Virtual Reality in der Medizin

Inhalt

I. Einleitung

II. Hauptteil
1. Allgemeines zur VR
2. Prinzipien und Möglichkeiten im Überblick
2.1. Immersive VR
2.2. Desktop VR
2.3. Pseudo VR
2.4. Inverse VR
3. Allgemeine Betreuung durch den Arzt mit Hilfe der VR
4. VR in der medizinischen Aus- und Weiterbildung
4.1.Studium und Forschung
5. VR in der operativen Medizin
5.1. Vorbeugung durch Aufklärung
5.2. Operationstrainer
5.3. Robotik
6. VR in der med. Forschung VR in der Rehabilitation
7. Das Krankenhaus der Zukunft
7.1. Telekonsultation bzw. -kommunikation, Telediagnostik
bzw. -Therapie
7.2. Was ist noch nicht möglich

III. Ausblick/Diskussion

IV. Literaturverzeichnis

I. Einleitung

Meine Hausarbeit behandelt das Thema „Virtuelle Welt wissenschaftlich“.

Die Einsatzbereiche der virtuellen Realität (VR) sind vielfältig: Architektur, Wissenschaft, Industrie, Unterhaltungsindustrie, Kunst und im privaten Bereich. Allerdings sind sie nicht alle gleich weit entwickelt und zu umfangreich, weshalb ich mich in meiner Hausarbeit auf die Rolle der VR in der Medizin beschränke. Dieser Bereich wird unser Leben am meisten beeinflussen, weil die Gesundheit für jeden ein wichtiges Thema ist und wohl am besten deutlicht, was alles in der Medizin bereits möglich ist, was für Entwicklungs- und Nutzungschancen es gibt (Kapitel 2-6), wie sie zukünftig die medizinische Versorgung beeinflussen wird (Kapitel 7). Jedoch auch welche Kritikpunkte es an der VR gibt, wie im letzten Kapitel „Diskussion“ (Kapitel III ) erläutert werden soll.

1. Allgemeines zur VR

Was versteht man unter virtueller Realität? Sie ist eine vielversprechende Methode um eine bessere Mensch-Maschine-Schnittstelle zu schaffen, welche die Einschränkungen herkömmlicher Desktop-Systeme überwindet. Ziel ist es, die Kommunikation zwischen Mensch und Maschine einfacher und natürlicher zu gestalten. Ein weiteres Ziel von VR ist es, die zwischenmenschliche Zusammenarbeit über größere Entfernungen zu verbessern. Es stellen sich neue Herausforderungen an Interaktion^[1] und Datenübertragung. Die Aufgabe ist, nicht nur die simple Übertragung von Nutzdaten zu realisieren, sie zu manipulieren um mit den dazugehörigen Rechnern zu interagieren, sondern auch die Aspekte menschlicher Kommunikation wie Gesichtsausdruck, Körpersprache oder Augenkontakt zu integrieren. Diese Arten jeglicher Form von Zusammenarbeit werden in zwei Bereiche unterteilt, in synchrone oder asynchrone Zusammenarbeit und in symmetrische oder asymmetrische Zusammenarbeit

Synchrone Zusammenarbeit findet zum gleichen Zeitpunkt am gleichen oder ungleichen Ort statt. Asynchrone Zusammenarbeit ist entsprechend am gleichen oder ungleichen Ort zu unterschiedlichen Zeitpunkten.

Symmetrische und asymmetrische Zusammenarbeit bezieht sich auf die Rollenverteilung der kommunizierenden Partner. Die Rollen beziehen sich auf den sozialen oder den ge-schäftlichen Teil. Wird von einem Dozenten bspw. eine Vortrag gehalten und die anderen Studenten hören zu, so wird dies als asymmetrische Zusammenarbeit bezeichnet.

Da Operationen und medizinische Versorgung heute viel aufwendiger geworden sind, aber auch risikoärmer können Simulationen von virtuellen Organen, Skeletten oder des ganzen Menschen dazu beitragen, dass die komplexen Vorgänge und Zusammenhänge im menschlichen Körper schneller und effektiver verstanden und anderen vermittelt werden. Schon bestehende Modelle bzw. Methoden können überprüft, optimiert oder sogar als falsch identifiziert werden.

Bisher waren Computer- und Magnetresonanztomographie (Kernspintthomographie, Röntgen, Ultraschall) die einzigen Möglichkeiten das Innere des Menschen und die gewonne-nen Bilder in 2D sichtbar zu machen: VR ermöglicht im Gegensatz dazu das Erleben des Inneren, das Darstellen in 3D-Grafik, deren Bearbeitung am Computer und Eingreifen z. B. beim Üben eines chirurgischen Eingriffs an einer Holographie^[2] und dies vor allem in Echtzeit. Diese vielen Informationen fallen als Bilder oder in sonstiger digitaler Form an und müssen deshalb entsprechend aufbereitet werden, weil Ärzte in Diagnostik und Therapie auf die Integration multimedialer Informationen angewiesen sind. Dazu gehören der schriftliche Arztbericht, Bilddokumente, Tondokumente (Herz, Lunge), Filmsequenzen, Tastbefunde, spezifische Geruchsmuster und komplexe Dokumentationen (etwa von Sprachstörungen bei Schlaganfall-Patienten).

Die großen Felder der VR in der Medizin sind deshalb Aus- und Weiterbildung, Forschung, Operationsplanung mit interaktivem Üben des Eingriffs und Abschätzung des relativen Risikos und Erfolgs. Des weiteren können Rehabilitationsmaßnahmen besser optimiert werden und behinderten Menschen kann der Umgang mit ihrer Umwelt entscheidend verbessert werden.

2. Arten der VR im Überblick:

2.1. Immersive VR

Hierbei handelt es sich um intuitiv bedienbare 3D- Geräte wie Datenhandschuh^[3], 3D-Joy-stick, 3D-Maus und Ausgabegeräte wie Head-Mounted-Display^[4] oder Leinwände.

Ziel ist es den Arzt in eine virtuelle Welt zu integrieren, d. h. er kann durch virtuelle Bibliotheken gehen um z. B. Fachliteratur heranzuziehen oder Patientenakten einzusehen. Durch sprachgesteuerte Software und mit Datenhandschuh oder Flying-Joystick^[5] kann er Objekte „greifen“ - blättern in einem Fachbuch- wobei er durch Tactile^[6] und Force-Feedback-Systemen^[7] bereits sogar ein Gefühl für das Objekt vermittelt bekommt.

Gerade bei der Aus- und Weiterbildung können Operationen in 3D simuliert werden, ohne dass dazu Menschen oder Tiere zu Verfügung stehen müssen. So erhöht sich das Sicherheitsgefühl des Arztes und verbessert die Qualität, wodurch sich gleichzeitig die Operationszeit und die physischen Belastungen für Arzt und Patient verringern lassen. Die Reaktion in Extremsituationen oder sogar neue Operationstechniken werden entwickelt. Eine weitere Einsatzmöglichkeit der immersiven VR wäre das Ergründen von psychologischen Krankheitsbildern oder traumatisierten Kindern: ohne Druck, kann das Kind einem „virtuellen Teddy“ erzählen, was es Erwachsenen nicht erzählen würde oder will.

2.2. Desktop VR

Durch Shutter-Brillen^[8] wird es möglich die virtuelle Welt in 3D auf einem Monitor oder Leinwand zu sehen. Hierbei sieht der Arzt wie durch ein Fenster in eine computergene-rierte Welt worin er wieder durch Joystick oder 3D-Maus agieren kann.

Ein virtueller Mensch kann so dreidimensional-rotierend dargestellt werden, damit der Auszubildende spielerisch die anatomischen und biomechanischen Gegebenheiten erlernt, ergänzt durch Krankheitsbilder, Erklärungen, Diagnosen, Therapien usw. entsteht ein weit größerer Lernerfolg als durch reines Bücherwissen. Außerdem werden viele Tierversuche überflüssig.

Ein weiterer Vorteil dabei ist, dass mehrere Personen gleichzeitig diese Welt betrachten können, z. B. bei Vorträgen auf Kongressen, medizinischen Vorlesungen oder bei der Vor-besprechung einer Operation mit dem teilnehmenden Personal. Zusätzlich könnte diese virtuelle Welt auch über das Internet anderen Teilnehmern an entfernten Orten zu Ver-fügung stehen.

2.3. Pseudo VR

Komplexe Szenen und Objekte, die nicht in Echtzeit vom VR-System dargestellt werden, können mittels der Pseudo VR im voraus berechnet, aufgearbeitet und die resultierende Veränderungen gespeichert, und als kurze Animationssequenzen interaktiv abgerufen werden. Einsetzbar ist die Pseudo VR in der Medizin zur Visualisierung von Patientendaten. Es herrscht ein geringer Grad an Interaktion. Der Grad der Immersion^[9] ist von den eingesetzten Ausgabegeräten abhängig.

2.4. Inverse VR

Über die so genannte Inverse VR wird der Rechner in die Welt des Benutzers integriert, d.h. über Gesten mit einem Datenhandschuh werden Ausgabegeräte, wie z.B. ein Sprachsynthesizer, gesteuert. Anwendung finden hier auch Eingabegeräte, die durch Biosignale (Muskelaktivitäten, Gedanken) eine Interaktion ermöglichen. Medizinische Anwendungen dieser Art der VR ermöglichen funktionell eingeschränkten Personen die Rückgewinnung verlorener Körpereigenschaften, z. B. Menschen, die in der Rehabilitation wieder laufen lernen müssen.

3. Allgemeine Betreuung durch den Arzt mit Hilfe der VR

Die einfachste Form der praktischen Anwendung der VR in der Medizin ist die Telekon-sultation: Dabei werden die Informationen nicht nur verbal wie beim Telefongespräch, sondern auch visuell übermittelt. Die Betrachtung des Röntgenbildes während des Ge-sprächs kann beispielsweise die zeitaufwendige Übersendung von Beschreibungen ersetzen. Das Risiko von Mißverständnissen oder Fehlinterpretationen lässt sich so ebenfalls vermindern. Nicht zuletzt wertet sie auch das „Image“ der Arztpraxis auf, wenn die Patienten feststellen, dass ihr Hausarzt einen direkten Draht zu allen nötigen Spezialisten hat. Eine Erweiterung der Telekonsultation stellt die Telekonferenz dar: etwa wenn es um die Entscheidungsfindung zwischen verschiedenen Experten im Rahmen einer interdiszipli-nären Konferenz geht. Die direkte Inspektion des Patienten mit Erfassung seines Allgemeinzustandes oder die Übermittlung von videoendoskopischen Befunden können zeitgleich diskutiert und analysiert werden. Solche umfassenden Befundbesprechungen sind notwendig, wenn eine Zweitmeinung eingeholt werden muss. Eine Variation der Telekonferenz ist das Teleteaching, wobei nur noch der untersuchende und unterrichtende Arzt direkt am Krankenbett steht, während das Auditorium vom Hörsaal aus die körperliche Untersuchung oder Behandlung mitverfolgen kann.

Voraussetzung ist allerdings auch ein „mündiger Patient“, der den informierten Arzt einfordert. Dadurch kann er wie nie zuvor mehr Aktivität und Selbstverantwortung („empowerment“) entwickeln. Besondere Patienten mit relativ seltenen Krankheiten sind auf das Internet angewiesen und nutzen dies verstärkt, um sich zu informieren und sich – beispiels-weise über virtuelle Selbsthilfegruppen - mit Leidensgenossen auszutauschen.

[...]

^[1] Aufeinender bezogenes Handeln zwischen Cybernaut und virtuellen Objekten im Cyberspace.

^[2] In 3D erzeugtes virtuelles Abbild im Cyberspace

^[3] Hand- und Fingerbewegungen des Cybernauten werden in Echtzeit gemessen, auf dem Rechner in Gestik umgewandelt.

^[4] Helm mit zwei integrierten Monitoren. Der Cybernaut kann sich 360° in der virtuellen Welt bewegen. Die Bewegung bzw. Position wird in Echtzeit gemessen, zum Generieren und Übertragen von aktuellen Bilder verwendet.

^[5] 3D-Joystick, der frei im Raum bewegbar ist.

^[6] Tactile Feedback= Produktion eines Gefühls des Berührens bzw. Nicht-Berührens durch computergesteuertes Luftpolster oder Micro-Sensoren im Datenhandschuh.

^[7] Force-Feedback= dem Cybernaut wird durch den Datenhandschuh eine Bewegung aufgezwungen, damit er das Gefühl hat, mit dem Objekt zu agieren, aber auch in der realen Welt.

^[8] Mit dem Monitor gekoppelte Brille, die der Cybernaut zum Sehen von 3D-Bildern braucht.

^[9] Empfindung des Benutzers eines VR Systems, sich in einer realen Welt zu befinden.