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Virtuelle Welten, Erweiterte Realitäten und
ihre Anwendung in der Medizin
Uli Bockholt
Virtuelle Welten, Erweiterte Realitäten und ihre Anwendung in der Medizin 17. Oktober 2002
BestPractice Seminar "Immersive Trainingssysteme in der Medizin“ 2
Abteilung “Visualisierung und Virtuelle Realität”
Technisch Wissenschaftliche Visulaisierung
Virtuelle Realität Augmented Reality(Erweiterte Realität)
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??? Virtual Reality ???
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Zitate:
The primary defining characteristic of VR is inclusion; being surrounded by an environment. VR places the participant inside information.
W. Bricken, HIT Lab
Indeed, in the ultimate display one will not look at that world through a window, but will be immersed in it.
Ivan Sutherland, 1966
If I turn my head and nothing happens, it ain´t VR!Steve Bryson, NASA Ames
Was ist „Virtual Reality“?
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Warum VR?
Ich höre Ich vergesse
Ich sehe Ich erinnere mich
Ich probiere etwas aus Ich verstehe
Chinesisches Sprichwort
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VR Technology
Just say no!
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Trend: IPT (immersive projection technology)
Workbench
Stereoprojektion
CAVE
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Erste VR-Applikationen: Architektur und Design
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Ein öffentlich zugängliches Erlebniszentrum mit Technologien der virtuellen und erweiterten Realität.
Die Besucher sollen mit Spaß
- die Faszination neuer Medientechnologien erleben
- attraktive Wissensinhalte auf neue Weise erfahren
- und durch wechselnde, außergewöhnliche Attraktionenimmer wieder angeregt werden.
Cybernarium Darmstadt
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23. – 28. Januar 2002
Centralstation, Darmstadt
15 Attraktionen,18 Sponsoren5 Monate Planung
10.000 Besucher in der schätzungsweise nochmal soviele, die nicht reinkamen
Ausstellung
Wartezeiten bis zu 3 Stunden, teilweise vor dem Einlaß campierende Besucher
Cybernarium Days
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Die logische Erweiterung von „Virtual Reality”
Augmented Reality verstärkt die Wahrnehmung der Realität
? Kombination realer und virtueller Objekte
? Echtzeit-Interaktion
? 3D-Registrierung
Was ist „Augmented Reality“ (AR)?
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Augmented Reality („Erweiterte Realität“)
... steht für:
Präsentation von Informationen im Sichtfeld des Betrachters und in Überlagerung mit der Realität
Eine Kombination aus:
- Semi-transparent displays
- Tracking
- wearable Computer und Telekommunikation
- Interaktion mit realen und virtuellen Gegenständen und Informationen
eine Technologie, die sich weltweit im Pionierstadium befindet,
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Augmented Reality
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Displays: interessante Trends
MicroOptical: hohe Akzeptanz Microvision: mit dem Laser direkt auf die Netzhaut (sehr hell)
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Reales Umfeld
Virtuelles Umfeld
AugmentedReality
VirtualReality
MixedReality
„Synergie von Virtueller und Erweiterter Realität“
Several classes of existing hybrid display environments can be found, which could reasonably be considered to constitute MR interfaces according to the ‘virtuality continuum’
Paul Milgram(Univ. of Toronto)
Mixed Reality
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?Mixed Reality Systeme ? in der Medizin
?Chirurgische ?Ausbildung
?Rechnergestützte?Diagnostik
?Praeoperative ?Planung
?Intraoperative?Unterstützung
Mixed Reality in der Medizin
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Computergraphik
Chirurgie
? offen minimal invasiv
2D Interaktion ?3D Interaktion
Paradigmenwechsel
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?Entscheidungs-?findung
?Handhabung
?Chirurgischer ?Ansatz
Anatomie
?Geschicklichkeit?. . .
Chirurgische Fertigkeiten
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? Training an Plastikmodellen
? Training an Tieren
? Training an Leichen
? „Learning by doing“
Chirurgisches Training ...
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Idee: VR basiertes Trainigssystem
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? Realistische Repräsentation deranatomischen Strukturen
? Intuitive Handhabung der Instrumente
? Realistische Repräsentation deschirurgischen Equipments
? 3D Interaktion
? Echtzeit Simulation
Anforderung
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Simulation
VR Training System
Model
Teilaufgaben
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Modellierung mit Hilfe der Konstruktionspläne
Chirurgische Instrumente
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Registrierung der Bewegungen mittels Trackingsystem (z.B. elektromagnetischGenauigkeit)Position: ~1.2 mmOrientierung: ~ 0.5 °
Simulation Chirurgischer Instrumente
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?Endoskop ? Untersuchen
?Zange ?Deformierung
?Schere ? Schneiden
Verschiedenartige Funktionalitäten
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0° Optik 12° Optik 30° Optik
Interaktionmittels derOriginal
-handgriffe
3D Interaktion
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Virtueller Situs
Anatomie
Morphologie
Physiologie
Biomechanik
Histologie
Virtuelle Anatomische Strukturen
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Datenakquisition
?Vorverarbeitung
?Segmentierung
?Gittergenerierung
?Reduzierung
Scanning
Bilddaten
?gefilterte Bilddaten
?Konturen
?Polygonale Modelle
3D Rekonstruktion
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Generierung virtuelle anatomische Strukturen
Schritt 1:Geometrie-rekonstruktion
Schritt 2:Rekonstruktion Der Oberflächen-beschaffenheit
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Homogenisierung
Komposition mit Hilfe von Kacheln
Kantenglättung
Endoskopische Videoaufnahmen
Bildvorverarbeitung
Generierung einer geeigneten Auflösung
Texturmapping
Texturgenerierung
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Texturgenerierung
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?Tracking
?.
Deformieren
?Rendern
Kollisionsdetektion
Schneiden
Rendering Loop
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Kantenmodelle derInstrumente
? Nur Instrumentspitzen sind berücksichtigt
? Nur äußere Kanten
Basis Test:
Kante versus Dreieck
Kollisionsdetektion
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Ansatz A:
Stosswichtende Funktion
Ansatz B:
Feder-Masse Sysem
Deformierungssimulation
? ? ? ? ??
???iNj
ijii FFtxutxum ,, ??? ?
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Verwendung von “Templates”
Simulation von Schneidevorgängen
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Berechnung Kraftvektor
?.Kraftvektorzerlegung
Tracking
?.
?Haptisches Rendering
Kollisionsdetektion
Simulation von Haptik
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? Endoskopischen Fenster? Übersichtsfenster? Kollisionsstatistik? Mpeg? Selektion der Optik
2D Benutzungsschnittstelle
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NasalEndoscopy
Simulator(NES)
Rhinoskopie
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Virtual Reality
Arthroscopy TrainingSimulator(VRATS)
Arthroskopie
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Virtual Reality
Arthroscopy TrainingSimulator(VRATS)
Arthroskopie
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Hysteroskopie
LAHYSOTRAIN
Laparoskopie/HysteroskopieTrainingssystem
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?Rechnergestützte Diagnostik
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PatientenspezifischeBiomechanik
PatientenspezifischeBiomechanik
Simulation von Bewegungs-
abläufen
Simulation von Bewegungs-
abläufen
Simulation von Spannungs-verteilungen
Simulation von Spannungs-verteilungen
Simulation von Strömungen
Simulation von Strömungen
Simulation von Deformierungs-
verhalten
Simulation von Deformierungs-
verhalten ......
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PatientenspezifischeBiomechanik
PatientenspezifischeBiomechanik
Simulation von Bewegungs-
abläufen
Simulation von Bewegungs-
abläufen
Simulation von Spannungs-verteilungen
Simulation von Spannungs-verteilungen
Simulation von Strömungen
Simulation von Strömungen
Simulation von Deformierungs-
verhalten
Simulation von Deformierungs-
verhalten ......
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Tomographiedaten Experimentelle Untersuchungen
FEM Software
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Diagnostisches Ablaufdiagramm
Geometry Nasenkanal Simulationsgitter
Visualisierungs-komponente
3D R
ekon
struk
tion
Gittergenerierung
Strömungssim
ulation
CT Schichten
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PatientenspezifischeBiomechanik
PatientenspezifischeBiomechanik
Simulation von Bewegungs-
abläufen
Simulation von Bewegungs-
abläufen
Simulation von Spannungs-verteilungen
Simulation von Spannungs-verteilungen
Simulation von Strömungen
Simulation von Strömungen
Simulation von Deformierungs-
verhalten
Simulation von Deformierungs-
verhalten ......
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Simulation von Belastungsverteilungen auf Bandscheibe und Wirbelkörper
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PatientenspezifischeBiomechanik
PatientenspezifischeBiomechanik
Simulation von Bewegungs-
abläufen
Simulation von Bewegungs-
abläufen
Simulation von Spannungs-verteilungen
Simulation von Spannungs-verteilungen
Simulation von Strömungen
Simulation von Strömungen
Simulation von Deformierungs-
verhalten
Simulation von Deformierungs-
verhalten ......
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Generierung von
? 3D-Objekt des Oberkiefers ? 3D-Objekt des Unterkiefers? 3D-Objekt des Bißregistrats ? 3D-Objekt des Referenzpunkt-systems
via
? 3D Streifenprojektionsscan ? 2,5 D Laserscan
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Visualisierung Okklusionen
Statische Visualisierung der Okklusionen (Akkumulierend)
Dynamische Visualisierung der Okklusionen
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PatientenspezifischeBiomechanik
PatientenspezifischeBiomechanik
Simulation von Bewegungs-
abläufen
Simulation von Bewegungs-
abläufen
Simulation von Spannungs-verteilungen
Simulation von Spannungs-verteilungen
Simulation von Strömungen
Simulation von Strömungen
Simulation von Deformierungs-
verhalten
Simulation von Deformierungs-
verhalten ......
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Simulation von Gewebedeformierungen am Beispiel des Meniskus
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?PraeoperativePlanung
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Robotergestützte Chirurgie
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Möglichkeiten:
? Auswahl des geeignetenImplantats
? Platzierung des Implantats
? Navigation durch die Patientendaten
? Definition von Planungsschritten
? Praxistaugliche Planungszeiten
Benutzungs-oberflächeRobotik
Komponente
Patienenspezifische Bilddaten
ImplantatModelle
Planungs-System
Operationsplanung zur robotergestützten Chirurgie
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Selektion der geeigneten Prothese und Platzierung im Datensatz
Planungssystem Knieprothese
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Planungssystem Wirbelsäulenchirurgie
Selektion und Platzierung von Pedikelschrauben
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?Intraoperative Operations-
unterstützung
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Intraoperative Operationsunterstützung
Teilaufgaben:
? Registrierung der Patientin bzw. des Patienten? Tracking von chirurgischen Instrumenten im Körperinneren? Darstellung auf 2D Schnittbildern (CT, US, MRI etc.)? 3D Volumendarstellung
Anwendungsbeispiel:
? Überlagerung von praeoperativen Daten
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AR in der Medizin
Preoperative Tomography Scans
Tracking of the instruments
Virtueller Situs
Intraoperative Sensors
Augmented Reality Visualisation
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AR in der Medizin
? Datenerhebung: Erfassung relevanter Bereiche des Patienten,ggf. Fusion multimodaler Verfahren
? Registrierung: Räumliche 3D-Verbindung des realen unddes virtuellen Patienten
? Tracking: Patiententracking, InstrumententrackingDisplaytracking, Chirurgtracking
? Visualisierung: Kombinierte Visualisierung von realen Patientendaten und rechnergenerierten Daten
? Interaktion: Intuitiver Datenzugriff unter Einbeziehung multimodaler Technologie
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AR in der Medizin
-AR-UROLO - Augmented Reality System für die Urologie
Echtzeitbildverarbeitung und Überlagerung von Endoskopiebildern
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AR in der Medizin
-ERIAS – Enhaced Reality Integration in Robot-Assisted endoscopic Surgery
? Navigationsunterstützung? Zuwegplanung? Überlagungs von
Planungsergebnissen? Simulation? Registrierung
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AR in der Medizin
Demonstrator MEDICA 2001
? Überlagerung von MR Daten auf den Patienten
? Echtzeitregistrierung? 3D Rekonstruktion? Volumenrendering? Hybrides Rendering
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Zusammenfassung
„Mixed Realities“ schaffen neue, visionäre Möglichkeiten in folgenden medizinischen Bereichen
? Chirurgische Ausbildung 3D Anatomieatlanten, VR Trainingssimulatoren
? Rechnergestützte DiagnostikBiomechanische Simulationen, Virtuelle Endoskopie
? OperationsplanungRobotergestützte Chirurgie, Therapieplanung
? Intraoperative OperationsunterstützungNavigationsunterstützung, Erweitertes Chirurgisches Blickfeld