Miniaturisierte Bildsensoren für medizinische Instrumente (T08)

• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2011 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5483261

Ziel des vorgeschlagenen Transferprojektes ist es, die im Teilprojekt I4 entwickeltenMethoden zur 3D-Verarbeitung von endoskopischen Bildern aus der robotergestütztenminimal-invasiven Chirurgie unter Nutzung von Mikrokameras dahingehend zu erweitern,dass konventionelle chirurgische Instrumente zu (redundanten) endoskopischenStereokameras werden. Dieser Ansatz erlaubt - neben der Erzeugung eines großenBlickfelds für den Arzt - eine hoch präzise intraoperative Navigation und außerdem dieexakte Rekonstruktion der Oberfläche des Operationssitus.Konkret soll ein universell einsetzbares und modulares 3D-Kamerasystem mit integrierterBeleuchtungseinheit entwickelt werden, das direkt auf bestehende chirurgische Instrumenteaufgebracht werden kann. Neben der möglichst kompakten Bauform sinddie Eignung für die industrielle Fertigung, Wiederverwendbarkeit und Sterilisierbarkeitwesentliche Anforderung an die Entwicklung. Die algorithmische Methodik für Bildvorverarbeitungund 3D-Modellbildung, welche im Projekt I4 bereits bereitgestellt wurde, soll dahingehend erweitert werden, dass (i) eine Beleuchtungssteuerung möglich ist, (ii)redundante Sensorik (drei oder mehr Bildsensoren) für die Rekonstruktion genutzt und(iii) eine Blickwinkelanpassung durch Kombination der redundanten Sensoren erfolgenkann. Ferner sollen die in I4 gewonnenen Erfahrungen in der Instrumentensensorisierungmittels Dehnmessstreifen zur laufenden Kalibrierung der Kameras genutzt werden(diese finden sich typischerweise auf den sich während der Nutzung verformenden Instrumentengreifern).Das Stereo-Korrespondenzproblem war bislang im Falle schwach strukturierter Organoberflächennicht zufriedenstellend lösbar. Durch die geringen Abmessungen der Sensorenwird es nun erstmals möglich, eine (Laser-)Triangulation direkt in das Modul miteinzubringen und damit die Genauigkeit der Rekonstruktion dramatisch zu erhöhen.Durch den Einsatz redundanter Sensoren kann, wie erwähnt, die Auflösung gesteigert(bzw. der Blickwinkel vergrößert) werden, andererseits können durch Körperflüssigkeitenverschmutzte Sensoren automatisch erkannt, gereinigt oder adaptiv abgeschaltetwerden.Weiterhin soll das Modulsystem mit Werkzeugen wie Ultraschallsensoren, Tackern undeiner Zuleitung für Reinigungsflüssigkeit bestückbar sein. Anwendungsmöglichkeiten fürsolche neuartigen “sichtvermittelnden” Instrumente finden sich in großer Zahl sowohl fürrobotergestützte als auch für konventionelle Eingriffe. Für eine Kartierung des Situs undeine Erweiterung des endoskopischen Blickfeldes mittels “Mosaicing” einzelner Bilder,als auch für die Erstellung eines virtuellen Modells der Umgebung, werden die Datenmehrerer Sensoren und mehrerer Instrumentenmodule fusioniert. Weitere Beispielesind die Erhöhung der Ausführungspräzision bei robotergestützten autonomen Aktionenund die mikroskopische Bildgebung. Mikroskopische Aufnahmen (z.B. von Blutgefäßen)werden durch die geringe Brennweite der Sensoren von nur 6 mm ermöglicht. Nacheiner Registrierung mit einem herkömmlichen endoskopischen Bild bieten Sie einen erheblichenInformationsgewinn für den Arzt. Auch das Hantieren mit und Greifen vonflexiblen Strukturen wie Fadenmaterial kann erheblich präziser durchgeführt werden, daeine optisches Lokalisierung direkt vom Greifgerät aus möglich wird.

• DFG Programme: Collaborative Research Centres (Transfer Project)
• Subproject of: SFB 453: High-Fidelity Telepresence and Teleaction
• Applicant Institution: Technische Universität München (TUM)
• Project Head: Professor Dr.-Ing. Alois Knoll