Virtual Reality Simulator für das Training von Lumbalpunktionen

Zusammenfassung

Punktionseingriffe werden in der Medizin zur Diagnostik und für die Therapie durchgeführt. Um die medizinische Ausbildung zu unterstützen, wurde ein Framework zur Simulation dieser Eingriffe mit Virtual-Reality Techniken erstellt. Am Beispiel der Lumbalpunktion wurden Methoden entwickelt, die das haptische und visuelle Verhalten einer Biopsienadel nachbilden. Für die Simulation der auf die Nadel wirkenden Kräfte kommt haptisches Volumenrendering zum Einsatz. Neue Methoden zur Berechnung der seitlichen Anpresskraft auf die Nadel ermöglichen die Simulation der Nadelrotationseinschränkung mit Hilfe von Kraftrückkopplungsgeräten mit sechs Freiheitsgraden.

Geräte und Methoden

Für die haptische Ein- und Ausgabe wird ein Phantom Premium Device mit sechs Freiheitsgraden der Firma Sensable verwendet (Abb. 1). Dadurch wird die Kraftrückgabe in den drei Raumrichtungen (Position) und für drei Drehungswinkel (Rotation) des Endeffektors ermöglicht.


Abb. 1: Haptisches Ein-/Ausgabegerät mit sechs Freiheitsgraden (Sensable Phantom Premium).

Die haptische Softwarekomponente umfasst das haptische Rendering aller beim Einstichvorgang auf die Nadel wirkenden Kräfte. Die Kräfte werden abhängig von Nadelposition, Nadelrotation, Einstichrichtung und den örtlichen Gewebeeigenschaften in Echtzeit berechnet und an den Benutzer über das haptische Ein-/Ausgabegerät zurückgegeben.
Die visuellen Simulation wird durch zwei- und dreidimensionale Darstellungen realisiert. In der dreidimensionalen Darstellung wird eine virtuelle Repräsentation der Nadel zusammen mit Oberflächenmodellen der relevanten medizinischen Strukturen visualisiert (Abb. 2). Die hierbei dargestellte Szene kann durch beliebige Positionierung der Kamera und eine optionale stereoskopische Ansicht auf die Bedürfnisse der Lernenden zugeschnitten werden.


Abb. 2: Dreidimensionale Ansicht des Einstichvorgangs.

Die zweidimensionalen Ansichten präsentieren die Lage der Nadel in orthogonalen Schichten des Datensatzes (Abb. 2). Die Schichtpositionen in den Ansichten werden durch die aktuelle Position der Nadelspitze definiert.


Abb.3: Transversal-, Sagittal-, und Koronaransicht des Einstichvorgangs

Ergebnisse

Das entwickelte Framework kann über XML-Dateien an die Simulation unterschiedlicher Punktionseingriffe angepasst werden. Eine erste Evaluation anhand einer Lumbalpunktionssimulation zeigt, dass sich durch die Simulation neue Möglichkeiten zur Visualisierung und Evaluation des Einstichvorgangs ergeben.

Ausgewählte Publikationen

  1. Matthias Färber, Julika Heller, Heinz Handels
    Simulation and Training of Lumbar Punctures Using Haptic Volume Rendering and a 6DOF Haptic Device,
    In: Cleary K.R., Miga M.I. (eds.), Visualization, Image-Guided Procedures, and Display, SPIE Medical Imaging 2006, San Diego, SPIE Vol. 6509, 0F1-0F8, 2007
  2. Matthias Färber, Julika Heller, Hummel F., Gerloff C. Heinz Handels
    Virtual Reality based Training of Lumbar Punctures using a 6DOF Haptic Device,
    In: Buzug T., Holz D., Weber W., Bongartz J., Kohl-Bareis M., Hartmann U. (eds.), Advances in Medical Engineering, Springer Verlag, Berlin, 236-240, 2007

Projektleitung

Prof. Dr. Heinz Handels

 

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Erstellt am 3. Juni 2010 - 14:15. Zuletzt geändert am 12. Juli 2010 - 14:53 von Kulbe.

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