Verbesserte Bildqualität bei Tumoroperationen
Live-Bilder während der Operation und FPGA-Algorithmen ohne Hardware-Programmierung
- Kunde
- Quest Medical Imaging BV
- Standort
- Niederlande
- Datum
- 2018
Zur Visualisierung von Krebserkrankungen bei Tumoroperationen setzen immer mehr Krankenhäuser Bildverarbeitungssysteme mit multispektralen Kameras ein. Ein solches System bietet die Firma Quest Medical Imaging BV mit ihrer Quest Spectrum Plattform. Die eigens entwickelte Multispektralkamera hat sie durch einen programmierbaren Framegrabber samt passender Software erweitert.
Wie funktioniert das Multispektralkamera-System?
Vor der Operation wird Patienten an gezielten Stellen ein fluoreszierender Marker gespritzt, der sich an die Tumorzellen anheftet und mit NIR-Licht angeregt wird. Je nach Art des Tumors sind dies unterschiedliche Marker. Die Multispektralkamera nimmt in High Definition (HD) gleichzeitig ein Farbbild im RGB-Farbraum und zwei fluoreszierende Bilder im NIR-Spektralbereich auf, bei einer Datenrate von 255 MB/s und einer maximalen Bildrate von 60 fps. Das Farbbild und eines der NIR-Bilder werden für die Bildausgabe vereint.
Mithilfe der während der Operation auf einem Bildschirm angezeigten Ergebnisbilder können Chirurginnen und Chirurgen das vom Tumor befallene und das daran angrenzende Gewebe genau auseinanderhalten. Das Verfahren eignet sich sowohl für offene als auch für minimalinvasive, laparoskopische Eingriffe.
Bei der bisherigen Framegrabber-basierten Bildverarbeitungslösung lief der gesamte Prozess der Bildaufnahme über die Bildvorverarbeitung bis hin zur Bildverarbeitung über die CPU des Host-PCs. Die hochauflösenden Kameraaufnahmen wurden ohne Datenreduktion direkt an die CPU weitergeleitet, was die Geschwindigkeit des Systems verringerte.
Framegrabber unterstützt Vorverarbeitung und zwei Betriebsarten
Der neu in die Plattform integrierte Camera Link Framegrabber microEnable 5 marathon VCL führt nun den gesamten Prozess auf dem FPGA (Field Programmable Gate Array) ohne Belastung der CPU und mit höherer Geschwindigkeit aus. Mit dem Prozessor werden die mit der Multispektralkamera aufgenommenen Bilder Pixel für Pixel mit hoher Parallelität verarbeitet und zwei der Bilder bei der Bildausgabe verrechnet.
Tumorzellen in Echtzeit visualisieren
Mit der neuen Echtzeit-Lösung werden dem chirurgischen Team während des Eingriffs Livebilder auf einem Bildschirm dargestellt, in denen sich die fluoreszierenden Tumorzellen erkennen und besser vom gesunden Gewebe unterscheiden lassen. Zusätzlich werden Lymphknoten und Blutgefäße (Angiogenese) visualisiert, was mit bloßem Auge nicht möglich wäre.
Zwei Optionen der Bildanzeige
Statt zwischen schwarz/weißen und farbigen Ergebnisbildern umschalten zu müssen, haben Chirurginnen und Chirurgen über zwei alternative Kamerabetriebsarten nunmehr folgende Optionen: sie können sich entweder das Farbbild und das fluoreszierende Bild nebeneinander anzeigen lassen oder beide zusammen als ein einziges vereintes Bild. Kleinere Tumore lassen sich so besser identifizieren und mit Operationsgeräten ansteuern. Der Framegrabber ist leistungsstark genug, um beide Betriebsarten zu verarbeiten.
Software-Lösung mit programmierbarem Framegrabber
Ein weiterer wichtiger Grund für die Auswahl von Basler als Anbieter war die Programmierbarkeit des Framegrabbers anhand von VisualApplets, der einfach zu bedienenden grafischen Entwicklungsumgebung. Das Team hat ein Hardware-Applet mit Algorithmen für die Bildvorverarbeitung und Bildausgabe als Datenflussdiagramme grafisch programmiert, simuliert und auf den Framegrabber-FPGA geladen, ganz ohne aufwändige und teure VHDL-Programmierung durch Hardware-Spezialisten.
Unsere Anforderungen wurden allesamt umgesetzt, insbesondere die Echtzeit-Verarbeitung mit minimalsten Latenzen, Entlastung der CPU und die bessere Bildqualität für Chirurginnen und Chirurgen. Die Time-To-Market verkürzt sich aufgrund der kurzen Implementierungszeit deutlich.
Das bietet das Bildverarbeitungssystem
Der Wechsel auf das neue System fand innerhalb von nur zwei Monaten statt und wurde vom Projektteam ohne nennenswerten Hersteller-Support umgesetzt. Die Hard- und Software kann für alle Marker und damit sämtliche Tumorarten eingesetzt werden. Sie muss lediglich geringfügig auf eine Tumorart angepasst werden, etwa in Bezug auf die erforderlichen Farbspektren.
Besondere Vorteile:
Erheblich verbesserte Bildqualität für ein präziseres Operieren
Datenreduktion noch vor der Übertragung zum Auswertungsrechner durch Bildvorverarbeitung
Dadurch keine Bandbreiten- oder Speicherplatzprobleme
Höherer Datendurchsatz und sehr geringe Verzögerungszeiten (Latenzen) durch Verarbeitung auf dem FPGA-Prozessor
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