10.04.2017

Punktionen per Virtual Reality trainieren

Am Lübecker Institut für Medizinische Informatik wird die patientenindividuelle 4D-Virtual-Reality-Simulation von Punktionen in atmungsbewegten virtuellen Körpermodellen entwickelt

Am Institut für Medizinische Informatik der Universität zu Lübeck arbeiten Wissenschaftler daran, ein patientenindividuelles Training von hepatischen Punktionseingriffen in atmenden virtuellen Körpermodellen zu entwickeln. Am 6. April ist dazu eine neue Fachveröffentlichung in der renommierten Wissenschaftszeitschrift „Nature Scientific Reports“ erschienen.

Im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projektes „Patientenindividuelle 4D Virtual Reality Simulation von Punktionen und Radiofrequenz-Ablationen in atmungsbewegten virtuellen Körpermodellen“ (DFG HA 2355/11-2) werden Methoden entwickelt, welche erstens die Trainingsversuche von Medizinstudierenden ohne die Gefährdung realer Patienten und zweitens die personalisierte Planung anstehender realer Punktionseingriffe ermöglichen sollen. Insbesondere die Anwendungsbeispiele Gallengangspunktion (PTC/D, Abb. 1) für die Kontrastierung und Ableitung aufgestauter Gallenflüssigkeit und Lebertumorpunktion für Biopsien sind relevant.

Das plausible haptische Feedback eines speziellen Instrumentensteuerungs- und Kraftrückkopplunggeräts ist für die Akzeptanz des haptischen Rendering im virtuellen Raum von besonderer Bedeutung. Im November 2016 wurden Arbeiten aus dem Projekt zum visuellen Rendering mit dem Bernd-Fischer-Promotionspreis der Universität zu Lübeck gewürdigt.

Im Projektkontext stellt die bei „Nature Scientific Reports“ veröffentlichte Arbeit (Impact-Faktor 5,5) unter Berücksichtigung der modellierten Gewebestrukturen und der Atembewegung nunmehr die haptischen Methoden und die Qualität der Kraftdarstellung dar, also des Erfühlens von Strukturen auf dem virtuellen Nadelpfad. Die haptischen Algorithmen des Simulatorsystems basieren auf (1) teilweise segmentierten Patientenbilddaten und (2) auf einem nichtlinearen Kraftausgabemodell, das an Organgrenzen wirksam ist.

Es wurde die quantitative Bewertung der Kraftfehler vorgenommen, die durch den von den Lübecker Wissenschaftlern verwendeten, effizienten gegenüber dem standardmäßigen, langwierigen manuellen Patientenmodellierungsansatz verursacht wurden. Die Auswertung der Kraftalgorithmen im Vergleich zu einer Kraftausgabe bei vollständig manuell expertensegmentierten Gold-Standard-Patientenmodellen ergibt eine niedrige Differenz von 0,12 N Kraftfehler (RMS) und räumliche Strukturlageunterschiede unterhalb von 2 mm (Abb. 2).

Die Kraftfehler wurden auf 31.222 vorher geplanten Teststrecken mit zehn Testpatientendatensätzen ausgewertet. Die Fehler sind unterhalb publizierter räumlich-haptischer Wahrnehmungsgrenzen des menschlichen Hand-Arm-Systems (Abb. 3). Somit konnte die Plausibilität der Lübecker Haptik-Algorithmen nachgewiesen werden.

Veröffentlichung

Andre Mastmeyer, Dirk Fortmeier, Heinz Handels: Evaluation of Direct Haptic 4D Volume Rendering of Partially Segmented Data for Liver Puncture Simulation. Nature - Scientific Reports.

www.nature.com/articles/s41598-017-00746-z