Dissertation Konrad Mühler

"Animationen und Explorationstechniken zur Unterstützung der chirurgischen Operationsplanung"
von
Konrad Mühler

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Titel: Animationen und Explorationstechniken zur Unterstützung der chirurgischen Operationsplanung
Autor: Konrad Mühler
ISBN: 978-3-8322-9311-6
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Reihe:

Magdeburger Schriften zur Visualisierung
Herausgeber: Prof. Bernhard Preim Magdeburg
   
Kontakt: Konrad Mühler - muehler@gmail.com
Homepage: http://www.kfiles.de

Zusammenfassung

Der Einsatz immer besserer medizinischer Visualisierungen in der chirurgischen Operationsplanung gewinnt zunehmend an Bedeutung. Ziel der Arbeit war daher die Entwicklung neuer Techniken zur Unterstützung des chirurgischen Operationsplanungsprozesses. Der Fokus lag auf Techniken der 3D-Exploration. Es konnte ein neuartiges Verfahren zur automatischen Bestimmung von Sichtpunkten in Szenen anatomischer Strukturen entwickelt und validiertwerden. Die dadurch geschaffenenGrundlagen wurden genutzt, um optimale Kamerapfade in Animationen zu berechnen und ähnliche Sichtpunkte zusammenzufassen. Zur Darstellung zusätzlicher Informationen wurden zwei- und dreidimensionale Szenen mit textuellen Annotationen versehen. Die dabei entwickelten Techniken erlauben die automatische Annotation beliebiger Strukturen mit einer großen Bandbreite an verschiedenen Stilen. Weiterhin wurde ein Framework zur automatischen Generierung von Animationen entwickelt und mit den Keystates ein Konzept vorgestellt, das vor allem den komplexen Prozess derDefinition von Animationsinhalten vereinfacht und einmal getroffene Visualisierungsentscheidungen wiederverwendbar macht.

Anwendung fanden die entwickelten Techniken in einem neuartigen chirurgischen Trainingssystem, dem LiverSurgeryTrainer. Durch dessen Entwicklung konnten viele der Techniken in einem praktischen Umfeld validiert werden. Die im Rahmen der Entwicklung gewonnen Erkenntnisse bezüglich der Gestaltung von Benutzeroberflächen für chirurgische Anwendungen konnte in einen ersten Style-Guide überführt werden.

Es wurde ein spezielles Toolkit für die verbesserte Erstellung chirurgischer Applikationen entwickelt, das Medical Exploration Toolkit. Zusammenmit der Entwicklungsplattform MeVisLab ist esmit dem METK möglich, nutzerfreundliche Applikationen für den klinischen Einsatz schnell und effektiv zu erstellen. Dabei kann der Funktionsumfang einer Applikation aus einem breiten Angebot aus verfügbaren Visualisierungs- und Explorationstechniken individuell zusammengestellt werden.

Abstract

The main scope of this thesis is the development of new techniques to support the surgical intervention planning.The focus concentrates on techniques for the exploration of anatomical 3d scenes. A new technique to select good viewpoints in such scenes automatically was invented and, e.g., used to generate good camera paths in animations and to cluster similar viewpoints. To provide additional textual information visualizations, techniques for automatic annotation of 2d and 3d scenes with a broad range of styles were developed.

Furthermore, a framework for the automatic generation of animations was established and the concept of keystates was introduced to facilitate the definition process of animations and the reuse of visualizations.

The developed techniques were integrated and evaluated in a new surgical training environment: the LiverSurgeryTrainer.The gained knowledge regarding the design of user interfaces of surgical applications was used to create a first style guide for such applications.

For the fast prototyping of medical applications, theMedical Exploration Toolkit was developed. Integrated in the development environment MeVisLab this toolkit supports an efficient prototyping of applications for clinical use with a lot of state of the art visualization and interaction techniques.

Videos

Video 1

Gezeigt wird ein Video aus einer Planung einer Leberlebendspende. Das Video wurde in manueller Arbeit in mehreren Stunden aufwendig erzeugt. Es konnte mit dem Animations-Framework über ein Skript innerhalb weniger Minuten "nachgebaut" werden und kann nun für zukünftige, ähnliche Fälle in Echtzeit generiert werden.


Video 2

Gezeigt wird an einem Patientenmodell des Knies die Kniescheibe zu Lehrzwecken. Hierzu wird diese aus dem Knie heraus bewegt. Verschiebungen von Strukturen in anatomischen Patientenmodellen werden nur sehr selten vorgenommen, da sie den Eindruck der räumlichen Zuordnung der Strukturen untereinander verfälschen.


Video 3

Gezeigt werden verschiedene Kameraflüge auf Lymphknoten, bei denen die Sichtpunkte noch manuell und nicht automatisch bestimmt werden mussten.


Video 4

Das Video zeigt eine längere Einführung in einen Trennungsvorschlag für eine Leberteilung. Dabei werden verschiedene Teile der Gefäßbäume, die Teilungsebene sowie wichtige Segmente nacheinander für den Betrachter hervorgehoben.


Video 5

Es wird eine längere Animation einer Halsdarstellung gezeigt. Dabei werden die Lymphknoten entsprechend ihrer Größe (und damit Wichtigkeit bei der Operationsplanung) eingefärbt.


Video 6

Es ist eine Animation einer Darstellung der Leber zu sehen, bei der die Kamera auf einen gute Sicht auf eine minimale Distanz zwischen Tumor und Gefäß zoomt.


Video 7

Dieses Video ist ein Beispiel, wie schlechte Sichten während eines Kamerafluges an den Polen der umgebenden Kugel eingenommen werden.


Video 8

Verschiedene Videos, wie sie zu Präsentationszwecken in einem Tumorboard zum Einsatz kamen.


Video 9

Dieses Video ist ein Beispiel für die Wiederverwendung einer einmal definierten Animation im Forschungskontext. Es ging darum, verschiedene Arten der Gefäßvisualisierung miteinander visuell zu vergleichen. Durch die exakte Beschreibung der Animation konnten identische Kameraflüge auf unterschiedlichen Darstellungen erreicht werden, die sich visuell sehr gut vergleichen ließen.


Video 10

Die Animation zeigt verschiedene Lymphknoten im Halsbereich aus guten Sichtpunkten, die automatisch in Echtzeit ermittelt wurden.


Video 11

Dieses Video verdeutlicht die Nachteile eines instabilen Sichtpunktes, bei dem schon kleinste Änderungen der Kameraposition zu einer Verdeckung der Zielstruktur führen.


Video 12

In diesem Video wird die Methode des interaktiven Blendens mit verschiedenen Varianten demonstriert.


Video 13

Prototypische Studie es Kontextmenüs zur interaktiven Manipulation von Objekteigenschaften direkt in einer 3D-Szene.


Video 14

Demonstration des NeckSurgeryPlanners, der auf Basis des METK aufgebaut wurde. Gezeigt werden verschiedene im METK integrierte Techniken sowie die Nutzung von Keystates zur Erzeugung eines Videos zu einer Tumorboardbesprechung.


Video 15

Demonstration, wie eine einfache Applikation in MeVisLab mithilfe des METK erstellt werden kann.


Video 16

Mitschnitt des Entwicklungsprozesses der Evaluierung des METK - Entwicklung einer Beispielapplikation mithilfe von METK-Modulen (siehe auch Video 17).


Video 17

Mitschnitt des Entwicklungsprozesses der Evaluierung des METK - Entwicklung einer Beispielapplikation unter ausschließlicher Nutzung von MeVisLab-Modulen (siehe auch Video 16).


Video 18

Demonstration des Einsatzes von Keystate zur Generierung vergleichbarer Animationen aus verschiedenen Patientenmodellen.


copyright 2010 - Konrad Mühler - konrad@my-rho.de