Ein modulares optisches Trackingsystem für medizintechnische Anwendungen

265 Pages·2013·16.12 MB·German

Ein modulares optisches Trackingsystem
für medizintechnische Anwendungen:
integrierte Datenflussarchitektur in Hard-
und Software und Applikationsframework
Inauguraldissertation
zur Erlangung des akademischen Grades
eines Doktors der Naturwissenschaften
der Universität Mannheim
vorgelegt von
Dipl.-Ing. Andreas Köpfle
aus Heidelberg
Mannheim, 2012

Dekan: Professor Dr. Heinz Jürgen Müller, Universität Mannheim
Referent: Professor Dr. Reinhard Männer, Universität Heidelberg
Korreferent: Professor Dr. Holger Fröning, Universität Heidelberg
Tag der mündlichen Prüfung: 11. Februar 2013

für meine Eltern

Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines modularen optischen Tra-
ckingsystemsfürmedizintechnischeAnwendungen.MotivationhierfürwarenSchwie-
rigkeiten,diebeiderAdaptionverfügbarerSystemefürdenEinsatzinmedizinischen
Trainingssimulatoren auftraten. Deren spezielle Anforderungen wie z.B. die Verwen-
dung von Originalinstrumenten, sehr kleine Trackingvolumina, Erfassung deformier-
barer Oberflächen und eine einfache Integration in die Simulatorarchitektur lassen
sichmitdenvorhandenenLösungenfürStandardtrackingaufgabennurunzureichend
umsetzen. Es wurde daher ein Konzept entwickelt für ein universelles, flexibel ein-
setzbares Baukastensystems, das die Starrheit fertiger Systemlösungen vermeidet
und mit moderatem Aufwand an verschiedenartige Aufgabenstellungen anpassbar
ist.
Das System abstrahiert hierzu von der spezialisierten Datenverarbeitung üblicher
Trackinglösungen und baut auf einer generalisierten, modularen Datenflussarchi-
tektur für alle Arten von Markern mit drei Freiheitsgraden auf. Die Integration
FPGA-basierter Bildverarbeitungshardware in den Kameradatenstrom ermöglicht
eine frühzeitige Reduktion der Datenmengen und führt zu niedrigen Latenzzeiten.
Ein zentraler Punkt des Systemkonzepts ist dabei die Integration der Hardware- und
Softwarekomponenten zu einer durchgängigen, flexibel ausgelegten Datenflussarchi-
tektur. Gleichzeitig wird ein breites Spektrum an Verfahren bereitgestellt, die für
Bildverarbeitung, Markerdetektion und Rekonstruktion genutzt werden können.
Spezieller Fokus wurde auf die schnelle und einfache Entwicklung von Trackingan-
wendungen gelegt. So ermöglicht die duale Auslegung der Verarbeitungsmodule in
spezialisierter Hardware bzw. PC-basierten Softwarebibliotheken die einfache Ad-
aption der Datenverarbeitungsressourcen an die jeweilige Aufgabenstellung. Ein Si-
mulationsmodusmitvirtuellen,inSoftwarenachgebildetenDatenquellenunterstützt
beiEntwicklungundTestvonneuartigenTrackinganwendungen.Undeinerweiterba-
res graphisches Softwarefrontend stellt direkten Zugriff auf die Systemfunktionalität
bereitfüralleAufgabenimZusammenhangmitBetrieb,KonfigurationundEntwick-
lung der Systeme.
Spezielle Eigenschaften der Systemauslegung für einen Einsatz in medizinischen Si-
mulatoren umfassen die optionale Unterstützung von Farbmarkern, die anwendungs-
i
spezifische Auslegung der Bilderfassungsmodule und eine geringe Ressourcenbelas-
tung des Simulator-PCs. Insbesondere die selten eingesetzte Objektsignalisierung
über Farbmarker erwies sich als sinnvolles Konzept für die eingangs genannten Tra-
ckingaufgaben, die mit herkömmlichen Markierungstechniken nur unzureichend um-
zusetzen sind. Farbmarker sind einfach zu applizieren und zu detektieren und die
FarbedientzusätzlichalseinfacheCodierungfürObjektidentifikationundMarkerzu-
ordnung. Für offene Trackingsetups und Anwendungen mit höheren Genauigkeitsan-
forderungen werden zusätzlich infrarotbasierte Signalisierungstechniken unterstützt.
DasSystemwurdeerfolgreichinmehrerenPrototypenmedizinischerSimulatorenfür
ophthalmoskopische Diagnostik, ophthalmochirurgische, neurochirurgische und en-
doskopischeInterventioneneingesetzt,darüberhinausauchfürdiePositionserfassung
eineshandgehaltenenOperationsrobotersundinallgemeinenVR/AR-Anwendungen.
Weitere Einsatzbereiche, auch außerhalb der Medizintechnik, sind durch die univer-
selle Auslegung der Systemarchitektur ohne weiteres zugänglich. Die Bandbreite der
realisierten Anwendungen zeigt, dass das Ziel einer universellen Systemauslegung in
großen Teilen erreicht wurde. Weiterer Optimierungsbedarf existiert allerdings für
Anwendungen mit sehr hohen Anforderungen an die Genauigkeit.
Der Hauptbeitrag der Arbeit besteht in der Schaffung eines Gesamtsystems aus mo-
dularer Hard- und Software mit einem erweiterbarem Entwickungsfrontend als Ba-
sis für maßgeschneiderte optische Trackinglösungen – insbesondere auch bei unkon-
ventionellen Setups, die mit gängigen Systemen nicht oder nur stark eingeschränkt
realisierbar sind. Darüber hinaus liegt der Schwerpunkt auf der Zusammenführung
der flexiblen Konzepte modularer Datenflussarchitekturen, wie sie in Trackingbiblio-
theken der Middleware-Schicht vertreten sind, mit der hohen Performanz speziali-
sierter Bildverarbeitungshardware, die in den intelligenten Kameras kommerzieller
Trackinglösungen zum Einsatz kommt.
ii
Danksagung
Mein Dank gilt allen, die mich während der Arbeiten in der VIPA-Arbeitsgruppe
und beim Entstehen dieser Dissertation unterstützt haben. Insbesondere danke ich...
...Herrn Prof. Dr. Reinhard Männer für die Betreuung meiner Promotion und die
großenFreiheitenbeimArbeitenanseinemInstitut.AußerdemfürdieUnterstützung
in meiner Zeit als Gruppenleiter der VIPA-Gruppe und seine Geduld bei der langen
Fertigstellung der schriftlichen Ausarbeitung..
...Herrn Prof. Dr. Holger Fröning für seine Bereitschaft, das Korreferat zu überneh-
men.
...Markus Schill für seine Unterstützung als ehemaliger Gruppenleiter und später
dann Geschäftsführer der VRmagic GmbH. Seine Aufbauarbeit in der VIPA-Gruppe
und die folgende Kooperation von Universität und Firma haben die Durchführung
vieler unserer Projekte erst ermöglicht.
...Thomas Ruf, der als Entwicklungsleiter der Trackinglösungen auf VRmagic-Seite
viele technische Fragestellungen und essentielle Designentscheidungen mit mir dis-
kutiert hat und immer darauf achtete, dass die entwickelten Lösungen auch ihre
Relevanz im praktischen Einsatz behielten.
...Clemens Wagner dafür, dass er zu jeder Zeit bei Problemen als Freund und Rat-
geber bereitstand, sei es bei der gemeinsamen Arbeit in der Arbeitsgruppe und bei
VRmagic oder auch im privaten Umfeld in unserer Freizeit.
...allen jetzigen und ehemaligen Mitarbeitern der VIPA-Arbeitsgruppe und der VR-
magic GmbH, ohne die ein so umfangreiches Projekt nicht durchzuführen gewesen
wäre: Stephan Diederich, Florian Beier, Holger Handel, Oliver Schuppe, Yang Yu-
ning,LiuBing,OlafKörner,JohannesGrimm,KlausRieger,KathrinStreichert,Ole
Jakubik, Stefan Sichler, Jan Hegner, Nikolaj Nock, Michael Schneider und Martin
Staiger.
...Andrea Seeger, Christiane Glasbrenner und Dina Geppert für ihre Hilfe beim Um-
gang mit den oft unverständlichen Verwaltungsvorgängen einer Universität und ein
offenes Ohr für Gesprächsthemen jenseits der Informatik.
...Nina Wolfram und Sabrina Muttarrusso für das Korrekturlesen und die moralische
Unterstützung.
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