© Kompetenzzentrum Virtuelle Realität und Kooperatives Engineering w. V. – Virtual Dimension Center VDC
Whitepaper Virtual Reality in der Medizin und Medizintechnik Techniken, Anwendungen, Ergebnisse
Von:
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Intraoperative Unterstützung
Digitale Atlanten
VR-gestützte Diagnostik
VDC-Whitepaper
VR in der Medizin
und Medizintechnik
Analyse Simulationsdaten
Planung Eingriff
Tele-Medizin Rehabilitation Ausbildung und Training
Workflow und Anordnung
Übersicht Illustration
2
Herausforderungen
Umfeld:
Notwendig im Training:
- realistisch
- seltene Pathologien
- objektive Bewertung der Leistung
- einfacher Zugang
- Szenarien-Simulation
Training nach wie vor auch am Patienten
Assessment des Chirurgen/Studenten
Beherrschung vieler Wissensdomänen
permanente Weiterentwicklung
von Behandlungsmethoden
Koordinationsaufgabe Team
eingeschränkte Sicht,
indirektes Arbeiten
komplexe 3D-Daten,
schwierige Bildinterpretation
multimodale Interaktion
Planung komplexer Operationen
komplexe Gerätetechnik
Anwendung für Geräteentwicklung
Szenarien-Simulation für Therapie
Übersicht
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und Medizintechnik
Analyse Simulationsdaten
Planung Eingriff
Tele-Medizin Rehabilitation Ausbildung und Training
Workflow und Anordnung
Übersicht Illustration
3
Anwendungsfelder
VR-gestützte Diagnostik
- Analyse 3D-Daten aus
volumengebenden Verfahren
Analyse Simulationsdaten
- Festigkeits-/Spannungsberechnung
- Kinematiken, Mehrkörpersysteme
- Strömung, Fluidik
Planung Eingriff
- Abläufe, Wege
- Bestrahlung
Intraoperative Unterstützung
- Navigationsunterstützung
- erweitertes chirurgisches Blickfeld
Tele-Medizin
- Telepräsenz mit VR
Rehabilitation
- Motorik
- psychiatrische Therapie
Digitale Atlanten
Training
- endoskopische Verfahren
- chirurgische Tätigkeiten
- Abläufe und Prozesse,
Gerätetechnik
Workflow- und
Anordnungsplanung
Illustration Medizintechnik
für die Marketing-Kommunikation
Übersicht
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VR-gestützte Diagnostik
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und Medizintechnik
Analyse Simulationsdaten
Planung Eingriff
Tele-Medizin Rehabilitation Ausbildung und Training
Workflow und Anordnung
Übersicht Illustration
4
VR-gestützte Diagnostik
immersive Analyse von
Ergebnissen volumen-
gebender Verfahren:
CT, MRT, Ultraschall
räumliche 6DOF-Interaktion
Nutzung von Stereoskopie
und Bewegungsparallaxe
(über Head Tracking):
Verbesserung räumliche
Tiefenwahrnehmung
Bild: Fh-IPA
Bild: ZGDV Darmstadt
Bild: VPH/ZGDV
DigiHom
3D-Darstellung
Gehirntumor mit
Blutgefäßen
3D-Szene aus Inhalten
volumengebender
Verfahren
VR-gestützte Diagnostik
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Analyse Simulationsdaten
Planung Eingriff
Tele-Medizin Rehabilitation Ausbildung und Training
Workflow und Anordnung
Übersicht Illustration
5
VR-gestützte Diagnostik – einsetzbare Techniken
Fehlfarbendarstellung: eine
physikalische Größe (wie z. B.
Temperatur) wird über eine
Farbcodierung sichtbar
gemacht
Proben: der Betrachter kann
mit einem Messfühler das
Modell abfahren und
Messwerte anzeigen lassen.
Der Messfühler kann bezüglich
der gemessenen Größe
variabel sein.
Schnitte: das 3D-Modell wird
so angeschnitten, dass die für
den Betrachter wichtigen
Bereiche gut zu sehen sind
Zeitraffer, Zeitlupe:
Animation: für das Erkennen
zeitlicher Zusammenhänge
Überhöhen: physikalische
Größe wird verstärkt, so
dass sie sichtbar wird
komparative Darstellung:
alternative Prozesse werden
simultan gezeigt, um
Unterschiede zu erkennen
subtraktive Darstellung: nur
Unterschied zwischen zwei
Prozessalternativen wird
angezeigt. Damit lassen sich
Prozessunterschiede noch
leichter ausmachen
selektive Darstellung nach
Werten: nur Modellbereiche mit
bestimmten Messwerte
angezeigt: Problemzonen
Superposition:
2 Simulationsergebnisse oder
ein Versuchsteil und ein
Simulationsergebnis werden
graphisch überlagert:
Optimierungspotenzial des
Simulationsmodells oder
Schwankungen des Verfahrens
Inline-Unterstützung mit AR:
Überlagerung Messwerte /
Prozessparameter auf Situs
(-> intraoperative Unterstützung)
VR-gestützte Diagnostik
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Analyse Simulationsdaten
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Tele-Medizin Rehabilitation Ausbildung und Training
Workflow und Anordnung
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6
Analyse Simulationsdaten
Festigkeits- und Spannungsberechnung:
Überprüfung
Geometrie Implantat
Einbringungsort
Funktionsweise
Belastungen, Spannungen
am digitalen Modell.
Bild: Fh-IGD
Bilde CADFEM
Analyse der Statik
Knieimplantat
Anpassen Implantat
auf individuelle
Wirbel-Geometrie;
Spannungsberechnung
Implantat
Spannungsberechnung
Oberschenkelknochen
mit Implantat;
Dekubitus-Simulation:
Spannungen an Knochen
Bild: Visenso
Bild: CADFEM
Bild: Visenso
Analyse Simulationsdaten
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Workflow und Anordnung
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7
Analyse Simulationsdaten
Kinematik und Mehrkörpersysteme:
Überprüfung
Bewegungen, Bewegungsgrenzen,
Geschwindigkeit, Passgenauigkeit
Kräfte, Drehmomente
Spannungen
am digitalen Modell.
Bild: Fh-IGD
Bild: AnyBody
Hüftgelenk:
Analyse Kräfte
Kiefer:
Analyse von
Bewegungspathologien,
Validierung von
Implantationen
Bein:
digitales Modell der
Muskeln und Knochen
Bild: Blundell
Analyse Simulationsdaten
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Workflow und Anordnung
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8
Analyse Simulationsdaten
Strömung und Fluidik:
Überprüfung
Flussgeschwindigkeiten
Verwirbelungen
umströmte Bereiche,
unumströmte Bereiche
am digitalen Modell.
Bild: Fh-IGD
Bild: Fh-IGD
Bild: Visenso
Strömungssimulation
Nasenströmung
3D-Modellierung,
Simulationsmodell
Strömung
Naseninnenraum
Simulationsmodell
Strömung Aneurisma
Analyse Simulationsdaten
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Workflow und Anordnung
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9
Prä-operative Planung - Simulation des Eingriffs
Ablaufplanung
Wegeplanung
Fügen
Anwendungsbeispiele:
Ostheosynthese-Planung
diverse Anwendungen Chirurgie
Bestrahlungsplanung
Bild: HS Bern
Bild: HS Bern
Bild: BMBF
virtuelle
Ostheosynthese
3D-Interaktion mit
3D-Daten zur
Ostheosynthese
Operationsplanung
Metastasen (gelb),
die Pfortader
(orange) und die
Lebervenen (blau)
Planung Eingriff
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Workflow und Anordnung
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10
Planung – Beispiel Leber-Resektion
Verschiedene
Aufteilungswerkzeuge
zur Simulation einer
atypischen Resektion:
a) Ebene
b) Kugel
c) formbare Fläche
Bilder: TU Graz
3D-Messwerkzeuge
für die räumliche
Analyse:
a) Distanzmessung
b) Volumenmessung
einzelner Objekte
c) Volumen-Summe
über virtuellen
Messbecher
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Analyse Simulationsdaten
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Tele-Medizin Rehabilitation Ausbildung und Training
Workflow und Anordnung
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Exkurs: Erweiterte Realität (Augmented Reality – AR)
Grundgedanke: Überlagerung natürlicher Sicht mit
Computer-generierten Informationen
Kontext-Sensitivität, Alpha-numerischer oder
3D-Content
Abgleich Realität vs. Modell einfach:
Konsistenz-Checks digitales Modell – phys. Welt
Digitalisierung nicht immer / so umfangreich
erforderlich
hohe Verständlichkeit durch Andocken der
Computergrafik an reales Objekt
Einsatz in Fällen, bei denen Handbuch schwierig
Anleitung, Anweisung, Verdeutlichung,
Unterstützung im Arbeitsprozess
Bild: metaio
Bild: Volkswagen
Datenbrille
CAD-Model über
physischem Prototyp
Einplanen Ausrüstung
in Fabrikhalle
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Tele-Medizin Rehabilitation Ausbildung und Training
Workflow und Anordnung
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Intraoperative Unterstützung
Bereitstellung 3D-Daten aus
volumengebenden Verfahren
technische Daten, Messdaten
unterschiedliche Systemkonfigurationen
denkbar (prototypisch getestet)
- Display zwischen Chirurg und Situs
(video-see-through oder
optical-see-through)
- Projektion auf Situs
- nebeneinander auf separaten
Displays (nächste Seite)
Bild: ZGDV
Bild: ZGDV
Bild: Surgical Planning
Laboratory, Harvard
Möglicher Hardware-
Aufbau: Display über
dem Patienten
Blick durch das Display:
Zusatzinformationen in
der normalen Sicht
Aufprojektion
3D-Daten
Intraoperative Unterstützung
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Tele-Medizin Rehabilitation Ausbildung und Training
Workflow und Anordnung
Übersicht Illustration
13
Intraoperative Unterstützung
Bild: Universität Bern
9. Oktober 2012: Am Berner ARTORG
Center for Biomedical Engineering wird
chirurgische Navigationstechnologie mit
Darstellungen von Erweiterter Realität (oder
Augmented Reality) verbunden. Diese
Technologie ermöglicht es, während einer
Operation auch die innere Struktur eines
Organs abzubilden. Das neue Verfahren
wurde nun erstmals bei einer komplexen
Leber-Operation eingesetzt.
Die Leber wird dreifach dargestellt: Ein
Bildschirm im Operationssaal zeigt 3D-
Computertomographie (CT)- und
Magnetresonanz (MRT)-Aufnahmen,
welche die innere Anatomie der Leber des
Patienten zeigen. Auf einem weiteren sind
Endoskop-Bilder der Miniaturkamera zu
sehen, und ein dritter Bildschirm
schließlich zeigt eine Kombination von
beiden, also ein überlagertes,
«realitätserweitertes» Bild. Sämtliche
relevanten Informationen werden so in
einem «chirurgischen Cockpit» auf
mehreren Bildschirmen zusammengeführt –
und dies verhilft zu einer einfacheren
Orientierung und zu besseren
Entscheidungen.
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und Medizintechnik
Analyse Simulationsdaten
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Tele-Medizin Rehabilitation Ausbildung und Training
Workflow und Anordnung
Übersicht Illustration
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Tele-Medizin
Tele-Chirurgie: Telepräsenz-Anwendungen,
bei der sich Chirurg und Patient an
verschiedenen Orten befinden
Anwendungsszenarien:
vor-Ort-Behandlung Unfallopfer,
Soldaten, Transportunfähige
Fern-Diagnose
long-distance vs. short-distance
Einbezug entfernter Spezialisten:
Telekonsultation
Bilder: Internet-Blog „Geste, image, sens“
Schema Tele-Chirurgie.:
Als ein Paradebeispiel
für die „long-distance“-
Anwendung wird eine
im Jahre 2001
durchgeführte
Gallenblasenentfernung
gesehen. Hier wurde
eine Patientin in
Straßburg von
Roboterarmen operiert,
die von einem Chirurgen
in New York bedient
wurden.
Tele-Medizin
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Analyse Simulationsdaten
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Tele-Medizin Rehabilitation Ausbildung und Training
Workflow und Anordnung
Übersicht Illustration
15
Rehabilitation
Motorik:
Unterstützung Bewegung
bewusste Einschränkung
ungewollter Bewegungsrichtungen
Durchführung von Übungen
objektive Erfolgsmessung
Bild: Gupta, O’Malley
Bild: Blundell
Bild: O‘Malley, Ambrose
Das MAHI Exoskelett
Haptic Workstation
für Training nach
Schlaganfall
6DOF JPL arm master
Rehabilitation
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und Medizintechnik
Analyse Simulationsdaten
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Tele-Medizin Rehabilitation Ausbildung und Training
Workflow und Anordnung
Übersicht Illustration
16
Rehabilitation
Behandlung Phobien und Süchte durch
individuelles Training im Simulator
Behandlung der Posttraumatischen
Belastungsstörung (PTSD)
Schmerzkontrolle für Verbrennungspatienten
Untersuchung des Patientenverhaltens
und -empfindens
kognitiv-verhaltenstherapeutische Methoden
Begleitet durch Analyse problematischer
Denkmuster, konkrete
Verhaltensübungen
und die Beeinflussung
körperlicher Prozesse
(z. B. durch gezielte
Entspannungstechniken)
Bild: Uni Würzburg
Bild: VT+
Bild: Uni Würzburg
VR-Flugszene
VR-Höhenszene
VR-Spinnenszene Bild: Uni Würzburg
VR-Tunnelfahrt
Rehabilitation
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Rehabilitation
Bild: VT+ VR-Höhenszene
Rehabilitation
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Motorik
VR-Szene zum Einsatz
des Stethoskops
virtuelle Operation mit
der dazugehörigen
haptischen Schnittstelle
18
Bild: The Medical News (2010): http://www.thaimedicalnews.com
Bild: VRMMP
Bild: VRMMP
Exkurs: Virtual Reality im Wissensmanagement
Wissensarten in Virtuellen Umgebungen:
Positionswissen: was ist wo?
Strukturwissen: wie hängt was zusammen?
Verhaltenswissen: wie verhält sich das System?
Wie verhalte ich mich?
Prozedurwissen: welche Abläufe bewirken was?
Lernmöglichkeiten in Virtuellen Umgebungen:
räumliches Explorieren
konzeptuelles Lernen
Erlernen motorischer Fähigkeiten
prozedurales Lernen
Übersicht
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Digitale Atlanten
Vermittlung Positionswissen
Vermittlung Strukturwissen
Anatomie, Physiologie, Biomechanik
Clipping (Wegschneiden von
graphischen Bereichen für eine
freie Sicht auf Relevantes)
Transparenz (Durchsicht)
Animation
Bild: Fh-IPA
Bild: Google
Bild: Bratz
3D-Darstellungen
von Gehirn und Herz
Google Body Browser
DigiHom
Bild: BMBF
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und Medizintechnik
Analyse Simulationsdaten
Planung Eingriff
Tele-Medizin Rehabilitation Ausbildung und Training
Workflow und Anordnung
Übersicht Illustration
Bilder: Projekt HASASEM
20
Training
Simulations-
umgebung eyesi:
Ophtalmo-Chirurgie
Elektrorheologische
Flüssigkeit zur
haptischen Darstellung
von Elastogrammen.
Anwendung: Palpation
zur Identifikation
pathologischer
Veränderungen
des Gewebes
Bild: BioSkill
Bild: VRmagic
BioSkill-Simulator
für Endsokopie
und Laparoskopie
Trainingsszenarien mit visuellen
und haptischen Modalitäten
Lernstufen: Vorführen,
Begleiten, Prüfen
virtuelle Endoskopie,
Laparoskopie
virtuelle Palpation
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Workflow und Anordnung
Übersicht Illustration
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Training
Diagnostik:
Bereitstellung von Trainingsszenarien
Anwendungsbeispiele:
Rhinoskopie
Ophtalmoskopie
Arthroskopie
Hysteroskopie
Bild: Fh-IGD
Bilder: VR Magic
Bild: Fh-IGD
virtuelle
Rhinoskopie
virtuelle
Ophtalmoskopie
virtuelle
Hysteroskopie
virtuelle
Arthroskopie Bild: Fh-IGD
Ausbildung und Training
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Training
Eingriff
Bereitstellung von Trainingsszenarien
Anwendungsbeispiele:
Ophtalmochirurgie
Vitro-retinale Eingriffe,
Katarakt
Koloskopie
Bild: Uni Heidelberg
Bilder: Uni Heidelberg
Bilder: Uni Heidelberg
Ophtalmochirurgie
Ophtalmochirurgie
EndoSim,
Schema Koloskopie,
3D-Szene aus der
virtuellen Koloskopie
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Training
Abläufe und Prozesse:
Bereitstellung von Trainingsszenarien für
Prozeduren
Reihenfolgen
Einbindung Personal
Hilfsmittel
Bereitstellungsorte
Verwendung Gerätetechnik
Bild: Texas A&M University
Bild: Texas A&M University
Bild: Texas A&M University
virtuelle Überprüfung
Adaption des Auges
(Pupillenreflex)
virtuelle Palpation
der Wirbelsäule
Umgang mit
Gerätetechnik
Ausbildung und Training
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Training
Abläufe und Prozesse - Noteinsatz-Simulatoren:
Gewinnung Übersicht,
Sicherung
Selbst-Organisation,
Team-Organisation
Koordinierung Personal
Bild: ETC Simulation
Bild: Texas A&M University
Bild: E-Semble
Simulationsumgebung
ADMS
Mitarbeiter-Steuerung:
Simulationsumgebung
Pulse!!
Simulationsumgebung
XVR
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Workflow und Anordnung
Übersicht Illustration
25
Workflow- und Anordnungsplanung
Layout-Optimierung nach
Erreichbarkeit, Minimierung Wege,
Übersicht, Flussprinzip
hohe Auslastung Gerätetechnik bei
geringen Wartezeiten der Patienten
(Ressourcen-orientierte Eintaktung)
u.a. Verwendung von Materialfluss-
Simulationen
Ablaufbeschleunigung
Bild: FH Bern
Bild: FH Bern
Bild: FH Bern
virtuelle
OP-Szene
(Projekt Hovisse)
Arbeitsgruppe am
Planungstisch
(Projekt Hovisse)
Draufsicht und
4 Perspektiven
(Projekt Hovisse)
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Workflow und Anordnung
Übersicht Illustration
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Illustration in der Marketing-Kommunikation
realistische Darstellung auf Basis 3D-Daten
Verständnis erzeugen
Prospektmaterial, Web, (Stereo-)Filme
Interaktion möglich
2D-Zeichnungserstellung auf Basis der
Konfiguration
Produktvarianz vermitteln
Individualisierung:
Konfiguration modularer Designs
durchgängige Vertriebs- und Angebotsprozesse
verlässliche und korrekte Angebote selbst für
komplexe Produkte
innovativer Außenauftritt
Bild: LumoGraphics
Computergraphik
Operationssaal für
die Fa. Berchtold
virtueller OP-Saal:
Ausschnitt aus
3D-Stereo-Film
für KLSmartin
chirurgische
Instrumente:
Ausschnitt aus
3D-Stereo-Film
für KLSmartin
Bild: Visenso
Bild: Visenso
Illustration
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Workflow und Anordnung
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Fazit
sehr breites bestehendes Einsatzspektrum von Virtual Reality
in der Medizin und Medizintechnik
Medizin ist das am stärksten spezialisierte Anwendungsgebiet der VR
auch mit sehr spezifischer Gerätetechnik
Herausforderung:
- Registrierung
- Generierung 3D-Daten in Echtzeit
komplexe Modelle, die alle Facetten der Realität widerspiegeln
Deutschland, Schweiz, USA sehr weit vorne dabei – Spezialisten in der Nähe
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