Die Bronchoskopie ist die wichtigste und sicherste Untersuchungsmethode bei Verdacht auf Lungenkrebs. Sie dient sowohl der visuellen Inspektion der Atemwege als auch der Gewebeentnahme an verdächtigen Läsionen. Erst aufgrund der so gewonnenen Probe kann entschieden werden, ob es sich um bösartiges Gewebe handelt. Damit die Biopsie an der korrekten Stelle durchgeführt wird, ist es besonders wichtig, dass die bronchoskopischen Operationsinstrumente präzise innerhalb des Bronchialbaums geführt werden können. Dabei behilft sich der Arzt zum einen mit der Kamera an der Bronchoskopspitze und zum anderen mit der intraoperativen C-Bogen-Durchleuchtung. Leider liefert keine dieser Visualisierungstechniken eine 3D-Sicht des Bronchialbaums oder die aktuelle 3D-Position des Instruments. Genau diese Hilfestellung leisten bronchoskopische Navigationssysteme und tragen somit erheblich zur Genauigkeit der Instrumentenführung und Beschleunigung des Eingriffs bei.

Bronchoskopische Navigationssysteme verwenden meist EM-Sensoren, um die aktuelle Position des Instruments innerhalb der Bronchien zu verfolgen. Solche Systeme müssen nicht nur kostspielig und aufwändig installiert, sondern die jeweiligen getrackten Instrumente auch nach jedem Gebrauch teuer ersetzt werden. Um dieses Problem zu umgehen, wird auch an Systemen entwickelt, die lediglich die Bronchoskopvideobilder zur 2D/3D-Registrierung verwenden. Damit kann die Navigation aber nur so lange angeboten werden, wie die Bronchoskopspitze in die Bronchien vorgeschoben werden kann. Im Normalfall wird aber gerade in den nicht erreichbaren peripheren Verästelungen eine Navigationsstütze benötigt. Deshalb wird in dieser Arbeit ein Verfahren vorgestellt, welches unabhängig von der Bronchoskopreichweite anwendbar ist und ausschließlich auf die bereits vorhandene Ausstattung im OP-Saal zurückgreift. Somit wird eine höhere klinische Einsetzbarkeit und Akzeptanz erwartet.

Die neuartige Grundidee ist hierbei, dass bei bekannter Aufnahmeposition des C-Bogens ein virtueller Strahl von C-Bogen-Röntgenquelle durch das Patienten-CT zur Instrumentenspitzenposition auf dem Durchleuchtungsbild generiert werden kann. Dieser 3D-Strahl schneidet dann den Bronchialbaum im CT genau an der Stelle, wo sich das Instrument aktuell befindet. Die große Herausforderung ist nun die C-Bogen Pose während der Aufnahme zu bestimmen. Dafür wurde von mir eine innovative Markerplatte entwickelt, die auf dem Patiententisch befestigt wird. Bei jeder Aufnahme wird ein Teil der radioopaken Marker auf der Durchleuchtung abgebildet. Um nun eine C-Bogen Pose Estimation durchzuführen, müssen die abgebildeten 2D-Marker eindeutig ihren korrespondierenden 3D-Markern auf der Platte zugeordnet werden. Deshalb habe ich bei der Anordnung der Marker erstmals die projektive Invariante Doppelverhältnis eingesetzt. Dies ermöglicht, dass die Marker auch nach Projektion verlässlich identifiziert und zugeordnet werden. Die entworfene Markerplatte wurde zahlreichen Experimenten unterzogen, darunter auch Phantom- und Tierkadavertests. Dabei wurden sehr gute quantitative Ergebnisse für die C-Bogen Pose Estimation bezüglich Erfolgsraten und Genauigkeiten gemessen.

In dieser Arbeit stellt weitere wichtige Komponenten eines Bronchoskopie-Navigationssystems vor: Bronchialbaumsegmentierung und -skeletonisierung, Tumorsegmentierung, 2D-Instrumentenverfolgung, Patient-zu-Tisch-Registrierung, Pfadberechnung und 3D-Visualisierung. Dabei wurden vorhandene Lösungen aus der Literatur aufgegriffen bzw. erweitert aber auch neue Methoden entwickelt. Alle diese Komponenten wurden sowohl einzeln und als auch im Zusammenspiel miteinander untersucht. Bei Tests mit einem Bronchialbaumphantom erzielte sehr gute qualitative Ergebnisse.