Haptisches Rendering materialabtragender Vorgänge zur Simulation chirurgischer Eingriffe im Bereich des Schädels

Für das Erlernen der Beherrschung komplexer Systeme werden heutzutage zunehmend Simulatoren eingesetzt. So können z. B. von Piloten schwierige und in der Praxis seltene Gefahrensituationen gezielt in einem Flugsimulator trainiert werden. In der Medizin sind Simulatoren bis heute - nicht zuletzt wegen der hohen Komplexität des menschlichen Körpers - die Ausnahme. Bestrebungen zur Standardisierung und Qualitätssicherung lassen aber für die Zukunft einen steigenden Bedarf entsprechender chirurgischer Simulatoren erwarten.

In diesem Vortrag werden Verfahren und Systeme zur realistischen Simulation knochenabtragender Eingriffe vorgestellt. Die Hauptherausforderung bei der Entwicklung stellt dabei das "Haptische Rendering", also das Fühlbarmachen von Strukturen und Werkzeuginteraktionen mittels geeigneter Kraftrückkopplungsgeräte dar. Insbesondere müssen die zu entwickelnden Verfahren bei beliebig komplexen Objekten und ausgedehnten Werkzeugen funktionieren. Während man beim graphischen Rendering mit einer Wiederholrate von >25 Hz auskommt, müssen die bei der Interaktion eines Werkzeugs auftretenden Kräfte mit einer Wiederholrate von >1000 Hz berechnet werden, wenn der Benutzer ein realistisches Gefühl haben soll. Es musste deshalb ein effizientes Verfahren zur Kollisionserkennung eines ausgedehnten Werkzeugs mit einem komplexen Objekt entwickelt werden. Die aus der oberflächenbasierten Computergraphik bekannten Standardmethoden konnten nicht direkt verwendet werden, weil einerseits die medizinischen Objekte üblicherweise als Volumenmodell repräsentiert sind und andererseits der mit der Komplexität der Objekte stark steigende Rechenaufwand Realzeitbedingungen nicht genügen würde. Als Lösung wird ein Multi-Point-Kollisionserkennungsverfahren vorgestellt, das Richtung und Entfernung zur nächsten Objektoberfläche mit hoher Genauigkeit und Geschwindigkeit approximieren kann. Ergänzt durch Verfahren zur Volumenmodifikation, lassen sich damit materialabtragende Werkzeuginteraktionen mit beliebig komplexen medizinischen Modellen haptisch simulieren.

Die Funktionalität der entwickelten Verfahren wird anhand von Simulationssystemen im Bereich der HNO- und der Kieferchirurgie demonstriert.