Universität zu Lübeck - Institut für Robotik  -  Forschung - Navigation and Visualisation in Endovascular
Aortic Repair (Nav EVAR)
Forschung

Navigation and Visualisation in Endovascular Aortic Repair (Nav EVAR)

Projektbeschreibung

Nav EVAR (Navigated Contrast-Agent and Radiation Sparing Endovascular Aortic Repair)

Ein grundsätzliches Problem der endovaskulären Therapie von Aortenaneurysmen ist die – ins-besondere für das chirurgische Team – außerordentlich hohe Strahlenbelastung durch die fortwährende Röntgenbildgebung während der Operation. Zudem macht diese Durchleuchtung die Gabe von hohen Dosen nephrotoxischer Kontrastmittel notwendig, um die Blutgefäße des Patienten im Röntgenbild sichtbar zu machen. Die Lösung dieser Probleme ist das Ziel des BMBF-gefördertes Projekts Nav EVAR.

    Das Institut für Robotik und Kognitive Systeme der Universität zu Lübeck (ROB Lübeck) ist einer von drei technischen Partnern im Projekt und verfügt insbesondere über weitreichende Kompetenzen im Bereich der medizinischen Robotik und Navigation. Das ROB Lübeck ist in das Teilprojekt involviert welches die folgenden wesentlichen Punkte umfasst:

    • Wie kann die Position eines endovaskulären Katheters ohne Röntgenbildgebung und Kontrastmittelgabe bestimmt werden?

    • Wie können das Bild und die Daten zusammen mit der Katheterposition während der Operation für den Chirurgen verständlich visualisiert werden?

    • Welche Genauigkeit ist erzielbar und kann eventuell vollständig auf Röntgenbildgebung verzichtet werden?

    Für all diese Fragestellungen bestehen Lösungsansätze, die von den Antragstellern gemeinsam diskutiert und erarbeitet wurden und nun zu einem Demonstrator ausgebaut werden sollen. Insbesondere der Einsatz modernster Verfahren zur Lokalisation von Glasfasern mit Hilfe von Bragg-Gittern im Fasermantel sowie spezieller Augmented-Reality-Technologie (Microsoft HoloLens) machen die Alleinstellungsmerkmale des Projekts aus. Robotergestützter 3D-Ultraschall ist eine wegweisende technologische Alternative zur Röntgenbildgebung, die ebenfalls im Projekt als mögliche Lösung für die Lokalisierung des Katheters untersucht werden soll.

    Der Ansatz des Teilvorhabens beinhaltet die Navigation, die Visualisierung, die Konstruktion endovaskulärer Hardware, die Eingriffsplanung und Modellbildung sowie um Validierung und Dokumentation. Als Arbeitsschritte sind die Erforschung und Realisierung einer kombinierten Navigationslösung (elektromagnetisches und Glasfaser-Tracking), die Augmented-Reality-Visualisierung, die Patientenlokalisation durch Oberflächentracking, roboterassistierte 3D-Ultraschallnavigation sowie die Validierung der Genauigkeiten der einzelnen Ansätze.

    Auch die Verwertung der Ergebnisse soll gemeinschaftlich, wenn auch mit unterschiedlichen Schwerpunkten, erfolgen. Eine kommerzielle Verwertung wird durch die Kooperationspartner Fraunhofer-Institut für Bildgestützte Medizin MEVIS und Medizinisches Laserzentrum Lübeck sowie mittelfristig durch eine geplante Ausgründung stattfinden. Die wissenschaftliche Verwertung (z.B. die Erforschung weiterer Einsatzbereiche, die Integration neuer Technologien und die Konzeption von Anschlussprojekten) wird durch die universitären Partner ROB Lübeck und den Kliniken für Chirurgie und Radiologie des Universitätsklinikum Schleswig-Holstein (UKSH) übernommen.

    Aktueller Stand des Nav EVAR-Projekts: Klicken Sie hier

    Teilprojekt Physikalisch motivierte Punktwolken- registrierung

    Wir haben ein neues Konzept zur rigiden Punktwolkenregistrierung entwickelt. Im Gegensatz zu bereits existierenden Ansätzen basiert dieses Verfahren auf den Gesetzen der klassischen Mechanik, Elektrostatik und Thermodynamik. Das Registrierungsproblem wird durch die Modellierung der Punktwolken als Mehrteilchensysteme gelöst. Kräfte, die auf sämtliche Einzelteilchen einwirken, konzentrieren sich auf den jeweiligen Massenschwerpunkt der Wolke. Durch die Krafteinwirkung entsteht eine sukzessive Bewegung der zu registrierenden Punktwolke in Richtung einer statischen Referenzwolke, bis sich beide möglichst optimal überlagern. Die Punktwolkenbewegung leitet sich aus dem physikalischen Modell der Starrkörpertransformation ab. Kraftfelder bilden die Metrik der Registrierung und sind frei gestaltbar. Die in dieser Arbeit vorgestellten Beispielmetriken sind sowohl vom Newtonschen Gravitationsgesetz als auch vom Coulombschen Gesetz der Elektrostatik inspiriert. Dementsprechend lässt sich die Lage der Punktwolken zueinander nicht nur durch ihre räumliche Punktverteilung beschreiben, sondern auch durch zusätzliche Merkmale wie Farb- oder Helligkeitswerte.

    Darüber hinaus wird ein effizienter Algorithmus vorgestellt, der das neue Registrierungsverfahren implementiert. Die Regularisierung von Punktwolkenbewegungen basiert auf der Methode des Simulated Annealing. Um die Laufzeitkomplexität bei sehr hochauflösenden Punktwolken zu verringern, wird das Monte-Carlo-Verfahren eingesetzt. Zudem ist der Algorithmus parallelisierbar und kann entsprechend performant auf Mehrkernrechnerarchitekturen, wie zum Beispiel Grafikkartenprozessoren ausgeführt werden.

    Eine kostenlose Matlab-Implementierung finden Sie auch hier:

    https://github.com/ROB-Uni-Luebeck/PIPL

    Philipp Jauer, Ivo Kuhlemann, Ralf Bruder, Achim Schweikard and Floris Ernst, Efficient Registration of High-Resolution Feature Enhanced Point Clouds (2018), in: IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 41:5(1102-1115)

    Philipp Jauer, Physikalisch motivierte Punktwolkenregistrierung: Entwurf und Evaluierung eines neuen Konzepts zur effizienten Registrierung von Punktwolken, University of Lübeck, 2018


    Veröffentlichungen

    Verantwortlich

    Floris Ernst
    Floris Ernst
    Haus 64 / Raum 95
    ernst(at)rob.uni-luebeck.de
    +49 451 31015208


    2021

    Ana Estrada Lugo, Felix von Haxthausen, Niclas Bockelmann and Floris Ernst, Automatic Segmentation of the Femoral Artery from 2D Ultrasound Images, in: Student Conference on Medical Engineering Science, Medical Informatics, Biomedical Engineering and Auditory Technology 2021, Infinite Science Publishing GmbH, 2021
    [Bib|RIS]
    Timir Barua, Felix von Haxthausen and Verónica García-Vázquez, Ultrasound Medical Imaging: Comparison of Methods for Adjusting Speed of Sound of Human Tissue in Water, in: Student Conference on Medical Engineering Science, Medical Informatics, Biomedical Engineering and Auditory Technology 2021, Infinite Science Publishing GmbH, 2021
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    [Bib|RIS]

    2020

    Sonja Jäckle, Verónica García-Vázquez, Felix von Haxthausen, Tim Eixmann, Malte Maria Sieren, Hinnerk Schulz-Hildebrandt, Gereon Hüttmann, Floris Ernst, Markus Kleemann and Torben Pätz, 3D catheter guidance including shape sensing for endovascular navigation, in: Medical Imaging 2020: Image-Guided Procedures, Robotic Interventions, and Modeling, pages 1131504, 2020
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    Felix von Haxthausen, Svenja Ipsen, Holger Schwegmann, Ralf Bruder, Floris Ernst and Verónica García-Vázquez, A 3D Slicer module for calibration of spatially tracked 3D ultrasound probes, in: International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, Munich, pages S14-S16, 2020
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    Sonja Jäckle, Verónica García-Vázquez, Felix von Haxthausen, Tim Eixmann, Malte Maria Sieren, Hinnerk Schulz-Hildebrandt, Gereon Hüttmann, Floris Ernst, Markus Kleemann and Torben Pätz, Abstract: 3D catheter guidance including shape sensing for endovascular navigation, in: Bildverarbeitung für die Medizin 2020, 2020
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    Verónica García-Vázquez, Florian Matysiak, Sonja Jäckle, Tim Eixmann, Malte Maria Sieren, Felix von Haxthausen and Floris Ernst, Catheter pose-dependent virtual angioscopy images for endovascular aortic repair: validation with a video graphics array (VGA) camera, in: Current Directions in Biomedical Engineering, pages 20200010, De Gruyter, 2020
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    Yenjung Chen, Localization of endovascular tools in X-ray images from a motorized C-arm. Visualization on HoloLens, Lübeck University of Applied Sciences and Universität zu Lübeck, 2020
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    Yenjung Chen, Nilay Yatinkumar Shah, Subhra Sundar Goswami, Annkristin Lange, Felix von Haxthausen, Malte Maria Sieren, Jannis Hagenah, Floris Ernst and Verónica García-Vázquez, Localization of endovascular tools in X-ray images using a motorized C-arm: visualization on HoloLens, in: Current Directions in Biomedical Engineering, pages 20200029, De Gruyter, 2020
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    Wimonsiri Khiosapjaroen, Rendering of ultrasound volumes on augmented reality glasses, Lübeck University of Applied Sciences and Universität zu Lübeck, 2020
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    Felix von Haxthausen, Jannis Hagenah, Mark Kaschwich, Markus Kleemann, Verónica García-Vázquez and Floris Ernst, Robotized ultrasound imaging of the peripheral arteries – a phantom study, in: Current Directions in Biomedical Engineering, pages 20200033, De Gruyter, 2020
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    Sonja Jäckle, Verónica García-Vázquez, Tim Eixmann, Florian Matysiak, Felix von Haxthausen, Malte Maria Sieren, Hinnerk Schulz-Hildebrandt, Gereon Hüttmann, Floris Ernst, Markus Kleemann and Torben Pätz, Three-dimensional guidance including shape sensing of a stentgraft system for endovascular aneurysm repair (2020), in: International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, 15(1033-1042)
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    [Bib|RIS]
    Felix von Haxthausen, Till Aust, Holger Schwegmann, Sven Böttger, Floris Ernst, Verónica García-Vázquez, Markus Kleemann and Mark Kaschwich, Visual servoing for semi-automated 2D ultrasound scanning of peripheral arteries, in: Proc AUTOMED (2020), Infinite Science Publishing GmbH, 2020
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    2019

    Valentin Kraft, Jan Strehlow, Sonja Jäckle, Verónica García-Vázquez, Florian Link, Felix von Haxthausen, Andrea Schenk and Christian Schumann, A comparison of streaming methods for the Microsoft HoloLens, in: Tagungsgband der 18. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboterassistierte Chirurgie (CURAC), Reutlingen (Germany), pages 212-216, Oliver Burgert, Hochschule Reutlingen, Bernhard Hirt, Universität Tübingen, 2019
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    [Bib|RIS]
    Felix von Haxthausen, Floris Ernst, Ralf Bruder, Mark Kaschwich and Verónica García-Vázquez, Abstract: HoloLens Streaming of 3D Data from Ultrasound Systems to Augmented Reality Glasses, in: Bildverarbeitung für die Medizin 2019, pages 231, 2019
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    Felix von Haxthausen, Sonja Jäckle, Juljan Bouchagiar, Florian Matysiak, Mark Kaschwich, Jan Peter Goltz, Erik Stahlberg, Markus Kleemann, Floris Ernst and Verónica García-Vázquez, An augmented reality guidance system for endovascular aortic repair: first steps in reducing radiation exposure, in: Proceedings of the 33rd International Congress and Exhibition on Computer Assisted Radiology and Surgery (CARS'19), 2019
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    [Bib|RIS]
    Mark Kaschwich, Florian Matysiak, Juljan Bouchagiar, Marco Horn, Verónica García-Vázquez, Felix von Haxthausen, Sonja Jäckle, Tim Eixmann, Jan Peter Goltz, Floris Ernst and Markus Kleemann, Augmented Reality navigierte endovaskuläre Chirurgie – das NavEVAR-Projekt, in: 35. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Gefäßchirurgie und Gefäßmedizin, 2019
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    [Bib|RIS]
    Felix von Haxthausen, Sonja Jäckle, Tim Eixmann, Jan Strehlow, Christian Schumann, Juljan Bouchagiar, Florian Matysiak, Hinnerk Schulz-Hildebrandt, Gereon Hüttmann, Mark Kaschwich, Markus Kleemann, Floris Ernst, Torben Pätz and Verónica García-Vázquez, Catheter navigation and augmented reality visualisation for endovascular aneurysm repair procedures, 2019
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    [Bib|RIS]
    Felix von Haxthausen, Sonja Jäckle, Jan Strehlow, Floris Ernst and Verónica García-Vázquez, Catheter pose-dependent virtual angioscopy images visualized on augmented reality glasses (2019), in: Current Directions in Biomedical Engineering, 5:1(289-292)
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    [DOI]
    [Bib|RIS]
    Stamatis Risto, Yenjung Chen, Felix von Haxthausen, Florian Matysiak, Floris Ernst and Verónica García-Vázquez, Development of HoloLens Mount for Third-Person Perspective and Augmented Reality Application for Endovascular Aortic Repair Procedures, in: Student Conference on Medical Engineering Science, Medical Informatics, Biomedical Engineering and Auditory Technology 2019, Lübeck (Germany), pages 47-50, Infinite Science Publishing GmbH, 2019
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    Marco Horn, Floris Ernst, Kuhlemann Ivo, Erik Stahlberg, Jan Peter Goltz, Marcus Wiedner and Markus Kleemann, Experimental visualization of vascular structures with Microsoft Hololens – Set-up for navigated contrast agent and radiation-sparing endovascular procedures (NAV-CARS EVAR), in: European Journal of Vascular and Endovascular Surgery, pages e104, 2019
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    [Bib|RIS]
    Marco Horn, Sonja Jäckle, Felix von Haxthausen, Tim Eixmann, Hinnerk Schulz-Hildebrandt, Gereon Hüttmann, Juljan Bouchagiar, Florian Matysiak, Mark Kaschwich, Markus Kleemann, Floris Ernst, Verónica García-Vázquez and Torben Pätz, First steps into catheter guidance including shape sensing for endovascular aneurysm repair procedures, in: European Journal of Vascular and Endovascular Surgery (Book of Abstracts - The European Society for Vascular Surgery 33rd Annual Meeting 2019), Hamburg (Germany), pages e610-e611, 2019
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    [DOI]
    [Bib|RIS]
    Yenjung Chen, Stamatis Risto, Felix von Haxthausen, Floris Ernst and Verónica García-Vázquez, HoloLens: Third-person Perspective, in: Student Conference on Medical Engineering Science, Medical Informatics, Biomedical Engineering and Auditory Technology 2019, Lübeck (Germany), pages 51-54, Infinite Science Publishing GmbH, 2019
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    [Bib|RIS]
    Juljan Bouchagiar, Felix von Haxthausen, Sonja Jäckle, Florian Matysiak, Mark Kaschwich, Jan Peter Goltz, Marco Horn, Erik Stahlberg, Verónica García-Vázquez, Floris Ernst and Markus Kleemann, NAV EVAR Auf dem Weg zur strahlungsfreien Stentgraft Implantation, in: WÜMEK 2019, Würzburg (Germany), 2019
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    [Bib|RIS]
    Sven Böttger, Felix von Haxthausen, Markus Kleemann, Floris Ernst and Achim Schweikard, Robotics from the bench – Research for ultrasound automation with augmented reality visualization, in: 17th Three-Country Conference Minimally Invasive Surgery MIC 2019, 2019
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    Markus Kleemann, Sven Böttger and Felix von Haxthausen, Robotik: automatisierte Verfahren in der Gefäßmedizin (2019), in: Gefäßchirurgie, 24(557–563)
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    2018

    Verónica García-Vázquez, Felix von Haxthausen, Sonja Jäckle, Christian Schumann, Ivo Kuhlemann, Juljan Bouchagiar, Anna-Catharina Höfer, Florian Matysiak, Gereon Hüttmann, Jan Peter Goltz, Markus Kleemann, Floris Ernst and Marco Horn, Navigation and visualisation with HoloLens in endovascular aortic repair (2018), in: Innovative Surgical Sciences
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    [URL]
    Florian Matysiak, Juljan Bouchagiar, Anna-Catharina Höfer, Floris Ernst, Jan Peter Goltz, Erik Stahlberg, Markus Kleemann and Marco Horn, New navigation method for the treatment of aneurysms: Navigated endovascular aortic repair (Nav EVAR), in: European Journal of Vascular and Endovascular Surgery, pages e18, 2018
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    [Bib|RIS]
    Felix von Haxthausen, Floris Ernst, Ralf Bruder and Verónica García-Vázquez, Real-Time Streaming of 3D Ultrasound Data to HoloLens, in: 52nd Annual Conference of the German Society for Biomedical Engineering (BMT 2018), Aachen (Germany), pages S344, 2018
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    [Bib|RIS]
    Felix von Haxthausen, Floris Ernst, Ralf Bruder and Verónica García-Vázquez, Streaming of 3D Data from Ultrasound Systems to Augmented Reality Glasses (HoloLens), in: Tagungsgband der 17. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboterassistierte Chirurgie (CURAC), Leipzig (Germany), pages 2-3, Thomas Neumuth, Andreas Melzer, Claire Chalopin, 2018
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    [Bib|RIS]
    Sonja Jäckle, Felix von Haxthausen, Verónica García-Vázquez, Christian Schumann, Markus Kleemann, Floris Ernst and Nils Papenberg, Visuelle Unterstützung bei endovaskulären Eingriffen durch Darstellung einer virtuellen Angioskopie auf der HoloLens, in: 34. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Gefäßchirurgie und Gefäßmedizin (DGG), Bonn (Germany), 2018
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    2017

    Marco Horn, Jan Peter Goltz, Erik Stahlberg, Nils Papenberg, Floris Ernst and Markus Kleemann, Endovascular interventions proceeded under contrast agent and radiation sparing using navigation and imaging techniques for holographic visualisation, European Symposium on Vascular Biomaterials, Strasbourg (France), pages 173-180, 2017
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    [URL]
    Marco Horn, Floris Ernst, Erik Stahlberg, Jan Peter Goltz, Marcus Wiedner and Markus Kleemann, Experimental visualization of vascular structures using Microsoft HoloLens, in: 2017 Annual Meeting of the Australia & New Zeland Society for Vascular Surgery, pages 33, 2017
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    [Bib|RIS]
    Ivo Kuhlemann, Markus Kleemann, Philipp Jauer, Achim Schweikard and Floris Ernst, Towards X-ray free endovascular interventions - using HoloLens for on-line holographic visualisation (2017), in: Healthcare Technology Letters, 4:5(184-187)
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    2015

    Marco Horn, Jan Nolde, Jan Peter Goltz, Jörg Barkhausen, Wolfgang Schade, Christian Waltermann, Jan Modersitzki, Janine Olesch, Nils Papenberg, Tobias Keck and Markus Kleemann, Ein Prototyp für die navigierte Implantation von Aortenstentprothesen zur Reduzierung der Kontrastmittel- und Strahlenbelastung: Das Nav-CARS-EVAR-Konzept (Navigated-Contrast-Agent and Radiation Sparing Endovascular Aortic Repair) (2015), in: Zentralblatt für Chirurgie, 140:05(493-499)
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