Ohne Risiko für Patienten

Für die medizinische Ausbildung bringt der Einsatz von Virtual-Reality-Technologie Vorteile: Studierende können schon früh in der Ausbildung praktische Erfahrungen sammeln ohne dabei Patienten zu gefährden; alle menschlichen Pathologien – auch seltene Fälle – können simuliert werden und stehen am Simulator jederzeit zu Trainingszwecken zur Verfügung. Von Teilschritten bis zum komplexen Operationsablauf lassen sich Trainingsinhalte auf den individuellen Leistungsstand zuschneiden. Außerdem ermöglichen die vom Trainingssystem gelieferten Auswertungsdaten eine objektive Beurteilung der chirurgischen Leistung.

Bei der Entwicklung des Eyesi-Simulators integrierte die VRmagic GmbH, Mannheim, alle wesentlichen Aspekte einer echten Operation in die Simulationsumgebung. Der Chirurg sitzt in gewohnter Haltung an einem Operationsmikroskop und führt frei bewegliche Operationsinstrumente in das mechanische Auge eines Modellkopfs ein. Im Inneren des Modellkopfs befindet sich ein optisches Tracking-System, das die Bewegungen der Instrumente verfolgt und deren Position, Ausrichtung und Orientierung an einen Computer weitergibt. In Echtzeit wird das Verhalten von Flüssigkeiten und Gewebe bei Berührung durch die Instrumente simuliert. Der Operateur sieht auf den Displays des Mikroskops statt eines realen Bildes die Simulation. Damit er tatsächlich den Eindruck hat, die Operation real durchzuführen, muss die Zeitverzögerung der visuellen Wiedergabe unter der menschlichen Wahrnehmungsschwelle von 50 bis 100 ms liegen.

Das optische Tracking im Innenraum des Patienten-Modellkopfs erfolgt mit Hilfe von Farbmarkern: Sowohl das drehbar gelagerte, mechanische Modellauge als auch die Spitzen der Operationsinstrumente sind farbig gekennzeichnet.

Als Kamerasystem setzen die Mannheimer eine Multisensor-FPGA-Kamera mit vier abgesetzten Global-Shutter-Sensoren ein, die pixelsynchrone Bilder liefern. Nach einer parallelen Vorverarbeitung der Bilddaten auf dem FPGA der Kamera kann der verlustfrei komprimierte Datenstrom über ein einziges USB-Kabel an den Computer weitergeleitet werden.

Auf Grundlage der gemessenen 3D-Daten können die biomechanischen Simulationsalgorithmen, die für Eyesi entwickelt wurden, in Echtzeit das Gewebeverhalten bei Kollision mit den Instrumenten berechnen. Das simulierte Bild des Augeninnenraums wird jeweils für das linke und rechte Auge auf einem OLED-Microdisplay im Stereo-Mikroskop des Simulators abgebildet. Der Operateur erhält so den gewohnten stereoskopischen Bildeindruck. Die Update-Rate des Systems liegt über 30 Hz. Die verzögerungsfreie Darstellung ermöglicht den sogenannten Immersionseffekt, bei dem der Anwender den Unterschied zwischen Realität und simulierten Bildern nicht mehr wahrnimmt. su