Medizintechnik. Dr.-Ing. Johann Habakuk Israel Geschäftsfeld Virtuelle Produktentstehung. Konstruktionstechnik (IPK)

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1 PLUG-IN VR PLUG-IN VR: Virtuelle Realität in der Medizintechnik Dr.-Ing. Johann Habakuk Israel Geschäftsfeld Virtuelle Produktentstehung Fraunhofer Institut für Produktionsanlagen und Konstruktionstechnik (IPK)

2 Motivation Technologietag Medizintechnik Virtual Reality (VR) ist eine fest etablierte Technologie in Industriebrachen wie dem Automobil- und Flugzeugbau, in vielen Unternehmen der Anlagenbaus sowie der Architektur. Auch und gerade in der Medizintechnik kann VR aufgrund der Benutzerorientierten Visualisierung von medizintechnischen Produkten und der Einbeziehung von Akteuren Entwicklungsprozesse verkürzen und absichern. 1

3 Übersicht Virtual Reality Theorie und Geschichte VR-Einsatzfelder in der Medizintechnik Plug-in VR Einführungsstrategie des Fraunhofer IPK 2

4 Plug-in VR Methoden der Virtuellen Realität werden häufig in allen Phasen der Produktentstehung eingesetzt, um die: - geometrischen, - technologischen, - interaktiven, - physikalischen Eigenschaften und - umweltbeeinflussenden Faktoren eines Produkts erfahrbar zu machen. Charakteristische Unterstützungsfunktionen von VR: - Unmittelbarer räumlicher Eindruck des Produkts, seiner Proportionen und seines Kontexts - Erweiterte Bewertungs- und Interpretationsmöglichkeiten, auch für digitale Nichtexperten - Schnelle Visualisierung von Ideen, iteratives Arbeiten - Funktionalität schon früh erlebbar: Functional Reality 3

5 Virtual Reality Definition (Bowman et al., 2004) Virtuelle Realität: Technologietag Medizintechnik Synthetische, räumliche (normalerweise 3D) Welt, die aus einer Erste-Person-Perspektive wahrgenommen wird. Der Blick in die Virtuelle Umgebung wird vom Benutzer in Echtzeit kontrolliert. Synonyme: - Virtuelle Umgebung (Virtual Environment) - Virtuelle Welt - Cyberspace 4

6 Virtual Reality Merkmale (Bowman et al., 2004) Alleinstellungsmerkmale: Technologietag Medizintechnik Computergrafik wird zur Erzeugung g realistisch wirkenden Umgebungen benutzt - Die grafische Darstellung ist nicht statisch, sondern reagiert auf Eingaben des Nutzers (Bewegungen, Gesten, verbale Kommandos, etc.) - Hauptmerkmal: Echtzeit-Interaktivität 5

7 Virtual Reality Komponenten eines VR-Systems (Bimber & Raskar, 2005) Technologietag Medizintechnik Interaktive 3D Grafik / Rendering: Technologien zur Darstellung geometrischer Objekte in einer Qualität und Geschwindigkeit, die den Benutzern eine Interaktion mit dem VR System in Echtzeit ermöglichen 3D Displays: Einrichtungen zur Projektion virtueller Umgebungen g als stereoskopische Bilder in die Umgebung g der Benutzer. 3D Trackingverfahren: Einrichtungen zur Erfassung der räumlichen Position und Orientierung der Benutzer sowie verwendeter Interaktionsgeräte und -objekte. 3D Interaktionstechniken und geräte: Physische Manipulationsmöglichkeiten der Benutzungsschnittstelle VR Anwendungen: Anwendungssysteme, die die spezifischen Möglichkeiten des virtuellen dreidimensionalen Raums zur Lösung von Aufgaben ausschöpfen. 6

8 Mehrwerte von VR für Entwicklung und Vertrieb - Transfer: Sensomotorische Fertigkeiten und Problemlösestrategien, die in virtuellen Umgebungen erworben werden, können auf reale Situationen übertragen werden (Seymour, 2007; Balasundaram et al., 2008; z.b. Training an virtuellen Prototypen) - Eins-zu-eins-Visualisierungen unterstützen das Gefühl der Präsenz, die Auslösung von Emotionen und die Anwendung von Vorwissen (Baños et al., 2004) - Erleben: Immersiv-interaktive Darstellungen können starke Emotionen auslösen und das Gefühl der Präsenz vermitteln (Riva et al., 2007; Ästhetik, Freude, Sorge) (Quelle: Fraunhofer IPK) 7

9 Mehrwerte von VR für Entwicklung und Vertrieb - Informationsdarstellung: Immersive dreidimensionale Darstellungen unterstützen die Suche in komplexen Informationshierarchien (Bowman et al., 2003; Dong et al., 2008; z.b. komplexe Produktstrukturen) (Quelle: Fraunhofer IPK) - Stimulation: Interaktive Simulationen stimulieren das Lerninteresse von Auszubildenden (Llado & Sanches, 2008; Ong & Mannan, 2004; Zhang et al., 2008) 8

10 Mehrwerte von VR für Entwicklung und Vertrieb - Komplexität: Augmented Reality-Systeme helfen, komplexe Bauteile beurteilen und untersuchen zu können (Chung et al., 1999) - Unterstützung: Augmented Reality-Systeme können die Beurteilung von Bauteilgeometrien erleichtern (Geschwindigkeitsvorteile 2-3 fach; Chung et al., 1999) (Quelle: Fraunhofer IPK) 9

11 Übersicht Virtual Reality Theorie und Geschichte VR-Einsatzfelder in der Medizintechnik Plug-in VR Einführungsstrategie des Fraunhofer IPK 10

12 Besondere Einsatzfelder von VR in der Medizintechnik - Anforderungen An medizintechnischer Produkte werden besonders hohe Anforderungen gestellt, die Auswirkungen auf den Produktentwicklungsprozess haben Sicherheit h it Präzision Technologietag Medizintechnik Variantenvielfalt und Anpassbarkeit (Bildquelle: Fraunhofer IPK) Räumliche und technische Integration Anforderungen Anthropometrische Faktoren (Patient, Arzt, Personal) 11

13 Besondere Einsatzfelder von VR in der Medizintechnik El Erlebbarkeit des Arbeitsraums Ab Eins-zu-eins-maßstäbliche Darstellung der Szene Technologietag Darstellung des Arbeitsbereichs samt Realtion Medizintechnik Gerät Patient Arzt in verschiedenen Eingriffsszenarien Anwendung von Erfahrungswissen des Arztes Anthropometrische Faktoren Einsatz digitaler Menschmodelle Visualisierung i von Erreichbarkeiten i und Sichtbarkeiten Darstellung der Ergonomie von Ab Arbeitshaltungen Ergonomie des Patienten (Forschungsthema) Überprüfung der Interaktionstechniken ( Bedien- Konzepts ), ggf. mittels realer Interaktionselemente 12

14 Besondere Einsatzfelder von VR in der Medizintechnik Technologietag Medizintechnik Personen Räumliche Integration Begehbarkeit des Interaktionsraums Eins-zu-eins-maßstäbliche Darstellung der Szene Kollisionskontrolle zwischen medizintechnischen Geräten und Validierung von Patienten- Transportkonzepten Planungsinstrument für Operationssäle und Trakte Evaluation von Einrichtungsvarianten Evaluation der Beleuchtungssituation (derzeit nicht in Echtzeit) 13

15 Besondere Einsatzfelder von VR in der Medizintechnik Technologietag Medizintechnik Absicherung der Vielzahl von Produktvarianten durch (semi-) automatisierte Einbindung in PDM- Umgebung des Anwenders Visualisierung von Simulationsergebnissen und Darstellung von Meta-Daten Übertragung von Kinematiken aus CAD- Daten (Forschungsthema) Darstellung flexibler Teile (Schläuche) h Variantenbildung, Absicherung 14

16 Allgemeine Einsatzfelder von VR in der Virtuellen Produktentwicklung 4. Smart Hybrid 1. Visualisierung 2. Absicherung 3. Modellierung Prototyping Interaktivität und Erlebbarkeit Integrationsbedarf in PLM-Umgebungen 15

17 Übersicht Virtual Reality Theorie und Geschichte VR-Einsatzfelder in der Medizintechnik Plug-in VR Einführungsstrategie des Fraunhofer IPK 16

18 Plug-in VR Einführungsstrategie des Fraunhofer IPK Auswahlphase Einführungsphase Betrieb Anforderungs -analyse Use-Case- Auswahl Systemauswahl System- Workflow- Implemenaufbau Definition tierung der Use Cases Nutzung und Bewertung 17

19 Virtual Reality Solution Center am Fraunhofer IPK - 5-Seiten Projektionsdisplay TAN VR-CUBE Seitenlänge je 2,5m Lichtstarke DLP-Projektoren der Fa. Christie aktives Stereoverfahren Optisches Trackingverfahren AR Tracking (6 Kameras) Ascension Motionstar Trackingsystem - 2-Seiten Projektionsdisplay TAN Holobench Optisches Trackingverfahren AR Tracking (2 Kameras) Polhemus Trackingsystem - PC-basiertes Visualisierungssystem NVIDIA Quadro FX5600, 1,5 GB, GSyncII 5 Renderer, 1 Server (Cave) 2 Renderer, 1 Server (Holobench) 18

20 Smart Hybrid Prototyping Virtual Reality am Fraunhofer IPK Regelungstechnische Simulation Test- und Trainingssimulation Frühe Evaluation der Produktfunktionen HIL / SIL Skill Transfer Smart Hybrid Prototyping t Kinematik Skizzierendes Modellieren und Problemlösen 3DUI Intuitive UI Informationen im Mittelpunkt der Entwicklungstätigkeit 19

21 Produktionstechnisches Zentrum Berlin Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit 20

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