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Item type:Project, Access status: without files , Time-Constrained Model Checking and Verification-Aware System Design for Medical Cyber-Physical SystemsMedical cyber-physical systems (MCPS) face two challenges: the complexity of the patient and a potentially high risk. Particularly, more autonomous systems often have to adapt to the patient's internal state. While there is growing interest in studying possible benefits of smarter and more autonomous MCPS for patients and physicians, safe operation is one key concern. Having rigorous and comprehensible guarantees for safe system behavior could therefore raise the acceptance of such systems in clinical practice.Formal methods and particularly the technique of model checking can in principle provide such guarantees. But classical model checking runs offline and requires complete models up-front; yet, models of physiological processes are complex and incomplete. If one shifts verification from offline to online, complete models are no longer required because one can use sensor data available at run time to fill in missing values so, that it becomes possible to give formal guarantees at least for relevant time windows in the near future. An MCPS aware of the verification thus has the chance to adapt, at run time, not only to the patient, but also to the verification itself. The online model checker, however, now becomes constrained by the time window available for verification.In this proposal we assume that model checker and MCPS form a control loop that executes repeatedly under (soft or hard) time constraints and investigate how their mutual dependency can be exploited to enable model checking where otherwise model complexity or time constraints would prevent formal verification. Embedded in a feedback loop, the model checker may need to prioritize critical properties over weaker guarantees where, e.g., lower confidence is acceptable. Considering the model checker's output, the MCPS may adapt to allow for "sufficient" model checking, e.g., by changing its speed.We develop a verification-time analysis that can weigh between precision and overhead. Further, we introduce a domain-specific language supporting the prioritization and abstraction of logical properties, to configure model checking accordingly. Verification-aware design of MCPS implies a tight integration and interaction with model checking in a real-time and synchronized fashion. We study system adaptation as a multi-criteria optimizing problem of maximizing system efficiency while maintaining patient safety. The methods are developed and evaluated in the context of two actual application scenarios: motion compensated radiation therapy and robotic needle placement.73 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
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Item type:Project, Access status: without files , Robotic ultrasound guidance for real-time motion compensated radiation therapy (RobUST), Phase IIIm Projekt wird die Möglichkeit zum kooperativen Einsatz zweier Robotersysteme in der Strahlentherapie untersucht. Im klinischen Einsatz zeichnet sich das auf einem Roboter basierende CyberKnife-System durch besonders viele Freiheitsgrade bei der räumlichen Strahlanordnung und die Möglichkeit des Ausgleichs von Atembewegungen durch synchrone Strahlbewegungen aus. Dadurch lassen sich präzise hochfokussierte Dosisverteilungen erreichen. Bisher erfolgt jedoch die Schätzung der Atembewegungen anhand extern messbarer Surrogatsignale. Ziel der zweiten Phase des Projektes ist es, die Echtzeit-Lageverfolgung des Zielgebietes mittels Ultraschall weiter zu untersuchen, so dass auf Surrogatsignale verzichtet und auch atemunabhängige Bewegungen und Deformationen, beispielsweise durch die Darmtätigkeit, schnell erkannt werden können. In der ersten Projektphase wurden Grundlagen der sicheren Ultraschallsondenplatzierung mittels Roboter geschaffen und es konnte gezeigt werden, dass die Integration des ultraschallführenden Roboters in den Bestrahlungsablauf auch in Hinblick auf Planqualität und Bestrahlungszeit möglich ist. Wesentliches Ziel des Projekts "RobUST II" ist es nun, auf Basis der Vorarbeiten der ersten Antragsphase zu untersuchen, inwieweit robotergestützter Ultraschall über die Dauer einer Bestrahlungsfraktion hinweg das Zielgebiet kontinuierlich in Bilddaten hoher Qualität darstellen kann, ob und wie sich Bewegungen und Deformationen der Strukturen hinreichend schnell erkennen lassen und wie die Behandlungsparameter in Echtzeit an erkannte Veränderungen adaptiert werden können.Daraus motiviert umfasst das Projekt drei Forschungsbereiche: die schnelle Ultraschall-Bildverarbeitung, die sichere Robotersteuerung und die echtzeit-adaptive Behandlungsplanung. Während jeder dieser Forschungsbereiche sehr spezifische Fachkenntnisse und Fähigkeiten erfordert, ist das endgültige Projektziel ihre Integration in einen optimierten Workflow und die experimentelle Bewertung des gesamten Systems in Hinblick auf das Ziel einer bewegungskompensierten und an intra-fraktionelle Geometrieänderungen angepassten Bestrahlung.104 - Some of the metrics are blocked by yourconsent settings
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