N3: Sensorgestützte Echtzeiterfassung und Modellierung von Deformationen solider Organe   

Projektleiter: Meinzer, Rassweiler
Betreuer: Maier-Hein, Teber  

Fragestellung des Projekts  

Grundlegende Voraussetzung für Augmented-Reality (AR) bzw. Navigated Control in der Medizin ist die schritthaltende Registrierung eines Organs während der Operation mit den Bilddaten. Nur auf diese Weise können inkorrekte Lagebestimmungen von Strukturen, die unter anderem durch die Organdeformation bei der chirurgischen Manipulation entstehen, vermieden werden. Durch das virtuelle Sichtbarmachen verdeckter, relevanter anatomischer Strukturen in Relation zu den chirurgischen Instrumenten können anatomische Strukturen wie Tumore oder Gefäße sicherer entfernt bzw. geschützt werden.  

Ziele, Arbeitsprogramm und Methoden  

Ein Hauptziel ist die Adaption des bereits entwickelten Navigationskonzepts für weitere medizinische Interventionen wie z.B. die laparoskopische Teilresektion der Niere oder Leber, sowie die Evaluation des Systems in der klinischen Routine. Die bestehenden technologischen Grundlagen eignen sich prinzipiell zur Unterstützung einer Vielzahl chirurgischer Eingriffe im Bereich der Weichgewebechirurgie, sie müssen jedoch für den jeweiligen Einsatz angepasst werden. Aufgabe des medizinischen Promovenden ist hierbei zum einen eine Analyse des Workflow und der Besonderheiten der jeweiligen chirurgischen Interventionen, zum anderen die Konzeptionierung, Durchführung und Evaluation geeigneter Tier- und Heilversuche. Aufgabe des Ingenieurs/Informatikers ist hierbei die Anpassung der Methoden und Algorithmen zur Planung der Navigationsziele, sowie zur Übertragung der Navigationsziele auf den Patientensitus während des jeweiligen Eingriffs. Ein Schwerpunkt der technischen Innovation während der zweiten Förderphase des Graduiertenkollegs ist die Nutzung der Möglichkeiten moderner HDTV Endoskopiesysteme für das Navigationskonzept. 

Ein Schwerpunkt der technischen Innovation während der zweiten Förderphase des Graduiertenkollegs ist die Nutzung der Möglichkeiten moderner HDTV Endoskopiesysteme für das Navigationskonzept. Die Herausforderung dabei ist die Echtzeitverarbeitung der erheblich höheren Datenmengen. Weiterhin zeigte die Forschung der vergangenen Jahre viel versprechende, neue Ansätze für den intraoperativen Umgang mit Deformationen des Weichgewebes in Echtzeit.

Die bestehenden Grundlagen zur Erkennung von Organbewegungen und -deformationen soll dahingehend erweitert werden, dass auch eine Kompensation der Deformationen möglich ist, um auch für deformierte Organe eine Registrierung aufrecht halten zu können. Hierfür soll das Navigationskonzept um Verfahren zur Analyse von intraoperativen Ultraschalldaten, von stereoskopischen Endoskopiedaten und von  anderen intraoperativen Bildgebungsdaten (3D C-Bogen) erweitert werden. Dabei konzentriert sich die Forschung des Projekts N3 auch weiterhin auf die Schaffung von Methoden zur Computerassistenz für laparoskopische Weichgewebeeingriffe und deren Integration in den chirurgischen Arbeitsablauf. Hierbei stellt der da Vinci^®-Telemanipulator (Intuitive Surgical, Sunnyvale, CA, USA) eine geeignete Plattform dar.   

Technisches Dissertationsthema  

Ziel dieses Projekts ist die Erweiterung des bestehenden Navigationskonzepts um fortgeschrittene Verfahren zur Kompensation von Organdeformationen. Hierfür soll das System um weitere Komponenten aus den Bereichen der intraoperativen Bildgebung und Verarbeitung, wie beispielsweise 3D Ultraschall, 3D-C-Bogen und High-Definition-Endoskopie ergänzt werden. Zur Erweiterung der Einsatzgebiete des Navigationskonzepts soll das System in den da Vinci Telemanipulator integriert werden.    

Medizinisches Dissertationsthema   

Auf medizinischer Seite sollen die Einsatzgebiete des Navigationskonzepts auf weitere laparoskopische Interventionen erweitert werden. Hierfür sollen geeignete Tier- und Heilversuche von den medizinischen Doktoranden konzeptioniert, durchgeführt und evaluiert werden. Neben der medizinischen Evaluation des Navigationsansatzes im klinischen Umfeld liegt das Hauptaugenmerk des medizinischen Promovenden auf der experimentellen Evaluation der erweiterten Komponenten zur Kompensation von Organdeformationen, sowie der Konzeption und Evaluation von Methoden zur Interaktion des Chirurgen mit den Computer-Assistenzsystem.   

Verknüpfungen von N3 mit anderen Projekten des GRK   

• Projekt M1 und N1: Verwendung gemeinsamer Softwaremodule aus dem Medical Imaging Interaction Toolkit (MITK), Zusammenarbeit bei der Entwicklung und Nutzung von Navigationshilfen und Trackingkomponenten
• Projekt M1 und T1: Verwendung gemeinsamer Softwaremodule aus dem Medical Imaging Interaction Toolkit (MITK), Zusammenarbeit bei der Nutzung von Augmented Reality - und anderen Visualisierungsmöglichkeiten
• Projekt M2: Zusammenarbeit bei der Verarbeitung von endoskopischen Videobildern, Gemeinsame Nutzung der Informationen bei der Echtzeiterfassung von Deformation
• Projekt M1, T1, M2: Gemeinsame Nutzung des da Vinci^® Surgical Systems  

Folgt demnächst.

7/2011cg