Optimale Führung von Endoskopen mit redundanter Kinematik (Optimal Endoscopic Guidance for Systems with Redundant Kinematics)
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Bei minimal invasiven Operationen orientiert sich der Chirurg an einem Monitorbild. Ein Endoskop mit Kamera und die zur Operation benötigten Instrumente werden durch Röhren (Trokare) in den Körper des Patienten (z.B. Bauchraum) eingeführt. Zur Entlastung des Operationsteams soll das Nachführen (Tracking) des Endoskops, das durch ein Endoskopführungssystem getragen wird, zukünftig nicht manuell, sondern automatisch erfolgen. Das Endoskopführungssystem ist dabei ein spezielles kinematisches System, dessen Achsen durch Motoren bewegt werden.
Für das automatische Tracking wird ein Verfahren vorgestellt, das auf Basis der Optimierung einer vorgegebenen Gütefunktion arbeitet. Durch die Gütefunktion lassen sich ein gewünschtes Bahnverhalten der zu verfolgenden Objekte auf dem Bildschirm beim Ausregelvorgang sowie die Minimierung des dazu notwendigen Stellaufwands fordern. Das angewandte Optimierungsverfahren berücksichtigt dabei die einzuhaltenden Restriktionen, die aus den maximalen Achsgeschwindigkeiten und den Endlagen der Gelenke des Endoskopführungssystems resultieren.
In minimally invasive surgery the surgeon uses a monitor image of the operating scene for orientation. The endoscope with a camera and the surgical instruments are inserted through trocars into the patient's body. To improve the working conditions of the surgeon it is necessary to enable an automatic tracking instead of a manually controlled tracking of the endoscope. Therefore, the endoscope is guided by an endoscopic guidance system, which is a special kinematic system. The axes of this system can be moved by motors.
The article shows a concept for automatic tracking, which is based on optimizing an objective function. This objective function reflects the demand for a desired trajectory of the tracked object on the monitor while controlling and the demand for minimization of the required energy. The method, applied for solving the optimization problem, observes the restrictions caused by maximal velocities and stop positions of the axes of the endoscopic guidance system.
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