This work describes a self-sensing technique for a piezoelectrically driven MRI-compatible tweezer style end effector, suitable for robot assisted, MRI guided surgery. Nested strain amplification mechanisms are used to amplify the displacement of the piezo actuators to practical levels for robotics. By using a hysteretic piezoelectric model and a two port network model for the compliant nested strain amplifiers, it is shown that force and displacement at the tweezer tip can be estimated if the input voltage and charge are measured. One piezo unit is used simultaneously as a sensor and an actuator, preserving the full actuation capability of the device. Experimental validation shows an average of 12% error between the self-sensed and true values.

Submitted by Jean Medeiros (jeanletras@uepb.edu.br) on 2018-05-24T12:40:53Z No. of bitstreams: 1 PDF - Jefferson Felipe Silva de Lima.pdf: 26931863 bytes, checksum: b52e9a3ab1c58df593cae907b9fc936d (MD5) / Approved for entry into archive by Secta BC (secta.csu.bc@uepb.edu.br) on 2018-06-05T11:33:36Z (GMT) No. of bitstreams: 1 PDF - Jefferson Felipe Silva de Lima.pdf: 26931863 bytes, checksum: b52e9a3ab1c58df593cae907b9fc936d (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-05T11:33:36Z (GMT). No. of bitstreams: 1 PDF - Jefferson Felipe Silva de Lima.pdf: 26931863 bytes, checksum: b52e9a3ab1c58df593cae907b9fc936d (MD5) Previous issue date: 2016-12-22 / The Additive Manufacturing (MA), actually is used aiming the production of small proto- types, until a recent application in the field of dentistry, intended for the planning, simulation, testing and surgeries auditions and other dental procedures. Some orthodontic surgeries are endowed with levels of difficulty and require dexterity of the highest quality, due mainly to the lack of predictability in the treatment, not allowing a precise and direct plan for the case addressed. Among the most recurrent surgical procedures in this scenario, it is the canine tooth traction surgery included. A situation that occurs frequently during adolescence, requi r- ing a great deal of inference from the responsible professional, that if isn’t treated in time, may compromise the reorganization of other teeth and bring irremediable sequelae in long term. In this context, this research aimed at the development of a technology solution for o r- thodontic planning and treatment of included teeth, where clinical cases were used in which it was indicated the surgery of traction and subsequent alignment of canine teeth included. Free and recent software were analyzed that offered the potential to improve the planning process and subsequent treatment through the creation of a biomodel to serve as the basis of the deci- sions of the surgeon and orthodontists acting in the correction of the problem. In this way the present master's work presents a process of software use, which allows the end user to have a free manipulation on the images in the pre-prototyping phase, thus generating a biomodel that carries beyond the visual load obtained through the treatment of DICOM images, the traject o- ry traversed by the tooth during the surgery, allowing also a virtual simulation of the surgery. / A Manufatura Aditiva (MA), atualmente estende a sua utilização desde a fabricação de pe- quenos protótipos diversos, até a recente aplicação no âmbito da odontologia, destinada ao planejamento, simulação, teste e ensaio de cirurgias e outros procedimentos odontológicos. Algumas cirurgias ortodônticas são dotadas de níveis de dificuldade e requerem destreza altís- sima, devido principalmente à falta de previsibilidade no tratamento, não permitindo um pla- nejamento preciso e direto para o caso abordado. Dentre os procedimentos cirúrgicos mais recorrentes nesse cenário está a cirurgia de tracionamento de dentes caninos inclusos. Situa- ção que ocorre com grande frequência durante a adolescência, exigindo grande poder de infe- rência por parte do profissional responsável, que se não tratada a tempo pode vir a comprome- ter a reorganização dos demais dentes e trazer sequelas irremediáveis a longo prazo. Nesse contexto, esta pesquisa objetivou o desenvolvimento de uma solução de tecnologia para pla- nejamento e tratamento ortodôntico de dentes inclusos, onde foram utilizados casos clínicos nos quais estava indicada a cirurgia de tracionamento e posterior alinhamento de dentes cani- nos inclusos. Foram analisados softwares livres e recentes que oferecessem potencial de apri- morar o processo de planejamento e posterior tratamento através da confecção de biomodelo a servir como base das decisões do cirurgião e ortodontistas atuantes na correção do problema. Dessa forma o presente trabalho de mestrado apresenta um processo de utilização de software, que permite que o usuário final tenha uma livre manipulação sobre as imagens na fase de pré- prototipagem, gerando assim um biomodelo que carregue além da carga visual obtida através do tratamento de imagens DICOM, a trajetória percorrida pelo dente durante a cirurgia, permitindo também uma simulação virtual da cirurgia.

La réalité augmentée permet d'aider les chirurgiens à localiser pendant l'opération la position des structures d'intérêt, comme les vaisseaux sanguins. Dans le cadre de la chirurgie laparoscopique, les modèles 3D affichés durant l'intervention ne correspondent pas à la réalité à cause des déformations dues au pneumopéritoine. Cette thèse a pour objectif de corriger ces déformations afin de fournir un modèle du foie réaliste. Nous proposons de déformer le modèle préopératoire du foie à partir d'une acquisition intraopératoire de la surface antérieure du foie. Un champ de déformations entre les modèles préopératoire et intraopératoire est calculé à partir de la distance géodésique à des repères anatomiques. De plus, une simulation biomécanique du pneumopéritoine est réalisée pour prédire la position de la cavité abdomino-thoracique qui est utilisée comme condition limite. L'évaluation de cette méthode montre que l'erreur de position du foie et de ses structures internes est réduite à 1cm. / Augmented reality can provide to surgeons during intervention the positions of critical structures like vessels. The 3D models displayed during a laparoscopic surgery intervention do not fit to reality due to pneumperitoneum deformations. This thesis aim is to correct these deformations to provide a realistic liver model during intervention. We propose to deform the preoperative liver model according to an intraoperative acquisition of the liver anterior surface. A deformation field between the preoperative and intraoperative models is computed according to the geodesic distance to anatomical landmarks. Moreover, a biomechanical simulation is realised to predict the position of the abdomino-thoracic cavity which is used as boundary conditions. This method evaluation shows that the position error of the liver and its vessels is reduced to 1cm.

Notre pratique courante de la chirurgie orthognathique se heurte aux limites des outils standard de planification et de simulation ainsi qu’à l’absence d’assistance peropératoire. L’objectif de notre travail était de développer de nouveaux outils répondant à cette problématique. Ainsi, dans un premier temps, un algorithme de segmentation semi-automatique a permis une modélisation 3D patient-spécifique rapide et précise. Nous avons ensuite élaboré un logiciel de simulation des parties molles fondé sur un modèle mécanique de type masse-ressort permettant une précision millimétrique. Enfin, nous avons conçu un système de navigation temps-réel fondé sur un guidage électromagnétique mini-invasif doté d’une interface utilisateur intuitive. Son évaluation a montré une réduction de la variabilité inter-opérateurs. En plus de son caractère pédagogique, ce système bénéficiait particulièrement aux débutants. Les chirurgiens ont souligné l’intérêt de ce système, tant pour les dysmorphoses complexes que pour les cas de routine. Ces développements constituent ainsi une suite logicielle susceptible d’améliorer la qualité de prise en charge des patients. / In our routine practice of orthognathic surgery, we face the limitations of conventional planning and simulation tools, and the lack of convenient intraoperative assistance. If computer science has provided satisfactory solutions for planning, yet simulation and navigation appear improvable. The aim of our research was to provide novel tools to improve these issues. Therefore, we first developed a semi-automated segmentation pipeline allowing accurate and timeefficient patient-specific 3D modeling. We then conceived 1mm-accurate facial soft tissue simulation software based on a mechanical massspring model. Finally, we developed a real-time navigation system based on minimally-invasive electromagnetic tracking, featuring a novel user-friendly interface. Evaluation showed that our software reduced time and accuracy discrepancy between operators. Along with educational purposes, such a system benefited especially trainees. Surgeons emphasized system relevance in the treatment of both, complex and common deformities. Such developments establish a software suite that could provide significant improvement for patient optimal care.

Background: The clinical outcome of hip resurfacing (HR) as a demanding surgical technique associated with a substantial learning curve depends on the position of the femoral component. The aim of the study was to investigate the effects of the level of surgical experience on computer-assisted imageless navigation concerning precision of femoral component positioning, notching, and oversizing rate, as well as operative time. Methods: Three surgeons with different levels of experience in both HR and computer-assisted surgery (CAS) prepared the femoral heads of 54 synthetic femurs using the Durom TM Hip Resurfacing (Zimmer, Warsaw, IN, USA) system. Each surgeon prepared a total of 18 proximal femurs using the Navitrack® system (ORTHOsoft Inc., Montreal, Canada) or the conventional free-hand Durom TM K-wire positioning jig. The differences between planned and postoperative stem shaft angle (SSA) and anteversion angle in standardized x-rays were measured and the operative time, not including the time for calibrating the CAS-system, was documented. Notching was evaluated by the three surgeons in a randomized manner. Oversizing was determined by the difference of the preoperative determined cap and the cap size advised by the CAS-system. Results: CAS significantly reduced the overall mean deviation between planned and postoperative SSA in comparison with the conventional procedure (mean ± SD, 1 ± 1.7° vs. 7.4 ± 4.4°, P <0.01) regardless of the surgeon’s level of experience. The incidence of either varus or valgus SSA deviations exceeding 5° were 1/27 for CAS and 15/27 for the conventional method, respectively (P<0.001), corresponding to a reduction by 97%. Using CAS, the rate of notching was reduced by 100%. Conclusions: The accuracy of femoral HR component orientation is significantly increased by use of CAS regardless of the surgeon’s level of experience in our preclinical study. Thus, imageless computer-assisted navigation can be a valuable tool to improve implant positioning in HR for surgeons at any stage of their learning curve.

Development of image-guided interventional systems is growing up rapidly in the recent years. These new systems become an essential part of the modern minimally invasive surgical procedures, especially for the cardiac surgery. Transcatheter aortic valve implantation (TAVI) is a recently developed surgical technique to treat severe aortic valve stenosis in elderly and high-risk patients. The placement of stented aortic valve prosthesis is crucial and typically performed under live 2D fluoroscopy guidance. To assist the placement of the prosthesis during the surgical procedure, a new fluoroscopy-based TAVI assistance system has been developed. The developed assistance system integrates a 3D geometrical aortic mesh model and anatomical valve landmarks with live 2D fluoroscopic images. The 3D aortic mesh model and landmarks are reconstructed from interventional angiographic and fluoroscopic C-arm CT system, and a target area of valve implantation is automatically estimated using these aortic mesh models. Based on template-based tracking approach, the overlay of visualized 3D aortic mesh model, landmarks and target area of implantation onto fluoroscopic images is updated by approximating the aortic root motion from a pigtail catheter motion without contrast agent. A rigid intensity-based registration method is also used to track continuously the aortic root motion in the presence of contrast agent. Moreover, the aortic valve prosthesis is tracked in fluoroscopic images to guide the surgeon to perform the appropriate placement of prosthesis into the estimated target area of implantation. An interactive graphical user interface for the surgeon is developed to initialize the system algorithms, control the visualization view of the guidance results, and correct manually overlay errors if needed. Retrospective experiments were carried out on several patient datasets from the clinical routine of the TAVI in a hybrid operating room. The maximum displacement errors were small for both the dynamic overlay of aortic mesh models and tracking the prosthesis, and within the clinically accepted ranges. High success rates of the developed assistance system were obtained for all tested patient datasets. The results show that the developed surgical assistance system provides a helpful tool for the surgeon by automatically defining the desired placement position of the prosthesis during the surgical procedure of the TAVI. / Die Entwicklung bildgeführter interventioneller Systeme wächst rasant in den letzten Jahren. Diese neuen Systeme werden zunehmend ein wesentlicher Bestandteil der technischen Ausstattung bei modernen minimal-invasiven chirurgischen Eingriffen. Diese Entwicklung gilt besonders für die Herzchirurgie. Transkatheter Aortenklappen-Implantation (TAKI) ist eine neue entwickelte Operationstechnik zur Behandlung der schweren Aortenklappen-Stenose bei alten und Hochrisiko-Patienten. Die Platzierung der Aortenklappenprothese ist entscheidend und wird in der Regel unter live-2D-fluoroskopischen Bildgebung durchgeführt. Zur Unterstützung der Platzierung der Prothese während des chirurgischen Eingriffs wurde in dieser Arbeit ein neues Fluoroskopie-basiertes TAKI Assistenzsystem entwickelt. Das entwickelte Assistenzsystem überlagert eine 3D-Geometrie des Aorten-Netzmodells und anatomischen Landmarken auf live-2D-fluoroskopische Bilder. Das 3D-Aorten-Netzmodell und die Landmarken werden auf Basis der interventionellen Angiographie und Fluoroskopie mittels eines C-Arm-CT-Systems rekonstruiert. Unter Verwendung dieser Aorten-Netzmodelle wird das Zielgebiet der Klappen-Implantation automatisch geschätzt. Mit Hilfe eines auf Template Matching basierenden Tracking-Ansatzes wird die Überlagerung des visualisierten 3D-Aorten-Netzmodells, der berechneten Landmarken und der Zielbereich der Implantation auf fluoroskopischen Bildern korrekt überlagert. Eine kompensation der Aortenwurzelbewegung erfolgt durch Bewegungsverfolgung eines Pigtail-Katheters in Bildsequenzen ohne Kontrastmittel. Eine starrere Intensitätsbasierte Registrierungsmethode wurde verwendet, um kontinuierlich die Aortenwurzelbewegung in Bildsequenzen mit Kontrastmittelgabe zu detektieren. Die Aortenklappenprothese wird in die fluoroskopischen Bilder eingeblendet und dient dem Chirurg als Leitfaden für die richtige Platzierung der realen Prothese. Eine interaktive Benutzerschnittstelle für den Chirurg wurde zur Initialisierung der Systemsalgorithmen, zur Steuerung der Visualisierung und für manuelle Korrektur eventueller Überlagerungsfehler entwickelt. Retrospektive Experimente wurden an mehreren Patienten-Datensätze aus der klinischen Routine der TAKI in einem Hybrid-OP durchgeführt. Hohe Erfolgsraten des entwickelten Assistenzsystems wurden für alle getesteten Patienten-Datensätze erzielt. Die Ergebnisse zeigen, dass das entwickelte chirurgische Assistenzsystem ein hilfreiches Werkzeug für den Chirurg bei der Platzierung Position der Prothese während des chirurgischen Eingriffs der TAKI bietet.

Modern surgery of the 21st century relies in many aspects on computers or, in a wider sense, digital data processing. Department administration, OR scheduling, billing, and - with increasing pervasion - patient data management are performed with the aid of so called Surgical Information Systems (SIS) or, more general, Hospital Information Systems (HIS). Computer Assisted Surgery (CAS) summarizes techniques which assist a surgeon in the preparation and conduction of surgical interventions. Today still predominantly based on radiology images, these techniques include the preoperative determination of an optimal surgical strategy and intraoperative systems which aim at increasing the accuracy of surgical manipulations. CAS is a relatively young field of computer science. One of the unsolved "teething troubles" of CAS is the absence of technical standards for the interconnectivity of CAS system. Current CAS systems are usually "islands of information" with no connection to other devices within the operating room or hospital-wide information systems. Several workshop reports and individual publications point out that this situation leads to ergonomic, logistic, and economic limitations in hospital work. Perioperative processes are prolonged by the manual installation and configuration of an increasing amount of technical devices. Intraoperatively, a large amount of the surgeons'' attention is absorbed by the requirement to monitor and operate systems. The need for open infrastructures which enable the integration of CAS devices from different vendors in order to exchange information as well as commands among these devices through a network has been identified by numerous experts with backgrounds in medicine as well as engineering. This thesis contains two approaches to the integration of CAS systems: - For perioperative data exchange, the specification of new data structures as an amendment to the existing DICOM standard for radiology image management is presented. The extension of DICOM towards surgical application allows for the seamless integration of surgical planning and reporting systems into DICOM-based Picture Archiving and Communication Systems (PACS) as they are installed in most hospitals for the exchange and long-term archival of patient images and image-related patient data. - For the integration of intraoperatively used CAS devices, such as, e.g., navigation systems, video image sources, or biosensors, the concept of a surgical middleware is presented. A c++ class library, the TiCoLi, is presented which facilitates the configuration of ad-hoc networks among the modules of a distributed CAS system as well as the exchange of data streams, singular data objects, and commands between these modules. The TiCoLi is the first software library for a surgical field of application to implement all of these services. To demonstrate the suitability of the presented specifications and their implementation, two modular CAS applications are presented which utilize the proposed DICOM extensions for perioperative exchange of surgical planning data as well as the TiCoLi for establishing an intraoperative network of autonomous, yet not independent, CAS modules. / Die moderne Hochleistungschirurgie des 21. Jahrhunderts ist auf vielerlei Weise abhängig von Computern oder, im weiteren Sinne, der digitalen Datenverarbeitung. Administrative Abläufe, wie die Erstellung von Nutzungsplänen für die verfügbaren technischen, räumlichen und personellen Ressourcen, die Rechnungsstellung und - in zunehmendem Maße - die Verwaltung und Archivierung von Patientendaten werden mit Hilfe von digitalen Informationssystemen rationell und effizient durchgeführt. Innerhalb der Krankenhausinformationssysteme (KIS, oder englisch HIS) stehen für die speziellen Bedürfnisse der einzelnen Fachabteilungen oft spezifische Informationssysteme zur Verfügung. Chirurgieinformationssysteme (CIS, oder englisch SIS) decken hierbei vor allen Dingen die Bereiche Operationsplanung sowie Materialwirtschaft für spezifisch chirurgische Verbrauchsmaterialien ab. Während die genannten HIS und SIS vornehmlich der Optimierung administrativer Aufgaben dienen, stehen die Systeme der Computerassistierten Chirugie (CAS) wesentlich direkter im Dienste der eigentlichen chirugischen Behandlungsplanung und Therapie. Die CAS verwendet Methoden der Robotik, digitalen Bild- und Signalverarbeitung, künstlichen Intelligenz, numerischen Simulation, um nur einige zu nennen, zur patientenspezifischen Behandlungsplanung und zur intraoperativen Unterstützung des OP-Teams, allen voran des Chirurgen. Vor allen Dingen Fortschritte in der räumlichen Verfolgung von Werkzeugen und Patienten ("Tracking"), die Verfügbarkeit dreidimensionaler radiologischer Aufnahmen (CT, MRT, ...) und der Einsatz verschiedener Robotersysteme haben in den vergangenen Jahrzehnten den Einzug des Computers in den Operationssaal - medienwirksam - ermöglicht. Weniger prominent, jedoch keinesfalls von untergeordnetem praktischen Nutzen, sind Beispiele zur automatisierten Überwachung klinischer Messwerte, wie etwa Blutdruck oder Sauerstoffsättigung. Im Gegensatz zu den meist hochgradig verteilten und gut miteinander verwobenen Informationssystemen für die Krankenhausadministration und Patientendatenverwaltung, sind die Systeme der CAS heutzutage meist wenig oder überhaupt nicht miteinander und mit Hintergrundsdatenspeichern vernetzt. Eine Reihe wissenschaftlicher Publikationen und interdisziplinärer Workshops hat sich in den vergangen ein bis zwei Jahrzehnten mit den Problemen des Alltagseinsatzes von CAS Systemen befasst. Mit steigender Intensität wurde hierbei auf den Mangel an infrastrukturiellen Grundlagen für die Vernetzung intraoperativ eingesetzter CAS Systeme miteinander und mit den perioperativ eingesetzten Planungs-, Dokumentations- und Archivierungssystemen hingewiesen. Die sich daraus ergebenden negativen Einflüsse auf die Effizienz perioperativer Abläufe - jedes Gerät muss manuell in Betrieb genommen und mit den spezifischen Daten des nächsten Patienten gefüttert werden - sowie die zunehmende Aufmerksamkeit, welche der Operateur und sein Team auf die Überwachung und dem Betrieb der einzelnen Geräte verwenden muss, werden als eine der "Kinderkrankheiten" dieser relativ jungen Technologie betrachtet und stehen einer Verbreitung über die Grenzen einer engagierten technophilen Nutzergruppe hinaus im Wege. Die vorliegende Arbeit zeigt zwei parallel von einander (jedoch, im Sinne der Schnittstellenkompatibilität, nicht gänzlich unabhängig voneinander) zu betreibende Ansätze zur Integration von CAS Systemen. - Für den perioperativen Datenaustausch wird die Spezifikation zusätzlicher Datenstrukturen zum Transfer chirurgischer Planungsdaten im Rahmen des in radiologischen Bildverarbeitungssystemen weit verbreiteten DICOM Standards vorgeschlagen und an zwei Beispielen vorgeführt. Die Erweiterung des DICOM Standards für den perioperativen Einsatz ermöglicht hierbei die nahtlose Integration chirurgischer Planungssysteme in existierende "Picture Archiving and Communication Systems" (PACS), welche in den meisten Fällen auf dem DICOM Standard basieren oder zumindest damit kompatibel sind. Dadurch ist einerseits der Tatsache Rechnung getragen, dass die patientenspezifische OP-Planung in hohem Masse auf radiologischen Bildern basiert und andererseits sicher gestellt, dass die Planungsergebnisse entsprechend der geltenden Bestimmungen langfristig archiviert und gegen unbefugten Zugriff geschützt sind - PACS Server liefern hier bereits wohlerprobte Lösungen. - Für die integration intraoperativer CAS Systeme, wie etwa Navigationssysteme, Videobildquellen oder Sensoren zur Überwachung der Vitalparameter, wird das Konzept einer "chirurgischen Middleware" vorgestellt. Unter dem Namen TiCoLi wurde eine c++ Klassenbibliothek entwickelt, auf deren Grundlage die Konfiguration von ad-hoc Netzwerken während der OP-Vorbereitung mittels plug-and-play Mechanismen erleichtert wird. Nach erfolgter Konfiguration ermöglicht die TiCoLi den Austausch kontinuierlicher Datenströme sowie einzelner Datenpakete und Kommandos zwischen den Modulen einer verteilten CAS Anwendung durch ein Ethernet-basiertes Netzwerk. Die TiCoLi ist die erste frei verfügbare Klassenbibliothek welche diese Funktionalitäten dediziert für einen Einsatz im chirurgischen Umfeld vereinigt. Zum Nachweis der Tauglichkeit der gezeigten Spezifikationen und deren Implementierungen, werden zwei modulare CAS Anwendungen präsentiert, welche die vorgeschlagenen DICOM Erweiterungen zum perioperativen Austausch von Planungsergebnissen sowie die TiCoLi zum intraoperativen Datenaustausch von Messdaten unter echzeitnahen Anforderungen verwenden.

Radiofrequency ablation (RFA) is a minimally invasive treatment for either hepatocellular carcinoma or metastasis liver carcinoma. In order to resect large lesions, the surgeon has to perform multiple time-consuming destruction cycles and reposition the RFA needle for each of them. The critical step in handling a successful ablation and preventing local recurrence is the correct positioning of the needle. For small tumors, the surgeon places the middle of the active needle tip in the center of the tumor under intra-operative ultrasound guidance. When one application is not enough to cover the entire tumor, the surgeon needs to repeat the treatment after repositioning of the needle, but US guidance is obstructed by the opacity stemming from the first RFA application. In this case the surgeon can only rely on anatomical knowledge and the repositioning of the RFA needle becomes a subjective task limiting the treatment accuracy. We have developed a computer assisted surgery guidance application for this repositioning procedure. Our software application handles the complete process from preoperative image analysis to tool tracking in the operating room. Our framework is mostly used for this RFA procedure, but is also suitable for any other medical or surgery application. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Die Einführung der Computer-assistierten Navigation von Pedikelschrauben an der Wirbelsäule in den klinischen Alltag konnte in mehreren Studien eine signifikante Senkung der Fehlplatzierungsraten auf deutlich unter 10% zeigen. Es existieren aber nur spärliche Daten bezüglich der Navigation an der Brustwirbelsäule und deren Anwendung bei unfallchirurgischen Patienten, typischerweise mit frischen Frakturen. Ziel dieser Arbeit war es, die Genauigkeit der CT-basierten Navigation von Pedikelschrauben an der Brustwirbelsäule mit Hilfe eines optoelektronischen Navigationssystems bei Patienten mit Frakturen, Tumoren und Entzündungen im Vergleich zur konventionellen Technik zu untersuchen. Dazu wurden bei 85 Patienten 324 Pedikelschrauben, 211 navigiert und 113 konventionell, an der Brustwirbelsäule gesetzt. Die Navigation erfolgte mit einem optoelektronischen System, wobei zusätzlich ein Bildverstärker zur Lagekontrolle verwendet wurde. Postoperativ wurde die Pedikelschraubenplatzierung mit Hilfe von Computertomogrammen dargestellt und durch einen unabhängigen Radiologen ausgewertet. In der navigierten Gruppe wurden 174 (82,5%) Schrauben korrekt platziert. In der konventionellen Gruppe waren es mit 77 (68,1%) Schrauben signifikant weniger (p < 0,003). Allerdings ließen sich erhebliche Fehllagen von über 4 mm in 1,9% der Fälle trotz Navigation nicht vermeiden. Die zusätzliche Röntgendurchleuchtung vermied vor allem die Navigation falscher Wirbelkörper sowie Abweichungen der Schrauben nach kaudal bzw. kranial. / Several studies have shown that computer assisted pedicle screw insertion in spinal surgery can decrease pedicle perforation rate significantly to less than 10%. However, few data exist concerning the accuracy of pedicle screw navigation in the thoracic spine in trauma patients. The goal of this study was to evaluate the accuracy of CT-based computer assisted pedicle screw insertion in the thoracic spine in patients with fractures, metastases and spondylodiscitis compared to conventional technique. 324 pedicle screws were inserted in the thoracic spines of 85 patients. 211 screws were placed using a CT-based optoelectronic navigation system assisted by an image intensifier. 113 screws were placed with conventional technique. Screw positions were evaluated with postoperative CT-scans by an independent radiologist. In the computer assisted group 174 (82,5%) screws were found completely within their pedicles compared with 77 (68,1%) correctly placed srews in the conventional group (p < 0,003). Despite of using the navigation system 1,9% of the computer assisted screws perforated the pedicle wall more than 4 mm. The additional use of the image intensifier helped identifying the correct vertebral body and avoided cranial or caudal pedicle wall perforations.

Nous présentons un système de tracking optique-inertiel qui consiste en deux caméras stationnaires et une Sensor Unit avec des marqueurs optiques et une centrale inertielle. La Sensor Unit est fixée sur l'objet suivi et sa position et orientation sont déterminées par un algorithme de fusion de données. Le système de tracking est destiné à asservir un outil à main dans un système de chirurgie naviguée ou assistée par ordinateur. L'algorithme de fusion de données intègre les données des différents capteurs, c'est-à-dire les données optiques des caméras et les données inertielles des accéléromètres et gyroscopes. Nous présentons différents algorithmes qui rendent possible un tracking à grande bande passante avec au moins 200Hz avec des temps de latence bas grâce à une approche directe et des filtres dits invariants qui prennent en compte les symmétries du système. Grâce à ces propriétés, le système de tracking satisfait les conditions pour l'application désirée. Le système a été implementé et testé avec succès avec un dispositif expérimental. / We present an optical-inertial tracking system which consists of two stationary cameras and a Sensor Unit with optical markers and an inertial measurement unit (IMU). This Sensor Unit is attached to the object being tracked and its position and orientation are determined by a data fusion algorithm.The tracking system is to be used for servo-controlling a handheld tool in a navigated or computer-assisted surgery system.The data fusion algorithm integrates data from the different sensors, that is optical data from the cameras and inertial data from accelerometers and gyroscopes. We present different algorithms which ensure high-bandwidth tracking with at least 200Hz with low latencies by using a direct approach and so-called invariant filters which take into account system symmetries. Through these features, the tracking system meets the requirements for being used in the desired application.The system was successfully implemented and tested with an experimental setup.