Entwicklung eines neurochirurgischen Trainingssimulators für intrakranielle Eingriffe

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines neurochirurgischen Trainingssimulators, mit dem Ärzte intrakranielle Eingriffe in einer virtuellen Realität trainieren können. Um die Schnittstelle zwischen Anwender und Simulator möglichst realitätsnah zu gestalten, wird ein neurochirurgisches Operationsmikroskop verwendet, das über einem Kopfphantom positioniert wird. Damit der Bildausschnitt der virtuellen Realität korrekt angezeigt werden kann, wird die Positionierung des Mikroskops mit optischen Trackingverfahren bestimmt. Die Zoom- und Fokuseinstellungen des Mikroskops werden über einen CAN-Bus ausgelesen. Die Okulare des optischen Systems werden durch ein Stereodisplay ersetzt, welches das computergenerierte Szenario dreidimensional anzeigt. Über verschiedene Instrumente kann der Anwender mit der virtuellen Realität interagieren. Die Positionierungen dieser werden mit Hilfe optischer und inertialer Trackingverfahren berechnet, sobald die Instrumente in das Kopfphantom eingeführt sind. Im Rahmen der Arbeit wurden sowohl abstrakte Trainingsmodule implementiert, mit denen grundlegende Fertigkeiten trainiert werden können, als auch die medizinische Prozedur des Aneurysmen-Clippings. Der Simulator baut auf einem modularen Softwaresystem auf und ist durch Plugins erweiterbar. Die Entwicklung des Simulators wurde in Kooperation mit der VRmagic GmbH in Mannheim und mit Ärzten der Neurochirurgischen Klinik Mannheim der Universität Heidelberg durchgeführt

Integration intuitiver Eingabegeräte ins MITK zur Optimierung von Mensch-Computer-Interaktion in der Medizin

Der Einsatz von virtuellen Szenen in der Medizin gewinnt zunehmend an Bedeutung, weil Navigations- und Planungshilfen für den Arzt geschaffen werden. Die Verwendung von komplexen Computersimulationen soll den Behandlungsprozess verkürzen und gleichzeitig die Behandlungsqualität durch eine gezielte Vorgehensweise verbessern. Wegen der hohen Komplexität von Bildverarbeitungsalgorithmen ist es jedoch schwierig, eine einfache Interaktion mit den medizinischen Daten zu ermöglichen. Zudem werden Benutzereingaben durch die Eingabegeräte wie Maus und Tastatur eingeschränkt, da diese in vielen Fällen keine einfache Steuerung zulassen. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Umsetzung intuitiver Interaktionskonzepte für den alltäglichen klinischen Gebrauch durch Verwendung von intuitiven Eingabegeräten (3D Maus, Wii Controller). Die Entwicklungen basieren auf dem Medical Imaging Interaction Toolkit (MITK) des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ). Dabei wurden von einer einfachen Kamerafahrt in einer Volumenvisualisierung über die Realisierung eines Headtracking in einer virtuellen Realität bis hin zu der Interaktion mit 3D Objekten konkrete Anwendungsbeispiele erarbeitet, analysiert und bewertet

Virtual und Augmented Reality : Status quo, Herausforderungen und zukünftige Entwicklungen. TA-Vorstudie

Als Virtual Reality (VR) wird eine computergenerierte Simulation realer oder fiktiver Umwelten bezeichnet. Nutzer tauchen mithilfe von Mensch-Maschine-Schnittstellen (z. B. eine VR-Brille) in virtuelle Umgebungen ein und können mit diesen interagieren. Bei der Augmented Reality (AR) handelt es sich um eine computergestützte Erweiterung der wahrnehmbaren Realität. Hier werden Informationen wie Texte, Bilder oder virtuelle Objekte in das Sichtfeld der Nutzer eingeblendet, wie beispielsweise Arbeitshinweise in die Brille eines Montagemitarbeiters oder eines Head-up-Displays im Cockpit. Anwendungen von VR und AR haben in den letzten Jahren in vielen privaten wie beruflichen Anwendungszusammenhängen stark an Bedeutung gewonnen. Es ist davon auszugehen, dass diese Technologien die Digitalisierung des Alltags weiter vorantreiben werden, indem sie die Integration von sozialer Interaktion, Mediennutzung, Konsum und Unterhaltung im digitalen Raum befördern. Der TAB-Arbeitsbericht nimmt die allgemeinen Herausforderungen, die aus der Verschränkung realer und virtueller Umwelten resultieren, genauso in den Blick wie die anwendungsspezifischen Technologiepotenziale und -folgen. Neben den sich abzeichnenden technologischen Entwicklungen werden ausführlich die vielfältigen VAR-Anwendungsfelder und -beispiele vorgestellt, Herausforderungen der zukünftigen Entwicklungen und daran geknüpfte Folgen für Wirtschaft und Gesellschaft benannt sowie resultierende Gestaltungs- und Regulationsbedarfe abgeleitet. Inhalt Zusammenfassung 9 1 Einleitung 17 2 Definition, technische Entwicklung, wirtschaftliche Bedeutung 19 2.1 Ursprung und aktuelle Bedeutung 19 2.2 Definitionen und Abgrenzungen: Virtual, Augmented und Mixed Reality 20 2.3 Technologische Grundlagen 21 2.3.1 Eingabe 22 2.3.2 Verarbeitung 23 2.3.3 Verbreitung 24 2.3.4 Aus- bzw. Wiedergabe 24 2.4 Wirtschaftliche Bedeutung und Entwicklungen 29 2.4.1 Marktentwicklung und -potenziale 30 2.4.2 Unternehmen und Wettbewerb 32 3 Anwendungsfelder 35 3.1 Medien und Unterhaltung 36 3.1.1 (Computer-)Spiele 36 3.1.2 Soziale virtuelle Realität 37 3.1.3 Film und Fernsehen 38 3.1.4 Pornografie 39 3.1.5 Location-based Entertainment 39 3.1.6 Edutainment 39 3.1.7 Immersiver Journalismus 41 3.1.8 Übertragung von (Live-)Veranstaltungen 42 3.1.9 Resümee 42 3.2 Arbeit und Produktion 43 3.2.1 Assistenzsysteme für Produktion, Wartung und Logistik 43 3.2.2 Design, Prototyping und Produktentwicklung 44 3.2.3 Virtuelle Geschäftstreffen und Konferenzen 45 3.2.4 Visualisierung komplexer Daten 45 3.2.5 Assistenzsysteme im Bereich Mobilität und Verkehr 46 3.2.6 Visualisierung von Bauprojekten 46 3.2.7 Simulation und Training 47 3.2.8 Resümee 47 3.3 Handel und Konsum 48 3.3.1 Werbung und Marketing 48 3.3.2 Produktpräsentation und –vertrieb 49 3.3.3 Virtuelle Geschäfte und Kaufhäuser 50 3.3.4 Resümee 50 3.4 Medizin und Pflege 51 3.4.1 Therapie psychischer Erkrankungen 52 3.4.2 Schmerzkontrolle 52 3.4.3 Unterstützung bei Rehabilitation und Demenzbehandlung 53 3.4.4 Assistenz bei Diagnosestellung und Operationen 54 3.4.5 Resümee 55 3.5 Schutz und Sicherheit 56 3.5.1 Militärisches Einsatztraining, Kriegsführung und Behandlung von Nachkriegseffekten 56 3.5.2 Vorbereitung auf Rettungseinsätze und Katastrophenschutz 57 3.5.3 Resümee 58 3.6 Schule und Hochschule 58 4 Thesen 61 4.1 Technologie 61 4.1.1 Voraussetzungen für künftige Entwicklungen 61 4.1.2 Zukünftige Entwicklungspfade 63 4.1.3 Merkmale zukünftiger VR- und AR-Technologien 66 4.1.4 Interdependenzen mit anderen technologischen Entwicklungen 68 4.2 Gesellschaft 68 4.2.1 Einfluss auf das alltägliche Leben 68 4.2.2 Erweiterung sozialer Interaktion 70 4.2.3 Zugang zu und Kontrolle von Inhalten 72 4.2.4 Stärkung von Empathie und Partizipation 73 4.2.5 Gefahren manipulierter und manipulativer Inhalte 74 4.3 Wirtschaft 76 4.3.1 Marktentwicklung und -durchdringung 76 4.3.2 Gründungsdynamik und Start-ups 79 4.3.3 Treibende Akteure, Wertschöpfung und Geschäftsmodelle 80 5 Chancen und Herausforderungen für Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft 85 5.1 Chancen 85 5.2 Risiken 88 5.3 Handlungsfelder 89 5.3.1 Gesetze und Regeln für den virtuellen Raum 90 5.3.2 Physische und psychische Folgen 92 5.3.3 Technologiemissbrauch durch Manipulation 94 5.3.4 Innovationslandschaft: Forschung, Entwicklung und Verwertung 95 6 Literatur 99 7 Anhang 109 7.1 Interviewpartner 109 7.2 Analyse wissenschaftlicher Aktivitäten im internationalen Vergleich 109 7.3 Abbildungen 114 7.4 Tabellen 115 7.5 Glossar 11

Virtual Reality/Augmented Reality

VIRTUAL REALITY/AUGMENTED REALITY Virtual Reality/Augmented Reality (Rights reserved) ( -

Untersuchung des Zusammenhangs von Presence und User Experience in der Virtuellen Realität als Grundlage für die Entwicklung von Trainingssystemen und Medizinprodukten in der Chirurgie

Die Dissertation untersucht grundlegende psychologische Faktoren für die Nutzbarmachung der Potentiale von Virtueller Realität für die chirurgische Ausbildung und Medizinprodukteentwicklung.:I Abkürzungsverzeichnis .................................................................................................................... 4 II Abbildungsverzeichnis..................................................................................................................... 5 1 Einführung in die Thematik ............................................................................................................. 6 1.1 Einsatz von Virtual Reality in Medizin und Chirurgie .............................................................. 6 1.1.1 Virtual Reality für chirurgisches Training und Telechirurgie ........................................... 6 1.1.2 Virtual Reality in der Therapie und Rehabilitation.......................................................... 7 1.2 Presence, User Experience und Usability ................................................................................ 8 1.2.1 Begriffe ............................................................................................................................ 8 1.2.2 Verwendete Messmethoden für Presence, User Experience und Usability ................. 10 1.3 Potentiale von Virtual Reality in der Medizinproduktentwicklung....................................... 11 1.4 Motivation und Ziele der Arbeit............................................................................................ 13 1.5 Experimenteller Aufbau ........................................................................................................ 16 1.5.1 Studienaufbau ............................................................................................................... 16 1.5.2 Experimentaltechnik...................................................................................................... 20 2 Publikationsmanuskripte............................................................................................................... 22 2.1 Brade, J., Lorenz, M. et al. (2017). Being there again – Presence in real and virtual environments and its relation to usability and user experience using a mobile navigation task..... 22 2.2 Lorenz, M. et al. (2018). Presence and User Experience in a Virtual Environment under the Influence of Ethanol: An Explorative Study....................................................................................... 35 2.3 Diskussion.............................................................................................................................. 51 3 Zusammenfassung der Arbeit ....................................................................................................... 53 3.1 Hintergrund ........................................................................................................................... 53 3.2 Ziele ....................................................................................................................................... 53 3.3 Methoden.............................................................................................................................. 54 3.4 Ergebnisse.............................................................................................................................. 54 3.5 Schlussfolgerungen................................................................................................................ 55 4 Literaturverzeichnis....................................................................................................................... 56 III Darstellung des eigenen Beitrags.................................................................................................. 64 IV Erklärung über die eigenständige Abfassung der Arbeit............................................................... 66 V Wissenschaftliche Veröffentlichungen und Vorträge ................................................................... 67 VI Danksagung ................................................................................................................................... 7

Entwicklung und Bewertung von Organmodellen für das chirurgische Training mit Implementierung von 3D – Druck – Verfahren

Im Zeitraum von 2016 bis 2017 führten wir eine umfangreiche Recherche zur Situation der chirurgischen Trainingsmodelle durch. Auf der Basis dieser Recherche wurde eine Prioritätenanalyse durchgeführt. Mit den Ergebnissen von dieser wurde dann eine Nutzwertanalyse zur Beurteilung von künstlichen wie auch tierorganbasierten oder Kadaverbasierten chirurgischen Trainingsmodellen durchgeführt. In dieser zeigten sich die Qualitäten aber auch die Unzulänglichkeiten der verschiedenen künstlichen Trainingsmodelle. Mit den gewonnenen Erkenntnissen wurde dann beginnend im Jahr 2017 die Erstellung von verschiedenen Organmodellen begonnen. Hierfür wurden zunächst virtuelle Organmodelle erstellt, die dann mittels 3D Druck in physikalische 3D Modelle überführt wurden. Es wurden multiple Materialien, Software- und Hardwarelösungen getestet. Zudem wurden indirekte Produktionsmethoden mit der Abformung von 3D Modellen, die mittels 3D Druck erstellt worden waren, mit Latex entwickelt und etabliert. Die entstandenen Modelle wurden einer Evaluation durch ärztliche Kollegen unterzogen und ihr Nutzen für die Ausbildung in der Endoskopie bestätigt. Zudem wurde ein Verfahren für die Herstellung von flexiblen Organmodellen mittels der Kombination von verschiedenen Materialien im Dualdruck entwickelt und mit diesem Organmodelle für das Training der laparoskopischen Chirurgie entwickelt. Diese wurden dann im Vergleich mit dem entwickelten latexbasierten Modell und dem Referenzmodell unter der Verwendung von Tierorganen evaluiert. Es konnte ihr Nutzen für das chirurgische Training bestätigt werden. Auf Basis dieser Vorarbeiten wurde das europäische Verbundforschungsprojekt „3D – Prime“ entwickelt. Hierfür konnte erfolgreich eine Förderung durch die europäische Förderlinie „Eurostars“ eingeworben werden

Nutzerzentrierte Entwicklung einer ortsunabhängigen Maschinenabnahme mittels Augmented Reality

Die Nutzung von Augmented Reality (AR) stellt eine Vielzahl von Lösungsansätzen für Herausforderungen unterschiedlicher Bereiche, z.B. der Industrie, Medizin, Unterhaltungsmedien und Bildung, zur Verfügung. Speziell werden hier die Möglichkeiten von AR in der Fertigungsindustrie, genauer bei der Abnahme elektrischer Antriebe der Siemens AG, betrachtet. Dabei werden unter anderem messbare Größen wie Drehmoment, Ankerstrom, -spannung, Drehzahl, Schwingungen, Fertigungstoleranzen etc. gemessen, aber auch nicht quantifizierbare Größen wie Sichtprüfungen von Schweißnähten und Lackierung in Betracht gezogen. Angestrebt wird eine Methode, welche es zukünftig ermöglicht, die Inbetriebnahme ortsunabhängig zu verfolgen und Inspektionen aus der Ferne durchzuführen. Die Herausforderung liegt dabei darin, eine zumindest gleichwertige, wenn nicht sogar verbesserte Erfahrung und Prüfergebnisvalidität für die Beteiligten gegenüber der vor Ort Abnahme zu erzeugen. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde in interdisziplinärer Zusammenarbeit zwischen Ingenieur/-innen und Sozialwissenschaftler/-innen ein Demonstrator-Konzept für eine ortsunabhängige Maschinenabnahme entwickelt

E-Mental-Health

Der Einsatz von Technologien wie Virtual-Reality (VR), internetbasierte (Selbsthilfe-)Programme, Health Games bzw. Health-Apps stellt eine neue Entwicklung in der psychotherapeutischen Behandlung dar, die im englischsprachigen Raum auch unter dem Begriff E-Mental-Health zusammengefasst wird. Die einzelnen Angebote unterscheiden sich nach dem Ausmaß der Therapeutenbeteiligung: Die Nutzung kann durch ausgebildete Therapeuten begleitet oder auch gänzlich ohne therapeutische Begleitung stattfinden. Während der Einsatz von VR-Anwendungen in der Rehabilitation schon recht weit verbreitet ist, zum Beispiel zur Regeneration nach einem Schlaganfall für das Wiedererlernen der Motorik, befindet sich deren Anwendung in der Psychotherapie noch weitgehend am Anfang. Dabei werden in bisher veröffentlichten Studien zum Einsatz virtueller Realitäten in der Psychotherapie gute Erfolge gezeigt. Der Fokus liegt auf dem Nachweis der Wirksamkeit in der Therapie von Flug- und Höhenangst, Spinnen- und sozialer Phobie. Im Vergleich dazu sind die Wirksamkeitsuntersuchungen zur Behandlung von Panik-, Angst- und posttraumatischer Belastungsstörung noch in einem früheren Stadium. Die Therapie mittels VR erfolgt in Form einer virtuellen Expositionstherapie (Virtual Reality Exposure Therapy), die darauf basiert, Betroffene mit angstauslösenden, traumatisierenden Erlebnissen oder generell schwierigen Situationen zu konfrontieren (indem sie beispielsweise bei Arachnophobie in der virtuellen Realität auf Spinnen treffen). Speziell im Kinder- und Jugendbereich stehen therapeutische Computerspiele zur unterstützenden verhaltenstherapeutischen Behandlung von Depressionen, Aggressionen oder Zwangsstörungen zur Verfügung. Zudem kann das Erlernen sozialer Fähigkeiten unterstützt werden. Neben den Anwendungen, bei denen technische Hilfsmittel genutzt werden, gibt es auch die internetbasierte Therapie (Cyber Counseling bzw. Onlinetherapie). Bei dieser tauschen sich die Betroffenen mit einem Therapeuten statt in einem persönlichen Gespräch per E-Mail oder Chat aus. Bei einigen Selbsthilfeprogrammen findet sogar gar kein persönlicher Austausch statt, sondern es werden lediglich Anleitungen gegeben. Vorteile von E-Mental-Health-Anwendungen werden gemeinhin darin gesehen, dass insbesondere die Expositionstherapien individuell an die spezifischen Bedarfe der Betroffenen angepasst werden können: Die Situationen der Konfrontation werden einfacher erreicht und können dosiert werden (z. B. bei Flug-oder Höhenangst). Kritisch werden hingegen besonders die Onlineangebote diskutiert, ob diese zu unpersönlich oder gar ethisch bedenklich sind. Bisher existieren zwar schon einige randomisierte Studien zur Wirkungsmessung von E-Mental-Health Anwendungen, jedoch nur zu einigen Teilbereichen. Es ist zum Beispiel auch noch völlig offen, nach welchen Kriterien Studien für die Wirksamkeitsmessung etwa von Health Games angelegt sein müssten, um überhaupt valide Ergebnisse erzielen zu können