Bestimmung und Visualisierung von Abstandsmaßen für die interaktive Chirurgiesimulation

Die Etablierung neuer Operationsmethoden hangt unter anderem davon ab, welche chirurgischen Eingriffe mit dieser Methode erfolgen konnen und Vorteile fur den Patienten bieten. Eine zentrale Fragestellung bei minimalinvasiven Verfahren ist, ob das Operationsgebiet von einem geplanten Zugang aus erreicht werden kann und ob die dann dort verbleibenden Freiheitsgrade die notwendigen Prozeduren ermoglichen. Dieser Beitrag beschreibt eine Methode, mit der kritische Abstande zwischen Instrumenten und anatomischen Strukturen in Echtzeit bestimmt und quantitativ visualisiert werden konnen. Das Verfahren bildet einen Teil einer virtuellen Testumgebung, mit der Chirurgen zukunftig bei der Erprobung neuer Operationsmethoden und -instrumenten unterstutzt werden sollen. Schlusselworte: Chirurgiesimulation, Visualisierung, Abstandsberechnung 1 Problem Bei der minimal-invasiven Chirurgie (MIC) werden grundlegende fachliche Qualifikationen durch Fortbildungen erlangt, bei denen der Chirurg einem Experten bei MIC-Eingriffen assistiert. Sowohl der Experte als auch der Chirurg in der Fortbildung sind wahrend dieser Zeit im Krankenhausalltag eingebunden. Die Fortbildungszeit hangt damit von geeigneten MIC-relevanten Fallzahlen, aber auch von den Verfugbarkeiten des lernenden Chirurgen und des lehrenden Experten ab. Durch Computersimulatoren kann der Lernfortschritt gemessen und automatisiert bewertet werden [1]. Hierdurch kann die Fortbildungszeit verkurzt werden, da das Training motorischer Fahigkeiten patientenfern und vom Experten unabhangig erfolgen kann. Der primare Trend in der MIC besteht in der Verringerung von Traumata, wodurch die Genesungszeit verkurzt und das kosmetische Ergebnis verbessert werden. Bei der Single-Port Technik (SPT) werden, im Vergleich zur klassischen MIC, das Endoskop sowie die erforderlichen Instrumente nebeneinander durch einen Zugang (meist im Bauchnabel des Patienten) eingefuhrt. Bisher gibt es zur SPT vor allem Berichte einzelner Kliniken, wobei fur eine weite Etablierung die Machbarkeit und die Vorteile fur Patienten wissenschaftlich untersucht werden mussen [2]. Ein wesentlicher Aspekt ist hierbei, ob durch einen geplanten Zugang das Zielgebiet der Operation erreicht werden kann und ob die dort verbleibenden Freiheitsgrade ausreichen um die notwendigen Prozeduren durchzufuhren. Bisher wird dies durch sukzessive Erweiterung bereits etablierter Operationen beantwortet, wobei die SPT ohne Verfahrenswechsel in eine konventionelle MIC oder in einen offen-chirurgischen Eingriff konvertiert werden kann. Um das Testen von Zugangen, alternativen Zugangswegen und Operationen mit neuen Methoden zu unterstutzen, wird eine VR-Simulation als Testumgebung entwickelt. Die Testumgebung soll den Chirurg bei der Beantwortung derartiger Fragestellungen unterstutzen und dabei potentielle Sicherheitsrisiken aufzeigen. In der Simulation besteht unter anderem die Moglichkeit, vorhandene Instrumente zu variieren, so dass der Chirurg prufen kann, ob Anpassungen vorhandener Instrumente Vorteile fur eine Operation bringen oder diese erst ermoglichen. Zu Beginn kann der Chirurg in der Testumgebung Zugange in einer Volumendarstellung der diagnostischen Bilddaten definieren und vergleichen. Die reine Volumendarstellung wird in weiteren Schritten mit 3-D Modellen der anatomischen Strukturen erganzt. Nach der Definition des Zugangs kann anhand statischer Modelle die Navigation in das Zielgebiet erprobt werden, um kritische Bereiche wahrend der Navigation zu identifizieren. Hierfur wird fur die Instrumente ein kritischer Abstand definiert. Beim Unterschreiten dieses Abstandes soll die noch verbleibende Distanz bis zu einem Kontakt in Echtzeit bestimmt und auf den Oberflachen der betroffenen anatomischen Strukturen visualisiert werden. Zur Bestimmung der Abstande eignen sich keine Verfahren der Kollisionserkennung, da eine Annaherung von Eintreten