Automatische Positionierung eines Ultraschallmanipulators mittels Bilddaten und elektromagnetischem Tracking
Konstruktive/Experimentelle/Theoretische Master-/ Diplomarbeit betreut durch Jan Gumprecht und Tim Lüth. Bitte wenden Sie sich per E-Mail an jan.gumprecht@tum.de (Tel. 089-289 151 89).
Problemstellung
Aufnahmen des Operationsgebietes mittels eines Videolaparoskops sind der Goldstandard intraoperativer Bildgebung bei laparoskopischen Eingriffen in der Urologie. Diese oberflächliche Bildgebungsmethode liefert jedoch keine Informationen über die Ausbreitung eines Tumors im Inneren eines Organs und keine Informationen über die Lage innenliegender Blutgefäße.
Ultrasonograhie ist eine alternative intraoperative Bildgebungsmethode, die Informationen aus dem Inneren von Gewebestrukturen liefern kann. Aus unterschiedlichen Gründen, wie komplexer Bedienung, mangelnder Zugänglichkeit zum Operationsgebiet und hohen Personalkosten wird Ultrasonographie jedoch selten während laparoskopischer Eingriffe in der Urologie eingesetzt.
Ausgehend von den Kritikpunkten am Stand Technik wird am Lehrstuhl MiMed im Rahmen eines von der Deutschen ForschungsGemeinschaft geförderten Projektes ein neuartiges Ultrasonographiekonzept zur Unterstützung laparoskopischer Eingriffe in der Urologie entwickelt.
Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Manipulators für Ultraschallsonden, der sich in den bestehenden Arbeitsablauf laparoskopischer Eingriffe in der Urologie integrieren lässt.
Aufgabenstellung
In dieser Arbeit soll die Positionierung des oben beschriebenen Manipulators automatisiert werden. Im ersten Schritt soll der Manipulator mittels eines elektromagnetischen Trackingsystems grob ausgerichtet werden. Im zweiten Schritt soll der Manipulator durch die Analyse der aufgenommenen Ultraschallbilder genau positioniert werden.
Im ersten Teil der Arbeit soll die Ansteuerung des Manipulators mit einem elektromagnetischen Trackingsystem realisiert werden. Hierbei sollen die Daten des Trackinggerätes mit einem Mikrocontroller ausgelesen und an den Manipulator versandt werden. Anhand dieser Positionsinformationen richtet sich der Manipulator unterhalb des Trackingssensors aus. Der Trackingsensor soll in ein laparoskopisches Instrument integriert werden, das sich intraoperativ einsetzen lässt. Zur einfacheren Erstellung neuer Registrierungsdaten und Überspielung auf den Mikrocontroller soll eine Software erstellt werden.
Im zweiten Teil der Arbeit sollen die Ultraschallaufnahmen an einem Rechner nach einer vorgegebenen Zielstruktur analysiert werden. Nachdem der Ultraschallmanipulator mittels elektromagnetischen Trackings grob positioniert wurde, soll eine Fläche von 1cm x 1cm im Zielbereich mit dem Manipulator gescannt werden. In diesem Bereich sollen die Ultraschallaufnahmen automatisch nach laparoskopischen Instrumenten segmentiert werden. Wurde ein Instrument erkannt, sollen Positionierbefehle an den Manipulator geschickt werden, so dass dieser sich unterhalb der Spitze des Instruments ausrichtet. Die Auswertung und Positionierung soll in Echtzeit erfolgen.
Abgrenzung
Der Manipulator wird zur Verfügung gestellt.
Anwendung
Die automatische Positionierung wird im Rahmen des DFG-Projektes „Automatische Ultraschallbildgebung für laparoskopische Eingriffe“ verwendet.
Erwartung
· Umfassende eigene Recherchen zum Stand der Technik
· Planung und Durchführung eines aussagekräftigen Experiments
· Integration der Softwarefunktionalitäten in weiterverwendbare Bibliotheken
· Saubere nachvollziehbare Dokumentation der Arbeitsschritte, der erstellten Software
· Abschlussvortrag am Lehrstuhl
Organisatorisches
Die Arbeit wird am Lehrstuhl für Mikrotechnik und Medizingerätetechnik von Herrn N.N. erstellt und von Dipl.-Inf. Jan Gumprecht sowie Prof. Dr. Tim C. Lüth betreut. Die Arbeit soll innerhalb von 600 Arbeitsstunden im Zeitraum vom XX.XX.201X bis zum XX.XX.201X bearbeitet werden. Die Arbeit wird mit einem mündlichen Vortrag abgeschlossen.
Vorgehen
1. Recherche zum Stand der Technik
2. Steuerung des Manipulators mit EM Tracking
3. Steuerung des Manipulators durch die Analyse von Ultraschallbildern
4. Ausarbeitung des Zwischenberichts
5. Planung und Durchführung von Exerpimenten
6. Ausarbeitung der Abschlussarbeit
7. Ausarbeitung des Vortrags
8. Publikation der Ergebnisse
Ergebnisse
· Funktionsfähige und vorführbare Steuerung des Manipulators mittel elektromagnetischem Trackings
· Funktionsfähige und vorführbare Steuerung des Manipulators durch die Analyse von Ultraschallbilddaten
· Dokumentierte Software
· Dokumentierte Experimente
· Abschlussarbeit
· Vortragsfolien
Referenzen
A. Krupa and F. Chaumette, “Guidance of an ultrasound probe by visual servoing,” ADVANCED ROBOTICS, vol. 20, 2006, pp. 1203-1218.
P. Abolmaesumi, S.E. Salcudean, and W.H. Zhu, “Visual servoing for robot-assisted diagnostic ultrasound,” Engineering in Medicine and Biology Society, 2000. Proceedings of the 22nd Annual International Conference of the IEEE, 2000, pp. 2532 -2535 vol.4.
S. Hutchinson, G.D. Hager, and P.I. Corke, “A tutorial on visual servo control,” Ieee Transactions On Robotics and Automation, vol. 12, 1996, pp. 651-670.
F. Chaumette and S. Hutchinson, “Visual servo control - Part II: Advanced approaches,” Ieee Robotics & Automation Magazine, vol. 14, 2007, pp. 109-118.
P. Abolmaesumi, S.E. Salcudean, W.-H. Zhu, M.R. Sirouspour, and S.P. DiMaio, “Image-guided control of a robot for medical ultrasound,” Robotics and Automation, IEEE Transactions on, vol. 18, Feb. 2002, pp. 11-23.