Über das Projekt
| Projektart | öffentliche Förderung (MIWF, FH-Basis 2012) |
| Laufzeit | > 5 Jahre (laufend) |
Wie auch in zahlreichen Veröffentlichungen, Studien und Positionspapieren [VDE/DGBMT] aufgezeigt, nehmen assistive Technologien in der Medizin und Chirurgie einen immer größeren Stellenwert ein. Die 3D-Endoskopie, auf dem Markt mit ein paar wenigen Produkten bereits verfügbar, zählt zu diesen Technologien, die durch das dreidimensionale Sehen dem Chirurgen eine optimierte Handhabung der Instrumente ermöglicht. Der Fokus aktueller Forschungsgruppen geht aber noch über der reinen 3D-Visualisierung hinaus [DRL: Medizinische Assistenzsysteme, TU München: SFB 453 Wirklichkeitsnahe Telepräsenz und Teleaktion]. Zukünftige Systeme werden den Chirurgen durch gezielte computergestützte Zusatzinformationen unterstützen oder gar (semi-) autonom Teilaufgaben übernehmen, um entweder zur Entlastung Routinearbeit zu erledigen oder präzisere Manipulationen durchzuführen. Dieser Entwicklungsschritt stellt den Übergang von der reinen Visualisierung bis hin zur OP-Robotik dar.
Voraussetzung derartiger innovativer Assistenzsysteme ist u.a. die exakte räumliche Vermessung des Arbeitsbereiches des Endoskops, z.B. im Bauchraum. Dieser beinhaltet Gefäße, Organe, krankhafte Veränderungen/Objekte oder auch medizinische Instrumente. Das 3D-Endoskop kann aber prinzipiell nicht nur eine stereoskopische Tiefenwahrnehmung für den Operateur leisten. Mit Hilfe von Methoden der Stereobildverarbeitung, wie im industriellen Alltag bereits etabliert, kann aus den Bilddaten der beiden Optiken des 3D-Endoskops (der Stereokamera) die dritte Dimension rekonstruiert werden. Man ist damit in der Lage das Endoskop zusätzlich als Messinstrument für die räumliche Lage von Objektpunkten zu erweitern. Erste Forschungsansätze zur 3D-Rekonstruktion [FH Reutlingen/IFA: Messendes 3D-Endoskop] und die damit verbundenen Assistenzsysteme gibt es bereits, marktfähige Realisierungen und Produkte im medizinischen Umfeld lassen jedoch noch auf sich warten. Hier sind noch erhebliche Forschungsanstrengungen nötig, wofür das beschriebene Forschungsprojekt seinen Beitrag liefern soll. Die Performance aktueller embedded Prozessoren verspricht jedoch eine echtzeitfähige Implementierung von Live-Stereobildverarbeitung und damit die Realisierbarkeit medizinischer Produkte.
Gegenstand der geplanten Forschungsaktivitäten ist zum einen die echtzeitfähige 3D-Rekonstruktion in endoskopischen Bilddaten unter dem Gesichtspunkt zukünftiger Assistenzsysteme. Neben der Entwicklungsmethodik und den Algorithmen zur (Stereo-) Bildverarbeitung, spielt im Rahmen der angewandten Forschung auch die Implementierung der Verfahren auf produktnaher Hardware (embedded Prozessoren) eine Rolle, um die prototypische Reife demonstrieren zu können. Hierfür besteht noch großer Forschungs- und Entwicklungsbedarf. Im Folgenden seien exemplarisch zwei Applikationen beschrieben.
Eine mögliche Assistenzfunktion ist die Überlagerung (Augmentierung/Overlay) des 3D-Bildes mit virtuellen Zusatzinformationen. Dies können z.B. präoperative Daten aus anderen diagnostischen Untersuchungen sein, wie die Vermessung von Gefäßen und Gewebestrukturen, Organe oder zu lokalisierende Objekte/Anomalien mittels US/CT. Die eingebrachten Zusatzinformationen dienen der Orientierung und Navigation von Endoskop und Instrumenten und können so auch helfen, Verletzungen von empfindlichen Organstrukturen, wie Nerven und Blutgefäße zu vermeiden. Sind in einem anderen Fall durch Trübungen die optischen Sichtverhältnisse beeinträchtigt, so kann aus dem vom Computer berechneten 3D-Modell eine Darstellung für den Operateur erzeugt werden, in der teilweise virtuelle Objekte enthalten sind. Dies entspräche quasi in der Luftfahrt einem Blindflug mit Navigationshilfen. Zusatzinformationen müssen jedoch sicherlich stets so selektiert und präsentiert werden, dass der Operateur damit nicht überlastet wird.
Operative Eingriffe durch kleinste Öffnungen im Körper stellen sehr hohe Anforderungen an die Geschicklichkeit des Chirurgen bei der Handhabung der Instrumente. Vor der Einführung der 3D-Endoskopie begünstigte dies die Entwicklung innovativer Roboter-assistierter Systeme, welche die automatische Steuerung/Navigation und die stabilisierte intrakorpale Ausrichtung von Endoskop und Instrumenten im Arbeitsraum zum Ziel haben. In diesem Applikationsbeispiel steht die Positions- und Lageregelung im Vordergrund, welche wiederum eine akkurate 3D-Rekonstruktion über das messende 3D-Endoskop und der nachgeschalteten Stereosignalverarbeitung voraussetzt.
