Computer-aided navigation in neurosurgery

Abstract

The article comprises three main parts: a historical review on navigation, the mathematical basics for calculation and the clinical applications of navigation devices. Main historical steps are described from the first idea till the realisation of the frame-based and frameless navigation devices including robots. In particular the idea of robots can be traced back to the Iliad of Homer, the first testimony of European literature over 2500 years ago. In the second part the mathematical calculation of the mapping between the navigation and the image space is demonstrated, including different registration modalities and error estimations. The error of the navigation has to be divided into the technical error of the device calculating its own position in space, the registration error due to inaccuracies in the calculation of the transformation matrix between the navigation and the image space, and the application error caused additionally by anatomical shift of the brain structures during operation. In the third part the main clinical fields of application in modern neurosurgery are demonstrated, such as localisation of small intracranial lesions, skull-base surgery, intracerebral biopsies, intracranial endoscopy, functional neurosurgery and spinal navigation. At the end of the article some possible objections to navigation-aided surgery are discussed.

Transnasal endoscopic surgery of neoplasms in the children with the use of the CT-navigation systems

“…Повышению эффективности FESS способствовало появление в ринохирургии навигационных систем, кото-рые ранее уже применялись в нейрохирургической прак-тике [28,29]. Фактический стереотаксический расчет, ос-нованный на системе координат, был изобретен Horsley (1906) и Clarke (1908).…”

“…В дальнейшем R. Mosges и L. Adams опублико-вали свой опыт ее применения в нейрохирургической практике (цит. по [28]). Хотя хирургия наведения изобра-жения (image guided surgery -IGS) и была разработана для нейрохирургического использования, навигация мягкот-канных структур полости черепа имеет существенные ограничения из-за постоянного интраоперационного смещения мягких тканей, которое снижало точность и ча-стоту примений данной технологии.…”

“…Точность манипуляций хирургическим инструментом в данной ме-тодике достигала 2 мм (цит. по [28,29]). В 1991 г. указатели со встроенным магнитным источ-ником для передачи электромагнитного сигнала были описаны A. Kato, а в 1993 г. L. Zamorano применил инфра-красный сигнал в качестве способа передачи координат положения хирургического инструмента, применив тех-нологию инфракрасных светоизлучающих диодов (lightemitting diodes -LED).…”

“…Методы регистрации были упро-щены, интерфейс хирург-машина стал более удобным, а система навигации стала гораздо более мощной, доступ-ной и компактной (цит. по [28][29][30][31][32]). …”

“…В результате регистра-ции получаем интеграцию регистрируемых данных реаль-ного пациента в 3D-модель, построенную на основании КТ/МРТ-изобра жений [29,32,33]. После завершения ре-гистрации хирург может навигировать любой хирургиче-ский инструмент и отслеживать его местоположение в режиме реального времени [28,29].…”