Virtuelle und Augmentierte Realität zur 3D Rekonstruktion

In diesem interdisziplinären Forschungsprojekt der Informatik und der Medizin soll ein umfassendes bildgestütztes Tool für die Kopf- und Halschirurgie mit dem Hauptfokus auf Unterkiefer- und Mittelgesichtsfrakturen entwickelt werden. Das Tool soll die behandelnden Ärztinnen und Ärzte in allen medizinischen Phasen (Diagnose, Operationsplanung, Durchführung und Kontrolle) unterstützen und in der Lehre Anwendung finden. Ein zentraler Punkt des Projekts liegt in der Entwicklung eines Algorithmus zur halb- automatischen und automatischen Segmentierung von knöchernen Strukturen und Weichgewebe auf Basis von CT- und MRT-Datensätzen. Die Segmentierung ermöglicht die dreidimensionale Lokalisierung, Quantifizierung und Visualisierung von biologischen Strukturen in kürzester Zeit. Basierend auf radiologischen Bilddaten aus der klinischen Routine können Behandlungsdiagnosen rasch visualisiert und chirurgische Planungsvorgänge oder operative Behandlungsoptionen simuliert werden. Außerdem wird die Simulation von postoperativen Ergebnissen bereits präoperativ fotorealistisch dargestellt. Dies findet vor allem in der Reposition von knöchernen Strukturen, in der Rekonstruktion von Gesichtsdefekten und in der Entfernung von Tumoren in Gebieten mit komplexer Anatomie Anwendung. Des Weitern in der Entwicklung von patientenindividuellen dreidimensionalen Implantaten, die hausintern 3D gedruckt werden sollen, um sie mit den extern gefertigten zu vergleichen und für den klinischen Einsatz zu testen. Weiterhin soll das medizinische Personal auch während des Eingriffs in Echtzeit durch interaktive Navigation unterstützt werden. Mittels Augmented Reality werden virtuelle, computergenerierte Objekte in das reale, aktuelle Zustandsbild integriert. Mit dieser Anwendung sollen operative Komplikationen reduziert und ein erfolgreiches Operationsergebnis durch einen prä- oder intraoperativ simulierten Operationsablauf sichergestellt werden. Die Anzahl an notwendigen Korrekturoperationen und die benötigte Operationszeit kann dadurch reduziert sowie eine höhere Überlebensrate der Patienten sichergestellt werden. Zusätzlich soll die Anwendung in Kombination mit einer Virtual Reality-Brille zum virtuellen Training von Operationen während der Ausbildung zum Einsatz kommen. Ziel des Projekts ist die Schaffung einer Open Source-Anwendung als Basis, zum Aufbau und Weiterentwicklung an den teilnehmenden Universitäten. Vergleichbare Anwendungen sind derzeit mit strengen Lizenzen geschützt und der universitären Forschung nicht uneingeschränkt zugänglich. Die bislang zur Verfügung stehende Software ist für eine Anwendung in der klinischen Praxis nicht ausreichend funktionsstabil und weist eine hohe Fehleranfälligkeit auf. Zusätzlich ist deren Nutzung mit hohem finanziellen Aufwand verbunden, sodass eine verbreitete Anwendung nicht möglich ist. Augmented Reality in der klinischen Praxis ist ein wichtiges Thema der aktuellen chirurgischen Forschung und kann von Universitäten in der modernen Medizin nicht ignoriert werden.

In diesem interdisziplinären Forschungsprojekt der Informatik und der Medizin wurden bildgestützte Tools für die Kopf- und Halschirurgie entwickelt, die die behandelnden Ärztinnen und Ärzte in allen medizinischen Phasen (Diagnose, Operationsplanung, Durchführung und Kontrolle) unterstützen, aber auch in der Lehre Anwendung finden können. Ein Aspekt des Projekts lag in der Entwicklung von Algorithmen zur halbautomatischen und automatischen Segmentierung von knöchernen Strukturen und Weichgewebe auf Basis von CT- und MRT-Datensätzen. Die Segmentierungen ermöglichen die dreidimensionale Lokalisierung, Quantifizierung und Visualisierung von anatomischen Strukturen in kürzester Zeit. Basierend auf radiologischen Bilddaten aus der klinischen Routine können Behandlungsdiagnosen rasch visualisiert und chirurgische Planungsvorgänge oder operative Behandlungsoptionen simuliert werden. Dies findet vor allem in der Reposition von knöchernen Strukturen, in der Rekonstruktion von Gesichtsdefekten und in der Entfernung von Tumoren in Gebieten mit komplexer Anatomie Anwendung. Weiterhin wurde ein Augmented Reality (AR)-Tool entwickelt, mit dem das medizinische Personal auch während eines Eingriffs in Echtzeit durch interaktive Visualisierung und Navigation unterstützt werden kann. Mittels AR können virtuelle, computergenerierte Objekte in das reale, aktuelle Zustandsbild integriert werden. Mit dem entwickelten Tool werden, prä- oder intraoperativ, anatomische Strukturen und Planungsinformation direkt am Patienten visualisiert und Chirurginnen und Chirurgen werden interaktiv an das Operationsziel geleitet. Dadurch können operative Komplikationen reduziert und ein erfolgreiches Operationsergebnis sichergestellt werden. Die Anzahl an notwendigen Korrekturoperationen und die benötigte Operationszeit lassen sich folglich reduzieren. Im Rahmen des Projekts wurden Open-Source-Anwendungen als Basis und für die Weiterentwicklung an den teilnehmenden Universitäten geschaffen. Vergleichbare Anwendungen sind derzeit mit strengen Lizenzen geschützt und der universitären Forschung nicht uneingeschränkt zugänglich.