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Framos Optisches Tracking-System zur 3D-Lageerkennung von Objekten

| Autor / Redakteur: / Kathrin Schäfer

Immer mehr Anwendungen in der Medizintechnik benötigen präzise Informationen über die Positionierung von Objekten im dreidimensionalen Raum. Framos Imaging Systems hat deshalb ein echtzeitfähiges Optisches Tracking-System (OTS) entwickelt.

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Das OTS im Einsatz: Es kann Operateure überall dort unterstützen, wo chirurgisches Werkzeug im Körperinneren möglichst genau lokalisiert werden muss.
Das OTS im Einsatz: Es kann Operateure überall dort unterstützen, wo chirurgisches Werkzeug im Körperinneren möglichst genau lokalisiert werden muss.
( © Carsten Kattau - Fotolia)

Bildgebende Verfahren sind aus dem medizinischen Alltag und speziell aus der Diagnostik nicht mehr wegzudenken. Doch etablierte Verfahren wie konventioneller Ultraschall benötigen meist ein hohes Maß an Erfahrung des behandelnden Arztes zur Interpretation der angezeigten Daten. Mit seiner OTS-Technologie stellt Framos Medizintechnikunternehmen nun eine Technologie zur Verfügung, mit der sich konventionelle medizinische Verfahren zu 3D-Applikationen aufrüsten lassen, wobei der behandelnde Arzt die bereits gewohnte Handhabung beibehalten kann. Gleichzeitig erhält er jedoch wesentlich umfangreichere Diagnosedaten.

Konventionelle Ultraschallgeräte von 2D auf 3D aufrüsten

Ein mögliches Anwendungsfeld: dreidimensionale Aufnahmen mit konventionellem 2D-Ultraschall. Mit der OTS-Technologie können herkömmliche 2D-Ultraschallgeräte einfach und kostensparend auf 3D aufgerüstet werden, ohne dass sich das Medizinpersonal bei der Handhabung des Geräts umgewöhnen muss. Dies geschieht, indem auf dem Ultraschallkopf flache Marker angebracht werden. Durch Nachverfolgung der Marker liefert das OTS Informationen zur Position und Orientierung des Ultraschallkopfs im Raum. Dies dient als Basis zur Berechnung von 3D-Modellen aus den zweidimensionalen Aufnahmen des Ultraschalls und findet beispielsweise in der Gefäßchirurgie Anwendung.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel: OTS kann Operateure überall dort unterstützen, wo chirurgisches Werkzeug im Körperinneren möglichst genau lokalisiert werden muss. Beispiele sind etwa minimal-invasive Eingriffe wie Biopsien. Das Handstück einer Biopsie-Nadel wird dabei mit Markern versehen, so dass das Tracking-System die genaue Position und Lage der Nadelspitze im Körper bestimmen kann. Zusätzlich können unterschiedliche Zonen definiert werden, in denen Operateure sicher arbeiten können oder in denen erhöhte Vorsicht geboten ist.

Chirurgisches Werkzeug bei Operationen genau lokalisieren

Der hohe Genauigkeitsgrad des OTS trägt vor und während invasiver medizinischer Eingriffe maßgeblich zur Fehlervermeidung bei. Durch die robuste Algorithmik werden selbst bei einer teilweisen Verdeckung des Sichtbereiches oder Objektokklusion im Messvolumen zuverlässig Posen berechnet.

Grundsätzlich kann die OTS-Technologie bei allen Problemstellungen angewandt werden, bei denen die Position und die Orientierung von Objekten im Raum präzise bestimmt werden müssen. Die Messung dieser Parameter ist unabhängig von bestimmten Mustern oder Merkmalen auf der Oberfläche des Objekts.

Grundlage der Technologie ist die Überlegung, dass die Position und Lage eines spezifisch markierten Objektes im dreidimensionalen Raum mit einer kamerabasierten Stereo-Bildverarbeitungslösung verfolgt werden kann. Das hochauflösende Tracking-System ist dabei nicht statisch, sondern kann den Gegebenheiten angepasst werden. Auf dem zu untersuchenden Objekt wird eine beliebige Anzahl von Markern in Form von kreisrunden selbstklebenden und reflektierenden Folien angebracht. Ein Teaching-Algorithmus ermöglicht eine schnelle Identifikation des Objektes anhand seiner Markierungen. Mit den beiden Kameras des Stereo-Vision-Systems kann das Objekt im Raum lokalisiert werden. Dabei erfolgt die Messung in Echtzeit mit 25 Messungen in der Sekunde und einer Genauigkeit von 20 µm RMS in einem Beispielvolumen von 400 x 400 x 300 mm³. Das OTS kann außerdem an unterschiedliche Messvolumina und Genauigkeitsanforderungen angepasst werden.

Gegenüber den weitverbreiteten Verfahren auf Basis sphärischer Marker unterscheidet sich die Framos-Technologie im Wesentlichen dadurch, dass das OTS die Geometrie und somit auch die Handhabung des zu trackenden Werkzeugs nicht verändert. Die flachen, selbstklebenden Framos-Marker werden willkürlich auf der gesamten Geometrie der Objekte verteilt, dann kann mit der Objektverfolgung begonnen werden. Dadurch kann das System eine partielle Verdeckung von einzelnen Markern ausgleichen, während handelsübliche Systeme die Messung meist unter- oder sogar abbrechen müssen.

Weiterhin können, im Gegensatz zu elektromagnetischem Tracking, negative Einflüsse intuitiv vom Nutzer erkannt und abgestellt werden, etwa wenn ein Teil der angebrachten Marker nicht im Sichtfeld der Kameras ist. Darüber hinaus ergeben sich bei der optisch basierten OTS-Technologie keine Resonanzkomplikationen durch elektronische Schwingungen, sodass beispielsweise auf Herzschrittmacher keine Rücksicht genommen werden muss. Die praktische Handhabung für die einsetzenden Ärzte ist damit unkompliziert und ermöglicht genaue Diagnoseergebnisse auf 3D-Basis. ks

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