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Konzeption und Entwicklung einer robotergestützten und ultraschallbasierten Lokalisationskontrolle
(2018)
Mit Hilfe der Image Guided Therapy wird versucht die Bestrahlung von Tumoren mittels
Bildgebung zu verbessern und die Nebenwirkungen durch die Bestrahlung für den
Patienten zu minimieren. Diese Arbeit verfolgt den Ansatz Ultraschall als echtzeitfähige
Bildverarbeitungsmodalität zu nutzen und darüber eine Lokalisationskontrolle
von Tumoren während der Bestrahlung zu ermöglichen.
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung und Implementierung eines Gesamtkonzeptes
zur ultraschallbasierten und robotergestützten Lokalisationskontrolle. Ergebnis der
Arbeit ist eine auf dem medizinischen Bildverarbeitungsprogramm MITK basierte Applikation.
Diese erlaubt es ein 2D Ultraschallbild über ein Tracking-System oder den
Roboter zu referenzieren und mit registrierten Planungsdaten überlagert darzustellen.
Die Darstellung ist dabei in quasi Echtzeit sowohl in 2D als auch in 3D möglich. Zur
Registrierung wurde ein optisches Tracking-System verwendet, welches über einen eigens
neu entwickelten Filter mit dem Roboter verknüpft werden kann. Weiter lässt
sich aus der Applikation heraus der Roboter steuern und es können automatisierte
Scanverfahren genutzt werden, um mit Hilfe eines 2D Ultraschallkopfes ein 3D Ultraschallbild
zu erstellen. Die Anwendung knüpft an bestehenden Funktionen an und
erlaubt es künftigen Nutzern die neu erstellten Komponenten auch getrennt voneinander
weiter zu verwenden. Dazu gehören Filter für die Zuordnung der Ultraschallbilder,
sowie ein Filter zum Kombinieren von verschiedenen Tracking-Systemen, als auch die
Möglichkeit den Roboter zu nutzen.
Entwicklung eines haptischen Interfaces für die roboterassistierte Ultraschallbildakquisition
(2021)
Motivation:
Die Bedienung eines Roboters bei einer roboterassistierten Ultraschallbildakquisition
zur Lagekontrolle eines Tumors während einer Strahlentherapie ist mit einem groÿen
Aufwand verbunden. Eine externe Applikation oder ein externes Bediengerät ist dazu
notwendig. In dieser Arbeit wird die intuitivere Möglichkeit erforscht, dem Roboter
Befehle durch Berührungen zu erteilen. Für eine solche Gestensteuerung wird anhand
von Sensordaten eines sensitiven Leichtbauroboters bewertet, inwieweit eine Steuerung
durch ein haptisches Interface umsetzbar ist und dafür ein Klassifikator entwickelt.
Methodik:
Die Erhebung der Sensordaten erfolgte an einem KUKA LBR-iiwa7-800 Roboter. Es
wurden acht repräsentative Gesten für ein haptisches Interface definiert. Diese Gesten
wurden an verschiedenen Roboterposen von Probanden ausgeführt, während Sensordaten
erhoben wurden. Die Messungen wurden im statischen Zustand des Roboters
und im Impedanzmodus des Roboters durchgeführt, da mithilfe des Impedanzmodus
die Atemkompensation während einer Ultraschallbildakquisition realisiert wird. Die
Messdaten wurden in Matlab ausgewertet.
Ergebnisse:
Vier der definierten Gesten sind allein durch Bestimmung der kartesischen Kräfte x, y z
detektierbar und voneinander unterscheidbar. Diese vier Gesten sind Gesten, die durch
Berührung am Tool (Ultraschallkopf) oder Toolnähe (Roboterhand) ausgeführt werden.
Die Unterscheidung von Gesten, die am Roboterellenbogen ausgeführt wurden,
ist anhand der kartesischen Kräfte nicht möglich. An Roboterposen, die singularnahe
oder singulare Achsstellungen aufweisen, ist eine Detektion von Gesten ebenfalls problematisch.
Ansonsten ist eine Detektion posen- und nutzer-unabhängig durchführbar.
In Messungen während einer Atemkompensation wurden diese Gesten ebenfalls richtig
detektiert.
Fazit:
Ein haptisches Interface für roboterassistierte Ultraschallbildakquisition ist realisierbar
für Gesten, die am Roboter in der Nähe des TCPs ausgeführt werden. Für die Detektion
und Klassifizierung dieser Gesten ist die Krafteinschätzung am TCP ausreichend.
Ultraschallelastographie (USE) ist ein bildgebendes Verfahren, mit dem die Ausbreitung mechanischer Scherwellen, die durch externe Schwingungen in den menschlichen Körper eingekoppelt werden, mittels Ultraschall gemessen und dargestellt werden kann. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Scherwellen steht dabei in einem direkten qualitativen Zusammenhang zu den elastischen Eigenschaften des Gewebes. Als apparative Palpation wird die transiente USE daher in der medizinischen Diagnostik bereits eingesetzt, denn viele Krankheiten, wie z.B. die Leberfibrose, gehen mit einer Veränderung der elastischen Kenngrößen der betroffenen Gewebe einher. Das im Rahmen dieser Arbeit weiter entwickelte USE-Diagnosesystem unterscheidet sich von der transienten USE dadurch, dass die angewandten Scherwellen zeitharmonisch sind und aus mehreren überlagerten Frequenzkomponenten bestehen. Um die Auswertung zu objektivieren und die Performance zu steigern wurde die bisherige interaktive retrospektive Auswertungsmethode durch einen vollautomatischen Algorithmus ersetzt. Dazu war es notwendig, manuelle Aussortierung schlechter Messungen ebenfalls zu automatisieren. Auf dieser Basis wurde zusätzlich ein Echtzeitauswertungsalgorithmus entwickelt, um erstmals unmittelbar während einer Untersuchung Resultate der Leberelastizitätsmessungen auszugeben. Die neuen Algorithmen wurden mit Softwarephantom, Rinderleberproben und gegenüber der Magnetresonanz-Elastographie (MRE) als Referenzmethode validiert. Es hat sich gezeigt, dass die vollautomatisch ermittelten Elastizitätsergebnisse mit denen der MRE gut übereinstimmen und die Performance gegenüber der bisherigen Auswertung deutlich gesteigert wurde. Nachfolgend wurden diese Algorithmen erfolgreich in einer Pilotstudie an gesunden Freiwilligen eingesetzt.
Ultraschallbildgebung ist ein in der Medizin häufig verwendetes Verfahren zur Diagnostik und Verlaufskontrolle. Ultraschall bietet vor allem eine große Weichteilauflösung bei gleichzeitig niedrigen Kosten, erfordert aber vom Anwender ein großes Maß an Erfahrung. Aufgrund vieler Artefakte und Verzerrungen in Ultraschallbildern ist die Bildqualität der Bilder deutlich geringer, als die derer, die mittels Magnetresonanztomographie erstellt werden können. Deshalb arbeiten viele verschiedene Forschungsgruppen an der Verbesserung der Modalitäten und Datensätze im Zusammenhang mit Ultraschallbildgebung. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines robotergestützten Ultraschalltomographen. Das Gerät ist in der Lage tomographische Bildserien von Phantomen und Weichgewebe zu erstellen, die anschließend dreidimensional visualisiert werden können.