Robustheitsuntersuchung des optischen Trackingsystems

Erschienen im Tagungsband der 53. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und
Epidemiologie e. V. (GMDS) , Stuttgart 15.-19. September 2008. S. 149 - 151.
Robustheitsuntersuchung des optischen Trackingsystems
Microntracker 2
Franz A M, Maier-Hein L, Wolf I, Meinzer H-P
Abteilung Medizinische und Biologische Informatik, Deutsches Krebsforschungszentrum, Heidelberg
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 (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.
Erschienen im Tagungsband der 53. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und
Epidemiologie e. V. (GMDS) , Stuttgart 15.-19. September 2008. S. 149 - 151.
Abbildung 1: Schematische Ansicht der verschiedenen Bauformen der Tools.
(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).
Formel 1: Definition des Fehlers der Nadelspitze
(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 sowie den Abbildungen 2 und 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
Erschienen im Tagungsband der 53. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und
Epidemiologie e. V. (GMDS) , Stuttgart 15.-19. September 2008. S. 149 - 151.
Tabelle 1: Ergebnisse des Experiments zu den Tool-Bauformen
(I) größerem Abstand der Tools zum Trackingsystem (Abb. 2), (II) schwächerer
Beleuchtung (Abb. 3a) und (III) höherer Geschwindigkeit der Tools (Abb. 3b). Ab
einer Beleuchtungsstärke von mehr als 10 Lux und einer Geschwindigkeit von 22,5
cm/s oder weniger wurden alle Messwerte erkannt.
Abbildung 2: Ergebnisse des Positionsexperiments
Abbildung 3: Ergebnisse des Beleuchtungs- und Bewegungsexperiments
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]
[2]
Claron Technology, Inc.: MicronTracker Developer's Manual MTC 2.6. (2006)
Maier-Hein et al., L.: 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)