نوع مقاله: مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه علوم پزشکی تهران، گروه فیزیک و مهندسی پزشکی، کارشناسی ارشد

2 دانشگاه علوم پزشکی تهران، گروه فیزیک و مهندسی پزشکی، دانشیار

3 دانشگاه علوم پزشکی تهران، گروه جراحی مغز و اعصاب، دانشیار

10.22041/ijbme.2013.13089

چکیده

انطباق تصاویر قبل از عمل با فضای فیزیکی بیمار در حین عمل در سیستم های راهبری جراحی به کمک تصویر، برای ردیابی ابزار جراحی نسبت به بدن بیمار امری ضروری محسوب می شود. جراحی ستون فقرات به کمک تصویر نیز از این امر مستثنی نیست. به دلیل تفاوت در نحوه قرارگیری بیمار در تصویربرداری قبل از عمل و شرایط حین عمل، تفاوتی در انحنای ستون فقرات بیمار ایجاد می شود این بدین معناست که یک انطباق صلب برای انطباق کل مهره ها کفایت نمی کند و لازم است که هر مهره بطور جداگانه به عنوان یک جسم صلب در نظر گرفته شود و عمل انطباق روی هر مهره بطور جداگانه صورت پذیرد. برای انطباق تک تک مهره ها از الگوریتم انطباق ICP استفاده شده. برای ارزیابی دقت انطباق، خطای TRE با در نظر گرفتن نقطه هدف در پایه مهره که محل جراحی در عمل جایگذاری پیچ در مهره محسوب می شود، محاسبه شد. در این تحقیق عوامل موثر بر خطای TRE که عبارتند از پیکره بندی نشانگرها نسبت به نقطه هدف، خطای FLE و الگوریتم انطباق مورد بررسی قرار گرفته است. در نهایت با پیشنهاد چند پیکره بندی مناسب از لندمارک های آناتومیکی با توجه به محدودیت های حین جراحی و همچنین در نظر گرفتن اثر FLE با استفاده از نسبت دادن وزن هایی به جفت نقاط متناظر در الگوریتم انطباق، بهبود 45 درصدی در خطای TRE حاصل شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Intra-operative 3D navigation and TRE reduction in image guided spine surgery

نویسندگان [English]

  • Marzie Ershad 1
  • Alireza Ahmadian 2
  • Houshang Saberi 3

1 M.Sc Graduated, physic and Biomedical Engineering, Tehran University of Medical Sciences

2 Associate Professor, physic and Biomedical Engineering, Tehran University of Medical Sciences

3 Associate Professor,Surgery Grup of brain and Nerves, Tehran University of Medical Sciences

چکیده [English]

Registration of preoperative images to intra-operative patient space is a crucial step in image guided surgery for tracking surgical tools relative to patient’s anatomy. In image guided spine surgery, due to the difference in patient’s positioning in preoperative imaging, compared with intra-operative situation, there is a difference in spine curvature in these two positioning which means that a single rigid registration is not sufficient for registering the whole spine and it is necessary for each vertebra to be registered separately as a rigid body and with it’s appropriate transformation parameters. The registration was carried out using ICP algorithm. For evaluating the registration, TRE was calculated in the pedicle of the vertebra which is the target in pedicle screw insertion. In order to optimize the TRE this study was focused on the factors affecting TRE including different configuration of landmarks used in registration and the registration algorithm. Optimal configurations for the landmarks used in the registration were proposed and FLE for the point pairs were included in the registration algorithm to increase the registration accuracy. The results indicate a total improvement of 45% in the registration accuracy by optimizing the landmarks’ configuration and the registration algorithm.

کلیدواژه‌ها [English]

  • image guided surgery
  • Registration
  • target registration error
  • fiducial registration error
  • point based registration

[1]     Nolte LP, Slomczykowski MA, Berlemann U, Strauss MJ, Hofstetter R, Schlenzka D, Laine T, Lund T (2000) A new approach to computer-aided spine surgery: fluoroscopy-based surgical navigation. European Spine Journal 9 (7):S078-S088

[2]     Arun KS, Huang TS, Blostein SD (1987) Least-Squares Fitting of Two 3-D Point Sets. Pattern Analysis and Machine Intelligence, IEEE Transactions on PAMI-9 (5):698-700. doi:10.1109/tpami.1987.4767965

[3]     Horn BKP (1987) Closed-form solution of absolute orientation using unit quaternions. J Opt Soc Am A 4 (4):629-642

[4]     Balachandran R, Fitzpatrick aJM (2009) Iterative Solution for Rigid-Body Point-Based Registration with  Anisotropic Weighting.

[5]     Fitzpatrick JM, West JB (2001) The distribution of target registration error in rigid-body point-based registration. IEEE Trans Med Imaging 20 (9):917-927. doi:10.1109/42.952729 [doi]

[6]     West JB, Fitzpatrick JM, Toms SA, Maurer CR, Jr., Maciunas RJ (2001) Fiducial point placement and the accuracy of point-based, rigid body registration. Neurosurgery 48 (4):810-816; discussion 816-817

[7]     Danilchenko A, Fitzpatrick JM (2011) General Approach to First-Order Error Prediction in Rigid Point Registration. Medical Imaging, IEEE Transactions on 30 (3):679-693. doi:10.1109/tmi.2010.2091513

[8]     Ma B, Moghari M, Ellis R, Abolmaesumi P (2007) On Fiducial Target Registration Error in the Presence of Anisotropic Noise. In: Ayache N, Ourselin S, Maeder A (eds) Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention – MICCAI 2007, vol 4792. Lecture Notes in Computer Science. Springer Berlin Heidelberg, pp 628-635. doi:10.1007/978-3-540-75759-7_76