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53. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie e. V. (GMDS)

Deutsche Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie

15. bis 18.09.2008, Stuttgart

Zur Integration von Gelenkbewegungen in die Simulation von 2D-Röntgenverfahren für computergestützte Lehr- und Lernsysteme zur intraoperativen Behandlung

Meeting Abstract

  • Christopher Duwenkamp - Peter L. Reichertz Institut für Medizinische Informatik der Technischen Universität Braunschweig und der Medizinischen Hochschule Hannover, Braunschweig, Deutschland
  • Markus Wagner - Peter L. Reichertz Institut für Medizinische Informatik der Technischen Universität Braunschweig und der Medizinischen Hochschule Hannover, Braunschweig, Deutschland
  • Maik Plischke - u_m_i Informatik GmbH, Braunschweig, Deutschland
  • Klaus Dresing - Klinik für Unfallchirurgie, Plastische und Wiederherstellungschirurgie, Universitätsmedizin Göttingen, Göttingen, Deutschland
  • Oliver J. Bott - Abteilung Information und Kommunikation – Fakultät III, Fachhochschule Hannover, Hannover, Deutschland

Deutsche Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie. 53. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Informatik, Biometrie und Epidemiologie (gmds). Stuttgart, 15.-19.09.2008. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2008. DocMI2-1

Die elektronische Version dieses Artikels ist vollständig und ist verfügbar unter: http://www.egms.de/de/meetings/gmds2008/08gmds105.shtml

Veröffentlicht: 10. September 2008

© 2008 Duwenkamp et al.
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Gliederung

Text

Einleitung und Fragestellung

Durch interaktive Lehr- und Lernsysteme, wie z.B. virtX [1], [2], wird das Erlernen von intraoperativen Röntgeneinstellungen strahlungsfrei ermöglicht. Die hierfür benötigten Röntgenbilder werden basierend auf CT-Datensätzen von einem virtuellen Röntgenbildgenerator in Echtzeit berechnet. Ein realitätsnäheres Training erfordert, dass sich Veränderungen der Lage des Patienten und seiner Gelenkeinstellungen auf das generierte Röntgenbild auswirken. Das in virtX integrierte interaktive Patientenmodell [3] erlaubt bereits derartige Veränderungen am virtuellen Patienten vorzunehmen. Problematisch hierbei ist, dass die zugrunde liegenden CT-Datensätze die Simulation von Gelenkbewegungen nicht unterstützen. Es stellt sich daher die Frage wie die Bewegungen des interaktiven Patientenmodell auf die einzelnen Knochenstrukturen übertagen werden können und welche Schritte hierfür nötig sind.

Material und Methoden

Ausgehend von den CT-Datensätzen, einem interaktiven Patientenmodell und einem virtuellen Röntgenbildgenerator wurde ein Konzept zur Integration von Gelenkbewegungen in ein Lehr- und Lernsystem für das Erlernen von intraoperativen Röntgeneinstellungen entwickelt. Dieses Konzept wurde prototypisch für das Lehr- und Lernsystem virtX umgesetzt (siehe Abbildung 1 [Abb. 1]) und das so erweiterte System bei einem fünftägigen Kurs der Arbeitsgemeinschaft für Ostheosynthesefragen (AO) für Unfallchirurgen eingesetzt und evaluiert. An Hand einer Aufgabe zum Einstellen der Ala-, Obturator- und Lauensteinprojektion der Hüfte konnte das erweiterte System von den Teilnehmern genutzt werden. Mittels einer fünfstufigen Likert-Skala (5=„trifft voll zu“ bis 1=„trifft nicht zu“) wurde der Realismus der Übertragung der Patientenbewegung auf das virtuelle Röntgenbild von den Teilnehmern beurteilt. Zusätzlich wurden diese nach ihrer Berufserfahrung und Verwendungshäufigkeit des C-Bogens befragt.

Ergebnisse

Die einzelnen Schritte zur Simulation von Gelenkbewegungen sind in Abbildung 2 [Abb. 2] dargestellt. Der erste Schritt umfasst die Segmentierung einzelner Knochen aus den CT-Daten. Die segmentierten Knochen werden einzeln gespeichert und können optional um Registrierungsdaten erweitert werden, welche eine automatische Definition von Gelenkpunkten unterstützen. Basierend auf einer generischen Gelenkbeschreibung und den einzelnen segmentierten Knochen werden im folgenden Schritt die passenden Gelenkpunkte und Gelenkarten für den spezifischen Knochen festgelegt und diese Informationen mit einem Verweis auf die Datei des segmentierten Knochen in einer Gelenkbeschreibungsdatei abgelegt. Diese Datei wird vom Gelenkbewegungssimulator verwendet, um die einzelnen Knochen entsprechend der Bewegung des interaktiven Patientenmodells und mit Hilfe der aus der generischen Gelenkbeschreibung erzeugten Gelenksimulationsbibliothek zu bewegen. Unter Verwendung der so gewonnen, dem Patientenmodell entsprechenden Position der einzelnen Knochen und der virtuellen Röntgenquelle erzeugt der Röntgenbildgenerator abschließend das korrespondierende virtuelle Röntgenbild.

Von den 55 befragten Teilnehmern des OP-Kurses gaben 45 eine Einschätzung zur Aussage: „Die Übertragung der Patientenbewegung auf das simulierte Röntgenbild ist ausreichend realistisch“ ab. Die Aussage beurteilten 15 (33%) der Befragten mit „trifft voll zu“, 20 (44%) mit „trifft eher zu“, sieben (16%) standen der Aussagen neutral gegenüber, drei (7%) beantworteten sie mit „trifft eher nicht zu“ und niemand mit „trifft nicht zu“. Der Mittelwert lag bei 4,02 bei einer Standardabweichung von 0,88 („trifft voll zu“ = 5 und „trifft nicht zu“ = 1).

62% der Befragten gaben an den C-Bogen regelmäßig zu verwenden, 33% benutzten ihn gelegentlich und lediglich 5% hatte keine Erfahrung mit dem C-Bogen oder nur eine knappe Einweisung erhalten. Die Berufserfahrung lag im Mittel bei 12,6 Jahren bei einer Standardabweichung von 8,6.

Diskussion

Die Befragung zeigt, dass die Realitätsnähe der Gelenksimulation weitestgehend (zu 77%, nur 7% der Befragten äußerten Skepsis) positiv beurteilt wurde. Negativ wahrgenommen wird häufig der durch die CT-Datensätze bedingte Schnitt durch die Knochenstrukturen. Das Konzept zur Simulation von Gelenkbewegungen lässt sich, wie an Hand einer prototypischen Implementierung für das Lehr- und Lernsystem virtX gezeigt, realisieren und ist generell nicht auf dieses eine System beschränkt. Weitere Einsatzbereiche des Konzeptes müssen allerdings noch untersucht werden.


Literatur

1.
Bott OJ, Wagner M, Teistler M, Duwenkamp C, Ahrens CA, Grobe JH, Kimmel R, Lörchner A, Raab B, Stürmer KM, Pretschner DP, Dresing K. virtX - Ein rechnergestütztes System zum Training des intraoperativen Einsatzes eines mobilen Bildverstärkers. GMS Med Inform Biom Epidemiol. 2006;2(3):Doc16. Available from: http://www.egms.de/en/journals/mibe/2006-2/mibe000035.shtml. Externer Link
2.
Bott OJ, Teistler M, Duwenkamp C, Wagner M, Marschlollek M, Pliscke M, Raab BW, Stürmer KM, Pretschner DP, Dresing K. virtX- Evaluation of a Computer-based Training System for Mobile C-arm Systems in Trauma and Orthopedic Surgery. Ang. zur Veröff. in Methods Inf Med.
3.
Wagner M, Bott OJ, Pretschner DP, Plischke M, Dresing K. Integration interaktiver beweglicher Patientenmodelle in Computer gestützte Lehr- und Lernsysteme in der operativen Behandlung. In: Kongress Medizin und Gesellschaft 2007. Düsseldorf: German Medical Science GMS Publishing House; 2007. Doc 07gmds439. http://www.egms.de/en/meetings/gmds2007/07gmds439.shtml Externer Link