Development of a surgical navigation procedure for cochlear microrobot operations Koklear mikrorobot operasyonları için bir cerrahi navigasyon yönteminin geliştirilmesi

ABSTRACTBy the help of technological advances such as the development of computer and imaging technologies, surgical navigation has started to be used rapidly in medical literature. It is one of the recent methods used to track surgical tools inside the operation volume. In light of vital advantages as operation safety, minimally invasive application compatibility, reduction of operation times and reduced post operation complication risks, surgical navigation has been rapidly adopted throughout the relevant fields. Considering these, this study proposes both creation of a surgical navigation system utilizing free and open source software and a low cost motion tracking system, and a verification method to check validity of navigation system calibration. Also this study discussed feasibility of an analytical approach to one of the most important steps of surgical navigation as registration and presented a real world example of distortions might be caused by discussed analytical approach. Throughout the study, various tools related to surgical navigation and a solid model with known dimensions are designed and manufactured. Designed tool's precision then tested by performing calibration procedures and error values of these calibrations are examined. Then solid model was placed inside a capture volume in which the motion cameras are able to provide position measurements with help of designed tools. Carrying out point based registration method with least squares approach by taking necessary measurements, relation between the model reference and measurement space reference was calculated by means of a transformation matrix. This procedure is also applied in a capture volume with known broken calibration and on a solid model with movement compensation provided by previously designed tools. Later in the study an industrial robot manipulator arm was integrated to the navigation system and its implementation was verified with an navigation application utilizing designed solid model.ÖZETBilgisayar ve görüntüleme teknolojilerinin gelişmesiyle medikal alanda hızla kullanılmaya başlayan cerrahi navigasyon, operasyon hacminin takibinin sağlanmasında kullanılan güncel medikal yöntemlerden biridir. Uygulama esnasında cerrah ve hastaya sağladığı, operasyon güvenliği, minimal invaziv uygulama uyumluluğu, operasyon sürelerinin ve uygulama sonrası komplikasyon risklerinin azaltılması gibi önemli avantajlar ışığında cerrahi navigasyon ile takip, ilgili alanlarda hızlı bir şekilde benimsenmiştir. Bu çalışma, özgür ve açık kaynak yazılımları ve düşük maliyetli hareket takip sistemi içeren bir cerrahi navigasyon sistemi, ve navigasyon sisteminin geçerliliğini denetleyecek bir doğrulama yönteminin oluşturulmasını içermektedir. Ayrıca bu çalışma da cerrahi navigasyonun en önemli adımlarından biri olan eşleştirme prosedürünün analitik çözüm yöntemi ile gerçekleştirilmesinin uygulanabilirliği tartı- şılmış ve tartışılan analitik çözüm yönteminin gerçek bir uygulamada oluşturabileceği bozulmalar gösterilmiştir. Çalışma boyunca, cerrahi navigasyon sırasında kullanılmak üzere çeşitli araçlar ve ölçüleri bilinen bir katı model tasarlanmış ve üretilmiştir. Tasarlanan araçların hassasiyeti üzerlerinde kalibrasyon prosedürleri uygulanarak bulunan hata değerleri ile incelenmiş- tir. Daha sonra ise katı model hareket yakalama kameralarının takip edebildiği ilgili uygulama hacmine yerleştirilmiş, ve ilgili ölçümler yapılarak en küçük kareler yaklaşımı ile nokta tabanlı eşleştirme yöntemi uygulanmış, cerrahi navigasyon için gerekli olan gerçek model referansı ile hareket yakalama kameralarının yer aldığı ölçüm uzay referansı arasındaki ilişki bulunmuştur. Bu prosedür hareket yakalama kameralarının kalibrasyonunun bozuk olduğu bilinen bir uygulama hacminde, ayrıca katı modelin hareketlerinin tasarlanan araçlar yardımıyla kompanse edildiği bir uygulama hacminde uygulanmıştır. Çalışmanın sonraki aşamasında bir endüstriyel robot, oluşturulan cerrahi navigasyon sistemine entegre edilmiş ve tasarlanan katı model yardımı ile entegrasyonun başarısı bir cerrahi navigasyon uygulamasıyla doğrulanmıştır.