Smart motion sensor for navigated prosthetic surgery

Capteur de mouvement intelligent pour la chirurgie prothétique naviguée

Göntje Caroline Claasen (1)

1 CAS - Centre Automatique et Systèmes

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.

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.

Mots clés: Servo-controlled handheld tool; Nonlinear observer; Computer-assisted surgery; Kalman filtering; Optical-inertial data fusion

Mots clés: Outil à main asservi; Chirurgie assistée par ordinateur; Observateur non-linéaire; Filtrage de Kalman; Fusion de données optiques-inertielles

Domaines: Autre

Göntje Caroline Claasen. Smart motion sensor for navigated prosthetic surgery. Other. Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2012. English. ⟨NNT : 2012ENMP0008⟩. ⟨pastel-00691192⟩