Themen im Bereich der Medizinrobotik - Institut für Robotik und ...

Themen für studentische Arbeiten Institut für Robotik Seite 1 von 4
Medizinrobotik und Prozessinformatik 02.04.2012
Institut für Robotik und Prozessinformatik
Technische Universität Braunschweig
Prof. Dr.-Ing. Friedrich M. Wahl
Diplom-/ Studien-/ Master-/ Bachelor-/ Projekt-/ HiWi-arbeiten
Folgende Arbeiten bzw. Themenschwerpunkte können derzeit im Bereich der Medizin-
/Chirurgierobotik am Institut für Robotik und Prozessinformatik angeboten werden. Im Rahmen
dieser Themenschwerpunkte können auch jederzeit weitere auf individuelle Interessen/Studienschwerpunkte
angepasste Arbeiten vergeben werden.
Ansprechpartner
Ralf Westphal ralf.westphal@tu-bs.de Tel 0531 391 7463
Carsten Last cla@rob.cs.tu-bs.de Tel 0531 391 7461
A) Projektbereich Frakturreponierung (Einrichten gebrochener Knochen)
In Kooperation mit der Unfallchirurgischen Klinik der Medizinischen Hochschule Hannover werden Verfahren
für eine roboterunterstützte Reponierung (Einrichtung) von Knochenbrüchen entwickelt und erprobt. Ziele sind
dabei zum einen die Verbesserung des OP-Ergebnisses und zum anderen die Reduzierung der Strahlenbelastung
für Patient und OP-Personal. Ein Anwendungsgebiet ist dabei die Reponierung von Schaftfrakturen des Femurs
(Oberschenkelknochen). Solche Frakturen werden üblicherweise mit einem sogenannten Marknagel, der in den
Markraum des Femurs eingebracht wird, stabilisiert.
A.1) Weiterentwicklung + Evaluierung der distalen Verriegelung
Bei der sogenannten distalen Verriegelung wird der Marknagel, nachdem er komplett in den
Knochen eingebracht wurde, über vorgegebene Bohrlöcher fest mit dem Knochen verschraubt.
Dazu ist es erforderlich, im Röntgenbild die Bohrlöcher präzise zu lokalisieren und
mit einem Bohrer aufzubohren. Es existieren sowohl in der Literatur als auch am Institut
Algorithmen, um die erforderlichen Bohrachsen aus Röntgenbildern zu berechnen.
• Reimplementierung bereits veröffentlichter Algorithmen
• Optimierung der am Institut entwickelten Algorithmen
• Reduzierung der Ungenauigkeiten der Navigation
• Aufbau eines prototypischen Robotersystems
A.2) Segmentierung mit Fragmentkontakt
Im Allgemeinen ist die Segmentierung des Femurs aus 3D CT-Daten im Schaftbereich mit einfachen schwellwertbasierenden
Verfahren relativ problemlos möglich. Im Bereich der Fraktur kann es jedoch zu Problemen
kommen wenn sich zwei Fragmente berühren. Ziel ist die Entwicklung von Segmentierungsverfahren,
die mit folgenden Situationen fertig werden können.
• Segmentierung bei seitlichem Punktkontakt zwischen den
Fragmenten
• Segmentierung mit seitlichem Flächenkontakt
• Segmentierung mit Flächenkontakt im Frakturspalt
• Segmentierung kleinerer Fragmente
• Hochauflösende, subvoxelgenaue Segmentierung der Bruchoberfläche

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A.3) Biomechanische Modellierung
In der Literatur existieren zahlreiche Modelle und Algorithmen um Weichteile wie
z.B. Muskeln zu modellieren bzw. zu simulieren. Solche Modelle sollen verwendet
werden, um die Planung von Frakturreponierungen zu unterstützen.
• Reimplementierung von Algorithmen aus der Literatur
• Integration in Kostenfunktion zur Bahnplanung
• Evtl. Erweiterung auf Becken
A.4) Kompensation von Relativbewegungen
Um Bewegungen der Knochenfragmente im Computer verfolgen zu können, werden
diese üblicherweise mit Referenzmarkern versehen, die über einen kleinen Hautschnitt
mit einer Schraube am Knochen befestigt werden. Es ist das Ziel aktueller Arbeiten,
diese zusätzlichen Schnitte zu vermeiden und einen nichtinvasiven Reponiervorgang zu
entwickeln.
• Röntgenbasierte Erfassung von 3D Fragmentlagen
• Tracking während translatorischer Bewegung
• Tracking während rotatorischer Bewegungen
• Erfassen von Relativbewegungen
• Biomechanisches Modell mit Kräften und
Bewegungsrichtungen
• Kompensation der Relativbewegungen
A.5) Bahnplanung mit anatomischen Randbedingungen
Für eine automatisch geplante und durch einen Roboter ausgeführte Reponierung sind entsprechende Bahnplanungsalgorithmen
erforderlich, die eine sichere Ausführung der Reponierung ermöglichen. Im einfachsten Fall
beinhaltet diese Planung lediglich die geometrischen Informationen aus einem CT-Datensatz und ermöglich
somit eine kollisionsfreie Bewegung. Um eine für den Patienten schonende Reponierung zu ermöglichen, sollen
zusätzlich Informationen über anatomische Strukturen in der Planung berücksichtigt
werden.
• Modellierung kritischer Strukturen
• Integration in Bahnplanung zunächst am Oberschenkel
• Evtl. Erweiterung auf Beckenfrakturen
A.6) Evaluierung von Bohrkanälen
Auch das Einbringen des Marknagels in den Markraum des Knochens wird durch computerassistierte
bzw. robotische Methoden unterstützt. In diesem Teilprojekt sollen die erreichbaren
Genauigkeiten solcher Ansätze quantifiziert werden.
• Segmentierung eines für einen Marknagel gebohrten
Knochenkanals
• Analyse der Krümmung des Kanals

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B) Roboterassistierte Korrektur von Fehlstellungen
In einem zweiten Projekt in Kooperation mit der Unfallchirurgie der Medizinischen Hochschule Hannover und
mit dem Institut für Werkstoffkunde der Leibniz Universität Hannover werden neuartige Verfahren zur Durchführung
von Korrekturoperationen bei Fehlstellungen der unteren Extremitäten (O-/X-Beine) entwickelt und
erprobt.
B.1) Messung von Belastungsverteilungen im Knie
Ziel ist es, die Beinachsen nicht nur rein geometrisch zu korrigieren sondern darüber hinaus vor allem die Belastungsverteilung
im Kniegelenk zu optimieren. Dazu sollen mithilfe eines Roboters Bewegungen
bzw. Belastungen, die z.B. beim Gang oder Treppensteigen auftreten simuliert und die
daraus resultierende Kraft-/Lastverteilung im Knie gemessen bzw. berechnet werden.
• Aufbringen einer Kraft entlang der Beinachse in Richtung Knie
durch einen Roboter
• Messung der Querkräfte und Querauslenkungen
• Emulation einer Gangbewegung
B.2) CT-basierte Osteotomieplanung
Für die Umstellung/Korrektur der Fehlstellung ist ein Knochenschnitt (Osteotomie) erforderlich. Durch neuartige
Schnittverfahren (Wasserstrahlschneiden) sind komplexere Schnittformen möglich als mit herkömmlichen
Verfahren unter Verwendung chirurgischen Sägen. Die (teil-) automatische Planung solcher Schnittformen aus
CT-Daten ist Gegenstand dieses Teilprojekts.
• Berechnung von Achsparametern aus CT-Daten
• Berechnung von optimalen Osteotomie-Trajektorien
D) Allgemeine Aspekte im Bereich der Chirurgierobotik
In diesen Arbeitsbereich fallen allgemeine Fragestellungen, z.B. zum Thema Sicherheit, die in allen Bereichen
und Projekten der Chirurgierobotik Anwendung finden.
D.1) Softwarearchitektur Chirurgieroboter
Industrieroboter zeichnen sich in der Regel dadurch aus, dass sie flexibel für viele verschiedene Anwendungsszenarien
einsetzbar sind. Im Bereich der Chirurgieroboter sehen wir bedingt durch die Komplexität und die
Vielzahl der beteiligten Systemkomponenten häufig sehr spezielle Setups, die
schwierig auf neue Anwendungen übertragbar sind. Mit dem hier zu implementierenden
Softwareframework soll ein Grundstein gelegt werden, um Systeme
flexibel auf neue Anwendungen adaptieren zu können.
• Middleware als Basis eines „Mehrzweck“-Chirurgieroboters
o Anwendung
o Visualisierung
o Robotersteuerung
o Sensorintegration
o Interaktion

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D.2) Kollisionsvermeidung und Sicherheitsfunktionen
Die Sicherheit für Patient und OP-Personal ist beim Einsatz von Chirurgierobotern ein entscheidender Aspekt.
Neben der Integration „klassischer“ Verfahren zur Risikominimierung durch z.B. redundante Auslegung kritischer
Komponenten sollen hier modellbasierte Verfahren zur Vermeidung kritischer Zustände implementiert und
erprobt werden.
• Kollisionsmodell für Roboter und Arbeitsumgebung
• Virtuelle Wände, kritische und sichere Arbeitsbereiche
• Vermeidung von Singularitäten
• Vorausberechnung der Durchführbarkeit und Berechnung möglicher Risiken einer gegebenen
Trajektorie
• Visuelle Arbeitsraumüberwachung (z.B. Kinect)
E) Modellbasierte Segmentierung der Nasennebenhöhlen
Im Rahmen eines Kooperationsprojektes mit der
HNO-Klinik in Bonn werden Methoden der automatischen
Endoskopführung durch einen Roboter
bei endonasalen Operationen erforscht. Das Ziel
dieses Projektes ist die Entwicklung einer intelligenten
Endoskopführung, die den Operateur bei
seiner Arbeit unterstützt.
Die automatische Segmentierung der Nasennebenhöhlen
ist dabei ein wichtiger Schritt, denn sie
dient dazu, den Arbeitsbereich des Endoskops
anhand präoperativ erhobener CT-Aufnahmen
festzulegen. Dazu muss in diesen Volumendaten
die äußere Grenze des Arbeitsbereiches (z.B. die Begrenzungen zum Auge und zum Gehirn) bestimmt werden.
Hierfür werden neue Segmentierverfahren erforscht, bei denen anhand von Trainingsdaten ein virtuelles, deformierbares
Objekt des Nasenraums erstellt wird. Dieses Modellwissen wird dann verwendet, um die Nasenraumgrenze
in unbekannten Datensätzen automatisch bestimmen zu können.
In dem Bereich der modellbasierten Segmentierung sind laufend studentische Arbeiten zu vergeben, die
sich mit der Bildsegmentierung oder mit deformierbaren Modellen beschäftigen.
Da wir auf eine generische Anwendung der modellbasierten Segmentierung abzielen, muss das Thema der Arbeit
nicht zwingend einen medizinischen Bezug haben. Andere Anwendungen sind z.B. die Fahrerassistenz im
Automobil. Eigene Vorschläge sind auch immer gerne gesehen! Bei Fragen bitte einfach bei uns im Institut
vorbeikommen.