Intelligente Bildverarbeitungstechnologien helfen bei der Entwicklung medizinischer Geräte

Fraunhofer FIRST zeigt auf der Medica, Halle 10, Stand F05 Technologien, die die Simulation der optischen und mechanischen Eigenschaften künftiger Geräte sowie ihres Verhaltens im menschlichen Körper ermöglichen.

Die Kernkompetenz der Fraunhofer-Forscher liegt in der Erstellung der benötigten 3-D-Modelle – zum einen für die zu entwickelnden Geräte, zum anderen für den menschlichen Körper (Organe, Gewebe etc.). Für die Geräteentwicklung erstellen die Wissenschaftler zunächst einen virtuellen Prototypen, der die gewünschten Funktionalitäten nachbildet. So kann die Funktionsweise bereits in einem frühen Stadium am Modell ausprobiert werden. Einzelne Komponenten können mithilfe von Hardware-in-the-Loop-Tests geprüft und optimiert werden, ohne dass der Bau eines physischen Prototypen notwendig wäre. Für die Entwicklung eines Endoskops haben die Forscher die optischen Eigenschaften der Endoskop-Kamera (Öffnungswinkel, Linsenverzerrung, Blickrichtung und Tiefenschärfe) sowie des Kamera-Chips (Bildrauschen, Auflösung) simuliert und die komplexe Lichtquelle nachgebildet. Der Nutzer kann am Bildschirm die unterschiedlichen Eigenschaften wie Blickwinkel, Bewegungsgrad und Schnelligkeit des simulierten Gerätes testen.

Für einen Test unter möglichst realistischen Bedingungen müssen auch die menschlichen Organe naturgetreu simuliert werden. Hierzu haben die Forscher eine physikalisch basierte Simulation entwickelt, die die Weichkörper (Organe) als Feder-Masse-System (FMS) darstellt. Ein FMS ist ein in der medizinischen Echtzeit-Simulation gängiges Verfahren der Computergrafik, das genutzt wird, um das Deformationsverhalten von Objekten zu bestimmen, die auf Polygonnetzen basieren.

Dabei werden die Objekte durch Masseknoten, mechanische Federn und Dämpfer abgebildet. Neben der Simulation von Organen wurden auch Partikel-Systeme zur Simulation von Blutungen, kleinen Gewebeteilen oder Rauch, der bei der Verödung von Schnittwunden entsteht, implementiert.

Die Ergebnisse der Simulationen werden auf der GPU (Graphical Processing Unit) eines herkömmlichen Computers berechnet. Aufgrund ihrer hohen Parallelisierung eignen sich GPUs besonders gut zur Ausführung rechenintensiver Prozesse wie eben der Echtzeit-Bildverarbeitung. Da eine Vielzahl von Prozessen gleichzeitig abgearbeitet werden kann, können hohe Datenvolumina effizient und schnell ausgewertet werden. Dies ermöglicht die Übertragung hoher Bildraten und damit die zeitnahe, interaktive Reaktion auf Veränderungen.

Bildverarbeitungstechnologien von Fraunhofer FIRST unterstützen die Entwicklung von Geräten und sorgen für eine bessere Sicht bei minimalinvasiven Operationen Bildverarbeitungstechnologien.

Die Entwicklung der Geräte-Simulatoren und der Verfahren zur Echtzeitbearbeitung von Bilddaten werden im Rahmen des Projekts Endoguide vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert.

Wir möchten Sie herzlich einladen, einen unserer Simulatoren am Stand der Fraunhofer-Gesellschaft in Halle 10, Stand F05 auszuprobieren.

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Fraunhofer FIRST, Leitung Institutskommunikation,
Mirjam Kaplow
Tel.: +49 (0)30/ 6392-1823
E-Mail: mirjam.kaplow@first.fraunhofer.de