A hardware and software protocol for the evaluation of electromagnetic tracker accuracy in the clinical environment: a multi-center study
电磁跟踪仪测量精度的敏感性与附近的铁磁干扰源有很大的关系，并且是非各向同性的。这些固有的限制加上不同研究中使用的各种硬件组成部分和评估技术，使直接比较研究之间的测量精度变得困难。
本文提出了一项多中心研究，以评估电磁设备在不同的临床环境使用一个共同的硬件幻影和评估技术（hardware phantom and assessment techniques ），使结果是直接可比的。
尽管电磁跟踪系统有许多优点，但它还没有像光学系统那样得到广泛的接受。这在很大程度上是由于电磁跟踪器测量时易受金属和电磁干扰源的畸变影响。这些误差的量化一直是几个开发IGS系统的小组关注的焦点。直接比较不同群体获得的结果是困难的，因为设计硬件幻影的方法和分析和量化数据的方法不同。
一、材料和方法
1.NDI
2.Hardware phantom
本研究所使用的硬件模型为一面180mm的有机玻璃立方体，顶部有225个精密加工的孔，间距均匀为10mm。孔的深度从10mm到150mm不等，排列顺序随机。所有孔均加工至直径1.4毫米，以便为外径为1.27毫米的5英寸MagTrax针提供舒适的通道。这种设计解决了上面列举的所有需求。
最后，选择225个空间样本将数据收集时间减少到大约30-45分钟，同时仍然提供了对潜在错误的一致描述。
- 这种空间分布和样本量被认为是充分的，基于我们在11中描述的以前的工作。
- 在这项工作中，我们评估了各种统计数据对在感兴趣的体积区域内均匀分布的采样点数量的依赖性。数据集由240mm3内收集的2548个数据节点组成。从较大的数据集中选择不同的样本大小，并对每个子集使用相同的分析方法。表1总结了每个子集的统计量，提供了每个统计量如何随样本点数量变化的定量展望。
基于这些结果，我们认为225个节点足以描述潜在的误差分布，同时提供了可行的数据收集时间。
用36层3/16英寸厚的压克力来构建立方体，每层堆叠在一起形成立方体。亚克力板的宽度在+ 0.8mm到- 1.5mm之间变化。孔直径精度为0.0025mm。假设X-Y平面孔位精度与激光切割时使用的定位装置相同，精度为0.005mm。每个孔的深度是可变的，因为压克力板的大宽度公差。因此，使用分辨率为0.01mm的Mitutoyo机械深度计(日本Mitutoyo公司)来记录所有孔的深度。使用记录深度,每个孔的终点分配一个笛卡尔坐标是基于任意选择轴与起源顶点接近1号洞(图1)。孔编号1到225,假设数据收集是按先后顺序执行注册之间的测量坐标和极光数据块进行类似的数据集
二、分析方法：
我们的分析方法的目标是提供一组简明的统计数据来描述感兴趣范围内的误差。除了铁磁失真源，极光装置的精度进一步受到磁场发生器和传感器线圈之间分离的影响，这样的位置误差是非各向同性的，并遵循对数正态分布。
- 这在以前的工作中已经确定，并且位置误差已经显示最接近代表对数正态分布。
- 因此，仅测量平均值和标准差是不能充分表示误差的。
- 因此，选取几何均值和几何标准差以及中值误差、最大误差和均方根误差度量。
几何标准差和几何平均数一起定义对数正态概率密度函数，就像平均数和标准差对高斯分布一样。表2给出了我们分析中使用的所有统计数据的公式。
为了尽量减少测量噪声的影响，在每个采集节点上记录100个数据样本。
- 使用样本之间的标准差作为标记，每个节点100个样本就足够了。
- 额外的样本并没有在空间测量上提供实质性的改善来应对采集时间的延长，如表3所示。
采用基于角点的配准算法对绝对位置误差进行评估。将测量到的极光读数转换为任意幻影坐标，并计算两者之间的差异，就可以得到每个节点的位置误差的表示。注册节点以伪任意方式选择。 选择一组8到10个登记节点，它们属于Aurora设备的“最佳”测量子卷。假设这些点遭受最小的失真，可以用于配准目的(这在分析期间得到验证)。注意，“最佳”位置取决于设备设置。
除了这些统计数据之外，还提供了将位置误差描述为场发生器和传感器之间距离分离函数的图表，以及每个测试的所有节点位置误差的柱状图(举例)临床套件结果见第3.2节。这些图直观地证实了误差的性质和分布。
三、数据收集和设置方法
使用开源IGSTK framework 19开发了一种可在不同操作系统环境之间移植的软件数据日志实用程序。长期的目标是使软件代码和硬件设计免费可供下载，以便其他团体希望测试电磁设备的准确性可以这样做使用协议在这里提出使用相同的数据收集方法。
安装过程的第一部分是放置幻像（phantom），使所占体积与期望的临床体积一致。在下面的例子中，我们给出了一个评估电磁跟踪器在我们的介入放射学套件空间区域的准确性的例子，该空间区域与病人仰卧在沙发上时肝脏的通常位置一致。然后将磁场发生器固定在Aurora安装臂上，放置在临床可行的位置。
然后将磁场发生器固定在Aurora安装臂上，放置在临床可行的位置。在我们的经验中,在一套标准的介入放射学,我们找到了一个分离的330毫米之间正面的发电机和phantom的中心和现场发电机的高度280毫米以上介入放射学病人表最优的最小失真从病人的金属部件表同时保持临床可行的肝脏活组织检查程序。
phantom和场发生器的确切位置将取决于预期的临床应用，这些距离只是一个建议。附近金属部件的场畸变在另一个临床环境中可能会有很大的不同，甚至在我们的临床环境中也很可能存在交替放置的位置，这在临床上是可行的，并且可能会减少畸变伪影。
一旦phantom和磁场发生器被令人满意地放置，MagTrax针将完全按照编号顺序插入每个孔中。数据记录器在每个节点收集100个示例，并将其输出到单个文本文件。一次数据收集大约需要30-45分钟。
四、结果
在两种环境下进行电磁跟踪精度评估:
- 1)铁磁清洁环境下的基线试验和
- 2)临床环境。
正如预期的那样，不同组的临床环境各不相同，由于每种环境中不可避免的金属扭曲成分的种类和数量不同，设备的准确性也有所不同。
4.1基线观测数据
表4总结了在铁磁清洁的实验室环境中进行的测试结果(所有距离和误差测量均以毫米为单位提供)。因为它已经建立了通过电磁跟踪精度很大程度上取决于先前的工作,发电机和传感器之间的分离,之间的距离场生成器和phantom的中心呈现在表的第二列测量错误的严重程度的一项指标。
在乔治敦大学的环境中，更大的误差是由于在实验室中进行的测试使用了多台计算机、监视器、荧光灯和其他可能的干扰源。虽然每一次尝试都试图消除距离磁场发生器一米径向距离内的金属物体，但在这种环境中较大的误差表明不可避免的失真源。
4.2 Clinical suite results
在临床环境中，电磁装置的测量精度有较大的可变性。一般来说，除了在乔治城大学外，临床环境中的错误持续地更大。
在乔治敦大学的DynaCT套件中，相对较高的准确度可能是由于在测量体积附近有极少的金属人工制品。测试位置是由碳纤维组成的病人工作台，它被悬挂在远离驱动病人工作台的电子元件的位置。
表5总结了整个结果集，其中所有距离和误差测量都以毫米为单位提供。图3和图4分别给出了各组测试的误差vs-distance和直方图图以及实验设置图。虽然很难对测量误差的来源作出简明的结论，但这些结果提供了特定测试条件下误差的定量轮廓。此外，结果还提供了深入了解误差和场发生器和传感器之间距离之间的关系，从中可以更好地评估在特定环境下可能依赖电磁跟踪器数据的任何临床应用的局限性。
五、讨论与结论
希望本研究能提出一种通用的硬件模型及分析方法，以评估临床环境下电磁跟踪的准确度。我们提出了一种硬件phantom和分析方法，其设计基于我们在临床环境中使用电磁跟踪的经验。硬件和分析方法的实施被用于评估电磁跟踪的准确性在四个研究所在不同的实验室和临床设置。
一个奇怪的差异是不同研究所基线结果的差异性。在乔治敦大学的测试很明显,虽然是尽一切努力删除任何可见的金属物体从一个一米径向距离测试区域,基线的比较结果表明,失真不可避免的来源,如电脑和显示器,头顶的灯和电线管道内的建筑,当超过两米之外,还产生大量的失真在电磁测量领域。
这可能是因为病人用的桌子是由碳纤维制成的，并且悬吊在离用来放置沙发的电子和金属部件更远的地方。在传统的CT和或套件中，沙发定位组件通常在病人正下方休息。因此，进一步提高测量体积和磁场发生器是少数可以做的改变之一。然而，CT机架的直径将为病人的位置在临床上仍可行的情况下可升高的高度设置上限。
这种硬件幻影的一个重大缺点是使用了多个层来构建立方体。由于每一层的厚度不均匀，**需要用深度计测量每一个孔的深度。**此外，尽管有四个角杆来保护这些层，但它们在受到冲击时有滑动的倾向。
这样就可以保证层的厚度均匀，并使层的滑移最小化。作为这项正在进行的研究的一部分，另一个需要解决的问题是注册节点的选择。理想的解决方案是计算所有可能选择的注册节点的统计信息，然后选择总共提供最低错误统计信息的8个节点。？？然而，由于在所有可能的组合中循环所花费的时间太长，这是不可行的。一种可能的解决方案是选择整个节点集的一个子集，然后递归地在这个更小的子集中搜索最佳注册节点选择。？？？
该协议和phantom的另一个缺点是缺乏对五自由度传感器旋转精度的测试。这里的分析仅限于位置精度，但5D传感器确实为传感器的方向提供了两个自由度。在未来的工作中，将包括一组反映传感器旋转精度的方向统计数据。此外，我们将研究幻像设计，其中的一组针孔不是彼此平行的。
