Realistische haptische Simulation materialabtragender chirurgischer Eingriffe:
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| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Aachen
Shaker
2007
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11 |
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| adam_text | Titel: Realistische haptische Simulation materialabtragender chirurgischer Eingriffe
Autor: Petersik, Andreas
Jahr: 2007
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Problemstellung und Zielsetzung 4
1.2 Gliederung der Arbeit 5
2 Stand der Forschung 7
2.1 Visualisierung medizinischer Volumendaten 7
2.1.1 Tomographische Daten 7
2.1.2 Segmentation der Daten 9
2.1.3 Oberflächenbasierte Visualisierung 10
2.1.4 Volumenbasierte Visualisierung 10
2.1.4.1 Volumenbasiertes Oberflächenrendering mit Subvoxelauflösung . . 11
2.1.4.2 Volume Rendering 12
2.2 Volumenmodifikation 14
2.3 Computerhaptik 15
2.4 Kraftrückkopplungsgeräte 15
2.4.1 Entwicklungsgeschichte 16
2.4.2 Kontrollstrategien 17
2.4.3 Kommerziell verfügbare Geräte 17
2.4.4 Funktionsweise der Phantom-Kraftrückkopplungsgeräte 18
2.4.4.1 Anforderungen an die haptische Frequenz 19
2.5 Grundlagen des haptischen Renderings 20
2.5.1 Penalty-basierte Methoden 22
2.5.2 Constraint-basierte Methoden 23
2.6 Kollisionserkennung für ein Werkzeug 24
2.6.1 Konfigurationsraum-Ansatz 25
2.6.2 Oberflächenbasierte Verfahren 26
iii
iv INHALTSVERZEICHNIS
2.6.3 Volumenbasierte Verfahren 28
2.7 Simulation von Kräften beim Materialabtrag 31
2.8 Existierende Chirurgiesimulatoren 32
2.8.1 Simulatoren für die minimalinvasive Chirurgie 32
2.8.2 Simulatoren für materialabtragende Chirurgie 35
3 Material and Methoden 39
3.1 Verwendete Datensätze 41
3.2 Werkzeugrepräsentation 41
3.3 Bestimmung der Kraftrichtung I: Freiraum-Such-Methode 45
3.4 Bestimmung der Kraftrichtung II: Kollisions-Such-Methode 47
3.5 Berechnung des Vektorbetrags mit dem Projektionsverfahren 48
3.6 Erweitertes Proxy-Verfahren 51
3.7 Haptische Simulation von Materialabtrag 55
3.7.1 Look-Forward-Methode 55
3.7.2 Oberflächenmethode 57
3.7.2.1 Verbessern der Kontaktsituation 59
3.8 Simulation von Werkzeugvibrationen 60
4 Implementierung 61
4.1 Integration des haptischen Renderings in das VOXEL-MAN System 62
4.2 Transformation des Arbeitsraumes in das Volumen 63
4.3 Laufzeitoptimierungen 66
4.4 Entwicklung einer Testumgebung 68
5 Ergebnisse und Anwendungen 71
5.1 Algorithmen 71
5.2 Simulationssystem 72
5.3 Anwendungen 73
5.4 Operationstraining 73
5.4.1 Anwendung in der HNO-Chirurgie 75
5.4.1.1 Datenaufbereitung 77
5.4.1.2 Funktionalität 79
5.4.1.3 Ergebnis 80
5.4.2 Anwendung in der Zahn-, Mund-und Kieferchirurgie 81
5.4.2.1 Virtuelle Wurzelspitzenresektion 81
INHALTSVERZEICHNIS v
5.4.2.2 Virtuelle Teilkronenpräparation 82
5.5 Operationsplanung 83
5.6 Validierung 84
5.6.1 Technische Validierung 84
5.6.2 Anwendungsbezogene Validierung 85
5.6.2.1 Validierung durch WSR-Simulation am Schweineschädel 85
5.6.2.2 Validierung durch Bewegungsanalyse 86
6 Schlussfolgerungen 87
6.1 Ausblick 88
Literaturverzeichnis 100
A Daten verschiedener Kraftrückkopplungsgeräte 101
B UICL-Befehle für das HaprJkmodul 103
B.l Geometriebefehle 103
B.2 Parameter für Kräfte 104
B.3 Debugging 105
B.4 Sonstige Befehle 105
C Beispielfilm 107
Stichwortverzeichnis 107
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