cs505 - Künstliche Intelligenz zwischen Erwartung und Realität Facial surgery simulation Marco Oechslin

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1 cs505 - Künstliche Intelligenz zwischen Erwartung und Realität Facial surgery simulation Marco Oechslin

2 Ziele dieser Präsentation Nach dieser Sunde verstehen wir die wesentlichen Aspekte der computergestützen Chirurgie die Bedeutung von 3D Simulationen die grundlegenden Konzepte von tissue engineering

3 Inhalt 1. Computer Assisted Surgery Einführung 2. Gesichtschirurgische Simulationen Überblick 3. Diskussion Ende

4 Inhalt 1. Computer Assisted Surgery Einführung 1.1 Entitäten 1.2 Virtual Reality 2. Gesichtschirurgische Simulationen Überblick 3. Diskussion Ende

5 Computerunterstützte Chirurgie Computer Assisted Surgery (CAS) Definition: Präzise, patientenindividuelle - Planung - Simulation - Unterstützung - Verlaufskontrolle chirurgischer Eingriffe mit algorithmischen Methoden

6 Entitäten der Computerunterstützen Chirurgie

7 Präoperativ Diagnostik: Labor- und Bilddatenerhebung Therapievorbereitung: OP-Planung 3D-Visualisierungen Patientenanatomie/pathologie Bildanalyse für objektive Therapieauswahl Simulation des Eingriffs am patientenindividuellen Computermodell

8 Intraoperativ Übertragung der präoperativen Planungsergebnisse auf aktuelle Patientenanatomie (Registrierung) Dazu intraoperative Aufnahme von Bilddaten und Messwerten und Abgleich mit präoperativen Daten Automatisierungsgrade bei CAS-Systemen: Passive Systeme führen keine Handlung am Patienten durch, sondern helfen dem Chirurgen bei der Orientierung z.b. durch Einblendung der Instrumente in die Bilddaten oder Projektion der Planungsdaten auf den Patienten Semiaktive Systeme sind Manipulationshilfen für den Chirurgen (z.b. Agieren im Zehntelmillimeterbereich) Aktive Systeme führen Handlungen am Patienten autonom unter Aufsicht des Chirurgen durch

9 Postoperativ Verlaufskontrolle (follow-up) Dokumentation von Therapieerfolg / Heilung Erkennung postoperativer Komplikationen Beispiel: Tumornachsorge die ersten 5 Jahre nach Resektion regelmäßige Akquisition von Bilddaten und Messwerten CAS-Systeme erlauben Segmentierung der interessierenden Struktur und Vergleiche im Verlauf: -- Größenänderungen des Tumors -- Regeneration des operierten Organs

10 Inhalt 1. Computer Assisted Surgery Einführung 1.1 Entitäten 1.2 Virtual Reality 2. Gesichtschirurgische Simulationen Überblick 3. Diskussion Ende

11 Virtuelle Realität Virtual Reality (VR) Cybernaut: Benutzer einer virtuellen Welt Cyberspace: Von Cybernauten durchwanderbare computergenerierte 3D Welt Interaktion: aufeinander bezogenes Handlen zwischen Cybernauten und virtuellen Objekten im Cyberspace Immersion: Empfindung des Cybernauten, Teil des Cyberspace zu sein

12 Virtuelle Realität Virtual Reality (VR) Cybernaut: Benutzer einer virtuellen Welt Cyberspace: Von Cybernauten durchwanderbare computergenerierte 3D Welt Interaktion: aufeinander bezogenes Handlen zwischen Cybernauten und virtuellen Objekten im Cyberspace Immersion: Empfindung des Cybernauten, Teil des Cyberspace zu sein

13 VR-Systeme Immersive VR-Systeme: Cybernaut kann aktive bewegen und so handeln als wäre er dort Inverse VR-Systeme: Geräte, die den Menschen im realen Leben unterstützen Pseudo-VR-Systeme: interaktiv steuerbare Animationen Desktop-VR-Systeme: Cybernaut blickt als Aussenstehender via Computerbildschirm in den Cyberspace Erweiterete Realität: Überlagerung virtueller Objekte über eine reale Szene

14 Komponenten von VR-Systemen Mensch-Maschine Aktion/Reaktion über geregelten Informationskreislauf

15 Stereoskopische Displays Binokulare Stereo-Displays Head Mounted Dispays LCD Datenhelme (Liquid Crystal Display) TFT Datenhelme (Thin Film Transistor) Durschsichtbrillen (See-Trough Brille) Retina-abtast Displays (Retina Scanning Display)

16 Schema eines Retina-abtast-Displays

17 Haptisches Rendering Kraftrückkopplung (Force Feedback) - Berechnung von Kräften und ihre Übertragung auf den Benutzer durch ein haptisches Gerät Haptisches Gerät - vermittelt reale taktile Empfindung beim interagieren mit virtuellen 3D-Objekten

18 Tracking-Systeme Erfassung und Verfolgung von Bewegungen - Blickrichtung des Cybernauten - Position seiner Hände - Lage und Orientierung chirurgischer und endoskopischer Instrumenten Kriterien für die Klassifikation von Tracking-Systemen: - Physikalisches Verfahren (mechanisch, optisch, magnetisch) - Zahl der Freiheitsgrade - Auflösung - Genauigkeit - Arbeitsbereich - u.a.

19 Interaktions-Komponenten Flying Joystick 3D-Mouse und Space-Ball Finger-Tracker Datenhanschuh (Data Glove)

20 Inhalt 1. Computer Assisted Surgery Einführung 2. Gesichtschirurgische Simulationen Überblick - Bilddaten Aquisation - Simulation 3. Diskussion Ende

21 Daten Aquisation CT (Computer Tomographie) - Axiale Schnittebenen (transversale Schnittführung) - Hohe Strahlungsbelastung für den Patienten (Röntgen Strahlen) - Kontrastreiche Knochendarstellung/Eingeschränkter Weichteilkontrast - Probleme mit Patientenbewegungen und Metallartifakten MRT (Magnet Resonanz Tomographie) - Freie Wahl der Schittebenen - Keine für den Patienten schädliche ionisierende Strahlung - Exzellente Weichgewebedarstellung - Lange Erfassungszeit, daher sehr Anfällig auf Patientenbewegungen LR (Laser Ray) US (Ultra Schall)

22 Vergleich von CT und MRT Charakteristiken

23 Vorbereitung für 3D-Modellierung Volume Data (CT) - Pre-surgical - Post-surgical Surface data (LR) - Pre-surgical - Post-surgical

24 Inhalt 1. Computer Assisted Surgery Einführung 2. Gesichtschirurgische Simulationen Überblick - Bilddatenaquisation - Simulation 3. Diskussion Ende

25 Operationsplanung in der Kieferchirurgie

26 Surgery Planning Surgery Planning - Cranio-maxillofacial surgery - Physics-based tissue representation Surgery Simulation - Surgical Training - Physics-based tissue representation - Real-time processing

27 Surgery Planning Conventional Computer assisted

28 Model Build-up

29 Kiefer Abtrennung und Neu-Positionierung

30 Registrierung ICP Iterative Closest Points Registration of LR scan to CT isoruface

31 Profile Lines

32 Mass-Spring Tissue Model

33 Finite Element Tissue Model

34 Rapid-Prototyping

35 Laserstereolitographie

36 Inhalt 1. Computer Assisted Surgery Einführung 2. Gesichtschirurgische Simulationen Überblick 3. Diskussion Ende - Fragen? - Persöhnlicher Bezug?

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