Methods for determination of the accuracy of surgical guidance devices

110 Pages·2012·4.9 MB·English

by  Koivukangas, Tapani

C427etukansi.kesken.fm Page 1 Thursday, August 16, 2012 11:41 AM
C OULU 2012
4 C 427
2
7
UNIVERSITY OF OULU P.O.B. 7500 FI-90014 UNIVERSITY OF OULU FINLAND
AACCTTAA
A UUNNIIVVEERRSSIITTAATTIISS OOUULLUUEENNSSIISS
A C T A U N I V E R S I T A T I S O U L U E N S I S C
T
A
CC
S E R I E S E D I T O R S TTEECCHHNNIICCAA
Tapani Koivukangas
A
SCIENTIAE RERUM NATURALIUM
T METHODS FOR
a
B Senior Assistant Jorma Arhippainen p
a
n DETERMINATION OF
HUMANIORA i

K
o
C Lecturer Santeri Palviainen iv THE ACCURACY OF SURGICAL
u
TECHNICA k
a
n GUIDANCE DEVICES
D Professor Hannu Heusala g
a
s
MEDICA
A STUDY IN THE REGION OF NEUROSURGICAL
E Professor Olli Vuolteenaho
INTEREST
SCIENTIAE RERUM SOCIALIUM
F Senior Researcher Eila Estola
SCRIPTA ACADEMICA
G Director Sinikka Eskelinen
OECONOMICA
Professor Jari Juga
EDITOR IN CHIEF
Professor Olli Vuolteenaho
PUBLICATIONS EDITOR
Publications Editor Kirsti Nurkkala
UNIVERSITY OF OULU GRADUATE SCHOOL;
UNIVERSITY OF OULU,
FACULTY OF TECHNOLOGY, DEPARTMENT OF MECHANICAL ENGINEERING;
ISBN 978-951-42-9903-2 (Paperback)
FACULTY OF MEDICINE, INSTITUTE OF CLINICAL MEDICINE, DEPARTMENT OF NEUROSURGERY
ISBN 978-951-42-9904-9 (PDF)
ISSN 0355-3213 (Print)
ISSN 1796-2226 (Online)

ACTA UNIVERSITATIS OULUENSIS
C Technica 427
TAPANI KOIVUKANGAS
METHODS FOR DETERMINATION
OF THE ACCURACY OF SURGICAL
GUIDANCE DEVICES
A study in the region of neurosurgical interest
Academic dissertation to be presented with the assent
of the Doctoral Training Committee of Technology
and Natural Sciences of the University of Oulu for
public defence in OP-sali (Auditorium L10), Linnanmaa,
on 21 September 2012, at 12 noon
UNIVERSITY OF OULU, OULU 2012
Copyright © 2012
Acta Univ. Oul. C 427, 2012
Supervised by
Professor Kalervo Nevala
Reviewed by
Doctor Erkki Vahala
Doctor Jani Virtanen
ISBN 978-951-42-9903-2 (Paperback)
ISBN 978-951-42-9904-9 (PDF)
ISSN 0355-3213 (Printed)
ISSN 1796-2226 (Online)
Cover Design
Raimo Ahonen
JUVENES PRINT
TAMPERE 2012
Koivukangas, Tapani, Methods for determination of the accuracy of surgical
guidance devices. A study in the region of neurosurgical interest
University of Oulu Graduate School; University of Oulu, Faculty of Technology, Department of
Mechanical Engineering; Faculty of Medicine, Institute of Clinical Medicine, Department of
Neurosurgery, P.O. Box 5000, FI-90014 University of Oulu, Finland
Acta Univ. Oul. C 427, 2012
Oulu, Finland
Abstract
Minimally invasive surgery (MIS) techniques have seen rapid growth as methods for improved
operational procedures. The main technology of MIS is based on image guided surgery (IGS)
devices, namely surgical navigators, surgical robotics and image scanners. With their widespread
use in various fields of surgery, methods and tools that may be used routinely in the hospital setting
for “real world” assessment of the accuracy of these devices are lacking.
In this thesis the concept of accuracy testing was developed to meet the needs of quality
assurance of navigators and robots in a hospital environment. Thus, accuracy was defined as the
difference between actual and measured distances from an origin, also including determination of
directional accuracy within a specific volume. Two precision engineered accuracy assessment
phantoms with assessment protocols were developed as advanced materials and methods for the
community. The phantoms were designed to include a common region of surgical interest (ROSI)
that was determined to roughly mimic the size of the human head. These tools and methods were
utilized in accuracy assessment of two commercial navigators, both enabling the two most widely
used tracking modalities, namely the optical tracking system (OTS) and the electromagnetic
tracking system (EMTS). Also a study of the accuracy and repeatability of a prototype surgical
interactive robot (SIRO) was done. Finally, the phantoms were utilized in spatial accuracy
assessment of a commercial surgical 3D CT scanner, the O-Arm.
The experimental results indicate that the proposed definitions, tools and methods fulfill the
requirements of quality assurance of IGS devices in the hospital setting. The OTS and EMTS
tracking modalities were nearly identical in overall accuracy but had unique error trends. Also, the
accuracy of the prototype robot SIRO was in the range recommended in the IGS community.
Finally, the image quality of the O-Arm could be analyzed using the developed phantoms. Based
on the accuracy assessment results, suggestions were made when setting up each IGS device for
surgical procedures and for new applications in minimally invasive surgery.
Keywords: accuracy assessment phantom, accuracy assessment protocol, image-guided
surgery, medical imaging, region of surgical interest (ROSI), surgical navigation,
surgical robotics

Koivukangas, Tapani, Kirurgisten paikannuslaitteiden tarkkuudenmääritys-
menetelmiä. Tutkimus neurokirurgisessa kohdealueessa
Oulun yliopiston tutkijakoulu; Oulun yliopisto, Teknillinen tiedekunta, Konetekniikan osasto;
Lääketieteellinen tiedekunta, Kliinisen lääketieteen laitos, Neurokirurgia, PL 5000, 90014 Oulun
yliopisto
Acta Univ. Oul. C 427, 2012
Oulu
Tiivistelmä
Mini-invasiivisen eli täsmäkirurgian tekniikoita ja teknologioita on alettu hyödyntää viime aikoi-
na yhä enemmän. Tavoitteena on ollut parantaa kirurgisten operaatioiden tarkkuutta ja turvalli-
suutta. Täsmäkirurgiassa käytetyt teknologiat pohjautuvat kuvaohjattuihin kirurgisiin paikannus-
laitteisiin. Kuvaohjattuihin laitteisiin kuuluvat navigaattorit, kirurgiset robotit ja kuvantalaitteet.
Näiden laitteistojen kehittyminen on mahdollistanut tekniikoiden hyödyntämisen monialaisessa
kirurgiassa. Paikannuslaitteistojen ja robottien yleistyminen on kuitenkin nostanut sairaaloissa
esiin yleisen ongelman paikannustarkkuuden määrittämisessä käytännön olosuhteissa.
Tässä väitöskirjassa esitetään kirurgisten yksiköiden käyttöön menetelmä sekä kaksi uutta
fantomia ja protokollaa käytössä olevien paikannuslaitteistojen tarkkuuden määrittämiseen. Fan-
tomit suunniteltiin sisältämään ennalta määritetty kirurginen kohdealue, mikä rajattiin käsittä-
mään ihmisen kallon tilavuus. Fantomeita ja protokollaa hyödynnettiin kahden kaupallisen pai-
kannuslaitteen tarkkuuden määrityksessä. Navigaattorit käyttivät optiseen ja elektromagneetti-
seen paikannukseen perustuvaa tekniikkaa. Lisäksi työssä kehitetyillä menetelmillä tutkittiin
prototyyppivaiheessa olevan kirurgisen robotin paikannus- ja toistotarkkuutta sekä tietokoneto-
mografialaitteen O-kaaren kuvan tarkkuuden määritystä.
Kokeellisten tulosten perusteella työssä kehitetyt fantomit ja protokollat ovat luotettavia ja
tarkkoja menetelmiä kirurgisten paikannuslaitteistojen tarkkuuden määrittämiseen sairaalaolois-
sa. Kirurgisten navigaattoreiden tarkkuuden määritystulokset osoittivat optisen ja elektromag-
neettisen paikannustekniikan olevan lähes yhtä tarkkoja. Prototyyppirobotin tarkkuus oli tulos-
ten perusteella kirjallisuudessa esitettyjen suosituksien mukainen. Lisäksi O-kaaren kuvanlaatua
voitiin tutkia kehitetyillä fantomeilla. Tarkkuudenmääritystulosten perusteella työssä ehdotetaan
menetelmiä laitteistojen optimaalisesta käytöstä leikkaussalissa sekä laajennetaan niiden käyttö-
mahdollisuuksia. Tuloksia voidaan hyödyntää myös paikannuslaitteistojen kehittämistyössä.
Asiasanat: kirurginen kohdealue, kirurginen navigointi, kirurginen robotiikka,
kuvaohjattu kirurgia, lääketieteellinen kuvantaminen, tarkkuudenmääritysfantomi,
tarkkuudenmääritysprotokolla

To my family
8