| DZIEKAN i RADA WYDZIAŁU ELEKTROTECHNIKI, AUTOMATYKI, INFORMATYKI i INŻYNIERII BIOMEDYCZNEJ AKADEMII GÓRNICZO-HUTNICZEJ im. ST. STASZICA W KRAKOWIE | |
|---|---|
| zapraszają na publiczną dyskusję nad rozprawą doktorską mgra inż. Adriana Gorala |
|
| Mobile optical tracking system in computer-assisted surgery | |
| Termin: | 26 kwietnia 2019 roku o godz. 11:00 |
| Miejsce: | pawilon B-1, sala 4 Al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków |
| PROMOTOR: | prof. dr hab. Józef Kozak – B.Braun Aesculap AG/Akademia Górniczo-Hutnicza |
| PROMOTOR POMOCNICZY: | dr inż. Mirosław Socha – Akademia Górniczo-Hutnicza |
| RECENZENCI: | prof. dr hab. inż. Andrzej Kasiński – Politechnika Poznańska |
| dr hab. inż. Adam G. Polak – Politechnika Wrocławska | |
| Z rozprawą doktorską i opiniami recenzentów można się zapoznać w Czytelni Biblioteki Głównej AGH, al. Mickiewicza 30 |
|
Mobile optical localizer in computer-assisted surgery
(Mobilny lokalizator wizyjny w komputerowym wspomaganiu chirurgii)
mgr inż. Adrian Goral
Promotor: prof. dr hab. Józef Kozak
Promotor pomocniczy: dr inż. Mirosław Socha
Dyscyplina: biocybernetyka i inżynieria biomedyczna
Rozprawa przedstawia nową metodę pomiaru orientacji narzędzi chirurgicznych przy pomocy zestawu kamer złożonego z klasycznej kamery wideo i kamery głębi (time of flight, ToF), oraz prototyp mobilnego lokalizatora wizyjnego będącego praktyczną implementacją tej metody.
W rozprawie przeanalizowano możliwość zastosowania omawianej metody do nawigowanej implantacji komponentu panewkowego w zabiegu alloplastyki biodra. Analizę przeprowadzono w oparciu o dwa kryteria dotyczące dokładności pomiaru kątów implantacji. Pierwsze zakładało, że badany system powinien być równie dokładny jak istniejące systemy nawigacji, zaś drugie – że jego dokładność powinna być wyraźnie wyższa niż szacowana dokładność implantacji bez wspomagania. W ramach oceny dokładności prototypu przeprowadzono testy laboratoryjne, badania na zwłokach, oraz badania na fantomie.
Prototyp spełniał pierwsze z kryteriów w warunkach laboratoryjnych, gdy narzędzia znajdowały się blisko kamer. W badaniach na zwłokach oraz testach na fantomie zaobserwowano wyższe wartości błędów pomiarowych: spełnione zostały jedynie kryteria sformułowane w odniesieniu do zabiegów bez nawigacji. Za największe ograniczenie dla dokładności systemu uznano rozdzielczość przestrzenną kamery głębi. Szybki rozwój technologii w zakresie kamer ToF stwarza jednak szansę na praktyczne zastosowanie przedstawionej metody już w najbliższej przyszłości.
Istniejące systemy śródoperacyjnego śledzenia narzędzi wykorzystują najczęściej techniki wizyjne, wymagające zamocowania dodatkowych markerów emitujących lub odbijających światło. Markery te umożliwiają identyfikację narzędzi i określenie ich położenia, komplikują jednak zabieg chirurgiczny i wydłużają czas jego trwania. Dodatkowe ograniczenia tego rozwiązania ujawniają się zabiegach ortopedycznych. Narzędzia podlegają tu znacznym siłom i przyspieszeniom, mogącym naruszyć stabilność mocowania markerów. Ograniczenia te przyczyniają się do niskiej akceptacji metod wspomagania komputerowego wśród chirurgów, pomimo tego, że orientacja narzędzi ma decydujące znaczenie dla powodzenia większości zabiegów ortopedycznych.
Rozprawa przedstawia nową metodę pomiaru orientacji narzędzi chirurgicznych na podstawie danych zarejestrowanych przy pomocy skalibrowanego zestawu kamer: klasycznej kamery wideo oraz kamery głębi bazującej na czasie propagacji światła (time of flight, ToF). Detekcja narzędzia opiera się na danych geometrycznych i fotometrycznych pozyskanych z obydwu kamer. Określenie jego orientacji polega na dopasowaniu trójwymiarowych chmur punktów, z których pierwsza reprezentuje model narzędzia a druga otrzymywana jest w wyniku akwizycji danych. Prezentowana metoda jest podstawą działania prototypu mobilnego lokalizatora wizyjnego, skonstruowanego na potrzeby pracy i przetestowanego w serii eksperymentów pomiarowych w warunkach laboratoryjnych i w warunkach zbliżonych do klinicznych.
W pracy analizowano możliwość zastosowania zaproponowanej metody do nawigowanej implantacji komponentu panewkowego w zabiegu alloplastyki stawu biodrowego. Docelowa orientacja panewki opisywana jest standardowo za pomocą dwóch kątów, które oś panewki tworzy z płaszczyznami anatomicznymi. Na podstawie danych literaturowych w pracy sformułowano dwa zestawy kryteriów dotyczących dokładności pomiaru kątów implantacji: pierwszy z nich zakłada, że badany system powinien być tak samo dokładny jak istniejące systemy nawigacji, zaś drugi – że jego dokładność powinna być wyraźnie lepsza niż szacowana dokładność implantacji bez użycia narzędzi pomiarowych. W części eksperymentalnej pracy przeprowadzono trzy rodzaje testów dokładności: w warunkach laboratoryjnych, w badaniach na zwłokach, oraz w badaniu na fantomie.
Testowany system spełniał rygorystyczne wymagania jedynie w warunkach laboratoryjnych, w których narzędzia znajdowały się w bliskiej odległości od kamer i były przesłonięte przez inne obiekty w nieznacznym stopniu. W trakcie badania na zwłokach oraz testów na fantomie zaobserwowano większe błędy pomiarowe: testowany system spełniał tu jedynie wymagania sformułowane w odniesieniu do zabiegów nie wykorzystujących nawigacji. W celu wyjaśnienia otrzymanych wyników dane zebrane w trakcie eksperymentów wykorzystano do przeanalizowania czynników wpływających na dokładność systemu i skuteczność detekcji narzędzi. Stwierdzono, że najistotniejszym jest rozmiar zbioru danych wykorzystywanych do dopasowania. Najistotniejszym ograniczeniem dla dokładności systemu była więc rozdzielczość przestrzenna kamery głębi. Szybki rozwój technologii w zakresie kamer ToF stwarza szansę na zastosowanie przedstawionej metody już w najbliższej przyszłości.
Pełny tekst rozprawy jest dostępny w Czytelni Biblioteki Głównej AGH.