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August 2012
Robert Elfring
Störungskompensation und Optimierung des elektromagnetischen Trackings in der computerunterstützten Chirurgie
Erkrankungen des Stütz- und Bewegungsapparates stellen eine der zentralen Herausforderungen für das Gesundheitswesen dar. In der operativen Therapie dieser Erkrankungen werden zunehmend chirurgische Navigationssysteme genutzt, welche den Operateur bei Planung und Umsetzung der Eingriffe unterstützen. Von zentraler Bedeutung sind hierbei Technologien zur präzisen und zuverlässigen Lokalisierung und Lageverfolgung von Patient und Instrumenten, das sogenannte Tracking. Elektromagnetische Lokalisierungsverfahren haben aufgrund der sehr kleinen Sensoren und der Unabhängigkeit von einer freien Sichtlinie wichtige Vorteile, denen jedoch technologiebedingte Schwierigkeiten in der Umsetzung gegenüberstehen: insbesondere führen Metalle in der Nähe des Messbereichs oft zu Messfehlern oder gar Ausfällen.
Die Arbeit zeigt Wege zu einem zuverlässigen und genauen Einsatz elektromagnetischen Trackings in der interventionellen und chirurgischen Navigation auf. Zur Beurteilung der Anwendbarkeit des EM-Trackings für eine Applikation wurden zunächst technische und anwendungsorientierte Kriterien erarbeitet. Für ein besseres Verständnis der Störanfälligkeit sowie zur Quantifizierung des Einflusses metallischer Störkörper wurden Simulationen und experimentelle Voruntersuchungen durchgeführt. Eine Methode für die Analyse und Optimierung von Anwendungen wurde vorgestellt und an zwei Applikationen beispielhaft durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass in der untersuchten Anwendung der navigierten Knieendoprothetik durch geschickte Anordnung der Sensoren und Einhaltung von Verfahrensvorschriften alle auftretenden Störungen in einem akzeptablen Bereich gehalten werden können. Für die betrachtete Anwendung der navigierten Kyphoplastie ist eine ausreichende Optimierung hingegen nur durch Einsatz einer speziellen metallfreien Liege möglich.
Ergänzend zu den Optimierungen der Anwendung wurde ein Verfahren zur rechnerischen Korrektur von Störungen vorgestellt, welches erstmals auch dynamische Störungen berücksichtigt und sich so für den Einsatz im sich ständig ändernden chirurgischen Umfeld eignet. Auf Basis von Messungen der gestörten Positionsermittlung an mehreren bekannten Referenzpositionen wird ein Korrekturwert für die Sensorposition berechnet und angewendet. Die Evaluierung konnte zeigen, dass eine Reduktion des Positions- und Orientierungmessfehlers um bis zu zwei Drittel erreicht werden kann. Aufgrund des notwendigen sequentiellen Auslesens der Referenzpositionen können jedoch nur Störungen berücksichtigt werden, welche sich langsam ändern.
Die Arbeit konnte zeigen, dass durch Anwendungsoptimierung und aktive dynamische Störungskompensation ein genaues und zuverlässiges elektromagnetisches Tracking für viele Applikationen möglich ist.
Die Arbeit zeigt Wege zu einem zuverlässigen und genauen Einsatz elektromagnetischen Trackings in der interventionellen und chirurgischen Navigation auf. Zur Beurteilung der Anwendbarkeit des EM-Trackings für eine Applikation wurden zunächst technische und anwendungsorientierte Kriterien erarbeitet. Für ein besseres Verständnis der Störanfälligkeit sowie zur Quantifizierung des Einflusses metallischer Störkörper wurden Simulationen und experimentelle Voruntersuchungen durchgeführt. Eine Methode für die Analyse und Optimierung von Anwendungen wurde vorgestellt und an zwei Applikationen beispielhaft durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass in der untersuchten Anwendung der navigierten Knieendoprothetik durch geschickte Anordnung der Sensoren und Einhaltung von Verfahrensvorschriften alle auftretenden Störungen in einem akzeptablen Bereich gehalten werden können. Für die betrachtete Anwendung der navigierten Kyphoplastie ist eine ausreichende Optimierung hingegen nur durch Einsatz einer speziellen metallfreien Liege möglich.
Ergänzend zu den Optimierungen der Anwendung wurde ein Verfahren zur rechnerischen Korrektur von Störungen vorgestellt, welches erstmals auch dynamische Störungen berücksichtigt und sich so für den Einsatz im sich ständig ändernden chirurgischen Umfeld eignet. Auf Basis von Messungen der gestörten Positionsermittlung an mehreren bekannten Referenzpositionen wird ein Korrekturwert für die Sensorposition berechnet und angewendet. Die Evaluierung konnte zeigen, dass eine Reduktion des Positions- und Orientierungmessfehlers um bis zu zwei Drittel erreicht werden kann. Aufgrund des notwendigen sequentiellen Auslesens der Referenzpositionen können jedoch nur Störungen berücksichtigt werden, welche sich langsam ändern.
Die Arbeit konnte zeigen, dass durch Anwendungsoptimierung und aktive dynamische Störungskompensation ein genaues und zuverlässiges elektromagnetisches Tracking für viele Applikationen möglich ist.
Schlagwörter: Computer Aided Surgery; Navigation; Tracking
Aachener Beiträge zur Medizintechnik
Herausgegeben von Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. med. Steffen Leonhardt, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Radermacher und Univ.-Prof. Dr. med. Dipl.-Ing. Thomas Schmitz-Rode, Aachen
Band 13
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