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MITK-OpenIGTLink for combining open-source toolkits in real-time computer-assisted interventions
(2016)
PURPOSE:
Due to rapid developments in the research areas of medical imaging, medical image processing and robotics, computer-assisted interventions (CAI) are becoming an integral part of modern patient care. From a software engineering point of view, these systems are highly complex and research can benefit greatly from reusing software components. This is supported by a number of open-source toolkits for medical imaging and CAI such as the medical imaging interaction toolkit (MITK), the public software library for ultrasound imaging research (PLUS) and 3D Slicer. An independent inter-toolkit communication such as the open image-guided therapy link (OpenIGTLink) can be used to combine the advantages of these toolkits and enable an easier realization of a clinical CAI workflow.
METHODS:
MITK-OpenIGTLink is presented as a network interface within MITK that allows easy to use, asynchronous two-way messaging between MITK and clinical devices or other toolkits. Performance and interoperability tests with MITK-OpenIGTLink were carried out considering the whole CAI workflow from data acquisition over processing to visualization.
RESULTS:
We present how MITK-OpenIGTLink can be applied in different usage scenarios. In performance tests, tracking data were transmitted with a frame rate of up to 1000 Hz and a latency of 2.81 ms. Transmission of images with typical ultrasound (US) and greyscale high-definition (HD) resolutions of [Formula: see text] and [Formula: see text] is possible at up to 512 and 128 Hz, respectively.
CONCLUSION:
With the integration of OpenIGTLink into MITK, this protocol is now supported by all established open-source toolkits in the field. This eases interoperability between MITK and toolkits such as PLUS or 3D Slicer and facilitates cross-toolkit research collaborations. MITK and its submodule MITK-OpenIGTLink are provided open source under a BSD-style licence ( http://mitk.org )
Nowadays, robotic systems are an integral part of many orthopedic interventions. Stationary robots improve the accuracy but also require adapted surgical workflows. Handheld robotic devices (HHRDs), however, are easily integrated into existing workflows and represent a more economical solution. Their limited range of motion is compensated by the dexterity of the surgeon. This work presents control algorithms for HHRDs with multiple degrees of freedom (DOF). These algorithms protect pre- or intraoperatively defined regions from being penetrated by the end effector (e.g., a burr) by controlling the joints as well as the device’s power. Accuracy tests on a stationary prototype with three DOF show that the presented control algorithms produce results similar to those of stationary robots and much better results than conventional techniques. This work presents novel and innovative algorithms, which work robustly, accurately, and open up new opportunities for orthopedic interventions.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibration einer Kamera (110) unter Nutzung eines Bildschirmes (120), wobei der Bildschirm (120) eine Menge von Bildpunkten (122) aufweist und die Kamera (110) eine Vielzahl von Pixeln (112) zur Darstellung des Bildes nutzt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritten (a) Darstellen zumindest eines Bildwertes (BW) in zumindest einem Bildpunkt (122) des Bildschirms (120) basierend auf einer Bildwertzuweisung; (b) Erfassen des zumindest einen Bildwertes (BW) durch einen Pixel (112a) der Kamera (110); und (c) Bestimmen der Position des zumindest einen Bildpunktes (122) auf dem Bildschirm (120) basierend auf dem zumindest einen erfassten Bildwert (BW) und der Bildwertzuweisung. Das Verfahren umfasst weiter ein Verschieben des Bildschirmes (120) oder der Kamera (110) in eine Richtung um einen Betrag, sodass der zumindest eine Bildpunkt (122) eine andere Entfernung zu dem Pixel (112a) der Kamera (110) aufweist als vor dem Verschieben, und ein Wiederholen zumindest der Schritte (b) und (c) für den verschobenen Bildschirm (120i). Die Kamera (110) umfasst einen variablen Fokus beim Verschieben des Bildschirmes (120) relativ zu der Kamera (110), und das Verfahren umfasst weiter ein Abspeichern einer Zuordnung bezüglich des Pixels (112) und der Positionen des zumindest einen Bildpunktes (122) für verschiedene verschobene Bildschirmpositionen (120i).
Die Verwendung von Kameras als Messmittel für medizinische Anwendungen setzt deren präzise Kalibrierung voraus. Gängige Verfahren modellieren die Abbildungseigenschaften einer Kamera mittels perspektivischer Projektion und parametrisierter Funktionen zur Beschreibung von Linsenverzerrung. In den Randbereichen des Kamerabildes sind diese Modelle oft unzureichend. Außerdem bedingt die Verwendung starrer Kalibriermuster eine in der Regel kleine Anzahl an nicht gleichmäßig verteilten Punktkorrespondenzen zur Bestimmung der Modellparameter. In der vorliegenden Arbeit wird ein vollkommen neues und nicht auf Modellen basierendes Kalibrierverfahren vorgestellt, bei dem jedes Kamerapixel unabhängig von jedem anderen kalibriert wird.
Flexible Three-dimensional Camera-based Reconstruction and Calibration of Tracked Instruments
(2016)
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibration einer Kamera (110) unter Nutzung eines Bildschirmes (120), wobei der Bildschirm (120) eine Menge von Bildpunkten (122) aufweist und die Kamera (110) eine Vielzahl von Pixeln (112) zur Darstellung des Bildes nutzt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritten (a) Darstellen zumindest eines Bildwertes (BW) in zumindest einem Bildpunkt (122) des Bildschirms (120) basierend auf einer Bildwertzuweisung; (b) Erfassen des zumindest einen Bildwertes (BW) durch einen Pixel (112a) der Kamera (110); und (c) Bestimmen der Position des zumindest einen Bildpunktes (122) auf dem Bildschirm (120) basierend auf dem zumindest einen erfassten Bildwert (BW) und der Bildwertzuweisung.