Echtheitssimulation elastodynamischer Gewebe am Beispiel eines "Virtual-reality"-Trainingsgeräts für die minimal invasive Chirurgie:
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Karlsruhe
FZKA
2001
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| Ausgabe: | Als Ms. gedr. |
| Schriftenreihe: | Wissenschaftliche Berichte / Forschungszentrum Karlsruhe Technik und Umwelt
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Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Begriffsklärung und Motivation 1
1.2 Entwicklungsstand 2
1.2.1 Techniken für die Simulation deformierbarer Objekte 2
1.2.2 Simulations und Animationsverfahren für amorphe Objekte 4
1.2.3 Computergestützte Trainings und Simulationssysteme 5
1.2.3.1 VR Simulationssysteme für die Chirurgie 5
1.2.3.2 Das Karlsruher MIC Trainingssystem 7
1.2.3.3 Forderungen an chirurgische Simulationssysteme und Problemstellung 9
1.3 Ziele und Aufgaben 11
1.4 Gliederung der Arbeit 12
2 Neues Konzept zur Erstellung von chirurgischen Simulationsszenarien. 14
2.1 Konzept der Modellierungssoftware KisMo 14
2.2 Modellierung mit parametrisierten Kurven und Flächen 15
2.2.1 Modellierung mit Splinekurven und Querschnittsprimitiven 17
2.2.2 Modellierung mit bikubischen Hermite Splineflächen 19
2.2.3 Modellierung volumetrischer, deformierbarer Objekte 19
2.3 Medizinische Bilddaten als Modelliervorlage 20
2.3.1 Modalitäten der medizinischen Bildgebung 20
2.3.2 Visualisierung medizinischer Bilddaten 22
2.3.2.1 Interaktive Visualisierung von orthogonalen Schichtbildern 23
2.3.2.2 Interaktive Volumenvisualisierung mit 2D Texturen 24
2.3.2.3 Interaktive Volumenvisualisierung mit 3D Texturen 25
2.4 Konzept zur Generierung künstlicher Texturen 26
2.4.1 Turbulenzfunktionen 27
2.4.2 Lindenmayer Systeme 28
2.4.2.1 Einführung in Lindenmayer Systeme 28
2.4.2.2 Graphische Interpretation eines L Systems 29
2.4.2.3 Implementierung eines verbesserten L Systems mit OpenGL 30
2.5 Neue Verfahren zur Nachahmung der Organmotilität 32
2.5.1 Funktionsbasierter Ansatz 32
2.5.2 Kontraktions und Dilatationsbewegungen 33
2.6 Ergebnisse 33 j
2.6.1 Generierung synthetischer Texturen 33 j
2.6.2 Modellierung einer Simulationsszene für die Gynäkologie 34 j
2.7 Schlußfolgerungen 37 j
3 Neue Simulationsverfahren für Partikelsysteme und visuelle Effekte 38
3.1 Definition eines Partikelsystems 38
3.2 Implementierung eines Partikelsystems 42
3.2.1 Kollisionsbehandlung für Partikelsysteme 43
3.2.1.1 Kollisionserkennung mit elastodynamischen Objekten 43
3.2.1.2 Kollisionerkennung mit Modellen chirurgischer Instrumente 44
3.2.1.3 Kollisionsbehandlung für Partikelsysteme 45
3.2.2 Graphische Darstellungsmethoden 46
3.2.2.1 Partikeldarstellung mit impliziten Oberflächen 46
3.2.2.2 Partikeldarstellung mit geometrischen Primitiven 50
3.3 Anwendungen und computergraphische Spezialeffekte 50
3.3.1 Visuelle Simulation der Hämodynamik 51
3.3.1.1 Modellierung eines arteriellen Gefaßbaums mit KisMo 51
3.3.1.2 Nachbildung des Pulses in einem hierarchischen arteriellen Gefaßbaum 51
3.3.1.3 Simulation von Blutungen bei Verletzungen der Arterien 53
3.3.1.4 Simulation des Stillens arterieller Blutungen 54
3.3.2 Modellierung eines Wasserstrahls 54
3.3.3 Modellierung von Flüssigkeitsansammlungen 56
3.3.3.1 Animation von Welleneffekten mit nodalen Netzen 56
3.3.3.2 Animation von Welleneffekten mittels Texturanimation 57
3.3.3.3 Weitere Animationsmethoden für Welleneffekte 58
3.3.3.4 Regulierung des Flüssigkeitspegels 58
3.3.3.5 Farbe und Transparenz der Flüssigkeitsansammlung 58
3.3.3.6 Animation von Luftblasen in einer Flüssigkeit 58
3.3.4 Nachbildung von Sickerblutungen bei Organverletzungen 59
3.3.5 Visualisierung und Animation von Koagulationsrauch 60
3.3.5.1 Visualisierung und Animation von Koagulationsrauch mit 3D Texturen 61
3.3.5.2 Visualisierung und Animation von Koagulationsrauch mit 2D Texturen 61
3.3.5.3 Animation des Beschlagens der Endoskoplinse 65
3.4 Schlußfolgerungen 66 j
|
4 Neue Simulationsmethoden für elastische Kabel und Schläuche 67
4.1 Elastodynamische Modellierung 67
4.1.1 Grundlagen aus der Mechanik 68
4.1.2 Feder Masse Systeme 69
4.1.3 Numerische Lösungsverfahren für Differentialgleichungen 71
4.2 Simulation von chirurgischen Nahtmaterialien 74
4.2.1 Modellierung chirurgischer Fäden 75
4.2.1.1 Einteilung und Charakterisierung 75
4.2.1.2 Elastodynamische Modellierung 76
4.2.1.3 Graphische Darstellungsmethoden 77
4.2.2 Neue Verfahren für die Simulation chirurgischer Nähte 77
4.2.2.1 Kollisionsbehandlung des Nadelmodells mit den Instrumentenmodellen 79
4.2.2.2 Kollisionsbehandlung des Fadenmodells mit den Instrumentenmodellen 85
4.2.2.3 Selbstkollision des Fadenmodeüs 86
4.2.2.4 Kollisionsbehandlung des Fadenmodells mit deformierbaren Objekten 88
4.2.3 Bemerkungen zur Nahtsimulation 90
4.3 Modellierung und Simulation von chirurgischen Schlingen 91
4.3.1 Modellierung von chirurgischen Schlingen 91
4.3.2 Simulation einer Ligatur mit chirurgischen Schlingen 93
4.4 Implementierung und Bewertung 95
4.4.1 Objektdefinition und Integration in die Simulationssoftware 95
4.4.2 Untersuchung der Echtzeitfähigkeit der Algorithmen 97
4.5 Schlußfolgerungen 99
5 Zusammenfassung 101
Literaturverzeichnis 105
Anhang A : Spezifikationen für die Modellierung 120
A.l Volumenelastische Objektdefinition 120
A.2 Generierung einer 2D Turbulenztextur 121
A.3 OpenGL PseudoCode zur Darstellung von L Bäumen 122
Anhang B : Objektspezifikation in KISMET 123
B.l Allgemeine Notation 123
B.2 Syntax der Geometrie Definition in KISMET 123
rv B.3 Syntax der ELASUTURE Primitive 124
B.4 Syntax der ELASLING Primitive 127
Anhang C: Spezifikation für Interaktionen 129
C.l Spezifikation MEDJNTERACTION.def 129
C.2 Spezifikation PHYSIOLOGY.def 134
C.3 Transitionstabelle für die Kollisionsbehandlung 140
Anhang D: Skript Befehle in KISMET 142
Anhang E : Geometrische Beziehungen 144
V
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1.1: Der Karlsruher MIC Trainer 7
Abbildung 1.2: Benutzerschnittstelle des MIC Trainers 7
Abbildung 1.3: Komponenten eines realistischen MIC Trainingssimulators 9
Abbildung 1.4: Ziele und Aufgabenstellung der Arbeit 12
Abbildung 2.1: Konzept der Modellierungssoftware KisMo 14
Abbildung 2.2: Modellierung mit Splinekurven und Querschnittsprimitiven 17
Abbildung 2.3: Skalierungsfaktoren für Querschnittsprimitive 18
Abbildung 2.4: Modellierung mit Hermite Splineflächen 19
Abbildung 2.5: Verbindungstypen zwischen zwei elastodynamischen Objektschichten 20
Abbildung 2.6: Fotografische, CT und MRT Aufnahmen des Visible Female Datensatzes ..21
Abbildung 2.7: Modellierung des Uterus in der Schichtbilddarstellung 24
Abbildung 2.8: Volumenvisualisierung mit 2D Texturen in KisMo 25
Abbildung 2.9: Volumenvisualisierung mit 3D Texturen 25
Abbildung 2.10: Beispiele für zweidimensionale Turbulenzfunktionen 28
Abbildung 2.11: Zweimalige Anwendung der Produktionsregel Ra 29
Abbildung 2.12: Vergleich der Länge von L Wörtern als Funktion der Rekursionstiefe 30
Abbildung 2.13: Dreimalige Anwendung der Produktionsregel Rß 31
Abbildung 2.14: Generierung einer künstlichen Textur für eine Organoberfläche 33
Abbildung 2.15: Aktiv deformierendes Magenmodell mit künstlicher Textur 34
Abbildung 2.16: Modelle eines Gefäßbaums, des Uterus, der Ovarien und der Ligamente ....35
Abbildung 2.17: Simulationszenario für die endoskopische Gynäkologie 36
Abbildung 2.18: Simulation eines operativen Eingriffs an der Gebärmutter 36
Abbildung 2.19: Simulation einer Sterilisation: Durchtrennung des Eileiters 37
Abbildung 3.1: Lennard Jones 12 6 Funktion der potentiellen Energie 40
Abbildung 3.2: Partikel Simulation mit binären Kräften FLi 41
Abbildung 3.3: Implementierung eines Partikelsystems 42
Abbildung 3.4: Gliederung der Partikelsimulation 42
Abbildung 3.5: Partikelkollision mit Objekttyp „Gewebe 43
Abbildung 3.6: Partikelkollision mit Objekttypen „Rohr und „Organ 44
Abbildung 3.7: Schlüsselpositionen der Instrumentenmodelle in KISMET 44
Abbildung 3.8: Partikelkollision mit Geschwindigkeitsänderung 45
Abbildung 3.9: Elektronendichten bei chemischer Reaktion von Wasser und Sauerstoff 47
Abbildung 3.10: Volumenvisualisierung der Isokonturen von fünf Partikeln 48
Abbildung 3.11: Oberflächenmodell einer Isofläche für fünf Partikel 48
Abbildung 3.12: Zeitreihe: Generierung von Volumendaten für implizite Oberflächen 48
Abbildung 3.13: Zeitreihe: Visualisierung von Volumendatensätzen mit 3D Texturen 49
Abbildung 3.14: Zeitreihe: Polygonalisierung und Visualisierung von Iso fiächen 50
Abbildung 3.15: Motion Blur für die Partikeldarstellung 50
Abbildung 3.16: Pulswellenausbreitung in einem arteriellen Gefäßmodell 51
Abbildung 3.17: Pulssimulation in einem hierarchischen Gefäßbaum 52
Abbildung 3.18: Schematischer, zeitlicher Ablauf der visuellen Pulssimulation 53
Abbildung 3.19 Visuelle Simulation einer arteriellen Blutung mit Kugelprimitiven 54
Abbildung 3.20: Visuelle Simulation von laminarer und turbulenter Strömung 55
Abbildung 3.21: Simulation eines Wasserstrahls für ein chirurgisches Spülinstrument 56
Abbildung 3.22: Welleneffekt auf einer Oberfläche simuliert mit Feder Masse Systemen ....57
Abbildung 3.23: Texturanimation zur Generierung von Welleneffekten 57
Abbildung 3.24: Animation von Luftblasen für die Spül und Saugsimulation 59
Abbildung 3.25: Texturprojektion bei einem vertikalem Schnitt 60
VI . Abbildung 3.26: Texturanimation für die Nachbildung von Blutungen 60
Abbildung 3.27: Rauchanimation mit 3D Texturen und Echtzeit Volumenvisualisierung 61
Abbildung 3.28: Schematische Darstellung der Rauchanimation 62
Abbildung 3.29: Skalierungsfunktionen xS und zS für die Rauchanimation 63
Abbildung 3.30: Schematische Darstellung der Texturzirkulation 63
Abbildung 3.31: Rauchanimation mit der SpHne Key Frame Technik 63
Abbildung 3.32: Visualisierung und Animation von Koagulationsrauch mit 2D Texturen.... 64
Abbildung 3.33: Koordinierung der Rauchanimation mit der Aktivierung des Koagulators .. 64
Abbildung 3.34: Animation des Koagulationsrauchs und Beschlagen der Endoskoplinse 65
Abbildung 4.1: Modellierung chirurgischer Fäden mit unterschiedlichen Eigenschaften 76
Abbildung 4.2: Graphische Darstellungsmethoden für elastische Kabel und Schläuche 77
Abbildung 4.3: Schematische Übersicht der Kollisionsbehandlung für die Nahtsimulation... 78
Abbildung 4.4: Algorithmen für die Nahtsimulation 79
Abbildung 4.5: Algorithmus zur Kollisionsbehandlung Nadel und Instrument 80
Abbildung 4.6: Interaktionsstrecken der Instrumenten und Nadelmodelle 81
Abbildung 4.7: Kollisionserkennung des Nadelmodells mit dem Instrumenteneffektor 82
Abbildung 4.8: Effektoreinteilung in zwölf Teilbereiche für die Kollisionsbehandlung 82
Abbildung 4.9: Kollisionsbehandlung mit einemDEA für 5(l,12)=120 83
Abbildung 4.10: Kollisionsbehandlung mit einer Mealy Maschine für A(l,l2)=(iF,iR) 83
Abbildung 4.11: Positionskorrektur des Nadelmodells bei Kollision mit einem Effektor 84
Abbildung 4.12: Simulation des Greifens des Nadelmodells mit einer Faßzange 84
Abbildung 4.13: Simulation des Wickeins von virtuellem Faden um Instrumentenmodelle .. 85
Abbildung 4.14: Algorithmus zur Selbstkollision des Fadenmodells 86
Abbildung 4.15: Schnitt zweier Verbindungselemente VE, und VE; 87
Abbildung 4.16: Positionskorrektur bei der Selbstkollision des Fadenmodells 87
Abbildung 4.17: Effiziente Erkennung der Selbstkollision des Fadens durch Hüllkugel 88
Abbildung 4.18: Simulation des Knüpfens von virtuellen Knoten mit dem Fadenmodell 88
Abbildung 4.19: Deformation des Uterusmodells während eines Nadeleinstichs 89
Abbildung 4.20: Ermittlung der Einstichstelle an einem deformierbaren Objekt 89
Abbildung 4.21: Definition von zwei Zwangsführungen für das Fadenmodell 90
Abbildung 4.22: Simulation einer Naht an einem deformierbaren Uterusmodell 90
Abbildung 4.23: Modellierung einer chirurgischen Schlinge mit Feder Masse Systemen 92
Abbildung 4.24: Modell einer chirurgischen Schlinge für die minimal invasive Chirurgie.... 92
Abbildung 4.25: Algorithmus für Interaktion von Schlingen mit deformierbaren Objekten... 93
Abbildung 4.26: Kollisionserkennung für korrektes Überstreifen einer Schlinge 94
Abbildung 4.27: Schnitt einer Schlinge mit einem Objektsegment 94
Abbildung 4.28: Positionskorrektur deformierbarer Objekte bei Interaktion mit Schlingen... 94
Abbildung 4.29: Interaktion chirurgischer Schlingen mit deformierbaren Organmodellen.... 95
Abbildung 4.30: Erzeuger Verbraucher Prozess für die Kabelsimulation 96
Abbildung 4.31: Zeitmessung für die Nahtsimulation 97
Abbildung 4.32: Zeitmessung für die Längenänderung eines simulierten Fadens 99
Tabellenverzeichnis
Tabelle 2.1: Anzahl der Objekte, Knoten und Verbindungselemente in der Simulationsszene
für die minimal invasive Chirurgie in der Gynäkologie 35
Tabelle 4.1: Klassifikation von Nahtmaterialien nach Resorbierbarkeit und Rohstoffart 75
Tabelle 4.2: Objektdefinition für die Zeitmessungen 97
Tabelle 4.3: Mittelere gemessene Zeit für Kollisionsalgorithmen bei der Nahtsimulation 98
Tabelle C.l: Transitionstabelle für eine effiziente Kollisionsbehandlung 140
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