Das Virtual Dimension Center (VDC) Fellbach hat ein Whitepaper erstellt, das einen aktuellen Überblick über Anwendungen von Virtual-Reality-Technologien in medizinischen Einsatzfeldern bietet.

1. Whitepaper
Virtual Reality in der Medizin und Medizintechnik
Techniken, Anwendungen, Ergebnisse
Von:
© Kompetenzzentrum Virtuelle Realität und Kooperatives Engineering w. V. – Virtual Dimension Center VDC

2. VDC-Whitepaper
VR in der Medizin
und Medizintechnik
Übersicht
VR-gestützte
Analyse
Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Herausforderungen
Umfeld:
 Notwendig im Training:
- realistisch
- seltene Pathologien
- objektive Bewertung der Leistung
- einfacher Zugang
- Szenarien-Simulation
 Training nach wie vor auch am Patienten
 permanente Weiterentwicklung
von Behandlungsmethoden
 Koordinationsaufgabe Team
 eingeschränkte Sicht,
indirektes Arbeiten
 komplexe 3D-Daten,
schwierige Bildinterpretation
 multimodale Interaktion
 Assessment des Chirurgen/Studenten
 Planung komplexer Operationen
 Beherrschung vieler Wissensdomänen
 komplexe Gerätetechnik
 Anwendung für Geräteentwicklung
 Szenarien-Simulation für Therapie
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3. VDC-Whitepaper
VR in der Medizin
und Medizintechnik
Übersicht
VR-gestützte
Analyse
Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Anwendungsfelder
 VR-gestützte Diagnostik
- Analyse 3D-Daten aus
volumengebenden Verfahren
 Analyse Simulationsdaten
- Festigkeits-/Spannungsberechnung
- Kinematiken, Mehrkörpersysteme
- Strömung, Fluidik
 Planung Eingriff
- Abläufe, Wege
- Bestrahlung
 Intraoperative Unterstützung
- Navigationsunterstützung
- erweitertes chirurgisches Blickfeld
 Tele-Medizin
- Telepräsenz mit VR
 Rehabilitation
- Motorik
- psychiatrische Therapie
 Digitale Atlanten
 Training
- endoskopische Verfahren
- chirurgische Tätigkeiten
- Abläufe und Prozesse,
Gerätetechnik
 Workflow- und
Anordnungsplanung
 Illustration Medizintechnik
für die Marketing-Kommunikation
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4. VDC-Whitepaper
VR in der Medizin
und Medizintechnik
Übersicht
VR-gestützte
Analyse
Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
VR-gestützte Diagnostik
 immersive Analyse von
Ergebnissen volumengebender Verfahren:
CT, MRT, Ultraschall
 Nutzung von Stereoskopie
und Bewegungsparallaxe
(über Head Tracking):
Verbesserung räumliche
Tiefenwahrnehmung
DigiHom
Bild: ZGDV Darmstadt
3D-Darstellung
Gehirntumor mit
Blutgefäßen
Bild: VPH/ZGDV
 räumliche 6DOF-Interaktion
Bild: Fh-IPA
3D-Szene aus Inhalten
volumengebender
Verfahren
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5. VDC-Whitepaper
VR in der Medizin
und Medizintechnik
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VR-gestützte
Analyse
Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
VR-gestützte Diagnostik – einsetzbare Techniken
 Fehlfarbendarstellung: eine  Zeitraffer, Zeitlupe:

physikalische Größe (wie z. B. Animation: für das Erkennen
Temperatur) wird über eine
zeitlicher Zusammenhänge
Farbcodierung sichtbar
 Überhöhen: physikalische
gemacht
Größe wird verstärkt, so

 Proben: der Betrachter kann
dass sie sichtbar wird
mit einem Messfühler das
 komparative Darstellung:
Modell abfahren und
alternative Prozesse werden
Messwerte anzeigen lassen.
Der Messfühler kann bezüglich simultan gezeigt, um
Unterschiede zu erkennen
der gemessenen Größe
variabel sein.
 subtraktive Darstellung: nur
 Schnitte: das 3D-Modell wird Unterschied zwischen zwei 
so angeschnitten, dass die für Prozessalternativen wird
angezeigt. Damit lassen sich
den Betrachter wichtigen
Prozessunterschiede noch
Bereiche gut zu sehen sind
leichter ausmachen
selektive Darstellung nach
Werten: nur Modellbereiche mit
bestimmten Messwerte
angezeigt: Problemzonen
Superposition:
2 Simulationsergebnisse oder
ein Versuchsteil und ein
Simulationsergebnis werden
graphisch überlagert:
Optimierungspotenzial des
Simulationsmodells oder
Schwankungen des Verfahrens
Inline-Unterstützung mit AR:
Überlagerung Messwerte /
Prozessparameter auf Situs
(-> intraoperative Unterstützung)
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6. VDC-Whitepaper
VR in der Medizin
und Medizintechnik
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VR-gestützte
Analyse
Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Analyse Simulationsdaten
Festigkeits- und Spannungsberechnung:
Überprüfung
 Geometrie Implantat
Bild: Fh-IGD
 Einbringungsort
Analyse der Statik
Knieimplantat
Bild: CADFEM
Anpassen Implantat
auf individuelle
Wirbel-Geometrie;
Spannungsberechnung
Implantat
Bild: Visenso
Spannungsberechnung
Oberschenkelknochen
mit Implantat;
Dekubitus-Simulation:
Spannungen an Knochen
 Funktionsweise
 Belastungen, Spannungen
am digitalen Modell.
Bilde CADFEM
Bild: Visenso
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7. VDC-Whitepaper
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Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Analyse Simulationsdaten
Kinematik und Mehrkörpersysteme:
Überprüfung
 Bewegungen, Bewegungsgrenzen,
Geschwindigkeit, Passgenauigkeit
Bild: Blundell
Hüftgelenk:
Analyse Kräfte
 Kräfte, Drehmomente
Bild: Fh-IGD
Kiefer:
Analyse von
Bewegungspathologien,
Validierung von
Implantationen
Bild: AnyBody
Bein:
digitales Modell der
Muskeln und Knochen
 Spannungen
am digitalen Modell.
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8. VDC-Whitepaper
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VR-gestützte
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Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Analyse Simulationsdaten
Strömung und Fluidik:
Überprüfung
3D-Modellierung,
Simulationsmodell
Strömung
Naseninnenraum
 Flussgeschwindigkeiten
 Verwirbelungen
Bild: Fh-IGD
 umströmte Bereiche,
unumströmte Bereiche
am digitalen Modell.
Bild: Fh-IGD
Bild: Visenso
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Strömungssimulation
Nasenströmung
Simulationsmodell
Strömung Aneurisma
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9. VDC-Whitepaper
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und Medizintechnik
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VR-gestützte
Analyse
Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Prä-operative Planung - Simulation des Eingriffs
 Ablaufplanung
 Wegeplanung
 Fügen
Bild: HS Bern
virtuelle
Ostheosynthese
Bild: HS Bern
3D-Interaktion mit
3D-Daten zur
Ostheosynthese
Bild: BMBF
Operationsplanung
Metastasen (gelb),
die Pfortader
(orange) und die
Lebervenen (blau)
Anwendungsbeispiele:
 Ostheosynthese-Planung
 diverse Anwendungen Chirurgie
 Bestrahlungsplanung
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10. VDC-Whitepaper
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Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Planung – Beispiel Leber-Resektion
Verschiedene
Aufteilungswerkzeuge
zur Simulation einer
atypischen Resektion:
a) Ebene
b) Kugel
c) formbare Fläche
3D-Messwerkzeuge
für die räumliche
Analyse:
a) Distanzmessung
b) Volumenmessung
einzelner Objekte
c) Volumen-Summe
über virtuellen
Messbecher
Bilder: TU Graz
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11. VDC-Whitepaper
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Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Exkurs: Erweiterte Realität (Augmented Reality – AR)

Grundgedanke: Überlagerung natürlicher Sicht mit
Computer-generierten Informationen

Kontext-Sensitivität, Alpha-numerischer oder
3D-Content

Abgleich Realität vs. Modell einfach:
Konsistenz-Checks digitales Modell – phys. Welt

Digitalisierung nicht immer / so umfangreich
erforderlich

hohe Verständlichkeit durch Andocken der
Computergrafik an reales Objekt
Datenbrille
Einplanen Ausrüstung
in Fabrikhalle
Einsatz in Fällen, bei denen Handbuch schwierig

CAD-Model über
physischem Prototyp
Bild: Volkswagen

Bild: metaio
Anleitung, Anweisung, Verdeutlichung,
Unterstützung im Arbeitsprozess
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Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Intraoperative Unterstützung
 Bereitstellung 3D-Daten aus
volumengebenden Verfahren
 technische Daten, Messdaten
 unterschiedliche Systemkonfigurationen
denkbar (prototypisch getestet)
- Display zwischen Chirurg und Situs
(video-see-through oder
optical-see-through)
- Projektion auf Situs
- nebeneinander auf separaten
Displays (nächste Seite)
Bild: ZGDV
Möglicher HardwareAufbau: Display über
dem Patienten
Bild: ZGDV
Blick durch das Display:
Zusatzinformationen in
der normalen Sicht
Bild: Surgical Planning
Laboratory, Harvard
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Aufprojektion
3D-Daten
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13. VDC-Whitepaper
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Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Intraoperative Unterstützung
9. Oktober 2012: Am Berner ARTORG
Center for Biomedical Engineering wird
chirurgische Navigationstechnologie mit
Darstellungen von Erweiterter Realität (oder
Augmented Reality) verbunden. Diese
Technologie ermöglicht es, während einer
Operation auch die innere Struktur eines
Organs abzubilden. Das neue Verfahren
wurde nun erstmals bei einer komplexen
Leber-Operation eingesetzt.
Bild: Universität Bern
© Kompetenzzentrum Virtuelle Realität und Kooperatives Engineering w. V. – Virtual Dimension Center VDC
Die Leber wird dreifach dargestellt: Ein
Bildschirm im Operationssaal zeigt 3DComputertomographie (CT)- und
Magnetresonanz (MRT)-Aufnahmen,
welche die innere Anatomie der Leber des
Patienten zeigen. Auf einem weiteren sind
Endoskop-Bilder der Miniaturkamera zu
sehen, und ein dritter Bildschirm
schließlich zeigt eine Kombination von
beiden, also ein überlagertes,
«realitätserweitertes» Bild. Sämtliche
relevanten Informationen werden so in
einem «chirurgischen Cockpit» auf
mehreren Bildschirmen zusammengeführt –
und dies verhilft zu einer einfacheren
Orientierung und zu besseren
Entscheidungen.
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14. VDC-Whitepaper
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und Medizintechnik
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VR-gestützte
Analyse
Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Tele-Medizin
 Tele-Chirurgie: Telepräsenz-Anwendungen,
bei der sich Chirurg und Patient an
verschiedenen Orten befinden
Anwendungsszenarien:
Schema Tele-Chirurgie.:
Als ein Paradebeispiel
für die „long-distance“Anwendung wird eine
im Jahre 2001
durchgeführte
Gallenblasenentfernung
gesehen. Hier wurde
eine Patientin in
Straßburg von
Roboterarmen operiert,
die von einem Chirurgen
in New York bedient
wurden.
 vor-Ort-Behandlung Unfallopfer,
Soldaten, Transportunfähige
 Fern-Diagnose
 long-distance vs. short-distance
 Einbezug entfernter Spezialisten:
Telekonsultation
Bilder: Internet-Blog „Geste, image, sens“
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15. VDC-Whitepaper
VR in der Medizin
und Medizintechnik
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VR-gestützte
Analyse
Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Rehabilitation
Motorik:
 Unterstützung Bewegung
 bewusste Einschränkung
ungewollter Bewegungsrichtungen
Bild: Gupta, O’Malley
Das MAHI Exoskelett
Bild: Blundell
Haptic Workstation
für Training nach
Schlaganfall
Bild: O‘Malley, Ambrose
6DOF JPL arm master
 Durchführung von Übungen
 objektive Erfolgsmessung
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16. VDC-Whitepaper
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und Medizintechnik
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VR-gestützte
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Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Rehabilitation






Behandlung Phobien und Süchte durch
individuelles Training im Simulator
Behandlung der Posttraumatischen
Belastungsstörung (PTSD)
Schmerzkontrolle für Verbrennungspatienten
Untersuchung des Patientenverhaltens
und -empfindens
kognitiv-verhaltenstherapeutische Methoden
Begleitet durch Analyse problematischer
Denkmuster, konkrete
VR-Tunnelfahrt
Verhaltensübungen
und die Beeinflussung
körperlicher Prozesse
(z. B. durch gezielte
Bild: Uni Würzburg
Entspannungstechniken)
Bild: Uni Würzburg
VR-Flugszene
Bild: VT+
VR-Höhenszene
Bild: Uni Würzburg
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VR-Spinnenszene
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und Medizintechnik
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Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Rehabilitation
Bild: VT+
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VR-Höhenszene
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und Medizintechnik
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Analyse
Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Exkurs: Virtual Reality im Wissensmanagement
Wissensarten in Virtuellen Umgebungen:
 Positionswissen: was ist wo?
 Strukturwissen: wie hängt was zusammen?
 Verhaltenswissen: wie verhält sich das System?
Wie verhalte ich mich?
 Prozedurwissen: welche Abläufe bewirken was?
Lernmöglichkeiten in Virtuellen Umgebungen:
 räumliches Explorieren
 konzeptuelles Lernen
 Erlernen motorischer Fähigkeiten
 prozedurales Lernen
Bild: VRMMP
Bild: VRMMP
Bild: The Medical News (2010): http://www.thaimedicalnews.com
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Motorik
VR-Szene zum Einsatz
des Stethoskops
virtuelle Operation mit
der dazugehörigen
haptischen Schnittstelle
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19. VDC-Whitepaper
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und Medizintechnik
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Analyse
Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Digitale Atlanten
 Vermittlung Positionswissen
 Vermittlung Strukturwissen
 Anatomie, Physiologie, Biomechanik
DigiHom
Bild: Fh-IPA
 Clipping (Wegschneiden von
graphischen Bereichen für eine
freie Sicht auf Relevantes)
 Transparenz (Durchsicht)
Google Body Browser
Bild: Google
 Animation
Bild: Bratz
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Bild: BMBF
3D-Darstellungen
von Gehirn und Herz
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Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Training
 Trainingsszenarien mit visuellen
und haptischen Modalitäten
 Lernstufen: Vorführen,
Begleiten, Prüfen
 virtuelle Endoskopie,
Laparoskopie
Bild: VRmagic
 virtuelle Palpation
Bild: BioSkill
Simulationsumgebung eyesi:
Ophtalmo-Chirurgie
BioSkill-Simulator
für Endsokopie
und Laparoskopie
Bilder: Projekt HASASEM
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Elektrorheologische
Flüssigkeit zur
haptischen Darstellung
von Elastogrammen.
Anwendung: Palpation
zur Identifikation
pathologischer
Veränderungen
des Gewebes
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21. VDC-Whitepaper
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VR-gestützte
Analyse
Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Training
Diagnostik:
 Bereitstellung von Trainingsszenarien
Bild: Fh-IGD
Anwendungsbeispiele:
virtuelle
Rhinoskopie
 Rhinoskopie
 Ophtalmoskopie
 Arthroskopie
virtuelle
Ophtalmoskopie
Bilder: VR Magic
 Hysteroskopie
virtuelle
Arthroskopie
Bild: Fh-IGD
Bild: Fh-IGD
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virtuelle
Hysteroskopie
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22. VDC-Whitepaper
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Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Training
Eingriff
 Bereitstellung von Trainingsszenarien
Anwendungsbeispiele:
Bild: Uni Heidelberg
Ophtalmochirurgie
 Ophtalmochirurgie
 Vitro-retinale Eingriffe,
Katarakt
Bilder: Uni Heidelberg
Ophtalmochirurgie
 Koloskopie
Bilder: Uni Heidelberg
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EndoSim,
Schema Koloskopie,
3D-Szene aus der
virtuellen Koloskopie
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Planung
Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
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Digitale
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und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Training
Abläufe und Prozesse:
Bereitstellung von Trainingsszenarien für
 Prozeduren
Bild: Texas A&M University
virtuelle Palpation
der Wirbelsäule
Bild: Texas A&M University
 Reihenfolgen
Bild: Texas A&M University
virtuelle Überprüfung
Adaption des Auges
(Pupillenreflex)
Umgang mit
Gerätetechnik
 Einbindung Personal
 Hilfsmittel
 Bereitstellungsorte
 Verwendung Gerätetechnik
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24. VDC-Whitepaper
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Eingriff
Intraoperative
Unterstützung
Tele-Medizin
Rehabilitation
Digitale
Atlanten
Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Training
Abläufe und Prozesse - Noteinsatz-Simulatoren:
 Gewinnung Übersicht,
Sicherung
 Selbst-Organisation,
Team-Organisation
Bild: ETC Simulation
Simulationsumgebung
ADMS
 Koordinierung Personal
Bild: Texas A&M University
Bild: E-Semble
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Mitarbeiter-Steuerung:
Simulationsumgebung
Pulse!!
Simulationsumgebung
XVR
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25. VDC-Whitepaper
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Diagnostik Simulationsdaten
Planung
Eingriff
Intraoperative
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Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Workflow- und Anordnungsplanung
 Layout-Optimierung nach
Erreichbarkeit, Minimierung Wege,
Übersicht, Flussprinzip
Bild: FH Bern
Bild: FH Bern
Arbeitsgruppe am
Planungstisch
(Projekt Hovisse)
Bild: FH Bern
 hohe Auslastung Gerätetechnik bei
geringen Wartezeiten der Patienten
(Ressourcen-orientierte Eintaktung)
virtuelle
OP-Szene
(Projekt Hovisse)
Draufsicht und
4 Perspektiven
(Projekt Hovisse)
 u.a. Verwendung von MaterialflussSimulationen
 Ablaufbeschleunigung
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Workflow und
Anordnung
Illustration
Illustration in der Marketing-Kommunikation





realistische Darstellung auf Basis 3D-Daten
Verständnis erzeugen
Prospektmaterial, Web, (Stereo-)Filme
Interaktion möglich
2D-Zeichnungserstellung auf Basis der
Konfiguration
Produktvarianz vermitteln
Individualisierung:
Konfiguration modularer Designs
durchgängige Vertriebs- und Angebotsprozesse
verlässliche und korrekte Angebote selbst für
komplexe Produkte
innovativer Außenauftritt



Bild: Visenso
virtueller OP-Saal:
Ausschnitt aus
3D-Stereo-Film
für KLSmartin
Bild: Visenso


Bild: LumoGraphics
Computergraphik
Operationssaal für
die Fa. Berchtold
chirurgische
Instrumente:
Ausschnitt aus
3D-Stereo-Film
für KLSmartin
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Digitale
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Ausbildung
und Training
Workflow und
Anordnung
Illustration
Fazit






sehr breites bestehendes Einsatzspektrum von Virtual Reality
in der Medizin und Medizintechnik
Medizin ist das am stärksten spezialisierte Anwendungsgebiet der VR
auch mit sehr spezifischer Gerätetechnik
Herausforderung:
- Registrierung
- Generierung 3D-Daten in Echtzeit
komplexe Modelle, die alle Facetten der Realität widerspiegeln
Deutschland, Schweiz, USA sehr weit vorne dabei – Spezialisten in der Nähe
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Workflow und
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Illustration
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