Technical Issues of Image Guided Surgery

W. Birkfellner

Digital Image Processing Laboratory, Center for Biomedical Engineering and Physics

Medical University Vienna

W. Birkfellner

W. Birkfellner

Image­Guided CMF­Surgery

An incomplete list of systems...

 ARTMA Virtual Patient RoboDent System DenX IGI System Drill Guides (Materialise,  T. Fortin et al.) Modification of 

commercial systems like the BrainLAB suite or the Medtronic TREON

 ... and VISIT

Reviving old VHS ­Tapes: VISIT in action

W. Birkfellner et al., IEEE Trans Med Imaging. 19(6):616­620, 2000W. Birkfellner et al., Clin Oral Implants Res. 12(1):69­78, 2001F. Watzinger et al., Plast Reconstr Surg. 107(3):659­667, 2001A. Wagner et al., Clin Oral Implants Res. 14(3):340­348, 2003

Challenges from a technical point of view

• Imaging – CT protocols & handling of artefacts• Patient – to ­ image registration• Image processing issues – visualization &   segmentation• Hardware for image­guided CMF surgery• Workflow optimization • What's about to come ?• Non­technical challenges ...

W. Birkfellner

Imaging

W. Birkfellner

• CT is the modality of choice for dental and   CMF surgery

• Streak artefacts stem from the reconstruction process and are difficult to avoid or to be removed• Pantomography is strongly dependent on  patient positioning due to the strong perspective and the tomographic distortion of the image• CBCT introduces other artefacts such as truncation and ring artefacts

W. Birkfellner

Artefacts in CBCT

Truncation­ and ring­ artefacts are common ...

Quantitative CT

Homolka P, Beer A, Birkfellner W et al. Radiology, 224(1): 247­52, (2002)

W. Birkfellner

Planning in VISIT

• Planning of implant channels based on available bone volume and ­density is rather straightforward• For extraoral implants, a more sophisticated interface is necessary

W. Birkfellner

W. Birkfellner

Tracking & Registration­a Link to the Real World

• Registration: Finding a transformation between the coordinate system of a volume image and the real world• Tracking: Maintaining that registration by measuring motion in 3D by

• optical tracking• electromagnetic probe• alternative techniques

W. Birkfellner et al., Med Phys 25(11):2242­2248,1998W. Birkfellner et al., IEEE Trans Med Imaging. 17(5):737­742, 1998J. Hummel et al., Med Phys 29(10):2205­2212, 2002

Key issues in Tracking

W. Birkfellner

• Accuracy and resolution: Optical trackers are  rather accurate and still superior to EM probes• Reliability: A free line of sight for an optical tracker   always be maintained• Handling: Trackers are cumbersome in general;   passive systems have a higher acceptance rate than  active (=wired) systems, but are less robust.• Sterilizability: Autoclavation of electronics is difficult,   ETO is expensive and time­consuming

Patient to Image Registration

Point to point registration (Horn) using at least three markers and a point probeerror 0.7 +/­ 0.15 mm

Birkfellner W, Solar P, Gahleitner A et al, Clin Oral Implants Res 12(1):69­78, (2001)

W. Birkfellner

Some experiences

­ Minimally invasive insertion of titanium microscrews is feasible; the markers stay stable for several weeks­ Increasing the number of markers beyond 3 screws does not influence registration accuracy­ Exact localisation of screwhead centroids is necessary­ Mobility of mucosa in atrophic patients caused inaccuracies when using splint­type solutions, even if residual dentition is available

W. Birkfellner

Image Processing:Segmentation

W. Birkfellner

Segmentation is not exact – Identification of surfaces depends on algorithms used

Alternative techniques

W. Birkfellner

Surface registration: Highly dependent on the quality of surface segmentation and the presence of outliers

­ Surface scanning by laser ranging is hampered by the small visible area of the mucosa

­ Stab incisions are cumbersome, but give 

        good results

© by Tactile Technologies, IL

Schicho K, Seemann R, Cohen V et al. J Clin Periodontol. 34(11):991­7, (2007)

Splint techniques

W. Birkfellner

© by DMFR, from Eggers G, Kress B, Rohde S, Mühling J.Dentomaxillofac Radiol. 38(1):28­33, (2009)

­ Problematic in completely edentulous patients­ Residual elasticity of 2­component molding materials is recognizable­ Segmentation of molding material and mucosa sometimes difficult

Surface Scanning

­ Has a long history in frameless stereotaxy­ Complicated for fully intraoral interventions

Result from the Medtronic FAZER surface digitizer – from Schicho K, Figl M, Seemann R et al. J Neurosurg, 106(4):704­9, (2007)

Colchester AC, Zhao J, Holton­Tainter KS et al. Med Image Anal, 1(1):73­90, (1996)

W. Birkfellner

Tracking technologies for CMF & oral surgery

W. Birkfellner

­ 32 implants, 5 patients after tumor resection and primary recon­struction 

­ Accuracy: top  1.0 +/­ 0.5 mm   bottom 1.3 +/­ 0.9 mm

Wagner A, Wanschitz F, Birkfellner W et al. Clin Oral Implants Res. 14(3):340­8, (2003)

Challenges in tool design ­Sterilizable electronics are 

cumbersome, autoclavation is difficult.­ Passive markers somewhat solve the problem and are handy, but provide less accurate results when being conatminated with blood­ Tool geometry (and size) is crucial

West JB, Maurer CR Jr. IEEE Trans Med Imaging. 23(5):533­45, (2004)

W. Birkfellner

An early academic effort Hybrid Tracking

Birkfellner W, Watzinger F, Wanschitz F et al.IEEE Trans Med Imaging. 17(5):737­42, (1998)

­ Combination of electromagnetic and optical sensors to overcome the drawbacks of both technologies

W. Birkfellner

Looking back ­ Implant insertion ­ 2000

W. Birkfellner

Implant insertion after hemimaxillectomy

Sealing of the naso­pharynx with an obturator prosthesis after radical resection of squamous cell carcinoma 

W. Birkfellner

Restoration after ablative tumor resection

­ Surgical removal of an osteo­sarcoma in the mandible­ Implant insertion in a scapula flap  after  recon­struction

Wagner A, Wanschitz F, Birkfellner W et al. Clin Oral Implants Res. 14(3):340­8, (2003)

W. Birkfellner

Minimally invasive implant insertion

Wittwer G, Adeyemo WL, Schicho K et al.Int J Oral Maxillofac Implants. 22(5):785­90, (2007)

Comparison of VISIT and the Medtronic TREON system. Accuracy ranges from 0.6 +/­ 0.5 to 1.0 +/­ 0.5 mm for both systems

W. Birkfellner

W. Birkfellner

Medical AugmentedReality

W. Birkfellner et al., IEEE Trans Med Imaging. 21(8):991­997, 2002F. Wanschitz et al., Clin Oral Implants Res. 13(6):610­616, 2002W. Birkfellner et al., Phys Med Biol. 48(3):N49­57, 2003M. Figl et al., IEEE Trans Med Imaging. 24(11):1492­1499, 2005

Technology of image injection

Birkfellner W, Figl M, Huber K et al. IEEE Trans Med Imaging.21(8):991­7, (2002)

W. Birkfellner

Linking navigation and augmented reality

W. Birkfellner

Conclusions & OutlookResearch directions for Computer Aided Surgery in the CMF­area include

 Technical developments concerning TRE … Developments for optimized workflow and cost including socioeconomic researchEvaluation of suitable clinical applications

W. Birkfellner

W. Birkfellner

Acknowledgments

Dept. of Cranio­Maxillofacial SurgeryDental School ViennaDept. of Diagnostic RadiologyMy Colleagues at the CBMTP… and R. Schulze and the IADMFR for inviting me!

wolfgang.birkfellner@meduniwien.ac.athttp://www.zbmtp.meduniwien.ac.at/index.php?id=79