T2: Intraoperative Bewegungssynchronisation von Instrumenten bei robotergestützten Operationen am schlagenden Herzen  

Projektleiter: Hanebeck, Szabo

Fragestellung des Projekts  

Um dem Chirurgen bei robotergestützten minimal invasiven Operationen am schlagenden Herzen zu unterstützen, wäre es sehr hilfreich, wenn sich die chirurgischen Instrumente mit dem Interventionspunkt autonom synchronisieren. Bei der visuellen Darstellung des Interventionsgebietes soll der Chirurg den Eindruck bekommen, an einem stillstehenden Herz zu operieren.

Ziele, Arbeitsprogramm und Methoden

Das Ziel ist es, den Chirurgen mit einem robotergestützten System bei minimal invasiven Operationen zu unterstützen. Zuerst muss eine genaue Bewegungssynchronisation von Instrumenten mit dem korrespondierenden Interventionsareal gewährleistet werden. Dafür muss das existierende mathematische Herzbewegungsmodell erweitert und verbessert werden um die Adaption des Modells auf jeden Patienten zu ermöglichen. Die Geometrieanpassung des Modells soll durch gitterfreie Methoden (engl.: mesh-free) erreicht werden.

Da zurzeit die Herzanregung für das mathematische Modell als bekannt vorausgesetzt wird, soll ein Anregungsmodell entworfen werden, das den Herzzyklus mit berücksichtigt. Weiterhin sollen die erforderlichen patientenspezifischen Parameter des Herzens bestimmt und durch die Parameterschätzung während der Operation angepasst werden. Um die Schätzung der Herzbewegung am Interventionspunkt zu verbessern, soll neben dem zurzeit verwendeten Stereokamerasystem, der Einsatz von mechanischen Sensoren, z.B. Beschleunigungs-, Kraft- oder Positionssensoren, untersucht werden. Diese Sensoren haben den Vorteil einer direkten Messung. Zudem sind sie nicht durch Verdeckungen und Verschmutzungen beeinträchtigt. Mit Hilfe der Beschleunigungssensorik könnte im Zusammenspiel mit dem Modell bereits intraoperativ eine Vitalitäts- und Herzfunktionsdiagnostik durchgeführt werden. Auch postoperativ könnte man dies nutzen, um z.B. Aussagen über den Verlauf der Rehabilitation zu machen. Eine wesentliche Erweiterung des Modells ist die Abschätzung der Auswirkung von chirurgischen Instrumenten auf das Gewebe.

Anschließend soll dem Chirurgen ermöglicht werden, das Interventionsareal mit den für die Operation wichtigen Merkmalen virtuell stillstehend zu betrachten. Dafür soll die 3D-Rekonstruktion vom Interventionsareal und die Bewegungsschätzung durchgeführt werden. Dabei wird die erwartete Auslenkung sowie die Unsicherheit des Schätzers über die Herzbewegung in der visuellen Darstellung gekennzeichnet. Von medizinischer Seite her sollen durch den Einsatz medizinischer Messverfahren, wie 3-D-Echokardiografie, CT, Flussmessung und EKG die Herzparameter und Gefäßstrukturen ermittelt werden, welche in das Modell als Eingangsdaten integriert werden können. Das entwickelte Herzmodell soll in Phantom- und Tierversuchen verifiziert werden.

Technisches Dissertationsthema  

Ziel der technischen Promotionsarbeit ist die Entwicklung der modellbasierten Zustands- und Parameterschätzung der Herzoberflächenbewegung zur Bewegungssynchronisation von Instrumenten. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Erstellung eines adaptiven Modells, das intraoperativ an jeden Patienten anpassbar ist und den Herzzyklus berücksichtigt. Weiterhin soll die Synchronisation der visuellen Darstellung der Operation mit der Herzbewegung erfolgen. 

Medizinisches Dissertationsthema  

Ziel der medizinischen Promotionsarbeit ist die Evaluierung der modellbasierten Schätzung in medizinischen Experimenten mit dem Einsatz von bildgebenden medizinischen Messverfahren. Außerdem soll untersucht werden, wie die patientenspezifischen Herzparameter medizinisch bestimmt werden können.

Verknüpfungen von T2 mit anderen Projekten des GRK   

• Projekt P2: Modellbasierte Analyse des linken Ventrikels, gemeinsame Ermittlung von Herzparametern
• Projekt T1: Einbeziehung von Organbewegungsmodellen in die präoperative Planung  

In Bearbeitung