Online prediction of the hand configuration using ultrasound images of the forearm

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Abstract

Viele Personen die ein Körperteil wie die Hand verloren haben, werden von Phantomschmerzen geplagt. Dabei fühlen diese Betroffenen, dass ihre fehlenden Finger sich in einem dauerhaften, angespannten Zustand befinden. Es ist Ihnen nicht möglich diesen Zustand zu ändern, wodurch ein deutliches Gefühl der Unannehmlichkeit und sogar Schmerz hervorgerufen wird. Einige Behandlungsmethoden für diese Art von Phantomschmerzen basieren auf der Idee, dass dem Patienten die Bewegung seiner fehlenden Finger nachgebildet und ihm gezeigt wird, wodurch das Spannungsgefühl und die damit verbundenen Schmerzen verschwinden. Dieses Prinzip nennt sich optisches Feedback. Das Ergebnis der vorliegenden Arbeit ist die Basis eines weiterführenden Projekts im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, das mit diesem Konzept arbeitet und mit Hilfe von Patienten validiert wird. Durch frühere Studien wird gezeigt, dass ein linearer Zusammenhang zwischen der Darstellung der Unterarmmuskulatur mit Hilfe eines Ultraschallgeräts, also dem aktuellen Aktivierungszustand der Muskeln, und den entsprechenden Gelenkwinkeln der Finger besteht. Mit Hilfe dieser Information war es möglich ein System zu erstellen, das mit Hilfe von Ultraschalldaten und nach Anpassung auf den jeweiligen Probanden in der Trainingsphase die Fingerpositionen in Echtzeit vorhersagen und anzeigen kann. Es wurden zahlreiche Ansätze ausgearbeitet um ein robustes System zu erzeugen, welches dauerhaft und ohne Verlust an Genauigkeit Ergebnisse liefert. Die Fähigkeit des Systems, sich während der Trainingsphase auf das jeweilige Subjekt anzupassen, konnte durch die Verwendung einer inkrementellen, linearen Regression verbessert werden. Dadurch ist es möglich, bei Bedarf zwischen dem eigentlichen Ablauf des Programms und der Trainingsphase zu wechseln, wodurch einzelne Bewegungen der Ultraschallaufnahmen wiederholt und somit eine Feinabstimmung einzelner Finger erfolgen kann. Die Qualität der Behandlung kann dadurch deutlich gesteigert werden. Zur Anschauung kann dem Patienten während der Vorhersage ein bewegliches 3D Model seiner Hand dargestellt werden, welches ausschließlich durch Ultraschalldaten der Unterarmmuskulatur erzeugt wird. Neben diesen softwaretechnischen Neuerungen wurde die Halterung der Ultraschallsonde, die am menschlichen Arm befestigt wird, weiterentwickelt. Denn das Problem bei der Befestigung der Sonde ist, dass selbst kleine Rotationen des Unterarms und die damit verbundene Verschiebung des Ultraschall-Messgebers auf der Haut zu drastischen Änderungen in den Aufnahmen und damit zu einem deutlichen Verlust der Aufnahmequalität führt. Zusätzlich zur mechanischen Vorrichtung sorgt ein magnetischer Positions- und Winkelgeber am Unterarm dafür, dass der Einfluss dieser Rotation durch die Software erfasst und dadurch rechnerisch verringert wird.

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• Online prediction of the hand configuration using ultrasound images of the forearm. (deposited 13 Dec 2012 16:09) [Currently Displayed]