@phdthesis{Maier, author = {Maier, Johannes}, title = {Entwicklung eines Haptisch und Visuell unterst{\"u}tzten Trainingssystems (HaptiVisT) f{\"u}r komplexe Knochenbohrungen in der minimalinvasiven Handchirurgie}, publisher = {Shaker}, address = {D{\"u}ren}, isbn = {978-3-8440-7547-2}, pages = {236}, abstract = {Eine g{\"a}ngige Operationsmethode, um Frakturen der menschlichen Hand nach einem Unfall zu korrigieren, ist eine Osteosynthese mit sogenannten Kirschnerdr{\"a}hten (K-Dr{\"a}hten) zur Stabilisierung von Knochenfragmenten. Die Einf{\"u}hrung dieser langen, d{\"u}nnen und scharfen Dr{\"a}hte durch manuelles Bohren ist eine komplexe minimalinvasive Operation, bei der ein Chirurg nahezu ohne visuelle Orientierung und nur durch eine kleine {\"O}ffnung der Haut des Patienten arbeitet. Als Orientierungshilfe f{\"u}r die optimale Lage der K-Dr{\"a}hte bleibt dem Chirurgen lediglich eine zweidimensionale (2D)-R{\"o}ntgendarstellung und das Ertasten von kn{\"o}chernen Vorspr{\"u}ngen auf der menschlichen Hand, um Verletzungen an Risikostrukturen (Nerven, Gef{\"a}ße usw.), die im Weichteilgewebe der Hand eingebettet sind, zu vermeiden. F{\"u}r eine sichere und fehlerfreie Durchf{\"u}hrung einer K-Draht-Osteosynthese ist deswegen eine gr{\"u}ndliche theoretische und praktische Ausbildung junger Chirurgen notwendig. Da traditionelle Trainingsmethoden zeitaufwendig, kostspielig, ethisch nicht korrekt und unzureichend realistisch sind, wird in dieser Arbeit ein innovativer, auf virtueller Realit{\"a}t (VR) basierender, Haptisch und Visuell unterst{\"u}tzter Trainingssimulator (HaptiVisT) f{\"u}r die Platzierung von K-Dr{\"a}hten entwickelt, der vor allem Handchirurgen mit {\"U}bungs- und Perfektionierungsbedarf dabei unterst{\"u}tzt, das Bohrverfahren in einer realistischen aber virtuellen Umgebung zu erlernen. Beim HaptiVisT-Prototypenaufbau werden reale Patientendaten segmentierter Volumendaten aus einer Computertomographie (CT) und einer Magnetresonanztomographie (MRT) im virtuellen, dreidimensionalen (3D) Raum auf einem 3D-Monitor visualisiert und f{\"u}r eine intuitive bimanuelle Haptik sowohl mit einem Kraftfeedback-Ger{\"a}t f{\"u}r den Bohrprozess und einer 3D-gedruckten und optisch getrackten Phantomhand kombiniert. Die vorliegende Arbeit beschreibt zun{\"a}chst alle verwendeten Hardwareger{\"a}te, die C++-Softwareumgebung, aufgebaut auf Multithreading (gleichzeitige Ausf{\"u}hrung mehrerer Anweisungsfolgen in einem Prozess), und die auf Oberfl{\"a}chen- und Volumenrendering basierte Visualisierung. Die Kollisionsdetektion zwischen Bohrer und Knochen im virtuellen Raum wird in zwei separate Ereignisse unterteilt: Kollisionen zwischen Objekten als Gesamtes (Simulation der Kollision {\"u}ber die gesamte Objektoberfl{\"a}che) und Kollisionen zwischen einer K-Draht-Spitze und dem Knochenvolumen f{\"u}r die Entfernung kleiner Volumenelemente (Voxel). Das Herzst{\"u}ck des Trainingssystems bildet eine echtzeitf{\"a}hige Bohrsimulation, die den gesamten Bohrprozess in eine endliche Anzahl logischer Unterprozesse gliedert und diese Zust{\"a}nde in einen endlichen Zustandsautomaten (FSM, engl.: Finite State Machine) zusammenfasst. Das Kraftfeedback w{\"a}hrend einer Bohrung wird mit sogenannten „Virtual Fixtures" (abstrakten sensorischen Informationen) berechnet und {\"u}ber einen Haptikarm auf den Benutzer {\"u}bertragen. Damit die Simulation der Realit{\"a}t entspricht, wird unter Zuhilfenahme eines experimentellen Aufbaus die reale Bohrgeschwindigkeit durch kortikale Knochen ermittelt. Anschließend werden ein Levelkonzept und alle im System verf{\"u}gbaren Bohrunterst{\"u}tzungswerkzeuge, wie haptische Korridore als Goldstandard oder eine R{\"o}ntgenbildsimulation, vorgestellt. Mit ihnen ist es m{\"o}glich, ausgesuchte Operationsf{\"a}lle in Level unterschiedlicher Schwierigkeit zu unterteilen und den Operationsvorgang qualitativ zu bewerten. Der 3D-Druck einer Phantomhand (realit{\"a}tsnahe Nachbildung einer Patientenhand) mit realistischen haptischen Eigenschaften zum Ertasten von Knochenvorspr{\"u}ngen wird {\"u}ber einen metamaterialbasierten Ansatz (Neuanordnung des Grundmaterials durch eine k{\"u}nstlich angelegte, sich wiederholende Struktur) realisiert, da das aktuell am Markt verf{\"u}gbare 3D-Druckmaterial f{\"u}r den Druck menschlichen Weichteilgewebes zu hart ist. Die Echtzeitverfolgung der Phantomhand beruht auf einem mit einer Stereokamera optisch getrackten Marker in Form eines Dodekaeders (K{\"o}rper mit zw{\"o}lf Fl{\"a}chen). Abschließend wird das HaptiVisT-Gesamtsystem in drei und der 3D-Druck einer Phantomhand in zwei Expertenevaluationen ausf{\"u}hrlich untersucht und ausgewertet. Das HaptiVisT-System versteht sich als notwendiges Komplement f{\"u}r den ersten und weltweit einzigen funktionsf{\"a}higen, kompakten Prototypen f{\"u}r virtuelle K-DrahtOsteosynthesen mit haptischen Kraftfeedback, der in Zukunft Chirurgen in Aus- und Weiterbildung an Kliniken oder Trainingszentren ein risikofreies, zeit- und ortsunabh{\"a}ngiges Training erm{\"o}glicht. Die Kernelemente dieser Arbeit sind: • Stereoskopische 3D-Darstellung von realen Patientendaten. • Bimanuelle Haptik aus haptischen Kraftfeedback des Bohrens verbunden mit einer optisch getrackten, haptisch korrekten und 3D-gedruckten Phantomhand. • Zuverl{\"a}ssige Kollisionsdetektion zwischen virtuellen Objekten als Grundlage f{\"u}r das Kraftfeedback und die Abtragung von Knochen. • Echtzeitf{\"a}hige Bohrsimulation durch Reduzierung des Bohrprozesses auf logische Bohr-Teilprozesse kombiniert mit einer Virtual Fixtures basierten Kraftberechnung. Haptisch korrekte Phantome sind vor allem im medizinischen Training von hoher Relevanz und die Berechnung des Kraftfeedbacks beruht erstmals auf der performanten und stabilen Simulation von Bohr-Teilprozessen unter Verwendung von Virtual Fixtures. Der Prototyp wird von Experten durchgehend positiv bewertet und bietet nach deren Einsch{\"a}tzung einen hohen Mehrwert f{\"u}r das chirurgische Training. Zuk{\"u}nftige Arbeiten k{\"o}nnten den Lerneffekt durch das HaptiVisT-Trainingssystem in stichhaltigen Evaluationen mit jungen Medizinstudenten unter Vorhandensein einer Kontrollgruppe statistisch validieren. Bei Best{\"a}tigung dieses Lerneffekts ist eine Ausgr{\"u}ndung als eigenst{\"a}ndiges Unternehmen und Weiterentwicklung des Prototyps mit Ausweitung auf weitere chirurgische Bereiche wie Knie- oder H{\"u}ftchirurgie denkbar. Unter Zuhilfenahme von automatischer Segmentierung k{\"o}nnten in Zukunft akut zu behandelnde Br{\"u}che abgebildet, vorab einer tats{\"a}chlichen Operation ge{\"u}bt und anschließend komplikationslos unter reduzierter Operationszeit durchgef{\"u}hrt werden.}, language = {de} } @misc{MauererRexhepajMonkmanetal., author = {Mauerer, Wolfgang and Rexhepaj, Tanja and Monkman, Gareth J. and Sindersberger, Dirk and Diermeier, Andreas and Neidhart, Thomas and Wolfrum, Dominik and Sterner, Michael and Heberl, Michael and Nusko, Robert and Maier, Georg and Nagl, Klaus and Reuter, Monika and Hofrichter, Andreas and Lex, Thomas and Lesch, Florian and Kieninger, B{\"a}rbel and Szalo, Alexander Eduard and Zehner, Alexander and Palm, Christoph and Joblin, Mitchell and Apel, Sven and Ramsauer, Ralf and Lohmann, Daniel and Westner, Markus and Strasser, Artur and Munndi, Maximilian and Ebner, Lena and Elsner, Michael and Weiß, Nils and Segerer, Matthias and Hackenberg, Rudolf and Steger, Sebastian and Schmailzl, Anton and Dostalek, Michael and Armbruster, Dominik and Koch, Fabian and Hierl, Stefan and Thumann, Philipp and Swidergal, Krzysztof and Wagner, Marcus and Briem, Ulrich and Diermeier, Andreas and Spreitzer, Stefan and Beiderbeck, Sabrina and Hook, Christian and Zobel, Martin and Weber, Tim and Groß, Simon and Penzkofer, Rainer and Dendorfer, Sebastian and Schillitz, Ingo and Bauer, Thomas and Rudolph, Clarissa and Schmidt, Katja and Liebetruth, Thomas and Hamer, Markus and Haug, Sonja and Vernim, Matthias and Weber, Karsten and Saßmannshausen, Sean Patrick and Books, Sebastian and Neuleitner, Nikolaus and Rechenauer, Christian and Steffens, Oliver and Kusterle, Wolfgang and G{\"o}mmel, Roland and Wellnitz, Felix and Stierstorfer, Johannes and Stadler, Dominik and Hofmann, Matthias J. and Motschmann, Hubert and Shamonin (Chamonine), Mikhail and Bleicher, Veronika and Fischer, Sebastian and Hackenberg, Rudolf and Horn, Anton and Kawasch, Raphael and Petzenhauser, Michael and Probst, Tobias and Udalzow, Anton and Dams, Florian and Schreiner, Rupert and Langer, Christoph and Prommesberger, Christian and Ławrowski, Robert Damian}, title = {Forschungsbericht 2016}, editor = {Baier, Wolfgang}, address = {Regensburg}, organization = {Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg}, doi = {10.35096/othr/pub-1384}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:898-opus4-13840}, language = {de} } @misc{WeberDendorferSuessetal., author = {Weber, Karsten and Dendorfer, Sebastian and S{\"u}ß, Franz and Kubowitsch, Simone and Schratzenstaller, Thomas and Haug, Sonja and Mohr, Christa and Kiesl, Hans and Drechsler, J{\"o}rg and Westner, Markus and Kobus, J{\"o}rn and Schubert, Martin J. W. and Zenger, Stefan and Pietsch, Alexander and Weiß, Josef and Hinterseer, Sebastian and Schieck, Roland and Scherzinger, Stefanie and Klettke, Meike and Ringlstetter, Andreas and St{\"o}rl, Uta and Bissyand{\´e}, Tegawend{\´e} F. and Seeburger, Achim and Schindler, Timo and Ramsauer, Ralf and Kiszka, Jan and K{\"o}lbl, Andreas and Lohmann, Daniel and Mauerer, Wolfgang and Maier, Johannes and Scorna, Ulrike and Palm, Christoph and Soska, Alexander and Mottok, J{\"u}rgen and Ellermeier, Andreas and V{\"o}gele, Daniel and Hierl, Stefan and Briem, Ulrich and Buschmann, Knut and Ehrlich, Ingo and Pongratz, Christian and Pielmeier, Benjamin and Tyroller, Quirin and Monkman, Gareth J. and Gut, Franz and Roth, Carina and Hausler, Peter and Bierl, Rudolf and Prommesberger, Christian and Ławrowski, Robert Damian and Langer, Christoph and Schreiner, Rupert and Huang, Yifeng and She, Juncong and Ottl, Andreas and Rieger, Walter and Kraml, Agnes and Poxleitner, Thomas and Hofer, Simon and Heisterkamp, Benjamin and Lerch, Maximilian and Sammer, Nike and Golde, Olivia and Wellnitz, Felix and Schmid, Sandra and Muntschick, Claudia and Kusterle, Wolfgang and Paric, Ivan and Br{\"u}ckl, Oliver and Haslbeck, Matthias and Schmidt, Ottfried and Schwanzer, Peter and Rabl, Hans-Peter and Sterner, Michael and Bauer, Franz and Steinmann, Sven and Eckert, Fabian and Hofrichter, Andreas}, title = {Forschungsbericht 2017}, editor = {Baier, Wolfgang}, address = {Regensburg}, organization = {Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg}, isbn = {978-3-9818209-3-5}, doi = {10.35096/othr/pub-1383}, url = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:898-opus4-13835}, subject = {Forschung}, language = {de} }