Patient-specific 4D Virtual Reality Simulation of Punctures and Radiofrequency Ablations in Breathing Virtual Body Models

呼吸虚拟身体模型中针对患者的穿刺和射频消融的 4D 虚拟现实模拟

基本信息

项目摘要

In this project, methods for realistic visuo-haptic virtual reality simulation of respiratory motion in virtual patient models are developed. Areas of application are patient-specific planning and training of punctures and radiofrequency ablations (RFA) under respiratory motion. For static 3D image data of a new patient, individual as well as mean 4D motion models are transferred, which have been extracted from 4D image data and serve as voxel-related descriptions of real respiratory motion. By using surrogate-based 4D motion models, the variability of respiration is simulated realistically in different respiratory cycles. The anatomical differences between the anatomy of the model and the patient are compensated and the 4D motion of organs is transferred for animation onto the static 3D patient image data by means of non-linear registration methods. The 4D motion models are integrated into a visuo-haptic framework, which enables the visuo-haptic interaction of the puncture or ablation needle with the breathing virtual patient model. For the real-time 4D visualization of animated 3D image data, special volume-based 4D rendering techniques are developed and highly parallelized on the GPU. Additionally, for needle punctures and RFA, the effects on 4D path planning and biophysical simulation of RFA caused by respiratory motion are compared to planning and simulating by using static 3D image data. Apart from evaluation of the separate methods and components, a user evaluation of the whole VR training simulator for RF ablations including respiratory motion is carried out.
在该项目中,开发了虚拟患者模型中呼吸运动的逼真视觉触觉虚拟现实模拟方法。应用领域是针对患者的呼吸运动下的穿刺和射频消融 (RFA) 规划和训练。对于新患者的静态 3D 图像数据,传输个体和平均 4D 运动模型,这些模型是从 4D 图像数据中提取的,并用作真实呼吸运动的体素相关描述。通过使用基于替代的 4D 运动模型,可以真实地模拟不同呼吸周期中的呼吸变化。模型和患者之间的解剖差异得到补偿,器官的 4D 运动通过非线性配准方法以动画方式传输到静态 3D 患者图像数据上。 4D 运动模型集成到视觉触觉框架中,使穿刺针或消融针与呼吸虚拟患者模型能够进行视觉触觉交互。为了实现动画 3D 图像数据的实时 4D 可视化,开发了特殊的基于体积的 4D 渲染技术,并在 GPU 上高度并行化。此外,对于针刺和射频消融,呼吸运动引起的射频消融的4D路径规划和生物物理模拟的影响与使用静态3D图像数据进行规划和模拟进行了比较。除了对单独的方法和组件进行评估之外,还对整个 VR 射频消融训练模拟器(包括呼吸运动)进行了用户评估。

项目成果

期刊论文数量(4)
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Evaluation of Direct Haptic 4D Volume Rendering of Partially Segmented Data for Liver Puncture Simulation
  • DOI:
    10.1038/s41598-017-00746-z
  • 发表时间:
    2017-04-06
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Mastmeyer, Andre;Fortmeier, Dirk;Handels, Heinz
  • 通讯作者:
    Handels, Heinz
Direct Visuo-Haptic 4D Volume Rendering Using Respiratory Motion Models
  • DOI:
    10.1109/toh.2015.2445768
  • 发表时间:
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  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    Fortmeier, Dirk;Wilms, Matthias;Handels, Heinz
  • 通讯作者:
    Handels, Heinz
Efficient patient modeling for visuo-haptic VR simulation using a generic patient atlas
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