Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik IPK

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  • Publication
    Verfahren zur kamerabasierten Instrumentennavigation am Beispiel der HNO-Chirurgie
    (Fraunhofer Verlag, 2019)
    Katanacho, Manuel
    Der Einsatz chirurgischer Navigationssysteme ermöglicht es, operative Eingriffe sicherer und schonender durchzuführen. Konventionelle Navigationssysteme schränken jedoch das OP-Personal aufgrund des großen Platzbedarfs im Operationssaal ein oder werden aufgrund der komplexen und wenig intuitiven Arbeitsabläufe zu selten eingesetzt. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung von Verfahren und Algorithmen für ein kamerabasiertes Navigationssystems, das durch den Einsatz einer kleinen HD-Kamera am chirurgischen Instrument zu einer vereinfachten Handhabbarkeit und intuitiven Anwendung führt. Die Navigation wird auf Basis der Gesichtsoberflächenstruktur durch eine softwaretechnische Verarbeitung der Kamerabilder realisiert, ohne künstliche Marker zu nutzen. Für eine robuste und präzise merkmalsbasierte Navigation auf der strukturarmen Patientenoberfläche werden neue, kamerabasierte Verfahren zur Kartenerstellung, Registrierung und Lokalisation entwickelt und intelligent kombiniert. Die Technologie wird im Rahmen eines Funktionsprototypen für die HNO-Chirurgie unter klinischen Bedingungen evaluiert.
  • Publication
    Camera-based instrument navigation in ENT-surgery
    ( 2018)
    Katanacho, Manuel
    ;
    Uhlmann, Eckart
    Algorithms for a camera-based surgical navigation system, with a localization based on the surface structure of the patients face, are developed and evaluated. The measurement technology is based on a single HD-camera that is integrated on a surgical instrument. Sophisticated and expensive state of the art systems are thus replaced by a software solution, which reduces the hardware costs and the space requirements in the operation room. A functional prototype is implemented and tested in a laboratory and an operating room. The challenge is to determine the camera's pose from a camera live stream with a feature based approach, without additional markers on the patient. The core software modules are mapping, registration and localization. The root-mean-square error of the system varies between 2.4 mm and 6.4 mm dependent on the lighting conditions. By removing a systematic error from the registration process, the accuracy is improved to 1.3 mm to 2.0 mm.
  • Publication
    Registration of pre- and postoperative surface scans for pediatric neurosurgery
    ( 2018)
    Katanacho, Manuel
    ;
    Lack, John-Certus
    ;
    Fehlhaber, Felix
    ;
    Krüger, Jörg
    A software for automatic registration and differential visualization of pre- and postoperative surface scans for use in pediatric neurosurgery is developed and implemented. The core operations of the registration include an automatic head extraction, a rough registration by aligning the main axes, a depth map-based registration for robust determination and registration of feature points in the facial area, and a fine registration. A graphical user interface is implemented for the difference visualization and program control.
  • Publication
    Region of interest detection with iterative colour clustering and a global weighting scheme
    ( 2017)
    Katanacho, Manuel
    ;
    Hoffmann, Jonas
    ;
    Uhlmann, Eckart
    Many modern surgical systems utilize advanced computer vision and image processing techniques for a vast variety of tasks, such as object recognition, segmentation, classification and 3D reconstruction. In many cases, the extraction of a specific region of interest (ROI) in the image is performed prior to further processing steps. This increases the computation speed and may improve the quality of the system´s output because misleading elements in the image are masked out. We present a novel approach that considers global colour distributions to extract one (or more) ROIs in a camera image stream. Our method is both fast and robust against illumination discontinuities, irregularities in the texturing of surfaces and false areas with very similar colour. The method is used for the detection of human skin in an operating room environment for a camera based navigation system.
  • Patent
    Verfahren, Anordnung und Computerprogrammprodukt zur Lageerfassung eines zu untersuchenden Objektes
    ( 2017)
    Engel, Sebastian
    ;
    Katanacho, Manuel
    ;
    Keeve, Erwin
    ;
    Uhlmann, Eckart
    Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Anordnung und eine Computerprogrammprodukt zur Lageerfassung eines zu untersuchenden Objekts (1, 2), an dem ortsfest ein Marker (3) mit einer optisch auslesbaren Struktur (4) angeordnet ist, die zumindest Abmessungen und/oder eine Größe des Markers (3) codiert kennzeichnet. Hierzu erfolgt ein optisches Aufnehmen (8) mindestens eines Einzelbilds (21) des zu untersuchenden Objekts mit einer optischen Aufnahmeeinheit (5) und Übermitteln des mindestens einen Einzelbilds (21) an eine Auswerteeinheit (7), ein Durchführen einer Markerlokalisation (9) in dem mindestens einen Einzelbild (21) durch die Auswerteeinheit (7), ein Festlegen eines Bildausschnitts (10) in dem mindestens einen Einzelbild (21) durch die Auswerteeinheit (7), in dem sich der Marker befindet, ein Durchführen einer Markerdetektion (11) durch die Auswerteeinheit (7), bei der die an dem oder auf dem Marker (3) angeordnete Struktur (4) erfasst wird, und ein Verarbeiten der bei der Markerdetektion (12) erfassten Struktur (4), wobei zumindest eine Position und bzw. oder eine Orientierung des Markers (3) in Bezug zu der optischen Aufnahmeeinheit (5) aus den durch die Struktur (4) codierten Abmessungen oder der Größe des erfassten Markers (3) und der erfassten Struktur (4) in dem mindestens einen Einzelbild (21) durch die Auswerteeinheit ermittelt und in der Auswerteeinheit (7) gespeichert werden und/oder auf einer Ausgabeeinheit (20) dargestellt werden.
  • Publication
    Depth map based point cloud registration to CT patient data for surgical navigation
    ( 2017)
    Katanacho, Manuel
    ;
    Lack, John-Certus
    ;
    Hoffmann, Jonas
    ;
    Uhlmann, Eckart
  • Publication
    Instrument calibration for a camera based surgical navigation system
    ( 2017)
    Katanacho, Manuel
    ;
    Krumpek, Oliver
    ;
    Uhlmann, Eckart
    ;
    Melnik, Steffen
    In this abstract, we present a system for mounting a single-camera to arbitrary surgical instruments and calibrating its position relative to the instrument. The camera is used for surgical navigation and can be covered with sterile foil due to a connection mechanism to the mounting system with magnets. The calibration of the cameras' position relative to the instruments' tool center point is done by a checkerboard based calibration procedure and using defined pivot points.
  • Publication
    Accuracy of a single camera, marker based surgical navigation system - simulation and implementation
    ( 2017)
    Katanacho, Manuel
    ;
    Krumpek, Oliver
    ;
    Uhlmann, Eckart
    Surgical navigation systems are used in many fields of surgery to support the surgeon with localization information during operation. Current systems are based on optical or electromagnetic tracking, both with its benefits and drawbacks. The presented approach is an alternative to the established measurement systems to simplify the use of surgical navigation in the operating room. This abstract aims at evaluating if the required accuracy for a surgical navigation application can be achieved by a single camera approach (see Fig. 1). The proposed system uses a single video camera mounted on an instrument and navigates relative to a flat marker mounted on the patient. The required transformation between camera and marker is computed by image processing methods.
  • Publication
    Surgical navigation with QR codes
    ( 2016)
    Katanacho, Manuel
    ;
    Cadena, Wladimir de la
    ;
    Engel, Sebastian
    The presented work is an alternative to established measurement systems in surgical navigation. The system is based on camera based tracking of QR code markers. The application uses a single video camera, integrated in a surgical lamp, that captures the QR markers attached to surgical instruments and to the patient.
  • Publication
    3D human face reconstruction for surgical navigation
    ( 2016)
    Katanacho, Manuel
    ;
    Hoffmann, Jonas
    ;
    Engel, Sebastian