Les techniques endovasculaires, particulièrement pour l’aorte, sont en plein essor en chirurgie vasculaire. Ces techniques mini-invasives permettent de diminuer l’agression chirurgicale habituellement importante lors de la chirurgie conventionnelle. Les limites techniques sont repoussées à certaines localisations de l’aorte qui étaient il y a encore peu de temps inaccessibles aux endoprothèses. Le succès et l’efficience de ces interventions reposent en partie sur l'élaboration et la mise en œuvre de nouveaux outils d'aide à la décision. Ce travail entend contribuer à l’amélioration des procédures interventionnelles aortiques grâce à une meilleure exploitation de l’imagerie pré et peropératoire. Cette démarche s’inscrit dans le cadre plus général des Gestes Médico-Chirurgicaux Assistés par Ordinateur, dont les concepts sont revisités pour les transposer au domaine de la chirurgie endovasculaire. Trois axes sont développés afin de sécuriser et optimiser la pose d'endoprothèse. Le premier est focalisé sur l’analyse préopératoire du scanner (sizing) et montre les limites des outils de mesure actuels et évalue la précision d’un nouveau critère de mesure des longueurs de l’aorte (courbure externe). Le deuxième axe se positionne sur le versant peropératoire et montre la contribution de la réalité augmentée dans la pose d’une endoprothèse aortique. Le troisième axe s’intéresse au problème plus général des interventions sur les tissus mous et particulièrement aux déformations artérielles qui surviennent au cours des procédures interventionnelles qui mettent en défaut le recalage rigide lors de la fusion d’images. Nous présentons une approche originale basée sur un modèle numérique de prédiction des déformations qui utilise la simulation par éléments finis en y intégrant des paramètres géométriques et anatomo-mécaniques spécifique-patient extraits du scanner préopératoire. / The development of endovascular aortic procedures is growing. These mini-invasive techniques allow a reduction of surgical trauma, usually important in conventional open surgery. The technical limitations of endovascular repair are pushed to special aortic localizations which were in the past decade indication for open repair. Success and efficiency of such procedures are based on the development and the implementation of decision-making tools. This work aims to improve endovascular procedures thanks to a better utilization of pre and intraoperative imaging. This approach is in the line with the framework of computer-assisted surgery whose concepts are applied to vascular surgery. The optimization of endograft deployment is considered in three steps. The first part is dedicated to preoperative imaging analysis and shows the limits of the current sizing tools. The accuracy of a new measurement criterion is assessed (outer curvature length). The second part deals with intraoperative imaging and shows the contribution of augmented reality in endovascular aortic repair. In the last part, image guided surgery on soft tissues is addressed, especially the arterial deformations occurring during endovascular procedures which disprove rigid registration in fusion imaging. The use of finite element simulation to deal with this issue is presented. We report an original approach based on a predictive model of deformations using finite element simulation with geometrical and anatomo-mechanical patient specific parameters extracted from the preoperative CT-scan.

This thesis outlines the development of an automatic image registration algorithm for matching 3D CT data to 2D fluoroscope X-ray images. The registration is required in order to calculate a transformation for measurements in the 2D image into the 3D representation. The algorithm achieves the registration by generating digitally reconstructed radiographs from the CT data set. The radiographs are 2D projection images, and therefore may be compared with the 2D Fluoroscope images. The X-ray and fluoroscope images were compared using the photometric-based registration algorithm, pseudocorrelation, with X^2 as the distance metric. An automated search algorithm was implemented using the Downhill Simplex of Nelder and Meade. The algorithm was successful in locating the position and orientation of the CT data set for calculating a digitally reconstructed radiograph to match the fluoroscope image. The CT data set was located with a maximum mean position error of 2.4 mm in xy, 4.4 mm in z, and xyz axial rotation within 0.5°. The standard deviation given 1800 random starting locations was 9.3 mm in x, 12.7 mm in y, 16.9 mm in z, xz axial rotation 2.5°, and y axial rotation of 1.9°. The search algorithm was successful in handling gross misalignment, however there were difficulties in convergence once within the vicinity of the global minimum. It is suggested to implement a hybrid search technique, switching to a conjugate gradient search algorithm once in the vicinity of the global minimum. An additional refinement would be a possible change of the distant metric, or the registration algorithm, once within the vicinity of the global minimum. Additional investigation needs to be directed towards testing the algorithm with live fluoroscope and CT data. This is required in order to assess registration performance when comparing different imaging modalities. / Thesis / Master of Engineering (ME)

Die Ruptur des vorderen Kreuzbandes (VKB) zählt zu den häufigsten Bandverletzungen des Menschen und wird vor allem bei jungen, aktiven Menschen primär operativ versorgt. Obwohl sich das Verständnis der Anatomie, Funktion und die Operationstechniken stetig verbessert haben ist heute die Revisionsrate nach VKB - Operation hoch. Die optimale Platzierung der Insertionspunkte ist unter arthroskopischen Bedingungen einer der kritischsten Schritte der Operation. Das Ziel der Studie war, ein Bildwandler (BV) basiertes Navigationsverfahren zu entwickeln und zu evaluieren, mit dem der femorale Bohrkanal anhand etablierter geometrischer Schablonen präzise navigiert angelegt werden kann. Die Anlage des tibialen Bohrkanals sollte in Relation zur Anatomie des Patienten auf BV-Bildern dargestellt werden können. Zur Ermittlung der Präzision des Systems wurden Insertionspunktlagen anhand abgewandelter geometrischer Schablonen mit dem Navigationssystem bestimmt, deren Lage am Modell radiologisch ausgewertet und mit den geplanten Sollwerten statistisch verglichen wurde. Außerdem wurden der Einfluss von Projektionsfehlern des BV-Bildes durch Rotation der Modelle um die Quer- und Längsachse und der Einfluss von Planungsungenauigkeiten untersucht. Das am Modell entwickelte System wurde anschließend im klinischen Einsatz auf Praktikabilität validiert. Es hat sich gezeigt, dass die femoralen Insertionspunkte am Modell unabhängig von der verwendeten Schablone mit einer hohen Präzision bestimmt werden können. Die medianen Abweichungen vom Sollwert in proximal-distaler (PD) - Richtung und in anterior-posteriorer (AP) - Richtung lagen bei allen Schablonen unter 1,00 mm. In PD-Richtung zeigte die Schablone nach Hertel et al. eine signifikant geringere Abweichung vom Sollwert als die Schablone nach Klos et al.. In AP-Richtung wurden mit der Schablone nach Hertel et al. signifikant geringere Abweichungen als mit den beiden anderen Schablonen erreicht. Bei Bestimmung des Projektionsfehlers durch Rotation lag die mediane Abweichung pro 1°-Rotation um die Längsachse in proximal-distaler (PD) - Richtung bei 0,31 % bzw. 0,07 mm und in anterior-posteriorer (AP) - Richtung bei 0,36 % bzw. 0,17 mm. Bei Quer-Rotation lag die mediane Abweichung pro 1°-Rotation in PD-Richtung bei 0,25 % bzw. 0,06 mm und in AP-Richtung bei 0,64 % bzw. 0,30 mm. Bei den Untersuchungen zur Abweichung durch Planungsungenauigkeit hat sich gezeigt, dass bei allen drei Schablonen Planungsfehler in anterior-posteriorer Richtung entlang der Blumensaat-Linie (BSL) die geringsten Auswirkungen auf die Lage des femoralen Insertionspunktes haben. Abweichungen bei der Planung in Richtung DISTAL / BSL(post.) und PROXIMAL / BSL(post.) haben die größten Fehler erbracht. / The Anterior Cruciate Ligament (ACL) is one of the most often torn ligaments of the musculoskeletal system. Especially in young and active people torn ACL are mainly treated surgically. Despite an increasing knowledge of the anatomical, functional and operative aspects about the ACL, there is still a high rate of long-time failures. Optimal positioning of the ACL-graft during arthroscopic reconstruction is of paramount importance in order to get good results. The aim of this project was to develop and evaluate a fluoroscopically based navigation system which could be used to precisely place the femoral drill hole with help of geometrical templates. The placement and orientation of the tibial tunnel was intended to be displayed on x-rays in relation to the patient’s anatomy. To determine the system’s precision, insertion sites where defined at the fluoroscopic image using geometrical templates and marked on plastic femur models with the help of navigation. The position of the insertion sites on the model was radiologically identified and statistically compared with the aimed ones. Additionally the influence of fluoroscopic projection errors due to axial and planar rotation of the models was tested. Following the model tests, the developed system was clinically tested in the OR to test its feasibility. The model tests revealed a high precision in femoral placement of the insertion sites independent from the three used templates (Hertel et al. / Klos et al. / Cazenave et al.). The median deviations from the aimed positions were in proximal-distal (PD) and in anterior-posterior (AP) direction both below 1.00 mm. In PD-direction the template by Hertel et al. showed a significantly lower deviation from the aimed position than the template developed by Klos et al.. In AP-direction the template by Hertel et al. showed a significantly lower deviation than the two others. The mean projection error due to longitudinal rotation per 1° was for PD-direction 0.31 % (0.07 mm) and in AP-direction 0.36% (0.17 mm). For planar rotation the median projection error per 1° was 0.25% (0.006 mm) for PD-direction and 0,64% (0.30 mm) for AP. The tests for deviation from the aimed position due to imprecise planning revealed for all templates least deviation along the Blumensaat-line (BSL) and most deviation in direction DISTAL / BSL(post.) and PROXIMAL / BSL (post.).

Der Einsatz numerischer Simulationen zur Bearbeitung klinischer Fragestellungen ist eine innovative Vorgehensweise. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode zur Auswertung von Ergebnissen einer Finite-Elemente-Analyse zum Stentgraftverhalten konzipiert, implementiert und im Rahmen einer deutschlandweiten Benutzerstudie getestet. Für einen Vergleich unterschiedlicher Stentgraftkonfigurationen im Kontext mit dem patientenspezifischen Gefäß wurden Stentgraftbewertungsgrößen eingeführt. Hierzu gehören die Fixierungskraft und der Kontaktstatus zwischen Stentringen und Blutgefäßbestandteilen. Für eine Bereitstellung der Ergebnisgrößen im gefäßmedizinischen Arbeitsumfeld wurde eine graphische Mensch-Maschine-Schnittstelle entwickelt. Diese ermöglicht eine quantitative und qualitative Auswertung von Stentgraftbewertungsgrößen. Hierfür wurden Module zur automatisierten Auswertung von Fixierungskräften sowie zur 2D- und 3D- Ergebnisvisualisierung implementiert. Im Rahmen der Benutzerstudie wurde die Anwendung der entwickelten Methode für die Ermittlung des Einsatzpotenzials numerischer Simulationen zur Unterstützung der Stentgraftauswahl demonstriert. Im Ergebnis wurde als wesentliches Einsatzpotenzial die Festlegung eines Mindestmaßes an Überdimensionierung, die Optimierung der Schenkellänge sowie der Ver- gleich unterschiedlicher Stentgraftdesigns ermittelt. Weiterhin konnten grundlegende Anforderungen an ein System zur Generierung und Bewertung von Stentgraftkonfigurationen im klinischen Alltag definiert werden. Zu den wesentlichen Funktionen, die der Implanteur für einen Vergleich von Stentgrafts benötigt, zählen eine Übersichtskarte zu farbkodiertem Migrationsrisiko pro Stentgraft und Landungszone, die Visualisierung des Abdichtungszustandes der Stentkomponenten sowie die Darstellung von Stentgraft- und Gefäßdeformationen im 3D-Modell.

Espera-se redução das complicações cirúrgicas quando lesões localizadas na junção craniovertebral (JCV) são operadas pelo acesso cirúrgico endoscópico transnasal ao invés do acesso transoral. Entretanto, não se sabe ainda qual seria o maior alcance inferior da abordagem transnasal e também qual seria o melhor método para prever o limite de exposição no planejamento pré-operatório. No presente estudo, o alcance à JCV foi definido no período intraoperatório com neuronavegação em 10 pacientes operados pela via transnasal. O limite anatômico obtido foi comparado com as linhas nasopalatina e palatina. A linha nasopalatina mostrou ser o melhor método para prever o alcance inferior à JCV. / It is expected reduction of surgical complications when craniovertebral junction pathologies are operated using the endoscopic transnasal approach instead of the transoral approach. However, it is yet unclear what is the lower extent of the transnasal approach and which method is better to predict this lower limit in preoperative planning. This study evaluates the inferior exposure of craniocervical junction in 10 patients operated through the transnasal approach using neuronavigation. The intraoperative anatomical limit was compared to nasopalatine and palatine lines. The nasopalatine line predicts more accurately the inferior limit of the transnasal approach.

Espera-se redução das complicações cirúrgicas quando lesões localizadas na junção craniovertebral (JCV) são operadas pelo acesso cirúrgico endoscópico transnasal ao invés do acesso transoral. Entretanto, não se sabe ainda qual seria o maior alcance inferior da abordagem transnasal e também qual seria o melhor método para prever o limite de exposição no planejamento pré-operatório. No presente estudo, o alcance à JCV foi definido no período intraoperatório com neuronavegação em 10 pacientes operados pela via transnasal. O limite anatômico obtido foi comparado com as linhas nasopalatina e palatina. A linha nasopalatina mostrou ser o melhor método para prever o alcance inferior à JCV. / It is expected reduction of surgical complications when craniovertebral junction pathologies are operated using the endoscopic transnasal approach instead of the transoral approach. However, it is yet unclear what is the lower extent of the transnasal approach and which method is better to predict this lower limit in preoperative planning. This study evaluates the inferior exposure of craniocervical junction in 10 patients operated through the transnasal approach using neuronavigation. The intraoperative anatomical limit was compared to nasopalatine and palatine lines. The nasopalatine line predicts more accurately the inferior limit of the transnasal approach.

Der Einsatz numerischer Simulationen zur Bearbeitung klinischer Fragestellungen ist eine innovative Vorgehensweise. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Methode zur Auswertung von Ergebnissen einer Finite-Elemente-Analyse zum Stentgraftverhalten konzipiert, implementiert und im Rahmen einer deutschlandweiten Benutzerstudie getestet. Für einen Vergleich unterschiedlicher Stentgraftkonfigurationen im Kontext mit dem patientenspezifischen Gefäß wurden Stentgraftbewertungsgrößen eingeführt. Hierzu gehören die Fixierungskraft und der Kontaktstatus zwischen Stentringen und Blutgefäßbestandteilen. Für eine Bereitstellung der Ergebnisgrößen im gefäßmedizinischen Arbeitsumfeld wurde eine graphische Mensch-Maschine-Schnittstelle entwickelt. Diese ermöglicht eine quantitative und qualitative Auswertung von Stentgraftbewertungsgrößen. Hierfür wurden Module zur automatisierten Auswertung von Fixierungskräften sowie zur 2D- und 3D- Ergebnisvisualisierung implementiert. Im Rahmen der Benutzerstudie wurde die Anwendung der entwickelten Methode für die Ermittlung des Einsatzpotenzials numerischer Simulationen zur Unterstützung der Stentgraftauswahl demonstriert. Im Ergebnis wurde als wesentliches Einsatzpotenzial die Festlegung eines Mindestmaßes an Überdimensionierung, die Optimierung der Schenkellänge sowie der Ver- gleich unterschiedlicher Stentgraftdesigns ermittelt. Weiterhin konnten grundlegende Anforderungen an ein System zur Generierung und Bewertung von Stentgraftkonfigurationen im klinischen Alltag definiert werden. Zu den wesentlichen Funktionen, die der Implanteur für einen Vergleich von Stentgrafts benötigt, zählen eine Übersichtskarte zu farbkodiertem Migrationsrisiko pro Stentgraft und Landungszone, die Visualisierung des Abdichtungszustandes der Stentkomponenten sowie die Darstellung von Stentgraft- und Gefäßdeformationen im 3D-Modell.