Algoritam za automatsku lokalizaciju markera pacijenta u volumetrijskim snimkama

diplomski rad

• Naslov (engleski): Algorithm for automated localization of patient markers in volumetric images
• Autor: Bruno Grgić
• Mentor: Bojan Jerbić (mentor)
• Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj: Sveučilište u Zagrebu; Fakultet strojarstva i brodogradnje; Zagreb
• Datum i država obrane: 2017-07-20, Hrvatska
• Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana: TEHNIČKE ZNANOSTI; Strojarstvo

Sažetak

Razvojem robotike i sve većom integracijom robotskih rješenja u svim ljudskim djelatnostima, neizbježno je širenje njihove primjene u raznim područjima medicine. Visoka razina ponovljivosti i preciznosti pruža priliku povećati sigurnost procesa koji se i dalje obavljaju ručno. Eliminacijom repetitivnih postupaka njihovom automatizacijom može se povećati efikasnost procesa. U kirurškim zahvatima, koji su iznimno vremenski ograničeni, uvođenje bržih i standardiziranih automatiziranih procesa je od velike koristi. Jedan od problema automatizacije kirurških zahvata je pronalaženje markera potrebnog za povezivanje koordinata koordinatnih sustava slike sa fizičkim prostorom. Registracija pacijenta neizostavan je korak u neurokirurškim računalom potpomognutim zahvatima poput slikom navođene radijacijske terapije, radiokirurgije, minimalno invazivne terapije, endoskopije i intervencijske radiologije. Osim skraćivanja vremena ciklusa zahvata, prednost je lakše i bolje navođenje tokom intervencije koji vode smanjenoj invazivnosti i povećanoj točnosti. Registracijom pacijenta moguće je dobiti informacije o položajima instrumenata u odnosu na planiranu trajektoriju, okolnih osjetljivih područja i konačnog cilja. Jedan od ključnih čimbenika koji doprinose grešci registracije je ručna lokalizacija značajki. Ovaj rad bavi se razvojem algoritma za automatsku registraciju pacijenata baziranoj na odnosu volumetrijskih snimaka i fizičkog prostora. Volumetrijske snimke dobivene su pomoću uređaja za računalnu tomografiju CT (eng. computed tomography). Niz dvodimenzionalnih snimaka CT uređaja omogućava lociranje čvrstog markera pričvršćenog na glavu pacijenta. Snimke su pohranjene u DICOM (eng. Digital Imaging and Communications in Medicine) formatu. Za svrhu ovog rada korišten je fantom (imitacija) lubanje na koji je pričvršćen marker sa četiri retro-reflektivne sfere. Algoritam je razvijan u C++ programskom jeziku. Upotrebom VTK knjižnice (eng. Visualization ToolKit Library), osim pretvorbe DICOM formata u neki od standardno korištenih formata poput PNGa, korišteni su parametri definirani u meta-podacima koji sadrže informacije potrebne za povezivanje Kartezijevih koordinata u metričkom sustavu sa pozicijom na snimci. Korištena je OpenCV knjižnica strojnog vida za obradu slika kako bi se detektirale sfere markera, uklonile neželjene detekcije i povećala robusnost algoritma. Usporedbom detekcija sfera markera transformiranih u Kartezijev koordinatni sustav i mjera markera dobivenih u laboratoriju, detekcije su potvrđene i dobivene su procjenjene greške registracije.

Sažetak (engleski)

With the development of robotics and increasing integration of robotic solutions in all human activities, the spread of their application in medicine is unavoidable. High levels of repeatability and precision offer an opportunity to increase the safety of manual procedures. Eliminating repetitive processes by their automation the efficiency of the process can be increased. In surgical procedures, which are extremely time limited, introduction of faster and standardized automated processes can be of great benefit. One of the problems encountered automating surgical procedures is marker localization necessary for alignment of the image coordinates with the physical space. Patient registration is a necessary step in computer aided neurosurgery procedures as image guided radiation therapy, radiosurgery, minimally invasive surgery, endoscopy and interventional radiology. Apart from the reduction of process time intervals, easier and improved navigation during the interventions lead to reduced invasiveness and increased accuracy. By patient registration it is possible to obtain information about the position of surgical tools in relation to the planned trajectory, nearby sensitve surfaces and the final target. One of the key factors leading to the localization error is manual localization of features. This thesis deals with development of the algorithm for automatic patient registration based on the relation of the volumetric images and the physical space. The volumetric images are obtained by a CT scanner. The series of two-dimensional (2D) images allow the localization of the marker fixed to the patient's head. Images are stored in DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) format. For the purpose of this thesis, the marker with four retroreflexive spheres was attached to the skull phantom. The algorithm is developed in C++ programming language. Using VTK (Visualization ToolKit Library) library, the medical images were transformed to PNG format and parameters stored in medical images were used to read metadata which contains information necessary for the transformation from the image space to the Cartesian coordinates (metric values). Computer vision library OpenCV was used for image processing and circle detection, removal of false positives and increasing the robustness of the algorithm. Comparing the marker sphere detections transformed into the Cartesian coordinate system and marker measurements obtained from the laboratory, detections were confirmed and estimated registration error was obtained.

• Ključne riječi: Registracija slike; Robotika u medicini; Strojni vid; DICOM; OpenCV
• Ključne riječi (engleski): Image registration; Medical robotics; Computer vision; DICOM; OpenCV
• Jezik: hrvatski
• URN:NBN: urn:nbn:hr:235:055378
• Studijski program: Naziv: Strojarstvo; Vrsta studija: sveučilišni; Stupanj studija: diplomski; Akademski / stručni naziv: magistar/magistra inženjer/inženjerka strojarstva (mag. ing. mech.)
• Vrsta resursa: Tekst
• Način izrade datoteke: Izvorno digitalna
• Prava pristupa: Otvoreni pristup
• Datum i vrijeme pohrane: 2019-05-22 19:47:14