Entwicklung von Verfahren und Elementen zur optischen 3D-Lokalisierung in der computerassistierten Chirurgie

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entwicklung neuer Verfahren für die optische 3D-Lokalisierung in der computerassistierten Chirurgie (CAS) auf Basis alternativer synthetischer Landmarken, die als X-Marker bezeichnet und mithilfe kompakter Stereokameras im sichtbaren Lichtspektrum erfasst werden. Die wesentliche Zielsetzung besteht dabei in der Verbesserung der Flexibilität und Anwenderfreundlichkeit der optischen Lokalisierung insbesondere im Hinblick auf die Vereinfachung der Vorbereitung und Einrichtung des benötigten Instrumentariums im Vorfeld einer Operation. Ausgehend von der Entwicklung eines Verfahrens für die robuste Detektion und präzise Lokalisierung einzelner X-Marker im Submillimeterbereich wird ein neues Verfahren für die strukturbasierte Identifikation und Lokalisierung von Anordnungen mehrerer X-Marker (sog. Referenzkörper) entwickelt. Im Gegensatz zu konventionellen Systemen können die Marker dabei nahezu beliebig angeordnet sein und an Instrumenten und Strukturen sowie auch direkt auf der Haut des Patienten durch Aufkleben befestigt werden. Um die dabei auftretenden Hautverformungen zu erfassen, wird zusätzlich ein Verfahren zur Rekonstruktion von Oberflächenverformungen vorgestellt, sodass diese bei der Instrumentenführung mitberücksichtigt werden können. Als Implementierungsgrundlage für die entwickelten Verfahren wird zudem ein modulares Software-Framework erstellt. Alle Verfahren werden experimentell mit Versuchsanordnungen validiert, die die Anforderungen chirurgischer Anwendungen nachbilden. Abschließend wird die praktische Anwendbarkeit der entwickelten Verfahren in der computerassistierten Chirurgie konkret am Beispiel des computergestützten Einsatzes einer Hüftendoprothese skizziert.