Cerrahi navigasyon ölçümlerinin stereo fotogrametrik yöntemlerle yapılması ve doğruluklarının araştırılması

Abstract

Klasik cerrahi yöntemlerin taşıdığı riskleri ve cerrahi müdahale sürelerini en aza indirgemek amacıyla günümüz teknolojik gelişmelerine paralel olarak fotogrametri tabanlı cerrahi uygulamalar gün geçtikçe daha da önem kazanmaktadır. Cerrahi müdahalenin yapılacağı bölgenin tamamen açılmasına ihtiyaç duyulmayan durumlarda belirlenen uygun bir noktadan giriş yapmak suretiyle kısa sürede ve daha güvenli cerrahi işlemler yapılabilmektedir. Bu doktora çalışmasında; ölçüm doğruluklarının hayati öneme sahip olduğu cerrahi operasyonlar için gerekli mekânsal ölçümlerin stereo fotogrametrik yöntemlerle, yüksek doğrulukla ve 3B olarak yapılabildiği Cerrahi Navigasyon Sistemi ve bu sistemin doğruluğunu destekleyen Kamera Kalibrasyon Yazılımı başta olmak üzere diğer alt bileşenleri için gerekli donanım ve ileri düzey yazılımlar bu tezin yazarı tarafından açık kaynak kodu kullanılmadan hayata geçirilerek sistem üzerinde kapsamlı doğruluk araştırmaları yapılmıştır. Cerrahi navigasyonda; standart bir ölçü biriminde tanımlı bir cerrahi altlık (MRI,CT,vb.) üzerinde, gerçek zamanlı olarak takip edilen, 3B olarak konumları belirlenen ve ulaşılmak istenen bir konuma yönlendirilen hareketli sondalar kullanılmaktadır. Söz konusu sondaların 3B hareketlerinin yüksek doğruluklarla ve gerçek zamanlı olarak konumlandırılabilmesi için kamera odak uzaklığı, kamera görüş açısı, görüntü çözünürlüğü, stereo baz mesafesi, görüntüleme mesafesi, referans yüzey ve sondaların boyut ve geometrileri gibi bileşenlerin sistem tasarımı esnasında en baştan arzu edilen hedeflere göre sağlıklı bir şekilde belirlenmesi ve kullanılan stereo kameraların fotogrametrik kalibrasyona tabi tutulması büyük önem arz etmektedir. Sistemin tasarımı ve uygulama safhaları detaylı bir şekilde ele alınarak bütün bileşenlerin konumlama doğruluğu üzerindeki etkileri kapsamlı olarak araştırılmış ve bulgular bölümünde sunulmuştur. Bu kapsamda ayrıca; kameralara ait iç yöneltme parametreleri ve sabit olan stereo kamera bazı ileri dengeleme teknikleri kullanılarak yeniden hesaplanmıştır. Çalışma neticesinde; kalibrasyonu yapılmış sistem bileşenlerinin, gerçek zamanlı 3B konum doğruluğunu 2-3 mm seviyelerinden 0,2 mm seviyelerine yükselttiği görülmüş ve ayrıntılı olarak sunulmuştur.

Photogrammetric surgical navigation applications are gaining more importance day by day in order to minimize the surgical operation times and the risk of classical methods with respect to the technological developments. In case there is no deed to open whole related anatomic location of the body, more reliable surgical operations in shorter times can be performed by an entry from a suitable point. In this doctrol study; Especially Surgical Navigation System that can perform highly accurate 3D spatial measurements based on stereo photogrammetric techniques for critical surgical operations and Camera Calibration Software that supports the system accuracy, all required hardware and advanced softwares which are necessary for sub-components are designed and developed by the author of this thesis without any open-source coding and comprehensive accuracy assessments are performed on related system and sub-components. In surgical navigation; moving surgical probes which are periodically tracked in real-time, located in 3D and navigated to a desired location on a layer (MRI,CT,etc.) that is defined in a standart measuring unit are used. It is of vital importance to determine and define the critical components such as focal lenght, field of view, image resolution, stereo base lenght, acqusition distance, size and geometry of the reference frame and probes at the beginning in system design phase according to desired system objectives and also to perform photogrammetric camera calibrations for real-time 3D movements of the probes to be located highly accurate. Handling the sytem design and implementation phases in detail, the effects of all system components and parameters on measurement accuracies are researched, analyzed and presented in findings section. Additionally, the effects of camera calibrations for measuring accuracy of the system is also analyzed. For this purpose; camera interior orientation parameters and stereo camera base lenght are re-calculated with the advanced adjustment and optimization techniques. As a result of this doctrol study; it is observed and presented in detail that the calibrated system components and paramaters have brought the real-time 3D spatial measurement accuracy from 2-3 mm level to 0,2 mm level.