MEDIZINISCHE TRANSPARENZ DURCH VIRTUALISIERUNG

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1 MEDIZINISCHE TRANSPARENZ DURCH VIRTUALISIERUNG VON JOCHEN DORMEIER UND MICHAEL TEISTLER Institut für Medizinische Informatik der Technischen Universität Braunschweig Grundlegend für Diagnostik und Therapie in der Medizin ist die Transparenz des menschlichen Körpers. Um Krankheiten entdecken und behandeln zu können, bedarf es der Kenntnis über anatomische und physiologische Veränderungen. Die größte Rolle spielt dabei nach wie vor deren Visualisierung die medizinische Bildgebung. ABBILDUNG 1: Echokardiographie-Übung. Links oben: Beispiel für ein echokardiographisches 2-D-Schnittbild. Bildgebende Verfahren in der Medizin lassen den Arzt immer realistischere Einblicke ins Körperinnere des Patienten gewinnen. 1 Das klassische Beispiel hierfür ist das Röntgenverfahren, das schon vor mehr als 100 Jahren Durchleuchtungen des menschlichen Körpers ermöglichte. Der Einsatz der Computertechnologie hat seither entscheidend zur Verbesserung und Neuentwicklung bildgebender Verfahren beigetragen. So wurde das Röntgenverfahren zur Computertomographie (CT) erweitert, die im Gegensatz zum klassischen Röntgenbild exakte, das heißt dreidimensionale Ortsinformationen liefert. Zudem wurde mit der Kernspinresonanztomographie ein nach heutigem Wissensstand unschädliches Verfahren entwickelt, das hochqualitative 3-D-Bilddaten erzeugt und aufgrund des dafür benötigten Berechnungsaufwandes ohne Computer gar nicht denkbar wäre. Anhand dreier Beispiele soll im Folgenden beschrieben werden, wie bestehende bildgebende Verfahren durch Virtualisierung weiter verbessert werden können. Zum einen wird gezeigt, wie die konventionelle Carolo-Wilhelmina 1/2001

2 Ultraschalldiagnostik des Herzens (Echokardiographie) durch den Einsatz virtueller 3- D-Szenen erweitert werden kann, um sowohl das Erlernen der Untersuchungstechnik zu vereinfachen als auch spezielle klinische Fragestellungen besser beantworten zu können. Zum anderen werden Methoden zur Verarbeitung von CT-Aufnahmen vorgestellt, die zur Beurteilung von Hüftverletzungen nach Unfällen eingesetzt werden (Klassifikation von Acetabulumfrakturen, also von Frakturen der Hüftgelenkspfanne). Abschließend wird über den virtuellen Menschen berichtet den so genannten Visible Human der von jedem im Internet abgerufen und begutachtet werden kann ( visible). DREIDIMENSIONALE ECHOKARDIOGRAPHIE 2 Ultraschalluntersuchungen des Herzens (Echokardiographie) sind in der kardiologischen Diagnostik nicht mehr wegzudenken. Sie sind unschädlich, nicht oder nur minimal-invasiv, kostengünstig und liefern sofort Resultate. Zudem können die meisten klinischen Fragestellungen damit geklärt werden. Angefangen mit den allerersten eindimensionalen Herzaufnahmen , bietet die Echokardiographie heutzutage hochqualitative 2-D-Schnittbildansichten mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Neben der reinen Darstellung der Anatomie mittels Grauwertbildern (der B-Mode-Echokardiographie, Abbildung 1) ist zudem durch die so genannte Doppler- Echokardiographie die farbkodierte Darstellung des Blutflusses möglich. Den vielen Vorteilen der Echokardiographie steht das schwierige Erlernen der Untersuchungstechnik gegenüber. Sowohl das gezielte Erzeugen bestimmter Schnittebenen als auch die Interpretation der erhaltenen Bilder erfordern ein langes Training. Eine besondere Schwierigkeit liegt hierbei in der räumlichen Zuordnung der 2-D- Bilder, der»mentalen Integration«. Mit»USE_3D«(Ultrasonic Enabling System) wurde in Zusammenarbeit mit dem Klinikum der Stadt Wolfsburg 4 am Institut für Medizinische Informatik ein Zusatzsystem für Ultraschallgeräte entwickelt, das den Lernprozess entscheidend unterstützt. 5 Hierzu wird die Bewegung des Ultraschallkopfes während einer Untersuchung gemessen, und die gewonnenen Informationen werden zusammen mit den Bilddaten des Ultraschallgeräts zur Erzeugung dreidimensionaler virtueller Szenen genutzt. Abbildung 2 veranschaulicht das Prinzip dieses Verfahrens. In der virtuellen Szene wird eine Ebene dargestellt, die die reale Schnittebene repräsentiert. Auf dieser Ebene werden die aktuellen (dynamischen) Bilddaten dargestellt. Zusätzlich kann ein virtueller Ultraschallkopf in die Szene integriert werden, der ebenfalls gemäß der realen Gegebenheiten positioniert wird. Die virtuelle Szene wird in Echtzeit berechnet JOCHEN DORMEIER (Dr. med.) Jg Studium der Medizin am Universitätsklinikum Eppendorf, Universität Hamburg. Ab 1994 Mitarbeit im Institut für Mathematik und Datenverarbeitung in der Medizin, Universitätsklinikum Eppendorf, Prof. Dr. K. H. Höhne Promotion zum Doktor der Medizin am Institut für Mathematik und Datenverarbeitung in der Medizin. Seit November 1998 Wissenschaftlicher Assistent am Institut für Medizinische Informatik der TU Braunschweig, Prof. Dr. Dipl.-Ing. D. P. Pretschner. Schwerpunkte: Computerassistierte Chirurgie, Medizinische 3D Bildverarbeitung, Virtual Reality. ABBILDUNG 2: Repräsentation zweidimensionaler Ultraschall- Schnittbilder in einer virtuellen dreidimensionalen Szene. 1/2001 Carolo-Wilhelmina

3 MICHAEL TEISTLER (Dipl.-Inform.), Jg Studium der Informatik an der Universität Hildesheim. Seit November 1997 Wissenschaftlicher Mitarbeit am Institut für Medizinische Informatik der TU Braunschweig, Prof. Dr. Dipl.-Ing. D. P. Pretschner. Schwerpunkte: Medizinische Visualisierung, Virtual/Augmented Reality, Softwareengineering. und auf einem zweiten Bildschirm dargestellt (Abbildung 3). Dem unerfahrenen Untersucher wird durch diese zusätzliche Visualisierung eine bessere räumliche Vorstellung ermöglicht (zum Beispiel»Welche Auswirkungen hat diese minimale Drehung des Ultraschallkopfes?«). Dies wird durch diverse Zusatzfunktionen des Systems unterstützt. So ist es zum Beispiel möglich, mehrere Ebenen in der Szene darzustellen, um somit das räumliche Verhältnis verschiedener 2-D-Ebenen zueinander zu veranschaulichen. Zudem kann ein vereinfachtes virtuelles Herzmodell erzeugt werden, das zusätzlich zu den Ultraschalldaten dargestellt wird, um zu veranschaulichen, welcher Teil des Herzens gerade untersucht wird. Obwohl die 2-D-Bildgebung in der Echokardiographie noch immer den größten Stellenwert in der klinischen Praxis hat, gibt es bereits seit den frühen 70er-Jahren Bestrebungen, dreidimensionale Ansichten zu erzeugen. Heutige 3-D-Systeme kann man in zwei Kategorien teilen: Zum einen wird der (alte) Ansatz verfolgt, aus einer Serie verschiedener 2-D-Bilder ein Volumen zu rekonstruieren. 6 Da es sich beim Herzen um ein dynamisches Objekt handelt, also ein dynamisches Volumen (=»4-D«) rekonstruiert werden muss, sind entsprechend ABBILDUNG 3: Szenario zur Nutzung der virtualisierten Darstellung. Rechts: Momentaufnahmen dynamischer virtueller 3-D-Szenen, die Teilbereiche des untersuchten Herzens repräsentieren. viele Aufnahmen zu erfassen, die mittels EKG den einzelnen Zeitpunkten des Herzzyklus zugeordnet werden. Insgesamt führt dies zu relativ langen Akquisitionszeiten. Zudem muss die Atmung berücksichtigt werden, da sich dadurch das Herz im Brustraum bewegt und Aufnahmen bestimmter Atmungsphasen verworfen werden müssen. Durch diese Relativbewegung des Herzens zum Schallkopf während der Akquisitionsphase entsteht die Gefahr von Artefakten, also fehlerbehafteter Rekonstruktionen. Alternativ zu diesem Ansatz lässt sich ein so genannter Matrix-Schallkopf verwenden, der zu einem Zeitpunkt ein komplettes Volumen und nicht nur ein 2-D-Schnittbild aufnimmt. Darauf basierende Systeme leiden heutzutage allerdings entweder noch an mangelnder Echtzeitfähigkeit (das heißt, es können nicht schnell genug Aufnahmen generiert werden, um das schlagende Herz zufriedenstellend zu erfassen) oder an mangelnder Ortsauflösung (das heißt, die konventionellen 2-D-Bilder lassen viel detailliertere Aussagen zu). Das System USE_3-D, ursprünglich für Trainingszwecke entwickelt, wurde ebenfalls im Hinblick auf 3-D-Echokardiographie weiterentwickelt. 7 Im Vordergrund stand dabei nicht die Generierung kompletter Volumina, sondern vielmehr die Echtzeitfähigkeit realisiert durch die Konzentration auf bestimmte Schnittebenen. Durch die Integration einer EKG-Synchronisation ist es möglich, viele verschiedene Ebenen gleichzeitig darzustellen, die jeweils dynamische Ultraschalldaten für einen kompletten Herzzyklus repräsentieren. Obwohl die Ebenen nach wie vor nacheinander erfasst werden müssen, sind in Sekundenschnelle dynamische räumliche Ansichten bestimmter interessierender Regionen möglich. Besonders hilfreich ist dabei die Echtzeit-Verarbeitung: Jegliche Bilddaten, die der Arzt mit dem konventionellen Ultraschallgerät erfasst, werden ohne Verzögerung in der virtuellen Szene dargestellt. Bereits erfasste Daten werden dabei zu den aktuellen synchronisiert, sodass die aktuelle Ebene (also die aktuelle Herztätigkeit) bestimmt, welchen Zeitpunkt des Herzzyklus die bereits erfassten Ebenen aktuell darstellen. In Abbildung 3, rechts, sind drei Momentaufnahmen derartiger dynamischer Szenen zu sehen. Entscheidend ist, dass nur tatsächlich erfasste Daten visualisiert werden und keine Interpolationen wie zum Beispiel Carolo-Wilhelmina 1/2001

4 Benutzung so genannter Force-Feedback- Mäuse realisieren lässt. Diesem Vorhaben liegt der allgemeine Ansatz zugrunde, Techniken aus dem Bereich der virtuellen Realität zu nutzen, um einerseits die Handhabung umfangreicher medizinischer Datensätze zu vereinfachen und andererseits sowohl die Kommunikation zwischen Kardiologen und Chirurgen als auch die Informierung des betroffenen Patienten zu fördern, insbesondere durch eine entsprechend aufbereitete Visualisierung. ABBILDUNG 4: Die Benutzeroberfläche der Applikation zur computergestützten Klassifikation von Acetabulumfrakturen mit allen zur Verfügung stehenden Sichten auf den CT-Datensatz. Im Region of Interest Fenster beschreibt beschreibt der Chirurg anhand unterschiedlicher farbiger Attribute den Schweregrad der Verletzung der Hüftgelenksfläche. Der mit diesen Informationen angereicherte Datensatz kann anschließend als Interaktives dreidimensionales Modell (links unten) oder als plane 2D-Projektion (rechts unten) visualisiert werden. Diese Darstellungen ermöglichen es dem Chirurgen auf einen Blick, zu einer umfassenden Beurteilung des Ausmaßes der Verletzung zu kommen. bei Rekonstruktionen kompletter Volumina erfolgen. Zurzeit wird der Einsatz des Systems für die Stressechokardiographie untersucht. Hierbei handelt es sich um eine Untersuchung, die der echokardiographischen Beurteilung der Kontraktionsfähigkeit der linken Herzkammer bei dynamischer (Fahrrad, Laufband) oder pharmakologischer Belastung des Patienten dient. Dafür werden pro definierter Belastungsstufe zusätzlich zur herkömmlichen 2-D-basierten Bilderfassung entsprechend dreidimensionale Ansichten erzeugt. Untersucht wird, inwieweit Bewegungsstörungen der linken Herzkammerwand, die mit konventioneller Technik nicht detektiert werden, durch die zusätzlichen Ansichten beurteilt werden können. Die Echtzeitfähigkeit des Systems ist hier von besonderer Bedeutung, da je Belastungsstufe nur ein kurzer Zeitabschnitt für die Beschallung des Patienten zur Verfügung steht. Im Bereich der 3-D-Echokardiographie werden am Institut für Medizinische Informatik außerdem neuartige Mensch-Maschine-Schnittstellen zur Navigation in 3-D/4- D-Ultraschalldatensätzen entwickelt. Hierbei spielt insbesondere die Kraftrückkopplung eine Rolle, die sich zum Beispiel durch ZUVERLÄSSIGERE DIAGNOSEN IN DER UNFALLCHIRURGIE 8 In Zusammenarbeit mit der unfallchirurgischen Klinik der Medizinischen Hochschule Hannover (MHH) 9 wird am Institut derzeit eine Software entwickelt, die die Beurteilung von Verletzungen im Hüftbereich nach schweren Unfällen unterstützen soll. Im Vordergrund stehen dabei Frakturen des Hüftgelenks. Entscheidend für die operative Planung und den Heilungserfolg derartiger Knochenbrüche ist der Verletzungsgrad der Hüftgelenkspfanne (Acetabulum). Obwohl heutzutage präoperativ CT-Aufnahmen angefertigt werden, basiert die Klassifikation die Einteilung der Frakturen in bestimmte Klassen zu Zwecken der Operationsplanung und Prognoseabschätzung nach wie vor auf konventionellen Röntgenaufnahmen. Ziel dieses Projektes ist, die Datenfülle eines CT-Datensatzes derart aufzubereiten ABBILDUNG 5: Virtuelle 3-D-Szene zur Darstellung der akquirierten Computertomographie-Daten mit gesonderter Repräsentation der klinisch relevanten Gelenkfläche des Acetabulums, die somit durch den Chirurgen auf einen Blick beurteilt werden kann. 1/2001 Carolo-Wilhelmina

5 ABBILDUNG 6: Durch Aufeinanderschichtung der Visible-Human-Schnittbilder (links oben) wird ein dreidimensionaler Volumendatensatz (rechts) für die weitere Bearbeitung erzeugt. Ausdehnung enthalten ist. In diesem reduzierten Arbeitsbereich kennzeichnet er die Gelenkfläche an relevanten Stellen. Den entscheidenden Schritt bildet anschließend die neuartige Visualisierung der Gelenkfläche. Die Software berechnet verschiedene Gesamtansichten der frakturierten Gelenkfläche, die es dem Chirurgen ermöglichen, die relevanten Informationen (Verlauf der Fraktur, Impressions- und Trümmerzonen) auf einen Blick in ihrem räumlichen Kontext zu begutachten und das Verletzungsausmaß zu beurteilen (Abbildung 4 unten, Abbildung 5). Diese Ansichten bieten dem Chirurgen die Möglichkeit, sein Vorgehen bei der Operation besser auf die anatomisch korrekte Rekonstruktion der Gelenkfläche auszurichten. Zudem bildet die Software die Grundlage für eine neue, auf CT-Daten basierende Klassifikation von Acetabulumfrakturen. Da der anatomischen Rekonstruktion der Gelenkfläche höchste Priorität beizumessen ist, hat der Chirurg durch diese Darstellungen die Möglichkeit, sein Vorgehen bei der Operation ganz auf dieses Ziel auszurichten. Die erstellte Software soll nach klinischer Erprobung in der Unfallchirurgie der MHH an allen 23 Schwerpunktkliniken der Arbeitsgruppe Becken eingesetzt werden, um sowohl verbesserte Prognoseabschätzungen zu ermöglichen als auch Empfehlungen zum Operationsvorgehen ableiten zu können. Langfristig ist geplant, das Projekt im Hinblick auf die Operationsplanung weiter auszubauen und die intraoperative Kontrolle der Reposition einzubeziehen. Insbesondere sollen die Prozesse der Reposition explizit erfasst und in der Virtualität analysiert und optimiert werden. KÖRPERMODELLE UND VIRTUELLE LEICHEN ABBILDUNG 7: 3-D-Modell des Bauchraums des Visible Human. Leber und Dickdarm sind angeschnitten und teilweise entfernt, um den Blick auf die dahinter liegenden Organe wie Gallenblase und Dünndarm freizugeben. und zu visualisieren, dass die für einen Chirurgen relevanten Informationen intuitiv erfassbar gemacht werden. In der dafür entwickelten Software (Abbildung 4) wählt der Chirurg zunächst den Bereich der CT-Daten aus, in dem das frakturierte Acetabulum in seiner gesamten Ein ebenso interessantes wie zukunftweisendes Projekt wurde im November 1994 von der National Library of Medicine, Bethesda, USA, der weltweiten Forschergemeinschaft zugänglich gemacht der»visible Human«. 10 Das»Visible Human Project«hatte sich zur Aufgabe gemacht, komplette fotografische, computer- und kernspintomographische Schnittbilder einer männlichen und einer weiblichen Leiche in bisher nie dagewesener Qualität und Detailreichtum zur Verfügung zu stellen. Schon bald wurden diese Datensätze in allen großen Forschergruppen, die sich mit medizinischer Bildverarbeitung und Visualisierung beschäftigen, als der»golden Standard«angesehen und zur Erzeugung detail- Carolo-Wilhelmina 1/2001

6 ABBILDUNG 8: Das dreidimensionale Computermodell enthält als intelligentes Volumen medizinisches Wissen in seinem räumlichen Kontext. Der Benutzer kann dieses Wissen direkt an der für ihn relevanten anatomischen Struktur abrufen und so lernen, in räumlichen medizinischen Beziehungen zu denken. ABBILDUNG 9: Blick auf die linke Niere, Milz, abdominellen Gefäßbaum und Wirbelsäule des Visible Humans. Aufgrund der volumenbasierten Visualisierung kann die Gliederung in Rinde und Mark auf dem abgebildeten Nierenanschnitt eindrucksvoll studiert werden. lierter virtueller Körpermodelle eingesetzt. Im Folgenden sollen die Datensätze des männlichen und des weiblichen Leichnams kurz beschrieben werden. Von beiden Leichen wurden digitale Schnittbilder mit der Kernspin- und der Computertomographie angefertigt. Während die Schichtdicke bei den Kernspintomographien zwischen ein und fünf Millimeter variieren, wurden die Computertomographien in einheitlichen Ein-Millimeter Schichtabstand erzeugt. Digitalisierte fotografische Querschnitte des Körpers konnten erst nach Einfrieren des jeweiligen Leichnams angefertigt werden, indem ein rotierendes Messer das Gewebe im Ein-Millimeter Abstand bei dem Mann und im 0,33 Millimeter Abstand bei der Frau vom Kopf bis zu den Füßen abhobelte und die so neu gewonnene Ansicht abfotographiert wurde. Insbesondere diese bislang weltweit einzigartigen Kryotom-Datensätze bieten hochaufgelöste detaillierte Ansichten der menschlichen Anatomie, welche in Kombination mit den kernspin- und computertomographischen Daten eine neue Qualität der virtuellen Darstellung des Menschen überhaupt erst ermöglichten. Die größte Herausforderung für die Forschergemeinschaft stellt sicherlich die virtuelle Wiederauferstehung des Visible Human dar also die Erzeugung von exakten dreidimensionalen Modellen auf Grundlage der hochaufgelösten Schnittbilddaten. Anders als bei virtuellen Körpermodellen, die mit Methoden des Computer Aided Designs (CAD) erstellt werden, ist hier die Nachbildung der tatsächlich vorhandenen räumlichen Beziehungen der einzelnen Organe und anatomischen Strukturen zueinander gewährleistet. Dreidimensionale Modelle können oberflächenbasiert oder volumenbasiert erzeugt werden. Während die anatomischen Strukturen bei den oberflächenbasierten Modellen nur aus einer Hülle bestehen, ansonsten aber keinerlei Informationen über den inneren Aufbau enthalten, enthalten volumenbasierte Modelle auch alle Informationen über die Binnenstruktur von Organen, wodurch der Informationsgehalt, aber auch der Speicherbedarf ansteigt. Die in diesem Artikel dargestellte realistische Visualisierung der abdominellen Anatomie basiert auf dem Datensatz des männlichen Leichnams, dem sogenannten Visible Human Male. Es wurde mit dem volumenbasierten Ansatz gearbeitet, um den Detailreichtum des Datensatzes voll ausschöpfen zu können. Neben der Darstellung der einzelnen anatomischen Strukturen betrifft dies auch die Texturierung der jeweiligen Objekte durch ihre natürlichen Farben, die aus den fotografischen Bildern des Visible Human gewonnen wurden. 11 Die Erstellung des dreidimensionalen Modells wird im Folgenden kurz beschrieben. Die beschriebene Arbeit wurde am Institut für Mathematik und Datenverarbeitung in der Medizin (IMDM) der Universitätskliniken Eppendorf mit der Software VOXEL- MAN vom Mitautor dieses Artikels durchgeführt. 12 In einem ersten Arbeitsschritt wird durch Aufeinanderschichtung der Schnittbilddaten ein Volumenquader erstellt (Abbildung 6). 1/2001 Carolo-Wilhelmina

7 ABBILDUNG 10: Dargestellt ist der Blick auf die Leberpforte mit den arteriellen, venösen und Galleführenden Gefäßen, der Gallenblase und der Leber. In der Ausschnittsvergrößerung rechts unten sind die für die laparoskopische Cholezystektomie relevanten Gefäße A. cystica und Ductus cysticus deutlich zu erkennen. Aus diesem Volumendatensatz müssen jetzt die interessierenden anatomischen Strukturen herausgearbeitet werden. Dies geschieht durch einen sehr arbeits- und zeitaufwendigen Prozess, der Segmentation genannt wird, in dem ein anatomischer Experte dem Computer mitteilen muss, welche einzelnen Punkte in dem Volumen (Voxel) überhaupt zu einer bestimmten anatomischen Struktur, zum Beispiel der Leber, gehören. 13 Ist dieser Prozess abgeschlossen, existiert ein virtuelles Körpermodell, welches Informationen über alle in ihm enthaltenen anatomischen Strukturen in sich trägt. Dieses so genannte intelligente Volumen kann mit weiterem medizinischen Fachwissen zum Beispiel über einzelne Blutversorgungsgebiete angefüllt werden und so als universelle Speicherstruktur für räumliches medizinisches Wissen dienen. 14 Das Modell kann interaktiv exploriert werden, beliebige Schnitte können durch Organe und Gefäße gelegt werden, und es können Ansichten generiert werden, die das medizinische Denken in räumlichen Beziehungen schärfen und schulen (Abbildung 7). Hierdurch wird eine neue Ebene in der medizinischen Ausbildung erreicht, indem der Studierende und der Arzt aufgefordert werden, sich aus der rein passiven, konsumierenden Haltung bei der Betrachtung statischer Abbildungen klassischer Anatomieatlanten zu lösen und sich hin zu einer interaktiven explorierenden Auseinandersetzung mit diesem neuen Medium zu bewegen. Er wird dadurch in die Lage versetzt, jederzeit relevante Informationen in ihrem räumlichen Kontext abzurufen und mit dem jeweiligen medizinischen Fachwissen in Beziehung zu bringen (Abbildung 8). Die Vorteile der volumenbasierten Visualisierung werden eindrucksvoll in Abbildung 9 gezeigt. Während bei einem oberflächenbasierten Modell die angeschnittene Niere vollkommen hohl wäre, lässt sich die makroskopische Gliederung der Niere in Rinde und Mark deutlich erkennen. Das Modell enthält also nach wie vor alle Informationen der fotografischen Schnittbilder des Visible Human. Neben dem Einsatz in der anatomischen Ausbildung werden dreidimensionale Körpermodelle auch in chirurgischen Operationssimulationen eingesetzt. 15 Gerade für die Ausbildung in der minimal-invasiven endoskopischen Chirurgie werden derzeit auch Computersimulationen eingesetzt, um den Chirurgen mit der Situation der für ihn ungewohnten Sicht auf das Operationsgebiet und mit der Handhabung des entsprechenden Operationsbesteckes vertraut zu machen. Auch hier kommt es auf möglichst exakte Modelle des menschlichen Körpers an, da die am Simulator geübte Operation mit der tatsächlichen Prozedur im Operationssaal möglichst exakt übereinstimmen soll. Als Beispiel soll hier auf die laparoskopische Entfernung der Gallenblase (Cholezystektomie) eingegangen werden eine typische Anwendung minimal-invasiver Operationstechniken. Im Laufe dieser Operation müssen die Blutversorgung der Gallenblase über die A. cystica sowie der Ductus cysticus eindeutig identifiziert, freipräpariert und anschließend geclippt und durchtrennt werden. Der Darstellung dieser Strukturen für die Computersimulation dieser Operation kommt also eine besondere Bedeutung zu. Aufgrund der hochwertigen Schnittbilddaten des Visible Human lassen sich diese Strukturen in dem dreidimensionalen Volumen identifizieren, segmentieren und anschließend im Computermodell des Abdomens visualisieren (Abbildung 10). Es zeigt sich also, dass computergenerierte dreidimensionale Körpermodelle in einem breiten Anwendungsbereich benötigt und eingesetzt werden. Dem virtuellen Menschen also einem kompletten makroskopischen als auch mikroskopischen Computermodell des menschlichen Körpers ist die weltweite Forschergemeinschaft mit dem Visible Human Projekt und den dadurch erst möglich gewordenen Forschungsergebnissen einen entscheidenden Schritt näher gekommen. Für den Bereich der chirurgischen Ausbildung mit Computerunterstützung, der computerunterstützten Operationsplanung und Simulation sowie der intraoperativen Unterstützung des Arztes durch komplexe Computer- und Robotersysteme lässt sich feststellen, dass die Forschung und Entwicklung derzeit an dem Punkt angelangt sind, wo erste Systeme aus den Laboren im klinischen Einsatz getestet werden. Den Einfluss, den derartige Systeme auf die heutige klassische Chirurgie haben werden, ist zurzeit sicher kaum absehbar, er wird ohne Zweifel aber gewaltig sein. Carolo-Wilhelmina 1/2001

8 LITERATUR 1 Eine gute Übersicht liefert: Felix, R., Ramm, B.: Das Röntgenbild einschließlich Computertomographie, Nuklearmedizin, Ultraschall, MRT, Thermographie, Digitale Radiographie, Strahlenbiologie, Strahlenschutz, neue RöV. 3. Auflage. Thieme-Verlag, Stuttgart, 1988 (ISBN X). 2 Weiterführende Beschreibungen finden sich in: Teistler, M., Pretschner, D.P.: Visualization of Echocardiographic Data Using Virtual Scenes. In: Computers in Cardiology 1999, Vol. 26, IEEE, 1999, pp (ISBN ). und Teistler, M., Engberding, R., Gerecke, B., Pretschner, D.P.: Ein neues Verfahren zur 3D-Echtzeitvisualisierung in der Echokardiographie. In: Horsch, A., Lehmann, T. (Hrsg.): Bildverarbeitung für die Medizin 2000, Springer 2000, pp (ISBN ). 3 Einen historischen Abriss liefert: Seeing the Invisible: A Short History of Cardiac Ultrasound. In: Eur J Echocardiography, Vol. 1, No. 1, 2000, pp ( 4 Prof. Dr. R. Engberding und Dr. B. Gerecke. 5 Präsentation auf dem 84. Jahreskongress der Radiological Society of North America (RSNA) (Chicago, ): Teistler, M., Pretschner, D.P.: Add-on System for Ultrasonic Devices for 3D Visualization Improving Enabling Process in Echocardiography (abstract) Scientific Program, Radiological Society of North America, Supplement to J Radiology, Vol. 209 (P), p. 692, Franke, A., Kühl, H.P., Hanrath, P.: Dreidimensionale Rekonstruktion echokardiographischer Schnittbilder. Methodik, klinischer Stellenwert und Zukunftsperspektiven. Dtsch. med. Wschr. 123: , Präsentation auf dem 85. Jahreskongress der Radiological Society of North America (RSNA) (Chicago, ): Teistler, M., Lison, T., Bartels, D., Pretschner, D.P.: An Alternative Approach to Real-Time 3D Visualization in Echocardiography Using Virtual Scenes (abstract) Scientific Program, Radiological Society of North America, Supplement to J Radiology, Vol. 213 (P), p. 583, Weiterführende Beschreibungen finden sich in: Teistler, M., Dormeier, J., Krosche, M., Braune, C., Pohlemann, T., Pretschner, D.P.: A Software Tool Supporting CT-based Classification of Acetabular Fractures. In Computer Assisted Radiology and Surgery, Excerpta Medica International Congress Series 1214, Elsevier, Amsterdam, 2000, pp ( ). Präsentation auf dem 86. Jahreskongress der Radiological Society of North America (RSNA) (Chicago, ): Dormeier, J., Teistler, M., Krosche, M., Mieth, L., Pohlemann, T., Pretschner, D.P.: RSNA 2000: Introducing Computed Tomography for Classification of Acetabular Fractures (abstract) Scientific Program, Radiological Society of North America, Supplement to J Radiology, Vol. 217 (P), S. 691, Prof. Dr. T. Pohlemann, A. Gänsslen und L. Mieth. 10 Spitzer, V., Ackerman, M.J., Scherzinger, A.L., Whitlock, D. (1996) The Visible Human Male: A technical report. J Am Med Inf Ass, 3 (2), pp Höhne, K.H., Pflesser, B., Pommert, A., Riemer, M., Schiemann, T., Schubert, R., Tiede, U. (1995) A new representation of knowledge concerning human anatomy and function. Nature Med, 1(6), pp Nuthmann, J. (1999) Erstellung und Anwendung volumenbasierter Anatomieatlanten des Oberbauches, Dissertation, Fachbereich Medizin der Universität Hamburg. 13 Höhne, K.H., Hanson, W.A. (1992) Interactive 3D-segmentation of MRI and CT volumes using morphological operations, J Comput Assist Tomogr, vol. 16, no. 2, pp und Schiemann, T., Nuthmann, J., Tiede, U., Höhne, K.H. (1996b) Segmentation of the Visible Human for high quality volume based visualization. In. Höhne, K.H., Kikinis, R., editors, Visualization in Biomedical Computing, Proc. VBC '96, volume 1131 of Lecture Notes in Computer Science, pp Springer-Verlag, Berlin. 14 Schubert, R., Höhne, K.H., Pommert, A., Riemer, M., Schiemann, T., Tiede, U. (1993) Spatial knowledge representation for visualization of human anatomy and function. In: Barrett, H.H., Gmitro, A.F., editors, Information Processing in Medical Imaging, Proc. IPMI '93, Lecture Notes in Computer Science 687, pp , Springer-Verlag, Berlin. 15 Radetzky, A.; Bartsch, W.; Grospietsch, G.; Pretschner, D.P. (1999) SUSILAP-G: Ein Operationssimulator zum Training minimal-invasiver Eingriffe in der Gynäkologie. In: Zentralblatt für Gynäkologie 2, pp , und Wolf, K.-H., Nuthmann, J., Plischke, M., Radetzky, A., Lison, T., Pretschner, D.P.: Virtual Endoscopic Carpal Tunnel Release: A New Approach in Hand Surgery Training. In: 1999 Scientific Program RSNA, Supplement to Radiology, 1999, 213(P), p /2001 Carolo-Wilhelmina