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IAPG: Projekte

Projekt „Entwicklung eines Zweikamerasystems mit optimiertem Abbildungsmodell zur 3D-Navigation in der computergestützten Chirurgie“

AGIP-Projekt von T. Luhmann, R. Riede

Projektbeschreibung

Seit mehreren Jahren werden optische Navigationssysteme in der computergestützten Chirurgie eingesetzt, um die räumliche Position von Patient und Operationswerkzeugen zu ermitteln. Einsatzschwerpunkte sind Einbau künstlicher Knie- und Hüftgelenke, aber auch Operationen im Schulterbereich, am Rückenmark oder im Gehirn werden durch Navigation unterstützt. Dadurch kann zum Einen die Planung einer Operation präzise durchgeführt werden, zum Anderen kann die Umsetzung der Planungsdaten während der Operation sichergestellt werden, sofern die anatomischen Umstände und der individuelle Operationsverlauf dies zulassen.

Die eingesetzten Messsysteme bestehen aus zwei Videokameras, die fest auf einer gemeinsamen Basis angebracht sind und das Operationsfeld beobachten. Im Messfeld befinden sich einer oder mehrere Gruppen von Messpunkten, die z.B. fest am Knochen oder an einem Operationswerkzeug angebracht sind. Diese fest in einem lokalen Koordinatensystem kalibrierten Punkte bilden einen sogenannten Lokator (Abb. 1). Die räumliche Lage und Ausrichtung des Lokators wird photogrammetrisch über die zwei kalibrierten und orientierten Kameras berechnet.

Handtaster

Abb.1: Lokator der Firma Axios 3D Services

Diese bisher eingesetzte Lösung weist einige gravierende Nachteile auf: Die erreichte Messgenauigkeit im 3D-Raum bestimmt vorrangig die Qualität des korrekten Einbaus eines Implantates. Aktuelle Untersuchungen an marktgängigen Systemen haben gezeigt, dass die von den Herstellern angegebenen Genauigkeitsangaben nicht eingehalten werden. Für den praktischen Anwendungsfall des Einbaus künstlicher Knie- und Hüftgelenke erreichen bisherige Stereomesssysteme Genauigkeiten im Bereich zwischen 0.5mm und 3mm im Objektraum, während eine etwa um den Faktor 3 höhere Messgenauigkeit verlangt wird. Nach den Richtlinien des Medizinproduktegesetzes sowie einschlägiger CE-Verfahren ist zumindest in Frage gestellt, ob die bisher eingesetzten Systeme mit diesen Eigenschaften weiterhin eingesetzt werden dürfen.

In Kooperation mit der Firma AXIOS 3D Services soll daher in diesem Projekt das Messsystem (CamBar) verbessert werden. Die aktuelle Version von CamBar (Abb. 2) weisst eine Streckenmessgenaugigkeit von 0.3 mm, in einem definiertem Messvolumen auf. In diesem Projekt soll CamBar vor allem durch folgende Maßnahmen optimiert werden:

CamBar

Abb. 2: optisches Messsystem "CamBar" der Firma Axios 3D Services

  • Verwendung hochauflösender Bildsensoren
  • weitgehende Eliminierung sämtlicher analoger Verarbeitungsschritte (z.B. Signalübertragung)
  • optimierte mechanische Konstruktion (invariant gegenüber Temperatur oder anderen äußeren Einflüssen)
  • optimierte photogrammetrische Abbildungsverhältnisse (z.B. Höhen-Basis-Verhältnis)
  • verbessertes Sensor- und Verzeichnungsmodell (Kameramodell)

Schwerpunkt der Untersuchungen sind Arbeiten auf dem Gebiet der Sensor- und Objektivmodellierung. Hier gilt es, die am IAPG entwickelten Methoden zur Kameramodellierung (Luhmann & Tecklenburg 2000, Hastedt et al. 2002) weiterzuentwickeln und auf den Sonderfall der Zweikameralösung zu adaptieren. Wesentlicher Problempunkt ist dabei die Frage, wie das System kalibriert (Werkskalibrierung, On-the-job-Kalibrierung) und welches Gütekriterium zur Beurteilung des Ergebnisses herangezogen werden kann. Spezielle Probleme der Erfassung und Beschreibung der Objektivfehler, insbesondere der Verzeichnung, sollen durch Zusammenarbeit mit dem Labor für Technische Optik am Standort Wilhelmshaven der Jade Hochschule genauer untersucht werden.

 

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