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Virtuelle und reale Objekte als natürliche Bewegungsgrenzen in der Virtual Reality Exposure Therapy
(2019)
Zur Behandlung von Angststörungen – welche mit zu den häufigsten psychischen Erkrankungen in Deutschland gehören – bietet die klassische Expositionstherapie gute Erfolgsaussichten [1]. In den letzten Jahren entwickelte sich die Virtual Reality Exposure Therapy (VRET), welche eine interessante Alternative darstellt. Eine Studie zeigte 2013 die Effektivität einer VRET [2]. Problematisch ist allerdings die Lokomotion in psychotherapeutischen Praxen mit geringem Raumangebot. Gängige Sicherheitssysteme zur Kollisionsvermeidung wie Lighthouse‘s Chaperone [3] [4] oder Occulus Guardian [5] zeigen bei Annäherung an die Grenzen des sicheren Bereiches eine auffällige optische Warnung an. Dies kann jedoch bei den Benutzern zu unerwünschten Präsenzeinbrüchen (breaks in presence) führen.
Simeone et al. [6] konnten nachweisen, dass in einer virtuellen Umgebung rein virtuelle Gegenstände oder Wände von den Benutzern als real wahrgenommen und umgangen werden. Dieser Effekt liess sich durch zusätzliche reale Gegenstände im Raum noch verstärken.
In dieser Masterarbeit wurde untersucht, ob sich die Ergebnisse von Simeone et al. [6] auch auf die Anwendung der VRET übertragen lassen.
Dazu wurde eine Studie mit 2 Gruppen zu je 12 Probanden durchgeführt. Alle hielten 2 Vorträge in einer virtuellen Umgebung, je einen Vortrag mit Avatar und einen ohne. Während eine Gruppe sich in einer virtuellen Umgebung mit ausschliesslich virtuellen Objekten bewegte, waren in der anderen Gruppe zusätzlich reale Gegenstände vorhanden.
In der vorliegenden Masterarbeit konnte gezeigt werden, dass die Ergebnisse von Simeone et al. [6] auch für VRET Anwendungen gültig sind. Virtuelle Objekte werden auch von Patienten eines VRET Systems als Begrenzungen akzeptiert. Zudem lassen sich physische Objekte in die virtuelle Umgebung integrieren, ohne dass es zu Kollisionen mit den Benutzern kommt oder die Benutzer eine erhöhte Angst vor Kollisionen haben. Obwohl das Vorhandensein eines Avatars in der durchgeführten Studie keinen Einfluss auf die Ergebnisse hatte, wünschen sich die Benutzer einen Avatar in der VR.
Der sichere Aufenthaltsbereich kann also bereits in der virtuellen Umgebung durch virtuelle Objekte abgegrenzt werden, wodurch - zugunsten der Vermeidung von Präsenzeinbrüchen - auf ein System wie Lighthouse`s Chaperone [3] [4] verzichtet werden kann. Ausserdem müssen reale Gegenstände nicht aus dem Bewegungsbereich der Benutzer ausgeschlossen werden, sondern lassen sich in die virtuelle Umgebung integrieren. Dies stellt eine praktikable Möglichkeit dar, den für VRET nutzbaren Raum in psychotherapeutischen Einrichtungen zu optimieren. Somit stellt die VRET eine echte Alternative zur klassischen Expositionstherapie dar.
Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht die Entwicklung eines Verfahrens für das Erzeugen
von möglichst realitätsnahen Telepräsenzsimulationen für die Information von Patienten
in der Strahlentherapie sowie die Anwendung des Verfahrens in der Entwicklung
einer VR-Applikation auf Basis eines Demonstrators.
Nach einer Literaturrecherche bezüglich des aktuellen Stands der Aufklärung von Patienten
wurden die Grundlagen von Virtual und Augmented Reality hinsichtlich der
gegebenen Hardware ermittelt. Hierauf folgte die Auswahl von Software für das Scannen
von realen Objekten mit dem gegebenen Tablet in einem Bestrahlungsraum des
DKFZ sowie die Auswahl einer Game Engine für die Entwicklung des Demonstrators.
Daraufhin wurde ein Rekonstruktionsalgorithmus ausgewählt. Anschließend wurden
verschiedene Objekte im Bestrahlungsraum gescannt, sodass die Parameter des Algorithmus
iterativ hinsichtlich der Qualität der erzeugten Objekte für den Einsatz in
einer VR-Anwendung optimiert werden konnten. Daraufhin erfolgte eine Texturierung
der Oberfläche mit Kamerafotos. Nach einer Aufbereitung der Modelle wurden diese
in ein Virtual Environment importiert. Parallel dazu wurde nach der Auswahl der Unreal
Engine als Game Engine, der Demonstrator entwickelt, in welchen die gescannten
Modelle integriert wurden.
Das Verfahren liefert ausreichend genaue Ergebnisse, um Konzepte in der Strahlentherapieaufklärung
vermitteln zu können. Der Effekt und die Akzeptanz der Technik
spielen eine weitere wichtige Rolle für den Einsatz der Methodik und müssen durch eine
Evaluation im klinischen Alltag validiert werden, wofür die Entwicklung einer klinisch
anwendbaren Software auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse notwendig wird.
Viele schwerstkranke Patienten hegen den Wunsch die letzte Zeit ihres Lebens im häuslichen Umfeld, statt im Krankenhaus zu verbringen. Eine wichtige Voraussetzung dafür ist eine gute Kommunikation zwischen allen Beteiligten des Versorgungsprozesses, damit ambulante und stationäre Versorgung gut aufeinander abgestimmt werden können. Derzeit gibt es nur wenige strukturierte Untersuchungen, welche Informationsbedürfnisse die im Bereich der palliativen Versorgung beteiligten Akteure besitzen und ob und in wieweit diese mit mobilen Anwendungen unterstützt werden können. Die vorliegende Arbeit untersucht, welche Akteure hauptsächlich am Prozess der palliativen Versorgung sowohl im ambulanten als auch im stationären Umfeld beteiligt sind und welche Informationsbedürfnisse diese haben. Weiterhin werden bisher verwendete Werkzeuge, Apps und Anwendungssysteme darauf untersucht, inwiefern sie diesen Informationsbedarf erfüllen. Die Untersuchungen basieren auf einer systematischen Literaturrecherche sowie Hospitationen in drei verschiedenen palliativen Einrichtungen: einer spezialisierten ambulanten Palliativversorgungs Einheit in Buchen im Odenwald, einer Palliativ-Station in Heidelberg sowie einer Palliativ-Einrichtung in Santiago de Chile. Es hat sich herausgestellt, dass die stationären Einrichtungen bereits sehr gute Strukturen für Informationsaustausch und -bereitstellung etabliert haben, diese jedoch im ambulanten Bereich weniger wirksam sind. Gründe hierfür liegen in der größeren örtlichen Distanz und den damit verbundenen längeren Kommunikationswegen im ambulanten Bereich. Ebenso ist bedingt durch den zusätzlichen Fahrtaufwand bei gleicher Patientenzahl und Visitendauer nur eine geringere Anzahl an Visiten möglich. Bisher sind hier aber vor allem die informationsverarbeitenden Prozesse aufgrund der geringen Größe der Einrichtungen und der hohen Individualität der Behandlung wenig automatisiert und automatisierbar. Die für die Palliativversorgung existierenden Softwareprodukte sind hierfür zu umfangreich oder nicht ausreichend adaptierbar. Es hat sich gezeigt, dass der Bedarf an mobiler, technischer Unterstützung vor allem in der ambulanten Palliativversorgung in den Bereichen Dokumentation und Abrechnung, aber auch bei der Bildung und Weiterbildung von Fachpersonal, Patienten und Angehörigen derzeit nicht gedeckt werden kann.
Ein Tumor ist eine örtlich umschriebene Zunahme des Gewebevolumens, im engeren
Sinn eine gewebliche Neubildung, ein Geschwür in Form eines enthemmten und
irreversiblen Überschusswachstums von körpereigenem Gewebe [33].
,,In Europa sind 3-5% [...] aller malignen Tumoren des Menschen Tumoren der Mundhöhle,
davon stellen die Plattenepithelkarzinome mit 95% den größten Anteil.” [28].
Nur 25-40% der Patienten mit Lymphknotenmetastasierung erreichen die 5-Jahres-Überlebensrate im Gegensatz zu ca. 90% der Patienten ohne Metastatisierung [29].
Oft werden diese Tumore spät erkannt und müssen deshalb durch eine Operation
entfernt werden. Das Plattenepithelkarzinom kann den Kiefer infiltrieren, die notwendige
Resektion des Tumors kann zu einer Verschlechterung der Ästhetik, zum Verlust der Kaufunktionalität und der Sprechfunktionalität führen.
Im Universitätsklinikum Heidelberg (UKHD) werden verschiedene Verfahren zur
Rekonstruktion angewandt, wie die Rekonstruktion mithilfe der körpereigenen Fibula(dt.Wadenbein), deren Schaft dafür entnommen wird. Aus diesem Schaft werden Segmente gesägt, mit welchen dann der ursprüngliche Verlauf der Mandibula
(dt. Unterkiefer), in dem resezierten Bereich, rekonstruiert wird. Die Rekonstruktion
erfolgt mit einer speziellen Platte auf welcher die Fibulasegmente befestigt werden. Diese Platte wird anschließend am Restunterkiefer fixiert.
Die Schwierigkeit besteht in der Nachbildung des Unterkieferverlaufs und der Erhaltung
des Kiefergelenks. Bei dieser Operation muss die Ischämiezeit, die Zeit, welche ein Organ ohne Blutversorgung schadlos überstehen kann, berücksichtigt
werden. Ohne eine genaue Schnittführung ist die Wahrscheinlichkeit größer, dass
die gesägten Segmente nachbearbeitet werden müssen, was wiederum ein zeitliches
Problem ist.
Deshalb wird Rekonstruktion mit Cutting-Guides (dt. Sägeschnittschablone) unterstützt. Diese Guides werden nach der Planung der Operation angefertigt. Sie
werden in der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie (MKG) des UKHD von einem
Zahntechniker hergestellt. Alternativ gibt es industrielle Dienstleister, die diese Guides herstellen können. Diese sind jedoch wesentlich teurer als die in der MKG etablierte Lösung.
Die häufigste Todesursache in Deutschland sind Erkrankungen des Herz-Kreislaufsystems. Zwei häufig auftretende Krankheiten sind Aortenaneurysmen und Aortendissektionen. Für die Diagnose und die computerunterstützte OP-Planung wird eine semantische Annotation der präoperativ akquirierten Bilddaten benötigt. Dies wird herkömmlich durch eine manuelle Segmentierung der betroffenen Strukturen erreicht. Mit Verfahren aus der medizinischen Bildverarbeitung, darunter die deformierbaren Modelle, ist es möglich diese Segmentierung weitgehend zu automatisieren. In dieser Masterarbeit wird ein Verfahren vorgestellt, das mit Hilfe von deformierbaren Modellen eine automatische Segmentierung der Aorta und Aortenpathologien in 2D-CTA-Aufnahmen ermöglicht. Hierfür wurde ein geeignetes deformierbares Modell identifiziert, welches mit üblichen Störungen von CTA-Aufnahmen zurecht kommt. Das Verfahren ist eine Kombination aus den Dual Snakes und den GVF-Snakes und wird Dual-GVF-Snakes genannt. Das Besondere an diesem Verfahren ist, dass nicht nur das Lumen der Aorta und eines Aortenaneurysmas, sondern auch die zwei Lumen einer Aortendissektion gleichzeitig segmentiert werden können. Realisiert wird dies durch eine Unterteilung der Kontur in Segmente mit unterschiedlichen Eigenschaften. Das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren wurde zur Segmentierung von Objekten in synthetischen und klinischen Bilder angewendet, wobei die klinischen Bilder die Aorta, ein Aortenaneurysma und verschiedene Aortendissektionen beinhalten. Zur Evaluierung wurde das Verfahren mit den GVF-Snakes und den AB-Snakes verglichen, indem der Abstand zwischen Referenzkonturen und berechneter Konturen ermittelt wurde. Ein Vorteil gegenüber GVF-Snakes ist, dass zwei Objekte segmentiert und voneinander unterschieden werden können. Im Gegensatz zu den GVF-Snakes und den AB-Snakes müssen weniger Parameter eingestellt werden und die Membran zwischen den beiden Lumen der Aortendissektion wird erkannt. Das Verfahren ist robuster gegenüber der Initialisierung und lierfert vergleichbare Ergebnisse wie das GVF-Snakes Verfahren mit gezielter Initialisierung.
Ultraschallbildgebung ist ein in der Medizin häufig verwendetes Verfahren zur Diagnostik und Verlaufskontrolle. Ultraschall bietet vor allem eine große Weichteilauflösung bei gleichzeitig niedrigen Kosten, erfordert aber vom Anwender ein großes Maß an Erfahrung. Aufgrund vieler Artefakte und Verzerrungen in Ultraschallbildern ist die Bildqualität der Bilder deutlich geringer, als die derer, die mittels Magnetresonanztomographie erstellt werden können. Deshalb arbeiten viele verschiedene Forschungsgruppen an der Verbesserung der Modalitäten und Datensätze im Zusammenhang mit Ultraschallbildgebung. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines robotergestützten Ultraschalltomographen. Das Gerät ist in der Lage tomographische Bildserien von Phantomen und Weichgewebe zu erstellen, die anschließend dreidimensional visualisiert werden können.
Im Bereich der Krebsdiagnose und -therapie gewinnen neue minimalinvasive Verfahren zunehmend an Bedeutung. Beispiele hierfür sind Nadelpunktionen, bei denen zur Diagnose eine Gewebsprobe entnommen (Biopsie) oder durch Zerstörung des Gewebes im Bereich der Nadelspitze eine Krebserkrankung therapiert wird (Ablation). Eine zentrale Herausforderung hierbei ist die genaue Platzierung der Nadel. Am deutschen Krebsforschungszentrum (DKFZ) wurde ein computergestütztes Navigationssystem für Nadelinsertionen entwickelt, das sich im in-vivo Versuch als höchst akkurat zeigte. Trotz der vielversprechenden Ergebnisse kam das System bisher jedoch nicht am Patienten zum Einsatz. Dies ist unter anderem auf die schwierige Integration des Systems in den klinischen Workflow und die erhöhte Invasivität zurückzuführen. Vor diesem Hintergrund war das Ziel dieser Arbeit zum einen die Entwicklung einer flexiblen, erweiterbare Software für die navigierte Weichgewebepunktion, zum anderen die Weiterentwicklung des Navigationssystems durch die Einbindung eines neuen Feldgenerators für das elektromagnetische Trackingsystem NDI Aurora. Die Implementierung der Software erfolgte aufbauend auf der Bibliothek MITK und dem enthaltenen Modul MITK-IGT. Dabei wurde ein komponentenweiser Aufbau umgesetzt, welcher einen einfachen Austausch oder Erweiterungen der einzelnen Komponenten ermöglicht. Des Weiteren wurde der neue Feldgenerator bezüglich Genauigkeit und Präzision in der Einsatzumgebung evaluiert und es erfolgte ein Test des Navigationssystems unter klinischen Bedingungen. Abschließend kann festgestellt werden, dass durch die gezeigte Flexibilität und Erweiterbarkeit der entwickelten Software zahlreiche Möglichkeiten zur Weiterentwicklung offen stehen. Bezüglich des Feldgenerators zeigte sich das vielversprechende Potential dieses Geräts für die Weiterentwicklung medizinischer Navigationssysteme.
Ziel dieser Arbeit soll es sein, ein Verfahren zu entwickeln, das bildbasiert mit Hilfe eines Interpolationsmodells die Bewegung von Lungentumoren modellierbar macht, unter der Berücksichtigung, dass die Erkennbarkeit der Tumore während der Therapie nicht immer gewährleistet ist. Als erster Schritt soll daher ein geeignetes internes Surrogat für die Tumorbewegung ermittelt werden. Dessen Bewegungen während der Atmung des Patienten sollen mit Hilfe von kontinuierlich aufgenommenen zweidimensionalen Fluoroskopieaufnahmen quantifiziert werden. Anschließend sollen die gewonnenen Informationen als Eingabewerte für ein Interpolationsmodell genutzt werden, um diese Bewegung auf den Tumor im Inneren der Lunge zu propagieren. Dabei gilt es, ein geeignetes Modell zu entwickeln, das sich für die Modellierung von Tumoren auf Basis der Surrogatinformationen eignet und in der Lage ist, die Tumorbewegung möglichst wahrheitsgetreu zu modellieren. Eine Evaluation der Ergebnisse soll sowohl Aufschluss über eine geeignete Parametrisierung des Modells geben, als auch die Anwendbarkeit eines solchen Modells hinterfragen. Um eine Austauschbarkeit der Modelle gewährleisten zu können, soll eine Schnittstelle entwickelt werden, über die verschiedene Modelle angesprochen werden können. Weitergehend soll ein Ansatz entwickelt werden, der es ermöglicht, die relevanten Positionen des Surrogats ohne manuelle Interaktion während der Therapie zu bestimmen.
Eine der zentralen Aufgaben der medizinischen Bildverarbeitung ist es, den Arzt durch neue oder verbesserte Methoden zur Diagnostik und Therapieplanung bei medizinischen Entscheidungs- und Behandlungsprozessen zu unterstützen. Für viele Fragestellungen in der Medizin sind Untersuchungen von Gefäÿsystemen oder anderen tubulären Strukturen erforderlich. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Konzipierung und der Realisierung eines generischen Datenmodells für tubuläre Strukturen. Für die Darstellung dieser Strukturen wurde eine neue Visualisierungsmethode implementiert. Zudem wurden allgemein verwendbare und benutzerfreundliche Interaktionskomponenten entwickelt, die die Exploration, die Modikation, die Attributierung sowie die Analyse der modellierten Systeme ermöglichen.
In einem überregionalen Forschungsprojekt untersuchen Heidelberger und Hannoveraner Wissenschaftler Entstehungsmechanismen und neue Therapieansätze des Leberzellkarzinoms, einer der tödlichsten Tumorerkrankungen unserer Zeit. Die IT-Plattform pelican soll dem Forschungsverbund die softwaregestütze Analyse und den Austausch von Leberkrebs-Forschungsdaten ermöglichen. Bisher fehlte dazu ein geeignetes Oberflächenkonzept. Deswegen wurde eine Benutzerschnittstelle entworfen, die in der Lage ist, heterogene Daten und Funktionen darzustellen und dabei flexibel an die Nutzerbedürfnisse angepasst werden kann. Es konnte anhand einer prototypischen Benutzungsoberfläche gezeigt werden, dass sich das Konzept praktisch umsetzen lässt. Mit Hilfe der in einem Evaluierungsprozess ausgewählten Portalsoftware GridSphere wurden mehrere Datendienste als Module in die pelican-Applikation integriert. Als besondere Herausforderungen haben sich die Navigation innerhalb der Oberflächenmodule sowie der Informationsaustausch zwischen den Komponenten herausgestellt. Die erarbeiteten Lösungsansätze wurden dokumentiert und dienen als Basis für die Integration beliebiger neuer Dienste in die Plattform. Zukünftige Entwicklungen können der Krebsforschung weltweit in Form von standardkonformen Diensten im caGrid Umfeld zur Verfügung gestellt werden.