3D Robotischer Ultraschall
Für die Diagnose und Behandlungsplanung in der Orthopädie, z. B. bei der Knie-Totalendoprothese, ist häufig eine 3D-Bildgebung erforderlich. Der heutige Standard für die 3D-Bilderfassung sind CT oder MRT. Beide Techniken verursachen hohe Kosten, und CT setzt die Patienten zudem einer Strahlenbelastung aus. Im Gegensatz dazu ist Ultraschall in der Regel am Behandlungsplatz verfügbar, verursacht geringe Kosten und setzt den Patienten keiner Strahlung aus. Die Interpretation von Ultraschallbildern ist jedoch eine schwierige Aufgabe, insbesondere bei volumetrischen Bildern. Sonographen benötigen jahrelange Erfahrung, um die Knochenoberfläche zuverlässig zu erkennen.
Eine schnelle und genaue Diagnose hängt daher von einer automatisierten Verarbeitung ab. Wir untersuchen das Potenzial der robotergestützten Ultraschalluntersuchung. Zunächst wird die zu untersuchende Region vom System erfasst und anschließend ein geplanter Scanpfad abgefahren, wobei eine Kontaktkraft zwischen der Sonde und der Haut aufrechterhalten wird. Zu den Herausforderungen gehören die autonome Pfadplanung, Robotersteuerungsstrategien und die Bildverarbeitung für eine genaue Knochensegmentierung.
Abbildung 1: Aufbau eines Ultraschall-Roboters für die 3D-Knochenrekonstruktion im Knie
Abbildung 2: Vollautomatische Rekonstruktion eines distalen Oberschenkelknochens aus Ultraschallbildern: Die Bildschichten wurden durch eine Vision-Transformer-Architektur segmentiert, die segmentierte partielle 3D-Knochenoberfläche wurde durch ein statistisches Formmodell (SFM) vervollständigt.
Publikationen
- L. Phlippen, B. Hohlmann & K. Radermacher: 3D Reconstruction of Femur using Ultrasound - Hand Guided Evaluation and Autonomous Robotic Approach. In: J.W. Giles (ed.): Proceedings of The 22nd Annual Meeting of the International Society for Computer Assisted Orthopaedic Surgery, 6, 2024, pp. 75-81 [DOI: 10.29007/7rr8]
- B. Hohlmann, J. Glanz & K. Radermacher: Segmentation of the distal femur in ultrasound images. Current Directions in Biomedical Engineering, 6(1), 2020, pp. 1-5 [DOI: 10.1515/cdbme-2020-0034]
- B. Hohlmann & K. Radermacher: Augmented Active Shape Model Search – towards 3D Ultrasound-based Bone Surface Reconstruction. In: F. Rodriguez Y Baena & F. Tatti (ed.): CAOS 2020. The 20th Annual Meeting of the International Society for Computer Assisted Orthopaedic Surgery, 4, 2020, pp. 117-121 [DOI: 10.29007/3px6]
- B. Hohlmann & K. Radermacher: The interleaved partial active shape model (IPASM) search algorithm - towards 3D ultrasound-based bone surface reconstruction. In: P. Meere & F. Rodriguez Y Baena (ed.): CAOS 2019. The 19th Annual Meeting of the International Society for Computer Assisted Orthopaedic Surgery, 3, 2019, pp. 177-180 [DOI: 10.29007/rbgl]
- C. Hänisch, B. Hohlmann & K. Radermacher: The interleaved partial active shape model search (IPASM) algorithm – Preliminary results of a novel approach towards 3D ultrasound-based bone surface reconstruction. In: K. Radermacher & F. Rodriguez Y Baena (ed.): CAOS2017. EPiC Series in Health Sciences, 1, 2017, pp. 399-406