Surgical navigation system for percutaneous renal access: electromagnetic guidance and imaging working together

Abstract

O acesso renal percutâneo (ARP) é importante no tratamento de várias doenças renais, sobretudo na nefrolitíase (cálculos renais) através da nefrolitotomia percutânea (NLPC). O sucesso da NLPC depende do acesso inicial ao rim, sendo que uma correta punção diminui as complicações e facilita as etapas cirúrgicas seguintes. Embora o ARP seja convencionalmente guiado por fluoroscopia e/ou ecografia, continua a ser desafiante aprendê-lo e executá-lo. Recentemente, soluções baseadas em tracking eletromagnético (TEM) têm sido propostas para auxiliar o ARP, permitindo punções rápidas e precisas ao cálice renal. Porém, limitações ainda subsistem, como a falta da perceção tridimensional (3D) da anatomia ou a incapacidade de aceder ao cálice se obstruído por um cálculo. Para mitigar estas limitações, esta tese focou-se em melhorar as soluções baseadas em TEM através da integração de dados de tomografia axial computadorizada (TAC) pré-operatória e de ecografia intra-operatória, e desenvolver um novo sistema de navegação cirúrgica. Para alcançar este objetivo, as seguintes etapas foram realizadas: (1) estudo do impacto dos instrumentos de ureteroscopia e ecografia na precisão dos sistemas de TEM; (2) desenvolvimento de um protocolo para criar fantomas de rim para avaliar estratégias de fusão de imagens; (3) avaliação num ambiente in-silico de uma técnica de registo (baseado em pontos) e de um protocolo de aquisição de imagens intra-operatórias para fundir dados de ecografia e de TAC; (4) proposta de uma nova abordagem intra-operatória para fundir dados de ecografia e TAC, usando uma estratégia de segmentação semi-automática e um algoritmo de registo (baseado em pontos); e (5) integração de todas as contribuições mencionadas num novo sistema de navegação cirúrgica, incluindo características adicionais para melhorar a navegação cirúrgica em tempo real, como: a projeção da trajetória da agulha e da posição do cateter sobre as imagens de ecografia; integração de instrumentos e dados das imagens num ambiente virtual 3D; tracking contínuo dos órgãos (compensando movimentos internos destes); e feedback visual focado na agulha. Este sistema foi avaliado por médicos e comparado com outras soluções baseadas em TEM num fantoma abdominal. O desempenho dos médicos foi superior com o sistema proposto, evitando lesões em órgãos próximos ao rim e destacando-se em cenários mais complexos. O sistema proposto foi classificado como a solução mais segura, obtendo níveis de confiança superiores durante os testes. Globalmente, este sistema provou auxiliar o ARP durante o NLPC. Considerando os excelentes resultados obtidos pela integração de dados pré-operatórios num cenário intra-operatório, o sistema proposto poderá ter aplicabilidade noutras intervenções cirúrgicas.

Percutaneous renal access (PRA) has a key role on the treatment of several kidney diseases, particularly in nephrolithiasis (or kidney stone disease) through percutaneous nephrolithotomy (PCNL). The success of PCNL is highly dependent on the initial renal access where an accurate needle puncture decreases the overall complications and facilitates the following surgical steps. Although PRA is conventionally performed under fluoroscopy and/or ultrasonography, it remains challenging to learn and to perform. Recently, electromagnetic tracking (EMT)-based solutions have been proposed to aid PRA, allowing fast and accurate punctures to the renal calyx. However, some limitations still exist, namely the lack of three-dimensional (3D) perception of the anatomy, and the incapacity to achieve the calyx if it is fully occupied by a stone. To mitigate these constraints, this thesis focused on enhancing EMT-based solutions using preoperative computed tomography (CT) and intraoperative tracked ultrasound (US) image data, and, ultimately, deliver a novel surgical navigation system that can be translated to the clinic. To accomplish this goal, the following steps/contributions were fulfilled: (1) study the impact of ureteroscopy and US instruments in the EMT systems’ reliability and accuracy; (2) development of a protocol to create kidney phantom models to assess image fusion strategies; (3) assessment in an insilico environment of a point set registration technique and an US acquisition protocol to fuse twodimensional US and 3D CT data; (4) proposal of a new approach to intraoperatively fuse CT and US data based on a semi-automatic US segmentation strategy and a point set registration algorithm; and (5) gathering of all above-mentioned contributions into a novel surgical navigation system, including additional features to improve real-time guidance, like: needle trajectory and catheter position’ projection over US images; integration of instruments and imaging data into a 3D virtual environment; continuous organtracking (compensating internal organ movements); and needle-based visual feedback. This system was assessed by physicians and compared against other EMT-based solutions in a close-to-real scenario using an abdominal phantom model. The physicians’ performance was superior with the proposed system, preventing injuries to nearby organs and excelling in complex scenarios. The proposed system was classified as the safest solution, obtaining the highest confidence levels during tests. Overall, it proved its added value to assist PRA during PCNL. Considering the applicability of enhancing intraoperative scenarios with preoperative data and guidance feedback, the proposed system may be broadened to other surgical interventions.