Thema "Navigation und Medizin" - Universität zu Lübeck

Abb. 3: Mechanischer Arm zur Navigation [ Neuronavigation:
Computerassistierte Neurochirurgie, Christian
Rainer Wirtz, Stefan Kunze, Deutsches Ärzteblatt 95,
Heft 39 (1998)]
Akustische Trackingverfahren
Ein anderes Verfahren ist die akustische Messung, welche
auf der Annahme basiert, dass der Schall eine gewisse
konstante Geschwindigkeit besitzt und so die Ausbreitungsdauer
zwischen zwei Punkten äquivalent zur Distanz
der Punkte ist. Zur Bestimmung der Position wird ein Sender
in Form eines kleinen Lautsprechers auf dem Objekt
platziert, welcher Ultraschallsignale aussendet. Weiterhin
befinden sich im Bereich der Signale mindestens drei
Empfänger (Mikrofone) mit genau bekannten Abständen
zueinander. Gemessen wird die Zeit, welche die Emissionen
vom Sender zu den Empfängern benötigen und
daraus der Abstand der Sender zu den jeweiligen Empfängern
berechnet. Dann kann mittels Triangulation die
Position des Lautsprechers bestimmt werden. Als Vorteile
dieses Verfahrens sind die geringen Kosten für ein solches
System und die hohe Messgenauigkeit bei bekannten Bedingungen
wie Lufttemperatur und Luftdruck zu nennen.
Allerdings setzen akustische Messverfahren Sichtkontakt
zwischen Sender und Empfänger voraus, was die Brauchbarkeit
für den Einsatz im OP deutlich einschränkt. Weiterhin
wird während Operationen ein steriler Luftstrom
über den OP-Tisch geblasen, welcher Luftdruck und Temperatur
beeinflusst und somit die von diesen Parametern
abhängende Schallgeschwindigkeit verändert. Darüber
hinaus ist es mitunter schwierig zu unterscheiden, ob der
von den Empfängern registrierte Schall von einer
Schallreflexion oder direkt vom Sender kommt.
Abb. 4: Testung der Genauigkeit eines elektromagnetischen
Trackingsystems (NDI Aurora) mit Sender und
Empfänger (Pfeile) durch ein mechanisches Trackingsystem
(Kuka-Roboter) in reeler OP-Umgebung.
Optische Trackingverfahren
Eine Unterteilung der optischen Verfahren wird anhand
der Methode, mittels der Objekte erkannt werden, gemacht.
Unterschieden wird zunächst einmal nach markerlosen
und markerbasierten Verfahren. Markerlose
orientieren sich an Form und Farbe realer Objekte, z.B.
eines medizinischen Instruments. Kommerzielle Anwendungen
verwenden dies in der Medizin jedoch noch
fast gar nicht. Markerbasierte Verfahren nutzen besonders
leicht erkennbare künstliche Marker, deren Form
oder Farbe genau bekannt und auf das Trackingsystem
abgestimmt sind. Im Bereich des sichtbaren Lichts finden
schachbrettähnliche Marker, sog. X-Points, häufig
Verwendung. In der Medizin gängig sind z.B. Infrarotlicht
reflektierende Marker, die sich im Bild einer Infrarotkamera
deutlich abheben. Markerbasierte Verfahren
lassen sich weiter in aktive und passive Verfahren unterteilen.
Im Infrarottracking werden sowohl passive,
also reflektierende Marker eingesetzt, als auch aktive,
also Licht emittierende Marker (z.B. LEDs). Im Gegensatz
zu markerlosen Verfahren muss jedoch immer das
zu trackende Objekt mit einem oder mehreren Markern
versehen werden, wie bei allen zuvor genannten Verfahren
auch.
Die eigentliche Positionsbestimmung ist bei allen Verfahren
gleich. Benötigt werden mindestens zwei Kameras.
Aus den Bilddaten lässt sich mittels Triangulierung
die Position des Objekts errechnen. Jedes einzelne Bild
liefert dabei die Richtung, in der sich das betrachtete
Objekt vom Projektionsmittelpunkt der Kamera aus
befindet. Der Schnittpunkt dieser Richtungsvektoren,
unter Berücksichtigung der Kamerapositionen, ergibt
die Position. Um auch die Orientierung zu bestimmen,
müssen mehrere Referenzpunkte des Objekts angepeilt
204 FOCUS MUL 23, Heft 4 (2006)