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Video Optical See-Through Augmented Reality surgical System

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Technologie mit erweiterter Realität für größere Präzision in der Chirurgie

Medizinische Bildgebungsverfahren wie CT oder MRT vereinfachen die Diagnose, aber auch die präoperative Planung und Führung beim chirurgischen Eingriff. Ein europäisches Projekt stattete nun eine innovative Datenbrille (Head-Mounted Display, HMD) mit Erweiterter Realität (augmented reality, AR) für eine submillimetergenaue Echtzeit-Führung bei chirurgischen Eingriffen aus.

Gesundheit

Das Konzept, durch AR-Projektion die Sicht bei chirurgischen Operationen zu verbessern, ist nicht neu. AR-Systeme blenden virtuelle Zusatzinformationen über das Display eines Helms in reale Umgebungen ein. Obwohl HMDs die ergonomischste und einfachste Lösung darstellen, ist eine qualitativ hochwertige Präsentation virtueller Inhalte Voraussetzung für eine effiziente AR-Unterstützung in der Chirurgie. HMDs arbeiten mit optischer oder videobasierter Durchsicht. Bei Displays mit optischer Durchsicht werden über optische Elemente reale und virtuelle Elemente kombiniert. Die virtuellen Informationen werden in die Sichtachse projiziert und erweitern so auf direktem Weg die reale Umgebung. Bei Systemen mit videobasierter Durchsicht erstellt eine Kamera digitale Videos der realen Umgebung und ergänzt sie durch computergenerierte Bilder (virtuelle Inhalte).

HMDs mit hybrider Technologie

Schwerpunkt des EU-finanzierten Projekts VOSTARS war es, die reale Umgebung bei chirurgischen Eingriffen mit sämtlichen verfügbaren virtuellen Daten zu ergänzen. Die wissenschaftliche Expertise der Arbeitsgruppe vereinte computergestützte Chirurgie, Computergrafik, Optik und Elektronik, um eine bahnbrechende Hybridtechnologie mit optischer und videobasierter Durchsicht für HMD zu entwickeln. VOSTARS ist das bislang erste AR-HMD, das eine patientenspezifische Planung im Submillimeterbereich erlaubt. In das HMD wurden zwei sehr kleine Kameras für eine hochpräzise und fokussierte videobasierte Einblendung integriert. Videobasierte Durchsicht kombiniert mehrere Videobilder und erreicht so eine noch präzisiere Genauigkeit bei chirurgischen Eingriffen. Das Hybrid-HMD ermöglicht die 3D-Navigation in der Patientenanatomie, unterstützt durch eine hochflexible Software, die Anwendungen mit optischer und videobasierter Durchsicht kombiniert. „VOSTARS erlaubt die präoperative Planung in Echtzeit, wobei die AR-Projektion durch Kombination verschiedener Modalitäten optimiert wird“, erklärt Vincenzo Ferrari, Projektkoordinator von VOSTARS und Dozent für Biomedizintechnik an der Universität Pisa. Das HMD von VOSTARS schnitt in klinischen Anwendungstests mit sehr guten Ergebnissen ab. Laut Ferrari „demonstrierte das Projekt vor allem, dass AR während der Operation die genaue Führung der Hand und damit das chirurgische Ergebnis verbessert.“

HMD von VOSTARS – die Zukunft AR-gestützter Chirurgie?

Eine bildgebungsgesteuerte Chirurgie, die die patientenspezifische Anatomie und Pathologie einbezieht, könnte künftig die präoperative Planung verbessern, etwa um Schnittverläufe zu optimieren, minimalinvasiver zu arbeiten und das klinische Ergebnis zu verbessern. Die VOSTARS-Technologie könnte ein Durchbruch in der bildgesteuerten Chirurgie sein, da sie eine direkte Operationsplanung in Echtzeit ermöglicht und bislang keine vergleichbaren Technologien für die chirurgische Navigation auf dem Markt sind. Beim chirurgischen Eingriff können innere Anatomie und Körperregionen dargestellt werden, die mit bloßem Auge in der Regel nicht erkennbar sind, was zum Beispiel die Positionierung von Implantaten deutlich vereinfachen würde. Zudem ist das HMD eine Alternative zu handelsüblichen AR-Geräten, die in anderen Bereichen wie der Flugzeug- und Automobilindustrie zum Einsatz kommen. Die technische Optimierung des VOSTARS-Prototypen für chirurgische Eingriffe wurde über das Projekt ARTS4.0 unterstützt, das wiederum über das europäische Förderprogramm Por Fesr finanziert wurde.

Schlüsselbegriffe

VOSTARS, HMD, AR, VST, OST, bildgesteuerte Chirurgie, Augmented Reality, Erweiterte Realität, Head Mounted Display, optische Durchsicht, videobasierte Durchsicht

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