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SchwerpunktAugust 2017

01. August 2017
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Fachinformation


User-Interface
Das User-Interface ist zweigeteilt. Auf der linken Bildhälfte bietet es die Möglichkeit, unterschiedliche Dicken an K-Drähten oder andere Werkzeuge per Fingerklick zu wählen. Auf der rechten Seite des Bildschirms kann der User sich ein aktuelles Röntgenbild der Hand anzeigen lassen. So kann die Lage des K-Drahts im Knochen von Zeit zu Zeit überprüft werden. Im Operationssaal wird dieses Bild durch ein mobiles Röntgengerät erzeugt. Über das User-Interface werden auch die Elemente des „serious games“ an den Benutzer kommuniziert.
 
 
Abbildung 1: Exemplarischer Aufbau des Trainingssystems mit all seinen Komponenten. Auf der rechten Seite der haptische Arm für haptische Kraftrückmeldung und Bahnverfolgung des Bohrers. Die stereoskopische Kamera für das Tracking des Handphantoms auf der gegenüberliegenden Seite. Im Vordergrund befindet sich das Handphantom für die bimanuelle Haptik und im Hintergrund der 3D autostereoskopische Monitor mit Eye-Tracking-Bar. (Bild: OTH Regensburg)
Exemplarischer Aufbau des Trainingssystems mit all seinen Komponenten.




Framework
Um eine Bohrsimulation zu generieren, müssen wichtige Anforderungen an eine Programmierumgebung gestellt werden. Neben einer Möglichkeit zur Echtzeit-Simulierung benötigt man die Option zur Anbindung des haptischen Geräts. Zudem wird ein Volumenobjekt-Rendering, eine Kollisionsdetektion und ein 3D-Raum benötigt, in welchem mehrere integrierte Koordinatensysteme mittels Quaternion- und/oder Matrix-Rotation ineinander übertragen werden können. Diese Anforderungen werden von dem Framework chai3d (www.chai3d.org) der Universität Stanford erfüllt. Diese Open Source C++ Bibliothek für Computer-Haptik wurde erstmals 2003 veröffentlicht und ist unter der BSD-Lizenz kommerziell nutzbar.
 
Visualisierung
Mit realen klinischen Volumendaten aus CT (oder MRT) können Knochen, Weichgewebe und Risikostrukturen durch halbautomatische Segmentierung und digitale Bildverarbeitung für ausgewählte chirurgische Eingriffe aufbereitet und anschließen im chai3d-Framework visualisiert werden. Ein Volumenmodell der Knochen ist unbedingt notwendig, damit eine Bohrung in und durch einen Knochen möglich ist. Denn ein Volumenmodell besteht aus vielen kleinen Subvolumina, sogenannten Voxeln (3-dimensionale quaderförmige Volumenpixel). Diese Voxel können einzeln aus einem Volumen entfernt werden, um somit eine Bohrung durch den Knochen zu simulieren. Für die Visualisierung des Bohrers und der K-Drähte reicht jeweils ein Oberflächenmodell (Mesh-Modell) aus. Diese Oberflächenmodelle werden mit Hilfe eines Laserscanners erstellt. Nach mehreren Bearbeitungsschritten kann aus einer mit Laserimpulsen erzeugte Punktewolke ein zusammenhängendes Mesh-Objekt generiert werden.
 
Bohrmodell
Grundlage für das Bohrmodell ist eine elementare Kollisionsdetektion zwischen einem K-Draht und der Handknochen. Dazu wird ein sogenannter haptischer Punkt an die Spitze des K-Drahts gesetzt. Dieser haptische Punkt, eine einfache Kugel mit eigenem Koordinatensystem, detektiert Kollisionen mit bis zu 3 Voxel. Ist eine Kollision mit einem oder mehreren Voxeln vorhanden, kann das resultierende Kraftfeedback mit Hilfe eines geeigneten Algorithmus berechnet werden. Die resultierenden Kraftkomponenten in Translation und Rotation werden danach an den haptischen Arm gesendet. Befindet sich der haptische Punkt in Kollision, der K-Draht in Rotation und ist der aufgebrachte Druck gegen den Knochen groß genug, können einzelne Voxel vom gesamten Volumen des Knochens entfernt werden. Ist der Bohrer einige Voxel tief in den Knochen eingedrungen, wird die Lage des K-Drahtes zum Knochen blockiert, sodass der Bohrwinkel nicht mehr veränderbar ist. Wie bei einer „echten“ Bohrung ist der Bohrer nun nur noch in axialer Richtung zu bewegen.
 

 

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