Ein modulares optisches Trackingsystem für medizintechnische Anwendungen: integrierte Datenflussarchitektur in Hard- und Software und Applikationsframework

Köpfle, Andreas

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URL:	https://ub-madoc.bib.uni-mannheim.de/34781
URN:	urn:nbn:de:bsz:180-madoc-347817
Document Type:	Doctoral dissertation
Year of publication:	2012
Place of publication:	Mannheim
Publishing house:	Universität Mannheim
University:	Universität Mannheim
Evaluator:	Männer, Reinhard
Date of oral examination:	11 February 2013
Publication language:	German
Institution:	School of Business Informatics and Mathematics > Informatik V (Männer 1992-2008)
Subject:	004 Computer science, internet
Subject headings (SWD):	Medizinische Informatik , Maschinelles Sehen , Optische Messtechnik , Mehrkamerasystem , Objektverfolgung
Keywords (English):	optical tracking system , training simulator , hardware/software architecture , dataflow architecture
Abstract:	Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines modularen optischen Trackingsystems, ausgerichtet auf die speziellen Anforderungen im medizintechnischen Umfeld. Das Spektrum der vorgestellten Anwendungen des Systems reicht dabei von der Erfassung der Benutzerinteraktion in verschiedenen medizinischen Simulatoren (z.B. für Ophthalmochirurgie, Ophthalmoskopie und Neurochirurgie) bis hin zur Positionserfassung eines handgehaltenen Operationsroboters. Im Unterschied zu verfügbaren kommerziellen Trackingsystemem mit ihren eng umrissenen Anwendungsbereichen wird ein universell ausgelegtes Baukastensystem vorgestellt, das sich mit geringem Entwicklungsaufwand an die speziellen Anforderungen der jeweiligen Anwendungen anpassen lässt (so u.a. sehr kleine Geometrien, deformierbare Objekte, Einsatz von Originalinstrumenten, geringe Ressourcenverfügbarkeit im Simulator-PC). Zu diesem Zweck wird ein modulares Systemkonzept entwickelt, welches von der spezialisierten Datenverarbeitung gängiger Trackingsysteme abstrahiert und auf einer generalisierten, modularen Systemarchitektur für den Einsatz aller Arten von Markern mit drei Freiheitsgraden aufbaut. Neben den verbreiteten infrarotbasierten Signaliserungstechniken werden dabei auch passive Farbmarker zur Objektsignalisierung unterstützt. Die Implementierung von Bildverarbeitungsaufgaben in spezialisierter Hardware (FPGAs) direkt auf dem Kameradatenstrom ermöglicht eine frühzeitige Datenreduktion und damit niedrige Latenzzeiten. Der Entwicklungsprozess für neuartige Trackinglösungen wird vereinfacht durch die enge Integration der Hard- und Softwaremodule in einer einheitlichen durchgängigen Datenflussarchitektur, die flexibel an die jeweilige Aufgabenstellung anpassbar ist. Ein erweiterbares graphisches Frontend schließlich unterstützt bei Betrieb und Konfiguration und erlaubt auch die Simulation ganzer Systeme während der Entwicklung.
Translation of the title:	A modular optical tracking system for medical engineering applications: integrated dataflow architecture in hard- and software and application framework. (English)
Translation of the abstract:	This thesis describes the development of a modular optical tracking system, aimed at the special requirements in the field of biomedical engineering. The system's presented applications range from capturing user interaction in different medical simulators (e.g. for ophthalmic surgery, opthalmoscopy and neurosurgery) to pose acquisition of a handheld surgical robot. In contrast to available commercial tracking systems with their closely defined scope a universal system architecture is introduced, which may be easily adopted to specific requirements of medical applications (such as very small geometries, deformable objects, use of genuine surgical instruments, low resource availability in the simulator's PC). This modular concept abstracts from the specialized data processing of conventional tracking systems and is based on a generalized modular system architecture supporting the use of all types of beacons with 3 degrees of freedom. Apart from commonly used infrared beacons, colorized passive marker objects are supported as well. By implementing the image processing in specialized hardware (FPGAs) directly on the camera data stream, data can be reduced at an early stage, which leads to low latency times. The close integration of hard- and software modules into a uniform data flow architecture simplifies the development of new tracking solutions, thus facilitating flexible adaption to the specific tracking tasks. Finally an extensible graphical frontend aids with control and configuration and supports simulation of entire systems during development. (English)