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53. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie e. V. (GMDS)

Deutsche Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie

15. bis 18.09.2008, Stuttgart

Robustheitsuntersuchung des optischen Trackingsystems Microntracker 2

Meeting Abstract

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  • Alfred Franz - Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg, Deutschland
  • Lena Maier-Hein - Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg, Deutschland
  • Ivo Wolf - Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg, Deutschland
  • Hans-Peter Meinzer - Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg, Deutschland

Deutsche Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie. 53. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie (gmds). Stuttgart, 15.-19.09.2008. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2008. DocP-30

Die elektronische Version dieses Artikels ist vollständig und ist verfügbar unter: http://www.egms.de/de/meetings/gmds2008/08gmds216.shtml

Veröffentlicht: 10. September 2008

© 2008 Franz et al.
Dieser Artikel ist ein Open Access-Artikel und steht unter den Creative Commons Lizenzbedingungen (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/deed.de). Er darf vervielf&aauml;ltigt, verbreitet und &oauml;ffentlich zug&aauml;nglich gemacht werden, vorausgesetzt dass Autor und Quelle genannt werden.


Gliederung

Text

Einleitung und Fragestellung

Im Zuge der technischen Weiterentwicklung in der Medizin erhalten computergestützte Navigationssysteme mehr und mehr Einzug in den Bereich der direkten Unterstützung des Arztes, zum Beispiel während operativen Eingriffen. Ein zentraler Bestandteil eines computergestützten Navigationssystems ist das Trackingsystem, das die Bewegungen der eingesetzten Instrumente mit Hilfe von speziellen Markern relativ zur Zielstruktur erfasst. Die größte Rolle im medizinischen Einsatz spielen heute optische Trackingsysteme mit passiven Markern (Bsp.: Polaris (Northern Digital Inc. (NDI); Waterloo, Kanada)). Diese Systeme nutzen in der Regel aktive Trackingkameras, die Infrarotstrahlen aussenden, welche von speziell beschichteten Markern reflektiert werden. Als weitere Möglichkeit existieren unter anderem Systeme mit passiven Kameras, die mit Hilfe von Mustererkennungsalgorithmen auf den Markern befindliche Muster erkennen und deren Position bestimmen können.

Kürzlich brachte die Firma Claron Technology (Toronto, Kanada) ein System dieser Art, genannt Microntracker 2, auf den Markt. Der Hersteller gibt bereits Angaben bezüglich der Genauigkeit des Systems unter Laborbedingungen. Für den praktischen Einsatz stellt sich jedoch die Frage nach der Robustheit des Systems, die durch die Untersuchung des System bezüglich seiner Empfindlichkeit gegenüber Beleuchtung, Position im Trackingvolumen und Geschwindigkeit der getrackten Tools untersucht werden soll. Außerdem sollen verschiedene Tooldesigns verglichen werden.

Material und Methoden

Um die Robustheit des Trackingsystems Microntracker 2 zu evaluieren, wurden fünf verschiedene nadelförmige Tools (Abbildung 1 [Abb. 1]) gebaut. Die an den Nadeln angebrachten Marker werden vom Trackingsystem anhand spezieller Muster identifiziert, die nach bestimmten Vorgaben angeordnet sein müssen, wobei das Design an den Vorgaben des Herstellers orientiert ist [1]. Von den fünf untersuchten Tools sind zwei für seitliches Tracking (Typ 1) und drei für Tracking von oben (Typ 2) vorgesehen.

Im Rahmen der Experimente unserer Studie wurden zunächst verschiedene Tooldesigns verglichen. Anhand der Ergebnisse wurde Tool 1.2 für die folgenden Experimente ausgewählt und in der Bauweise optimiert. Die verbesserte Version mit einer Länge d = 100 mm statt 150 mm wurde dann für Untersuchungen zur Robustheit des Trackingsystems in Abhängigkeit von Position im Trackingsystem, Beleuchtung und Bewegung der Tools verwendet.

(1) Experiment zu den Bauformen der Tools: Um die Bauformen zu vergleichen wurde für jedes Tool eine Folge von N=300 Messwerten der Position der Nadelspitze in der Mitte des Trackingvolumens aufgezeichnet. Der Fehler (bzw. das Rauschen) der Nadelspitze wurde definiert als RMS (quadratischer Mittelwert) des Abstands zwischen der gemessenen Position und des Mittelwerts mμ der Positionen {m1,...,mN} (Formel 1: Definition des Fehlers der Nadelspitze).

Formel 1

Formel 1

(2) Positionsexperiment: Zur Untersuchung der Abhängigkeit des Systems von der Position des Tools im Trackingvolumen, wurde auf ein Phantom[2] zurückgegriffen, das es ermöglicht, ein Tool auf 33 = 27 verschiedenen Positionen in einem Trackingvolumen von einer Größe von 400x400x300 mm3 zu fixieren. Für jede dieser Positionen wurde eRMS von Tool 1.2 bestimmt. Dieses Experiment wurde in einer klinischen Umgebung (Krehl Klinik, Heidelberg) durchgeführt.

(3) Beleuchtungsexperiment: Um die Abhängigkeit des Trackingsystems von der Beleuchtung zu ermitteln, wurde der Fehler der Nadelspitze eRMS von Tool 1.2 in der Mitte des Trackingvolumens bei verschiedenen Lichtverhältnissen in einem Bereich von 1 - 500 Lux ermittelt.

(4) Bewegungsexperiment: Zur Untersuchung der Robustheit des Trackingsystems in Bezug auf Bewegung der Tools wurde ein Phantom verwendet, das ein Tool mit konstanter Geschwindigkeit um einen Punkt rotieren lässt. Für Tool 1.2 wurden mit Hilfe dieses Phantoms jeweils N=300 Messwerte mit Geschwindigkeiten in einem Bereich von 2,5 cm/s bis 62,5 cm/s aufgezeichnet. Für jede Folge von Messwerten wurde per Ausgleichsrechnung mit der Methode der kleinsten Quadrate die beste Anpassung an einen Kreis berechnet. Der Trackingfehler e_KreisRMS wurde als quadratischer Mittelwert des Abstands zwischen den einzelnen Werten und dem berechneten Kreis definiert.

Ergebnisse

Die Ergebnisse der Experimente sind in Tabelle 1 [Tab. 1] sowie den Abbildungen 2 [Abb. 2] und 3 [Abb. 3] dargestellt. Die von der Seite getrackten Tools vom Typ 1 lieferten bessere Ergebnisse als Tools vom Typ 2. Die besten Ergebnisse wurden mit Tool 1.2 erzielt. Laut den durchgeführten Experimenten erhöht sich das Rauschen des Systems mit

(I) größerem Abstand der Tools zum Trackingsystem (Abbildung 2 [Abb. 2]), (II) schwächerer Beleuchtung (Abbildung. 3a [Abb. 3]) und (III) höherer Geschwindigkeit der Tools (Abbildung 3b [Abb. 3]). Ab einer Beleuchtungsstärke von mehr als 10 Lux und einer Geschwindigkeit von 22,5 cm/s oder weniger wurden alle Messwerte erkannt.

Diskussion

Bei der Robustheitsuntersuchung des Trackingsystems Microntracker 2 wurden verschiedene Tooldesigns verglichen und die Empfindlichkeit des Systems gegenüber Beleuchtung, Position im Trackingvolumen und Geschwindigkeit der getrackten Tools untersucht. Nach unserem Kenntnisstand sind wir die ersten, die das System auf diese Weise für den praktischen Einsatz evaluiert haben.

Die Versuche wurden zum Teil nur mit einem Tool und/oder nur an einer Position in der Mitte des Trackingvolumens durchgeführt, lassen sich unserer Meinung nach aber auch auf andere Navigationstools bzw. Positionen übertragen. Ausreißer, die auftraten, obwohl auf konstante Versuchs-Bedingungen geachtet wurde, weisen auf eine mangelnde Robustheit des Systems hin.

Zusammenfassend ist zu sagen, dass sich das Rauschen des Systems in den meisten Fällen zwar noch im Submillimeterbereich bewegt, allerdings sollte die (auch im Vergleich zu anderen Systemen [2]) mangelnde Robustheit bei einem medizinischen Einsatz bedacht werden.


Literatur

1.
Claron Technology, Inc. MicronTracker Developer's Manual MTC 2.6. (2006)
2.
Maier-Hein L et al. Comparative assessment of optical tracking systems for soft tissue navigation with fiducial needles. In: Proc. of SPIE Med. Imag. Volume 6918. (2008) 691870 (9 pages)