Development of the calibration scheme and system integration of the Ozyegin biopsy robot (OBR)

Abstract

Imaging systems can fail to visualize cancerous tissues for proper diagnosis. Needle based procedures, like biopsies, increase the chances of accurate diagnosis of tumors. These procedures also have applications in minimally invasive treatments and regional anesthesia. In recent years, robotic systems have found their way into medical applications of needle based interventions by increasing the accuracy of these procedures. Precise needle positioning is critical in such medical applications. This thesis presents the architecture of a robotic system designed for human biopsies. The system includes a 5 DoF parallel robot that can be used in Ultrasound (US) guided percutaneous needle interventions. US imaging is used as the visual feedback. The imaging system must be calibrated in 3D space before integrated with the biopsy robot. A novel method for 3D space calibration using a multipoint cross-wire phantom is introduced in this dissertation. The calibration process is improved using wires parallel to the US image plane in order to locate the exact image position in 3D space. Most of the methods fail to consider the errors caused by this intrinsic assumption that the plane exists at the midpoint of the US probe's base, while probe holding fixtures can cause minute offsets leading to positional inaccuracies. The final calibration experiments resulted in accuracy of 0.03 mm RMS error. Details of real time functionality of the robotic system components working with spatial and computational synchronization is also presented. The real-time operation enables the robotic system to perform autonomously. This ability is demonstrated by tracking a moving target with the needle tip motion with an RMS error of 0.23 mm.Görüntüleme sistemleri doğru tanıiçin kanserli dokularıgörselleştirmekte başarısız olabilirler. Biyopsi gibi İğne tabanlıişlemler, tümörlerin doğru tanıolasılığınıartırmak için kullanılmaktadır. Bu işlemler arasında minimal girişimsel tedaviler ve bölgesel anestezi uygulamalarıda vardır. Son yıllarda, robotik sistemler bu prosedürlerin doğruluğunu artırarak iğne temelli müdahalelerin tıbbi uygulamalarda kullanılmasıarttırmıştır. İğnenin Hassas konumlandırmasıtıbbi uygulamalarda başarıiçin önemlidir. Bu tez, insan biyopsisi için tasarlanmış bir robot sisteminin yapısınıaçıklamaktadır. Sistem Ultrason (US) destekli perkütan iğne müdahalelerinde kullanılan bir 5 serbestliğe sahip paralel robot kapsamaktadır. US görüntüsü görsel dönüt olarak kullanılmaktadır. Görüntüleme sisteminin biyopsi robotu ile entegre edilmesinden önce 3 boyutlu (3B) uzayda kalibre edilmesi gerekmektedir. çoklu çapraz-tel fantom kullanarak 3B uzayda kalibrasyon için yeni bir yöntem bu tezde anlatılmaktadır. Kalibrasyon işleminde tellerin 3B alanda konumunu bulmak için US görüntü düzlemine paralel teller kullanıldı. Diğer yöntemlerin çoğunluğu sondayıtutan fikstür ile oluşan konumsal hatayıve US görüntü düzleminin sonda tabanının ortasında varsayılmasıyla oluşan hatalarıyok saymaktadır. Nihai kalibrasyon deneyleri 0.03 mm etkin değer hata doğruluğu ile sonuçlanmıştır. Konumsal ve zamansal senkronizasyonu yapılmış bileşenler ile çalışan robotik sistemin gerçek zamanlıişlevselliğinin detaylarıda sunulmaktadır. Gerçek zamanlıdenetim, robotun özerk sistem olarak çalışmasınısağlamaktadır. Bu kabiliyet, hareketli iğne ucunu 0.23 mm'lik etkin değer hata ile takip edilerek gösterilmiştir.