Der zuverlässigen Lokalisierung chirurgischer Instrumente in Relation zum Patientenkoordinatensystem kommt in der computerunterstützten Chirurgie entscheidende Bedeutung zu. Aufgrund ihrer weiten Verbreitung im klinischen Alltag können optische Trackingsysteme als Standardverfahren für diese Aufgabe angesehen werden. Ein Nachteil von optischen Trackingsystemen liegt in der zwingend erforderlichen freien Sichtlinie (Line-of-Sight) zwischen Kamera und Objekten und der daraus resultierenden Einschränkung der Bewegungsfreiheit. Diese Arbeit beschreibt ein spiegelunterstütztes optisches Trackingverfahren, welches die Generierung von redundanten Positionsinformationen ermöglicht und somit die Sichtbarkeitsproblematik reduziert und gegenüber konventionellen Trackingverfahren den Arbeitsraum erweitert. Die Funktionsfähigkeit des Verfahrens wurde anhand verschiedener Versuchsreihen bestätigt. Es konnte gezeigt werden, dass spiegelbasierte Messungen eine vergleichbare Genauigkeit erreichen wie die direkten Messmethoden.
Zur Vermeidung oder Reduzierung von Sichtlinienunterbrechungen finden sich im klinischen Alltag bzw. der Literatur verschiedene Ansätze. Eine umfassende Workflowanalyse von kritischen Anwendungen gibt Aufschluss über die Bewegungen der Chirurgen und Instrumente im Hinblick auf die Position des Trackingsystems und ermöglicht somit eine bessere Planung des chirurgischen Eingriffs. Eine Unterbrechung der Sichtlinienverbindung kann jedoch nicht ausschließlich aufgrund der Planung sichergestellt werden.
Eine zusätzliche Verbesserung der Line-of-Sight Problematik lässt sich durch eine angepasste Gestaltung der
verwendeten Referenzkörper erreichen. Ein Beispiel für diesen Ansatz beschreibt die Verwendung von multi-surface
Rigid10. CURAC-Jahrestagung, 15. - 16. September 2011, Magdeburg112
Bodies, welche über mehrere separat erkennbare Geometrien (faces) verfügen, wodurch das Trackingsystem in der
Lage ist die Referenzkörper aus verschiedenen Richtungen zu erfassen [
Hybrides Tracking beschreibt die Verwendung zusätzlicher Sensorik zur Positionsbestimmung. Beispiele hierfür sind
der Einsatz von elektromagnetischem Tracking, zusätzlicher Kameras oder Gyrosensoren [
In dieser Arbeit wird die Machbarkeit eines kostengünstigen Verfahrens untersucht, welches mit Hilfe eines Spiegels redundante Positionsdaten erfassen kann und somit die Sichtbarkeit der Rigid-Bodies bei chirurgischen Anwendungen verbessert und den Arbeitsraum des Trackingsystems modifiziert. 2
Ein Spiegel reflektiert einfallendes Licht nach dem Reflexionsgesetz und erzeugt somit ein definiertes Abbild der Realität. Über die räumliche Registrierung und Kalibrierung der Abbildung können die realen Raumpositionen berechnet werden. Für den Einsatz des spiegelunterstützten Verfahrens muss der eingesetzte optische Spiegel so positioniert werden, dass die zu erfassenden Objekte (retroreflektive Markerkugeln) in dessen Reflexionsbereich liegen. Die Positionierung kann durch eine Planungshilfe unterstützt werden. Im Vorfeld der Anwendung werden die verwendeten RigidBodies sowohl direkt als auch gespiegelt eingemessen. Bei dem verwendeten optischen Trackingsystem können die Rigid-Bodies als multi-surface Rigid-Bodies definiert werden. Dies ermöglicht eine gleichzeitige Geometrieerkennung sowohl in der gespiegelten als auch in der direkten Messung. Zur Bestimmung der relativen und absoluten Objektkoordinaten (Position und Orientierungen im Kamerakoordinatensystem) wird der verwendete Spiegel ebenfalls getrackt und im Bezug zum Trackingsystem kalibriert. Durch die konstante Positionierung des Spiegels und der Kamera muss die Position des Spiegels lediglich einmalig zu Beginn der Anwendung aufgenommen werden. Das entwickelte System ist nun in der Lage anhand der bekannten Lagebeziehungen der Rigid-Bodies die genauen Positionen und Orientierungen der jeweiligen Objekte zu berechnen.
Um die Funktionsfähigkeit des Verfahrens zu zeigen werden die relativen Abstände zweier Referenzkörper im gespiegelten sowie im nicht gespiegelten Koordinatensystem verglichen. Zu diesem Zweck werden zwei passive RigidBodies, ein optisches Trackingsystem Polaris Spectra (NDI, Waterloo, Canada) sowie ein Spiegel (600 mm * 600 mm) verwendet (Abb. 1). Die Rigid-Bodies werden in zehn unterschiedlichen Abständen positioniert und sowohl direkt als auch gespiegelt aufgenommen. Für eine Bewertung der Zuverlässigkeit der Positionswerte, werden zusätzlich die vom Trackingsystem ermittelten RMS Fehler des Abstands der Rigid-Bodies aufgezeichnet.
Abb. 1: Messung der relativen Genauigkeit. - Links: Direkte Ausrichtung der Kamera auf die Rigid-Bodies. Rechts: Aufnahme der gespiegelten Positionsdaten Ein wichtiger Aspekt des spiegelunterstützten Tracking stellt die Erweiterung des nutzbaren Arbeitsvolumens der Kamera dar. Diese Erweiterung kann durch eine grafische Darstellung gezeigt werden, indem Positionswerte aufgezeichnet und visualisiert werden, die außerhalb des eigentlichen Arbeitsvolumens liegen. Für die Akquisition der benötigten Daten wird der Spiegel in der Mitte des Arbeitsraumes der Kamera platziert. Die Erfassung der Position und Ausrichtung der Spiegelfläche erfolgt über einen am Spiegel befestigten Referenzkörper. Im Anschluss wird die Geometrie eines weiteren Rigid-Bodies sowohl direkt als auch gespiegelt eingelesen. Im ersten Schritt wird die direkte Geometrie in das Trackingsystem eingeladen und der Rigid-Body durch das Arbeitsvolumen geführt. Im zweiten Schritt wird die gespiegelte Geometrie geladen und die Positionsmessung wiederholt. Für eine korrekte Darstellung der realen Positionen müssen die gespiegelten Koordinaten in das richtige Koordinatensystem transformiert werden. Die Durchführung der Transformation erfolgt anhand der erfassten Orientierung und Lage der Spiegelfläche. 3
In den durchgeführten Untersuchungen konnte die Funktionsfähigkeit des spiegelunterstützten optischen Tracking gezeigt werden. Die Genauigkeit der spiegelbasierten Messungen wurde anhand der relativen Abstände zwischen zwei Referenzkörpern ermittelt. In Tabelle 1 sind die Ergebnisse der Messreihen zusammengefasst. Dabei hat sich gezeigt, dass die Messungen der Abstände im gespiegelten Koordinatensystem eine vergleichbare Genauigkeit erzielen können, wie die Messung im nicht gespiegelten Koordinatensystem. Die durchschnittliche Abweichung der Messungen beträgt 0,583 mm mit einer Standardabweichung von 0,334 mm. Die von der Kamera ermittelten RMS Fehler der einzelnen Rigid-Bodies vergrößerten sich leicht von durchschnittlich 0,149 mm (STD ± 0,030 mm) bei der nicht gespiegelten Messung auf 0,212 mm (STD ± 0,033 mm) bei der gespiegelten Messung.
In dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur Erzeugung von redundanten Positionsinformationen vorgestellt, welches in der Lage ist das Sichtbarkeitsproblem zu vermindern sowie den Arbeitsraum des optischen Trackingsystems zu modifizieren. Es konnte gezeigt werden, dass die relative Genauigkeit zwischen zwei Objekten durch den Einsatz des Spiegels erhalten bleibt (Mittlere Differenz 0,583 mm ± 0,334 mm). Lediglich der von der Kamera ermittelte RMS-Fehler ist leicht erhöht (+ 0,063 mm). Die durchgeführte Visualisierung des erweiterten Arbeitsraumes zeigt das Potential dieses Verfahrens. Das spiegelunterstützte Tracking ermöglicht einerseits Objekte aus zwei verschiedenen Blickrichtungen gleichzeitig zu tracken und andererseits Objekte zu erfassen, die bei der direkten Messung aufgrund von großen Winkeländerungen außerhalb des gültigen Arbeitsvolumens liegen.
Die leicht erhöhten RMS-Werte bei den spiegelbasierten Messungen ergeben sich aus den nicht idealen Reflexionseigenschaften des eingesetzten Spiegels. Das Verfahren ermöglicht eine Modifikation des Arbeitsraumes, allerdings lässt sich durch dieses Verfahren nicht das gesamte Arbeitsvolumen des Trackingsystems vergrößern, da der Bereich hinter dem Spiegel nicht mehr erfasst werden kann. Für eine optimale Nutzung des Arbeitsraumes sollte daher die Größe des verwendeten Spiegel angepasst werden. Für den Einsatz dieses Verfahrens sollte außerdem für jeden Eingriff die Vorteile der redundanten Positionsgewinnung mit den Nachteilen der Arbeitsraumbeschränkung abgewogen werden. Weitere Untersuchungen können Aufschluss über das genaue Reflexionsverhalten des verwendeten Spiegels geben, um eine Fehlerkorrektur zu ermöglichen. Zusätzlich ist es denkbar, den Spiegel durch eine höherwertige Variante zu ersetzen. Darüber hinaus muss das Verhalten des Systems auf Teilverdeckungen einzelner Marker evaluiert werden. Die Anwendung des Verfahrens im OP-Alltag erfordert außerdem eine Analyse des benötigten Platzbedarfs sowie einer geeigneten Positionierung im Hinblick auf den operativen Workflow.
Generell sind zusätzliche Erweiterungen zu dem vorgestellten Verfahren denkbar. Durch eine automatische Spiegelnachführung könnten Sichtlinienunterbrechungen einzelner Rigid-Bodies abgefangen werden, indem das System diese erkennt und den Spiegel speziell auf den betroffenen Rigid-Body ausrichtet. Abhängig von der Blickrichtung der Kamera auf einen Rigid-Body variiert die maximal erzielbare Genauigkeit der Trackingsysteme. Demnach könnten die redundante Messung zusätzlich genutzt werden, um die Informationen aus direktem und gespiegeltem Bild zu kombinieren und damit die gesamte Messgenauigkeit zu erhöhen.
Zusammengefasst kann das spiegelunterstütze Tracking bei Anwendungen in der computerunterstützten Chirurgie durch die Modifikation des Arbeitsraumes und die Minimierung von Sichtlinienunterbrechungen zu einer Verbesserung der Zuverlässigkeit, Effizienz und Effektivität des Eingriffes sowie zur Erhöhung der Benutzerzufriedenheit von Patienten und Chirurgen beitragen. 5