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Im Rahmen der Entwicklung eines haptisch-visuellen Trainingssystems für das Fräsen am Felsenbein werden ein Haptikarm und ein autostereoskopischer 3D-Monitor genutzt, um Chirurgen die virtuelle Manipulation von knöchernen Strukturen im Kontext eines sog. Serious Game zu ermöglichen. Unter anderem sollen Assistenzärzte im Rahmen ihrer Ausbildung das Fräsen am Felsenbein für das chirurgische Einsetzen eines Cochlea-Implantats üben können. Die Visualisierung des virtuellen Fräsens muss dafür in Echtzeit und möglichst realistisch modelliert, implementiert und evaluiert werden. Wir verwenden verschiedene Raycasting Methoden mit linearer und Nearest Neighbor Interpolation und vergleichen die visuelle Qualität und die Bildwiederholfrequenzen der Methoden. Alle verglichenen Verfahren sind sind echtzeitfähig, unterscheiden sich aber in ihrer visuellen Qualität.
Virtual training of bone milling requires realtime and realistic haptics of the interaction between the ”virtual mill” and a ”virtual bone”. We propose an exponential abrasion model between a virtual one and the mill bit and combine it with a coarse representation of the virtual bone and the mill shaft for collision detection using the Bullet Physics Engine. We compare our exponential abrasion model to a widely used linear abrasion model and evaluate it quantitatively and qualitatively. The evaluation results show, that we can provide virtual milling in real-time, with an abrasion behavior similar to that proposed in the literature and with a realistic feeling of five different surgeons.
In order to fix a fracture using minimally invasive surgery approaches, surgeons are drilling complex and tiny bones with a 2 dimensional X-ray as single imaging modality in the operating room. Our novel haptic force-feedback and visual assisted training system will potentially help hand surgeons to learn the drilling procedure in a realistic visual environment. Within the simulation, the collision detection as well as the interaction between virtual drill, bone voxels and surfaces are important. In this work, the chai3d collision detection and force calculation algorithms are combined with a physics engine to simulate the bone drilling process. The chosen Bullet-Physics-Engine provides a stable simulation of rigid bodies, if the collision model of the drill and the tool holder is generated as a compound shape. Three haptic points are added to the K-wire tip for removing single voxels from the bone. For the drilling process three modes are proposed to emulate the different phases of drilling in restricting the movement of a haptic device.
Die Implantation eines Cochlea Implantates benötigt einen chirurgischen Zugang im Felsenbein und durch die Paukenhöhle des Patienten. Der Chirurg hat eine eingeschränkte Sicht im Operationsgebiet, die weiterhin viele Risikostrukturen enthält. Um eine Cochlea Implantation sicher und fehlerfrei durchzuführen, ist eine umfangreiche theoretische und praktische (teilweise berufsbegleitende) Fortbildung sowie langjährige Erfahrung notwendig. Unter Nutzung von realen klinischen CT/MRT Daten von Innen- und Mittelohr und der interaktiven Segmentierung der darin abgebildeten Strukturen (Nerven, Cochlea, Gehörknöchelchen,...) wird im HaptiVisT Projekt ein haptisch-visuelles Trainingssystem für die Implantation von Innen- und Mittelohr-Implantaten realisiert, das als sog. „Serious Game“ mit immersiver Didaktik gestaltet wird. Die Evaluierung des Demonstrators hinsichtlich Zweckmäßigkeit erfolgt prozessbegleitend und ergebnisorientiert, um mögliche technische oder didaktische Fehler vor Fertigstellung des Systems aufzudecken. Drei zeitlich versetzte Evaluationen fokussieren dabei chirurgisch-fachliche, didaktische sowie haptisch-ergonomische Akzeptanzkriterien.
