Kurzfassung. Durch die Modi kation einer MRT Pulssequenz und eines Rekonstruktionsprogrammes kann auf magnetische Objekte zeitlich verschrankt Kraft ausgeubt und deren Position bestimmt werden. Zusammen mit einer geeigneten Regelung entsteht ein vielseitiges robotisches System. Es werden hierzu Objekterkennung, -verfolgung und antrieb implementiert und getestet. Die Methoden werden im Experiment an einem Phantom getestet, wobei als Objekte eine Stahlkugel und eine Kapsel mit Ferro uid gewahlt wurden. Die Objekte werden initial in einem 3D Volumenbild durch merkmalsbasierte Mustererkennung lokalisiert und anschlie end per Templatematching in einzelnen Schichtbildern verfolgt. Das Verfahren wird anhand von zusatzlichen Videoaufnahmen und einem strukturierten Referenzmuster uberpruft.
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und von der MRT Hardware ausgefu¨hrt. Durch die ru¨ckgewonnenen Messsignale wird dann erneut die Position bestimmt. Ziel dieser Arbeit sind Implementierung, Integration und Test von Artefakterkennung, -verfolgung sowie des Gradientencontrollers. High Level Controller und Low-Level Controller sowie die entsprechenden Signalpfade sind fu¨r die durchgefu¨hrten Experimente im Rahmen dieser Arbeit nicht verwendet worden. e G n n edar ti Fu¨r die Experimente stand ein SIEMENS Magnetom Verio 3T Gera¨t zur Verfu¨gung. Eine Fast Low Angle SHot (FLASH) Sequenz wurde dahingehend modifiziert, dass Gradienten fu¨r den magnetischen Antrieb mit der u¨blichen FLASH Sequenz zeitlich verschra¨nkt werden. Der magnetische Antrieb erfolgt gema¨ß der Gesetzma¨ßigkeit
Die wirkende Kraft −→F ist proportional zum Objektvolumen Vm, der Magnetisierung −M→ und dem Gradienten der magnetischen Feldsta¨rke −→H. Die modifizierte Sequenz ist in Abbildung 2 dargestellt. Einer Bildaufnahme geht jeweils eine Antriebsphase voran. Der Antriebsvektor muss zuna¨chst vom physikalischen Koordinatensystem in das logische Koordinatensystem der Sequenz (SliceSelection, −→F = 0Vm (−M→ · ∇) −→H Messung
(1) Fal 1: 3D Bild Fal 2: 2D Schicht
rgenuiiliitsanI
Positionen kAtuel ePsoiti o n e n
Bildrekonstruktion
Gradientenparameter Bildgebung
Abb. 1. Funktionsweise der geplanten MRT-basierten Positionsregelung. Die Objekterkennung initialisiert die Objektverfolgung. Basierend auf den Positionsdaten werden in der Regelung die Pfadplanung und die Berechnung der Stellgro en (Gradienten) durchgefuhrt. Die MRT Hardware fuhrt die Antriebs- und die Bildgebungsphase aus und stellt neue Messungen fur die Objektverfolgung bereit.
Sol -Positionen Gradientenparameter Antrieb
PhaseEncoding, Readout) transformiert werden. Prinzipiell ko¨nnte der Antrieb noch weiter mit der Bildaufnahme verschra¨nkt werden, beispielsweise durch Antriebsphasen nach jeder gelesenen K-Raum Zeile. Der Senkung der Totzeit im Regelkreis steht hier jedoch ein geringerer Auslastungsgrad der Gradienten durch die ho¨here Zahl der Pulsflanken entgegen. Außerdem ist von sta¨rkeren Bewegungsartefakten auszugehen.
Die Positionsbestimmung wird durch die merkmalsbasierte Objekterkennung
[
xt yt C (xp; yp) = ∑ ∑ I (xp + x; yp + y) · T (x; y) x=0 y=0 (2)
Um das Maximum der Korrelationsmatrix wird per Schwellwertverfahren eine Region segmentiert, deren Schwerpunkt dann dem Objektschwerpunkt entspricht.
Als Versuchsaufbau wurde eine mit reinem Wasser gefu¨llte Plexiglasbox (Abmessungen 300 mm × 300 mm × 300 mm) mit einer Stahlkugel (d = 2:5 mm) bestu¨ckt. Dadurch steht eine Signal- und Artefaktquelle zur Verfu¨gung. Gleichzeitig kann die Bewegung der Kugel nicht nur u¨ber das MRT Tracking sondern auch mit einer Videokamera nachvollzogen werden. In diesem Fall wurden die Parameter Te = 10 ms, Tr = 97; 3 ms, Flipwinkel 15 Grad und Matrixgro¨ße 128 × 128 verwendet. Gradientensta¨rke war 20 mT/m mit einer Dauer von 0,5 s. Als alternatives Objekt wurde eine schwimmende Kunststoffkapsel mit einem Ferrofluid (Ferrotec Corporation, Eisenoxydnanopartikel mit Gro¨ßen von ≈ 10 nm) verwendet. Die Sequenzparameter in diesem Fall waren Te = 2; 8 ms, Tr = 26; 9 ms, Flipwinkel 15 Grad und Matrixgro¨ße 256 × 256. Der verwendete Gradient zur Fortbewegung war in diesem Fall 20 mT/m mit einer Dauer von 2 s. Zur Bestimmung der Messgenauigkeit wurde eine strukturierte Plexiglasscheibe mit darauf fixierter Stahlkugel verwendet. Die Experimente wurden ohne geschlossenen Regelkreis durchgefu¨hrt.
Abb. 2. Pulsdiagramm der modi zierten FLASH Sequenz. Der Bildakquise ist eine Antriebsphase vorgeschaltet.
Abb. 3 (a) und (b) zeigen den Versuchsaufbau im MRT und als Beispiel eine Schichtaufnahme vom Tracking der Stahlkugel. Die Objekte bewegen sich in die vorgegebene und gewu¨nschte Richtung und ko¨nnen im Kamera- und MRT-Bild jeweils verfolgt werden. Die Trajektorien der Stahlkugel und Ferrofluidkapsel sind in Abb. 3 (c) und (d) dargestellt. Fu¨r die gezeigte Bewegung beno¨tigt die Stahlkugel 16s, die Ferrofluidkapsel 160 s. Die Bewegung der Stahlkugel im Kamerabild weist 6 Kanten auf, jeweils in der Na¨he der Ruhepositionen wa¨hrend der Bildgebungsphasen.
Die Genauigkeit der Positionsbestimmung in Ruhelage wurde separat mit Hilfe der strukturierten Plexiglasscheibe bestimmt und betra¨gt 0.44mm. Abb. 3. (a) Versuchsaufbau: wassergefullte Akrylbox, (b) Horizontale MRT Schichtaufnahme durch Akrylbox mit Stahlkugel, (c) Trajektorien in MRT Aufnahmen und Videobild fur Stahlkugel und (d) Trajektorien in MRT Aufnahmen und Videobild fur Ferro uidkapsel.
Das Prinzip der zeitlichen Verschra¨nkung von Positionsbestimmung und
Antrieb magnetischer Objekte im MRT wurde demonstriert. Im Gegensatz zu dem
Trackingverfahren in [
Durch den open-loop Betrieb ist die Bewegung trotz konstanter Antriebsrichtung nicht geradlinig. Die Integration des Reglers wird diese Abweichung beheben. Durch den geringen Anteil magnetischen Materials an der Kapsel ist die Bewegung der Ferrofluidkapsel vergleichsweise langsam. Die Abweichung zwischen den von Video und MRT ermittelten Trajektorien sind unter anderem auf die Ungenauigkeit der Positionsmessung per Videokamera (Abstand ca. 5 m, flacher Winkel entlang Patiententisch) zuru¨ckzufu¨hren. Eine tatsa¨chlich deutlich ho¨here Genauigkeit des Trackings im Bewegungsfall kann erwartet werden. Weitere Einflussfaktoren sind die Bildgebungsgradienten, die ebenfalls Kraft auf die Stahlkugel ausu¨ben, sowie Reibungskra¨fte. Diese beiden Faktoren ko¨nnen fu¨r die im Videobild beobachtete kantige Bewegung verantwortlich sein. Dies muss in weiteren Versuchen untersucht werden.
In Zukunft muss die Bildrate von derzeit 1–3 Hz erho¨ht werden. Potential liefert die partielle K-Raum Akquisition. Fu¨r die Positionsbestimmung im Bewegungsfall wird eine genauere Referenzmethode beno¨tigt. Nach Integration des Reglers sollten weitere Versuchsszenarien getestet werden.