Optimierung der Hand-Auge-Koordination bei videobasierten Augmented Reality (AR) Systemen für die Anwendung in der bildgeführten Chirurgie

Die Holste-Stiftung fördert das Forschungsprojekt "Optimierung der Hand-Auge-Koordination bei videobasierten Augmented Reality (AR) Systemen für die Anwendung in der bildgeführten Chirurgie" (Laufzeit: 2004 - 2005).

Augmented Reality (AR) wird allgemein als die kontextspezifische Anreicherung der realen Welt mit virtuellen Informationen definiert. Die breiteste Anwendung von AR ist die Überlagerung der visuellen menschlichen Wahrnehmung mit graphischen Informationen über eine am Kopf befestigte Anzeigeeinheit (Head-Mounted Display). Diese Informationen sollen dazu dienen, die reale Welt so zu erweitern, dass die von dem Benutzer benötigten Daten zum richtigen Zeitpunkt am richtigen Ort erscheinen. So kann z.B. bei der manuellen Montage durch visuelle Montagehinweise auf Papieranleitungen verzichtet werden oder bei einem operativen Eingriff in der Medizin die reale Sicht auf den Operationssitus mit einem computerbasierten Planungsmodell bzw. Navigationsinformationen überlagert werden. Als besondere Herausforderung gilt der Einsatz von videobasierten (video see-through) Head-Mounted-Displays (HMDs), da sie dem Benutzer keine direkte Sicht in die Umgebung ermöglichen, sondern stattdessen die von Kameras aufgenommenen Videosequenzen der Realität mit angereicherten Graphiken in Echtzeit anzeigen. Aktuell stellt insbesondere die Hand-Auge-Koordination (HAK) mit den genannten Displays einen gravierenden Problembereich dar. Die HAK-Leistung wird durch Latenz in der Video-Darstellung auf dem HMD sowie durch die Ausrichtung und Verschiebung der Kameras in Bezug auf die Augenposition beeinträchtigt. Besonders kritisch ist der Einsatz von videobasierten HMDs in der Medizin, wo die präzise Hand-Auge-Koordination eine äußerst wichtige Rolle spielt. Im Rahmen des von der Holste-Stiftung geförderten Projektes wird das Institut für Arbeitswissenschaft (IAW) in Kooperation mit der Abteilung Chirurgische Therapietechnik des Lehrstuhls für Angewandte Medizintechnik im Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik (HIA) die Auswirkung der Kameraverschiebung auf die menschliche HAK-Leistung erforschen. Es soll die Frage beantwortet werden, wie sich die HAK-Leistung mit einem videobasierten Blicksystem verändert, wenn man die Kameras in verschiedene Richtungen von den Augen verschiebt. Weiterhin soll eine Funktion abgeleitet werden, die solche Veränderungen in mathematischem Zusammenhang beschreibt. Mit Hilfe dieser Funktion können die Hersteller und Anwender von AR-Systemen die optimale Kameraposition unter Berücksichtigung von Wirtschaftlichkeit und technischen Möglichkeiten wählen und die Benutzbarkeit von videobasierten Systemen in Bezug auf die Hand-Auge-Koordination deutlich verbessern. Die entwickelte Funktion soll im Anschluss für Anwendungen im Bereich der bildgeführten Chirurgie erprobt und validiert werden. Hierzu wird ein entsprechendes AR Modul am HIA entwickelt und in ein chirurgisches Navigationssystem zur visuellen Führung des Chirurgen bei mikrochirurgischen Operationen integriert.