Virtual Reality-based Medical Training Simulator for Bilateral Sagittal Split Osteotomy

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Das Ziel dieses Projekt ist ein spezialisiertes Trainingssystem zu entwickeln, welches das Trainieren eines kieferchirurgischen Eingriffs basierend auf Methoden der virtuellen Realität ermöglicht. Der medizinische Eingriff im Fokus des Projekts, die sogenannte Bilaterale Sagittale Split Osteotomie (BSSO), erlaubt eine Verschiebung des unteren Kiefers in allen drei räumlichen Dimensionen und wird zum Beispiel zur Korrektur eines Unter- oder Überbisses durchgeführt. Der Eingriff erfolgt in einem intraoralen Ansatz und beinhaltet die Erzeugung eines Osteotomie Spalts im Unterkiefer unter Einsatz einer Säge oder eines Bohrers, gefolgt von einer kontrollierten Spaltung des Knochens durch eine Rückwärtsdrehung von einem oder zwei in den Spalt eingefügten Meißeln.

  Screenshot einer BSSO-Simulation VR Group

(Links) Screenshot einer BSSO-Simulation, einschließlich Kopf in Operationshaltung und chirurgischen Instrumenten.
(Rechts) Screenshot einer BSSO-Simulation, einschließlich der eingesetzten Meißel im Osteotomiespalt des Knochens und einer Visualisierung der Interaktionskräfte (grüne und blaue Linien). Hier hat der Knochen bereits begonnen sich zu spalten; der Spalt ist sichtbar innerhalb des Knochens in rot.

Um eine realistische und effiziente Simulation des brechenden Knochens in Echtzeit zu ermöglichen, wird die sogenannte Extended Finite Element Method (XFEM) eingesetzt. Diese ermöglicht eine effektive Modellierung der durch Krafteinwirkung hervorgerufenen Verformungen sowie der durch Brüche induzierte Strukturänderungen des Knochens. Um die spezifischen, motorischen Fähigkeiten für die Osteotomie trainierbar zumachen, ist eine Voraussetzung für das System die Nachbildung der realen Interaktion mit einem hohen Grad an Realitätstreue. Daher werden in den Simulator multimodale Mensch-Maschine-Schnittstellen, insbesondere haptische Ein-/Ausgabegeräte, integriert, welche es dem Lernenden ermöglichen, intuitiv die virtuellen Operationsinstrumente zu kontrollieren und dabei eine Kraftrückkopplung zu erhalten. Für eine stabile und realistische haptische Interaktion wird eine Simulationsrate benötigt, welche üblicherweise rund 1000 Hz beträgt. Einige Komponenten der Simulation, wie die Simulation des Knochens zum Beispiel, sind jedoch sehr komplex und resultieren in einer viel geringeren Simulationsrate (ca. 20 Hz). Um diesen Konflikt zu lösen, wird ein Multirate-Simulationsansatz angewendet, bei welchem unterschiedliche Simulationskomponenten auf verschiedenen Simulationsraten nebenläufig agieren. Diese Komponenten verwenden dabei unterschiedliche Darstellungen der simulierten Objekte, sowie Modelle ihres physikalischen Verhaltens mit unterschiedlicher Komplexität. Die in der Simulation verwendeten Materialparameter wurden dabei experimentell bestimmt und in Verbindung mit, aus Kegelstrahl-CT-Scans extrahierten, anatomischen Modellen, in die simulierte Szene integriert.