang 48 Danksagung 49 Anlagen Anlage 1 Aufklärungsbogen zur Studie 50 Anlage 2 Einverständniserklärung 54 Anlage 3 Zertifikat des Assistenzsystems 57 durch TÜV- Süd

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