English Title: Development of a Neurosurgical Training Simulator for Intracranial Surgeries

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Abstract

Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines neurochirurgischen Trainingssimulators, mit dem Ärzte intrakranielle Eingriffe in einer virtuellen Realität trainieren können. Um die Schnittstelle zwischen Anwender und Simulator möglichst realitätsnah zu gestalten, wird ein neurochirurgisches Operationsmikroskop verwendet, das über einem Kopfphantom positioniert wird. Damit der Bildausschnitt der virtuellen Realität korrekt angezeigt werden kann, wird die Positionierung des Mikroskops mit optischen Trackingverfahren bestimmt. Die Zoom- und Fokuseinstellungen des Mikroskops werden über einen CAN-Bus ausgelesen. Die Okulare des optischen Systems werden durch ein Stereodisplay ersetzt, welches das computergenerierte Szenario dreidimensional anzeigt. Über verschiedene Instrumente kann der Anwender mit der virtuellen Realität interagieren. Die Positionierungen dieser werden mit Hilfe optischer und inertialer Trackingverfahren berechnet, sobald die Instrumente in das Kopfphantom eingeführt sind. Im Rahmen der Arbeit wurden sowohl abstrakte Trainingsmodule implementiert, mit denen grundlegende Fertigkeiten trainiert werden können, als auch die medizinische Prozedur des Aneurysmen-Clippings. Der Simulator baut auf einem modularen Softwaresystem auf und ist durch Plugins erweiterbar. Die Entwicklung des Simulators wurde in Kooperation mit der VRmagic GmbH in Mannheim und mit Ärzten der Neurochirurgischen Klinik Mannheim der Universität Heidelberg durchgeführt.

Translation of abstract (English)

The present work describes the development of a neurosurgical training simulator for intracranial procedures that is based on virtual reality. In order to construct the interface between user and simulator as native as possible, a real surgical microscope is used. The microscope can be positioned freely above a phantom of a head. As to adapt the virtual reality, position and pose of the microscope are determined by an optical tracking system. The values of zoom and focus are read out via a CAN bus. The oculars of the optical system were replaced by a stereo display that shows the computer generated scenario in 3D. By using different instruments the user can interact with the virtual world. Position and pose of the instruments that are inserted in the patient phantom are determined by a combination of optical and inertial tracking procedures. Abstract training modules for the training of basic skills were implemented as well as a real medical procedure that consists of the clipping of an aneurysm. The simulator is based on a modular software design. It is extendable by plugins. The training simulator was developed in a cooperation with the VRmagic GmbH in Mannheim and with surgeons of the Neurosurgical Clinic in Mannheim of the University of Heidelberg.