Patientenindividuelle 4D Virtual Reality Simulation von Punktionen und Radiofrequenz-Ablationen in atmungsbewegten virtuellen Körpermodellen

Im Rahmen des Projektes werden Methoden für die realitätsnahe visuo-haptische VR-Simulation von Atembewegungen in virtuellen Körpermodellen entwickelt. Anwendungsbereiche sind die patientenindividuelle Planung und das Training von Punktionen und Radiofrequenz-Ablationen unter Atembewegung. Auf einen statischen 3D-Bilddatensatz des Patienten werden sowohl individuelle als auch mittlere 4D-Bewegungsmodelle angewendet, die aus 4D-Bilddaten extrahiert wurden und zur voxelbezogenen Beschreibung realer Atembewegungen dienen. Mithilfe surrogatbasierter 4D-Bewegungsmodelle wird zudem die Variabilität der Atmung in verschiedenen Atmungszyklen realitätsnah simuliert. Mittels nicht-linearer Registrierungsverfahren werden die anatomischen Unterschiede zwischen der Modell- und der Patientenanatomie kompensiert und die 4D-Organbewegungen auf die statischen 3D-Patientendaten zur Animation übertragen. Die 4D-Bewegungsmodelle werden in ein visuo-haptisches Framework integriert, das die haptisch-visuell gesteuerte Interaktion der Punktions- bzw. Ablationsnadel mit dem atmenden virtuellen Körper ermöglicht. Für die visuo-haptische 4D-Darstellung der bewegten 3D-Bilddaten in Echtzeit werden spezielle volumenbasierte 4D-Renderingtechniken parallelisiert und laufzeitoptimiert auf der GPU implementiert. Weiterhin wird insbesondere für Punktionen und Radio-Frequenz-Ablationen im zwerchfellnahen Bereich untersucht, welche Auswirkungen die Atembewegung auf die 4D-Nadelpfadplanung sowie die biophysikalische Simulation der RFA-Ablation im Vergleich zur Planung und Simulation im statischen 3D-Datensatz hat. Neben der Evaluation der einzelnen Methoden und Systemkomponenten wird abschließend eine Gesamtevaluation des VR-Trainingssimulators für die RF-Ablation unter Atembewegung im Rahmen einer Benutzerstudie durchgeführt.

Im Rahmen des Projektes wurden Methoden für die realitätsnahe visuo-haptische VR-Simulation von Atembewegungen für die Planung und das Training von Punktionen und Radiofrequenz-Ablationen in virtuellen Körpermodellen entwickelt. Hierbei wurde nicht nur die visuelle, sondern auch die haptische Immersion mit einem haptischen Kraftrückkopp-lungsgerät mit 6 Freiheitsgraden realisiert, so dass der Bediener neben der Wahrnehmung eines stereoskopischen Bewegtbildes auch die Intervention und Atembewegung spüren kann. Mithilfe des haptischen Kraftrückkopplungsgeräts ist der Benutzer in der Lage, die Punktions- bzw. Ablationsnadel in einem dreidimensionalen Arbeitsraum intuitiv zu steu-ern. Zugleich spürt er realistische Kräfte bei der Einführung der Nadel in den Körper sowie beim Gleiten durch den Körper und dem Durchstechen innerer Organe. Zur realitätsnahen Simulation der Atembewegungen wurden auf der Grundlage von 4D-Bilddaten reale Bewegungsmuster mithilfe nicht-linearer Registrierungsverfahren extra-hiert, die die Bewegung eines jeden Bildpunktes über den Atemzyklus hinweg durch ein zeitlich sich veränderndes 3D-Vektorfeld beschreiben. Im Rahmen des Projektes wurden sowohl individuelle als auch über ein Patientenkollektiv gemittelte 4D-Bewegungsmodelle generiert und zu voxelbezogenen Simulation realer Atembewegungen verwendet. Mithilfe surrogatbasierter 4D-Bewegungsmodelle wurde zudem zeitliche Veränderungen der Atmungsmuster in verschiedenen Atmungszyklen in Abhängigkeit von einem externen Sur-rogat (z.B. Volumen der zu den verschiedenen Atemphasen ein- und ausgeatmeten Luft) realitätsnah simuliert. Die Kompensation der anatomischen Unterschiede zwischen der Modell- und der Patien-tenanatomie sowie der Übertragung der komplexen 4D-Bewegungsmodelle auf die stati-schen 3D-Patientendaten zur Animation wurde durch Einsatz deformierbarer Registrie-rungsverfahren ermöglicht. Die 4D-Bewegungsmodelle wurden in ein visuo-haptisches Framework integriert, das die haptisch-visuell gesteuerte Interaktion der Punktions- bzw. Ablationsnadel mit dem atmenden virtuellen Körper ermöglichte. Für die visuo-haptische 4D-Darstellung der bewegten 3D-Bilddaten in Echtzeit wurden spezielle volumenbasierte 4D-Renderingtechniken entwickelt und laufzeitoptimiert auf der GPU parallelisiert. Weiter-hin wurde insbesondere für die Planung und das Training von Radiofrequenzablationen im Leberbereich die biophysikalische Simulation der mit der RF-Ablation einhergehenden Temperaturveränderungen im Gewebe ermöglicht. Über die Methodenentwicklung hinaus wurden die entwickelten Verfahren prototypisch in einen VR-Simulator mit eingebautem Kraftrückkopplungsgerät und Stereobilddarstellungsmöglichkeit integriert und somit für den praktischen Einsatz verfügbar gemacht.