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

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