Intraoperative Modellierung und Registrierung für ein laparoskopisches Assistenzsystem

Sebastian Röhl
2013
Die minimal-invasive Chirurgie stellt eine komplexe medizinische Disziplin mit zahlreichen Vorteilen für den Patienten dar, stellt Chirurgen allerdings auch vor neue Herausforderungen. Wünschenswert ist deshalb ein computergestütztes Assistenzsystem, das den Chirurgen unterstützt, indem es während des Eingriffes auf der Basis einer präoperativen Planung eine intraoperative Navigation, vergleichbar zu einem Navigationssystem in einem Auto, zur Verfügung stellt. Ein wesentliches Problem bei der
more » ... alisierung eines solchen Assistenzsystems für die laparoskopische Chirurgie ist die Tatsache, dass sich das beobachtete Operationsumfeld zwischen den präoperativen Aufnahmen und der eigentlichen Operation verändert hat und sich auch während des Eingriffes aufgrund von Weichgewebedeformationen kontinuierlich verändert. Um weiterhin die präoperative Planung nutzen zu können, muss diese an die Änderungen angepasst werden. Dazu müssen intraoperativ Sensordaten erfasst und in ein intraoperatives Modell integriert werden, das diese Änderungen repräsentiert. Dieses Modell muss im Anschluss mit einem präoperativen Planungsmodell registriert werden, um die Änderungen der Szene auf die Planung zu übertragen. Im Rahmen dieser Arbeit werden Methoden vorgestellt, um solch ein Modell aus Bildern eines Stereo-Endoskops und Messwerten eines Kraft-Sensors zu generieren. Ein Fokus liegt dabei auf einem Verfahren zur intraoperativen Rekonstruktion der Oberfläche. Weiterhin werden Methoden zur initialen Registrierung von prä-und intraoperativen Modellen sowie zur Aufrechterhaltung der Registrierung präsentiert. Alle Methoden wurden in ein Gesamtsystem integriert und ausführlich bezüglich Genauigkeit, Robustheit und Geschwindigkeit evaluiert. i Danksagung Diese Arbeit entstand während meiner Promotion am Humanoids and Intelligence Systems Lab des Instituts für Anthropomatik des Karlsruher Instituts für Technologie. Während dieser Zeit war ich Mitgleid des Graduiertenkollegs "Intelligente Chirurgie" sowie des Sonderforschungsbereichs "Cognition-guided Surgery". Während dieser Zeit habe ich von vielen Personen Unterstützung erhalten, bei denen ich mich bedanken möchte. Zu allererst möchte ich mich bei meinem Doktorvater Prof. Rüdiger Dillmann bedanken, der es mir ermöglicht hat, an seinem Lehrstuhl zu promovieren, und mich und meine Arbeit immer voll unterstützt hat. Weiterhin möchte ich mich bei Prof. Wörn für die Übernahme des Korreferats sowie Prof. Bellosa und Prof. Burghart für die Mitwirkung als Prüfer herzlich bedanken. Ein besonderer Dank gilt natürlich Steffi, die schon meine Diplomarbeit am Lehrstuhl betreut und es mir erst ermöglicht hat, diese im Rahmen einer Dissertation fortzusetzen. Auch während der Promotion hat sie mich als Gruppenleiterin trotz Babypause weiter intensiv betreut und und mir in allen Belangen weitergeholfen. Meinem Bürokollegen Stefan möchte ich auch besonders danken, der mit mir angefangen hat zu promovieren, immer ein guter Gesprächs-und Reisepartner war und meine Produktivität durch seine Anwesenheit immer deutlich steigerte. Ein großes Dankeschön gebührt auch Sebastian B., der insbesondere meine Arbeit zuerst als Hiwi, dann als Studienarbeit und letztendlich als Kollege vor allem softwaretechnisch sehr unterstützt hat. Ohne ihn gäbe es keine Simulationsumgebung und kein MediAssist 2.0 und wird mir auch als treuer Mensa-und Sneakgänger in Erinnerung bleiben. Auch Darko möchte ich als letztem Mitglied der Gruppe "Chirurgische Assistenzsysteme" herzlich für seine Zusammenarbeit sowie die interessanten Diskussionen über Gott, die Welt und Ernährungsstrategien danken. Auch dem Rest der Medizingruppe möchte ich meinen Dank aussprechen. Dies ist zu allererst Roland, der vor allem in organisatorischen Fragen mit seiner Erfahiii rung immer helfen konnte. Daneben möchte ich Yoo-Jin und Michael für die tollen Klausurtagungsziele und die schönen, wenn auch zu seltenen Gesprächen in der Küche danken sowie Sebastian S., bei dessen Diplomarbeit auch erste Erfahrungen als Betreuer sammeln konnte. Dem restlichem Kollegium möchte ich ebenfalls danken. Hervorheben möchte ich dabei Tobias, der mich oft beim Klettern und Snowboarden begleitet hat, David, mit dem ich sehr gut zusammengearbeitet habe und der mir damit indirekt die Konferenzreise nach Thailand ermöglicht hat, Alex für die Unterstützung beim Praktikumsversuch, Sven für seine Hilfe bei der Betreuung des Webservers, vor allem nach dem Hackerangriff, sowie dem ehemaligen Mitarbeiter Pedram für seine Erfahrung bei der Bildverarbeitung und seiner IVT-Bibliothek. Das Sekretariat möchte ich besonders hervorheben. Isa, Diana und Christine waren immer zur Stelle, haben komplizierte Reisekostenabrechnungen bewältigt und bei sonstigen organisatorischen Fragen immer schnell und kompetent geholfen. Neben den Kollegen vor Ort wurde ich auch von zahlreichen Kollegen aus Heidelberg unterstützt. Vor allem Hannes hat dabei mit seiner medizinischen Kompetzen, seiner Begeisterungsfähigkeit, seinen Ideen und seinem Einsatz viel Konstruktives beigetragen und auch lange CT-Experimente in Heidelberg zu einer schönen Erfahrung gemacht. Oftmals unterstützt wurden wir dabei von Anna-Laura und Martin, die ebenfalls mit vollem Elan dabei waren. Ein besonderer Dank geht auch an Claudia, die Graduiertenkollegs-Sekretärin, die mir auch in vielen Dingen helfen konnte, Tobias, der in der Anfangsphase meiner Promotion das Graduiertenkolleg als Postdoc geleitet hat sowie Beat, der als verantwortlicher Mediziner lange Zeit die Fäden im Hintergrund gezogen hat. Daneben möchte ich den DKFZlern Lena, Alex und Anja für die gemeinsamen Experimente und Konferenzreisen sowie ihre Vergleichsstudie danken. Als weitere ehemalige Graduiertenkollegsmitglieder aus Karlsruhe möchte ich noch Oliver und Evgeniya dankend erwähnen, die immer treue Mensagefährten und Diskussionspartner waren. Während meiner Promotion wurde ich von zahlreichen Studenten als Hiwis, Studien-, Bachelor-oder Diplomarbeiter unterstützt. Ganz besonders bedanken möchte ich mich bei
doi:10.5445/ksp/1000036443 fatcat:palh6vkmn5ft7kl47kgdmddyei