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21 http://www.clive.ed.ac.uk/news/Newsletter2/virtual%20dog.htm (06.04.03) 22 http://www.cogsci.ed.ac.uk/~paulus/Work/Vetreports/vetrep1a-98.htm (06.04.03)

Das in dieser Arbeit genutzte Konzept des Intelligent Movies bieten hier einen guten Kom- promiss. Mit dem Einsatz der Intelligent Movies wird der Benutzer zwar in den Interaktions- möglichkeiten mit den 3D-Objekten eingeschränkt, im Gegenzug ist es aber möglich, sehr aufwendige und realistische Rekonstruktionen anzubieten. Die berechneten Animationen sind in der Wiedergabe der zugrundeliegenden anatomischen Verhältnisse in Form, Farbe und De- tail einzigartig in der Veterinärmedizin. Durch die bewusste Planung der Intelligent Movie- Matrix und das gezielte Angebot unterschiedlicher Animationen wird der Nachteil der einge- schränkten Interaktion minimiert.

Mit den Animationen, die unterschiedliche Aspekte der Anatomie des Hundekopfes repräsen- tieren, wird es dem Lernenden leichter fallen, topographische Zusammenhänge und Nomen- klatur zu verinnerlichen. Die Vorteile der berechneten Intelligent Movies gegenüber den tradi- tionellen Lehrmitteln in der anatomischen Lehre lassen sich folgendermaßen beschreiben: 1. Bislang mussten Studierende einen Großteil ihres geistigen Potentials darauf verwenden,

die Informationen aus Texten und Bildern in ein dreidimensionales Gesamtgefüge zu ver- einigen, um sich die Lage der Organe vorstellen zu können. Die 3D-Animationen machen diese mentale Rekonstruktion überflüssig. Anstelle des zeitaufwendigen und ermüdenden- den Vorgangs des „sich Vorstellens“ kann der Lernende die Situation intuitiv erfassen (Animation „Skull“ und „Head“).

2. Organe können in Relation zu ihrer Umgebung betrachtet werden, so dass ihre räumliche Beziehung zu den sie umgebenden Strukturen deutlich wird. So ist beispielsweise das Verständnis der Lage des N. facialis, der A. und V. temporalis superficialis und der V. au- ricularis caudalis zum Gehörgang für die Durchführung einer Gehörgangsresektion von besonderer Bedeutung (Schebitz und Brass, 1999). Die Animation „External Auditory Meatus” verdeutlicht diese räumliche Beziehung auf eine realistische Art und Weise. Die Möglichkeit, verdeckte Strukturen im topographischen Zusammenhang sichtbar zu ma- chen, ist ein weiterer Anwendungsbereich (Animation „Paranasal Sinuses”).

3. Die Darstellung von Organsystemen wie sie mit herkömmlichen Präparationsverfahren nicht zu realisieren ist, stellt am Computer kein Problem dar (Animation „Respiratory System“ und „Cranial Nerves“).

4. Die Möglichkeit das Modell virtuell zu präparieren, indem Strukturen entfernt und wieder hinzugefügt werden können, in Kombination mit der realistischen Wiedergabe der anato- mischen Verhältnisse, vermittelt den Eindruck des Umgangs mit „echter“ Anatomie (Animation „Head“).

Ein wichtiger Kritikpunkt ist die unbefriedigende Detailtreue der dreidimensionalen Rekon- struktionen. So entziehen sich gerade kleinere Strukturen, wie z.B. Foramina, der befriedi- genden Darstellung.

Die räumliche Auflösung von Rekonstruktionen aus Volumendatensätzen ließe sich wesent- lich durch die Nutzung hochauflösender Schnittbildfolgen verbessern (Böttcher, 2000). Die Gewinnung solcher Datensätze gestaltet sich bisher problematisch und die erstellten Volu- mendaten wären aufgrund ihrer Größe auch mit leistungsstarken Computern kaum zu segmen- tieren (Höhne et al., 1995). Bis zur Lösung dieser Problematik stellen QTVR-Movies echter Präparate eine Alternative für die Darstellung anatomischer Details dar (Abb. 26). Wie bei den Intelligent Movies werden Fotografien eines echten Präparates in einer Matrix angeord- net. Dadurch wird es möglich, das Objekt scheinbar frei zu drehen bzw. zu präparieren. Im Gegensatz zu segmentierten 3D-Objekten fehlt allerdings der intelligente Teil der Matrix. Durch manuelle Segmentation jedes einzelnen Teilbildes oder mit Hilfe spezieller Software23 könnte der intelligente Teil in diesen Animationen erzeugt werden.

Wie bei herkömmlichen Präparationen können QTVR-Movies echter Präparate nur das dar- stellen, was präparationstechnisch möglich ist. Außerdem muss zur Erstellung eines neuen Films jedes mal ein neues Präparat angefertigt werden. Im Gegensatz dazu erlaubt der in die- ser Arbeit erstellte Datensatz die Berechnung einer nahezu unbeschränkten Anzahl von Ani- mationen. QTVR-Movies echter Präparate sind daher als gezielte Ergänzung des Filmangebo- tes von InsideDOG: The Head sinnvoll und ihre Integration ließe sich auch technisch realisie- ren (Böttcher, 2000).

Abb. 26: Auszug aus einem QTVR-Movie eines präparierten menschlichen Schädels24 (Departement of

Anatomy, Wright State University School of Medicine)

5.3.2 Strukturidentifizierung, Knowledge Base, List

Die Strukturidentifizierung, die Knowledge Base und die List stellen den „intelligenten“ Teil der Animationen dar. Die Möglichkeit in einem Lernprogramm die dargestellten Strukturen per Mausklick in jedem Bild einer 3D-Animation zu identifizieren ist im veterinärmedizini- schen Bereich einzigartig. Im Gegensatz zu anderen Lehrmitteln erübrigt sich das aufwendige Suchen nach einer Bildbeschriftung.

Das zugrundeliegende hierarchische Netzwerk umfasst derzeit die systematische Einteilung der anatomischen Objekte. Aufgrund seines Programmaufbaus ist es zukünftig problemlos möglich weitere anatomische Betrachtungsweisen (z.B. nach Funktion oder Blutgefäßversor- gung) zu integrieren. So könnte man einem Nerven, neben seinem Namen noch die Verknüp- fung „innerviert ...“ zuweisen. Durch Verfolgen dieses Links würde das entsprechende Inner- vationsgebiet mit Worten beschrieben und in der Animation farblich markiert werden. Der Student könnte mit Hilfe dieses Links sofort erkennen welche Strukturen bei Schädigung des Nervens betroffen wären.

Das hierarchische Netzwerk steht nur in Verbindung mit der InsideDOG-Oberfläche zur Ver- fügung. Eine Auskopplung der Intelligent Movies zur Implementierung in andere Anwendun- gen hätte daher den Verlust des „intelligenten“ Teils zur Folge.

5.4 Weitere Anwendungsmöglichkeiten des segmentierten Datenvo-

lumens

Ein Ergebnis dieser Arbeit ist das Modell eines Hundekopfes, repräsentiert durch einen seg- mentierten Volumendatensatz. Dieser Datensatz kann sowohl in der Lehre als auch bei wis- senschaftlichen und klinischen Fragestellungen eingesetzt werden.

Neben der Berechnung von Animation lassen sich auch Bilder für Lehrbücher, Atlanten oder andere multimediale Systeme generieren (Abb. 27). Eine Möglichkeit zur Verbesserung der räumlichen Wahrnehmung bieten Stereo-Bilder. Die 3D-Berechnung erfolgt zweimal mit ei- ner geringen Winkelabweichung von der normalen Sehachse. Die in rot und grün kodierten Bilder werden aufeinander gelegt, und mit Hilfe einer Rot/Grün- Brille wird den Augen nur jeweils ein Bild dargestellt. Dadurch ergibt sich ein räumlicher Eindruck der Szene, wie er vom 3D-Kino her bekannt ist.

Im wissenschaftlichen und klinischen Bereich stellt die Simulation von Untersuchungsmetho- den und chirurgischen Eingriffen (Abb. 28 und Abb. 29) ein neues Betätigungsfeld dar. Eini- ge dieser Anwendungen beruhen auf der virtuellen Präparation, Deformation und Bewegung anatomischer Volumendaten (Höhne et al., 1995). Diese Methoden zukünftig auf das in dieser Arbeit erstellte Hundekopfmodell anzuwenden ist anzustreben.

Abb. 27: Gegenüberstellung der herkömmlichen Visualisierung und der Stereo-Darstellung

Abb. 28: Simulation der Felsenbeinchirurgie mit realistischer haptischer Interaktion anhand eines ana- tomischen Modells eines Menschen25

Abb. 29: Simulierter Zugang zum Gehirn eines Menschen25

6 Schlussfolgerung

Das in dieser Arbeit erstellte Modell eines Hundekopfes umfasst eine in der Veterinärmedizin unerreichte Anzahl unterschiedlicher anatomischer Strukturen des Kopfes. Die mit Inside- DOG: The Head präsentierten Animationen sind im veterinärmedizinischen Bereich einzigar- tig in ihren Darstellungsmöglichkeiten und Detailreichtum.

Mit dieser Arbeit ist man dem Ziel des VAP - der Präsentation des gesamten Hundekörpers in einem umfassenden Lernprogramm - ein gutes Stück näher gekommen. Als eine „Arbeit im Fortschritt“ wird sowohl das Modell als auch das Lernprogramm zukünftig wachsen.

Auch wenn virtuelle Welten momentan in der Tiermedizin noch stiefmütterlich behandelt werden, so ist ihr Einzug in veterinärmedizinische Bereiche doch abzusehen. Studenten mit diesen Technologien vertraut zu machen, sollte daher schon jetzt Aufgabe der vorklinischen und klinischen Ausbildung sein. Lernprogramme wie InsideDOG: The Head stellen einen ers- ten Schritt in diese Richtung dar. Aufgrund des kleinen Marktes für veterinärmedizinische Produkte fehlt es an investitionsstarken Partnern, um die zeitaufwendige und kostenspielige Entwicklung zu finanzieren. So wird es wahrscheinlich auch weiterhin Aufgabe der Universi- täten bleiben solche Projekte umzusetzen. Dies geschieht derzeit in kleineren einzelnen Un- ternehmungen. Zur Bündelung finanzieller Mittel als auch personeller Energien ist eine stär- kere Kooperation zwischen den veterinärmedizinischen Bildungsstätten notwendig. In einem solchen Verbund wird es auch in Zukunft möglich sein, den kontinuierlich steigenden medizi- nisch-technischen Fortschritt für die Tiermedizin zu nutzen. Die Gründung einer zentrale Ein- richtung mit entsprechender technischer Ausstattung und Fachpersonal gilt es daher anzustre- ben.

7 Zusammenfassung

In dieser Arbeit wurden Teilvolumina des CT- und Schnittbilddatensatzes des „Visible Ani- mal Project“ mit dem VOXEL-MAN-System segmentiert und dreidimensional rekonstruiert. Im Ergebnis ist es gelungen ein 779 Strukturen umfassendes volumenbasiertes Computermo- dell eines Hundekopfes zu erstellen, das eine bisher unerreichte photorealistische Darstellung und Detailtreue bietet. Auf Basis dieses Modells wurden 23 „intelligente Animationen“ (Intel- ligent Movies) berechnet, die in Form des Visualisierungsprogramms InsideDOG: The Head zur Verfügung stehen. Die Intelligent Movies ermöglichen es dem Anwender das Modell scheinbar frei zu drehen bzw. zu verändern. Des weiteren können alle segmentierten Struktu- ren mittels Mausaktion identifiziert werden.

Das Lernprogramm ist eine ideale Ergänzung zu den traditionellen Lehr- und Lernformen, wo diese in der Möglichkeit der räumlichen Darstellung eingeschränkt sind. Die Visualisie- rungsmöglichkeiten der dreidimensionalen Animationen werden anhand ausgewählter Anima- tionen verdeutlicht.

Neben der Berechnung von Intelligent Movies ermöglicht das Modell auch die Gestaltung von Bildern für Lehrbücher, Atlanten oder andere multimediale Systeme. Im wissenschaftli- chen und klinischen Bereich stellt die Simulation von Untersuchungsmethoden und chirurgi- schen Eingriffen einen weiteren möglichen Einsatzbereich dar.

8 Summary

„InsideDOG: The Head“: Virtual Reality in Veterinary Anatomy

This thesis treats the volume segmentation and three-dimensional reconstruction of the CT and dissection image data sets of the „Visible Animal Project“ by means of the VOXEL- MAN-System. In consequence one has here succeeded in producing a volume data based computer model consisting of 779 structures detailing the anatomy of the head of a dog, pro- viding a previously, until now unattainable photorealistic image representation and accuracy of detail. 23 „intelligent animations” (intelligent movies) were calculated and compiled on the basis of this model, available by means of the visualisation program InsideDOG: The Head. The intelligent movies provide the user with the means of seemingly rotating and alter- ing the model freely. Furthermore all segmented structures may be readily identified and ac- cessed by mouse action.

The tutorial program provides an ideal supplement to traditional learning and teaching pro- grams, limited as they are in their dimensional representation. The possibilities of visualisa- tion of the three-dimensional animations are clarified and explained by means of specifically selected animations.

In addition to the calculation and measuring of intelligent movies the model also provides a means of compiling anatomical pictures and drawings for textbooks, atlases and other multi- media tutorial systems. This simulation of examination methods and surgical procedures pro- vides also the possibility of being employed in scientific and clinical realms.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Inhaltsverzeichnis von VOXEL-MAN 3D-Navigator: Gehirn und Schädel ... 10

Abbildung 2: Animationsmenü von VOXEL-MAN 3D-Navigator: Gehirn und Schädel... 11

Abbildung 3: Animation aus der CD-ROM “The Glass Horse“... 13

Abbildung 4: Darstellung des "Lucky the Virtual Dog" am lokalen Rechner ... 14

Abbildung 5: Rotationsgraphik eines Hundeschädels... 15

Abbildung 6: Darstellung des Skeletts in Zusammenhang mit den großen Organen und Gefäßen ... 16

Abbildung 7: Kryoschnittbilddatensatz (links) und CT-Datensatz (rechts) des „Visible Animal Project“... 19

Abbildung 8: Segmentation des Knochens im CT Datensatz ... 23

Abbildung 9: Darstellung der Maske im Schnittbild (links) und in der Kamera (rechts)... 23

Abbildung 10: Darstellung der Maske in der Kamera nach erfolgter “connected components“ Analyse. ... 24

Abbildung 11: Erosion und Dilatation der Maske ... 24

Abbildung 12: Füllung von Löchern im Maskeninneren mittels der “fill“-Funktion ... 25

Abbildung 13: Manuelle Bearbeitung der Maske im dreidimensionalen Raum mit der “paint“- Funktion... 25

Abbildung 14: Farbwertverteilung anatomischer Strukturen im RGB-Raum, ausgehend von anatomischen Schnittbildern... 26

Abbildung 15: Segmentation der Muskulatur im anatomischen Kryoschnittbilddatensatz... 27

Abbildung 16: Darstellung eines Gefäßes mit Hilfe des Tree-Edit ... 28

Abbildung 17: Simulation von Einschnitten und Einstellung von Visualisierungsparametern29 Abbildung 18: Bildmatrix eines Intelligent Movie ... 30

Abbildung 19: MainFrame-Window mit der Movie-List ...33

Abbildung 20: MainFrame-Window mit dem Intelligent Movie-Viewer... 34

Abbildung 21: Matrix des Intelligent Movie „Skull“... 36

Abbildung 22: Matrix des Intelligent Movie „Head“... 37

Abbildung 23: Mit dem VOXEL-MAN-System erstellte dreidimensionale Rekonstruktionen ... 40

Abbildung 24: Vergleich des Kontrast- und Farbunterschiedes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schnittbildern... 41

Abbildung 26: Auszug aus einem QTVR-Movie eines präparierten menschlichen Schädels. 46 Abbildung 27: Gegenüberstellung der herkömmlichen Visualisierung und der Stereo-

Darstellung... 49 Abbildung 28: Simulation der Felsenbeinchirurgie mit realistischer haptischer Interaktion

anhand eines anatomischen Modells eines Menschen... 50 Abbildung 29: Simulierter Zugang zum Gehirn eines Menschen... 50

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Dimensionen der Teildatensätze des „Visible Animal Project“ vor der Anpassung zum isotropen Datensatz ... 20 Tabelle 2: Dimensionen der angepassten Volumendatensätze ... 21 Tabelle 3: Anzahl der klassifizierten Strukturen der anatomischen Systeme ... 32

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