Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7190

Echtzeitfähige Gewebemodellierung für chirurgische VR-Trainingssimulatoren

H. Çakmak, U. Kühnapfel, G. Bretthauer

Zusammenfassung
Chirurgische Eingriffe am Menschen müssen effizient, sicher und schonend durchgeführt werden. Oft fehlt es jedoch an Möglichkeiten, operative Eingriffe unter realen Bedingungen zu erlernen und zu trainieren. Chirurgen werden deshalb neben den klassischen Trainingsmethoden – bei der die realistischen Gegebenheiten nur begrenzt nachgebildet werden können – verstärkt mit VR-basierten Trainingssystemen aus- und weitergebildet. Diese ermöglichen eine beliebig oft wiederholbare, objektiv bewertbare Trainingmöglichkeit in einem nahezu realistisch nachgebildeten virtuellen Operationsbereich, bestehend aus Organmodellen und chirurgischen Instrumenten mit einer breiten Palette an Interaktionsmöglichkeiten. Der Grad der Realitätsnähe eines VR-Trainingssystems wird zum großen Teil durch die Güte der Gewebemodellierung bestimmt.

Gewebemodellierung fassen wir als einen Oberbegriff für alle Prozeduren von der geometrischen Modellerstellung anhand radiologischer Bilddaten bis hin zur physikalisch-basierten Gewebsdeformationssimulation sowie die realistische Visualisierung und die Möglichkeiten der Interaktion mit dem virtuellen Gewebe auf.

In diesem Projekt werden drei Fragestellungen aus dem Bereich der Gewebemodellierung näher untersucht: die Modellierung, die Visualisierung und die Deformationssimulation. Dabei werden konkrete Lösungen für das am Forschungszentrum Karlsruhe entwickelte VR-Trainingssystem für die minimal invasive Chirurgie „VSOne“ geliefert.

Für die effiziente Modellierung von deformierbaren Organmodellen wurde die Methode der impliziten Oberflächen implementiert. Diese eignen sich optimal für den unerfahrenen Modellierer, da keinerlei geometrische Vorkenntnisse notwendig sind. Auch lassen sich mit dieser Methode bereits vorhandene beliebige 3D-Organmodelle nachträglich modifizieren. Für die Integration der 3D-Modelle in den VR-Simulator wurden entsprechende Softwaremodule für das Einlesen, die Darstellung und die Simulation der Deformation erstellt. Die Unterstützung deformierbarer Objekte mit beliebiger Geometrie ermöglicht den Modellaustausch in einem weltweiten Computernetzwerk.

Im Bereich der realitätsnahen Visualisierung von Gewebe wurden mehrere Methoden zur Texturkomposition aus Basis-, Struktur- und Beleuchtungstexturen untersucht. Die entwickelten Algorithmen nutzen die Fähigkeiten moderner Grafikkarten aus, unterstützen aber auch ältere Grafikkarten mit einfacher Textureinheit.

Eine weitere Fragestellung in diesem Projekt ist die Optimierung der Deformationssimulation mit der Fast-Finite-Element-Methode (FFE). Ausgehend von einer rudimentären Implementierung wird ein objekt-orientierter Ansatz mit adaptiver Berechnung der Steifigkeitsmatrizen vorgestellt. Dadurch ist eine hybride Modellhaltung und Deformationssimulation möglich. Untersucht wurde auch die Tauglichkeit eines zweistufigen FFE-Verfahrens in einem VR basierten chirurgischen Trainingssimulator.

Real-time Tissue Modelling for Virtual Reality based Surgical Simulators

Abstract
Surgical interventions on humans need to be performed with a high grade of efficiency, security and care. A major problem is the absence of possibilities for learning and training of surgical operations under realistic conditions. Virtual Reality (VR) based training systems seem to be a good alternative to classical training methods, which allow unlimited repeatable training with objective assessment. VR based training systems mostly offer a realistic environment with haptic input devices and virtual surgical interactions with deformable or static organ models. The level of realism of a VR based surgical training system depends mostly on the quality of the tissue model.

Tissue modelling covers the topics of geometrical model creation using CT and MR data, the physical simulation of object deformation, the realistic visualisation and the surgical model interactions.

In this project, we developed new methods for modelling, visualisation and the simulation of tissue deformation. As a development environment we used “VSOne”, a VR based training system for minimally invasive surgery developed at Forschungszentrum Karlsruhe.

We developed a software module for modelling deformable objects with implicit surfaces, which are most suitable for inexperienced modellers without any geometrical knowledge. This module supports also the geometrical modification of existing 3d models. Special model IO-procedures enable to convert static models into a deformable model representation and to import them into the simulation kernel of “VSOne”. The support of deformable models with arbitrary triangle meshes within our simulation software allows the model exchange with other developers and helps to build up a world-wide network of model databases.

Further development was done in the area of realistic visualisation of virtual tissue for real-time applications. A real-time texture composition algorithm enables to map basic, structure and lighting textures onto the 3d objects utilizing modern graphics card’s multi-texturing option, but also supports older hardware with single texture-units.

Real-time simulation of soft tissue deformation is mostly done using mass-spring models. As an alternative we use the Fast-Finite-Element-Method (FFE). We extended the existing implementation with several new features like object-oriented and adaptive calculation of the stiffness matrix and the possibility for hybrid deformation simulation. A two-step FFE-simulation was examined for suitability in a VR based surgical training system.

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