Instrument- und Zielfindung in medizinischen Anwendungen mit Hilfe miniaturisierter, mobiler ...

195 Pages·2014·21.21 MB·German

by  Martin Hoßbach

Integrierte miniaturisierte Kameras zur
Instrument- und Zielfindung in medizinischen
Anwendungen
vom Fachbereich Informatik
der Technischen Universität Darmstadt
genehmigte
DISSERTATION
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
von
Dipl.-Inform. Martin Hoßbach
geboren in Frankfurt am Main
Referenten der Arbeit: Prof. Dr.-Ing. Georgios Sakas
Technische Universität Darmstadt
Prof. Dr. techn. Dieter W. Fellner
Technische Universität Darmstadt
Tag der Einreichung: 17.03.2014
Tag der mündlichen Prüfung: 18.06.2014
Darmstädter Dissertation
D 17
Darmstadt, 2014
Rev. 123268e 2014-07-01 15:28:28 +0200
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Erklärung zur Dissertation
Hiermit versichere ich, die vorliegende Dissertation selbständig und nur mit den angegebenen Quellen
und Hilfsmitteln angefertigt zu haben. Alle Stellen, die aus Quellen entnommen wurden, sind als solche
kenntlich gemacht. Diese Arbeit hat in gleicher oder ähnlicher Form noch keiner Prüfungsbehörde
vorgelegen.
Martin Hoßbach
Darmstadt, 17.03.2014
iii

Any sufficiently advanced technology is indistinguishable from magic.
Arthur C. Clarke
v

Vorwort
DievorliegendeArbeitentstandwährendmeinerZeitalswissenschaftlicherMitarbeiterinderAbteilung
„Cognitive Computing and Medical Imaging“ am Fraunhofer-Institut für Grafische Datenverarbeitung
IGD in Darmstadt. Ich möchte mich an dieser Stelle bei allen Personen bedanken, die zum Gelingen
dieser Arbeit beigetragen haben.
Besonderer Dank gilt meinem ehemaligen Abteilungsleiter und Doktorvater Herrn Prof. Dr.-Ing.
Georgios Sakas für die Überlassung des Themas und die Betreuung der Arbeit sowie für seine
Projektauswahl, die den Inhalt dieser Arbeit maßgeblich beeinflusst hat. Ebenso gilt mein Dank dem
Institutsleiter Herrn Prof. Dr. techn. Dieter W. Fellner für die Unterstützung und seine Arbeit als
Korreferent.
Ebenfalls danken möchte ich meinen ehemaligen Kollegen und Vorgesetzten am Fraunhofer IGD:
Herzlichen Dank an meinen Abteilungsleiter Dr. Stefan Wesarg, der mich in den letzten zwei Jahren
meiner Promotion unterstützt hat. Meinem Zimmernachbarn, Dr. Matthias Keil, danke ich für die
sehr freundschaftliche Atmosphäre, ein neues Hobby, viele Fachgespräche und diverse motivierende
Tritte in den Hintern. Dr. Klaus Drechsler, Cristina Oyarzun Laura und Dr. Marius Erdt haben mich
mit verschiedenen Freizeitaktivitäten freundlicherweise von der Arbeit abgehalten, dennoch aber den
Fortschritt dieser Dissertation kritisch überwacht. Vielen Dank dafür.
Kapitel 3 wäre nicht möglich gewesen ohne die Unterstützung von Dr. Johannes Gregori und Prof. Dr.
Matthias Günther im Rahmen des BMBF-Nachwuchsgruppenprojekts „Physiologische MR-Bildgebung
während der Thrombolyse von akuten Schlaganfall-Patienten” an der Uniklinik Mannheim, wofür ich
mich herzlich bedanke. Für die Unterstützung bei der Evaluierung des Trackingsystems bedanke ich
mich bei Vitali Dejkun und Dominik Schäfer vom Institut für Produktionsmanagement, Technologie
und Werkzeugmaschinen (PTW) an der Technischen Universität Darmstadt.
Weiterhin danken möchte ich den Ärzten, die mein Navigationssystem in Kapitel 4 evaluiert haben,
nämlich Diana Rössel, Hanna Rohlfing, Dr. med. Alexander Steinmetz und Dr. med. Janine Ender.
Außerdem danke ich meinem Kollegen Matthias Noll für die technische Unterstützung bei der
Anbindung des Ultraschallgeräts.
VerschiedeneStudentenundPraktikantenhabengrößereundkleinerBeiträgezudieserArbeitgeleistet,
und zwar, in alphabetischer Reihenfolge: Pooja Das, Felix Gündling, Azam Sadat Ghassemi Hosseini,
Alexander Kaisler, Kai Kratz, Pia Weiss und Johanna Wenzel. Besonders bedanken möchte ich mich
an dieser Stelle natürlich bei Sébastien Wagener. Für konstruktive Kritik, Rechtschreibkorrektur und
Kommentare danke ich Dr. Peter Selby, Laura Stoppok und meiner Mutter Gabi Hoßbach. Außerdem
nicht unerwähnt bleiben soll die Unterstützung durch Marthe Kaufholz, Wolfgang Schotte, Ingrid
Bechtold und ihr Team, Cornelia Kurkowski, Reiner Weber, Tim Jekewitz und verschiedene namenlose
Probanden.
Abschließend danke ich allen Freunden, meiner Familie und meiner Frau Janine Ender, die in den
vergangenen Jahren unter dieser Arbeit und meinen damit im Zusammenhang stehenden Launen
leiden mussten.
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Zusammenfassung
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 Trackingver-
fahren, 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 Tracking-
systeme 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 Trackingsys-
temen 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
dieStrukturen,dieimKamerabildsichtbarsind,unterschiedlichsind.EntsprechendeKalibrierphantome
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.
WeiterhinwurdeeinNavigationssystemfürdieultraschallgesteuertePunktionentwickelt.DerArztwird
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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