Image Guided Surgery - Technische Universität Dresden
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netfeld aufbaut, und einem Sensor, dessen Lage in diesem Feld festzustellen ist. Wird eine Empfängerantenne mit mehreren Spulen im elektromagnetischen Feld platziert, so entsteht beim Aufbau des äußeren Magnetfeldes durch Induktion ein Strom in jeder der Empfängerspulen. In der Praxis werden drei orthogonale Magnetfelder gebildet, und für jedes Feld wird der Induktionsstrom in ebenfalls drei orthogonalen Em- pfängerspulen gemessen. Die daraus resultierenden 9 Messwerte beschreiben die je- weilige Winkellage des Sensors. Die Bestimmung der Entfernung geschieht über die Signalstärke der Induktionsströme, die mit zunehmender Entfernung vom Sender ex- ponentiell abnimmt. Derzeit sind einige solcher Systeme, die mit leichten Abwandlungen des beschriebe- nen Funktionsprinzips arbeiten, verfügbar [13]. Ein Beispiel eines auf elektromagneti- scher Basis arbeitenden Systems ist der 3-Space Digitizer von der Firma Polhemus. Die Raumposition einer Messsonde wird aus den Potentialänderungen eines elektro- magnetischen Feldes abgeleitet. Die Sensoren, die an den zu ortenden Objekten befes- tigt werden, sind etwa 1,5 cm groß. Die Ortsauflösung bei der Positionsbestimmung wird mit 0,2 mm angeben. Die Winkelauflösung wird vom Hersteller mit 0,5 Grad spezifiziert. Diese Genauigkeiten soll in einem Radius von einem Meter um die An- tenne erreicht werden. Abb. 3: Prinzip eines elektromagnetischen Systems 14
Vorteile dieser Methode sind, eine relativ preisgünstige Hardware und dass kein di- rekter Sichtkontakt zwischen Generator und Sensor bestehen muss. Dies ist bei den akustischen und den nachfolgend beschriebenen optischen Navigationssystemen nicht der Fall. Demgegenüber steht jedoch, dass sich die Homogenität des erzeugten Mag- netfeldes durch metallische Gegenstände leicht beeinträchtigen lässt. So gilt es bei- spielsweise sicherzustellen, dass das Kopfteil des Operationstisches aus besonderem, nicht magnetischen Material hergestellt ist. Die während der Navigation verwendeten Instrumente dürfen nicht zu große Mengen an magnetisierbaren Materialien mit in das Operationsfeld bringen. Durch solche Artefakte reduziert sich die brauchbare Messge- nauigkeit des Navigationssystems nicht unerheblich. Die Messabweichungen können dann im Zentimeterbereich liegen. Seipel setzte im Rahmen eines in vitro Experimen- tes ein magnetisches System zur navigierten Insertion von dentalen Implantaten ein [103]. Die Sendeantenne wurde dabei in der Nähe der Nackenstütze des Behandlungs- stuhles befestigt. Winkelstück und Unterkiefer sind mit Sensoren ausgestattet. Amiot beschreibt ein weiteres System in der Wirbelsäulenchirurgie, das auf diesem Prinzip beruht [5]. 1.4.4 Optische 3D-Positionsbestimmungsverfahren Das optische Tracking basiert auf dem Prinzip der Stereokorrespondenzanalyse, bei der 2 oder mehrere Videokameras zur Überwachung einer Szene von verschiedenen Beobachtungspunkten aus eingesetzt werden. Durch bildverarbeitende Prozesse wer- den anschließend definierte Referenzpunkte in den Videobildern erkannt und mit dem gespeicherten Bilddatensatz korreliert. Um die Bildverarbeitung zu erleichtern, werden beim optischen Tracking häufig Leu- chtdioden im Infrarotbereich oder passiv reflektierende kontrastreiche Objekte als Referenzmarker eingesetzt, die bei der Überwachung mit Infrarotkameras eine einfa- che Bildsegmentierung erlauben [82]. Darüber hinaus werden optische Störeinflüsse im sichtbaren Spektrum durch die Verwendung von operationskompatiblem Infrarot- licht ausgeschaltet. Die von den Markern ausgesendeten Lichtwellen werden von ei- nem Kamerasystem registriert. Durch Analyse der dabei erkannten Stereodisparität kann auf die räumliche Position der Referenzpunkte geschlossen werden. Disparität 15
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Vorteile dieser Methode sind, eine relativ preisgünstige Hardware und dass kein di-<br />
rekter Sichtkontakt zwischen Generator und Sensor bestehen muss. Dies ist bei den<br />
akustischen und den nachfolgend beschriebenen optischen Navigationssystemen nicht<br />
der Fall. Demgegenüber steht jedoch, dass sich die Homogenität des erzeugten Mag-<br />
netfeldes durch metallische Gegenstände leicht beeinträchtigen lässt. So gilt es bei-<br />
spielsweise sicherzustellen, dass das Kopfteil des Operationstisches aus besonderem,<br />
nicht magnetischen Material hergestellt ist. Die während der Navigation verwendeten<br />
Instrumente dürfen nicht zu große Mengen an magnetisierbaren Materialien mit in das<br />
Operationsfeld bringen. Durch solche Artefakte reduziert sich die brauchbare Messge-<br />
nauigkeit des Navigationssystems nicht unerheblich. Die Messabweichungen können<br />
dann im Zentimeterbereich liegen. Seipel setzte im Rahmen eines in vitro Experimen-<br />
tes ein magnetisches System zur navigierten Insertion von dentalen Implantaten ein<br />
[103]. Die Sendeantenne wurde dabei in der Nähe der Nackenstütze des Behandlungs-<br />
stuhles befestigt. Winkelstück und Unterkiefer sind mit Sensoren ausgestattet. Amiot<br />
beschreibt ein weiteres System in der Wirbelsäulenchirurgie, das auf diesem Prinzip<br />
beruht [5].<br />
1.4.4 Optische 3D-Positionsbestimmungsverfahren<br />
Das optische Tracking basiert auf dem Prinzip der Stereokorrespondenzanalyse, bei<br />
der 2 oder mehrere Videokameras zur Überwachung einer Szene von verschiedenen<br />
Beobachtungspunkten aus eingesetzt werden. Durch bildverarbeitende Prozesse wer-<br />
den anschließend definierte Referenzpunkte in den Videobildern erkannt und mit dem<br />
gespeicherten Bilddatensatz korreliert.<br />
Um die Bildverarbeitung zu erleichtern, werden beim optischen Tracking häufig Leu-<br />
chtdioden im Infrarotbereich oder passiv reflektierende kontrastreiche Objekte als<br />
Referenzmarker eingesetzt, die bei der Überwachung mit Infrarotkameras eine einfa-<br />
che Bildsegmentierung erlauben [82]. Darüber hinaus werden optische Störeinflüsse<br />
im sichtbaren Spektrum durch die Verwendung von operationskompatiblem Infrarot-<br />
licht ausgeschaltet. Die von den Markern ausgesendeten Lichtwellen werden von ei-<br />
nem Kamerasystem registriert. Durch Analyse der dabei erkannten Stereodisparität<br />
kann auf die räumliche Position der Referenzpunkte geschlossen werden. Disparität<br />
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