Projekt 03FMTHH17

Entwicklung einer Softwarearchitektur zur Steuerung Roboter-gesteuerten Probenahme und Entfernung potentieller Tumoren per theragnostischem Picosekunden-Infrafrot-Laser

Ausgangssituation

Der Picoseconds Infrarotlaser (PIRL) soll die Narbenbildung des beschädigten Gewebes minimieren, um so die Funktionsfähigkeit des betroffenen Organs zu erhalten und die Lebensqualität des Patienten möglichst wenig zu beeinträchtigen. Durch das Verdampfen spezifischer Moleküle ohne die Beschädigung des umgebenden Gewebes können mit PIRL Schnittwunden minimiert werden. Im Gewebedampf sind sensitive Biomoleküle wie z.B. Proteine nachweisbar, wodurch weitergehende massenspektrometische Diagnostik möglich wird. Von der Führung des PIRL durch einen gelenkten Roboter erhofft man sich ein hohes Maß an Genauigkeit und einen präzisen Abtragungsvorgang. Roboter wie z.B. Hexapoden in Verbindung mit einer hochauflösenden Bildgebungsmethode wie der optischen Kohärenztomografie (OCT) ermöglichen das Arbeiten im Mikrometerbereich.

Zielsetzung

Die Entwicklung des Picoseconds Infrarotlasers (PIRL) hat im medizinischen Umfeld viele Vorteile gebracht. Doch im Umgang mit unerwarteten Gegebenheiten traten bei der Anwendung von PIRL verschiedene Probleme auf. In diesem Projekt soll eine Softwarearchitektur entwickelt werden, um das System nachzubilden und diese Probleme zu erfassen. Zusätzlich zu PIRL wird durch Verwendung der optischen Kohärenztomografie eine räumliche Abbildung der gesammelten Biomoleküle auf Basis hochauflösender optischer Bildgebung im Mikrometerbereich benötigt. Ein integriertes Robotersystem soll OCT und PIRL verbinden, um eine hohe Positionierungsgenauigkeit sicherzustellen. Schließlich werden auch Werkzeuge zur Prüfung und Bewertung benötigt, um Ergebnisse und grundlegende Tests der Architektur zu veranschaulichen.

Vorgehensweise

Die Kernidee besteht darin, in einer Software das reale System abzubilden, so dass sein Verhalten analysiert und simuliert werden kann. Das Softwaremodell besteht aus vier Kernkomponenten:

  1. Es beginnt mit der OCT, da sie die Scans an den Controller sendet. Das Senden und Empfangen von Nachrichten zwischen OCT und ROS wurde anhand der zeitlich präzise ablaufenden Warteschlangen der Publisher und Subscriber nachgebildet.
  2. Der Controller erhält die Daten von der OCT und wertet sie aus, um die richtige Aktion zu veranlassen.
  3. Der Roboter ist ein Hexapoden-Roboter, der die Position des PIRL steuert. Abhängig von der erhaltenen Nachricht deckt unser Modell alle möglichen Reaktionen des Hexapoden ab. So ermittelt einer der fünf Automaten, die den Roboter darstellen, die korrekte Positionierung des Zielpunkts innerhalb des erreichbaren Bereichs sowie das zu erwartende Verhalten im Falle eines nicht umsetzbaren Zielbefehls.
  4. Zeitgesteuerte Automaten: Da das System zeitabhängig ist und schon auf kleine Zeitänderungen reagiert, wurden spezialisierte Automaten entwickelt, um mögliche Verzögerungen in jedem Stadium des Informationsflusses darzustellen. Diese Automaten wurden verwendet, um den Übergang zwischen zwei Zuständen in anderen Automaten zu kontrollieren.

Um das Ziel des Projekts zu demonstrieren, wurden Tests sowohl mit dem Roboter als auch mit dem OCT durchgeführt. Die folgende Abbildung zeigt, dass die robotergeführte Ablation tatsächlich funktioniert. Beachtenswert ist außerdem, dass die Abtragungszone anhand der OCT Daten bestimmt werden kann.


Beteiligte

Mathias Blumreiter

Projektleiter

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

Institut für Softwaresysteme

Technische Universität Hamburg

Laura Heikaus

Ehem. Wissenschaftliche Mitarbeiterin

Massenspektrometrische Proteomanalytik, Institut für Klinische Chemie

Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf


Medien


Publikationsliste

  • Rogalla, M. Blumreiter, et al., “Designing and Analyzing Open Application-Oriented Labs in Software-Verification Education”, angenommen für SEFI (European Society for Engineering Education) Annual Conference 2020.
  • Blumreiter, V. Gurumurthy, et.al, “OCT-based navigation for tissue ablation and characterization with a PIR-Laser”, Posterpräsentation, 7. Symposium des FMTHH, 2020.
  • Schlüter, et al., “Towards OCT-Navigated Tissue Ablation with a Picosecond Infrared Laser (PIRL) and Mass-Spectrometric Analysis.”, 2019 41st Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC). IEEE, 2019.

Folgeprojekte

Das Projekt hat einen Beitrag zur Vernetzung für das GRK Projekt „Innovative Methoden der künstlichen Intelligenz zur verbesserten Tumordiagnostik mittels optischer Verfahren“ und zur erfolgreichen Fokussierung durch das Interdisciplinary Competence Center for Interface Research (ICCIR) geleistet.