Entwicklung einer Kommunikationsschnittstelle für einen Manipulator zur Steuerung eines flexiblen Endoskops
Konstruktive / Experimentelle / Theoretische Semester-/Bachelorarbeit betreut durch Chen Fang, Jan Gumprecht, Tim Lüth. Bitte wenden Sie sich per E-Mail an chen.fang@tum.de (Tel. 089-289 151 89)
Problemstellung
Für Untersuchungen der Nasenhöhlen werden in der HNO-Heilkunde statt der weit verbreiteten starren Endoskope flexible Endoskope eingesetzt, wenn Bereiche eingesehen werden sollen, die durch starre Endoskope nicht erreichbar sind.
Die Untersuchung wird vom Arzt am nicht narkotisierten Patienten durchgeführt. Dabei sitzt der Arzt gegenüber dem ebenfalls sitzenden Patienten (s. Abbildung 1). Derzeit erfolgt die Steuerung des flexiblen Rhino Endoskops im klinischen Einsatz rein manuell. Über einen Hebel am Handstück lässt sich das distale Ende biegen, die Drehung des Endoskops erfolgt aus dem Handgelenk heraus und der Vorschub wird durch eine Vorwärtsbewegung ein und derselben Hand erzielt. Bei der Steuerung erfolgt die Orientierung allein über das Kamerabild des Endoskops, das auf einem Bildschirm wieder gegeben wird. Die Steuerung hierbei gestaltet sich allerdings als sehr komplex.
Aufgabenstellung
Kommunikationsschnittstelle
In dieser Arbeit soll eine Kommunikationsschnittstelle entwickelt werden. Die Schnittstelle besteht aus zwei Teile: die Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS) und die Rechnerschnittstelle.
Die Mensch-Maschine-Schnittstelle des Systems muss eine einfache Integration des flexiblen Endoskops zulassen und sollte so gestaltet sein, sodass ein manuelles Arbeiten für den Chirurgen stets möglich ist. Demgegenüber muss eine Rechnerschnittstelle zu einer zentralen Rechnereinheit entwickelt werden. Die Schnittstelle muss im Hinblick auf die Visualisierung der virtuellen Assistenz ergonomisch gestaltet sein.
Durch die Kommunikationsschnittstellen können die gewünschte Rotationswerten vom Steuerungssystem an dem Manipulator gesendet und die aktuelle Lageinformation des Endoskops (die Veränderung der Stellung des Hebels bzw. die Rotation um die Längsachse sowie die Einstellung der Brennweite) zurück zu dem Steuerungssystem geliefert werden.
Ein neues motorisiertes endoskopisches System soll am Lehrstuhl MiMed entwickelt werden. Die Navigation des Endoskops basiert auf den von Kamera aufgenommen Bilden. Nach der Bildverarbeitung wird die Bewegungsrichtung im Luftweg berechnet und führt das Endoskop teilautomatisch zu dem geplanten Ziel durch einen Manipulator. Nur der Vorschub des Endoskops wird auch manuell von dem Chirurg durchgeführt, die Biegung des distalen Endes sowie die Rotation des Endoskops sind vom Manipulator betreibbar.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Kommunikationsschnittstelle für einen Manipulator zur Steuerung eines flexiblen Endoskops.
Abgrenzung
Das flexible Endoskop wird zur Verfügung gestellt.
Anwendung
Die Entwicklungen und Experimente werden im Rahmen des DFG - Projektes „Steuerung eines flexiblen Endoskops“ verwendet.
Erwartung
Für die Bearbeitung der genannten Aufgabe wird folgendes erwartet:
· Umfassende eigene Recherchen zum Stand der Technik.
· Ausführliche Dokumentation der einzelnen Schritte.
· Strukturiertes Vorgehen, d.h. zuerst eine Problembeschreibung erstellen und dann Lösungsansätze vergleichen.
· Planung und Durchführung eines aussagekräftigen Experiments.
· Konstruktion und Fertigung der Kommunikationsschnittstelle.
· Abschlussvortrag am Lehrstuhl
Vorgehen
1. Recherche des Stands der Technik im Bereich der Mensch-Maschine-Schnittstellen zur Steuerung.
2. Entwicklung der Mensch-Maschine-Schnittstellen des Manipulators zum Steuerungsgerät.
3. Konstruktion und Fertigung der Rechnerschnittstelle zu der zentralen Rechnereinheit in C++.
4. Entwicklung einer Benutzeroberfläche, damit die Rotationswerte für das Endoskop eingegeben und die zurück gelieferten Lageinformationen des Endoskops angezeigt werden können.
5. Durchführung eines Experiments zur Steuerung des Endoskops durch den Manipulator.
6. Anfertigung der schriftlichen Ausarbeitung.
Ergebnisse
· Einfache integrierbare Mensch-Maschine-Schnittstelle des Manipulators.
· Teilautomatisierte Steuerung des Endoskops durch die funktionsfähige Kommunikationsschnittstelle.
· Kommentierter Sourcecode der gefertigten Schnittstelle.
· Dokumentierte Experimente.
· Ergonomische Benutzeroberfläche.
· Semesterarbeit.
· Vortragsfolien.
Referenzen
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