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Integrierte miniaturisierte Kameras zur Instrument- und Zielfindung in medizinischen Anwendungen

 
: Hoßbach, Martin
: Sakas, Georgios; Fellner, Dieter W.

:
Fulltext (PDF; )

Darmstadt, 2014, XIV, 181 pp.
Darmstadt, TU, Diss., 2014
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-40302
German
Dissertation, Electronic Publication
Fraunhofer IGD ()
magnetic resonance imaging (MRI); Optical tracking; needle guidance; ultrasound; Business Field: Visual decision support; Research Area: Computer Vision (CV); Forschungsgruppe Medical Computing (MECO); Forschungsgruppe Semantic Models, Immersive Systems (SMIS)

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 des 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 MRTAufnahmen 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.

 

In the field of microelectronics, a rapid technological development has taken place in recent decades, which has influenced not only daily life, but also the tools of doctors. For example, motion tracking is frequently and successfully used in medicine and has enabled a number of new treatment techniques.
In medical applications a variety of motion tracking systems is used, mostly based on magnetic and optical motion tracking. Both, however, have significant drawbacks in the operating room (OR) environment: whereas magnetic tracking systems are sensitive to metals, which are common in the OR, optical tracking systems are cumbersome to use in the OR because of the line-of-sight problem. In general, these systems are often expensive compared to the cost of each intervention, and therefore their use is not justified in many cases.
In contrast, there is the current trend of miniaturization: electronic cameras are getting smaller and cheaper. This thesis proposes that using miniaturized cameras for tracking, the disadvantages of existing tracking systems can compensated in specific medical applications, because they can be positioned much closer to the point of interest. Also, poorer image quality (compared to high quality dedicated tracking cameras) can be less significant under certain circumstances. This hypothesis is investigated for two specific applications.
An MRI compatible optical head tracking system was developed to track the motion of the patient's head using circular, planar, single-colored markers on the patient's forehead. Cameras are positioned inside the MRI scanner, mounted directly to the head coil. Because of the poor image quality of the cameras, algorithms used in off-the-shelf infrared tracking systems had to be adapted to meet clinical requirements (patient convenience and comfort, usability by medical personnel) and environmental conditions in the MRI scanner.
For this tracking system, a cross-calibration procedure was developed utilizing water-filled spheres forming a virtual calibration phantom. It thus differs from known methods in which structures visible in MRI, and structures visible in video images are different; corresponding calibration phantoms therefore need to be manufactured and/or measured precisely.
The head motion tracking system was evaluated theoretically, in laboratory, and clinically in experiments with healthy subjects. In a clinical project in which MRI scans were acquired repeatedly over a long period of time at a low resolution, a virtual head immobilization was achieved using the optical head motion tracking system.
Furthermore, a navigation system for ultrasound-guided puncture was developed. It presents the doctor a visualization of the needle's course and the projected intersection point with the ultrasound image plane overlayed on the ultrasound image. For this purpose, an optical needle tracking system consisting of two low-cost cameras attached to the ultrasound transducer was developed. From these cameras' images, the needle is extracted using an edge-based method. Its position and orientation is determined relative to the ultrasound transducer, and the course of the needle and the intersection point with the ultrasound image plane is overlayed on the ultrasound image.
The navigation system has been evaluated theoretically and in the laboratory on an ultrasound phantom. Doctors were involved in the evaluation who perform ultrasound-guided punctures in their daily work. It was shown that accuracy could be improved compared to the state of the art.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-323940.html