Für die Entwicklung eines Virtual Reality Simulators (VR-Simulator) zur Implantation einer Endoprothese des Hüftgelenks wird die Game-Engine Unity getestet. Dazu werden im ersten Teil der Arbeit die Implementierung eines 3D-Modells und die Simulationen des Blutes, Gewebes und Materialabtrages der Knochen in Unity untersucht. In den Versuchen wurde ein 3D-Modell der Hüfte modelliert und verschiedene Plugins zur Ausführung der Simulationen getestet.
Während die Implementierung des 3D-Modells und die Simulation des Blutes lediglich geringe Mängel aufwiesen, wurden die Simulationen des Gewebes und des Materialabtrags den Anforderungen nicht gerecht. Dennoch ist eine Entwicklung des VR-Simulators in Unity vorstellbar. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine Evaluierungsstudie zur Feststellung des Lernerfolges und der Qualität eines VR-Trainingssimulators für Hüftoperationen geplant.
Diese sollen mittels Fragebögen durch die Prädiktoren Immersion, Presence und Nutzererfahrung erfasst werden und durch die Analyse von Interaktionen mit Nutzervariablen unterschiedliche Nutzergruppen identifizieren.
In order to develop a virtual reality simulator (VR simulator) for implantation of an endoprosthesis of the hip joint, the game engine Unity is tested. Therefore, the implementation of a 3D model and the simulations of the blood, tissue and material removal of bone in Unity are examined.
In the experiments, a 3D model of the hip was modeled as well as tested and different plugins for the performance of the simulation were tested, too. Concerning the implementation of the 3D model and the simulation of the blood merely minor defects were detected. On the other hand, the simulation of the tissue and the material removal of the bones did not meet requirements. Nevertheless, a development of the VR simulator in Unity is conceivable. In the second part, an evaluation study to determine the learning success and the quality of a VR training simulator for the insertion of endoprosthesis of the hip is planned.
These are to be detected by means of questionnaires by the use of the predictors immersion, presence and user experience and different user groups are to be identified by analyzing interactions with user variables.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Forschungsfragen
1.3 Struktur der Arbeit
2 Stand der Technik
2.1 Virtual Continuum
2.2 Technische Aspekte der Virtuellen Realität
2.2.1 Interaktion in der Virtual Reality
2.2.2 Stereoskopie in der VR-Technik
2.2.3 VR-Visualisierungssysteme
2.2.4 Tracking-Methoden
2.3 VR-Simulatoren im chirurgischen Training
2.3.1 Voraussetzungen für einen chirurgischen VR-Trainingssimulator
2.3.2 Prinzipielle Schritte einer Hüftoperation
2.4 Die Game-Engine Unity
2.4.1 Funktionsweise
2.4.2 Unity Render
2.4.3 3D-Modelle in Unity
2.5 Variablen zur Evaluierung von VR-Anwendungen
2.5.1 Immersion und Presence
2.5.2 Nutzererfahrung
3 Simulationen in Unity
3.1 Methoden
3.1.1 Technische Plattform
3.1.2 Implementierung eines 3D-Modells in Unity
3.1.3 Materialabtrag
3.1.4 Blutsimulation
3.1.5 Gewebedeformationen
3.2 Versuchsdurchführung und Ergebnisse
3.2.1 Ergebnisse 3D-Modell
3.2.2 Ergebnisse Materialabtrag
3.2.3 Ergebnisse Blutsimulation
3.2.4 Ergebnisse Gewebedeformationen
3.3 Diskussion
3.3.1 3D-Modell
3.3.2 Materialabtrag
3.3.3 Blutsimulation
3.3.4 Gewebedeformationen
3.3.5 Gesamteinschätzung von Unity
4 Planung einer Evaluationsstudie für einen VR-Hüftoperationssimulator
4.1 Methode
4.1.1 Hypothesen und Anforderungen
4.1.2 Versuchsplan
4.1.3 Methodische Anwendung
4.2 Auswertung
4.2.1 Auswertung der Studie 1
4.2.2 Auswertung der Studie 2
4.3 Diskussion
5 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das Ziel, die Eignung der Game-Engine Unity als technische Basis für die Entwicklung eines VR-Simulators für Hüftoperationen zu evaluieren und einen Studienplan zur prädiktiven Messung des Lernerfolgs und der Nutzererfahrung zu erstellen.
- Technische Machbarkeit von 3D-Modellen und Simulationen (Blut, Gewebe, Materialabtrag) in Unity.
- Methoden zur Evaluation von Immersion, Presence und Nutzererfahrung.
- Konzeption einer prädiktiven Evaluierungsstudie für chirurgische VR-Simulatoren.
- Analyse der Interaktionen zwischen Nutzergruppen und Simulationsparametern.
Auszug aus dem Buch
2.2.1 Interaktion in der Virtual Reality
Die virtuelle Realität beschreibt die Interaktion einer Person mit einer computergestützten, künstlichen und dreidimensionalen Umgebung [13]. Diese Umgebung simuliert die Realität und ist dem Nutzer durch mindestens einen Interaktionskanal, auch Modalität genannt, zugänglich. Die Gesamtheit der Interaktionsmöglichkeiten nennt man Interface. Dieses verbindet die reale Umgebung mit der virtuellen. Kommt es jedoch zu mehreren Arten bei einer VR-Simulation, handelt es sich um eine multimodale Interaktion. Generell kann die Interaktion der virtuellen Welt durch jede menschliche Sensorik erfolgen. Am häufigsten werden jedoch visuelle, auditive und haptische Reize und Antworten zur Interaktion in VR-Anwendungen genutzt. Weitere Modalitäten zur Interaktion oder genauere sensorische Eindrücke erhöhen für den Nutzer das Gefühl, Teil dieser virtuellen Welt zu sein. Dieser Eindruck wird Presence genannt und steigert Lerneffekte in VR-Simulationen. In Abschnitt 2.5.1 wird auf das Presence-Gefühl genauer eingegangen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung motiviert die Nutzung von VR-Simulatoren in der chirurgischen Ausbildung, definiert die Forschungsfragen zur technischen Eignung von Unity und gibt einen Überblick über die Struktur der Arbeit.
2 Stand der Technik: Hier werden grundlegende Konzepte wie das Virtual Continuum, VR-Visualisierungssysteme, chirurgische Simulatoren, die Funktionsweise der Game-Engine Unity sowie psychologische Messgrößen wie Immersion, Presence und Nutzererfahrung dargelegt.
3 Simulationen in Unity: In diesem Kapitel werden technische Versuche in Unity durchgeführt, um das Importieren von 3D-Modellen sowie die Simulation von Materialabtrag, Blut und Gewebedeformationen auf ihre Praxistauglichkeit zu prüfen.
4 Planung einer Evaluationsstudie für einen VR-Hüftoperationssimulator: Dieses Kapitel stellt einen detaillierten Studienplan vor, um den Lernerfolg und die Qualität eines entwickelten Simulators mittels Fragebögen und der Erfassung verschiedener Nutzerdaten zu evaluieren.
5 Ausblick: Der Ausblick diskutiert das Potenzial von Unity als Basis für künftige Entwicklungen, benennt Herausforderungen bei Interfaces und haptischem Feedback und empfiehlt weitere Forschungsansätze.
Schlüsselwörter
Virtual Reality, Unity, Hüftoperation, Endoprothese, chirurgisches Training, Simulation, Materialabtrag, Blutsimulation, Gewebedeformation, Immersion, Presence, Nutzererfahrung, Usability, prädiktive Studie, Evaluation.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht die Eignung der Game-Engine Unity für die Entwicklung eines chirurgischen VR-Simulators zum Training von Hüftoperationen und entwirft ein Konzept zur Evaluierung der Nutzererfahrung.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen sind die VR-Technologie, die Modellierung und physikalische Simulation in der Unity-Engine sowie psychologische Prädiktoren wie Immersion und Presence zur Messung des Trainingserfolgs.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Hauptziel ist die Evaluation der technischen Eignung von Unity für die physikalische und grafische Simulation komplexer chirurgischer Prozesse sowie die methodische Planung einer Evaluierungsstudie.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Der Autor führt technische Experimente (Versuchsreihen) zur Simulation in Unity durch und konzipiert eine quantitative Evaluierungsstudie, die auf Fragebögen und der Analyse von Nutzerdaten basiert.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in eine technische Analyse der Simulationsmöglichkeiten (3D-Modelle, Blut, Gewebe, Materialabtrag) und die methodische Planung einer Anwenderstudie zur Messung von Qualität und Lernerfolg.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit wird durch Begriffe wie Virtual Reality, chirurgisches Training, Unity, Immersion, Presence und prädiktive Studien charakterisiert.
Welche Ergebnisse ergab die Untersuchung von Plugins für den Materialabtrag?
Die Plugins Fracture Pro und Meshinator erwiesen sich für die Anforderungen eines Hüftoperationssimulators als problematisch, da sie entweder keine Bruchsimulation ermöglichten oder bei Kollisionen unrealistische Ergebnisse lieferten.
Welches Partikelsystem wird für die Blutsimulation empfohlen?
Das Partikelsystem Fluvio wird als besser geeignet bewertet als das Unity-Standardpartikelsystem, da es realistischere physikalische Parameter und eine bessere visuelle Darstellung der Flüssigkeit ermöglicht.
- Citar trabajo
- Patrick Wiechert (Autor), 2016, Virtuelle Anatomie mit der Unity Engine. Entwicklung und Evaluationsentwurf eines VR-Simulators zur Implantation einer Endoprothese des Hüftgelenks, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/333950
