Entwicklung und Evaluation einer Ultraschallnavigation für Freihandbiopsien kleiner Raumforderungen im Kopf-Hals-Bereich Translated title: Development and evaluation of ultrasound navigation for free-hand biopsies of small masses in the head and neck area

Abstract

Hintergrund

Der Ultraschall als wichtiges Bildgebungsverfahren im Kopf-Hals-Bereich ist leicht verfügbar, dynamisch, kostengünstig und ohne Strahlenbelastung. Eingriffe in der komplexen Kopf-Hals-Anatomie erfordern eine gute Orientierung, die durch Navigationssysteme unterstützt wird.

Ziel der Arbeit

Entwicklung eines neuen ultraschallkontrollierten Navigationssystems zur Punktion kleiner Zielstrukturen im Kopf-Hals-Bereich.

Methodik

Es wurde ein Halsphantom mit sonographierbaren Raumforderungen (RF; Größe: 8–10 mm) konstruiert. Diese wurden automatisch mittels eines ResNet-50-basierten tiefen neuronalen Netzes segmentiert. Der Ultraschallkopf (UK) wurde mit einem individuell hergestellten Trackingtool versehen.

Ergebnisse

Die Positionen von Ultraschallgerät, RF und Punktionsnadel wurden im Weltkoordinatensystem erfasst. In 8 von 10 Fällen wurde eine 8 mm große RF getroffen. Die durchschnittliche Abweichung wurde mit 2,5 mm in einem speziellen Evaluationsphantom berechnet. Die getrackte Biopsienadel wird durch auditives Feedback ausgerichtet und zur RF navigiert.

Schlussfolgerung

Herausragende Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Navigationssystemen sind: Verzicht auf präoperative Schnittbildgebung, automatische dreidimensionale Echtzeitregistrierung, welche die intraoperative Gewebeverschiebungen berücksichtigt, Beibehaltung der optischen Achse des Operateurs auf den Situs, ohne dass auf einen Navigationsmonitor geschaut werden muss, und beidhändiges Arbeiten ohne Halten des UK während der Punktion. Insgesamt lässt sich das beschriebene Funktionsmuster außer für Nadelbiopsien auch in der offenen Kopf-Hals-Chirurgie anwenden.

Zusatzmaterial online

Zusätzliche Informationen sind in der Online-Version dieses Artikels (10.1007/s00106-023-01385-9) enthalten.

Translated abstract

Background

Ultrasound is an important imaging method in the head and neck area. It is readily available, dynamic, inexpensive, and does not involve radiation exposure. Interventions in the complex head and neck anatomy require good orientation, which is supported by navigation systems.

Objective

This work aimed to develop a new ultrasound-controlled navigation system for taking biopsies of small target structures in the head and neck region.

Methods

A neck phantom with sonographically detectable masses (size: 8–10 mm) was constructed. These were automatically segmented using a ResNet-50-based deep neural network. The ultrasound scanner was equipped with an individually manufactured tracking tool.

Results

The positions of the ultrasound device, the masses, and a puncture needle were recorded in the world coordinate system. In 8 out of 10 cases, an 8‑mm mass was hit. In a special evaluation phantom, the average deviation was calculated to be 2.5 mm. The tracked biopsy needle is aligned and navigated to the masses by auditory feedback.

Conclusion

Outstanding advantages compared to conventional navigation systems include renunciation of preoperative tomographic imaging, automatic three-dimensional real-time registration that considers intraoperative tissue displacements, maintenance of the surgeon’s optical axis at the surgical site without having to look at a navigation monitor, and working freely with both hands without holding the ultrasound scanner during biopsy taking. The described functional model can also be used in open head and neck surgery.