Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   9 , No .   5 ,  Octo ber   201 9 , pp.  3739 ~3 750   IS S N: 20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v9 i 5 . pp3739 - 37 50          373 9       Journ al h om e page :  http: // ia es core .c om/ journa ls /i ndex. ph p/IJECE   System i ntegr ation o f a fl uoros copic ima ge calibr ation usi ng  ro b ot assisted su rg i cal gu idance f or distal  l oc kin g  process i n   closed in tramedu llary n ailing o f  fe mu r       Sa k ol  Nakdh am ab h orn ,  Jac krit Suth akor n   Depa rtment  o f  B iomedic a l  Eng in ee ring ,   Fa cul t y   o f  Engi n ee ring ,   Mahidol   Univ ersity ,   Thail and       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   Dec   12 , 201 8   Re vised  A pr 4 ,  201 9   Accepte d  Apr   11 , 201 9       Distal   lo cki ng  proc edur e   is  o ne  of  th e  m ost  complex  ta sk s  in  cl ose   int ramedul la r y   nai li ng   op erati o n  which   r equi r es  fluorosc op ic  image   to   int erp r et   2 - D  di stal   lo cki ng  posi ti on  on  image   r el a te d  to   3 - D  di stal   lo cki ng   positi on  on   th e   p at i ent  site.  H enc e   the  surgeon   has   t o  per form   the  dis ta l   lo c king   proc ess  b y   usin g  m ult ip le  fluor oscopic  images   which  ca uses   a   lot  of  x - r a y   exposure   to   the  pat i ent  and   surg eon  and   is  a   ti m e  consum ing  t ask.   Thi s  p ape r   pre sents  the  s y s t em  integra ti on   o f  a   f luoroscopi c   i m age   c alibra t ion   using   robot  assisted  surgic al  gu ida nc e.  The  s ystem  int egr at ion   consists  of  thr ee  par ts;  d ista l  loc king   re cove r y ,   f luoroscopi c   ca l ibra t ion  and  tra ck ing,  and   ro bot  assiste d   surgica l  gu ida nc e.   Th e  distal  lo cki ng - hol e  rec o ver y   al gor it hm   i s  base d  on   cha ra cteri sti c  inf orm at ion  of  th e  m aj or  and   m inor   axe s  of  dist al   lo cki ng  hol e.  The   f luoroscopic  c al ibr ation  an d  tracki ng   is  m odel ed   as  p in - hol e  proj ec t ion   m odel   to  esti m ate a   proj ec t ion eq uat ion   base d  on   opti c al   tracki ng  s y stem.  Th e   robot - assisted  su rgic a l  guid ance  i s  deve lop ed  to   o ver lay   a  traject or y   p at h  using   a  l ase r   bea m   for   red u ci ng   the  pr oble m   of  h and   –   e y e   coor dinati on  on  m ost  surgica l   nav iga t i on  s y st em.  W e   int egr at e   e ac h   p art  to   complete   a  surgi ca l   navi ga ti on   s y s t em  for   distal   lo cki ng   proc ess.   The   expe riment   of  s y stem i n te gr at ion is c onduc te d  to  va li da te   the   ac cur acy   o f   dista l  lo cki ng  a xis  positi on  an d  orie nt at ion .   The   resul ts  of  the   s y st em  int egr at ion   show s  a   m ea n   angu lar  err or   of   1 . 10   a nd  m ea n   Eu cl id e an  d ista nc e   in  X - Y pl an e err or  of  3 . 65  m m .     Ke yw or d s :   F luor os co pic i m age cali br at ion  cl os e   intram ed ullary  n ai li ng    R obot assist ed   su r gical   gu i dan ce     Su r gical   nav i ga ti on  syst em   O ptica l t rac king  dev ic e   Copyright   ©   201 9   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Jackr it  S uth a kor n ,    Depa rtment  o f  B iomedic a l  Eng in ee ring ,     Facul t y   of Engin ee ring ,   Mah idol   Univer sit y ,   Th ailand .   Em a il :  j ackr it .s ut@m ahido l.ac .th   j ack rit@ bart la b. org         1.   INTROD U CTION     En gin eeri ng  a nd  healt hcar e   ar e  an d  ha ve  bee n a n i m po rtant  par t  of  hum an l ife.  Re ce ntly , e ng i neer i ng   has   pai d  m or e  at te nti on  t o  an d  ha s  ha d  an   in flue nce   on   se veral   healt hca re   pr ocedu res   [1,   2] .    Com pu te r - I nte gr at e d  Surg e ry   (C IS )   a nd  R obot - Assiste d  S urger y   ( R AS )   [ 3 ]   play   im po rtant  ro le s   in   nu m ero us   m edical   op erat ion s  a nd  proce dures.   A n i m p or ta nt  sect ion   of   CI S/R AS   is  “ m edical   nav ig at ion ”  w hich i nvolve s   su r gical   plan nin g  a nd  guidi ng  i n  pr e -   a nd  i ntra - operati ve   proce dures.  O r thopedic   sur ge ry  is  on e   of  th e  m os t   com m on   op e ra ti on s  c onduct ed  in  hosp it al s.  In   w hich  on e   of  the  m os t  com m on   injur y  cas es  are  of   l ong  bone   fr act ures.  The r e  are  m any  cas es  of   or t hope di c  su r ger ie s  th at   are  co nduct ed  in  the  hos pital s  on   a  daily   basis.   Or t hope dic  s urger ie s   re quire  m uch   m or e  ac cur acy   in   the   p ro ce dure   tha n  the  act ual  ti m e  ta ken  in   the   s urgical   process   it sel f.   Ther e f or e,   the s e  sur ger ie s  re quire  highly   e xperience d  s urge on s   to   perform   these  ta s ks .   H oweve r,  the  sca rcit y  of  exp e rience d  surge ons  a vaila bl e  at   a ny  gi ve n  m ay   no t  be  e noug h  as   the   num ber   of  the   pa ti ents   wait ing   f or   t re atm ents.  Cl os e d  int ram edu ll ary  naili ng  is  a  fr e qu e nt  proce dure  a nd  ef fici ent  te ch nique  t o  treat   long  bone   fr act ur es . T his  tech nique  r e qu i res   the s urge on t o i ns ert  an i nt ra m edu ll ary  nail  into  the  bo ne  c anal  of  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   5 ,  Oct ober  20 19  :   3739   -   3750   3740   the  fr act ur e d  lo ng   bone ,  su c h  as,  fem ur ,  ti bia   and   hum or ous ,  after  bone - fix ing   process.  Th e  intram edu ll ary  nail  is use d  as  an i nt ern al  str uctu re  to ho l d  the  fra ct ur es t og et her in thei r prope r  sh a pes.    Fig ure   1  s how s  the  intram ed ullary   nail  afte r  in se rted  i nto  the  f ractu re d  bone.  Cl os e d  Nail ing   is  a   m ini m ally  inv asi ve  sur ger y  ( MIS)  w hich  re qu i res  only   a  f ew  sm al l  incisi on s  durin g  t he   process .  H oweve r,  m edical   i m age - gu i ding  te ch ni qu e s  are  re qu ir ed.   Fl uor os c opic   syst e m   (C - arm )  is  fr equ e ntly   us ed  i n  this  proces s .   At  the  en d  of   Cl os ed  Nail in g  proces s,  t he  s urge on  is  re quired   to  pe rfor m   nail  loc king  process  w hich  i nc lud es   pro xim a l  locking  proce ss  as  s how n  in  Fig ur e   1  (a)   a nd  distal   locki ng   proce s ses  as  s how n  in   Fig ur e   1  (b).   T hese   locking   proce s ses  are   to  i ns ert   two  scr ews   int o  the   prox im al   locking   an d  dis ta l  locking  hole s  on  t he  nail  to  keep  the  f ractu res   in   place .   Howe ve r,   duri ng  the   na il   insertio n  pr ocess,  the   nail  m igh t  get   de f orm ed a nd  be nt,   w hic h  can  be  cau sed  by   exter nal  f or ces  an d  to rques   [4] .  The  dif ficult y  is  to  identi fy  the  po sit io n  and  ori entat io n  of   t he   distal   hole s’   ax is,  an d  to  guid e  the  surge ons  to  perform   their  ta s ks   pro per l y.   I n  c onve ntio nal  m et ho d,  s urge on   us es  flu orosc opic   im ages  to  locat e  a nd  i de ntify  the  pos it ion   a nd  ori entat ion  of  a   di sta l  locki ng  hole   of   intram edu ll ary  nail.  The   s urg eon  us es  t rial   and  er r or  m et h od  to   al ign  the   flu orosc opic   s yst e m   into  the   rig ht   directi on  unti l  the  distal   loc kin g   hole   ap pea r s  in  a  perfect   c ircular  s ha pe  on  the   dis play .  Ther e f or e,   the  axis  of   i m aging   c om po ne nts   on  flu orosc opic   syst e m   is  the  sam e   as  t he  distal   ho le s ’  a xis,   w hich   hel ps /a ssi sts  the   su r ge on   t o  us e  as  a  guidin g  pa rt  for  sc rew   i nse rting   i n  dis ta l  locking  proces s.  Th us,  sur geon  nee ds   t o  reali ze  a  three - dim ension al   sc rew  i ns er ti ng   base d  on   two - dim ensional   flu orosc opic   im age.  The refor e ,  la r ge   nu m be r   of   flu orosc op ic   i m ages  can  be  r equ i red   for  ta r geting  t he  scre w  dri ll ing   tra j e ct or y.  T hese  re qu i re  a  lot  of   s urgical   tim e  and  pro du ce  a  l ot  of  x - ra y  ra diati on  ex posures   durin g  t he  operati on   w hich   cau se  ha r m fu l  eff ect   of  X - ray  rad ia ti on  e xposure   to   bo t h,  t he  surge on  an d  t he   patie nt   in  t heir   lo ng  te r m   healt h  an d  well - bei ng.  Th e  ove rall   rad ia ti on  e xposure   tim e  in  this  pa rtic ular  pro cess  can v a ry  f ro m   3  -   30  m in utes   an d  ca n  ta ke  up   t o  a few  h ou rs   base d upo n  the  surg e on’s  sk il l  and e xp e rienc e [ 5].           Fig ure   1. The   nail l ock i ng  process i n  int ram edu ll ary  of f e m ur  ( a) T he p r ox im al  lock in g ( b)   The  d ist al   locking         Seve ral  te chn i qu e s  an d  syst em s   hav e  bee n  dev el op e d  to  o ver c om e  these  diff ic ulti es.  Fo r  e xam ple,    a  nail  m ou nte d  ta rg et in g  dev ic e,  im age  intens ifie r  m ou nte d  t arg et in g  de vice,  sel f - loc king  na il ing   syst em ,  ste reo   -   flu orosc opy  and   c om pu te r  nav i gation  syst e m   [ 6 ,  7] .  H oweve r,   t hese  de vices  an d  te c hn i qu e s  ha ve  s ever al   disad va ntages,  f or  exam ple  the  la c k  of  ve rsati li ty   of   thes e  dev ic es ,  a nd  pract ic al   us er - inter face .   They   are  al s o  no t   easy   to   us e.  Ma ny   Com pu te r  In te gr at e d  Surg e ry  Syst e m s  hav e   been  pro pose d  to   a ssist ed   op e rati ons,  es pe ci al ly   in  distal  interl oc king  hole s   ta r geting.  The  a ppr oach  f or   rec ov e r  a  posit ion   an d  or ie ntati on   of  distal - hole   a xis  us es   on ly   th e  area   of  pro j ec te d  im age  to   re cov e r   the   nails  ro ta ti on  a ngle   with   res pect  t o  fitt ing  curve   te ch niqu e   [ 8 ,  9] .  T hier r y  Lel oup  et .   al ,  [ 10,   11]   de ve lop e d  a   te ch ni qu e   of  rec over y  of  a   distal   l oc king  ho le   w hich  use d  on ly   tw o  flu orosc opic   i m ages  with   no  need  t o  captu re  t he   axis  of  the   hole .   A  flu orosc op y   is  cal ibrate d  i n  pr e - ope rati on  process   us i ng  tw o  pa rall el   plate s.  The   lo wer  plate   c on t ai nin g  m et al l ic   balls  el e m ent  is  us e d  to  cal ibrate  im age  distor ti on  a nd  the  uppe r  pl at e  con ta i ning  m et al l ic   ring s   is  us e d  to  determ ine  the  X - ray  source   posi ti on.  T he   extrinsic   of  t he   up per  cal ibrati on  plate   is  at ta ched  with  a n  opti cal   trackin g  m ark e r  the n  m et a ll ic  balls  an d  m etall ic   ring s  in  both  cal ib rati on  plate s  can  determ ine  the  locat ion s  relat ive to t his  op ti cal  m ark er.     Guoyan  Z he ng  et   al ,   [1 2,  13]   dev e l op e d  a n  a uto m at ic   reco ve ry  of  d ist al   interl oc king  hole .   This  w ork   was   base d  on  a   sin gle  cal i br at ed  a nd   re gister ed  flu orosc opic   im age.  T hey  def i ned  the   rec ov e ry  pro blem   into  a  seq uen ti al   tw o - sta ge   m od el - ba se  op ti m al   fit ti ng   proces s.   T he  flu orosc opic   im ages   wer e   cal ibrate d  by  us i ng   weak - per s pecti ve  pi n - ho le   ca m era  m od el   co m bin ed  with  opti cal   trackin g  to  relat e  a  2D   pi xel  into  3D  po int  an d  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       System   integr at ion   of a fl uorosc opic  im ag e  c alibr ation u si ng r obot  as sist e d. . .   ( Sa k ol Na kdha mab horn )   3741   al so   c orrect  a   c - arm   disto rtion.  Yan i v  a nd  Jo s kowicz  [ 14,  15]   de velo ped  a  pr eci se   rob ot  assist ed   guide   po sit io ning  f or   th e  distal   loc ki ng   int ram edu ll ary  nail.  This  rob ot  was  a  bo ne - m ounted  m iniat ur e  rob ot  fitt ed  with  a  dri ll   gu i de.   T he  r obot  r igidly   at ta ched  to  the  nail  or   t he  bo ne.   T her e fore,  the  syst e m   do es  not  ha ve  any   serio us   e ff ect   on  t he  im m ob il i zat ion   of  the   le g.  The   cal ib rati on  m et ho d,  the y  m od el ed  the   f luorosc opic   as   a  pi n - ho le   cam era  a nd  cal ibrate  fluor os co pic  im age  distor ti on.   A no t her   syst e m   cal le d  “HIT - RA OS ”,   a  s yst e m   dev el op e d  by   Du  Z hi - j ia ng   [ 16 ] ,   assist s  t he  su r ge on s   th r u  m any  proces s  duri ng  the   cl os e   intram edu ll ary  naili ng .   Su c h  a s,  t o  re posit ion  brok e n  bones ,  t o  guide   the   s urgeon   lo ckin g  nail,  t o  r edu ce   the   s urg eon’s   w orki ng  unde r  flu orosc op ic   s yst e m   by  te le - op e rati on  syst e m .  The   au gme nted   reali ty   na vig at io n  syst e m   was  de velo ped  to   assist ed  sur ge on s  duri ng   di s ta l  interl ock i ng.  T he  au gm ented  ra dio l ucen t  dr il l  co m bin ed  m ulti - m od a l   visu al iz at ion  t o  t rack  a nd  ov e rlay   a   dri ll ing   t raj ect or y   un der  a   vi de o - guide d  i n  real - ti m e  [1 7,   1 8 ] .     The  co nce pt  of  s urgical   nav i gation  for  cl ose   intram edu ll ary  naili ng  of  f e m ur   us in g  an   overlay   la se r  gu i ding   was pr opose d  by N a kdham abh or n  a nd J. T . L ia ng   [ 1 9 ,  20 ].   A  syst e m   integrati on   of   Flu orosc op ic   im a ge  na vig at io n  syst em   based  Ro bot - A ssist ed  Sur gical   Gu i dan ce  syst e m   fo r  distal   locki ng   process   in  Cl os ed  I ntr a m edu ll ary  Na il ing   of   Fem ur   is  pr op os e d  in  thi s   pap e r.  The   pr opose d  ap proac h  is  t o  inte gr at e   a  syst em ,  wh ic h  is  a ble  to   ge ne rate  a  nav i gation  tra j ect or y  pa th  of   distal   locking  ho le s  dr il li ng  a xis,  a nd   a   r obot ic   gu ida nce  sy stem   to  interfa ce  with  the  sur geon  t o  pe rform   the  ta sk s.  The   s yst e m   con sist s  of  4  m ajo r   pa rts:   ( a)   T he  recove r y  distal   locki ng - hol e  a xis  wit h  flu orosc op ic   i m ages;   (b)   Fl uor os co pi c  i m age  cal ibr at ion ;   ( c )  Flu orosc opic   trac kin g  f or  m at ching   a   sp at ia l  im a ge  c oor din at e  ( two - dim ension al )  into  world  ref e r ence  co ordi nate  ( th ree - dim en sion al )   us i ng   opti cal   trackin g  syst e m ;  (d )  A  novel   Robot assi ste d  su r gical  guid an ce by  us in g  a  laser  for navi ga ti ng  a  dri ll ing  t raj ect or y  path .        2.   RESEA R CH MET HO D     This  pa pe r  pre sents  a  no vel  appr oach   of   i ntegr at in g  fl uor osc opic   i m age  cal ibrati on   a nd  trackin g  syst em   with  R obot - As sist ed  S urgical   Gu i dan ce   syst e m   fo r  distal   loc king  process   in   Cl os e d  In tram edu ll ary  Nail in g  of  Fem ur .  T he   al gorithm s  co ns ist   of  Dista l  l oc ki ng  hole ’s   posit ion  a nd  ori entat ion  rec overy   al gorithm ,  the   flu orosc op ic   im age  cal ib rati on,  t he   fl uoros cop ic   trac king,   a nd  the  r ob ot - assist ing  s urgical   guida nce.  Th ese   ar e   descr i bed as s ubsect io n belo w .      2.1.     Sy s tem  over vi ew   The  over view  of   t he  syst em   is   show n   i n  Fi g ure   2.  T he  syst e m   is  separ at ed   into  pr e - op e rati ve  a nd  intra - op e rati ve.  I n  pre - op e rati ve,  th e  flu orosc opic   i m age  cal ibrati on  a nd  the   dist al   locki ng - ho le   rec ov e ry  al gor it h m   are  perform ed  to  ge ne rate  a  s et   of  cal ibrati on  par am et ers  wh ic h  a re  requ ired  t o  im ple m ent  in   intra -   operati ve .   The  fl uor os co pi c  trackin g  in volves  i n  the  intr a - operati ve   to  trans f or m   two - dim ension al   po sit ion   an d  or ie nt at ion  of  distal   loc king  hole   t o  t hr ee - dim ension al   w or l d  c oor din at e   by   usi ng  cal ib rated   pa ram et e rs.  At   that   poin t,  the   three - dim ension al   distal   loc ki ng   hole   tra j ect or y  se nds  to   Robot - Assisted   gu i dan ce   f or  ge ner at in g  a   sur gical   gu i ding  path.            Figure   2 .   The   ov e r view of  th e syst e m  integra ti on       2.2.   Dist al  lockin g hole’s  axis rec ov er y   The  distal   locking   ho le ’s  reco ver y  al go r it hm   is  app li ed t o  identify  a  po sit ion   and  o rientat ion   of   distal   locking   ho le ’s  axis b ased  on   a flu or os copi c  im age.  To si m plify  a  ref eren ce  coo rd inate ,  the intram edu ll ary nail   is  def ined  as  a  ref eren ce  coo rd inate   as  sh ow n  in  Fig ure   3( a).  The  X   axis  places  al on g  with  the  nail  axis .    The  Z   axis  places  al on g  with  distal   locking - hole ’s  axis.  In   the  op erati on ,  the  translat ion   and   ro ta ti on   ar e  occu rr ed  on ly  in  X   and   Y   directi on .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   5 ,  Oct ober  20 19  :   3739   -   3750   3742       Fig ure   3.  ( a ) A refe ren ce  coor d inate   of an  i ntram edu ll ary  nail   (b)  T he  c har a ct erist ic s o f  the  project io n  im age   of  distal  locki ng   hole       The  con ven ti onal  m et ho d   of   locat ing   the  distal   locking   ho le   was  com plete ly   reli ant  on   the  sk il ls  of   a  par ti cular  su rg eon .  The  su rg eon   adj us ts  the  ang le   of   the  fluo ro sco pi c  syst em   to  m ake  a  pr oj ect ion   of   distal   locking   ho le   im age  wh ic h  app ears  as  a  ci rcu la r  sh ape.  This  al go rithm   us es  on ly   two  fluo ro scopi c  im ages  t o  reali ze  the  distal   locking - hole ’s  axis.  The  al go rithm   util iz es  char act erist ic   info rm at ion   of   the  intram edu ll ary  nail,  su ch  as,  nail   rad ius,  m ajo r  and   m ino r  axes  of   distal   locking   ho le ,  and   the  area  of   distal   locking   ho le   as  sh ow n  in Fig ure   3(b).   The  al go rithm   is  separ at ed  into  two  it erati on s.  The  first  it erati on   is  the  sim ulati on   pr ocess.   In   thi s  pr ocess,   the  intram edu ll ary  nail  is  ro ta te d  in  al l  po ssible  pr oj ect ion s.   The  visible  pr oj ect ion  of   im age  app ea r s  at   0  to  30   deg ree  of   ro ta ti on .  Then ,  the  im age  is  captur ed  at   0,   2,   4,   6,   8,   10 …,  and   30   deg rees  of   ro ta ti on   t o  create   sim ulate d  im ages.  All  the  sim ulate d  nail  im ages  are  then  extra ct ed  in  a  rati o  between   the  m ajo r  a nd  m ino r  axes  of   the  distal   locking   ho le   by  us ing   fitt ing   el li p se  im age  pr ocessing   al go rithm   [ 21 ] .  So ,  the  rati o  between   the  m ajo r  and   m ino r  axis  in  each  ro ta ti on   ang le ,  wh ic h  is  stored   tog et her   with  the  X - Y - Z   Eule r  ro ta t ion al   ang le   in  a  database.  This  par t  is  do ne  in  the  pr e – op erati ve  pr ocess.   The  secon d  it erati on   is  f or  extracti ng   info rm at ion   fr om   the  real - ti m e  distal   locking - hole   im ages.  The  edg e  detect ion   and   fitt ing   el li ps e  te chn iqu es  are  app li ed  to  find   a  po sit ion   an d  the  char act erist ic   of   distal   locking   ho le   on   an  im age.  The  rati o  between   m ajo r  and   m ino r  axis  of   distal   locking   ho le   is  then  cal culat ed  in  real - ti m e  m at ching   pr ocess  to  recov e r  a  distal   locking - hole ’s  axis  ro ta ti on .  The  cub ic   cur ve  fitt ing   is  then  app li e d  to  find   the  best  fit  to  the  data  in  th e  database.  The  too l  cur ve  is  us ed  to  rev ersely   reco ver   the  ro ta ti on al   ang le   of   distal   locking - hole ’s  axis.  This  ste p  is per fo rm ed  du ring  the intra - op erati ve  pr ocess .     2.3.     Fluor os c op ic   im ag e   calibr ati on     The  pu rp ose   of   fluo ro scopi c  im age  cal ibrati on   is  to  determ ine  the  im age  distor ti on   par am et ers  and   th e  im age  pr oj ect ion   par am et ers.   The  fluo ro sco pi c  im age  cal ibrati on   m et ho d  req uires  a  cal ibrati on   ph antom   t o  create   a  set   of   cal ibrati on   po ints  wh ic h  is  us ed  to  cal culat e  th e  im age  distor ti on   par am et ers  and   the  im age  pr oj ect ion   par am et ers.   The  cal ibrati on   ph antom   is m ade o f  sq uar ed  acryl ic  m at erial   wh ic h  is em bed ded   with  a  do tt ed  patte rn   of   sm al l  m et al   balls  as  sh ow n  in  Fig ure   4.   The  sp at ia l  distance  within  each  do t  patte rn   i s  2  m il li m et ers  in b oth  h or iz on ta l and  v erti cal  d irect ion .             Fig ure   4. The  c al ibrati on pha nt om     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       System   integr at ion   of a fl uorosc opic  im ag e  c alibr ation u si ng r obot  as sist e d. . .   ( Sa k ol Na kdha mab horn )   3743   The  fluo ro scopi c  im age  has  so m e  distor ti on   and   the  dig it al   im age  fr om   fluo ro sco pic  syst em   is  distor te d  by  the  le ns   of   fluo ro sco pe  and   x - ray  so ur ce.  The  distor ti on   par am et ers  are  then  add ed  into  th e  fluo ro sco pic  im age  to  r e - cor rect  the  distor te d  im age  [2 2 ] .  In   sect ion   2. 2,   the  po sit ion   and   or ie ntati on   of   distal   locking   ho le   is  based   on   the  info rm at ion   of   pix el   im age  coo rd inate   wh ic h  is  a  two - dim ension al   im age.   In app ropri at el y,  the  dr il li ng   trajector y  is  rep resen te d  in  three - dim ension al   coo rd inate   (w or ld  ref ere nc e  coo rd inate ).   Then ,  the  fluo ro sco pic  im age  cal ibrati on   is  app li ed  to  transf or m   and   track  the  relat ion sh ip  betwe e n  two - dim ension al   im age co or din at e  and   three -   dim ension al   wo rld  ref eren ce coo rd inate .   The   ob j ect ive  of  the   proj ect i on  cal ib rati on  is   to   dete rm ine  a  pro j ect io n  m atr ix   that  tra nsfo rm s  a  three - dim ension al   point  i nto  a  t wo - dim ension al   pi xel  point.   T he   pe rs pecti ve  proj ect io n  ( pinh ole  cam era  m od e l)  is   def i ned  as   a  ge om et ric  m od el .  Th e  m od el   i s  ba sed   on  pr oject ion  c har act erist ic s  w hich   are  t he  fo cal   le ng t h,  sk ewi ng  par a m et er  an d  ce nt er  of  the   im a ge  pro j ect io n.  The   pro j ect io n  pa ram et ers  ar e  co ns tr ucte d  i nto  the   m at rix  cal le d  a n  “i nt rinsic  m a trix”.  T he  t ransform at ion   of  im age  plane   co ordinate  t o  w orl d  c oor din at e  wh i c h  is descri be d  in  the tra ns f or m ation  m at rix  cal le d  a n  “e xtrin si c m a trix”. T he pin - hole  im age p r oject io n  is s how n  in (1).       [ p p 1 ] = [ f x u 0 0 0 f y v 0 0 0 0 1 0 ] [ 11 12 13 x 21 22 23 y 31 32 33 z 0 0 0 1 ] [ w w w 1 ]   (1)     W her e  f x   is  a  fo cal   le ng th o n  x   axis,  f y   is  a  fo cal   le ng th o n  y   axis, w hich  are  scal ed  in  m il li m et ers  resp ect ively ,    is  a  sk ewing   par am et er,  u 0   and   v 0   is t he c enter  of   the  im age in   pix el ,  r   and   t   are  translat ion   and   or ie ntati on  of  the  im age  plane.   The  intrinsic  m at rix  and   extrinsic  m at rix  in   ( 1)   are  com bin ed  into  a  pr oj ect ion  m at rix  P   a nd  rew ritt en  as ( 2) .   The  pro j ect ion  m at rix  P   is  the  trans form ation   m at rix,   f or   t ransform ing   a  w or ld  co ordi nate  po int  ( X,  Y,   Z)   into  a  pix el   coor din at e  poi nt  ( u,   v) .  The  m at rix  P   can be  est i m at ed  by  us in g  the d irec t  li near   trans f orm ation   (D L T)  al gorith m   [ 23 ] .  The  ext rinsic  m at rix  is  the  posit io n  a nd  or ie ntati on  of  the  fl uorosco pi c  i m age  coordi nate  fr am e  relat ive  t o  t h e  w or l d  c oor din at e.   T he   intrinsic   pa ram et er  c on sist s   of   a  f ocal  le ngth   of  the   cam era,  scal ing  factors i n t he x  and y  directi on a nd the ce nte r of  t he  im age p la ne  i n pixel.     [                 1     1     1     1     0     0     0     0   – 1 1   – 1 1   – 1 1   − 1 0     0     0     0     1     1     1     1   – 1 1   – 1 1   – 1 1   − 1 2     2     2     1     0     0     0     0   – 2 2   – 2 2   – 2 2   – 2 0     0     0     0     2     2     2     1   – 2 2   – 2 2   – 2 2 − 2 . . . n     n     n     1     0     0     0     0   – n n   – n n   – n n   – n 0     0     0     0     n     n     n     1   – n n   – n n   – n n − n ]                 [           11 12 . . . 34 ]           = 0   (2)     2.4.     Fluor os c op ic   im ag e  regis tration  a n d  tra c k ing    In  this  syst em ,  the  opti cal   trac king  syst em   is  def i ned  as  a   re f eren ce   wo rl d  c oor din at e.  The   syst e m   us es   a  com m ercial   op ti cal   trac king  “ Po la ris   Vic ra”  from   Northern  Digital   Inc.  T he   opti cal   Track i ng  syst e m   is  a  syst e m   fo r   m easur em ent  of  th e  posit io n  a nd   or ie ntati on  in   a   3 - dim ension al   act ive   or   pas sive  m ark e r.  The   act ive   m ark er   is  m ade  up   of   in fr a re d  li ght - em it t ing   a nd  t he   wirel ess p assive   m ark e r  is   m ade  up of  a  r eflect iv e  s ph e re   and  there f or e,   the  ste re o  cam era  recei ves  li gh t  from   the  m ark er  ref le ct ion   or  m ark er  e m issi on .    T he  op ti cal   trackin g   syst e m   can  identify   an d  rec ognize   the  m ark ers  by   the  dif fer e nt  patte rn  of  m ark ers   sh a pe.  T he n,   t he  op ti cal   tracki ng  syst em   pr ovides  a  th ree - di m ension al   pos it ion   an d  or ie nt at ion   of  the  m ark er  relat ed   to  the  op ti cal   trac king  c oor din at e.  The  posit ion   is   co ns tr ucted  i n  3x 1   po sit io n  ve ct or   a nd  the   ori entat ion  is  s pe ci fied   as  3x 3   ro ta ti on  m at rix.   Th e   posit ion  vect or   is   com bin e d  with  ro ta ti on  m at rix  to  cr eat e  the  hom og en ous   trans form ation   m at rix  in  (3)  w hich  is   re pr e se nted  a s  a  t ran s f or m at ion   bet w een  m ark er   co ordi nate  an d  t he  op ti cal   trackin g refe re nce c oor din at e.         =   [ 3 3 3 1 0   0   0 1 ]   (3)   H   is ho m og eno us  tran sfo rm at ion ;  R   is  3x3   ro ta ti on  m at rix;  T   is  3x1   po sit on  v ect or .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   5 ,  Oct ober  20 19  :   3739   -   3750   3744   Con sequ ently ,  the  ho m og eno us   transf or m at ion   can  be  determ ined  by  at ta ched   m ark ers  to  the  ob j ec t .  In   the  syst em ,  the  m ark er  is  at ta ched   with  fluo ro sco pic  syst em   and   Rob ot - assist ed  su rg ic al   gu idance.  Th e  ho m og eno us   transf or m at ion   relat ion sh ip  between   each  ob j ect   can  be  determ ined  with  the  ho m og e no us  transf or m at ion  r el at ion sh ip   [24]   as il lustrate d  in   Figu re 5 .             Fig ure   5. The   ho m og e nous   tr ansfo rm ation  re la ti on sh i p of t he  cal ib rati on  and trac king       The  flu orosc opic   i m age  co ord ina te   is  de fine d  as  c oord i nate  {C }.  The   hom og e nous  tra ns f or m at ion   of   i m age  co ordina te   to  opti cal   tra ckin g  ref e re nce   co ordi nate  is .  The   co ordin at e  {M }  represe nts  the   fl uor os co pic   syst e m   coord i nate  wh ic h    is  the  ho m og e no us  tran sf or m ation  of   opti cal   trackin g  re fer e nce  c oor din at e   to   flu orosc op ic   syst e m   coord i nat e.  T he     is  def i ne d  a s  t he  sta ti c  hom og en ous  tra ns f or m at ion   of  coor din at e  {M }  to  c oord i nate  { C}   w hen e ve r,   the  fl uor os co pi c  syst em   m ov es,  the   sta ti c  ho m og enous  t ransform at ion       will   be   c onsta nt.   On ce   the   cal ib r at ion   proces s  i n  sect i on  2. 1  is   com plete d,   the   intrinsic  a nd  e xt rinsic  m at rix  is  cal culat ed .  The   intrin sic   pa ram et er  is  a  s pecific  pro j ect ion  par am et er  of  flu orosc op ic   i m age  to  pro j e ct   an   ob j ect   int o  a n  i m age  plan e.  T he  e xtri ns ic   m a trix  is   a  hom og enous   tra ns f or m at ion   of   the   im age  co ordi na te   relat ed   to   the   opti cal   trackin g  c oor di nate w hich  is e qu al  t o . Th e n, the       is cal culat ed  by   ( 4).       =   − 1 − 1   (4)     In   intra - op erati ve,   the  fluo ro scopi c  syst em   is  m ov ed   to  captur e  a  distal   locking - hole   im age  so   th e  fluo ro sco pic  im age  coo rd inate   is  chan ged   as  sh ow n  in  Fig ure   6( b) .  In   or der   to  track  the  transf or m at ion   of   th e  fluo ro sco pic  im age  coo rd inate   {C },  the  sta ti c  ho m og eno us   transf or m at ion       is  us ed  to  cal culat e  the  new     or  n ew  extrinsic m at rix  by ( 5)       = − 1   − 1     (5)     Hen ce,  the  pin - ho le   im age  pr oj ect ion   in   ( 1)   can  be  com plet ed  with  a  new   extrinsic  m at rix.   The  tracking   pr ocess  up dates  a  new   extrinsic  m at rix  to  create   a  new   pr oj ect ion  equ at ion .  Ther efo r e,  the  syst em   can calculat e  a  three - dim ension al   (X, Y, Z )   po sit ion  in  ref eren ce  coo rd inate   by inp utti ng   the  two - dim ensiona l  im age  pix el   (u ,  v)   coo rd inate .  The  equ at ion   of   the  relat ion   between   two - dim ension al   po sit ion   and   the  three - dim ensi on al  p os it ion  are  sh ow n  in ( 6)  an d  (7 ).     =   x 11 + 12 + 13 + 1 31 + 32 + 33 + 3 + x        (6)   =   y 21 + 22 + 23 + 2 31 + 32 + 33 + 3 + y   (7)     Wh e re  u, v   ar e  the in pu t  of the  p ixel  posit ion  on the im age ,  f x   is a f ocal le ng th on  x   axis ,  f y   is a f ocal le ngt h on  y   axis,   c x   a nd  c y   is t he  ce nter o f  the  im age in  p ixel,  R   a nd  t   a re tra ns la ti on a nd orienta ti on  of the im age p l ane.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       System   integr at ion   of a fl uorosc opic  im ag e  c alibr ation u si ng r obot  as sist e d. . .   ( Sa k ol Na kdha mab horn )   3745   2.5.   Robot  gu id ance  sy s tem   In   t he  s urgical   nav i gation  syst e m ,  our  rob otics  guidi ng  syst e m   is  central  t o  the   pr ocess.  This  syst em   interact s  with  the  sur geon   by   us in g  la ser   beam   to  ov e rlay   the  distal   locki ng  dri ll ing  path .  T he  gu idin g  inf or m at ion   of   the  se ver al   na vig at io n  syst e m s  are  disp la ye d  via  the   m on it or   by  dem on s trat ing   t he  a nim at ion  gr a phic s  on  the   scree n.    C onve rsely ,  a surg e on  w ould   prefe r  durin g  t he  op erati on,  to  p ay  m or e  at te ntion  to  th e   su r gical   sit e  than   on  the   sc reen.  T he  pr opose d  syst em   el i m inate s  the   ha nd - ey e  co ordinati on  pro blem .   The  r obot  c ons ist s  of  f our   de gr ees   of  f reedo m ,  wh ic h  a re   two   tra ns la ti on  j oi nts  a nd  two   ro ta ti on  joints.     T he   rob ot  is  at ta ched   at   the  Fl uor os c op ic   syst e m   (C - Ar m )  as  sh ow n  in  Fig ure   6 (a).  A fter  t he  na vi gation  syst e m   gen e rates  th e  t raj ect or y  path ,  the  r obot  is  pointi ng  a  la ser   be a m   at   the  entr y  locat ion   w hile  path   ori entat ion  i s   al so   der ive d by  co m par in g  the  dril li ng  to ol a xis a nd the lase r beam  ax is .           (a)       (b)     Figure   6 .  ( a )  C AD  desi gn  m od el  of t he  r obot - assist ed ( b)   T he ro bot - assist ed  at ta ches  w it h  the  C - Arm       The  plana r  li ne ar  tra ns la ti on  m ov e m ent  is  ge ner at e d  by  two   tra ns la ti on  jo ints,  w hic h  is  i m ple m ented   by  a  li near   guidance   m ov em e nt  d rive n  by  a  belt  m echan ism .  The  two   r ot at ion   m ov em e nts  are  us e d  to   adjust   the  ori entat io n  of  la ser  beam   al ign ed   wit h  distal   lo ckin g  a xi s.  The   e nd - ef f ect or   of  the   r obot  is   at ta ched  with  a   la ser  pointe r  in  o r de r  to  overla y t he  sur gical  dril li ng   path. Th e rob ot is  portable an d  ca n  eas il y  m ou nted o n t he   flu orosc op ic   sy stem .  The  low - le vel  con t ro ll er   us es  the  P IC  m ic ro co ntro ll e r  with  a   po sit io n  co ntr oller  to  con t ro l  the D C  m oto rs and t he se r vo  m oto rs   [ 25 ] .       3.   RESU LT S   A ND AN ALYSIS     The  fo ll owin g  exp e rim ent  is  separ at e d  in   tw o  sect io ns .   Firs tl y,  the  distal   locki ng - ho le   a xi s  recove ry   al gorithm   wh ic h  is   im ple m ented  t o  recove r  t he  ro ta ti on  of   t he  dr il li ng  tra je ct or y  a nd  the   seco nd  ex pe rim ent  is   integrate d  with   the  first  e xperi m ent  so  as  t o  c om plete   the  sys tem   integrati on   of  rob ot - assist ed  s urgical   gu i dan ce .     3.1.   Experim en t o n  dist al loc kin g  h ole’s  axis r otat i on  rec ove ry   In  t he  e xp e rim ent, the  al go rithm  o f  distal  lo ckin g ho le  a xis ’s  r otati on r ec overy  was  im ple m ented  in a   flu orosc op ic   syst e m .  The   m odel   of  flu orosc opic   syst em   is  a  Ph il ips   BV   P ulsera.   T he  flu orosc op ic   im ages  we re   captu red  via  B NC  port  at   the   back  pan el   of   the  flu orosc opic   syst em .  Then,   the   US B  vi de o  fr am e  grab be r  was   us e d  t o  ca pture   the   sig nal  a nd   the n  sent   to   th e  com pu te r   f or   pro cessi ng.   T he  te sti ng   im a ge  was   ca ptu re d  at   5,  10,  15,  20  an d  25   de gr ees  of  ro ta ti on  of  the  intram edu ll ary  nail  as  show n  in  Fig ur e  7 .  T he  im age  pr oc essin g  te chn iq ue   ext ra ct ed  in f or m at ion  o f   th os e   fl uo ro sc opic   im ages  to   m ake  a d at aset   of  “ To ol  c urve”   w hich   is t hen   store d  in  the  da ta base.  T his  process  was d on e duri ng the  pre - operati ve  sta ge.     The  fl uorosco pic  i m age  was   captur e d  10   ti m es  in  each  de gr ee  ro ta t io n  duri ng  the  int r a - operati on.   The  ac quire d  i m age  was   ext r act ed  a  featu re   of  distal   locki ng  hole   by  im a ge  processi ng  te chn i qu e   wh ic h  the n  cal culat ed  t he  degree   of  r otati on  of  C - a rm   by  us i ng  c urve   fit ti ng   e quat io n.  The   cal culat io n  proces s  us e d  a  cu r ve  fitt ing   e qu a ti on.  The   res ult   of  C - a rm   deg ree   of  ro ta t ion   was   s hown  on   the  gr a ph ic   us e r  i nterf ace.     The  Fig ur e   8   il lustrate s   the   i m age  res ult,   w hich   sho wn  on  t he  gr a ph ic   us er   inte rf a ce  of  the   pro gr am .     The   ex pe rim en t  was   c onduct e d  fifty   ti m es  w it h  fi ve   dif fe re n t  de gr ee s   of  r ot a t ion  ( 5 o ,   10   o ,  15   o ,   20   o ,   an d  25   o ).   The  s umm ary  of  the  res ult  is  sho wn  in  T ab le   1.   The   ave r age  a ngular   er ror  is  1.1 5  degree  of   i ntram e du ll a r y   nail r otati on .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   5 ,  Oct ober  20 19  :   3739   -   3750   3746       Figure   7 .  Th e   distal  lock i ng  ho le  im ages in   each  degree  of  ro ta ti on           Fig ure   8.  The   Gr a phic  u se r  i nterf ace  of t he dist al  lock i ng  ho le   rec ov e ry  pro gr am         Table  1 .   T he  s umm ary of  a ng ular  e rror o f  i ntram edu ll ary na il  r otati on   Deg ree  o f  intra m e d u lary   n ail Ro tatio n   The p redictio n  ang u lar  er ror in d eg re e of   in tr m ed u llar y  nail  rotatio n   Max   Min   Av erage   SD   5   1 .81 1   0 .02 6   0 .84 2 6   0 .70 7 3   10   1 .49 6   0 .04   0 .58 1 9   0 .46 4 4   15   1 .22 5   0 .27 5   0 .64 0 6   0 .47 1 1   20   2 .66 3   0 .87 1   1 .63 2   0 .59 8 8   25   3 .94 5   0 .08 6   2 .07 5 4   1 .36 8 8   to tal   3 .94 5   0 .02 6   1 .15 4 5   0 .97 0 8       3.2.   Experim en t o n f lu or os co py  calibra tion a n d system   inte gr at i on   of ro bot - as siste d  gu id an ce   The   cal ibrati on   m et ho d  was   s epar at e d  i nto  2  ope rati on s  duri ng  the   e xp e rim ent  into  p re - op e rati ve   a nd   intra - op e rati ve   op e rati on.  T he   intra - op e rati ve  ex per im ent  pr e form s  2  ste ps   of  fl uorosco pic  i m age  cal i br at io n.  The  first  step  is fl uorosco pic  i m age d ist ort io n  cal ib rati on a nd the  sec ond s te p  is  flu orosc op ic  im age p r oject io n  cal ibrati on.  T he   ex per im ent  set up   is   s how n  i n  Fi gure  9 .  T he   opti cal   trackin g  syst em   is  pla ced  dow n  be hi nd  the   flu orosc op ic   s yst e m   fo r  set ti ng   up  th ree - di m ension al   wor ld  ref e re nce  c oor din at e.  The  op ti cal   m ark er  and   t he  rob ot - assist ed   su r gical  guid an ce sy stem  are  a tt ached  t o  the  fl uoro sc opic  sy stem .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       System   integr at ion   of a fl uorosc opic  im ag e  c alibr ation u si ng r obot  as sist e d. . .   ( Sa k ol Na kdha mab horn )   3747       Figure  9 .  Inte grat ion o f  the  ro bo t - assist ed su rg ic al   gu i dan ce  syst e m       3.2.1.  Pre - op e rat i ve   a.   STE P I:   Fluor os c op ic  ima ge  dist ort i on  c al ibrati on   The  im age  distor ti on  cal ibrat ion   was  im ple m ented  to  dete rm ine  distor ti on  co - ef fici ent  par am et ers.   The  distor ti on  co - e ff ic ie nt  para m et ers were  use d t o c orrect  t he dist or ti on  of  the  flu orosc op ic   i m age. The  s et   of  ca li br at ion   im a ges  we re  c orre ct ed  in  di ff e re nt  posit ion   a nd   or ie ntati on.  T he  im age  pr oc essing  te c hn i que  was   app li ed   to  seg m ent  a  posit io n  of   t he  cal ib ra ti on   po i nt  in  a n  i m age  w hich  c orres ponds  with  the   sp at ia l  posit ion  of   cal ib rati on  po i nts  on  the  a cryl ic   ph a nto m .  Twel ve  cal ib rati on   phant om   i m ages  were  acqu i red   t o  ge ner at e   300  c orres pondin g  cal ibrati on  points .  The  c orres pondin g  c al ibrati on   point s  wer e  us e d  to  est i m at e  the  distor ti on   par am et ers.  T he  r es ult o f  c orr ect ed  im age  is   sh ow n  in  Fi gur e  1 0 .           Fig ure   10 . (a)   Distorte d  cal ib rati on im age ( b)  un - dist or te d c al ibrati on im ag e       b.   STE P II: Fl u or os c op ic  ima ge  projecti on   ge omet r y  c alib rat i on   The  distor ti on  par am et er  in  ste p  I  was  a pp li e d  to  c orrect  the   flu orosc op ic   c al ibrati on   im age,  then  t he   un - distor ti on  i m age  was  se gm ented  to  the   cal ibrati on  po int  posit ion   on   the  im age  to  create   a  set   of   t wo  dim ension al   co rr es pondin g p oi nts. At  the  sa m e  tim e,  the  op ti cal   trackin g  syst e m   pr ov i de d a  three  dim e ns io nal   po sit io n  of   cal i br at io n  po i nt  on  the  cal ib rati on  pha nto m   to  gen e rate  a  set   of   t hr ee  dim ension al   c orres pond i ng   po i nts.  The   sys tem   acqu ire d  12  cal ib rati on  i m ages  to   creat e  30 0  cal ib rati on  po i nts  for   es tim a ti ng   the   proj ect i on   m at rix.   T he  pro j ect io n  m at rix  was  dec ompo s ed   to   intri ns ic   par am et ers  an d  ext rinsi c  pa ram et ers  wh ic h  descr i bed  a s  pr oj ect io n   ( 1). T hen, the  sta ti c h om og e neous  t ran s f or m at ion  ( )   can b e  determ ined  by   ( 4) . T he   com plete d  so luti o n  res ult  of  pro j ect ion   e quat ion   was  s how n  in   ( 8)   a nd  the  resu lt   of  (   )  ho m og e ne ous   trans form ation   was rep rese nted  in   ( 9).     [ 1 ] = [ 1720 0 216 . 75 0 0 1556 . 7 958 . 15 0 0 0 1 0 ] [ 0 . 292 − 0 . 774 0 . 561 695 . 366 − 0 . 640 0 . 277 0 . 7158 970 . 973 − 0 . 7099 − 0 . 568 − 0 . 415 − 734 . 348 0 0 0 1 ] [ w w w 1 ]     (8)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  9 , N o.   5 ,  Oct ober  20 19  :   3739   -   3750   3748   = [ − 0 . 021 0 . 428 − 0 . 903 − 274 . 522 0 . 993 − 0 . 092 − 0 . 067 − 33 . 893 − 0 . 112 − 0 . 898 − 0 . 423 109 . 1282 0 0 0 1 ]     (9)     3.2.2.  I nt r a - oper at i ve   Af te r   the   cal ib rati on  pro cess  in  pre - operati ve   sta ge  was   do ne,   t he  disto rtion  pa ram et ers,   pro j ect io n  geo m et ry  par a m et ers  and   t he   sta ti c  ho m og e nous   t ran s f or m at ion   ( )   we re  im plem ented  in  intra - operati on .   The  fl uor os c opic   syst e m   was  m ov ed  to  ca ptu re  a d ist al   loc king  hole   im age  then  t he  dist ort ion  p a ram et e rs  wa s  us e d t o  co rr e ct   the  distor ti on  of  a n i m age. T he   distal   loc king - hole   recovery   al gorithm   recovere d a n  ori ent at ion   of   distal   locki ng   hole ’  a xis  then  e xtracte d  distal   locki ng - hole   posit io n  on   a n  im age.  The  trac king  s yst e m   pro vid e d  a   real - tim e  ho m og e nous  tra nsfo rm a ti on   of  fl uor os c op ic   syst em   to  cal culat e  a  new  extri ns ic   m at ri x  for   const ru ct in g  a   pro j ect ion  e quat ion   t he n   t he  pr eci se   th ree - dim ension al   pos it ion   a nd  or ie nt at ion   of  distal   l ock i ng  ho le   was   cal culat ed  by  s olvi ng   t he  pro j ec ti on   e qu at i on.   The   r obot - as s ist ed  sur gical   gu i dan ce   recei ved  a    three - dim ension al   posit io n  a n  or ie ntati on  to g ene rate  a dril li ng   t raj ect or y p at h  f or  guidi ng  a  sur geon   a s  s how n  in Figu re  9 .    The  syst em   was  te ste d  with  5  diff e re nt  intr a m edu ll ary  nai l  ro ta ti ons  (5,  10,  15,  20  a nd  25  de gr e e ) .     The   ex pe rim en ts  we re   co nduc te d  with   the   5  diff e re nt  degre es  of  r otati on  t en   tim es  each   r especti vely ,  m akin g  a   total   of  fifty   e xp e rim ents  tha t  we re  c onduct ed.  T he  tra ns la ti on   e rro r  i n  ea ch  a xis   is   s hown  in   Fi g ure s   1 1 - 13.  The  s patia l dist ance e rror i n  X - Y   plane   is   s umm arized in Ta bl e   2.           Figure  11. T he  r es ult o f po sit ion er ror  i n X  directi on       Figure  12.  T he  r es ult o f po sit ion er ror  i n Y  di recti on           Figure  13. T he  r es ult o f po sit ion er ror  i n  Z  di recti on       Table  2.  T he  s umm ary of   sp a ti al  d ist ance erro r  in  x - y  plan e.     Sp atial dis tan ce e r r o r  in  X - Y  plan e ( m m )   X   Y   Euclid ean Dis tan c e( m m )   Min   0 .07 3   0 .05 2   0 .09 0   Max   4 .21 1   9 .59 3   1 0 .47   Mean   1 .60 7   3 .28 0   3 .65 2   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.