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Name der Autoren:	Sergej Steinhauer, Viktor Frank, Tobias Rojahn
Titel der Arbeit:	"Augmented Reality in der Medizin"
Hochschule und Studienort:	FOM Neuss

Inhaltsverzeichnis 1 Abkürzungsverzeichnis 2 Abbildungsverzeichnis 3 Tabellenverzeichnis 4 Einleitung 5 Grundlagen 5.1 Virtual Reality 5.2 Augmented Reality 5.3 Abgrenzung Augmented Reality zu Virtual Reality 6 Bestandteile eines Augmented Reality Systems 6.1 Trackingsysteme 6.1.1 Mechanische Trackingsysteme 6.1.2 Magnetische Trackingsysteme 6.1.3 Akustische Trackingsysteme 6.1.4 Optische Trackingsysteme 6.2 Displaysysteme 6.2.1 Stationäre Displaysysteme 6.2.2 Brillenbasierte Displaysysteme 6.3 Registrierung und Kalibrierung 7 Anwendungen von Augmented Reality in der Medizin 7.1 Diagnostik 7.1.1 Einsatz der Computertomographie 7.1.2 Einsatz der Magnetresonanztomographie 7.1.3 Einsatz der Sonographie 7.1.4 Endoskopie 7.2 Chirurgie 7.3 Forschungen der Medizin in Augmented Reality 8 Bewertung der Augmented Reality in der Medizin 8.1 Vorteile 8.2 Nachteile 8.3 Alternativen 8.4 Ausblick in die Zukunft 9 Fazit 10 Literatur- und Quellenvezeichnis

1 Abkürzungsverzeichnis

Abkürzung	Bedeutung
AR	Augmented Reality
CT	Computertomographie
HMD	Head Mounted Display
MRT	Magnetresonanztomographie
VR	Virtual Reality

2 Abbildungsverzeichnis

Abbildung	Bezeichnung
01	Das Reality-Virtuality-Kontinuum
02	Aufbau eines Augmented Reality-Systems
03	Mechanisches Trackingsystem
04	Schema eines mechanischen Trackingsystems
05	Systemkomponente eines magnetischen Trackingsystems
06	Positionsbestimmung des chirurgischen Instruments aufgrund der Magnetfeldveränderung
07	Das aktive optische Trackingsystem
08	Das passive optische Trackingsystem
09	Passive Infrarot-Marker als Kugel
10	Infrarot-Marker in Detail
11	Passive Infrarot-Marker als Tafel
12	Klassifikation der Displaysysteme von Augmented Reality in der Medizin
13	Transparente Displays
14	Projektion auf einen Patienten
15	Beispiel eines Operationsmikroskops der Firma Leika
16	Beispiel eines tragbaren mikroskopbasierten Systems
17	Skizze eines Video-See-Through HMD
18	Beispiel eines Video-See-Through HMD (Trivisio: ARvision-S)
19	Skizze eines optical-See-Through HMD
20	Beispiel eines Optical-See-Through HMD (Trivisio: M3-Stereo)
21	Schema eines Virtual-Retina-Displays
22	Vorgehensweise bei einer konventionellen Operation mit klassifizierter OP-Planumsetzung
23	Funktionsweise der Computertomographie
24	Segmentale Gliederung der Leber nach Couinaud
25	Virtuelle Operations-Planung
26	Präoperatives CT mit Segmentierungsergebnissen
27	Gefäßbaum mit Resektionsvorschlag
28	Navigationshilfe
29	Heutige und zukünftige Arbeitsweise der computergestützten Operation

3 Tabellenverzeichnis

Tabelle	Bezeichnung
1	Eigenschaften der Virtual Reality
2	Zusammenstellung der Augmented Reality-Arbeitsgruppen in der Medizin

4 Einleitung

In den letzten Jahren ist der Computer kaum noch aus unserem Alltagsleben weg zu denken. Der Comuter wird heutzutage vielseitig eingesetzt, ob im Auto bis hin zum Kühlschrank. Auch im Bereich Medizin hält dieser technische Fortschritt Einzug. Viele moderne Verfahren werden inzwischen mit der Hilfe des Computers realisiert, wie zum Beispiel auch die Computertomographie (CT). Eine relativ junge Technik in diesem Gebiet ist der Einsatz von Augmented Reality.

Bei Augmented Reality handelt es sich um eine Erweiterung der Realität durch zusätzliche vom Computer erzeugte Informationen. Diese Informationen werden neben der realen Wahrnehmung eingeblendet und erzeugen so eine Mischung aus Realität und virtuellen Objekten. In der Unterhaltungselektronik hält diese Technik bereits Einzug, besonders im Bereich der Smartphones gibt es verschiedene Anwendungen. Auch in der Medizin gibt es bereits unterschiedliche Einsatzgebiete von Augmented Reality.

Ein Anwendungsgebiet ist die computergestützte Navigation in der Chirurgie (Computer Aided Surgery). Hier bietet Augmented Reality die Möglichkeit präoperativ erstellte Datensätze zusätzlich zur Wahrnehmung des Chirurgen einzublenden. So kann der Chirurg auf die Ergebnisse von Computertomographie, Magnetresonanztomographie (MRT) oder Ultraschall zurückgreifen, ohne sich von der Operation abwenden zu müssen. Er kann wie mit einer Röntgenbrille in den Patienten hineinsehen. Das sorgt für bessere Ergonomie und erleichtert dem Chirurgen die Arbeit während eines chirurgischen Eingriffes. Augmented Reality-Systeme sind bereits im Stande dreidimensionale Einblendungen zu erzeugen. So kann der Chirurg auch anatomisch schwer zugängliche Bereiche besser überblicken. Besonders bei minimal invasiven Eingriffen kann Augmented Reality helfen, die Position der Instrumente räumlich zu erfassen und so die Navigation im Gewebe erleichtern.

Diese Hausarbeit soll einen Einblick in die Funktionsweise von Augmented Reality-Systemen bieten. Weiterhin werden in dieser Arbeit die Grundlagen und verschiedene Anwendungsgebiete aus Chirurgie und Diagnostik beschrieben. Es soll gezeigt werden, welche Verfahren mit Hilfe von Augmented Reality bereits möglich sind und wo diese eingesetzt werden, um diese anschließend zu bewerten und das Potential dieser Technologie einzuschätzen.

Hierbei soll im ersten Schritt die Augmented Reality von der Virtual Reality abgegrenzt werden. Dazu werden beide Themenkomplexe beschrieben und ihr Zusammenhang und ihre Unterschiede erläutert. Anschließend setzt sich diese Arbeit mit den verschiedenen technischen Komponenten auseinander. In diesem Abschnitt werden die einzelnen Bestandteile, welche zur Umsetzung eines Augmented Reality Systems benötigt werden, beschrieben. Im Punkt "Anwendungen von Augmented Reality in der Medizin" sollen die in der Praxis eingesetzten Verfahren näher erläutert werden. Hierzu werden einige Beispiele aus der Diagnostik beschrieben. Neben der Diagnostik wird diese Hausarbeit auch auf Anwendungsfälle aus dem Themengebiet der Chirurgie eingehen. Zum Abschluss der Hausarbeit soll eine Bewertung der dargestellten Techniken vorgenommen werden. Dafür werden Vor- und Nachteile betrachtet, sowie mögliche Alternativen aufgezeigt. Anschließend findet noch ein kurzer Ausblick in die Zukunft statt, gefolgt von einem Fazit.

5 Grundlagen

Unter dem Oberbegriff „Virtuelle Technologien“ werden „Augmented Reality“ sowie „Virtual Reality“ zusammengefasst. In beiden Technologien werden vom Computer künstlich erzeugte Elemente erstellt und bieten dem Benutzer die Möglichkeit mit dem Computer auf eine neue Art zu interagieren. Die Begriffe „Virtual Reality“ und „Augmented Reality“ sollen nachfolgend erläutert und voneinander abgegrenzt werden.

5.1 Virtual Reality

Virtual Reality (virtuelle Realität) blickt auf eine lange Vergangenheit zurück. Anfang der 1970er Jahre wurden erste Experimente mit alternativen Wahrnehmungs- und Interaktionstechniken beziehungsweise -räumen durchgeführt. Benutzer konnten sich dabei in einem von Computer künstlich generierten, dreidimensionalen Raum bewegen. In Zusammenhang mit diesen Experimenten wurde zum ersten Mal von virtueller Realität gesprochen.^[1] Geprägt wurde der Begriff 1989 hauptsächlich von Jaron Lanier, einem der bedeutendsten Wissenschaftler im Bereich dieser Technologie.^[2] Er fasst die Technologie der Virtuellen Realität als eine Technik zusammen, „bei der man mit Hilfe eines computerbasierten Anzugs eine gemeinsame Wirklichkeit synthetisiert […], die unsere Beziehung zur physischen Umwelt auf einer neuen Ebene nachformt […].“^[3]

Unter dem Begriff von „Virtual Reality“ wird also eine vom Computer generierte Umgebung verstanden, in der die reale Welt durch die künstliche Welt ersetzt wird. „Die virtuelle Welt kann dabei ein Abbild einer realen Welt sein oder sie kann rein künstlich sein.“^[4] Für den Menschen wird der Eindruck erweckt, als würde er sich direkt in der generierten Umgebung befinden und in Echtzeit interagieren, das heißt, er verfügt über die Fähigkeit, Gegenstände zu fühlen, zu verschieben und zu verändern. Die Wahrnehmung der virtuellen Realität und die Interaktion in der virtuellen Realität sprechen dabei mehrere Sinne des Menschen an.^[5] Ob in der virtuellen Welt die Eigenschaften der realen Welt (Schwerkraft, Materialeigenschaften) realitätsnah nachgebildet oder gegenüber den realen Erscheinungsobjekten vollständig verändert werden, spielt in der virtuellen Realität eine unerhebliche Rolle. In der virtuellen Welt sind beide Versionen möglich.^[6]

In der Literatur wird Virtual Reality unterschiedlich definiert. So charakterisiert beispielsweise Schmitt die virtuelle Realität als „die Möglichkeit, mit Hilfe der Computertechnik, speziellen Eingabegeräten und Stereobrillen als Sichtgerät einen virtuellen, nicht real existierenden Raum frei erfahren zu können.“^[7] Eine Definition von Burdea und Coiffet lautet, dass die virtuelle Realität eine High-End-Computerbasierte Schnittstelle ist, die eine Echtzeitsimulation und eine Interaktion über verschiedene sensorische Kanäle berücksichtigt. Die sensorischen Modalitäten sind visuelle, auditive, taktile Wahrnehmungen, sowie Geschmacks- und Geruchswahrnehmungen.^[8] Des Weiteren beschreiben die beiden Autoren die virtuelle Realität durch das Existenz der drei wichtigen Komponenten („The three I's of Virtual Reality“): Imagination (3D-Echtzeitvisualisierung), Interaction und Immersion.^[9]

Für einen erfolgreichen Einsatz von Virtual Reality ist eine leistungsfähige Echtzeitvisualisierung in 3D notwendig. „Damit virtuelle Welten den Eindruck vermitteln können, reale Welten zu sein, muß sich mit den Bewegungen des Users auch dessen perspektivisches Bild verändern und dies ohne wahrnehmbare Zeitverzögerung, so daß sich für den Anwender computererzeugter Räume eine Art 'Walk-Through-Effekt' ergibt.“^[10] Die Entwicklung der Grafikhardware und die Optimierung der Algorithmen für die visuelle Wahrnehmung sind daher ein wesentlicher Bestandteil bei der Entwicklung von virtuellen Programmen.^[11] Des Weiteren sind 3D-Echtzeitvisualisierungen wichtig für die Interaktion mit dem Benutzer. Eine mögliche Interaktion ist beispielsweise das Navigieren in einem virtuellen Raum. Der Anwender soll sich wie in einer realen Welt sich befinden. Jede Kopfbewegung des Benutzers muss registriert und die Szene von jedem Blickwinkel dargestellt werden.^[12] Neben der Positionsbestimmung der dargestellten Objekte, werden Eingabegeräte benötigt, um die Objekte verschieben oder drehen zu können. Hierbei können die herkömmlichen Eingabegeräte wie die Maus, die Tastatur oder das Joystick nicht eingesetzt werden. Als Eingabe- beziehungsweise Navigationsgeräte werden in der virtuellen Welt Trackingsysteme verwendet, die im Datenhandschuh oder in einem Datenhelm integriert sind. Mit Hilfe von Trackingsystemen können Objekte in alle Richtungen bewegt und gedreht werden.^[13] Unter Immersion wird der psychische Zustand des Benutzers verstanden: Der Anwender empfindet die virtuelle Welt als real und meint, sich zu einem gewissen Teil in dieser virtuellen Welt zu bewegen und dort zu interagieren.^[14]

Bühl fasst in seinem Werk die Eigenschaften der Virtual Reality in einer Tabelle treffend zusammen und weist darauf hin, dass es sich bei den benannten Kriterien um Idealkriterien handelt, die bisher nur von sehr komplexen Entwicklungsumgebungen erfüllt werden.^[15]

Eigenschaft	Erläuterung
Immersion	Der Anwender taucht in eine computergenerierte Entwicklungsumgebung ein, er betritt einen „Raum hinter dem Bildschirm“
Multidimensionalität	Der vom Anwender begebare, computergenerierte Raum muß drei- bzw. mehrdimensionale Eigenschaften besitzen.
Multisensorik	Angesprochen werden mehrere Sinne (Sehsinn, Tastsinn, Gehörsinn, Geruchsinn etc.) des Anwenders gleichzeitig.
Echtzeit	Die Bewegungen des Anwenders korrelieren ohne Zeitverzögerung mit dem perspektivischen Bild
Adäquanz	Der Anwender einer computergenerierten Entwicklungsumgebung sieht seinen Bewegungen entsprechend jeweils ein adäquates Bild.
Interaktion	Der Anwender kann real interagieren, z.B. Gegenstände verändern, verschieben etc.
Begehbarkeit	Der Anwender kann sich im virtuellen Erlebnisraum vorwärts und rückwärts bewegen, er kann seinen Blick nach rechts links wenden. Existieren mehrere Stockwerke, so kann er aufwärts und abwärts gehen.
Realitätseffekt	Virtuelle Umgebungen sind so programmiert, daß für den Anwender der Eindruck entsteht, diese seien wirklich.
Multiuser-Effekt	Der Anwender kann in computererzeugten Umgebungen mit anderen Anwendern interagieren, sich verständigen, gemeinsame Aufgaben bewältigen.

Quelle: Bühl (2000), S. 121
Tabelle 1: Eigenschaften der Virtual Reality

5.2 Augmented Reality

Augmented Reality (erweiterte, vergrößerte Realität) bezeichnet die Überlagerung der realen Bilder mit digitalen Zusatzinformationen und führt somit zu einer Erweiterung der realen Umwelt.^[16] Die realen Objekte werden meist durch symbolische, textliche, auditive und/oder graphische Informationen angereichert sowie durch zusätzliche Informationen ergänzt, die in der Realität nicht existieren und in Form von Bildern oder Animationsfilmen eingeblendet werden.^[17] Die künstlich erzeugten Objekte stehen mit den realen Objekten in Beziehung und ermöglichen eine situationsgerechte Interaktion durch den Anwender.^[18]

Aschke stellt drei Eigenschaften dar, die die erweiterte Realität charakterisieren, wobei für die Medizin die Punkte zwei und drei von erheblicher Bedeutung sind:^[19]

1. Systeme, die reale und virtuelle Objekte in einer realen Umgebung kombinieren
2. Systeme, welche interaktiv in Echtzeit laufen
3. Systeme, welche reale und virtuelle Objekte zueinander im dreidimensionalen Raum registrieren (korrekt anordnen)

Mit den vorhandenen Algorithmen und den bereits existierenden Visualisierungsmöglichkei­ten und Rechnerkapazitäten ist eine Interaktion mit dem Anwender möglich. In der Medizin sind harte Echtzeitanforderungen der erweiterten Realität nicht notwendig, das heißt, dass die Reaktionszeit der Systeme sich nicht in der Reichweite weniger Millisekunden bewegen muss.^[20] Es muss allerdings sichergestellt werden, dass die Aktualisierung beziehungsweise die Berechnung des eingeblendeten Bildes bei Veränderung der Sichtlage des Benutzers (des Arztes) innerhalb von 50 Millisekunden abgeschlossen ist. Für eine reibungslose Darstellung darf die gesamte Reaktionszeit nicht mehr als 40 Millisekunden betragen.^[21] Die exakte Anordnung der virtuellen Objekte mit realen Objekten stellt in der Medizin eine Herausforderung dar. Damit die zusätzlichen Digitalinformationen am jeweiligen Realobjekt überlagert werden können, ist es notwendig, dass das Realobjekt (der Patient beziehungsweise das Organ des Patienten) „im dreidimensionalen Raum erkannt und lokalisiert wird.“^[22] Lange weist darauf hin, dass die Einblendung von virtuellen Objekten in realen Bildern beziehungsweise Bildsequenzen eine technische Herausforderung darstellt. Für eine erfolgreiche Überlagerung der realen und virtuellen Objekte ist ein Live-Tracking-System notwendig. Für jedes Bild müssen genaue Koordinaten bekannt sein. Der Computer kann aufgrund dieser Informationen das virtuelle Objekt in seiner Darstellung von jeder Perspektive berechnen und abbilden. Besondere Schwierigkeiten ergeben sich, wenn im Mittel- oder Hintergrund ein digitales Objekt durch ein reales Objekt teilweise verdeckt wird (zum Beispiel ein virtuelles Gebäude durch einen realen Baum). Dann muss der entsprechende Teil des virtuellen Objektes dargestellt werden, der auch tatsächlich für menschliches Auge sichtbar wäre, sonst besteht die Gefahr, dass das generierte Bild einer Täuschung entspricht.^[23] Die Darstellung und Anordnung der starren Objekte stellt in der Medizin inzwischen keine Probleme mehr dar, allerdings ist die Darstellung bei Weichgewebe problematisch. Weichgewebsverschiebungen können teilweise nicht korrekt erkannt werden und führen somit häufig zu einem Anordnungsfehler in der Darstellung.^[24]

Die Einsatzmöglichkeiten von Augmented Reality Systemen in der Medizin sind vielfältig. Die Technologie kann in der Operationsvorbereitung, während der eigentlichen Operation oder für medizinische Ausbildungszwecke eingesetzt werden. Häufig wird Augmented Reality in der Medizin bei der „Überlagerung von präoperativ gewonnener virtueller Daten aus CT-, MRT- oder Ultraschallaufnahmen mit dem zu behandelnden Körperteil des Patienten“^[25] eingesetzt. Auf diese Weise können die Organe des Patienten detailliert betrachtet, analysiert sowie behandelt beziehungsweise operiert werden.

5.3 Abgrenzung Augmented Reality zu Virtual Reality

Milgram und Kishino stellen ein Kontinuum zwischen vier Kombinationsmöglichkeiten der tatsächlichen Realität bis zur virtuellen Realität dar.^[26] In der „Reality“ werden nur reale Objekte dargestellt, die die Menschen wahrnehmen. Als real werden auch Live-Übertragungen gesehen.^[27] Bei der „Virtual Reality“ werden ausschließlich künstlich erzeugte Objekte projiziert. Zwischen den beiden Endpolen befindet sich die „Mixed Reality“ (gemischte Realität), die sich aus „Augmented Reality“ (erweiterte Realität) und „Augmented Virtuality“ (erweiterte Virtualität) zusammensetzt.

In Anlehnung an Milgram und Kishino (1994) Abbildung 01: Das Reality-Virtuality-Kontinuum (Quelle: http://www.avilus.de)

Wie oben beschrieben, werden bei der erweiterten Realität künstlich generierte Objekte in eine reale Umwelt eingeblendet und somit die tatsächliche Realität mit Zusatzinformationen angereichert. Ein Beispiele ist hier die Sportübertragungen im Fernsehen (Berechnung und Darstellung der Torschussentfernung in Metern oder Einblendung der Werbung in einem beliebigen Kontext). Im Gegensatz zu der erweiterten Realität werden bei der erweiterten Virtualität reale Personen oder Gegenstände in ein künstliches Umfeld eingeblendet.^[28] Als Beispiel kann hier die Moderation in einem virtuellen Fernsehstudio angeführt werden. Wie man erkennt, existieren zwischen den beiden Begriffen kaum Abgrenzungen und die Verläufe sind fließend.

Augmented Reality und Virtual Reality können wie folgt voneinander abgegrenzt werden:^{[29] [30]}

Umgebungseinbildung

Die Virtuelle Realität ist von der Umgebung losgelöst. Für den Betrachter wird komplett eine neue Welt geschaffen und der Anwender kann direkt in der künstlichen Umwelt agieren. Es findet keine Beziehung mit der Außenwelt statt.

Die Systeme von Augmented Reality sind an die lokale Umgebung der Außenwelt gebunden und orientieren sich an real existierenden Objekten. Die Anforderung an ein Augmented Reality-System ist, dass man es möglichst unabhängig von der örtlichen Gebundenheit nutzen kann. Die Systeme sollen überall (sowohl innen als auch außen) angewendet werden können.

Tragbarkeit

Der Benutzer von Virtual Reality agiert vollständig in einem abgeschlossenen künstlichen Bereich, häufig an einer bestimmten Stelle. Dagegen bewegt sich der Benutzer von Augmented Reality-Systemen in der realen Welt, der Benutzer darf nicht in seiner Bewegungsfreiheit durch unhandliche Systeme eingeschränkt werden. Diese Anforderung kann nur durch leichte und tragbare Komponenten erfolgen.

Rechenleistung und Grafikdarstellung

Virtual Reality erschafft eine komplette künstliche Umwelt. Die Anforderung an die Rechenleistung und Grafik sind enorm hoch, um ein „reales“ Abbild erstellen zu können.

In Augmented Reality werden einzelne Objekte virtuell dargestellt. Häufig werden textliche Zusatzinformationen eingeblendet. Die Anforderung an die Rechenleistung ist daher geringer als bei Virtual Reality, wo die komplette Szene virtuell erstellt wird. Unter Umständen können die Anforderungen an die Komponenten der Augemted Reality (wie zum Beispiel Grafik- und Displaysysteme) ebenso hoch sein wie bei Virtual Reality, wenn digitale Objekte realitätsnah erzeugt werden sollen und/oder wenn das Sichtfeld bei schnellen Bewegungen des Benutzers nachvollzogen werden muss.

Tracking

Benutzer von Virtual Reality-Systemen befinden sich in einem abgeschirmten künstlichen Umfeld und bewegen sich häufig sehr wenig. Da kein Abgleich mit der Realität durchgeführt werden muss, muss die Positionsbestimmung des Systems nicht sehr genau sein.

Augmented Reality interagiert direkt mit der realen Umwelt. Im Gegensatz zur Virtual Reality muss das System eine optimale Orientierung und die Bestimmung der Position beherrschen.

Registrierung und Erfassung

Da die Nutzer von Virtual Reality in einem abgeschlossenen künstlichen Bereich agieren, müssen keine Objekte der realen Welt aufgezeichnet und registriert werden.

Bei Augmented Reality-Systemen beziehungsweise Mixed Reality-Systemen werden dagegen digitale Objekte in die realen Bilder eingebunden. Eine genaue Registrierung der Objekte ist unabdingbar, falls die eingebundenen Objekte nicht statisch sind.

6 Bestandteile eines Augmented Reality Systems

Augmented Reality-Ausgabegeräte müssen so gestaltet sein, dass sie die menschlichen Sinneswahrnehmungen optimal ansprechen können, um eine bestmögliche Zusammensetzung der realen und virtuellen „Welt“ verwirklichen zu können.^[31] Das Hauptanwendungsfeld von Augmented Reality liegt zur Zeit im Bereich der visuellen Wahrnehmung, da die Verschmelzung der realen mit der virtuellen Welt über die visuelle Wahrnehmung besonders geeignet ist und andere Sinneswahrnehmungen überdeckt werden können.^[32] Die technische Umsetzung von Augmented Reality-Systemen lässt sich durch verschiedene Systemkonzepte realisieren. Die Einblendung der virtuellen Zusatzinformationen in das reale Bild des Betrachters kann an verschiedenen Stellen zwischen dem Auge und des beobachteten Objektes erfolgen.^[33] Grundsätzlich besteht ein Augmented Reality-System aus den folgenden Komponenten: Trackingsystem, Displaysystem sowie aus einem Szenengenerator und einem zugehörigen Datenbankbanksystem. Die folgende Skizze stellt die technischen Komponenten und den Aufbau des Augmented Reality-Systems grafisch dar:

In Anlehnung an Azuma (1997)[34] und Schilling (2007)[35] Abbildung 02: Aufbau eines Augmented Reality-Systems

Das Trackingsystem hat die Aufgabe, die Position und die Bewegungen des Anwenders und der Objekte zu registrieren sowie die Entfernung zwischen Display und der einzelnen Objekte zu identifizieren. Nachdem das Trackingsystem die Position des Anwenders und der Objekte erfasst hat, werden die Informationen an den Szenengenerator gesendet. Im Szenengenerator werden die übergebenen Koordinaten ausgewertet. Es wird die Position und die Perspektive des Anwenders zu den betrachteten Objekten bestimmt. Aus einem angeschlossenen Datenbanksystem werden die zugehörigen Dateninformationen (wie zum Beispiel Modelldaten und Zusatzinformationen) zu den jeweiligen Objekten abgefragt. Auf der Basis dieser Daten erstellt der Szenengenerator einen Output und sendet diesen an ein angeschlossenes Displaysystem.^[36]

Nachfolgend werden die bestehenden Trackingsysteme und Displaysysteme genauer beschrieben. Im Anschluss werden die Begriffe „Kalibrierung“ und „Registrierung“ erläutert, die besonders in Augmented Reality eine wichtige Rolle spielen.

6.1 Trackingsysteme

Die Identifizierung der realen Objekte und deren Position sind für Augmented Reality-Systeme von großer Bedeutung. Somit können die zusätzlichen Informationen an der richtigen Stelle dargestellt werden. Besonders in der Medizin ist die exakte Positionierung der virtuellen Informationen an der jeweiligen Stelle äußerst wichtig (zum Beispiel die Darstellung der präoperativen Daten während der Operation oder die Position und die Lage von chirurgischen Instrumenten). Für die Erfassung der Positionen von realen Objekten sowie für die Standortermittlung des Betrachters ist das Trackingsystem zuständig. Das Trackingsystem erfasst die Koordinaten und sendet diese an einen steuernden Computer weiter. Hassenpflug et al. beschreiben das Trackingsystem als eine Art „Blackbox“, die für Augmented Reality-System die Funktionen „getPosition()“ und „getOrientation()“ zur Verfügung stellt.^[37] Die Bestimmung sowie die Verfolgung der Positionen können technisch unterschiedlich erfolgen. „Je nach Anwendungsfall kann bzw. muss aufgrund der unterschiedlichen Umweltbedingungen und Eigenschaften ein spezielles Trackingsystem zum Einsatz kommen.“^[38] Aschke klassifiziert die Trackingsysteme auf Basis der verwendeten Sensortechnologie in mechanische, magnetische, akustische und optische Trackingsysteme.^[39] Die unterschiedlichen Technologien sollen nachfolgend erläutert sowie die bedeutendsten Vor- und Nachteile zu jedem System dargestellt werden. In der Praxis setzen sich vermehrt "Hybride Trackingsysteme" durch, die die essentiellen Nachteile der einzelnen Systeme auszugleichen versuchen.^{[40] [41]}

6.1.1 Mechanische Trackingsysteme

Mechanische Trackingsysteme sind die ältesten Lokalisationssysteme, die im medizinischen Bereich eingesetzt worden sind.^[42] Diese Systeme berechnen die Position eines Objektes, das am Ende eines Messarmes befestigt ist. Dabei wird die Basis des Trackers, das aus mehreren Teilarmen besteht, an einem fixen Punkt festgemacht.^[43] Die Teilarme sind über Gelenke miteinander verbunden und können iterativ bewegt werden. Die Bewegungen des Arms werden mit Potentiometern gemessen.^[44] Zu den Nachteilen des mechanischen Trackers gehören die Einschränkung in der Bewegungsfreiheit des Operateurs sowie die begrenzte Reichweite des Arms. Daher werden diese Systeme in der Praxis nur selten eingesetzt.^[45]

Entnommen aus: http://www.iccas.de Abbildung 03: Mechanisches Trackingsystem

Entnommen aus: http://www.iccas.de Abbildung 04: Schema eines mechanischen Trackingsystems

6.1.2 Magnetische Trackingsysteme

Zur Erfassung der Position und Orientierung setzen die magnetischen Trackingsysteme auf die elektromagnetische Induktion. Um die sechs Freiheitsgraden bestimmen zu können (das heißt oben, unten, links, rechts, vor, zurück), sind beim Sender und Empfänger drei zueinander rechtwinklig angeordnete Spulen integriert.^[46] Je nach Lage und Abstand wird in diesen Spulen unterschiedlich viel Strom erzeugt und somit kann die Position des Empfängers zum Sender lokalisiert werden.^[47] Magnetische Trackingsysteme arbeiten sehr robust, sind in der Anschaffung recht günstig und haben keine Probleme mit der Verdeckung durch Dritte.^[48] Allerdings agieren diese Trackingsysteme in einem kleinen Aktionsradius (bis circa 1,5 m) und sind gegenüber metallischen Gegenständen sehr anfällig.^[49] Außerdem erzeugen diese Systeme Magnetfelder, die unter Umständen andere Geräte stören könnten.^[50] Daher finden die magnetischen Tracker bei Augmented Reality-Systemen wenig Einsatz und werden sehr häufig in Kombination mit anderen Trackingsystemen verwendet, zum Beispiel bei der Positionsbestimmung von chirurgischen Instrumenten.^[51]

Entnommen aus: http://www.iccas.de Abbildung 05: Systemkomponente eines magnetischen Trackingsystems

Entnommen aus: http://www.iccas.de Abbildung 06: Positionsbestimmung des chirurgischen Instruments aufgrund der Magnetfeldveränderung

6.1.3 Akustische Trackingsysteme

Diese Systeme nutzen Ultraschallwellen. Diese werden von kleinen, hochfrequenten Lautsprecher ausgestrahlt und von mehreren Mikrofonen, die im Raum fest installiert sind, empfangen.^[52] Akustische Trackingsysteme zeichnen sich durch ihre geringe Größe und der preisgünstigen Anschaffung aus. Allerdings sind diese Trackingsysteme sehr anfällig gegenüber fremden Schallquellen und liefern keine exakte Genauigkeit.^[53] Außerdem können Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und Temperatur Einfluss auf die Messwerte nehmen.^[54] Somit macht der Einsatz der akustischen Trackingsysteme im medizinischen Bereich wenig Sinn.

6.1.4 Optische Trackingsysteme

Die Erfassung der Umgebung erfolgt bei den optischen Trackingsystemen mit Hilfe von optischen Kameras, die im Raum an einem fixen Standort angebracht werden. Die Lage der verschiedenen Objekten (Instrument, Operateur, Patient) wird mit Hilfe von unterschiedlichen Markern erfasst, die zum Teil am Registrierungsobjekt selbst angebracht werden.^[55] Zur genauen Positionsbestimmung sind mindestens zwei Kameras notwendig, die geometrisch zueinander angeordnet sind (Triangulation). Es werden zwei Arten von optischen Trackingsystemen unterschieden: das passive optische Trackingsystem und das aktive optische Trackingsystem.^[56] Bei einem aktiven optischen Trackingsystem werden Leuchtdioden in Form von Infrarot-Strahlen eingesetzt, die in regelmäßigen Zeitabständen (im Bereich von weinigen Millisekunden) ein Signal abgeben (Abbildung 07). Jede Diode besitzt eine universell einmalige Leuchtfrequenz, die vom Trackingsystem eindeutig identifiziert werden kann. Die Strahlen werden von den Kameras registriert. Auf der Basis der zeitlichen Verzögerung kann die Position der Diode und somit das zu beobachtete Objekt bestimmt werden.^[57] Das passive optische System arbeitet hingegen mit reflektierenden Markern (Abbildung 08). Es werden unterschiedliche Marker in Form von Quadraten oder Kugeln verwendet. Die Oberfläche der Marker besteht aus vielen kleinen Glaskugeln, die einen maximalen Durchmesser von 0,1 mm betragen.^[58] Die Marker werden mit Infrarot-Licht von den Kameras beleuchtet. Das reflektierte Licht sowie die Lage der Marker wird gemessen und somit die genaue Position der Marker ermittelt. Dieses System hat im Gegensatz zum aktiven optischen Trackingsystem den Vorteil, dass keine aktiven Elemente am zu registrierenden Objekt angebracht werden müssen und somit eine Verkabelung der Dioden entfällt.^[59] Allerdings ist die Genauigkeit der aktiven optischen Systeme höher als bei den passiven Systemen.^[60]

Entnommen aus: http://www.iccas.de Abbildung 07: Das aktive optische Trackingsystem

Entnommen aus: http://www.iccas.de Abbildung 08: Das passive optische Trackingsystem

Entnommen aus: http://www.iccas.de Abbildung 09: Passive Infrarot-Marker als Kugel

Entnommen aus: http://www.iccas.de Abbildung 10: Infrarot-Marker in Detail

Entnommen aus: http://www.iccas.de Abbildung 11: Passive Infrarot-Marker als Tafel

Zunehmend setzt man bei den optischen Trackern auf Systeme, die ohne Markierung auskommen.^[61] Als Orientierungshilfe nutzen die Systeme natürliche Formen des Objektes (zum Beispiel Knochenwangen oder die Nasenspitze des Patienten). Die Initialisierung der Objekte geht ähnlich vor wie beim Einsatz von passiven Markern, mit dem Unterschied, dass keine Marker angebracht werden müssen. Allerdings haben diese Navigationssysteme deutliche Nachteile im Vergleich zu den beiden markierungsorientierten Systemen, besonders bei den schwankenden Lichtverhältnissen oder sich wiederholenden Bildstrukturen.^[62] Der Einsatz des optischen Trackingsystems bietet mehrere Vorteile.^[63] Das Blickfeld des Kamerasystems beträgt bei den gängigen Systemen circa 1,3 m x 1,3 m bis circa 3,5 m x 3,5 m, so wird der Operateur in seiner Bewegungsfreiheit nicht beschränkt. Abhängig von den Prozessorkapazitäten, verfügen die optischen Tracker über eine hohe Wiederholrate und eine geringe Messzeit. Die Messgenauigkeit beträgt bei diesen Systemen bis zu 0,1 mm. Außerdem werden sie nicht durch metallische Einflussfaktoren gestört. Ein grundsätzliches Problem stellt bei den optischen Systemen die unterbrechungsfreie Sichtbarkeit zwischen Sender und Empfänger dar. Die Position der Objekte kann problemlos ermittelt werden, solange eine direkte Sichtverbindung besteht. Die Leistung des Systems sinkt jedoch, wenn Hindernisse hinzukommen. Dieses Problem kann jedoch zum Teil durch den Einsatz von mehreren Sensoren behoben werden.^[64] Außerdem stellen sich die Kalibrierung und die Installation dieser Systeme als sehr aufwendig dar, wenn exakte Ergebnisse erzielt werden sollen. Des Weiteren können die Systeme durch die Lichtverhältnisse negativ beeinflusst werden, die oft in einem Operationssaal vorkommen könnten.^[65]

Trotz der aufgeführten Nachteile, setzen viele kommerzielle Trackingsysteme, aufgrund der guten Berechnungs- und Genauigkeitseigenschaft auf diese Technologie. ^[66]

6.2 Displaysysteme

Displaysysteme haben die Aufgabe, dem Anwender virtuelle Zusatzinformationen in Kongruenz mit den realen Bildern dem Anwender zur Verfügung zu stellen. Die Bereitstellung der visuellen Daten kann unterschiedlich erfolgen. Suthau unterteilt die verschiedenen Displaysysteme in zwei Kategorien, in fest installierte Geräte und in trabare Systeme, die vor dem Auge angebracht werden.^[67] Aschke hingegen klassifiziert vier Displaysysteme in der Medizin: brillenbasierte, transparente, projektorbasierte sowie mikroskopbasierte Systeme.^[68] Displaysysteme in der Medizin können somit wie folgt dargestellt werden:

In Anlehnung an Aschke (2007)[69] und Suthau (2006)[70] Abbildung 12: Klassifikation der Displaysysteme von Augmented Reality in der Medizin

6.2.1 Stationäre Displaysysteme

Zu den stationären Systemen gehören transparente Displays und projektorbasierte Systeme. Mikroskopbasierte Systeme gehören sowohl zu den stationären als auch zu den mobilen Geräten.

Transparente Displays

Zu den transparenten Systemen zählen halbdurchlässige Flachbildschirme, die sich im Blickfeld des Anwenders befinden und über den Patienten angebracht werden. Der Ope­rateur sieht durch den halbdurchlässigen Bildschirm den Körper des Patienten und die einge­blendeten Informationen, die vor der Operation durch die Computertomographie oder Magnetresonanztomographie erstellt worden sind.^[71] Die Bilder werden direkt im transparenten Display eingeblendet oder von den Geräten projiziert, die beispielsweise an der Decke befestigt sind.

Entnommen aus: http://www.iccas.de Abbildung 13: Transparente Displays

Projektorbasierte Systeme

Wie ein herkömmlicher Beamer oder Diaprojektor projizieren diese Head-Up-Displays die Informationen auf eine transparente Projektionsoberfläche oder direkt auf den Körper des Patienten. Der wesentliche Vorteil bei der Projizierung des Bildes auf den Patienten ist, dass der Operateur die digitalen Informationen direkt auf der Arbeitsoberfläche dargestellt bekommt und er keine zusätzlichen Displaytechniken benötigt.^[72] Außerdem können alle anwesenden Personen die gleiche Umgebung wahrnehmen. Diese Technologie hat einen wesentlichen Nachteil, dass die Projektion durch das anwesende Ärztepersonal verdeckt werden kann.^[73] Daher werden diese Geräte häufig nur für Projizierung der Schnittlinien oder Tumorkonturen verwendet.^[74]

Entnommen aus: http://www.iccas.de Abbildung 14: Projektion auf einen Patienten

Mikroskopbasierte Systeme

Virtuelle Bildinformationen werden bei den Mikroskopbasierten Systemen auf einem Mikroskopdisplay eingeblendet. Man unterscheidet zwischen monokularer und binokularer Einblendung. Bei der monokularen Darstellung wird ein zweidimensionales Bild und bei der binokularen Einblendung ein dreidimensionales Bild angezeigt.^[75]

Bei den Operationsmikroskopen mit erweiterter Realität unterscheidet man außerdem Geräte mit Optical-See-Through und Video-See-Through-Technologie. In einem Video-See-Through-System sieht der Operateur im Gegensatz zu Optical-See-Through-System das reale Bild nicht direkt, sondern bekommt ein Videobild mit erweiterter Realität eingeblendet. ^[76]

Entnommen aus: http://www.leica-microsystems.com Abbildung 15: Beispiel eines Operationsmikroskops der Firma Leika

Entnommen aus: http://www.leica-microsystems.com Abbildung 16: Beispiel eines tragbaren mikroskopbasierten Systems (Leica HM500)

6.2.2 Brillenbasierte Displaysysteme

Im Bereich der mobilen Displaysysteme zählen alle transportablen Display- und Handgeräte, die eine gleichzeitige Übertragung der realen Bilder und die Anreicherung mit Zusatzinformationen möglich machen. Hierzu zählen zum Beispiel Mobiltelefone, PDAs (Personal Digital Assistent) oder Tablet-PCs. Im medizinischen Bereich kommen meistens so genannten Head Mounted Displays (HMD) zum Einsatz. Bei diesen Geräten handelt es sich um Systeme, die vor den Augen des Anwenders angebracht werden.^[77] Das erste HMD-System, das vor den Augen des Benutzers angebracht werden konnte, wurde von Ivan Sutherland 1966 entwickelt.^[78] Die HMD-Geräte werden in zwei verschiedene Funktionsweisen unterschieden: Optical-See-Through und Video-See-Through-Systeme.^[79]

Bei den Video-See-Through-Systemen werden über die Augen des Betrachters kleine Bildschirme mit einer aufzeichnenden Kamera in Augenhöhe angebracht. Diese Kamera zeichnet das reale Bild auf, das die Augen normalerweise sehen könnten. Die aufgezeichneten Bilder werden mit den virtuellen Informationen im Szenengenarator miteinander vermischt und auf dem Monitor vor den Augen des Anwenders dargestellt. Die Videoüberlagerung kann auf unterschiedliche Art erfolgen. Eine Möglichkeit stellt die so genannte „chroma keying“ dar, die in der Filmindustrie verwendet wird.^[80] Dabei wird für die Hintergrundfarbe des virtuellen Bildes ein bestimmter Farbwert (zum Beispiel grün) zugewiesen, der im virtuellen Bild nicht verwendet wird. Anschließend werden im nächsten Schritt die grünen Pixel durch die Pixel des realen Bildes ersetzt und somit mit dem virtuellen Objekt überlagert.

Entnohmen aus: Azuma (1997) S. 11 Abbildung 17: Skizze eines Video-See-Through HMD

Entnommen aus: http://www.trivisio.com Abbildung 18: Beispiel eines Video-See-Through HMD (Trivisio: ARvision-S)

Im Gegensatz zu den Video-See-Through-Systemen erlauben die Optical-See-Through-Systeme einen direkten Blick auf die reale Umgebung. Dies wird mit Hilfe eines halbdurchlässigen Spiegel erreicht, der vor den Augen des Betrachters angebracht wird. Mit Hilfe von Trackinformationen werden die Position und die Blickrichtung des Anwenders ermittelt. Im Szenengenerator werden die Größe und die Ortslage des virtuellen Objektes berechnet und auf dem halbdurchlässigen Spiegel projiziert. Die Überlagerung der realen und virtuellen Bilder findet im Auge des Betrachters statt.^[81]

Entnohmen aus: Azuma (1997) S. 11 Abbildung 19: Skizze eines Optical-See-Through HMD

Entnommen aus: http://www.trivisio.com Abbildung 20: Beispiel eines Optical-See-Through HMD (Trivisio: M3-Stereo)

Beide Verfahren der Displaysysteme bieten Vor- als auch Nachteile. Azuma hat die Vor- und Nachteile beider Verfahren ausgearbeitet und in seiner Arbeit beschrieben.^[82] Auch Suthau stellt eine Übersicht der Vor- und Nachteilen beider Systeme dar.^[83] Grundsätzlich haben die Optical-See-Through-Systeme im Gegensatz zu Video-See-Through-Systemen den Vorteil, dass in jeder Situation die reale Umgebung dargestellt werden kann, auch wenn das System ausfallen sollte. Allerdings hat das Verfahren bei unterschiedlichen Lichtverhältnissen den Nachteil, die virtuellen Informationen kontrastreich einzublenden. Die Entscheidung welches System zum Einsatz kommt, hängt letztlich von der praktischen Anwendung ab.

Zu den brillenbasierten Systemen gehört neben den oben beschriebenen Systemen eine weitere Displayart, das Virtual-Retina-Display. Entwickelt wurde das System ursprünglich von Dr. Furness III an der University of Washington (HITLab^[84]). Im Gegensatz zu den anderen beiden Displayarten wird bei diesem Verfahren das virtuelle Bild mit schwachen Laserstrahlen direkt auf die Netzhaut des Betrachters gezeichnet. In der Abbildung wird der technische Aufbau eines Virtual-Retina-Displays dargestellt. Die Vorteile dieses Systems sind, dass diese Technologie im Vergleich zu den üblichen HMDs sehr leicht ist, ein größeres Blickfeld schafft und eine hohe und kontrastreiche Auflösung bietet.^[85]

Entnommen aus: Hassenpflug et al. (2004) S. 446 Abbildung 21: Schema eines Virtual-Retina-Displays

6.3 Registrierung und Kalibrierung

Wie im Kapitel 5.2 erläutert, ist besonders in Augmented Reality die exakte Positionierung der virtuellen Informationen mit den realen Objekten eine wichtige Voraussetzung, um eine realitätsnahe Verschmelzung der virtuellen und der tatsächlichen Welt zu erreichen. Der Benutzer darf in seinen Bewegungen nicht eingeschränkt werden. So müssen die virtuell erzeugten Objekte bei Sichtänderung des Benutzers entsprechend der Realität in der Lage und Größe verändert werden, um eine realistische Darstellung zu gewährleisten. Die Suche nach der genauen Überlagerung der realen und virtuellen Objekte also die Korrelation zwischen zwei zugehörigen Objekten wird als Registrierung bezeichnet.^[86] Besonders im visuellen Bereich stellt die Abbildung der virtuellen Daten an realen Objekten eine große Herausforderung dar, da der Mensch, nicht wie bei Virtual Reality in einer komplett isolierten Welt, sondern in einer realen Welt, angereichert mit virtuellen Zusatzinformationen, interagiert. Bereits bei kleinen Differenzen erkennt das Auge die Ungenauigkeiten im Bild. Daher sind die Anforderungen an Augmented Reality-Systeme enorm hoch und beanspruchen viel Optimierungsarbeit. Um eine korrekte Abdeckung der realen mit virtuellen Objekten realisieren zu können, müssen die Kameras und die HMDs kalibriert werden, sodass die Systeme optimal aufeinander abgestimmt sind. Suthau definiert Kalibrierung als "die Ermittlung aller Parameter, welche im Zusammenhang mit der benutzten Technik oder dem Betrachter selbst stehen und die Überlagerung virtueller und realer Objekte beeinflussen"^[87] und weist darauf hin, dass die Grenzen zwischen Kalibrierung und Registrierung bei einem Augmented Reality-System fließend sind. Als relevante Parameter werden zum Beispiel der Abstand der Kamera und der Sehwinkel des Benutzers sowie die Genauigkeit der Sensoren festgelegt. Die Festlegung der Werte wird heutzutage mit heuristischen Verfahren (zum Beispiel "brute-force" Methode) durchgeführt.^[88] Weltweit wird intensiv an der Entwicklung neuer Berechnungstechniken geforscht.^[89] Abhängig von der Aufgabenstellung, der Präzision und den verschiedenen Systemkomponenten (bei der Auswahl der HMDs oder Trackingsysteme) können unterschiedliche Kalibrierungs- und Registrierungsmethoden ausgewählt werden. Selbst bei der Auswahl gleicher Systemkomponenten, können unterschiedliche Berechnungsalgorithmen zum Einsatz kommen.^[90]

7 Anwendungen von Augmented Reality in der Medizin

Im Bereich der Medizin ergeben sich für Augmented Reality zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Zu nennen sind hier nur einige Beispiele: Hilfestellung bei der OP-Plannung, visuelle Navigation während der OP-Durchführung und zu Ausbildungzwecken.

Operationsplanung

"Pro Jahr behandeln die Ärzte in deutschen Kliniken 17 Millionen Patienten, und nehmen dabei mehr als 35 Millionen Operationen und medizinische Eingriffe vor. Studien zur Untersuchung des Schadenrisikos zeigen, dass bei rund drei Prozent der Krankenhausfälle mit therapiebedingten Gesundheitsschäden zu rechnen ist. Ein viertel davon sind Folgen von Behandlungsfehlern."^[91] Im Jahr 2008 wurde durch die World Health Organization (WHO) im Rahmen einer Initiative für sichere Chirurgie eine 19 Punkte umfassende Sicherheitscheckliste vorgestellt. Einige Punkte werden an dieser Stelle exemplarisch aufgeführt:

• Richtiger Patient?
• Unterlagen komplett?
• Richtige Seite?
• Richtige Lagerung?
• Qualifiziertes Team?
• Angemessene Verfahrenswahl?
• Erforderliches Instrumentarium verfügbar?
• OP-Indikation?

Wie in der Luftfahrt wäre ein Checklistensystem eine effektive Fehlerprävention.^[92] Es wäre sinnvoll, ein vergleichbares Checklistensystem in ein Augmented Reality System zu integrieren. Die einzelnen Punkte der Checkliste könnten somit direkt Objektbezogen angezeigt werden. Darüberhinaus bieten Augmented Reality-Systeme viele weiterführende Informationen.

Augmented Reality in der Telemedizin

Positiver Synergieeffekt von Zusammenschmelzung der Telemedizin und Augmented Reality ist die Erweiterung der Kompetenz durch visuelle Hilfestellungen während der Diagnose oder Operation (Teleconsulting = Von einem entfernten Ort steht ein Spezialist mit seiner Fachkompetenz beratend zur Seite. Dieser kann in Echtzeit direkte Anweisungen zur Durchführung liefern.) Zum Beispiel: Bei einem Notfall auf einem Schiff wird dringend medizinische Hilfe benötigt, jedoch befindet sich kein Arzt an Board. Um trotzdem kompetente Hilfe zu leisten, erhält der Helfer auf seinem Augmented Reality fähigen Endgerät (HMD oder Smartphone) direkte Anweisungen von einem Arzt eingeblendet. Der Arzt kann dabei zur Diagnose notwendige Informationen aus verschiedenen Quellen beziehen:

• per Sprache (Helfer, Patient)
• per Video
• telemedizinische Endgeräte

Ziele der Augmented Reality in der Medizin sind:

• Erhöhung der Präzision während des operativen Eingriffs
• Erhöhung der Ergonomie
• Reduzierung der Fehler bei der Diagnose durch 3D-Darstellung
• Intuitive Navigation

Vorgehensweise für den Einsatz der Augmented Reality in der Medizin

"Angefangen von ersten Navigations- und Trackinghilfen am Knochen, setzen zunehmend alle chirurgischen Fächer Navigationstechniken dort ein, wo ein möglichst zielgerichtetes und exaktes Vorgehen notwendig und hilfreich ist. Insbesondere den minimalinvasiven Techniken steht so eine Methodik zur Verfügung, die in Zukunft möglicherweise die Genauigkeit eines Eingriffes an relevanten Stellen zusätzlich erhöhen und das Indikationspektrum für minimal invasive Eingriffe erweitern kann."^[93]

Kleemann^[94] nennt folgende Gründe für den Einsatz von Navigationsverfahren in der Viszeralchirurgie:

• Steigerung der (Ziel-)Genauigkeit
• Kleinerer Zugangsweg
• Übertragung präoperativer Planungsdaten
• Semiautomation von Operationsschritten
• Kameraführung
• Zielgenaue Kombination endoskopisch-laparoskopischer Eingriffe
• Simulation
• Ausbildung

Die Grafik soll den konventionellen Ablauf eines chirurgischen Eingriffs darstellen. Eine Augmented Reality Anwendung wird dabei als Erweiterung einer bildgestützten Navigation gesehen. Mit Hilfe der bildgebenden Verfahren werden zunächst zur Diagnose Bildaufnahmen erstellt. In der Operationsplanung werden die Operationsschritte festgelegt. (Zum Beispiel: Zugang zur Operationsstelle, komplexe Schnittführungen, Kennzeichnen der Tumorbildungen)^[95] Operationsplan kann auf zwei unterschiedliche Arten umgesetzt werden. Dabei wird zwischen einer passiven und aktiven Planumsetzung unterschieden. Bei einer passiven Planumsetzung nimmt der Chirurg den Eingriff mit oder ohne visueller Unterstützung vor (zum Beispiel HMD). Bei einer aktiven Planumsetzung nimmt ein Chirurgieroboter den Eingriff vor.^[96]

In Anlehnung an Aschke (2007) Abbildung 22: Vorgehensweise bei einer konventionellen Operation mit klassifizierter OP-Planumsetzung

7.1 Diagnostik

Zur Realisierung der Augmented Reality in der Medizin ist man auf bildgebende Verfahren angewiesen. "Unter bildgebenden Verfahren sind sämtliche apparative Methoden zu verstehen, welche Anatomie des Patienten, physikalische oder chemische Phänomene in Bildern sichtbar machen. Sie sind die Basis zur Erstellung beziehungsweise Evaluation von Diagnosen und der Generierung genauer Modelle."^[97]

Die Röntgenuntersuchung ermöglicht die Durchleuchtung des Körpers mit Röntgenstrahlen. Damit kann das Skelettsystem sichtbar gemacht werden. Mit Hilfe der Kontrastmittel lassen sich auch Hohlräume des Körpers darstellen. Dazu zählen: Magen-Darm-Trakt, Harn- und Atemwege sowie Blutgefäße. Das Kontrastmittel lässt die Strahlen stärker als das Körpergewebe durch. Die Kontrastdarstellung der Gefäße nennt man auch Angiographie. Durch die digitale Nachbearbeitung mit einer Bildbearbeitungssoftware lassen sich durch die Hervorhebung von bestimmten Bildelementen durch Subtraktion von Nativ- und Kontrastaufnahmen präzise Formen und Abweichungen der Gefäße darstellen.^[98]

7.1.1 Einsatz der Computertomographie

Unter dem Einsatz von Hochleistungscomputern erlaubt die Computertomographie einzelne Signale zu hochauflösenden Bildern zusammenzusetzen. Dabei werden durch Röntgendurchleuchtung einzelne Körperebenen, Schicht für Schicht, aufgenommen, um anschließend in einer Sequenz darstellbar zu machen. Einzelne Sequenzen lassen sich detailliert betrachten. Durch selektive Einstellungen können bestimmte Strukturen gezielt hervorgehoben werden.^[98] Durch die permanente Aufnahme, lässt sich die Verteilung des Kontrastmittels in Echtzeit beobachten. Über diese Methode ist es zum Beispiel möglich, Rückschlüsse auf eine Erkrankungen in Magen-Darm-Trakt zu ziehen, die Knochenbrüche zu richten oder während einer minimal-invasiven Behandlung Sonden und Katheter kontrolliert einzuführen.

Entnommen aus: Siemens AG (2006) (Hrsg.) S. 7 Abbildung 23: Funktionsweise der Computertomographie

"Während die Liege durch die Gantry des CT-Gerätes fährt, rotiert das Röntgenstrahlsystem um den Patienten; der Körper wird sozusagen durch „Spiralbewegungen“ aufgenommen."^[99]

Bei Computertomographie handelt es sich um eine 2D Methode. Da hier einzelne Schichten nacheinander und überlagerungsfrei erstellt werden, können diese Aufnahmen zu einem 3D-Modell erst nach einer Nachbearbeitung am Computer zusammengesetzt werden.

7.1.2 Einsatz der Magnetresonanztomographie

Hierbei handelt es sich um ein Schnittbildverfahren das auf physikochemischen Hintergrund aufbaut. Die Signalmessung erfolgt in Abhängigkeit von der Wasserstoffdichte des untersuchten Gewebes. Dieses Verfahren kann zwischen verschiedenen Gewebearten, Flüssigkeiten und Luft unterscheiden. Jedoch ist eine Darstellung der Knochen damit ausgeschlossen. Besonders detailliert lassen sich damit fett- bzw. wasserreiche Gewebearten darstellen.^[98]

7.1.3 Einsatz der Sonographie

Ultraschalldiagnostik erfolgt durch die Reflexion hochfrequenter Ultraschallschwingungen. Damit lassen sich relativ genaue Untersuchungen der Organe und Strukturen im Körperinneren ohne Strahlenschäden darstellen.^[98] In der Sonographie werden folgende Modi unterschieden:

• A-Mode: "Ultraschallaufnahmen mit Amplitudenmodulation, zeigen die Signalstärke in Abhängigkeit von der Eindringtiefe."^[100]
• M-Mode: "Aufnahmen im Motion-Modus zeigen den zeitlichen Verlauf von Grenzflächen orthogonal[im rechten Winkel] zur Sichtachse des Schallkopfes."^[100]
• B-Mode: "Brightness Modulation. [..] Der Schallstrahl wird in einer zum Körper orthogonalen Ebene verschoben. Somit wird ein zweidimensionales Bild aufgenommen."^[100]
• Doppler-Verfahren: "[...] werden in der Sonographie eingesetzt, um Strömungsgeschwindigkeiten sichtbar zu machen."^[100]

"Vorteil der Sonographie ist, dass sie nicht, wie CT oder MRT Momentaufnahmen erstellt, sondern eine kontinuierliche Datenakquisition mit Echtzeitvisualisierung erlaubt"^[100]

7.1.4 Endoskopie

Flexible oder starre Sichtrohren werden eingesetzt um das Körperinnere zu untersuchen und auch zu operativer Behandlung eingesetzt. Diese sind mit sehr leistungsfähigen Kaltlichtquelle und verschiedenen Zusatzgeräten wie Messern, Zangen und Bohrern ausgestattet. Bei dieser Methode können entweder natürliche Zugangswege oder durch minimale Einschnitte durch die Bauchdecke, Gelenkkapseln oder das Schädeldach gezielt bestimmte Abschitte im Körper erreicht werden.^[101]

7.2 Chirurgie

Während eines chirurgischen Eingriffs stellt die Navigation der heutigen Systeme an starren anatomischen Strukturen (zum Beispiel Knochen) sowie durch Knochen umgebende Weichteile (zum Beispiel Gehirnmasse) kein Problem dar. Durch die starre Struktur der Knochen kommt es zu keiner Deformation, beziehungsweise Verformung. Die präoperativ gewonnenen 3D-Modelle lassen sich dabei eins zu eins während des Eingriffs tracken. Schwieriger gestaltet sich die Registrierung der Weichteile, da diese durch den Eingriff oder durch die Atmung ihre Form und Gestalt ändern.^{[102][103][104]} Anhand der Leberchirurgie soll der intraoperativer Eingriff unter dem Einsatz von Augmented Reality dargestellt werden.

Leberzellkrebs (Leberzellkarzinom) ist eine bösartige Neubildung in der Leber. Es wird dabei in "primär" (Ursprung der Neubildung direkt in der Leber), beziehungsweise "sekundär" (Absiedlung der kolorektalen Karzinoms (Metastasen von Darm- oder Magenkrebs)) unterteilt. Laut der deutschen Krebsgesellschaft e.V. liegt die Anzahl der neuerkrankten Menschen an Leberzellkrebs bei etwa 6000 pro Jahr. Die Resektion der onkologischen Leberchirurgie, was das Entfernen der Teile des Gewebes eines Organs oder Tumors bedeutet, zählt heute zu der einzigen kurativen Therapie. Ergänzend werden Chemo- und Strahlentherapie durchgeführt. Entscheidend für den Erfolg eines chirurgischen Eingriffs ist die Kenntnis der genauen Lage der Gefäße, des Tumors und die Einhaltung der Sicherheitsabstände. Eine Verletzung des Sicherheitsabstandes kann zur Aussaat der Tumorzellen führen.^{[105] [106] [107]} "Das Ziel der onkologischen Leberchirurgie ist, tumoröses Lebergewebe komplett und blutungsfrei zu entfernen. Hierbei dürfen keine verbleibenden Leberareale von der Durchblutung abgeschnitten werden und das Restlebergewebe muss eine ausreichende Funktionsleistung besitzen."^[108]

Entnommen aus: Röckl (2001) S. 6 Abbildung 24: Segmentale Gliederung der Leber nach Couinaud

Im klinischen Alltag findet die Lebereinteilung nach Couinaud aus dem Jahr 1957 in Verbindung mit den modernen bildgebenden Verfahren statt. Diese Einteilung erlaubt eine Teilresektion ohne den Rest der Leber zu gefährden. Dieses Modell nach Couinaud bietet jedoch nur eine Annäherungsdarstellung der Leber. Operation auf dieser Basis, ohne auf individuelle anatomische Gegebenheiten eines einzelnen Patienten einzugehen, kann unter Umständen "[...]zu über- oder auch unterdimensionierten Resektionen mit anschließender Nekrose von Lebergewebe"^[109] führen. Dieses Verfahren lässt sich jedoch mit dem virtuellen Navigationssystem wie "image-quided surgery system" (IGSS) weiter optimieren. Computergestütze Methoden bieten die Möglichkeit, chirurgische Eingriffe präoperativ zu planen. Diese Methode bietet sich vor allem bei so komplexen Organen wie der Leber an. Vor allem der komplexe Aufbau der Leber mit arteriellen und zwei venösen Gefäßbäumen und dem Gallengang der von Person zu Person anatomisch variiert, stellt eine Herausforderung dar. Hierfür bietet sich Augmented Reality als Lösung an, da man so in der Lage ist, diese komplexe Struktur räumlich darzustellen.^[110][111]

Am Deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) in der Abteilung für Medizinische und Biologische Informatik (MBI) wurde ein Prototyp "Augmented Reality for Intra-Operative Navigation (ARION)" entwickelt. Damit sollte die Machbarkeit einer bildgestützten intraoperativen Leberchirurgie nachgewiesen werden. Die bisher durchgeführten Studien bezogen sich meistens auf starre anatomoische Strukturen. Bei der Leberchirurgie besteht das Problem der Deformation während eines chirurgischen Eingriffs. Dabei greift man auf die Hilfe der Sensorik zurück, diese soll in Echtzeit das Deformationsmodell darstellen. Bei der Sensorik handelt es sich um ein magnetisches Trackingsystem. Dieses liefert ständig aktuelle Positions- und Lagedaten. Desweiteren wird intraoperativer Doppler-Ultraschall zur Navigationshilfe verwendet.^[112][113]

Entnommen aus: Universitätsklinikum Heidelberg (Hrsg.) (2009) Abbildung 25: Virtuelle Operations-Planung

Entnommen aus: Suthau (2006) S. 40 Abbildung 26: Präoperatives CT mit Segmentierungsergebnissen (rot=Leber, grün=Tumor, gelb=Gefäße)

Entnommen aus: Suthau (2006) S. 40 Abbildung 27: Gefäßbaum mit Resektionsvorschlag

Entnommen aus: Ucar (2003) S. 6 Abbildung 28: Navigationshilfe

Im Folgenden erfolgt eine kurze Beschreibung einzelner Schritte, die erforderlich sind um die Echtzeitnavigation in ARION Verfahren zu ermöglichen.

OP-Planung - Präoperativ werden kontrastmittelverstärkte Computertomographien der Leber erstellt. Aus einzelnen Schnittaufnahmen wird ein 3D-Konstrukt der Leber, deren Gefäße und des Tumors mittels computergestützen Operationsplanungssystems LENA des DKFZ zusammengesetzt. Als Ergebnis entsteht ein mathematisches Graphenmodell des portalen und venösen Gefäßbaumes, des tumorösen Gewebes mit umgebendem Sicherheitsabstand und berechnetem Resektionsvorschlag.^[114] Neben 3D Visualisierung bietet das Operationsplanungsprogramm auch die Möglichkeit die Leberfunktion nach der Resektion abzuschätzen. ^[115]

Registrierung - Vor der OP müssen die präoperativ vorbereiteten Daten mit dem intraoperativ gewonnenen Situs (Lageverhältnisse der Organe) abgeglichen und überlagert werden. Dieser Vorgang wird auch als Registrierung bezeichnet. Erst wenn dieser Vorgang abgeschlossen ist, kann der Operateur den Resektionsvorschlag auf das Organ übertragen. Da die Leber ausschließlich aus Weichteilen besteht kann eine Verformung, verursacht durch Atmung, Laparatomie des Abdomens (chirurgische Öffnung der Bauchdecke)oder Lagerung des Patienten eintreten. Um diesem Problem entgegen zu wirken bestehen verschiedene Registrierungsmöglichkeiten:^[116]

Oberflächenregistrierung	Die Oberfläche des Organs wird mit den präoperativen Daten registriert.	Die innere Verformung lässt sich bei dieser Methode nicht erfassen. Dies stellt ein Problem dar.
Gefäßbasierte Registrierung	Registrierung der innenliegender Strukturen anhand der Gefäße	"[..]Diese Methode ist jedoch zu rechenintensiv"[117]
Schritthaltende Registrierung nach Vetter	Diese Methode lässt auch tiefer liegende Strukturen in Echtzeit darstellen.	Topologieveränderungen des Organs werden erfasst.

Einsatz der Schritthaltenden Registrierung in ARION - nach Vetter gelten die bisherigen Registrierungsmodelle, die auf natürlichen oder künstlichen Landmarken auf der Oberfläche des Organs basieren als unzureichend und für die Praxis ohne Interesse. Begründung: An der Organoberfläche kann der Operateuer die Läsionen (Verletzungen, Störungen einer anatomischer Struktur) durch Palpation (Abtastung) feststellen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit weitere Hilfsmittel einzusetzen. Die Gefahr vitale Strukturen an der Leberoberfläche zu verletzen ist gering. Relevanter sei in der Leberchirugie jedoch der Einsatz in tieferliegenden Strukturen. Aus diesem Grund ist die Navigationsmethode: "Oberflächenregistrierung" für den intraoperativen Eingriff an der Leber nicht geeignet.^[118] Dieses Manko soll die Schritthaltende Registrierung mit Hilfe eines magnetischen Trackingverfahrens beseitigen. Das Verfahren soll den Chirurgen in die Lage versetzen auch an tieferliegenden Strukturen sicher, präzise und ohne die Gefahr beispielsweise den Venenhauptstamm zu verletzen agieren zu können. Das Verfahren wird in zwei Phasen aufgeteilt: Initialphase und Aufrechterhaltung der Registrierung.

Aus dem Doppler-Ultraschall-Datensatz werden die Gefäße extrahiert, und mit dennen aus der präoperativ vorbereiteten Datensätzen registriert. Zwischenzeitlich wird die Leber anästhesisch und mit chirurgischen Maßnahmen in ihrer Lage fixiert. ^[119] "Im registrierten Zustand werden in die Nähe der interessierenden Zielstrukturen Navigationshilfen [..] in die Leber eingebracht und in dieser verankert. Über diese Navigationshilfen kann nach Aufhebung der Leberfixierung die Position und die Deformation der Zielstruktur während der Resektion erfasst werden." ^[120]

Visualisierung - Anschließende Visualisierung erfolgt an einem autostereoskopischen Display. Das Display ermöglicht eine dreidimensionale Darstellung ohne weitere Hilfsmittel. Die Erfassung der Position des Betrachters erfolgt mittels einer Stereo- oder Infrarotkamerasystem. Das virtuelle Organ kann von der gewählten Startposition aus herum betrachtet werden. Dies ist zum Beispiel vorteilhaft, wenn die bedeutende Stelle durch andere Objekte verdeckt wird. Ebenfalls kann zur besseren Orientierung hierbei auch die Spitze des intraoperativen Instruments samt Entfernungsskala eingeblendet werden.

Der Nachteil dieser Visualisierungsart ist eindeutig die räumliche Trennung, denn die Hand-Auge-Koordination des Chirurgen wird stark beeinträchtigt. Der Operateur muss sich von dem Patienten abwenden, um die Position der Spitze des Resizierungsinstruments auf dem Display ablesen zu können.^[121][122]

Suthau geht in seiner Dissertation auf die Thematik ein, und stellt dabei einen Lösungsansatz vor. Von ihm vorgeschlagenes Augmented Reality System nimmt ARION als Basis und ergänzt dieses um eine See Through Komponente. Für seine Umsetzung stellt er fest, sei es notwendig "[...]alle beteiligten Komponenten (Objekt/Marker, HMD, Auge/Kopf, Trackingkamera, Augenkamera) geometrisch zu verbinden. Hierzu finden mathematische Grundlagen [...] Anwendung. [...] Im einzelnen sind folgende Aufgaben zu lösen:

• die Positionsbestimmung der Marker
• die Kamerakalibrierung (Orientierung/Verzeichnung),
• die HMD Kalibrierung (Orientierung/Verzeichnung) und
• das Verrutschen des HMD (Korrektur)"^[123]

Zahlreiche Studien belegen die Machbarkeit der Augmented Reality Lösungen in der Medizin mit den bereits heute verfügbaren Mitteln. Die Schwächen der Navigation, wie die Erfassung der Deformationen oder Verformungen werden deutlich. Die beschriebene Lösung nach Vetter^[124] bietet dabei sehr gute Ansätze und löst die Aufgabenstellung mit der "Schritthaltenden Registrierung". Diese Methode lässt sich jedoch nur über Laparatomie anwenden. Nur auf diese Weise lassen sich die Navigationshilfen einsetzen. Die gefäßbasierte Registrierung wird in Zukunft mit steigender Rechnerkapazitätleistung mehr an Bedeutung gewinnen. Erst dann wäre auch eine Augmented Reality basierte minimal invasive Therapie denkbar. Die Vorteile dieser Therapiemethode lassen sich laut Martens et al. nachweisen:

"Auch an der Leber lassen sich die Vorteile der minimal invasiven Therapie im Vergleich zur Laparotomie nachweisen: verringerte postoperative Analgesie[Unterdrückung der Schmerzempfindung], bessere postoperative Lungenfunktion, Reduktion postoperativer immunologischer Faktoren, zügigerer Kostaufbau, verkürzter Krankenhausaufenthalt und schnellere Erholung der Serum-Transaminasen-Werte[Anzahl der absterbenden Leberzellen]. Kontrovers diskutiert wird die Gefahr der Tumorzellverschleppung und der Trokarkanalmetastasen bei malignen Prozessen."^[125]

Auch der Einsatz von Augmented Reality würde bei dieser Therapieform mehr zur Geltung kommen, da der operative Arbeitsbereich tatsächlich durch die Bauchdecke verdeckt wird. Eine Augmented Reality Lösung würde dem Chirurgen die Visualisierung der Ereignisse sowie die verbesserte Hand-Auge-Koordination bieten.

7.3 Forschungen der Medizin in Augmented Reality

Nachfolgend werden in einer tabellarischen Übersicht die forschenden Institute und Hersteller in Augmented Reality zusammengestellt und die entsprechenden Anwendungen und Projekte aufgeführt. Suthau hat in seiner Dissertation die bestehenden Arbeitsgruppen untersucht und hat festgestellt, dass wenige Arbeitsgruppen sich erfolgreich mit der Optical See Through Technologie befasst haben. Dies hängt mit der Komplexität der positionsgenauen Einblendung der virtuellen Daten zusammen. Bisher wurde kein Optical See Through Projekt im intraoperativen Bereich erfolgreich durchgeführt, da die Systeme nicht die medizinischen und technischen Anforderungen erfüllen können. Im intraoperativen Bereich werden zur Zeit Monitorsysteme verwendet.^[126]

Entwickler:	Projekt:	Anwendung:	Technologie:	Datenquellen für Modellierung:	Tracking/Kalibrierung:
University of North Carolina Chapel Hill	UNC Ultrasound	Biopsie, Laparoskopie, Endoskopie	Video See Through HMD	Ultraschall	optoelektronisch
University of North Carolina Chapel Hill	UNC Laparascopy	Laparaskopie	Video See Through HMD	laparaskopische Aufnahmen	optisch, elektromagnetisch
Siemens AG		Biopsie	Video See Through HMD	Ultraschall	Video
Universität Wien	Varioscope AR	noch keine direkte Anwendung	Optical See Through Mikroskop	CT	optisch
United Medical School of Guys and St. Thomas Hospital	MAGI		Optical See Through Mikroskop	CT, MRT
Universität Karlsruhe	ARNO	Neurochirurgie	Mikroskop	CT, MRT	optisch
Universität Karlsruhe	INPRES	Weichgewesdefekte	Video See Through HMD
University College London	CAESAR	HNO (ENT) Chirurgie	Mikroskop, Stereomonitor	CT, MRT
National Cancer Center Hospital Tokyo		onkologische Eingriffe, Simulation	Video See Through HMD	MRT
University of Central Florida, Orlando	VRDA Tool	Kniegelenk-Untersuchungen	Optical See Through Mikroskop	MRT	optisch
Jikei University, Tokyo		Simulation von Eingriffen an elastischen Organen	Video See Through HMD	CT, MRT
Universität Erlangen-Nürnberg/ TU München		Laparoskopie	Video	CT, MRT	magnetisch
IRCAD Strasbourg		Laparoskopie	Video	CT	optisch
Katolike Universiteit		Kathederablation	Video	MRT, Elektrokardiogramm
TU Dresden		dentale Implantalogie			optisch
MIT AI Labarotories/Harvard		Neurochirurgie	offene MRT	MRT, andere	optisch
Image Research Laborotory/ London Health Science Center		Neuroendoskopie	Video (Endoskop)	CT, endoskopische Aufnahmen	optisch
Tokyo Women's Medical University	AR Navigation System for Neurosurgery	Neuroendoskopie	Video (Endoskop)	CT, MRT	optisch
Wayne State University		Neuroendoskopie	Video (Endoskop)	CT	optisch
Scuola Superiore S. Anna/Instituti Ortopedici Rizolli	CA Arthroscopic Knee Surgery	arthroskopische Chirurgie	Video (Arthroskop)	CT, MRT	optisch
Medical Applications Group		Leberchirurgie		MRT	optisch
IGD Darmstadt, Ewha Women's University Seoul	Med-SANARE	Diagnose, kardiologische Ausbildung		CT, MRT
Zentrum für Graphische Datenverarbeitung e.V. Darmstadt	MEDARPA	Punktion, Biopsie, Krebs- und Brachytherapie, Herzchirugie			optisch, magnetisch
Fraunhofer Medienkom. St. Augustin, Fraunhofer TEG Stuttgart, TU München	ARSyS / Tricorder	Mund-Kiefer-Gesichtschirurgie			optisch

Quelle: Suthau (2006) S. 32 ff.
Tabelle 2: Zusammenstellung der Augmented Reality-Arbeitsgruppen in der Medizin

8 Bewertung der Augmented Reality in der Medizin

Um eine Vorstellung über den Nutzen und die Tauglichkeit der beschriebenen Systeme zu gewinnen, soll im folgenden eine Bewertung stattfinden, bei welcher explizit Vor- und Nachteile beleuchtet werden sollen. Auch werden in diesem Abschnitt eventuelle Alternativen in Betracht gezogen, gefolgt von einem kurzen Ausblick in die Zukunft der Augmented Reality-Technologien.

8.1 Vorteile

Nach der Schilderung der verschiedenen Einsatzmöglichkeiten von Augmented Reality in der Medizin erscheinen die Vorteile recht deutlich: Augmented Reality-Systeme bieten eine deutliche Arbeitserleichterung für Chirurgen und Ärzte. Durch die Arbeitserleichterung wird auch das Risiko für den Patienten gemindert, denn durch die zusätzlichen Informationen, die durch ein Augmented Reality-System bereitgestellt werden, können mögliche Fehler besser erkannt und verhindert werden. Diese Verbesserung resultiert unter anderem daraus, dass der Chirurg sich nicht mehr von der Operation abwenden muss, um auf zusätzliche Anzeigen zu sehen und so seine gesamte Aufmerksamkeit auf die Operation richten kann.

Einen wieteren Vorteil bieten Augmented Reality-Systeme beim Einsatz zu Ausbildungszwecken. Hier können relativ realistische Bedingungen ohne großen Aufwand simuliert weren, um so die Qualität der Ausbilung zu steigern. Durch die bessere Schulung zukünftiger Ärzte und Chirurgen kann wiederum das Risiko für den Patienten gesenkt werden.

8.2 Nachteile

Ein Nachteil ergibt sich aus dem Fehlerrisiko solcher Systeme. Hierbei lassen sich im groben zwei Risiken identifizieren. Das Risiko des Ausfalls der Einblendung und das Risiko einer fehlerhaften Einblendung.^[127] Wobei eine fehlerhafte Einblendung wohl fatalere Folgen als der Ausfall der Einblendungen haben würde, da ein Chirurg, welcher sich auf die fehlerhafte Einblendungen verlässt, einem Patienten schwere Verletzungen zufügen könnte. Bei einem Ausfall der Einblendungen könnte ein Eingriff zumindest abgebrochen werden oder der Chirurg müsste auf die klassischen Methoden zurückgreifen. Solche Risiken können allerdings durch die Gestaltung des Systems minimiert werden. Dies ist beispielsweise durch die Implementierung von Sicherheitssystemen, welche die Richtigkeit der Einblendung prüfen, zu gewährleisten.

Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus dem momentanen Stand der Technik. Viele der Technologien, wie beispielsweise die Head-Mounted-Displays, sind zur Zeit noch groß und unhandlich. Sie schränken die Bewegungsfreiheit des Chirurgen ein. Zusätzlich haben viele Systeme noch Probleme mit Auflösung, Bildfrequenz und Genauigkeit. Auch die Sterilität solcher komplexen Gerätschaften zu gewährleisten stellt sich in vielen Situation als kompliziert dar. Schlussendlich kann es noch vorkommen, dass der permanente Blick durch ein solches Displaysystem Übelkeit hervorrufen kann, da das Bild der Kameras leicht verzerrt zur natürlichen Wahrnehmung ist.^[128] So schreibt auch Suthau: "Trotz einer großen Anzahl laufender und abgeschlossener Arbeiten gelangte bisher noch kein See Through Projekt zum intraoperativen Einsatz. Dies liegt einerseits an der zu geringen (oder nicht untersuchten) Genauigkeit der Systeme, andererseits daran, dass andere technische und klinische Anforderungen nicht erfüllt werden konnten."^[129]

Ein weiteres Problem ergibt sich zur Zeit noch bei den Tracking-Systemen. Während starre Strukturen, wie Knochen oder von Knochen umschlossenes Gewebe, von den Systemen mit hoher Zuverlässigkeit erfasst werden können, gestaltet sich die Verarbeitung von weichem und flexiblem Gewebe als problematisch.

Auch die Kosten eines solchen Systems sind vor allem für die Kliniken ein wichtiger Faktor. Wie auch bei vielen anderen medizinischen Systemen ist auch mit der Augmented Reality-Technologie ein gewisser Kostenfaktor verbunden. Je nach Ausführung des Systems kann dieser nicht unerheblich sein.

8.3 Alternativen

Eine Alternative zum Einsatz von Augmented Reality ist natürlich der bisher eingesetzte klassische Weg. Hierbei werden die vom Chirurgen benötigten Daten unabhängig von einer Operation bereitgestellt. Dieser muss immer zwischen Operation und bereitgestellten Daten wechseln. Hierdurch eliminiert man zwar das Risiko für eine Fehleinblendung, allerdings verzichtet man auf die von Augmented Reality herbeigeführten Vorteile.

Eine weitere Alternative sind Systeme wie ein Chirurgenroboter. Hierbei werden Operationen von einem Roboter durchgeführt, was den Vorteil hat, dass ein Roboter nicht unter Phänomenen wie zittrigen Händen oder Erschöpfung leiden kann. Eine solche Robotertechnologie ist in der Umsetzung noch komplizierter und muss höchsten Anforderungen genügen. Ebenfalls ist ein Roboter nicht in der Lage auf unerwartete Situationen zu reagieren.^[130] Diese Schwäche des Einsatzes autonomer Systeme hat sich bereits bei Robotern, welche zur Durchführung von Hüftoperationen genutzt worden, gezeigt. Hierbei entstehen immer wieder unangenhme Folgeschäden für die Patienten. Trotzdem kann man in der Medizin kaum noch auf Roboter verzichten, da sie neben der Zuverlässigkeit auch eine wesentlich höhere Präzision gewährleisten können. Daher werden Roboter momentan nicht mehr als Chirurgenersatz eingesetzt, sondern dienen dem Chirurgen ähnlich wie Augmented Reality-Systeme als Unterstützung bei komplizierten Eingriffen.^[131] Somit sind Roboter zur Zeit noch keine direkte Alternative zu Augmented Reality, sondern könnten sogar in Kombination eingesetzt werden. Sollte sich die Anpassungsfähigkeit der Robotor, zum Beispiel durch den Einsatz besserer künstlicher Intelligenzen, verbessern ist es weiterhin denkbar, dass dieser den Chirurgen aus den Operationssälen verdrängt und somit auch Augmented Reality überflüssig machen würde. Bis es so weit ist muss weiterhin auf das Wissen und die Erfahrung der menschlichen Chirurgen zurückgegriffen werden.

8.4 Ausblick in die Zukunft

Bisher bieten Augmented Reality Technologien noch viel Verbesserungspotential. Besonders bei den Displaysystemen besteht noch Entwicklungsbedarf. Hierbei geht es darum die Auflösung der Systeme zu verbessern und die Systeme kompakter zu gestalten, damit sie den Chirurgen nicht in der Beweglichkeit einschränken. Weitere Punkte an denen Verbesserungen durchgeführt werden müssen ist zum Einen das Problem, virtuelle Einblendung und betrachtete Objekte trotz unterschiedlicher Entfernung in gleicher Schärfe darzustellen. Zum Anderen muss bei Systemen wie dem Virtual-Retina-Display die Bestimmung des Blickwinkel des Benutzers verbessert werden. Hierzu werden beispielsweise Eye-Tracking-Systeme eingesetzt.^[132]

Neben den Displaysystemen bieten ebenfalls die Trackingsysteme Entwicklungsbedarf. Viele der Systeme bringen Einschränkungen mit sich, die das Arbeiten im Operationsaal erschweren können. So wird magnetisches Tracking durch metallische Gegenstände gestört, bei optischem Tracking dürfen die Personen nicht die zum Tracking eingesetzten Kameras verdecken und auch das mechanische Tracking schränkt durch die großen Apparaturen die Bewegungsfreiheit ein.

Neben dem technischen Entwicklungsbedarf muss sich diese Technologie auch noch in der Praxis bewähren und sich durchsetzen.

9 Fazit

Zusammengefasst ist Augmented Reality die Verschmelzung von Realität und virtuell erzeugten Objekten. Im Gegensatz zu Virtuellen Realität wird die reale Umgebung einbezogen und durch zusätzliche Einblendungen ergänzt. Augmented Reality stellt zwar gegebenenfalls geringere Anforderung an die Rechenkapazität eines Systems, erfordert allerdings wesentlich höhere Anforderung an Trackingsysteme. Zudem müssen Augmented Reality Syteme mobiler sein als Virtual Reality Systeme, da man sich mit ihnen in der realen Welt bewegt. Daher müssen sie ebenfalls in der Lage sein, die Umgebung zu erfassen und einzubeziehen.

Neben dem Computer, welche die virtuellen Objekte erzeugt und berechnet, benötigen Augmented Reality-Systeme noch spezielle Tracking- und Displaysysteme. Das Trackingsystem dient dazu, die Position des Displays, der Patienten und der Instrumente zu bestimmen, damit die Einblendung entsprechend berechnet werden kann. Das Displaysystem muss die reale Wahrnehmung mit den Einblendungen kombinieren. Die in der Medizin am verbreitetste Form des Displays sind die brillenbasierten Systeme, geführt von dem Head-Mounted-Display.

Diese Systeme lassen sich in der Medizin vielfältig einsetzen. Nachdem durch verschiedene Verfahren, wie Computertomographie, Magnetresonanztomographie oder Ultraschall Daten gesammelt wurden, können diese mit Hilfe von Augmented Reality dargestellt werden, um Ärzte und Chirurgen die Diagnose und eventuelle Operationen zu erleichtern. Ein Beispiel ist die Leberchirurgie. Hier wird Augmented Reality bei der Operation von Tumoren eingesetzt. So kann man beispielsweise wichtige Gefäße erkennen und verhindern, dass diese bei einer Operation verletzt werden. Auch kann man durch die Anzeige des Tumors das Risiko senken, eine Aussaat der Tumorzellen zu verursachen. Ebenso erweist sich in Augmented Reality in der Endoskopie als hilfreich, da der Chirurg hier keine natürliche Sicht mehr auf das zu operierende Gewebe hat. Diese Einschränkung kann durch die Anwendung von Augmented Reality ausgeglichen werden indem eine künstliche Ansicht generiert wird.

Neben die durch Augmented Reality erreichte Erleichterung für den Chirurgen, ergeben sich allerdings auch Nachteile. So haben Fehler im System fatale Folgen und auch die verwendete Technik bietet noch Entwicklungspotential. Denkbare Alternative wäre, neben dem klassischen Weg, noch der Einsatz von Chirurgenrobotern.

Obwohl die Roboterchirurgie eine denkbare Alternative wäre, ist sie ebenfalls durch den momentanen Stand der Technik limitiert. Ein Mensch kann immer noch besser auf unerwartete Situationen reagieren als eine Maschine, was ein klarer Vorteil für den Einsatz von Augmented Reality-Systemen ist. Roboter wären ebenfalls nur als Unterstützung denkbar und könnten sogar mit Augmented Reality kombiniert werden. Die technischen Defizite von Augmented Reality-Systemen lassen sich durch weitere Forschung und Entwicklung minimieren. Hier kann man auch immer wieder auf die Ergebnisse von anderen Entwicklungszweigen wie der Spieleindurstire zurückgreifen. Dies macht Augmented Reality-Anwendungen in der Zukunft vielversprechenden Technologie.

10 Literatur- und Quellenvezeichnis

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9. ↑ Vgl. Burdea, Coiffet (2003) S. 3 f.
10. ↑ Bühl (2000) S. 120 f.
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66. ↑ Vgl. Siebert (2002) S. 19 (Kapitel 2)
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78. ↑ Vgl. Burdea, Coiffet (2003) S. 4 f.
79. ↑ Vgl. Azuma (1997) S. 9 ff.
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84. ↑ Human Interface Technology Laboratory (HITLab): http://www.hitl.washington.edu
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