Real-time simulation of B-mode ultrasound images for medical training

  • Echtzeit Simulation von B-Mode Ultraschall Bilder zwecks Medizinisches Training

Law, Yuen; Kuhlen, Torsten (Thesis advisor); Cotin, Stéphane (Thesis advisor)

Aachen (2016, 2017)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2016

Kurzfassung

Die ultraschallbasierte Bildgebung ist ein nichtinvasives, nichtradioaktives und kostengünstiges Verfahren, das für die Untersuchung innerer Strukturen des menschlichen Körpers oft bevorzugt eingesetzt wird. Darüber hinaus ermöglicht dieses Verfahren Ärzten, diese inneren Strukturen unmittelbar zu betrachten, was für die Unterstützung von invasiven Prozeduren, wie beispielsweise in der Regionalanästhesie und bei Biopsien unersetzbar ist. Allerdings stellt die geringe Anzahl von Patienten, eine große Herausforderung für die Kompetenzentwicklung lernender Ärzte dar. Zu den traditionellen Trainingsmethoden zählen die Übungen an Kollegen und die Benutzung von Dummys, die aus Gel oder Fleisch bestehen. Im Idealfall bietet ein solcher Trainingsdummy eine jedoch Vielzahl von Trainingsszenarien an Ultraschallprozeduren, welche Wiederholbarkeit bieten und anatomische Korrektheit zusichern. Die Virtuelle Realität (VR) hat das Potential diese Anforderungen zu erfüllen und spielt damit eine zentrale Rolle in der Bewältigung aktueller Herausforderung in der Entwicklung von Trainingssystemen.Diese Arbeit präsentiert ein neu entwickeltes Framework für die Ultraschallsimulation, welches die notwendigen Komponenten zum Aufbau VR-basierter Trainingsdummys und -systeme zur Verfügung stellt. Die Simulationsmethodik fokussiert zur genauen Nachbildung die kennzeichnenden Merkmale der Ultraschallbilder, ohne Einbußen an der erforderlichen Bildrate in Kauf nehmen zu müssen, die für interaktive VR- und Trainingsanwendungen notwendig ist. Weiterhin wurden flexible Softwareschnittstellen geschaffen, die die Implementierung verschiedener Trainingsszenarien unterstützt.Die zentralen Ergebnisse dieser Arbeit umfassen zum einen das entwickelte Ultraschallsimulationsverfahren und zum anderen das implementierte Software- Framework. Einerseits bildet die Simulation die Funktionalität eines echten Ultraschallgeräts nach und generiert dabei realitätsnahe Ultraschallbilder. Anderseits ermöglicht das Framework dank seines flexiblen Designs eine schnelle Integration dieser Simulation in verschiedene Anwendungsfälle. Weiterhin entstanden aus diese Ergebnisse eine detaillierte Betrachtung und Analyse der Anforderungen von Gewebemodellierung. Diese Arbeit resultierte in einer Liste von Leitlinien zur Verbesserung bereits existierender anatomischer Modelle, als auch validierte akustische Eigenschaften für die am häufigsten anzutreffenden Gewebesorten.Ferner beschreibt diese Arbeit die Durchführung eines Validierung- und Verifikationsprozesses und diskutiert die daraus resultierenden Ergebnisse. Schließlich werden zwei Anwendungsfälle, in welchen das Simulations- Framework zur Entwicklung von Trainingsanwendungen verwendet wurde, beispielhaft beschrieben.