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30.07.2019 | VR-Technologien | Im Fokus | Onlineartikel

Virtuelles Fräsen

Autor:
Dieter Beste

Mehr als 200.000 Menschen erhalten in Deutschland pro Jahr eine Hüftprothese. Für einen besonders heiklen Operationsschritt, das Ausfräsen der Hüftpfanne, haben sich Forscher eine realistische Simulation einfallen lassen.

Der Erfolg einer Hüft-OP hängt auch vom Geschick des Chirurgen ab, die Hüftpfanne (Acetabulum) den Abmessungen des Implantats entsprechend auszufräsen. Die Operation erfordert viel Kraft bei gleichzeitig größtmöglicher handwerklicher Präzision. Erschwerend kommt hinzu, dass die zu bearbeitende Stelle für den Chirurgen kaum einsehbar ist. Bislang war es außerdem kaum möglich, diese Situation unter realitätsnahen Bedingungen zu üben, heißt es in einer Mitteilung der TU Chemnitz.

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Virtuelle Realität in der Medizin

Die Virtuelle Realität erlebt heutzutage eine noch nie dagewesene Popularität. Was in den 1980er- und 1990er-Jahren Forschungsinstitutionen und Universitäten vorbehalten war, ist mittlerweile im Massenmarkt angekommen. Bereits vor vielen Jahren …

Forscher der Universitäten Chemnitz und Bremen sannen auf Abhilfe und entwickelten in dem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt "HüftImplantatPfannenfräsSimulator, HIPS" einen Simulator. Dabei sieht der Anwender durch eine VR-Brille die Hüfte des virtuellen Patienten und bedient gleichzeitig eine Fräse, die an einen Roboter angeschlossen ist. Der Roboter liefert dabei ein realitätsgetreues haptisches Feedback, indem er beispielsweise beim virtuellen Fräsen den Widerstand simuliert, den der Knochen in einer realen OP aufweisen würde.

Grundlage für diese realistische Simulation sind Daten. Dafür vermaßen die Wissenschaftler den Fräsprozess genau und entwickelten auf dieser Grundlage entsprechende Logarithmen. So entstandene Software-Module integrierten sie in eine interaktive Anwendung, die auf einem anatomischen Modell basierte.

Satava, ein Pionier in der medizinischen Simulation, sah schon zu Beginn der 1990er-Jahre einen Paradigmenwechsel für die chirurgische Ausbildung aufgrund des Einzugs von VR-basierten medizinischen Simulatoren voraus. Er forderte, dass das Training der Chirurgen an definierten Qualitätsgüten gemessen wird. Diesem Ruf nach Qualitätssicherung in der Medizin wurde umso mehr Aufmerksamkeit geschenkt, als das Institute of Health in einer Studie die Todesfälle pro Jahr in den USA aufgrund von Kunstfehlern auf rund 100.000 bezifferte." Rüdiger Kramme (Hrsg.), Medizintechnik, Seite 846.

Maschinenbauer und Mediziner arbeiteten in dem im April dieses Jahres abgeschlossenen Forschungsprojekt HIPS Hand in Hand. Beteiligt waren die Professur Werkzeugmaschinenkonstruktion und Umformtechnik der Technischen Universität Chemnitz, das Technologie-Zentrum Informatik und Informationstechnik (TZI) der Universität Bremen, die FAKT Software GmbH in Leipzig und der CAT Production GmbH in München. Von medizinischer Seite wurde die Entwicklung von der Klinik für Orthopädie, Unfallchirurgie und Plastische Chirurgie des Universitätsklinikums Leipzig, dem Zentrum zur Erforschung der Stütz- und Bewegungsorgane (ZESBO), der Forschungsgruppe für klinische Anatomie der University of Otago (Neuseeland) sowie der Medizintechnik-Abteilung des Fraunhofer Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) begleitet. 

Mit DIVR Award 2019 ausgezeichnet

Für die erfolgreiche Umsetzung des Forschungsvorhabens wurde das Projektkonsortium kürzlich vom Deutschen Institut für Virtual Reality (DIVR) mit dem DIVR Award 2019 in der Kategorie "best tech" ausgezeichnet. Aktuell planen die Wissenschaftler die Weiterentwicklung des Systems, um weitere Operationsschritte abbilden zu können. Dann sollen angehende Chirurgen auch das Abtrennen des Hüftgelenkkopfes, das Ausschaben des Oberschenkelknochens und die Implantation des Kunstgelenkes in der virtuellen Realität trainieren können.
 

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