Hoßbach, Martin (2014)
Integrierte miniaturisierte Kameras zur Instrument- und Zielfindung in medizinischen Anwendungen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Im Bereich der Mikroelektronik hat in den vergangenen Jahrzehnten eine rasante technische und technologische Entwicklung stattgefunden, die neben den offensichtlichen Auswirkungen auf das tägliche Leben auch die Werkzeuge der Ärzte beeinflusst hat. Ein Beispiel dafür sind Trackingverfahren, die vielfältig und erfolgreich in der Medizin Anwendung finden und eine Reihe von neuen Behandlungstechniken ermöglicht haben.

In medizinischen Anwendungen kommen verschiedenste Trackingsysteme zum Einsatz. Häufig sind es magnetische und optische Trackingsysteme. Beide haben im OP-Umfeld Nachteile: magnetische Trackingsysteme reagieren empfindlich auf Metalle, die im OP häufig vorkommen; optische Trackingsysteme sind wegen der Line-of-Sight-Problematik im OP umständlich zu benutzen. Allgemein sind diese Systeme häufig teuer in der Anschaffung und rechtfertigen bisweilen, verglichen mit den Kosten des jeweiligen Eingriffs, ihren Einsatz nicht.

Demgegenüber steht der aktuelle Trend der Miniaturisierung. Kameras werden derzeit immer kleiner und preiswerter. Es wird daher die These aufgestellt, dass die Nachteile von bisherigen Trackingsystemen in bestimmten medizinischen Anwendungen durch die Verwendung miniaturisierter Kameras ausgeglichen werden können, weil diese deutlich dichter am Ort des Geschehens positioniert werden können. Dadurch fällt auch eine unter Umständen schlechtere Bildqualität (im Vergleich zu präzisen Trackingkameras) nicht ins Gewicht. Diese These wird exemplarisch an zwei Anwendungen untersucht.

Es wird ein MRT-kompatibles optisches Kopftrackingsystem entwickelt, das die Kopfbewegung eines Patienten mit Hilfe von runden, planaren, einfarbigen Markern auf der Stirn des Patienten verfolgt. Dafür werden Kameras verwendet, die im Innern des Tomografen mit einer Halterung an der Kopfspule befestigt werden. Algorithmen, die in Infrarot-Trackingsystemen Verwendung finden, mussten wegen der Bildqualität der Kameras, den klinischen Anforderungen (Belästigung des Patienten und Belastung der Personals) und den Gegebenheiten im MR-Tomograf teilweise angepasst werden.

Für dieses Trackingsystem wurde ein Kreuzkalibrierverfahren entwickelt, das aus wassergefüllten Kugeln ein virtuelles Kalibrierphantom bildet. Es unterscheidet sich damit von bekannten Verfahren, bei denen bei der Kreuzkalibrierung die verwendeten Strukturen, die im MRT-Bild sichtbar sind, und die Strukturen, die im Kamerabild sichtbar sind, unterschiedlich sind. Entsprechende Kalibrierphantome müssen also aufwändig hergestellt oder präzise vermessen werden.

Das Trackingsystem wurde theoretisch, praktisch im Labor und klinisch im Probandenversuch evaluiert. Im Rahmen eines klinischen Projektes, bei dem über einen sehr langen Zeitraum wiederholt MRT-Aufnahmen mit niedriger Auflösung gemacht wurden, konnte mit dem Trackingsystem eine virtuelle Immobilisation erreicht werden.

Weiterhin wurde ein Navigationssystem für die ultraschallgesteuerte Punktion entwickelt. Der Arzt wird dabei durch die Visualisierung des Verlaufs der Nadel im Ultraschallbild bei der Punktion unterstützt. Dafür wurde ein Nadeltrackingsystem entwickelt, das aus zwei preiswerten Kameras besteht, die am Schallkopf befestigt sind. Aus den Bildern der Kameras wird kantenbasiert die Nadel extrahiert, ihr Verlauf relativ zum Ultraschallkopf ermittelt, und Verlauf und Schnittpunkt der Nadel mit dem Ultraschallbild dargestellt.

Das Navigationssystem wurde sowohl theoretisch als auch praktisch im Labor am Phantom evaluiert. Daran waren Ärzte beteiligt, die entsprechende Eingriffe in ihrem Arbeitsalltag durchführen. Es konnte gezeigt werden, dass die Genauigkeit gegenüber dem Stand der Technik verbessert werden konnte.

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