This thesis outlines the development of an automatic image registration algorithm for matching 3D CT data to 2D fluoroscope X-ray images. The registration is required in order to calculate a transformation for measurements in the 2D image into the 3D representation. The algorithm achieves the registration by generating digitally reconstructed radiographs from the CT data set. The radiographs are 2D projection images, and therefore may be compared with the 2D Fluoroscope images. The X-ray and fluoroscope images were compared using the photometric-based registration algorithm, pseudocorrelation, with X^2 as the distance metric. An automated search algorithm was implemented using the Downhill Simplex of Nelder and Meade. The algorithm was successful in locating the position and orientation of the CT data set for calculating a digitally reconstructed radiograph to match the fluoroscope image. The CT data set was located with a maximum mean position error of 2.4 mm in xy, 4.4 mm in z, and xyz axial rotation within 0.5°. The standard deviation given 1800 random starting locations was 9.3 mm in x, 12.7 mm in y, 16.9 mm in z, xz axial rotation 2.5°, and y axial rotation of 1.9°. The search algorithm was successful in handling gross misalignment, however there were difficulties in convergence once within the vicinity of the global minimum. It is suggested to implement a hybrid search technique, switching to a conjugate gradient search algorithm once in the vicinity of the global minimum. An additional refinement would be a possible change of the distant metric, or the registration algorithm, once within the vicinity of the global minimum. Additional investigation needs to be directed towards testing the algorithm with live fluoroscope and CT data. This is required in order to assess registration performance when comparing different imaging modalities. / Thesis / Master of Engineering (ME)

Die Erforschung innovativer, materialminimierender Konstruktionsstrategien und ressourcenschonender Fertigungstechnologien für den ressourcenintensiven Bausektor ist eine dringende Notwendigkeit, um dem globalen Klimawandel wirksam zu begegnen. Eine materialeffiziente und ressourcenschonende Bauweise ermöglicht das Bauen mit Textilbeton. Im Vergleich zu Stahlbewehrungen sind textile Bewehrungsstrukturen korrosionsunempfindlich, wodurch die notwendige Betondeckung drastisch reduziert werden kann. Ein weiterer, wesentlicher Vorteil von Textilbewehrungsstrukturen besteht in der freiförmigen, lastangepassten Gestaltungsfreiheit der Textilbewehrung während des Fertigungsprozesses, wodurch auch komplex verzweigte Bewehrungstopologien realisierbar sind. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt die Entwicklung einer neuartigen, robotergestützten Fertigungstechnologie zur Herstellung von biologisch inspirierten, lastangepassten 3D-Textilbewehrungsstrukturen. Ein Schwerpunkt besteht dabei in der Entwicklung eines einstufigen, robotergestützten Garndirektablageverfahrens, sodass auf zusätzlich erforderliche Verarbeitungsprozesse verzichtet werden kann. Für die Realisierung dieser flexibel einsetzbaren Technologie werden anforderungsgerechte Funktionsmodule zur Tränkung, Führung und Fixierung von Carbonfaserrovings im Raum elaboriert und validiert. Die Basis für die technologische Entwicklung bilden die grundlagenorientierten, numerischen und experimentellen Untersuchungen zu den Einflussfaktoren der Fadenfixierung sowie der Fadenführung und -tränkung, wie bspw. das topologieabhängige Abstreifverhalten des Fadens vom Wickelkörper, die strukturmechanischen Fragestellungen oder die Prozessparameter im Tränkungsprozess. Für die robotergestützte Herstellung der 3D-Textilbewehrungsstrukturen werden Algorithmen für die automatisierte Generierung von kollisionsfreien Roboterpfaden erforscht und entwickelt. Anschließend wurde ein zweistufiger, regelbasierter Prozessablauf konzipiert und mithilfe von MATLAB® implementiert, sodass das 3D-Modell der zu fertigenden Textilbewehrungsstruktur anhand definierter Anforderungen automatisiert in verwertbare Maschinensteuerungsdatensätze übersetzt wird. Die entwickelte, robotergestützte Fertigungstechnologie schafft die Grundlage, biologisch inspirierte, lastangepasste 3D-Textilbewehrungsstrukturen mit einem hohen Lastabtragungsvermögen herzustellen. Diese Technologie leistet somit einen bedeutenden Beitrag bei der Herstellung materialminimierter, ressourcenschonender Carbonbetonstrukturen.

Robot assisted therapy is becoming increasingly popular. Research has proven it can be of benefit to persons dealing with a variety of disorders, such as Autism Spectrum Disorder (ASD), Attention Deficit Hyperactivity Disorder (ADHD), and it can also provide a source of emotional support e.g. to persons living in seniors’ residences. The advancement in technology and a decrease in cost of products related to consumer electronics, computing and communication has enabled the development of more advanced social robots at a lower cost. This brings us closer to developing such tools at a price that makes them affordable to lower income individuals and families. Currently, in several cases, intensive treatment for patients with certain disorders (to the level of becoming effective) is practically not possible through the public health system due to resource limitations and a large existing backlog. Pursuing treatment through the private sector is expensive and unattainable for those with a lower income, placing them at a disadvantage. Design and effective integration of technology, such as using social robots in treatment, reduces the cost considerably, potentially making it financially accessible to lower income individuals and families in need. The Objective of the research reported in this manuscript is to design and implement a social robot that meets the low-cost criteria, while also containing the required functions to support children with ASD. The design considered contains knowledge acquired in the past through research involving the use of various types of technology for the treatment of mental and/or emotional disabilities.