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39,80 €ISBN 978-3-8440-2659-7Softcover220 pages79 figures327 g21 x 14,8 cmGermanThesis
April 2014
Simon Adler
Entwicklung von Verfahren zur interaktiven Simulation minimal-invasiver Operationsmethoden
Virtual-Reality Simulatoren können das Training von Chirurgen unterstützen und die erforderliche Ausbildungszeit zum Erlernen minimal-invasiver Verfahren reduzieren. Aufgrund der Vorteile für den Patienten finden diese Verfahren zunehmend Verbreitung. Es besteht daher zunehmender Bedarf nach entsprechenden Simulatoren.
In dieser Arbeit wird, ergänzend zu Trainingssimulatoren, das erweiterte Konzept einer interaktiven Testumgebung dargestellt. Diese soll es Chirurgen perspektivisch ermöglichen, neuartige Behandlungsmethoden sowie Instrumente zu erproben. Es wurde eine Anforderungsanalyse nach dem Prinzip des szenariobasierten Designs erstellt. Als Teil der Konzeptkonkretisierung wurden dabei verschiedene Modellgenerierungs- und Simulationsverfahren, die Anforderungen an Testumgebungen adressieren, umgesetzt und untersucht.
In Trainingsumgebungen werden im Gegensatz zu Organen, Gefäße nur in geringem Umfang simuliert. Für Test- und Trainingssimulationen, wird deren Berücksichtigung jedoch zunehmend wichtiger. Sowohl während der Vorbereitung, als auch bei Hauptschritten eines Eingriffes, sind umfangreiche Interaktionen mit Gefäßen erforderlich. In dieser Arbeit wird daher ein Simulationsverfahren für Gefäße auf Basis der Gefäßmittellinie entwickelt, durch das Axial-, Biege- und Torsionskräfte sowie Kräfte durch Querschnittsänderungen bestimmt werden. Für die Visualisierung wird zusätzlich ein Verfahren entwickelt und untersucht, durch das Oberflächenmodelle geringer Komplexität adaptiv zum Gefäßdurchmesser generiert werden. Diese Modelle werden mit den entwickeltens Simulationsverfahren gekoppelt synchronisiert.
Die Erreichbarkeit einer Abdomenregion hängt unter anderem von der Lage des Zugangs ab. Für den Vergleich alternativer Zugängspunkte erfolgten prototypische Umsetzungen. Diese Prototypen ermöglichen die interaktive Exploration des Abdomens. Die Systeme visualisieren hierbei neben der 3D-Ansicht zusätzlich CT-Schnittbilder sowie Landmarken und dienen der Unterstützung medizinischer Experten.
Bei der Navigation werden Instrumente, ausgehend vom Zugang, in das Zielgebiet der Intervention geführt. Das Risiko, andere Organe zu verletzen, ist aufgrund der engen Raumverhältnisse, immanent. Für diesen Aspekt wurde ein echtzeitfähiges Verfahren zur Bestimmung kritischer Abstände zwischen Instrumenten und anatomischen Strukturen (Organe und Gefäße) realisiert. Das Ergebnis der darauf basierenden Risikobewertung wird während der Interaktion auf den Oberflächen der anatomischen Strukturen visualisiert. Die Genauigkeit des Verfahrens wurde mit der eines chirurgischen Planungssystems verglichen.
In dieser Arbeit wird, ergänzend zu Trainingssimulatoren, das erweiterte Konzept einer interaktiven Testumgebung dargestellt. Diese soll es Chirurgen perspektivisch ermöglichen, neuartige Behandlungsmethoden sowie Instrumente zu erproben. Es wurde eine Anforderungsanalyse nach dem Prinzip des szenariobasierten Designs erstellt. Als Teil der Konzeptkonkretisierung wurden dabei verschiedene Modellgenerierungs- und Simulationsverfahren, die Anforderungen an Testumgebungen adressieren, umgesetzt und untersucht.
In Trainingsumgebungen werden im Gegensatz zu Organen, Gefäße nur in geringem Umfang simuliert. Für Test- und Trainingssimulationen, wird deren Berücksichtigung jedoch zunehmend wichtiger. Sowohl während der Vorbereitung, als auch bei Hauptschritten eines Eingriffes, sind umfangreiche Interaktionen mit Gefäßen erforderlich. In dieser Arbeit wird daher ein Simulationsverfahren für Gefäße auf Basis der Gefäßmittellinie entwickelt, durch das Axial-, Biege- und Torsionskräfte sowie Kräfte durch Querschnittsänderungen bestimmt werden. Für die Visualisierung wird zusätzlich ein Verfahren entwickelt und untersucht, durch das Oberflächenmodelle geringer Komplexität adaptiv zum Gefäßdurchmesser generiert werden. Diese Modelle werden mit den entwickeltens Simulationsverfahren gekoppelt synchronisiert.
Die Erreichbarkeit einer Abdomenregion hängt unter anderem von der Lage des Zugangs ab. Für den Vergleich alternativer Zugängspunkte erfolgten prototypische Umsetzungen. Diese Prototypen ermöglichen die interaktive Exploration des Abdomens. Die Systeme visualisieren hierbei neben der 3D-Ansicht zusätzlich CT-Schnittbilder sowie Landmarken und dienen der Unterstützung medizinischer Experten.
Bei der Navigation werden Instrumente, ausgehend vom Zugang, in das Zielgebiet der Intervention geführt. Das Risiko, andere Organe zu verletzen, ist aufgrund der engen Raumverhältnisse, immanent. Für diesen Aspekt wurde ein echtzeitfähiges Verfahren zur Bestimmung kritischer Abstände zwischen Instrumenten und anatomischen Strukturen (Organe und Gefäße) realisiert. Das Ergebnis der darauf basierenden Risikobewertung wird während der Interaktion auf den Oberflächen der anatomischen Strukturen visualisiert. Die Genauigkeit des Verfahrens wurde mit der eines chirurgischen Planungssystems verglichen.
Keywords: Visualisierung; Simulation; Chirurgie; minimal-invasiv; Testumgebung; interaktive Chirurgiesimulation
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