Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2196
Main Title: Ein fehlerkompensierendes, elektromagnetisches Navigationssystem für die Kopf-Chirurgie
Translated Title: An error compensating electromagnetic navigation system for head surgery
Author(s): Mucha, Dirk
Advisor(s): Kraft, Marc
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die vorliegende Arbeit stellt ein elektromagnetisches Navigationssystem mit Fehlerkompensation für den Einsatz in der Kopfchirurgie vor. Durch Navigationsunterstützung erhält der Operateur eine bildgestützte Führung für die Positionierung von Instrumenten und eine bessere Orientierung im Eingriffsgebiet. Grundlage dieser klinischen Navigationssysteme ist die ständige Lageerfassung der Instrumente und der Patientenanatomie während des Eingriffs. Das Navigationssystem sollte dabei die Arbeit des Operateurs durch zusätzliche Informationen unterstützen, ohne dabei die konventionellen Arbeitsabläufe wie die Instrumentenführung zu verändern oder zu beeinträchtigen. Die elektromagnetische Lagemessung arbeitet mit Körper durchdringenden elektromagnetischen Messfeldern. Somit kann die Verdeckungsproblematik gängiger optisch messender Systeme umgangen werden. Darüber hinaus sind die Referenzkörper aus ergonomischer Sicht den optischen überlegen. Jedoch stellen sich bei dem elektromagnetischen Messverfahren andere technische Herausforderungen. Da die Messdaten durch metallische Instrumente beeinflusst werden, ist die Zuverlässigkeit der Messinformation sicherzustellen, um einen sichere Anwendung gewährleisten zu können. In dieser Arbeit wurden Konzepte für die Erkennung von Störeinflüssen und Korrektur der daraus resultierenden Messfehler für die Pointer- und Instrumentennavigation entworfen und in einem klinischen zugelassenen System mit navigiertem Pointerinstrument umgesetzt. Darüber hinaus wurden Konzepte für eine verbesserte Gebrauchstauglichkeit eines Navigationssystems entwickelt und realisiert. Die Umsetzung gewährleistet einen sicheren und ergonomischen Einsatz der elektromagnetischen Lagemesstechnologie in klinischer Umgebung. Das entwickelte Kalibrier- und Korrekturverfahren kann statische Fehler, die bei der Positionsmessung auftreten, korrigieren. Das Verfahren berücksichtigt Fehlerabhängigkeiten, die auf die Position und die Ausrichtung des navigierten Instruments zurückzuführen sind. Dadurch wird die Positionsmessgenauigkeit in einem an die Anwendung angepassten Arbeitsraum erhöht. Das Konzept der Zustandserkennung und zustandsabhängigen Filterung ermöglicht zusätzlich eine Erkennung von dynamischen auftretende Störungen auf die Positionsmessung. Die umgesetzten Verfahren liefern eine Unterscheidung zwischen Fremdstörung und Bewegungsartefakten, auf die mit Filtern unterschiedlich eingegangen wird. Der Störerkennung und –bewertung nachgeschaltet sind Filter, die die fehlerbehafteten Messwerte korrigieren oder für die weitere Signalverarbeitung ausschließen. Dadurch wird der sichere Einsatz des Systems in einer Standard-OP-Umgebung sichergestellt. Die Wirksamkeit der umgesetzten Methoden und Verfahren wurde in Experimenten nachgewiesen. Sie können einen wichtigen Beitrag zur Etablierung der elektromagnetischen Navigation in der klinischen Anwendung liefern, da sie zum sicheren und zugleich anwenderfreundlichen Einsatz der Technologie in klinischen Systemen beitragen.
This thesis presents an electromagnetic navigation system with error compensation for use in head surgery. A navigation support system provides the operator with image-based guidance for the positioning of instruments, thus improving orientation in area being operated on. Continuous monitoring of the positions of instruments and of the patient anatomy during the operation forms the basis for these clinical navigation systems. The navigation system is intended to support the operator’s work by providing additional information, without modifying or hindering conventional working procedures such as instrument guidance. The electromagnetic monitoring of positions uses electromagnetic measurement fields that can penetrate the body. This helps avoid the problem of concealed areas that arise when using standard optical measurement systems. In addition, the reference bodies are superior to the optical approach from an ergonomic standpoint. However, the electromagnetic measurement process leads to other technical challenges: as the measurement data is influenced by metallic instruments, the reliability of the measurement information must be ensured in order to guarantee safety. As a part of the preparation for this thesis, concepts were developed for the detection of interference effects and the correction of measurement errors that arise from these effects for the pointer and instrument navigation system; these concepts were then implemented in a clinically approved system that uses a navigation-supported pointer instrument. In addition, concepts for improved user-friendliness for the navigation system were developed and implemented. The implementation of these concepts ensures that electromagnetic position-monitoring technology can be used safely and ergonomically in a clinical environment. The calibration and correction process developed here is capable of correcting static errors that arise as part of position measurement. This process takes into account error dependencies that can be ascribed to the position and orientation of the instrument that is being navigated. This improves positioning accuracy in working environments that have been adapted for the use of this technology. In addition, the concepts of state recognition and state-dependant filtering allow for the detection of dynamic interference effects on the position measurement. The process implemented is able to differentiate between external interference effects and those effects caused by motion; these two effects are then treated separately by different filters. Filters are applied to the detection and evaluation of interference; these filters correct measurement values which are subject to errors or else exclude these values from use in further signal processing. This guarantees that the system can be used safely in a standard operation environment. The effectiveness of the methods and processes implemented was demonstrated in experiments. These methods and processes have the potential to contribute to the establishment of electromagnetic navigation in clinical applications, as they aid the safe and, at the same time, user-friendly use of this technology in clinical systems.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-22655
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2493
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-2196
Exam Date: 30-Apr-2009
Issue Date: 16-Jul-2009
Date Available: 16-Jul-2009
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): CAS
Computerassistierte Chirurgie
Elektromagnetische Lagemessung
Klinische Navigation
Medizintechnik
CAS
Clinical navigation
Computer assisted surgery
Electromagnetic tracking
Medical technology
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Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 5 Verkehrs- und Maschinensysteme » Publications

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