| Abstract | In medicine, robots can be applied as a part of complex and computer-assisted systems for diagnosis, preoperative planning, surgery, post-operative patient care, and hospital logistics. Surgical robot systems can improve the existing operative procedures in terms of better efficiency, accuracy, and greater reliability of performance. Since the operating target in neurosurgery is not visible, the use of robots requires spatial patient registration. The spatial patient registration is an alignment of patient images acquired by means of an appropriate kind of scan technology with a patient located in the operating room (OR). Registration, in general, is a fundamental problem which occurs in many scientific fields, such as machine vision, image processing, robotics, and medicine, and it denotes transformation of two data sets into one coordinate system. The research proposed in this doctoral thesis addresses major elements of spatial patient registration in robotic neurosurgery: localization of the patient in the medical images and in the OR, rigid point-based registration, and automation of the overall patient registration procedure. This implies a good knowledge of the state-of-the-art methods in robotic surgery, the development and implementation of new methods and algorithms, and measurements that evaluate the achieved results. In order to improve the image space localization, a novel algorithm was developed; it uses a unique approach combining machine vision algorithms, biomedical image filtration methods, and mathematical estimation methods to determine the centre of each individual fiducial marker. A novel correspondence algorithm and a framework for an automatic patient registration procedure using freely distributed fiducial markers in the application of a robot in neurosurgery were established. Both the image space and the physical space localization, and, subsequently, the registration, are executed autonomously and do not require the additional employment of the medical personnel. For localization in the physical space, a concept of robot localization strategy was introduced, implemented, and tested. Localization strategies use specific approach angles, orientations and types of movement of a robot during the fiducial marker localization procedure in the physical space and positioning to the target points. Influence of the robot localization strategy on the overall application error of a robot system used in frameless stereotactic neurosurgery was measured and analysed. |
| Abstract (croatian) | U interventnoj medicini, roboti se općenito mogu primijeniti kao dio kompleksnih i računalno potpomognutih sustava koji imaju mogućnosti dijagnoze, predoperativnog planiranja, provođenja operativnih zahvata, postoperativne njege, vođenja bolničke logistike itd. Kirurški robotski sustavi mogu unaprijediti postojeće operativne procedure poboljšanom efikasnošću, preciznošću i većom sigurnošću izvođenja. Budući da operativni ciljevi u neurokirurgiji u većini slučajeva nisu vidljivi, upotreba robota zahtijeva prostornu registraciju pacijenta. Prostorna registracija pacijenta podrazumijeva povezivanje snimaka pacijenta dobivenih odgovarajućom tehnikom skeniranja s pacijentom smještenim u operacijskoj sali. Registracija je temeljni problem koji se pojavljuje u mnogim znanstvenim područjima kao što su strojni vid, obrada slike, robotika i medicina te označava transformaciju dvaju skupa podataka u jedan koordinatni sustav. Istraživanje predloženo u ovom doktorskom radu obrađuje glavne komponente prostorne registracije pacijenta u robotskoj neurokirurgiji: lokalizaciju pacijenta u medicinskim snimkama i operacijskoj sali, krutu (eng. rigid) registraciju i automatizaciju cjelokupnog postupka prostorne registracije pacijenata. Podrazumijeva se dobro poznavanje suvremenih metoda primjenjenih u robotskim medicinskim zahvatima, razvoj i implementacija novih metoda i algoritama te mjerenja na temelju kojih se mogu vrednovati postignuti rezultati. Kako bi se poboljšala lokalizacija pacijenta u volumetrijskim snimkama razvijen je novi algoritam koji koristi jedinstven pristup odnosno kombinaciju algoritama strojnog vida, biomedicinskih metoda filtriranja slike i metoda matematičke procjene kako bi se utvrdilo središte svakog markera. Razvijen je algoritam za uparivanje točaka i sustav za automatsku registraciju pacijenta koji koristi slobodno distribuirane markere. Lokalizacija u medicinskim snimkama i fizičkom prostoru, a potom i registracija, odvijaju se samostalno te ne zahtijevaju dodatnu intervenciju medicinskog osoblja. Za lokalizaciju u fizičkom prostoru je predstavljen, implementiran i testiran koncept strategije robotske lokalizacije. Lokalizacijske strategije koriste specifične kuteve, orijentacije i vrste kretanja robota tijekom postupka lokalizacije markera i pozicioniranja na ciljanu točku. Izmjereni su i analizirani utjecaji strategije robotske lokalizacije na ukupnu pogrešku robotskog sustava za stereotaktičku neurokirurgiju. |
