Materiały do laboratorium Mechatronika w medycynie. Temat: Nawigowana głowica ultrasonograficzna

Transkrypt

1 Ewelina Świątek-Najwer Materiały do laboratorium Mechatronika w medycynie Temat: Nawigowana głowica ultrasonograficzna Zestaw nawigowanej głowicy ultrasonograficznej (3D freehand ultrasound) jest wyposażony w system nawigacji Polaris Spectra, który kontroluje położenie głowicy USG w układzie współrzędnych związanym z zestawem markerów zamocowanym na sztywno na ciele pacjenta. Urządzenie umożliwia przestrzenną diagnostykę bez ograniczeń wielkości badanych obiektów, które występuje w przypadku komercyjnie dostępnych systemów USG 3d/4d. Zastosowany system nawigacji optycznej, Polaris Spectra działa w zakresie podczerwieni i cechuje się dokładnością 0.25 mm i częstotliwością odświeżania 60 Hz. Układ kamer umożliwia lokalizowanie markerów pasywnych (sferycznych, pokrytych powierzchnią retrorefleksyjną) oraz aktywnych (diod podczerwonych). Rysunek 1. Markery pasywne i aktywne w nawigacji optycznej (NDI, Kanada) (źródło: strona internetowa ndigital.com) Ultrasonograf EchoBlaster 128 firmy Telemed wyposażony jest w liniową głowicę o szerokości 80 mm, z regulowaną częstotliwością generowania ultradźwięków (do 10 MHz). Obraz rejestrowany przez ultrasonograf jest 8-bitowy (256 stopni szarości), ma rozmiar 512 x 512 pikseli. Obraz przekazywany jest po interfejsie USB do komputera w czasie rzeczywistym. Nawigowanie głowicy ultrasonograficznej polega na kontrolowaniu położenia głowicy względem układu odniesienia pacjenta związanego z zestawem markerów ramki referencyjnej. Istotą metody jest możliwość przestrzennej interpretacji zapisywanych z wolnej ręki obrazów USG. Głowica ultrasonograficzna wyposażona jest w zestaw markerów optycznych (diod lub markerów pasywnych), z którymi powiązany jest lokalny układ współrzędnych. System nawigacji śledzi położenie i orientację układu głowicy (macierz A na rys. 2) i układu odniesienia związanego z pacjentem (macierz B na rys. 2) a oprogramowanie oblicza macierz Y czyli położenie i orientację układu głowicy względem układu pacjenta. Aby system informował nas o położeniu i orientacji obrazu USG względem układu odniesienia pacjenta konieczna była kalibracja głowicy to znaczy określenie macierzy kalibracji (macierz C na rysunku 2),

2 opisującej położenie i orientację obrazu USG względem układu związanego z układem markerów na głowicy. Kalibrację wykonujemy przy każdym montażu markerów optycznych na głowicy. Rysunek 2. Schemat transformacji układów współrzednych nawigowanej głowicy USG Opracowane oprogramowanie BoneFix dla nawigowanej głowicy USG umożliwia: - zaprojektowanie wzorców pomiarowych parametrów geometrycznych (zaprojektowanie wirtualnych skanów, punktów charakterystycznych oraz zdefiniowania sposobu obliczania parametrów geometrycznych) Rysunek 3. Planowanie wirtualnych skanów

3 Rysunek 4. Planowanie punktów charakterystycznych Rysunek 5. Planowanie parametrów geometrycznych - wykonanie pomiarów według opracowanych wzorców zapis skanów, oznaczenie punktów pomiarowych na skanach i automatyczne obliczenie parametrów przez system pomiarowy na podstawie zdefiniowanego wzorca. Rysunek 6. Zapis skanu USG i oznaczenie punktów charakterystycznych wg wzorca

4 - zapis zestawu obrazów, rozpoznawanie konturu kości i tworzenie uproszczonego modelu geometrycznego. Segmentacja obejmuje procedurę progowania i zastosowanie operatora Laplace a celem wykrycia silnie echogenicznej (jasnej) struktury konturu kości. Rekonstrukcja przestrzenna wykorzystuje metodę triangulacji Delaunay a 2D zastosowaną dla zrzutowanego zestawu punktów na płaszczyznę równoległą do powierzchni kości. Sposób triangulacji dla zrzutowanego zestawu danych przenoszony jest na dane przestrzenne. Rysunek 7. Zasada rekonstrukcji przestrzennej kształtu kości Rysunek 8. Procedura segmentacji

5 Rysunek 9. Chmura punktów rozpoznanych konturów kości - planowanie korekcji kości określenie położenia i ustawienia płaszczyzny cięcia oraz repozycja powstałych odłamów kości. System pozwala kontrolować zmianę parametrów geometrycznych wynikających z przecięcia i repozycji odłamów. Zadania do wykonania: Rysunek 10. Plan korekcji kości 1. Opis systemu pomiarowego 2. Opis zaprojektowanego protokołu pomiarowego (mierzone punkty charakterystyczne, parametry geometryczne) 3. Opis pomiarów parametrów geometrycznych fantomu zdeformowanej kości i uzyskanych wyników oraz ocena powtarzalności wyników 4. Opis procedury badania geometrii fantomu zdeformowanej kości (zapisu skanów, segmentacji, rekonstrukcji przestrzennej)

6 5. Opis procedury planowania korekcji zdeformowanego modelu kości ocena skuteczności korekcji i wpływu na zmianę innych parametrów geometrycznych 6. Opis na czym polega kalibracja nawigowanej głowicy USG. Jakie stosujemy fantomy kalibracyjne i algorytmy? 7. Na czym polega różnica w działaniu nawigowanej głowicy USG i standardowych głowic ultrasonograficznych 3D i 4D 8. Propozycje modyfikacji i usprawnienia systemu nawigowanej głowicy USG. Literatura: 1. Ewelina Świątek-Najwer, Romuald Będziński, Paweł Krowicki, Krzysztof Krysztoforski, Peter Keppler, Josef Kozak, Improving surgical precision - application of navigation system in orthopedic surgery. Acta of Bioengineering and Biomechanics. 2008, vol. 10, nr 4, s Krzysztof Krysztoforski, Paweł Krowicki, Ewelina Świątek-Najwer, Romuald Będziński, Peter Keppler, Noninvasive ultrasonic measuring system for bone geometry examination. International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery. 2011, vol. 7, nr 1, s Ewelina Świątek-Najwer, Krzysztof Krysztoforski, Szymon Ł. Dragan, Romuald Będziński: The investigation of the lower limb geometry using 3D sonography and magnetic resonance. Measurement (London). 2012, vol. 45, nr 4, s Hsu PW., Prager R.W., Gee A.H., Treece G.M. (2009) Freehand 3D Ultrasound Calibration: A Review. In: Sensen C.W., Hallgrímsson B. (eds) Advanced Imaging in Biology and Medicine. Springer, Berlin, Heidelberg 5. Luan K., Liao H., Ohya T., Wang J., Sakuma I. (2011) Rapid Calibration of 3D Freehand Ultrasound for Vessel Intervention. In: Osman N.A.A., Abas W.A.B.W., Wahab A.K.A., Ting HN. (eds) 5th Kuala Lumpur International Conference on Biomedical Engineering IFMBE Proceedings, vol 35. Springer, Berlin, Heidelberg