Intraoperative Instrumentennavigation:
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| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Stuttgart
Ibidem-Verl.
2000
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|---|---|
| adam_text | Inhaltsverzeichnis
Organisation i
Inhaltsverzeichnis i
Abbildungsverzeichnis ix
Tabcllenvcrzcichnis xiv
Algorithmenverzeichnis xvi
Theoremverzeichnis xvii
1 Einleitung 1
1.1 Problemstellung 1
1.2 Stand der Forschung und Technik 2
1.3 Schwachstellcnanalyse bestehender Verfahren 5
1.4 Zielsetzung 6
1.5 Inhaltsübersicht 7
2 Hierarchische Rekonstruktion von Objektlagen im Raum 11
2.1 Rekonstruktionsmodell 12
2.2 Rekonstruktionsmengen von Sensoren 14
2.2.1 Abbildung von Referenzpunkten durch Sensoren 14
2.2.2 Rekonstruktionsmengen von Sensoren 15
2.3 Klassifikation der Sensoren nach ihrer Kopplungsart 17
2.3.1 Akustische Kopplung 17
2.3.2 Elektromagnetische Kopplung 20
2.3.3 Mechanische Kopplung 21
2.3.4 Optische Kopplung 23
2.3.5 Sonstige Kopplungen 28
2.4 Identifikation der Referenzpunkte 28
2.4.1 Eigenkennung 29
2.4.2 Relationskennung 31
2.5 Optimale Rekonstruktion von Referenzpunkt Positionen durch Beobachter 35
2.5.1 Relative Extrema für Funktionen mehrerer Variablen 37
2.5.2 Simultane Ermittlung des optimalen Rekonstruktionspunkts und der dazu kon¬
jugierten Punkte 37
2.5.3 Paramctrisierung der Rekonstruktionsberciche 38
2.5.4 Entkoppclung der Optimierungsgleichungen 38
2.5.5 Vereinfachung der Optimierungsgleichungen 39
2.6 Optimale Rekonstruktionspunkte 42
2.6.1 Lineare Sensoren 42
2.6.2 Polare Sensoren 43
2.7 Ergebnisse 44
I Akustisch gestützte Navigation 47
3 Analyse des Navigationssystems SPOCS/1 49
3.1 Funktionsprinzip 49
3.2 Funktionsstörungen 50
3.2.1 Meßtechnische Fehler 51
3.2.2 Funktionale Ausfälle 52
3.3 Hauptkomponenten 52
3.3.1 Schallcrzeugung 52
3.3.2 Kanalkompensation 52
3.3.3 Schallempfang 52
3.3.4 Signaldetcktion 53
3.4 Arbeitsprogramm 53
4 Modellierung der Signalausbreitung im freien Raum 55
4.1 Kontinuumsmechanik 56
4.1.1 EuLERsche und LAGRANGEsche Beschreibungsweise 57
4.1.2 Integrale und differentiale Beschreibungsweise 58
4.2 Fluiddynamik 58
4.2.1 Erhaltungssätze 58
ii
4.2.2 Materialglcichungen 63
4.2.3 Standardisierte Gleichungen 65
4.3 Akustik 66
4.4 Einfluß der Kanalparameter 67
4.4.1 Temperatur 68
4.4.2 Gasgemische 68
4.4.3 Luftfeuchte 69
4.4.4 Vergleich und Bewertung der relativen Einflüsse 69
5 Modellierung der akustischen Störungen 71
5.1 Meßbedingungen 71
5.1.1 Messung und analoge Aufbereitung der Signale 71
5.1.2 Digitale Aufbereitung und Auswertung der Signale 73
5.1.3 Meßortc 73
5.1.4 Meßobjekte 76
5.2 Meßergebnisse und vereinfachte Modellierung 78
5.2.1 Bewegte Luft 79
5.2.2 Elektronisch medizinische Geräte 81
5.2.3 Mechanisch medizinische Geräte 83
5.2.4 Normaler OP Betricb 86
5.2.5 Ultraschallsendcr 87
5.3 Übertragbarkeit der Modelle 88
5.4 Klassifikation der akustischen Störungen 89
5.4.1 Zeitliches Auftreten 89
5.4.2 Frequenzbereiche 89
5.4.3 Entstehungsursachen 90
5.4.4 Maximale Signalamplitude im Frequenzbereich 90
5.4.5 Abstand zum Operationsfeld 91
5.5 Addition der Störspektren 91
iii
6 Verbesserung der Detektion von Ultraschallsignalen 95
6.1 Unterdrückung der aktive Störungsquellen 96
6.1.1 Adaptives Filter mit Standard Referenzsignal 96
6.1.2 Adaptives Filter mit Ultraschallpuls als Referenzsignal 96
6.1.3 Neuronale Netzwerke 96
6.1.4 Korrelatoren mit adaptiven Prediktoren 97
6.2 Unterdrückung von Reflektionen 97
6.3 Filter und Detektionsmethoden 98
6.3.1 Modellierung der Störquellen 98
6.3.2 Adaptive Filter 99
6.3.3 Korrelationsfilter 103
6.4 Simulations und Meßergebnisse 106
6.4.1 Amplituden und Leistungsmessung am Ultraschallpuls 106
6.4.2 Vergleich verschiedener Korrelationsalgorithmen 107
6.4.3 Detektion mit einem DC Korrelator 107
6.4.4 Detektion mit einem adaptivem Filter 110
7 Konzeption des Navigationsystems Mach 115
8 Vergleich der Navigationsysteme SPOCS/1 und Mach 119
II Elektromagnetisch gestützte Navigation 121
9 Konzeption des Navigationsystems Warf ]23
9.1 Meßumgebung 123
9.2 Meßprinzipien 124
9.2.1 Laufzeitmessung mit amplitudenmoduliertem Signal 124
9.2.2 Schwächung der Signallcistung durch Strahlaufwcitung 125
9.2.3 Frequenzverschiebung durch DOPPLER Effekt 128
9.2.4 Laufzeitmessung durch Quadraturdctektion 130
9.2.5 Vergleich der Prinzipien 131
9.3 Positionierung von Sender und Empfänger 132
9.4 Ermittlung der Senderphase 132
9.4.1 1 Sender und 3 Empfänger mit Kabelverbindung 133
iv
k
9.4.2 1 Sender und 4 Empfänger ohne Kabelverbindung 133
9.4.3 Vergleich der Varianten 133
9.5 Meßverfahren für Quadraturdetektion 134
9.5.1 Überblick Direktabtastung 134
9.5.2 Überblick Mischung 135
9.5.3 Direktabtastung mit Korrclator 135
9.5.4 Direktabtastung mit Schätzer 136
9.5.5 Mischung mit Quadraturdctcktion 136
9.5.6 Vergleich der Meßverfahren 136
9.6 Meßgenauigkeitssteigerung durch Mehrfrequenzverfahren 138
9.6.1 Umsetzung des Verfahrens 139
9.7 Ergebnisse des Konzeption 140
10 Modellierung der Signalausbreitung im freien Raum 141
10.1 Elektromagnetische Felder 143
10.1.1 Zeitlich veränderliche Felder 144
10.1.2 Harmonische Felder 147
10.2 Elektromagnetische Antennen 150
10.2.1 Antennencharakteristiken 150
10.2.2 Punktstrahler 156
10.2.3 Linienstrahler 159
10.3 Elektromagnetische Wellen 160
10.3.1 Wellentypen 160
10.3.2 Ebene Wellen 162
10.3.3 Polarisation 164
10.3.4 Ausbreitungsgeschwindigkeiten 165
11 Modellierung der Signalausbreitung im Menschen 167
11.1 Frequenzunabhängige Materialien 167
11.1.1 Absorption 168
11.1.2 Transmission und Reflexion 169
11.1.3 Streuung 171
11.1.4 Dispersion 172
11.2 Frequenzabhängige Materialien 172
v
11.2.1 Allgemeine Relaxation 172
11.2.2 Strukturelle Relaxation (Maxwell Wagner) 176
11.2.3 Polare Relaxation (DEBYE) 179
11.2.4 KRAMERS KRÖNIG Dispersionrelation 180
11.3 Wirkungsgrad 181
11.3.1 Sender und Antenneneffekte 182
11.3.2 Materialeffckte 183
11.3.3 Ergebnisse 187
12 Modellierung des menschlichen Körpers 189
12.1 Funktionales Modell 189
12.2 Elektromagnetisches Modell 193
12.2.1 Modellebenen 193
12.2.2 Generelle Aussagen 194
12.2.3 Parametergewinnung 194
12.2.4 Modelladaption 195
12.3 Elektromagnetische Einzelmodelle 198
12.3.1 Beispiel Muskel 198
12.4 Fusion der Gewcbcmodelle 203
12.4.1 Fusion auf Zellcbenc 204
12.4.2 Fusion auf Gewebeebene 207
12.4.3 Fusion auf Organebene 209
12.4.4 Fusion auf Körperebene 211
12.5 Fusionierte Gewebcmodelle 212
12.5.1 Zellebenc 212
12.5.2 Gewebeebene 218
13 Design des Navigationssystems WaRP 221
13.1 Wahl der Betriebsfrequenz 221
13.2 Wahl der Antennen 222
13.2.1 Kurze Monopolantenne 223
13.2.2 Rahmenantennen 224
13.2.3 Vergleich der Antennen 225
13.3 Sender 225
vi
13.3.1 Oszillator 226
13.3.2 Analoge Sendestufe 227
13.3.3 Sendeantenne 227
13.4 Auswerteeinheit 227
13.4.1 Analoge Empfangsstufc 228
13.4.2 Gemeinsame Komponenten 229
13.5 Digitaler Signalprozessor 229
13.5.1 Auswahl des DSPs 230
13.5.2 DSP Anbindung 230
14 Ergebnisse 231
III Optisch gestützte Navigation 233
15 Konzeption des Navigationssystems Sol 235
15.1 Implantationstechnik 236
15.2 Systembeschreibung 238
16 Signalausbreitung in optischen Systemen 239
16.1 Physikalische Grundlagen 239
!6.2 Bezeichnungen und Vorzcichcnsystcm 240
16.3 GAUSSsche Optik 240
16.4 Abbildungsfehler 242
16.4.1 Öffnungsfehlcr 242
16.4.2 Astigmatismus und Bildfcldwölbung 243
16.4.3 Koma 243
16.4.4 Verzcichnungsfchlcr 243
16.4.5 Farbfehler 244
16.4.6 Ergebnisse 244
16.5 Paraxiales Ersatzschaltbild mehrstufiger Systeme 244
16.6 Unscharfe Abbildung 245
vii
17 Design des Navigationssystems SOL 247
17.1 Bestandteile der Hardware 247
17.1.1 Die CCD Kameras 248
17.1.2 Die Miniatur Objektive 249
17.1.3 Die Kamerakontrolleinheit (CCU) 251
17.1.4 Der Framegrabbcr 251
17.2 Informationsverarbeitung 252
17.3 Bildverarbeitung 253
17.3.1 Detcktierung geschlossener Figuren 255
17.3.2 Paramctrisicrung der geschlossenen Figur 257
17.3.3 Überprüfung der geschlossenen Figur 258
17.3.4 Bestimmung der Richtung zur Referenzmarke 260
17.3.5 Optimierung 261
18 Kalibration 263
18.1 Optische Bank 264
18.2 Kamera 265
18.2.1 Modellierung der Kamera 265
18.2.2 Bestimmung von Schwarz Weiß Übergängen 267
18.2.3 Bestimmung der Optischen Achse 271
18.2.4 Bestimmung der Verzerrung 273
18.3 Beobachter 275
18.3.1 Bestimmung von Schnittpunkten zwischen einer Geraden und einer Kugel . 275
18.3.2 Bestimmung der Referenzpunkte 277
19 Ergebnisse 279
20 Zusammenfassung 281
Referenzen 283
Literaturverzeichnis 283
Reportverzeichnis 288
Thesenverzeichnis 290
Publikationsverzeichnis 291
viii
A Notationen 295
B Konstanten, Größen und Einheiten 297
B.l Mechanik 297
B.l.l Kinematik 298
B.l.2 Thermodynamik 298
B.l.3 Hydrodynamik 299
B.2 Elcktromagnctik 299
B.2.1 Feldtherorie 300
B.2.2 Netzwerktheorie 301
B.2.3 Geometrische Optik 301
B.3 SI Basissystem 302
C Glossar 303
D Lebenslauf 307
ix
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