Dynamic radio location in medical environment

Abstract

Open surgery is more frequently replaced by minimally invasive interventions. A wide range of technical devices render minimally invasive surgical possible. Medical imaging and telemedical devices as well as imaging based navigation systems are popular examples that hold entrance to medical routine. The attending physician needs an increasing amount of his time and effort to operate these devices. This trend clearly shows that it needs more than new methods, functionality and devices to generate additional clinical value. Smart integration of new and existing technical solutions are important requirements for clinical processes and a big challenge for medical device suppliers. Knowledge of spacio-temporal information as well as identification of objects are fundamental requirements for a holistic integration concept of automated and manually moved or stationary devices. Applications like collision avoidance between objects or challenging coregistered and cooperative collaboration of medical devices are the goal of an extensive integration. Nowadays, industrially available optical and electromagnetic navigation systems are well-established for interventional therapy. They satisfy the required accuracy but cannot contribute to a comprehensive integration approach, since they mostly work with marker-based tools and a dedicated field of view. To overcome drawbacks of existing systems and academic approaches for optical surveillance, this thesis focuses on radio location technologies for localization and identification of devices and objects in a medical environment. Firstly, two promising technology candidates Radio Frequency Identification (RFID) and Ultra Wideband (UWB) are scrutinized and assessed with regard to their suitability. Central part of this thesis is a feasibility study based on UWB, since it satisfies the initially formulated requirements superior to RFID. A prototype with industrially available UWB modules is evaluated in-depth in a medical environment. To improve the dynamic performance of the prototype an extension using sensor fusion is pursued. A 9-axis-inertial sensor is integrated with the UWB system and fused by using a modified Kalman Filter approach. The inertial sensor data directly adapts the filter’s covariance matrix leading to precise behavior in static cases as well as good dynamics for moving objects. Experiments in a medical environment have shown that an UWB-based localization with sensor fusion can satisfy the formulated requirements and is well suited for a holistic integration concept.

Offenchirurgische Operationen werden zunehmend durch minimalinvasive Eingriffe abgelöst. Eine Vielzahl technischer Verfahren ermöglicht erst die minimalinvasive Chirurgie. Medizinische Bildgebung, telemedizinische Geräte und bildgestützte Navigationssysteme sind Beispiele für deren Einzug in die medizinische Routine. Für den behandelnden Arzt steigen Zeit und Aufwand, um die technischen Geräte zu bedienen. Diese Entwicklung verdeutlicht, dass ein Zuwachs an neuen Geräten, Methoden und Funktionalitäten allein nicht ausreicht, um einen klinischen Mehrwert zu generieren. Intelligente Wege zur Integration neuer und bestehender technischer Lösungen stellen wichtige Anforderungen für den klinischen Ablauf und große Herausforderungen für Medizingerätehersteller dar. Die Kenntnis der Position jedes Objekts zu jedem Zeitpunkt sowie die Identifikation der Objekte sind grundlegende Prämissen für ein ganzheitliches Konzept zur Integration automatisiert und manuell bewegter sowie stationärer Geräte. Das Ziel einer umfangreichen Integration sind Anwendungen, wie Kollisionsvermeidung zwischen Objekten oder anspruchsvolle Kooperation medizintechnischer Geräte. Optische und elektromagnetische Navigationssysteme sind gegenwärtig in der interventionellen Therapie etabliert und industriell verfügbar. Sie erreichen die anwendungsbezogen geforderten Genauigkeiten, können aber das Bestreben einer umfangreichen Integration nicht unterstützen, da sie für markerbasierte Tools in einem dedizierten Sichtbereich konzipiert sind. Um die Nachteile bestehender Systeme sowie akademischer Ansätze zur optischen Raumüberwachung zu überwinden, fokussiert sich die vorliegende Arbeit auf Technologien zur Funkortung für die Lokalisation und Identifikation von Geräten und Objekten im medizinischen Umfeld. Einleitend werden mit Radio Frequency Identification (RFID) und Ultra Wideband (UWB) zwei vielversprechende Technologiekandidaten betrachtet und hinsichtlich ihrer Eignung untersucht und bewertet. Zentraler Bestandteil der Dissertation ist eine Machbarkeitsstudie basierend auf UWB, da es die initial formulierten Anforderungen maßgeblich erfüllt. Ein Prototyp mit industriell verfügbaren UWB Modulen wird eingehend im medizinnahen Umfeld inspiziert. Mittels Sensorfusionsansatz wird das Sensorsystem mit dem Ziel verbesserter Dynamikeigenschaften erweitert. Es wird ein 9-Achs-Inertialsensor mit dem UWB System integriert und mit Hilfe eines modifizierten Kalman Filters fusioniert. Die Inertialsensordaten adaptieren direkt die Kovarianzmatrix des Filters. Dieser Ansatz führt zu wiederholgenauem Verhalten im statischen Fall und bildet die Dynamik eines beweglichen Objekts ab. Anhand von Experimenten im medizinnahen Umfeld wird gezeigt, dass eine UWB-gestützte Lokalisationslösung mit Sensorfusion die proklamierten Anforderungen erfüllt und ein ganzheitliches Integrationskonzept ermöglicht.