3D-Sensorsystem für den kollisionsfreien Betrieb flexibler Strahlentherapiegeräte

Conference contribution
(Conference Contribution)


Publication Details

Author(s): Buschhaus A, Franke J, Reitelshöfer S, Ziegler C, Röttenbacher M
Editor(s): ZHAW IfMS
Publishing place: Winterthur
Publication year: 2013
Conference Proceedings Title: Internationales Forum Mechatronik 2013
ISBN: 978-3-033-04189-9


Abstract


Ein bedeutendes Mittel zur Behandlung von Tumoren stellt ionisierende Strahlung dar. Neben der Verwendung einer geeigneten Strahlquelle kommt dabei vor allem der Bestrahlungsdosis zur Tumorbehandlung während der Therapieablaufs eine bedeutende Rolle zu. Ziel dieser Behandlungsmethoden ist es, die Belastung des umliegenden Gewebes zu reduzieren und die zeitliche Dauer möglichst kurz zu gestalten. Moderne Therapiegeräte ermöglichen hierzu eine Anpassung der Bestrahlungsrichtung bezüglich des Tumors. Der Strahlenaustritt am Gerät wird dabei auf einer kreisförmigen Bahn um den Tumor bewegt, der sich im Isozentrum der Bestrahlung befindet. Zur flexiblen Behandlung von Tumoren besteht zunehmend die Forderung nach einer Erhöhung der kinematischen Freiheitsgrade des bestrahlenden Gerätes. Einen wesentlichen Einfluss auf die Therapiedauer hat derzeit die notwendige geringe Geschwindigkeit der Kinematik, mit welcher diese zwischen den verschiedenen Bestrahlpositionen bewegt wird. Eine geringe Geschwindigkeit ist erforderlich, um Kollisionen des Patienten mit der Kinematik zu vermeiden und Verletzungen zu verhindern. Aus dieser Forderung ergibt sich ein ungünstiges Verhältnis von den Positionierzeiten des Gerätes zu den Bestrahlzeiten. Dies führt durch die längere Therapiedauer zu einer zusätzlichen Belastung für den Patienten und zu einer schlechteren Auslastung der investitionsintensiven Therapiegeräte. Durch eine zuverlässige Detektion und Positionsbestimmung des Patienten während der Behandlung und das Ableiten geeigneter Reaktionsstrategien ist es möglich die zulässigen Geschwindigkeiten der Therapiegerätekinematik zu erhöhen und somit die Nebenzeiten signifikant zu reduzieren. Um dies zu ermöglichen ist jedoch eine robuste Erkennung des Patienten und potentieller Kollisionen notwendig. In der Medizintechnik und auch der Strahlentherapie werden mittlerweile zunehmend 3D-Kamerasysteme verwendet, die bei der hochgenauen Patientenpositionierung oder der Atemverfolgung eingesetzt werden. Diese Kamerasysteme qualifizieren sich ebenfalls zur behandlungsbegleitenden überwachung des Patienten um Bewegungen zu erkennen. Hierzu ist jedoch eine robuste Verarbeitung der Kameradaten wesentlich. So müssen anfangs fehlerhafte Bildinformationen durch eine geeignete Filterung eliminiert werden. Eine sich anschlie{ß}ende Erkennung des Patienten muss im Weiteren mehreren Anforderungen genügen: So sind Patienten unterschiedlicher Physiognomie zu erkennen, die Lage des Patienten zur Kamera ist per se nicht bekannt und die Position der Patientenliege ist variabel. Die Patientenerkennung wird über einen Algorithmus realisiert, der die räumlichen Lageinformationen der 3D-Kamera verwendet und über den zusammenhängende Regionen bestimmt werden. Die dem Patienten zugewiesenen Bildpunkte werden im Anschluss binärisiert und im Nachgang die Kanten des Binärbildes bereinigt sowie isolierte Bildbereiche beseitigt. Anschlie{ß}end wird aus den Bildinformationen ein Skelett des Patienten extrahiert. Diese Körperstruktur wird im Weiteren durch Gelenke erweitert, um z. B. eine Unterscheidung der Gliedma{ß}en zu ermöglichen und deren Winkelstellungen zu ermitteln. Unter Zuhilfenahme dieser Informationen werden im Nachgang Hüllkörper zur Beschreibung des Patienten erzeugt. Basierend auf einem Bestrahlungsplan werden bei der Behandlung die Stellungen des Therapiegeräts und der Kinematik sowie die optimalen Bahntrajektorien zwischen den Bestrahlpositionen generiert. Während der Durchführung der Bewegungsprogramme wird die aktuelle Stellung des Strahlentherapiegeräts auf Kollisionen mit dem Patienten überprüft. Diese erfolgt über eine Durchdringungsanalyse der Hüllkörperrepräsentation des Patienten und einer geometrischen Repräsentation der Kinematik und des Strahlentherapiegeräts. Die zuverlässige Erkennung des Patienten bei den üblichen Körperhaltungen durch die dargestellten Bildverarbeitungsroutinen konnte im Rahmen der Arbeiten experimentell nachgewiesen werden. Potentielle Gefahrensituationen wurden zuverlässig vom Softwaresystem erkannt und resultieren in einem Stopp der Kinematik.



FAU Authors / FAU Editors

Buschhaus, Arnd
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik
Franke, Jörg Prof. Dr.-Ing.
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik
Reitelshöfer, Sebastian
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik


How to cite

APA:
Buschhaus, A., Franke, J., Reitelshöfer, S., Ziegler, C., & Röttenbacher, M. (2013). 3D-Sensorsystem für den kollisionsfreien Betrieb flexibler Strahlentherapiegeräte. In ZHAW IfMS (Eds.), Internationales Forum Mechatronik 2013. Winterthur.

MLA:
Buschhaus, Arnd, et al. "3D-Sensorsystem für den kollisionsfreien Betrieb flexibler Strahlentherapiegeräte." Proceedings of the Internationales Forum Mechatronik 2013 Ed. ZHAW IfMS, Winterthur, 2013.

BibTeX: 

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