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Entwicklung eines echtzeitfähigen Navigationsverfahrens for die roboterassistierte Chirurgie

Thomas, Sarina (2015):
Entwicklung eines echtzeitfähigen Navigationsverfahrens for die roboterassistierte Chirurgie.
TU Darmstadt, Institut EMK / FG MuST, [Master Thesis]

Abstract

Computergestützte Navigation in der Wirbelsäulen-Chirurgie dient der exakten Positionierung von Bohrkanälen durch die Visualisierung des Instrumentes relativ zu einem virtuell geplanten Bohrpfad. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Software-Anwendung entworfen, die alle erforderlichen Teilschritte für eine echtzeitfähige, robotergestützte Navigation mit haptischem Feedback realisiert. Die Registrierung zwischen virtueller und physikalischer Patienten-Anatomie bildet den schwierigsten Teilschritt der Navigation, da Fehler während der Registrierung unweigerlich zu Fehlplatzierungen der Bohrkanäle führen können. Für das Szenario der Wirbelsäulen-Chirurgie wurden deshalb verschiedene Registrierungs-Verfahren für die orthopädische Chirurgie untersucht. Dazu wurden aus dem Stand der Technik verschiedene Kriterien, wie zum Beispiel Invasivität und Strahlenbelastung, hergeleitet, um die Verfahren zu vergleichen und zu selektieren. Neben zwei bereits etablierten Verfahren, der sogenannten Paired-Point und Oberflächen-basierten Registrierung, wurde ein eigener Ansatz entwickelt und mit den anderen Verfahren verglichen. Der als Line Matching bezeichnete Ansatz bildet eine Erweiterung des klassischen Oberflächen-basierten Ansatzes durch die Akquisition von Linien-Segmenten und der gesonderten Behandlung von Ausreissern. Für die Evaluierung des Target Registration Error (TRE) aller Verfahren wurde ein spezielles Messphantom konstruiert. Das entwickelte Line Matching erzielte in ersten Versuchen einen mittleren TRE von 0.72 mm und damit einen um 8.9 % kleineren Fehler verglichen mit dem klassischen Verfahren. Mit allen Registrierungs-Verfahren konnte ein mittlerer TRE von weniger als 1 mm und ein maximaler TRE von weniger als 2 mm erreicht und damit die Voraussetzung für den Einsatz in der Wirbelsäulen-Chirurgie erfüllt werden. Für die Navigation wird ein optisches Tracking-System verwendet, um die aktuelle Position von an Instrumenten und dem Patienten angebrachten Infrarot-Marker zu detektieren. Die eingesetzten Marker wurden auf der Grundlage allgemeiner Design-Regeln hinsichtlich Größe und LED Konfiguration konstruiert, angefertigt und evaluiert. Dabei konnten Limitierungen festgestellt und Vorschläge zur Verbesserung erarbeitet werden. Eine graphische Benutzerschnittstelle wurde implementiert, welche die Visualisierung und Benutzer-Interaktion während der Planung des Zielpfades, Registrierung sowie Visualisierung des Instrumentes im virtuellen Bildbereich ermöglicht. Die realisierte Applikation kann bereits zur Navigation mittels visueller Kontrolle eingesetzt und in einem nächsten Schritt mit dem Manipulator verknüpft werden, um eine robotergestützte Navigation zu ermöglichen.

Item Type: Master Thesis
Erschienen: 2015
Creators: Thomas, Sarina
Title: Entwicklung eines echtzeitfähigen Navigationsverfahrens for die roboterassistierte Chirurgie
Language: German
Abstract:

Computergestützte Navigation in der Wirbelsäulen-Chirurgie dient der exakten Positionierung von Bohrkanälen durch die Visualisierung des Instrumentes relativ zu einem virtuell geplanten Bohrpfad. Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Software-Anwendung entworfen, die alle erforderlichen Teilschritte für eine echtzeitfähige, robotergestützte Navigation mit haptischem Feedback realisiert. Die Registrierung zwischen virtueller und physikalischer Patienten-Anatomie bildet den schwierigsten Teilschritt der Navigation, da Fehler während der Registrierung unweigerlich zu Fehlplatzierungen der Bohrkanäle führen können. Für das Szenario der Wirbelsäulen-Chirurgie wurden deshalb verschiedene Registrierungs-Verfahren für die orthopädische Chirurgie untersucht. Dazu wurden aus dem Stand der Technik verschiedene Kriterien, wie zum Beispiel Invasivität und Strahlenbelastung, hergeleitet, um die Verfahren zu vergleichen und zu selektieren. Neben zwei bereits etablierten Verfahren, der sogenannten Paired-Point und Oberflächen-basierten Registrierung, wurde ein eigener Ansatz entwickelt und mit den anderen Verfahren verglichen. Der als Line Matching bezeichnete Ansatz bildet eine Erweiterung des klassischen Oberflächen-basierten Ansatzes durch die Akquisition von Linien-Segmenten und der gesonderten Behandlung von Ausreissern. Für die Evaluierung des Target Registration Error (TRE) aller Verfahren wurde ein spezielles Messphantom konstruiert. Das entwickelte Line Matching erzielte in ersten Versuchen einen mittleren TRE von 0.72 mm und damit einen um 8.9 % kleineren Fehler verglichen mit dem klassischen Verfahren. Mit allen Registrierungs-Verfahren konnte ein mittlerer TRE von weniger als 1 mm und ein maximaler TRE von weniger als 2 mm erreicht und damit die Voraussetzung für den Einsatz in der Wirbelsäulen-Chirurgie erfüllt werden. Für die Navigation wird ein optisches Tracking-System verwendet, um die aktuelle Position von an Instrumenten und dem Patienten angebrachten Infrarot-Marker zu detektieren. Die eingesetzten Marker wurden auf der Grundlage allgemeiner Design-Regeln hinsichtlich Größe und LED Konfiguration konstruiert, angefertigt und evaluiert. Dabei konnten Limitierungen festgestellt und Vorschläge zur Verbesserung erarbeitet werden. Eine graphische Benutzerschnittstelle wurde implementiert, welche die Visualisierung und Benutzer-Interaktion während der Planung des Zielpfades, Registrierung sowie Visualisierung des Instrumentes im virtuellen Bildbereich ermöglicht. Die realisierte Applikation kann bereits zur Navigation mittels visueller Kontrolle eingesetzt und in einem nächsten Schritt mit dem Manipulator verknüpft werden, um eine robotergestützte Navigation zu ermöglichen.

Uncontrolled Keywords: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen Benutzeroberfläche graphisch Navigationsverfahren Programmiersprache C++ Koordinatentransformation Wirbelsäulenmodell
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Measurement and Sensor Technology
Date Deposited: 30 Nov 2015 14:56
Additional Information:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv Institut EMK. Anfrage über Sekretariate

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKM 1877

Art der Arbeit: Masterarbeit

Beginn Datum: 15-10-2014

Ende Datum: 14-03-2015

Identification Number: 17/24 EMKM1877
Referees: Werthschützky, Prof. Roland
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