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In der vorliegenden Arbeit wird die Charakterisierung des mechanischen Verhaltens von auskragenden Rohren aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) mit Querkraftbelastung an einem Ende und einer mehrreihigen Bolzenverbindung am anderen Ende behandelt. Bolzenverbindungen mit Fügepartner aus CFK werden im Stand der Technik nur an ebenen, zug- oder druckbelasteten, Verbindungen untersucht, weshalb der Einfluss der Biegebelastung, der gekrümmten Auflageflächen und des geschlossenen Rohrprofils untersucht und qualifiziert wird. Zudem zeigt sich ein Effekt der Abstützung bzw. resultierenden Verformungsbehinderung. Die Grundlage der Untersuchungen bilden 2-Punkt-Biegeversuche mit Verzerrungs- und Verschiebungsmessungen, die über FE-Modelle numerisch abgebildet und in einer Verzerrungs- und Spannungsanalyse detaillierter ausgewertet werden. Zur Darstellung des Einflusses der Biegebelastung werden zudem reine Zug- und Drucklasten aufgebracht, ausgewertet und abgeglichen. In drei Variationen des Biegeversuchs werden zudem, sowohl experimentell als auch numerisch, Effekte zu einer möglichen Steigerung der Verbindungsfestigkeit untersucht. Dazu zählt die Verwendung von zusätzlichen Schichten aus Titanlegierung im Kraftüberleitungsbereich, ein Versetzen der Bolzen im Umfang und eine Änderung der Abstützung in Lastrichtung. Für das Biegeverhalten der CFK-Rohre im frei auskragenden Bereich werden kontinuumsmechanische Modelle der anisotropen Elastizität für Rohre unter reiner Biegebelastung beschrieben, adaptiert und bezüglich der Ergebnisse bewertet. Um die Vergleichbarkeit der Berechnungsmodelle und Versuche zu gewährleisten, wird einerseits der Einfluss der speziellen Schichtstruktur in gewickelten CFK-Rohren diskutiert und andererseits werden die transversal-isotropen Materialeigenschaften der Einzelschicht an Probekörpern aus den Rohren bestimmt.
Eine gängige Operationsmethode, um Frakturen der menschlichen Hand nach einem Unfall zu korrigieren, ist eine Osteosynthese mit sogenannten Kirschnerdrähten (K-Drähten) zur Stabilisierung von Knochenfragmenten. Die Einführung dieser langen, dünnen und scharfen Drähte durch manuelles Bohren ist eine komplexe minimalinvasive Operation, bei der ein Chirurg nahezu ohne visuelle Orientierung und nur durch eine kleine Öffnung der Haut des Patienten arbeitet. Als Orientierungshilfe für die optimale Lage der K-Drähte bleibt dem Chirurgen lediglich eine zweidimensionale (2D)-Röntgendarstellung und das Ertasten von knöchernen Vorsprüngen auf der menschlichen Hand, um Verletzungen an Risikostrukturen (Nerven, Gefäße usw.), die im Weichteilgewebe der Hand eingebettet sind, zu vermeiden. Für eine sichere und fehlerfreie Durchführung einer K-Draht-Osteosynthese ist deswegen eine gründliche 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 Realität (VR) basierender, Haptisch und Visuell unterstützter Trainingssimulator (HaptiVisT) für die Platzierung von K-Drähten entwickelt, der vor allem Handchirurgen mit Übungs- und Perfektionierungsbedarf dabei unterstützt, 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 für eine intuitive bimanuelle Haptik sowohl mit einem Kraftfeedback-Gerät für den Bohrprozess und einer 3D-gedruckten und optisch getrackten Phantomhand kombiniert.
Die vorliegende Arbeit beschreibt zunächst alle verwendeten Hardwaregeräte, die C++-Softwareumgebung, aufgebaut auf Multithreading (gleichzeitige Ausführung mehrerer Anweisungsfolgen in einem Prozess), und die auf Oberflächen- 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 über die gesamte Objektoberfläche) und Kollisionen zwischen einer K-Draht-Spitze und dem Knochenvolumen für die Entfernung kleiner Volumenelemente (Voxel). Das Herzstück des Trainingssystems bildet eine echtzeitfähige Bohrsimulation, die den gesamten Bohrprozess in eine endliche Anzahl logischer Unterprozesse gliedert und diese Zustände in einen endlichen Zustandsautomaten (FSM, engl.: Finite State Machine) zusammenfasst. Das Kraftfeedback während einer Bohrung wird mit sogenannten „Virtual Fixtures“ (abstrakten sensorischen Informationen) berechnet und über einen Haptikarm auf den Benutzer übertragen. Damit die Simulation der Realität entspricht, wird unter Zuhilfenahme eines experimentellen Aufbaus die reale Bohrgeschwindigkeit durch kortikale Knochen ermittelt. Anschließend werden ein Levelkonzept und alle im System verfügbaren Bohrunterstützungswerkzeuge, wie haptische Korridore als Goldstandard oder eine Röntgenbildsimulation, vorgestellt. Mit ihnen ist es möglich, ausgesuchte Operationsfälle in Level unterschiedlicher Schwierigkeit zu unterteilen und den Operationsvorgang qualitativ zu bewerten. Der 3D-Druck einer Phantomhand (realitätsnahe Nachbildung einer Patientenhand) mit realistischen haptischen Eigenschaften zum Ertasten von Knochenvorsprüngen wird über einen metamaterialbasierten Ansatz (Neuanordnung des Grundmaterials durch eine künstlich angelegte, sich wiederholende Struktur) realisiert, da das aktuell am Markt verfügbare 3D-Druckmaterial für den Druck menschlichen Weichteilgewebes zu hart ist. Die Echtzeitverfolgung der Phantomhand beruht auf einem mit einer Stereokamera optisch getrackten Marker in Form eines Dodekaeders (Körper mit zwölf Flächen). Abschließend wird das HaptiVisT-Gesamtsystem in drei und der 3D-Druck einer Phantomhand in zwei Expertenevaluationen ausführlich untersucht und ausgewertet.
Das HaptiVisT-System versteht sich als notwendiges Komplement für den ersten und weltweit einzigen funktionsfähigen, kompakten Prototypen für virtuelle K-DrahtOsteosynthesen mit haptischen Kraftfeedback, der in Zukunft Chirurgen in Aus- und Weiterbildung an Kliniken oder Trainingszentren ein risikofreies, zeit- und ortsunabhängiges Training ermöglicht. 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.
• Zuverlässige Kollisionsdetektion zwischen virtuellen Objekten als Grundlage für das Kraftfeedback und die Abtragung von Knochen.
• Echtzeitfähige 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 Einschätzung einen hohen Mehrwert für das chirurgische Training.
Zukünftige Arbeiten könnten den Lerneffekt durch das HaptiVisT-Trainingssystem in stichhaltigen Evaluationen mit jungen Medizinstudenten unter Vorhandensein einer Kontrollgruppe statistisch validieren. Bei Bestätigung dieses Lerneffekts ist eine Ausgründung als eigenständiges Unternehmen und Weiterentwicklung des Prototyps mit Ausweitung auf weitere chirurgische Bereiche wie Knie- oder Hüftchirurgie denkbar. Unter Zuhilfenahme von automatischer Segmentierung könnten in Zukunft akut zu behandelnde Brüche abgebildet, vorab einer tatsächlichen Operation geübt und anschließend komplikationslos unter reduzierter Operationszeit durchgeführt werden.