Automatische Kalibrierung von Ultraschallsonden durch Erkennung chirurgischer Instrumente

Konstruktive / experimentelle Semesterarbeit betreut durch Dipl.-Ing. Nikita Shevchenko und Dipl.-Math. Johannes Schwaiger.

Problemstellung

Mithilfe von Navigationssystemen können Position, sowie Orientierung von Instrumenten relativ zu Zielstrukturen im Körper des Patienten dargestellt werden. Im Bereich der Weichgewebschirurgie (z. B. Leber) wird dabei sehr häufig Ultraschall zur intraoperativen Lokalisierung von Zielstrukturen verwendet. Zentraler Bestandteil einer ultraschallbasierten Navigation ist also die geeignete Anzeige der Instrumentenposition im Ultraschallbild. Hierzu werden bei der optischen Navigation Position und Orientierung der benutzten Instrumente anhand retroreflektierender Messmarken-Tracker von einer Navigationskamera gemessen. Die Aufgabe der Kalibrierung der Ultraschallsonde besteht darin, die Lage des Ultraschallbilds relativ zum Ultraschalltracker zu bestimmen, um die Lage des verwendeten chirurgischen Werkzeugs im Ultraschallbild darstellen zu können. Zu diesem Zweck existieren bereits diverse Kalibrierkörper, deren Einsatz jedoch meist auf einen einzigen Sondentyp beschränkt ist und teilweise unzureichende Kalibriergenauigkeiten ermöglicht. Die Aufgabe dieser Semesterarbeit besteht darin, eine von Kalibrierkörpern unabhängige Kalibrierung von Ultraschallsonden eines beliebigen Typs zu ermöglichen, um auf zusätzliche Kalibrierkörper im klinischen Umfeld verzichten zu können.

Aufgabenstellung

Das Ziel der Arbeit ist die automatische Kalibrierung von Ultraschallsonden mithilfe eines chirurgischen Werkzeugs (beispielsweise ein Ultraschalldissektor in der Leberchirurgie). Hierzu  muss in einem ersten Arbeitsschritt zunächst automatisch erkannt werden, wann die Instrumentenspitze in die Ultraschallbildebene eintritt. Durch die automatische Erkennung drei solcher Eintrittspunkte kann die Lage der Ultraschallbildebene genau definiert werden. Mithilfe einer bereits vorhandenen 3-Punkte-Registrierung lässt sich somit die Lage des Ultraschallbilds relativ zum Ultraschalltracker bestimmen. Die Erkennung der Eintrittspunkte muss automatisch erfolgen, da eine manuelle Vorgabe auf Grund der gleichzeitigen Bewegung  von Sonde und Werkzeug teils nur unzureichend genaue Kalibrierungen zulässt. Die automatische Erkennung der Instrumentenspitze soll in die am Lehrstuhl vorhandene Navigationssoftware integriert werden. Weitere Bestandteile der Arbeit sind Experimente zur Handhabbarkeit der automatischen Kalibrierung  und zur erreichbaren Kalibriergenauigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Kalibrierkörpern. Auf Basis dieser Experimente soll ein Gesamtfazit zur Anwendbarkeit des entwickelten Kalibrierverfahrens im klinischen Umfeld entstehen.

Abgrenzung

Im Rahmen der Arbeit soll eine automatische Kalibrierung der vorhandenen Ultraschallsonde für den Einsatz mit dem vorhandenen Ultraschallmesser ermöglicht werden mit dem Ziel einer Anpassungserleichterung des Navigationssystems bei Änderungen in der Instrumentengeometrie.

Anwendung

Die in dieser Arbeit gewonnenen Ergebnisse sollen in Weiterem bei der Entwicklung eines Assistenzsystems für die navigierte Weichgewebechirurgie verwendet werd

Erwartung

Für die Bearbeitung der genannten Aufgabe wird folgendes erwartet:

  • Ausführliche Dokumentation der einzelnen Schritte,
  • Strukturiertes Vorgehen, d.h. zuerst eine Problembeschreibung erstellen und dann Lösungsansätze vergleichen und
  • Beschreibung der Lösungsstruktur und ggf. Abgrenzung gegenüber anderen Lösungen.

Wird ein Ziel nicht erreicht, dann soll dieser Umstand ausreichend begründet werden. Das Erreichen bzw. Nichterreichen des Ziels soll untersucht und dokumentiert werden, sodass fundierte Aussagen über die Eignung oder über notwendige Änderungen gemacht werden können.

Meilensteine und Ergebnisse

1)    Recherche des aktuellen Stands der Technik, Recherche der aktuellen Publikationen bei PubMed und IEEE Xplore,

- Ergebnis: nach Goldstandard dokumentierte Information über die momentan in der Anwendung existierenden Kalibrierungstechniken und deren Genauigkeit;

2)    Entwicklung von einem Bildverarbeitungsverfahren zur automatischen Erkennung eines am Lehrstuhl vorhandenen Resektionsinstrumentes im Ultraschallbild,

- Ergebnis: dokumentierte Softwarebibliothek mit Implementierung des Verfahrens, die in die Softwareoberfläche des MiMed Liver Navigationssystems integriert werden kann;

3)    Experiment zur Messung der Bedienbarkeit und Kalibrierungsgenauigkeit des zu entwickelnden Verfahrens in der Umgebung eines Operationssaals,

- Ergebnis: nach Goldstandard dokumentierte Ergebnisse des Experiments.

Erwartete wissenschaftliche Erkenntnisse

Es sollen folgende Fragen beantwortet werden:

1)    Unter welchen Bedingungen ist eine automatische Ultraschallkalibrierung möglich?

2)    Wie weit ist eine automatische Ultraschallkalibrierung in der Medizinpraxis anwendbar?

3)    Welche Genauigkeit hat eine automatische Ultraschallkalibrierung, ist diese höher als die von dem herkömmlichen Verfahren?

Referenzen

Peterhans, M.; Anderegg, S.; Gaillard, P.; Oliveira-Santos, T.; Weber, S. (2010), A fully automatic calibration framework for navigated ultrasound imaging, Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), Annual International Conference of the IEEE, Aug. 31 2010-Sept. 4, 2010, pp. 1242 – 1245.

Jank E., Lueth T.C. (2004): Accuracy of a single image calibration device and method for linear sonographic transducers. Minimally Invasive Therapy & Allied Technologies, submitted, pp. 9.

Pagoulatos N, Haynor DR, Kim Y. (2001): A fast calibration method for 3-D tracking of ultrasound images using a spatial localizer. Ultrasound in Med. & Bio., 27, pp. 1219-1229.

Blackall J, Rueckert D, Maurer Jr. CR, Penney GP, Hill DLG, Hawkes DJ. (2000): An image registration approach to automated calibration for freehand 3D ultrasound. Proc. Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention - MICCAI 2000. Lecture Notes in Computer Science, 1935, pp. 462-471.

Prager, R. W.; Rohling, R. N.; Gee, A. H.; Berman, L. (1998): Rapid calibration for 3D free-hand ultrasound.. Ultrasound in Med. & Bio., 24, pp. 855-869.