Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5681
Main Title: Entwicklung, Aufbau und Evaluation eines kabellosen elektromagnetischen Ortungssystems für den Einsatz in der Chirurgie
Translated Title: Development, construction and evaluation of a wireless electromagnetic tracking system for surgical applications
Author(s): Helfmeier, Kilian
Advisor(s): Lehr, Heinz
Referee(s): Lehr, Heinz
Meyer, Henning, J.
Gelze, Johannes
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Neurosurgical operations can nowadays be accurately planned and precisely carried out with the aid of the latest technological inventions. The planning is based on medical imaging technologies that deliver spatial data on the patient’s cerebral anatomy. During the operation tracking systems acquire and visualize real-time data on the position of the surgeon’s instruments in relation to the patient’s cranium. Employing both afore mentioned technologies, cerebral structures in the vicinity of the operating spot are optimally protected. Commercially available tracking systems exhibit several drawbacks. Optical solutions require a free line of sight and are prone to particles and liquids such as ichor or blood adhering to the so called markers. Uncompensated deformations of the instrument’s shaft negatively impact the system’s accuracy and scale proportionally to its length. Navigational solutions employing electromagnetic fields show none of these issues but negatively affect intraoperative neuromonitoring systems and therefore are of limited use in neurosurgical applications. Also the data cable linking the instruments to the system’s base unit limit the surgeon’s freedom of movement and the overall tidiness in the operating room. This thesis presents a system based on the known principles of electromagnetic localization but implementing an inverse role allocation of field-generating and sensing elements compared to commercially available systems. By applying a current to a miniaturized coil inside the tip of the tracked instrument, the source of the magnetic field is no more fixed in the situs but can be removed with ease thus enabling undisturbed use of intraoperative neuromonitoring systems. The measurement of the field is accomplished by a passive array of coil sensors attached to the operating table. The position and attitude of the field generating solenoid are then derived from the measured values by using an iterative approach based on a numerical model of the system. Simultaneous tracking of more than one instrument is achieved by the use of frequency-division multiplexing which also enables datatransfer such as user-input from the instrument to the system’s base unit. The battery installed inside the instrument’s handle provides up to two hours of wireless operation. The presented work discusses the selection and design of electronic and magnetic components, the employed numerical model and its parameterization, the obtained static and dynamic accuracy which is assessed at a multitude of spots inside the tracking volume, the influence of electrically conductive objects and the mutual interference of closely located operational instruments.
Technologische Fortschritte ermöglichen es, detailliert geplante, neurochirurgische Eingriffe am menschlichen Gehirn mit einer hohen Präzision durchzuführen. Die Planung basiert auf bildgebenden Verfahren, mit deren Hilfe zerebrale Strukturen identifiziert und in räumlicher Relation zum Schädel erfasst werden. Mittels Ortungssystemen, welche die genutzten Instrumente in Relation zum Schädel des Patienten lokalisieren, lassen sich die Eingriffe präzise durchführen, wodurch gesundes Gewebe optimal geschützt wird. Kommerzielle Navigationseinrichtungen weisen Nachteile auf, die sich mit der hier vorgestellten Lösung vermeiden lassen. Optische Systeme benötigen beispielsweise eine freie Sichtachse zwischen dem Kamera-Modul und dem Situs und sind anfällig für Verschmutzungen der sogenannten Marker. Es wird der extrakorporale Tracker geortet, nicht jedoch die eigentlich interessierende Spitze des Instruments. Nicht erfasste Verformungen des Instrumentenschafts führen daher zu einer ungenauen Positionsbestimmung. Diese Nachteile sind bei den elektromagnetischen Systemen nicht vorhanden. Sie werden jedoch infolge ihres störenden Einflusses auf intraoperative Neuro-Monitoring-Systeme in der Neurochirurgie bisher wenig verwendet. Schließlich reduziert auch die Kabelverbindung zwischen den Instrumenten und der Auswerteeinheit den Nutzungskomfort. Gegenstand der Arbeit ist ein Trackingsystem, welches auf den Prinzipien der elektromagnetischen Ortungseinrichtungen basiert, sich jedoch in der vertauschten Rollenzuweisung zwischen Sender und Empfänger von diesen unterscheidet. Das für die Ortung genutzte elektromagnetische Wechselfeld wird durch eine miniaturisierte Spule in der Instrumentenspitze erzeugt. Die Lokalisierung des Senders erfolgt durch eine passive Sensor-Matrix, welche gleichfalls aus Spulen besteht. Sobald das Instrument und damit auch die Feldquelle aus dem Situs entfernt werden, findet durch sie keine weitere Störung von Neuro-Monitoring-Systemen statt. Aus den Messsignalen der Empfangsspulen werden die Ausrichtung und der Ort der Feldquelle in Relation zur Sensor-Matrix numerisch-iterativ ermittelt. Durch Frequenz-Multiplexing lassen sich mehrere Instrumente gleichzeitig und unabhängig voneinander orten. Weitere Daten, beispielsweise Nutzereingaben, lassen sich über separate Frequenzkanäle an die Basiseinheit übertragen. Die in den Instrumenten verwendeten Akkumulatoren ermöglichen eine kabellose Nutzungsdauer von zwei Stunden. Neben der Auswahl und Auslegung der elektronischen und elektromagnetischen Komponenten beschreibt die Arbeit das verwendete numerische Modell und die Bestimmung seiner Parameter. Statische sowie dynamische Positionsmessungen und deren visuelle Darstellung dokumentieren die erreichte Ortungsgenauigkeit im gesamten Arbeitsvolumen. Weitere Untersuchungen zeigen den nur geringen Einfluss elektrisch leitfähiger Gegenstände sowie benachbarter Instrumente auf die Positionsbestimmung.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6106
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5681
Exam Date: 16-Dec-2016
Issue Date: 2017
Date Available: 13-Jan-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::600 Technik::600 Technik, Technologie
DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::610 Medizin und Gesundheit::617 Chirugie und verwandte medizinische Einrichtungen
Subject(s): elektromagnetische Ortung
Trackingsystem
elektromagnetische Navigation
kabellos
minimalinvasive Chirurgie
Neurochirurgie
neurosurgery
electromagnetic tracking
minimally invasive surgery
wireless tracking
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