Direct Volume Rendering Methods for Needle Insertion Simulation

Titel in Übersetzung: Direct Volume Rendering Methods for Needle Insertion Simulation

Dirk Fortmeier

Abstract

In dieser Arbeit werden ein Simulationsframework sowie neu entwickelte Methoden zum visuo-haptischen Rendering von virtuellen Leberpunktionen präsentiert. Visuo-haptische Verfahren enthalten sowohl visuelles Rendering als auch haptisches Rendering, wobei Kräfte mittels eines haptischen Eingabegeräts wiedergegeben werden. Das Framework enthält Methoden und Algorithmen zur Durchführung eines virtuellen Eingriffs mittels Palpation, Ultraschallsondierung und Röntgendurchleuchtung. Unter Zuhilfenahme dieser Komponenten kann eine virtuelle perkutane transhepatische Cholangiodrainage durchgeführt werden. Ziel ist die Bereitstellung einer Umgebung zu Training und Planung. Der zentrale Aspekt ist die Fokussierung der Entwicklung von Methoden, die auf direktes Volumenredering von medizinischen CT-Daten zurückgreifen, ohne den Umweg über eine Oberflächenrepräsentation zu gehen. Diese sind in vergleichbaren Ansätzen des Stateof-the-Art Grundlage für Visualisierung, Berechnung von haptischer Kraftrückgabe und Weichteilsimulation. Um die Oberflächenrepresentation bereitzustellen, wird in der Regel eine aufwändige Segmentierung der Bilddaten vorausgesetzt. Eine solche Segmentierung benötigte im Vorgängerprojekt mehr als 60 Stunden pro Patient. Es ist daher essentiell, diese Zeit zu verkürzen, um ausgehend von einem neuen Bilddatensatz eine patientenindividuelle Simulation bereitzustellen. In dem vorgestellten Framework wird der Segmentierungsbedarf reduziert auf Gewebe und Organstrukturen, welche für den Eingriff von zentraler Bedeutung sind. Die entstehenden Segmentierungsmasken und nicht segmentierten Strukturen in den Bilddaten werden zur Laufzeit mittels angepasseter sowie neuer, innovativer Renderingverfahren visuohaptisch dargestellt. Visuelles direktes Volumenrendering wird durch Ray-Casting-Verfahren auf Grundlage der CT-Daten durchgeführt. Für die Berechnung von lokalen Deformationen auf dem regulären Gitter der Bilddaten ist für das Framework eine neue Methode entwickelt worden. Die dabei entstehenden Deformationen finden im Ray-Casting-Verfahren Beachtung. Weiterhin kann die Atembewegung eines virtuellen Patienten visualisiert und haptisch gerendert werden. Dies geschieht durch den Rückgriff auf 4D-CT-Sequenzen und die Erstellung und Nutzung daraus resultierender Bewegungsmodelle. Um Echtzeitfähigkeit zu erreichen wurden die Visualisierungsmethoden in Nvidia CUDA implementiert. Diese Arbeit beschreibt zum einen die entwickelten Methoden und die mit ihnen erzielten Resultate und analysiert weiterhin die Komponenten des Frameworks. Es wird gezeigt, dass die entwickelten Methoden und ihre Umsetzung im Simulationsframework die an sie gestellten Anforderungen hinsichtlich Reduktion des Segmentierungsaufwands, Echtzeitfähingkeit und Plausibilität des visuo-haptischen Renderings erfüllen.
Titel in ÜbersetzungDirect Volume Rendering Methods for Needle Insertion Simulation
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDoctorate
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Handels, Heinz, Betreuer*in
  • Mertins, Alfred, Betreuer*in
Datum der Vergabe18.05.2016
ErscheinungsortLübeck
PublikationsstatusVeröffentlicht - 21.10.2016
Extern publiziertJa

Strategische Forschungsbereiche und Zentren

  • Forschungsschwerpunkt: Biomedizintechnik

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