Regensburg Center of Biomedical Engineering - RCBE
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Seit mehr als 25 Jahren ist der Workshop "Bildverarbeitung für die Medizin" als erfolgreiche Veranstaltung etabliert. Ziel ist auch 2024 wieder die Darstellung aktueller Forschungsergebnisse und die Vertiefung der Gespräche zwischen Wissenschaftlern, Industrie und Anwendern. Die Beiträge dieses Bandes - viele davon in englischer Sprache - umfassen alle Bereiche der medizinischen Bildverarbeitung, insbesondere die Bildgebung und -akquisition, Segmentierung und Analyse, Visualisierung und Animation, computerunterstützte Diagnose sowie bildgestützte Therapieplanung und Therapie. Hierbei kommen Methoden des maschinelles Lernens, der biomechanischen Modellierung sowie der Validierung und Qualitätssicherung zum Einsatz.
Aufgrund der steigenden Lebenserwartung und dem damit einhergehenden demographischen Wandel wird der Bedarf an Rehabilitations-Behandlungen in absehbarer Zukunft stark ansteigen. Ein Beispiel für diesen Trend ist die physiotherapeutische Behandlung nach Erhalt einer Knie-Totalendoprothese (Knie-TEP). So gehen Modellrechnungen basierend auf dem Bevölkerungswachstum und der bisherigen Prävalenz von Knie-TEPs davon aus, dass die Anzahl an durchgeführten Eingriffen in einkommensstarken Ländern wie Deutschland weiter zunehmen wird. Weiterhin stoßen traditionelle Rehabilitationsverfahren, gerade in strukturschwachen Regionen, schon heute an ihre Grenzen. Deutlich zu sehen war das während den Hochphasen der aktuellen Covid-19-Pandemie, als der Kontakt zwischen Therapeut*in und Patient*in flächendeckend eingeschränkt war. Eine erhöhte Nachfrage nach neuartigen Reha-Angeboten ist die logische Konsequenz. Innovative Konzepte sind daher dringend notwendig, um die daraus resultierenden technischen, sozialen und ökonomischen Herausforderungen zu bewältigen.
Seit mehr als 25 Jahren ist der Workshop "Bildverarbeitung für die Medizin" als erfolgreiche Veranstaltung etabliert. Ziel ist auch 2023 wieder die Darstellung aktueller Forschungsergebnisse und die Vertiefung der Gespräche zwischen Wissenschaftlern, Industrie und Anwendern. Die Beiträge dieses Bandes - viele davon in englischer Sprache - umfassen alle Bereiche der medizinischen Bildverarbeitung, insbesondere die Bildgebung und -akquisition, Segmentierung und Analyse, Visualisierung und Animation, computerunterstützte Diagnose sowie bildgestützte Therapieplanung und Therapie. Hierbei kommen Methoden des maschinelles Lernens, der biomechanischen Modellierung sowie der Validierung und Qualitätssicherung zum Einsatz.
Für Mutter und Kind konnte das Risiko der Geburt durch die Weiterentwicklung der Medizin drastisch reduziert werden. Doch wie ist es um das Wohl derer bestellt, die die Gebärende unterstützen? Eine Studie der Ostbayerischen Technischen Hochschule Regensburg hat sich mit den muskuloskelettalen Beschwerden von Geburtshelfer:innen auseinandergesetzt
Innovationsmanagement
(2011)
Das Management in der Medizinprodukteindustrie steht vor vielfältigen Herausforderungen. So sinken einerseits die Produktpreise, anderseits wird auch für die kommenden Jahre in vielen Segmenten ein Mengenwachstum erwartet. Dies stellt die internen Prozesse, vom Customer Service bis hin zur Forschung & Entwicklung, auf den Prüfstand. Die Entscheidungsträger auf Kundenseite verändern sich, weg vom Produktanwender hin zu professionellen Einkaufsgemeinschaften mit immer größerer Verhandlungsmacht. Der hohe Internationalisierungsgrad der Unternehmen führt zu einer steigenden Komplexität bei der Implementierung von Marketing-, Vertriebs- und Produktentwicklungsstrategien auf Länderebene. Darüber hinaus werden zunehmend neue Geschäftsmodelle mit hohem Dienstleistungsanteil entwickelt, die mit der traditionellen Lieferantenrolle wenig zu tun haben und von Managern eine neue Fähigkeiten für die Umsetzung erfordern. Die Autoren des Sammelbands greifen die genannten Herausforderungen auf und bieten mit ihren Beiträgen Lösungsansätze, die sowohl für Manager im Medizinprodukteunternehmen als auch für Wissenschaftler und Studierende relevant sind.
Medical Device Regulation
(2019)
Die Aufmerksamkeit für Unternehmensgründungen hat in den letzten Jahren extrem zugenommen. Grundsätzlich muss ein Start-up in einem kompetitiven Umfeld erfolgreich sein, um bestehen zu können. Der Weg dorthin wird maßgeblich beeinflusst durch Planung und finanzielle Ressourcen, die die Gründer bereitstellen müssen. In der Medizinprodukteindustrie kommen zusätzlich große Hürden hinzu, die u. a. einen kurzen Produktlebenszyklus, lange Projektlaufzeiten, aufwendige klinische Studien und aktuell neue gesetzliche Verordnungen betreffen. Dieser Beitrag konzentriert sich zunächst auf mögliche Fördermittel und Beratung von Start-up-Projekten aus dem Hochschulbereich. Aus einer Analyse derzeit existierender Gründerwettbewerbe im Hinblick auf das Gesundheitswesen werden dem Leser entsprechende Adressen zum Einwerben von Fördermitteln geliefert. Darüber hinaus wird ein Pilot-Prozess vorgestellt, wie eine Ausgründungsberatung an der Hochschule Ulm im Studiengang Medizintechnik derzeit verläuft. Dies kann möglicherweise ein Anknüpfungspunkt für eine zukünftige Institutionalisierung von Spin-off-Vorhaben aus dem Hochschulbereich sein.
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.
In den letzten Jahren hat sich der Workshop "Bildverarbeitung für die Medizin" durch erfolgreiche Veranstaltungen etabliert. Ziel ist auch 2021 wieder die Darstellung aktueller Forschungsergebnisse und die Vertiefung der Gespräche zwischen Wissenschaftlern, Industrie und Anwendern. Die Beiträge dieses Bandes - einige davon in englischer Sprache - umfassen alle Bereiche der medizinischen Bildverarbeitung, insbesondere Bildgebung und -akquisition, Maschinelles Lernen, Bildsegmentierung und Bildanalyse, Visualisierung und Animation, Zeitreihenanalyse, Computerunterstützte Diagnose, Biomechanische Modellierung, Validierung und Qualitätssicherung, Bildverarbeitung in der Telemedizin u.v.m.
Fragestellung
Es soll in dieser Computersimulationsstudie untersucht werden, wie der Osteosyntheseverbund Platte mit Schrauben im Verbund mit einer im mittleren Drittel gebrochenen Clavicula durch das Bewegungsausmaß
in vivo belastet ist. Was sind die grundlegenden Kräfte die auf Clavicula und Implantat wirken und welchen Einfl uss hat die Bruchform.
Methodik
Die Muskel- und Gelenkkräfte sowie die Belastung des Implantatverbundes wurden mit einer muskuloskelletalen
Simulationssoftware (AnyBody Technology, V.4) berechnet. Hierfür wurden mit einem komplexen Model des menschlichen Körpers folgende Bewegungen analysiert: eine Flexion von 160° und Abduktion 160° mit
einem Gewicht von 2 kg in der Hand. Aus CT-Patientendaten wurden zwei dreidimensionale Modelle des Clavicula-Implantat Verbundes gebildet, die sich in der Frakturform unterscheiden (Querfraktur und vertikale
Fraktur). In beiden Modellen wurde eine Claviculaosteosynthese in superiorer Position mit einer 6 Loch LCP mit 2 Schrauben pro Hauptfragment verwendet. Die Materialeigenschaften wurden aus der Dichte des Materials sowie aus Literaturdaten verwendet. Die Muskel- und Gelenkkräfte aus der muskuloskelletalen Berechnung wurden auf das Finite Elemente Modell übertragen und die Spannungen und Dehnungen des Implantat-Knochenverbundes
wurden berechnet.
Ergebnisse
Es zeigte sich, dass die simulierte in vivo Belastung stark abhängig vom Flexionswinkel ist. Das Implantat ist in der superioren Lage auf Biegung belastet, welche maximale Werte im Überschulterniveau erreicht. Die Bruchform mit anatomischer Reposition und Kontakt der Hauptfragmente zueinander führt zu einer deutlichen Entlastung des Osteosyntheseverbundes im Vergleich zu einer Bruchform mit vertikaler Fraktur.
Schlussfolgerung
Aus den Analysen ist eine Positionierung der Plattenosteosynthese für die im mittleren Drittel frakturierte Clavicula in anterior-superiorer Lage wünschenswert. Die anatomische Reposition entlastet den Osteosyntheseverbund und sollte möglichst erreicht werden. Die Nachbehandlung sollte ein Bewegungsausmaß für den Arm für 4 Wochen für einfache Bruchformen auf 70° Flexion und Abduktion limitieren und für komplexe Bruchformen diese Limitierung ausgedehnt werden.
Einführung in die Mechanik
(2013)
Biomechanik des Alterns
(2016)
Die fortschreitende Digitalisierung des Gesundheitswesens ebnet auch den Weg einer stärkeren Verbreitung der telemedizinischen Versorgung in Deutschland. Die Politik erleichtert diesen Weg, z.B. mit dem eHealth-Gesetz oder mit der Lockerung des "Fernbehandlungsverbots" durch den Deutschen Ärztetag. Dabei wird schon aus der Definition (siehe z.B. die unten stehende Definition der AG Telemedizin) klar, dass Telemedizin keine neue medizinische Disziplin begründet. Bei Telemedizin handelt es sich nur um ein technisches Werkzeug in Kombination mit geeigneten klinischen Prozessen, damit bestehende medizinische Expertise unter Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien räumliche Entfernungen oder einen zeitlichen Versatz überbrücken kann. Patientinnen und Patienten können also behandelt werden, auch wenn sie vom Arzt räumlich entfernt sind.
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.
Die Lehre der medizinischen Bildverarbeitung vermittelt Kenntnisse mit einem breiten Methodenspektrum. Neben den Grundlagen der Verfahren soll ein Gefühl für eine geeignete Ausführungsreihenfolge und ihrer Wirkung auf medizinische Bilddaten entwickelt werden. Die Komplexität der Methoden erfordert vertiefte Programmierkenntnisse, sodass bereits einfache Operationen mit großem Programmieraufwand verbunden sind. Die Software GraphMIC stellt Bildverarbeitungsoperationen in Form interaktiver Knoten zur Verfügung und erlaubt das Arrangieren, Parametrisieren und Ausführen komplexer Verarbeitungssequenzen in einem Graphen. Durch den Fokus auf das Design einer Pipeline, weg von sprach- und frameworkspezifischen Implementierungsdetails, lassen sich grundlegende Prinzipien der Bildverarbeitung anschaulich erlernen. In diesem Beitrag stellen wir die visuelle Programmierung mit GraphMIC der nativen Implementierung äquivalenter Funktionen gegenüber. Die in C++ entwickelte Applikation basiert auf Qt, ITK, OpenCV, VTK und MITK.
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.