文献拜读小记：4.磁导航标定 Repeatable Assessment Protocol for Electromagnetic Trackers

本文的工作重点是研究电磁场和不同的畸变导致的测量误差。

• 一方面，我们进行了未失真的场和各种手术工具造成的干扰
• 另一方面，我们专注于快速、通用的映射畸变场，源自手术室的静态环境。

虽然有许多方法来确定电磁场的畸变，但没有一个方法是普遍接受的，或标准的。这导致了令人困惑的情况，在这种情况下，很难对EMT系统进行比较。

方法：

首先，我们必须在低噪声环境下定义一个金标准(基线失真)，以确定这些系统范围的基本误差分布。

• 这些测量结果后来被用来验证我们新的快速评估方案。

为了简单起见，我们将程序分为静态和动态分析，首先，静态评估被提出：

1.静态测量

静态测量所选择的方法是基于标准的手动数据收集

• 最初使用有机玻璃校准幻影（ plexiglass calibration phantom）？？？
• 但我们决定使用乐高。乐高积木是塑料的，因此不会扭曲生成的场，数据的记录简单、准确、可重复。

① 除了使用EMT系统外，我们的设置包括一个乐高调色板、必要数量的乐高积木和一个木制桌子。

• 乐高调色板被划分为5 x 5的网格，每个相邻的点彼此之间的距离是88毫米。
• 选择调色板的中心作为原点(参考点)，从同一设置的每个点收集2500-3000个位置和方向测量值。

②研究中同时使用了5自由度和6自由度的传感器。

• 6自由度传感器包含两个5自由度的传感器，在预先校准的位置，由制造商建造，因此它可以报告传感器的x-y-z位置和工具的所有三个方向

③使用NDI极光系统

• 超过10,000个位置和方向被登记在工作空间的不同点，以检查电磁场的误差分布。
• 乐高积木也被用来提升测量板，以完成三维调查。总共记录了五个不同的高度，每个高度增加了18.4毫米(2块乐高积木)

不幸的是，我们无法获得跟踪器的绝对原始测量数据，只能依靠商业设备的研究界面提供的数据。

2.失真度测量

电磁场中的畸变可能是由金属物体和附近的电子引起的。虽然上述静态测量很好地说明了EMT系统的基本能力，但单独应用不同的畸变源可以量化其固有的畸变效应。

我们研究了不同类型的腹腔镜工具造成的噪音(图1a)
所有工具在设备尖端的三个方向上在调色板的中间进行测量，再加上一次在头部的中间位置(图1b)。
采用半心导管方法( A semistandardized method)测量各种经典手术工具和设备，均用于微创手术(图2a,b)。

• 5-600个样本的平均失真分别在3个方向测量
• 然后在距离传感器8、16、24和32毫米的距离测量。

实验的目的是要确定这些工具对电磁场的影响程度，以及哪些设备应该一直如此。

3. Hummel Phantom measurements ？？？

静态失真测量的最后一种方法是采用Hummel等人开发的经典有机玻璃精度模态，用于评估方案。
该装置由一个基础聚碳酸酯板和一个特殊的传感器架。

• 该板允许以已知的相对距离和方向定位传感器，以及用于在相对于板的已知位置定位5自由度或6自由度传感器的安装件。
• phantom是一块14.7毫米厚、55厘米宽的方形聚碳酸酯板，它提供了一个9×10孔的网格，这些孔之间的距离为50毫米。
• 它是用高精度数控技术制作的。在平板中心的一个圆提供了额外的32个孔，间距为11.25度，半径为50毫米，这使得精确测量旋转(沿一个轴一次)。
• 传感器被安装并固定在图3a中位置测量用POS标记的引脚对面的孔中？？？。为了实现两种不同的旋转设置，传感器可以另外安装到ROT1和ROT2孔中，传感器可以手动插入到板上的各种针孔中(图3b)。本次试验采用NDI Aurora系统(图3c)
  首先，我们使用5自由度传感器进行数据采集。
• 磁场的扭曲沿着网格孔被测量了500次在每一点记录。
• 该检查是在一般的实验室条件下进行的，然而，我们优化了整个设置的位置，以减少背景电磁噪声。
• 计算了连续两次测量的31个相对方位和90个注册点之间11.25度的平均误差值。？？？

4. 结果

实验评估统计，和记录的数据量允许平滑重建的场误差分布。

• 用均方根误差(RMSE)和标准偏差(STD)来表征位置误差。
• 在MATLAB中绘制了位置的STD，并为每一级结果拟合一个高阶曲面

The measurements for the medSAFE system showed that the distribution at most of the points is close to Gaussian for the 5 DOF sensors, however, it significantly changes close to the generator. Subsequently, we examined the static distribution of six points, uniformly spread apart in the workspace. Knowing the distance between points, average RMSE was found to be 0.6 mm (0.598 ± 0.047 mm), while orientation error was STD 0 ± 0.95°. We found that in the origin, at ~24 cm along the central axis from the base of the transmitter the measurements had 0.046 mm (0 ± 0.021 mm) RSME for position and 0 ± 0.43° for orientation. We have evaluated the 14 outer points on the grid, and an average 0 ± 0.027 mm position error and STD 0 ± 0.351° orientation error was calculated (Fig. 4a). On the entire 25 points, the average result was 0.57 ± 1.29 mm STD.

Next, the NDI Aurora was used with the same setup (5 DOF sensor), and we acquired measurements in all 125 measurement points over the workspace (Fig. 4b). Numeric results for all the 5 levels are presented in Table 1. Average accuracy values derived to be 0.44 ± 1.18 mm. The measurements were repeated with the 6 DOF sensor as well, where the results were 0.4 ± 1.7 (Fig. 4c).
Measurements were continued using the Aurora system. Without any disturbing objects, the aggregated, averaged RMSE was 0.05 mm (0.3 ± 0.024 mm) and 0.3 ± 0.95° for position and orientation, respectively. As an example, introducing a disposable Covidien forceps, the error (averaged for the three axes) rose to 0.68 mm (0.65 ± 0.03 mm) and 1.1 ± 0.86°. Similarly, with an artery clipper, the error derived to be 0.36 mm (0.3 ± 0.06 mm) and 0.9 ± 0.06°,

接下来，利用Hummel幻影传感器支架(图3a)，研究了传感器角度对位置误差的影响。图7显示了在我们的测量设置中，传感器安装在x、y和z轴上的三个固定探头的平均传感器偏差(分别图7a、b、c)。记录了500个样品在每种配置下的一组位置和方向测量值

5.统一精度评估技术的建议

静态畸变的调查构成了研究的主要部分，并产生了一个实际的和容易重复的评估协议的发展。它包括模态和具有标准化评价算法的测量方法。校准工具最重要的优点是数据收集速度快(但失真最小)，构造简单，易于使用(不仅对工程师而言)和价格低廉。我们的结构是一个有机玻璃立方体，包含34个管(9-9-16个管沿x-y-z轴的方向，分别，刚好大到适合一个标准的2.3毫米宽的传感器-图。8)。
数据采集体积选择300 x 300 x 300 mm区域，位于现场发生器工作体积的中间位置(图8b)。这涵盖了大多数典型的外科手术部位。目的是开发一种可以在5分钟内执行的方案，因此它适合在手术室环境中现场应用。这是与以前构建的准确性立方体(如Wilson等人的立方体)相比的一个主要优势

在数据采集前，在立方体上刚性安装了一个动态基准(6自由度参考工具)。基于手动数据收集的协议——类似于以前使用的乐高技术——降低了复杂性。位置和方向数据用标准的5/6自由度形状工具收集，可从NDI(零件编号。610020)。它必须包含多个传感器沿着轴，在一个最初知道的位置。NDI的工具包含导管尖端的6自由度传感器，以及沿远端长度86厘米分布的6个额外的5自由度传感器。由于幻影的大小，只有前4个传感器可以用于评估。枢轴校准用于验证传感器线圈在形状工具中的位置。
按照协议将形状工具依次插入到有机玻璃管中，直到到达底部。然后，使用EMT在最大刷新率(极光为40 Hz)下拍摄1-2秒的静态记录。该技术可在5分钟内完成34根管的工作容量检查，符合一般手术室的设置程序。随后对记录进行评估，并将结果汇总成失真图，如图6所示。这可以补偿静态误差，也可以理解测量的总体精度(图8c)。该EMT系统启用的高频记录将使未来的动态数据收集变得容易。
我们最初的实验显示了良好的相关性与原始的，极其彻底的场畸变分析，进一步的试验计划推导统计成立的数值结果。表4显示了在3个轴上管的3个或4个平面上的平均位置误差。
图9显示了形状工具的x-y-z线圈在校准体积中的测量位置。颜色代表立方体沿3个轴的不同行/列。传感器的位置用点表示。

临床应用中的一个关键问题是向物理学家简单而一致地传达测量误差。我们研究的一个关键方面是确定最简单的形式与用户交流预期的系统准确性。目前的方法依赖于对塑料立方体的所有34根管子进行相同的测量，以确定所有工作体积的平均RMSE。在无畸变的实验室环境下，这一结果是0.132±0.072毫米

http://tinyurl.com/EM-track

http://sirkan.iit.bme.hu/~haidegger/EMT/index.htm