Navigated interventions in the head and neck area: standardized assessment of a new handy field generator

TL;DR

This study evaluates a new compact electromagnetic field generator for head and neck interventions, demonstrating high accuracy and robustness, potentially enhancing clinical EM tracking applications.

Contribution

The paper introduces and assesses a new small, portable EM field generator with improved accuracy and disturbance resistance for surgical navigation.

Findings

Mean positional error: 0.59mm

Mean orientational error: 0.10°

Robustness varies with metallic disturbances

Abstract

Electromagnetic (EM) tracking enables localization of surgical instruments within the magnetic field emitted by an EM field generator (FG). Usually, the larger a FG is, the larger its tracking volume is. However, the company NDI (Northern Digital Inc., Waterloo, ON, Canada) recently introduced the Planar 10-11 FG, which combines a compact construction (97mm x 112mm x 31mm) with a relatively large, cylindrical tracking volume (diameter: 340mm, height: 340mm). Using the standardized assessment protocol of Hummel et al., the FG was tested with regard to its tracking accuracy and to its robustness with respect to external sources of disturbance. The mean positional error (5cm distance metric according to Hummel protocol) was 0.59mm, with a mean jitter of 0.26mm in the standard setup. The mean orientational error was found to be 0.10{\deg}. The highest positional error (4.82mm) due to metallic sources of disturbance was caused by the steel SST 303. In contrast, steel SST 416 caused the lowest positional error (0.10mm). Overall, the Planar 10-11 FG tends to achieve better tracking accuracy results compared to other NDI FGs. Due to its compact construction and portability, the FG could contribute to increased clinical use of EM tracking systems.

Full text

1 Einleitung

Bei medizinischen Interventionen spielt die Beachtung angrenzender Risikostrukturen allgemein eine bedeutende Rolle. Durch den Einsatz sogenannter intraoperativer Trackingsysteme (IOT) kann die Wahrscheinlichkeit, eine Risikostruktur ungewollt zu verletzen, minimiert werden. Sie ermöglichen eine genaue Lokalisation von OP-Instrumenten am Eingriffsort und bieten dem Operateur visuelle Hilfestellungen durch Augmented-Reality-Darstellungen. In der Neurochirurgie, einem Gebiet, das besondere Präzision vom Operateur verlangt, kommen IOT standardmäßig zum Einsatz [1]. In vielen anderen Fachbereichen hingegen hat sich der Routineeinsatz von IOT im Klinikalltag bislang nicht durchgesetzt.

Wie Studien der vergangenen Jahre belegen, könnten insbesondere minimalinvasive Eingriffe im Hals- und Kopfbereich künftig von IOT profitieren. Beispiele hierfür sind perkutane Punktionen wie die Punktion von Knoten innerhalb der Schilddrüse [2], endoskopische Interventionen wie die Endoskop-geführte Nasennebenhöhlenchirurgie [3] oder Kathetereingriffe wie die Thrombektomie zur Behandlung eines akuten Schlaganfalls. In der aktuellen Forschung zur Thrombektomie wird darauf verwiesen, dass ein Tracking des Katheters helfen könnte, die Reperfusion der Arterien früher zu ermöglichen [4].

Die zur Navigation von OP-Instrumenten notwendige Positionsbestimmung der Instrumente erfolgt in der Regel durch ein optisches System (Optisches Tracking) oder durch ein elektromagnetisches (EM) System [5]. Optische Tra-ckingsysteme bieten den Vorteil hoher Positionsgenauigkeit. Allerdings ist zur Positionsbestimmung eine durchgängige Sichtlinie (Line-Of-Sight) des optischen Trackers zum getrackten Objekt notwendig. EM Trackingsysteme benötigen keine Line-Of-Sight und können daher potentiell bei perkutanen oder endoskopischen Eingriffen eingesetzt werden. Sie weisen allerdings eine schlechtere Posi-tionsgenauigkeit auf verglichen mit den optischen Systemen [6]. Für elektromagnetische Trackingsysteme wird ein Feldgenerator (FG) benötigt, der im Raum ein EM Feld erzeugt, in dem EM Sensoren lokalisiert werden können. Das Raumvolumen, in dem die Lokalisation von EM Sensoren möglich ist, bezeichnet man als Trackingvolumen. Üblicherweise nehmen die Größenabmessungen der FG mit der Größe und Reichweite des Trackingvolumens zu. Je größer der FG ist, umso höher ist der Installationsaufwand in der Klinik und umso höher sind die Installationskosten. Dieser Sachverhalt stellt hinsichtlich der praktischen Anwendbarkeit von EM Trackingsystemen im Klinikalltag bis heute ein Problem dar. Ein anderes bekanntes Problem von EM Trackingsystemen ist die mangelnde Robustheit gegenüber externen Störquellen, die das EM Feld des FG verzerren. Eine nahe Platzierung des FG am Zielbereich kann aber die Robustheit des Systems steigern [7]. Solch eine nahe Platzierung ist häufig jedoch nur mit FG kompakter Bauweise realisierbar.

Kürzlich stellte die Firma NDI den neuen Planar 10-11 FG vor. Er vereint erstmals eine kompakte Bauweise (112 mm x 97 mm x 31 mm) und ein dazu verhältnismäßig großes, zylinderförmiges Trackingvolumen (Durchmesser: 340 mm, Höhe: 340 mm). Durch die damit verbundene mobile Einsatzfähigkeit könnte der FG neue Bereiche im klinischen Einsatzgebiet der EM Trackingtechnologie eröffnen. Wie in Abb. 1 skizziert ist, ließe sich der FG z.B. in ein Vakuumkissen integrieren, auf das der Patient seinen Kopf oder seinen Nacken legt. Durch den geringen Abstand des FG zum Kopf befindet sich der gesamte Kopf des Patienten im Trackingvolumen des FG.

Es soll nun untersucht werden, ob der Planar 10-11 FG trotz seines relativ großen Trackingvolumens eine vergleichbar hohe Trackinggenauigkeit aufweist, wie andere FG mit ähnlich großen Trackingvolumina. Von Interesse ist dabei auch die Robustheit des FG in Bezug auf Metalle medizinischer Instrumente, da sie die Messgenauigkeit negativ beeinflussen können.

2 Methoden

Zur messtechnischen Bewertung des Planar 10-11 FG wurde das standardisierte Messprotokoll von Hummel et al. [8] verwendet. Um die Vergleichbarkeit der Messergebnisse mit früheren Messungen anderer FG zu gewährleisten, orientierten wir uns an den in [7] geschilderten Versuchsaufbauten – dem Standard-Setup, bei dem der FG seitlich von der Hummel-Messplatte befestigt ist, und dem Mobile-Setup, bei dem der FG mittig über der Messplatte platziert wird (Abb. 2).

In beiden Setups erfolgten sowohl Positions- als auch Rotationsmessungen. Hierzu wurde der 6DOF Cable Tool; 2,5 mm x 11 mm-Sensor von NDI an definierten Positionen auf der Messplatte platziert wie in Abb. 3 veranschaulicht. Für jede Messposition wurden 150 Messwerte innerhalb von 10 Sekunden mit einer Updaterate von 15 Hz aufgezeichnet. Die Wurzel aus den mittleren quadratischen Abweichungen (RMSE) der 150 Messwerte wurde als Jitter definiert. Die Positionsgenauigkeit ermittelten wir mit Hilfe des Mittelwerts der betragsmäßigen Differenzen zwischen den berechneten mittleren euklidischen Distanzen und der real vorliegenden Distanz (5 cm) direkt benachbarter Sensorpositionen innerhalb des 3x4-Gitters beim Mobile-Setup bzw. des 5x6-Gitters beim Standard-Setup. Die Wahl der Gittergröße erfolgte beim Standard-Setup entsprechend der Größe des Trackingvolumens. Beim Mobile-Setup orientierten wir uns an der Gittergröße vorheriger Studien zum Compact FG von NDI [7]. Die Positionsmessungen erfolgten für beide Setups auf drei verschiedenen Ebenen (unten, mitte, oben; Ebenenabstand: 5 cm). Den Orientierungsfehler berechneten wir anhand der Winkeldifferenz zwischen Paaren von 32 gemessenen Orientierungen und der bekannten relativen Sensorrotation in Höhe von 11,25°. Im Mobile-Setup erfolgten in gleicher Weise wie in [8] Metallmessungen mit vier verschiedenen Metallen: Stahl SST 303, Stahl SST 416, Bronze und Aluminium. Dabei wurden die Metalle nacheinander in fünf definierten Höhen H1 - H5 im EM Feld des FG platziert und die Position des fixierten EM Sensors bestimmt (Abb. 3c). Anhand der Abweichung zur Referenzposition des Sensors konnte dann der Einfluss des Metalls auf die Messgenauigkeit bestimmt werden.

Zur Untersuchung eines sehr kleinen Mikrosensors, der in Instrumente wie Nadeln integriert werden kann, erfolgten mit dem Micro 6DOF Sensor (0,8 mm x 9,0 mm) von NDI zum Vergleich auf der mittleren Ebene im Standard-Setup Positions- und Rotationsmessungen entsprechend Abb. 3.

3 Ergebnisse

Die Ergebnisse zu den Positions- und Metallmessungen mit dem Cable Tool-Sensor sind in Abb. 4 dargestellt. Der mittlere Jitter beträgt im Mobile-Setup $0,03$ mm und im Standard-Setup $0,26$ mm. Im Mobile-Setup beträgt die mittlere Positionsgenauigkeit $0,16$ mm und im Standard-Setup $0,59$ mm. Der durch ein Metall verursachte Positionsfehler ist tendenziell umso größer, je näher das Metall am FG platziert ist. Die größte Abweichung von der Referenzposition wird durch Stahl SST 303 hervorgerufen ($4,82$ mm). Bei Stahl SST 416 hingegen fällt die Abweichung am geringsten aus ($0,10$ mm).

Die Orientierungsfehler betragen im Mobile-Setup 0,04° | 0,05° | 0,22° für ROT_1 | ROT_2 | ROT_3 und im Standard-Setup 0,15° | 0,08° | 0,06°.

Die Ergebnisse der Vergleichsmessungen mit dem Mikrosensor fallen in allen Kategorien schlechter aus. Im Standard-Setup (mittlere Ebene) liegt der Jitter bei $0,35$ mm und der Positionsfehler bei $0,90$ mm. Der mittlere Orientierungsfehler von ROT_1, ROT_2 und ROT_3 beläuft sich im Standard-Setup auf $0,57$°.

Die Rohdaten aller Messungen und die verwendete Software zur Auswertung der Messdaten haben wir unter https://osf.io/aphzv/ frei zugänglich veröffentlicht.

4 Diskussion

Der Planar 10-11 FG wurde mit einem standardisierten Messprotokoll auf seine Genauigkeit und Robustheit geprüft. Die Auswertungsergebnisse belegen, dass der FG trotz des relativ großen Trackingvolumens in störungsfreier Umgebung EM Tracking mit Submillimeter-Genauigkeit ermöglicht.

Im Gegensatz zum Mobile-Setup reichen im Standard-Setup die Messpositionen bis an den Rand des Trackingvolumens. Da im Standard-Setup sowohl der Jitter als auch der Positionsfehler höher ausfallen als im Mobile-Setup, ist davon auszugehen, dass die Messgenauigkeit des FG zum Rand des Trackingvolumens hin abnimmt. Dieses Verhalten konnten wir besonders rechts unten an der Eckposition des 5x6-Gitters feststellen (Abb. 3). Hier detektierten wir auf der oberen Ebene einen einzelnen Ausreißer mit einem Positionsfehler von $7,16$ mm.

Aus früheren Studien [7, 8, 9] ist bekannt, dass EM Trackingsysteme anfällig gegenüber externen Störquellen sind. Auch beim Planar 10-11 FG wird der Messfehler durch metallische Störquellen erhöht. Ein quadratischer Zusammenhang zwischen der Entfernung des Metalls zum FG und dem Positionsfehler kann angenommen werden (Abb. 4c).

Mit dem Mikrosensor erhielten wir ungenauere Messergebnisse im Vergleich zum Cable Tool-Sensor. Das betraf besonders die Rotationsmessungen, bei denen einzelne Orientierungsfehler von bis zu 8° registriert werden konnten. Die Messgenauigkeit hängt daher nicht allein vom FG und externen Störquellen ab. Sie wird auch vom verwendeten EM Sensor beeinflusst. Obwohl immer kleinere Mikrosensoren im Submillimeterbereich (0,3 mm) hergestellt werden können [9], sollte es daher bei der Planung navigierter medizinischer Interventionen stets zu einer Abwägung kommen zwischen den vielfältigeren Einsatzmöglichkeiten der Mikrosensoren und der für den Eingriff erforderlichen Trackinggenauigkeit.

Vergleichbare Messungen von Maier-Hein et al. [7] mit dem Planar FG, im Folgenden als Standard FG bezeichnet, und dem Compact FG von NDI ergaben tendenziell schlechtere Genauigkeitsergebnisse. Unter Laborbedingungen beträgt der mittlere Jitter des Compact FG 0,05 mm. Er ist damit etwa doppelt so groß wie der Vergleichswert des Planar 10-11 FG. Der mittlere Jitter des Standard FG fällt mit 0,2 mm etwas kleiner aus als der Jitter des Planar 10-11 FG. Sowohl der Positionsfehler als auch der Orientierungsfehler des Planar 10-11 FG sind verglichen mit den beiden anderen FG deutlich kleiner (z.B. Positionsfehler im Mobile-Setup: Faktor 3,13 kleiner).

Das in Abb. 1 vorgestellte einfache Setup erleichtert die praktische Anwendbarkeit von EM Trackingsystemen im Klinikalltag. In Kombination mit seiner guten Trackinggenauigkeit könnte der Planar 10-11 FG daher aus unserer Sicht dazu beitragen, den Einsatz von IOT in der Klinik zu steigern.

Danksagung:

Das Projekt wurde vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) finanziert (Projekt OP 4.1). Herzlichen Dank an die NDI Europe GmbH (Radolfzell, Deutschland) für die Bereitstellung des Feldgenerators.

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