Registration Techniques in head surgery Image-to-patient Registration Techniques in head surgery Biomedical Engineering Senior student 20754041 Yoon-Ho, Choi

Introduction Frame –based stereotaxy was developed in neurosurgery from last century Atlas-based → Individual patient’s image data-based (Neurosurgery, Radiotherapy) The problem we have to solve is Patient-to-image data registration 2 main developments based on this concept Frameless stereotaxy Markerless registration 지난세기 초 정위기구의 개발이 이루어짐 아틀라스베이스였던 것이 개인의 이미지 데이터를 베이스로 한 정위기구로의 발전을 이룸 개인의 의료영상을 이용해 환자개개인에 맞춘 정위방법을 구현하려고 할 때 문제가 되는 것은 환자와 영상 이미지의 정합을 이루어야 한다는 것이다. 2개의 주된 발전방향이 있는데 프레임레스와 마커레스가 그것이다. 프레임레스의 경우 CT등 의료영상기기의 발달로 많은 부분이 향상되었고 실제로도 외과수술시 많이 쓰이는 기술이나, 마커리스의 경우 더 많은 연구와 투자가 필요한 상황이다. 이번 프레젠테이션을 통해 정위기구의 역사와, 발달과정을 소개할 것이다.

The history of stereotaxy 정위기구의 역사는, 의료영상과 그 시작을 같이하는데요. 이는 100여년 전 뢴트겐의 x레이 발견으로 부터 시작합니다. 1895년 8월 x선을 발견한 뢴트겐이 같은 해 12월 부인의 손 촬영에 성공을 하면서 이것을 응용한 다양한 기술들이 급속도로 발전하기 시작합니다. 그러나 실제 외과수술에서 사용시 문제가 발생한다. 의료영상과 실제 환자를 다룰 때 대응되는 부분을 정확히 찾아내기 힘들기 때문에 대부분의 수술이 외과의사의 상상과 해부학적 지식에 의해 이루어진다는 점이다. Problem – The surgeon had to rely on imagination , spatial acumen And anatomical knowledge. Wilhelm Conrad Roentgen - X-rays ( Oct, 1895 )

The history of stereotaxy For image-guided surgery, extremely accurate transfer of information from the image to the body of the patient is required Registration Determination of a relation between image data and the body The spatial correlation of a patient’s body and image data Can be used for diagnostics as well for therapy Image guided surgery - linear coordinate transform is necessary 때문에 영상을 이용한 수술을 위해서, 의료 이미지로부터 환자 신체로의 정보전송이 극도로 정밀한 수준으로 이루어져야 했습니다. 그러면서 레지스트레이션, 한글로 정합이란 용어가 등장합니다. 이는 이미지데이터와 신체의 관계를 결정한다는 의미를 지니고 있는데, 쉽게 말해 영상에 나온 환자의 신체 부분을 실제 환자의 부분과 맞춰보는 과정을 의미합니다. Q : Transform points P : Points B : Rotation matrix Y : linear translation In the coordinate system

The history of stereotaxy – Frame based The foundations for registration were laid as early as 100 years ago. : Frame-based stereotaxy (still use in neurosurgery) (1) Horsley & Clark stereotactic device(1908) Attached to head Registration is performed by localizing features of the frame in the image data The purpose of this device was not Image-to-Patient registration 기본적 형태의 registration은 100여년 전 부터 고안되었습니다. 틀에 짜여진 형태의 정위고정장치 인데요. 다음은 호슬리와 클락이 1908년에 최초로 고안 프레임베이스드 고정장치입니다. 이마에 부착하고 기기안에 머리를 넣는것인데 이때 이미지로부터 얻어진 수술부위는 수학적계산을 거쳐 실제 머리에 registration 됩니다. 이들이 만든 정위장치는 그러나, 영상과 환자의 정합을 목적으로 한 것이 아니었는데, 그 이유는 그들이 두개골 내부에 있는 부분과 관련된곳을 외부에 있는 특징들을 이용해 찾을수 있다 가정하였기 때문입니다. 실제 이미지를 이용한 정합이 아닌 그저 그들의 가정을 밝히기 위한 장치였던 거죠. 그들이 연구한 것은 또한, 개인을 위한 데이터가 아닌 경험에 의한 값을 산출하는 것이라 진정한 의미의 정합을 유도할 수도 없었습니다.

The history of stereotaxy – Frame based Further developments of stereotaxy were aimed high accuracy, individual anatomy Back grounds : Conventional X-ray imaging were conceived ( neuro surgery ) The stereotatic frame should allow rigid and exact positioning of the head and be as light as weight as possible to reduce patient distress (2) Leksell stereotatic system(1949) The frame is attached to the patient and then to the X-ray tube to ensure accurate alignment The exact orthogonal alignment of the two X-ray images was necessary for accurate measurment 초기형태를 벗어나 진보된 버전의 정위장치들은 환자의 영상을 집적하여 머리 안쪽의 위치들을 정확도를 향상하고, 개인의 해부학적 접근을 추구하였습니다. 1949년 렉셀에 의해 개발된 정위장치는 그들 중 하나입니다. 신경수술에서 그 영상기술 및 정합의 역할이 지대해지자 X-ray 영상에 대한 협약이 이루어졌는데 이를 만족하기 위해서 정위장치는 머리고정시 정확하고 틀을 갖춘 형태를 띄어야 했으며 무게또한 환자의 스트레스를 가능한 줄이는 방법으로 고안되었습니다. 프레임을 환자에 부착하고 x-ray 관과 가깝게 주착함으로써 정확한 배열들 도모하였습니다. 그러나 정확도는 아직 크게 향상되지 않은 상태였기에 보다 직교하는 2차원의 X-ray 영상을 통해 보다 정확한 측정을 도모하는 것이 필요해졌습니다.

The history of stereotaxy – Frame based CT Posed a new problem : two-dimensional image slices through the head had to be registerd (3) BRW (Brown-Roberts-Wells) localizer for CT 6 vertical and 3 diagonal rods 3 N-shaped assemblies around the head These rods appeared as 9 spots in image 2차원의 여러 x-ray 슬라이스를 합쳐 내부의 구조를 밝히는 영상법인 CT가 고안되면서 이에 따른 정합의 문제 또한 야기되었습니다. 여기서 BRW의 localizer가 고안되었는데, 원통에 부착한 쇠막대기를 마커로서 정확한 정합을 공간내에서 구현하는것입니다. 6개의 수직, 3개의 대각선 rod가 3개씩 1개의 N자 모양으로 장치되어 머리를 감쌉니다. 이러한 막대기 rod는 화살표로 표시된 9개의 점으로 나타나는데 이는 환자의 공간적인 위치를 나타내는 지표로 사용되었습니다. 이 개념은 MRI-based의 정위장치에도 적용되었으며 특히 craniofacial surgery에 까지 확장되어 사용되었습니다.

The history of stereotaxy – Frame based (4) Fialkov frame For craniofacial surgery Attached to the external auditory canal and a dental splint craniofacial surgery에서 CT 이미지 데이터의 획득을 위해 고안된 장치 fialkove frame입니다. 이는 귓구멍과 치아 스플린트로 고정한 비 침습적 프레임입니다. 다른 종류로 LBL system을 들 수 있습니다. 이는 방사선 치료에 사용되는 마스크로, 개인별로 조립이 가능하게 되어있습니다. (5) LBL system Attached to individually fabricated face mask For stereotactic radiation theraphy

The history of stereotaxy – Frameless The shortcoming of Frame based: Has to be mounted rigidly and invasively to the patient’s head Must not be removed between image data acquisition and surgery During operation, the frame itself is an obstacle rather than a support Not good at oral and maxillofacial surgery or ENT surgery Frameless stereotaxy : From 1980, single markers are mounted separately to the patient’s head In contrast to frame-based : Geometry of the markers always differs A targeting device is used to measure the positions of these markers Markers position is tracked by a computer system that holds all image data 이와 같이 frame base의 정위장치는 매우 정확하고 의존적이며 신경수술에서 여전히 쓰이는 방법입니다. 그러나 이는 단점이 몇가지 있습니다. 환자의 머리에 고정하기 위해 이미지 데이터의 획득과 수술때엔 스크류를 머리에 침습적으로 박아야 한다는 점입니다. 또한 구강 및 턱, 이비인후과 수술에 좋지 않다는 단점을 갖고 있습니다. 이에 1980년 부터 컴퓨터 기술의 발달로 프레임레스 정위 시스템이 현실화 되었습니다. 전체에 프레임을 놓는 대신 환자 머리에 분리된 싱글 마커들을 부착하여 정합을 유도하는 방식입니다. 이는 프레임베이스에 있던 마커들은 기하학적으로 항상 같은데 반해 항상 다른 마커들이 이용되었습니다. 이것들은 타겟팅 디바이스를 이용해 추적되었는데 이는 전체 이미지 데이터를 가진 컴퓨터 시스템에 의해 이루어졌습니다.

The history of stereotaxy – Frameless Targeting Device with IR-LEDs Workstation on a cart with CRT screen Infrared tracking camera(IR) is attached to the cart 2 technical concepts for patient-to-image registration Pair point registration ( Marker-based, Markerless ) Surface-matching techniques 오른쪽 그림은 타겟팅 디바이스의 외관입니다. IR이라 불리는 적외선 카매라가 카트에 부착되어 있고 이를 컴퓨터가 분석하여 기계의 위치를 CRT 스크린에 띄우는 방식으로 환자의 위치를 찾습니다. 이는 수술집도의 에게 포인트를 알려주는 기능을 하였습니다. 이러한 기기를 대안하는 환자-의료영상 레지스트레이션 기술또한 대두 됬는데, 이는 크게 두가지 기술로 나누어 볼 수 있습니다. 1. Pair point registration과 2. surface matching technique이 그것입니다. ↑ Targeting device with computer

The history of stereotaxy – Marker based Pair point registration 1set = at least 3 positions in image space and physical space Correlating 2 sets of data Unambiguously registerd Can transfer any point in spaces (physical ↔ image) Marker-based pair point registration Markers are attached to the patient’s body prior to imaging 2 sets of points needed ( in image space and patient space ) Various systems ( skin-mounted fiducials, bone-mounted fiducials ) 그럼 우선 pair point에 대해 말씀드리겠습니다. 적어도 3개의 위치를 1개의 세트로 해서 영상 공간과, 물리적 공간에 표시를 합니다. 그리고 2세트의 상관관계를 변형행렬을 통해 조사하여 이를 통해 정합을 이루는 것인데 이는 명확한 동기화가 가능하게 합니다. 이미지 -> 물리, 물리 -> 이미지로의 전송이 가능합니다. 이를 이용한 마커 베이스드 pair point registration의 설명입니다. 마커를 영상 촬영 전에 환자의 몸에 부착하는 방법으로, 영상공간에서의 마커와 환자공간에서의 마커 두개의 세트가 요구되는 방법입니다. 이는 피부 고정 기준과, 뼈 고정 기준의 시스템으로 나뉩니다. 피부고정 fiducial은 마커를 환자의 피부에 붙이는 것으로 촬영을 하려는 영상장비의 특성에 맞게 잘 보이도록 고안되었습니다. 그러나 이는 한계 및 단점이 있었는데, 피부의 부풀음이나 밀림 같은 요인에 영향을 많이 받으므로 부착하는 피부를 신중하게 골라야한다는 것이며, 마커가 실수로 떨어지지 않도록 조심해야 한다는 점. 제한된 부착부위로 인해, 조사되는 방사선 량이 많다는 문제, 그리고 딱히 높지 않은 정확성을 갖는다는 것이 그것입니다.

The history of stereotaxy – Marker based Skin-mounted fiducials Attach skin markers Designed to be optimally visible (Dependent on the imaging method) Limitations 1. The region of the skin has to be selected carefully – swelling or shifting 2. Care must be taken that the markers are not accidentally removed 3. The restriction in marker placement causes irradiation 4. Modest registration accuracy 피부고정 fiducial은 마커를 환자의 피부에 붙이는 것으로 촬영을 하려는 영상장비의 특성에 맞게 잘 보이도록 고안되었습니다. 그러나 이는 한계 및 단점이 있었는데, 피부의 부풀음이나 밀림 같은 요인에 영향을 많이 받으므로 부착하는 피부를 신중하게 골라야한다는 것이며, 마커가 실수로 떨어지지 않도록 조심해야 한다는 점. 제한된 부착부위로 인해, 조사되는 방사선 량이 많다는 문제, 그리고 딱히 높지 않은 정확성을 갖는다는 것이 그것입니다.

The history of stereotaxy - Marker based Bone-mounted fiducials Progressive method Consist merely of a titanium screw Clearly visible in CT image Can use for Intraoperative registration with the tracked pointing device High registration accuracy Disadvantages - Additional surgery to insert the fiducials Non-invasive Bone-mounted fiducials An assembly holding all the fiducial markers Headsets or headgears Attach markers for Imaging Re-attach in the same position prior to surgery 이러한 단점을 풀기 위해 뼈 고정 기준마커 방법이 고안되었습니다. 이는 티타늄 스크류를 국소마취한 뼈에 드릴링하는 방법입니다. 뼈 고정 기준마커 부착방법은 CT이미지를 비롯한 영상에서 분명하게 나타나고, 수술중에도 tracking device를 통해 registration이 가능하며, 높은 정합 정확도를 갖는 등의 장점을 갖지만, 작은 규모라도 침습적인 수술이 더 필요하다는 것이 단점입니다. 때문에 비침습적인 뼈 고정 기준방법이 대두되었는데 그 중 조립형 기준 마커가 있습니다. 이는 이미지촬영전에 붙였다 뗀 후, 수술 이전에 또 붙이는 것으로

The history of stereotaxy – Marker based 2) Maxillary registration splint Connected to the dentition of upper jaw Titanium Markers Surgery of the maxilla, face, orbit and anterior skull 3) Banana bar Additional extensions Disadvantages Time consuming and error prone 또 다른 비침습적 방법으로는 턱뼈 부착형 splint 가 있습니다. 이는 위턱에 티타늄 마커를 댐으로써 정위를 파악하는 방법인데, 이는 턱, 얼굴, 눈 및 머리뼈 앞의 수술에 적합합니다. 바나나 바와같은 장치 또한 고안되었습니다. 이는 마커를 외부에 추가적으로 길게 늘여 부착하는 방식입니다. 이러한 방법은 시간의 소모가 크고 오차가 많이 발생하는 단점을 갖고있습니다.

The history of stereotaxy – Marker less Marker-less pair point registration Characteristic points (anatomical markers) are identified in image data / patient Using the tip of skin surface (nose) or the spina nasalis on the bone surface Simple (no markers, no danger of loss of registration, no specific image data acqusition ) Limitation – rely on skin conditions. Invasive surgery required(bone) 때문에 마커리스의 개념이 도입됩니다. 환자 개개인의 특징을 해부학적 마커와 같이 인식하여 이미지 데이터에서와 환자를 식별합니다. 이는 마커가 필요없고, 정합시 손실의 우려가 없으며, 추가적인 데이터 획득이 필요없습니다(수술전) 그러나 피부 컨디션에 영향을 받으며 뼈의 표면을 이용할 시 추가적인 수술이 필요합니다.

The history of stereotaxy – Surface registration Surface matching Use two large sets of points ( hundreds ~ thounds ) Surfaces are viewed as a whole Projector, laser pointer Limitation – rely on the quality of image data, residual rotational errors can result, position 이를 보완한 기술로 surface matching이 있는데 프로젝터와 레이저 포인터를 사용해서 패턴을 표면에 조사합니다. 이는 수백에서 수천개의 포인트들로 구성되어서 전체적인 표면을 인식하게 합니다. 이를 이용해 공간과 실제의 세트를 하나로 구성하여 정합을 이뤄내게 됩니다. 그러나 이 또한 이미지 데이터의 해상도에 의존해야 하는 점, 결과로 나머지 회전부분의 에러가 나올수 있다는 점, 너무 부드럽고 쉬프트가 일어날수 있는 피부는 가급적 피해야 한다는 단점이 있습니다.

Ongoing subject of research intra-operative imaging Software for navigating system Detachable tracking unit High accuracy 다음은 앞으로 진행중인 연구주제들입니다.

Q&A

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