Duke-Forscher: Virtuelle Realität könnte Herz-Kreislauf-Interventionen verbessern (+ Video ansehen)

Veröffentlichungsdatum: 15. Mai 2020

DURHAM – Stellen Sie sich vor, Sie könnten das spezifische Gefäßsystem eines Patienten simulieren, um genau vorherzusagen, wie Entscheidungen, wie z. B. die Platzierung eines Stents, den Blutfluss verändern und sich auf die Operationsergebnisse auswirken können.

Genau das entwickeln Biomedizintechniker an der Duke University: ein umfangreiches Blutfluss-Simulationstool namens „HARVEY“, mit dem sich der Blutfluss durch das gesamte menschliche Arteriensystem mit subzellulärer Auflösung modellieren lässt.

Eines der größten Hindernisse für die klinische Anwendung ist jedoch die Entwicklung einer „reibungslosen, intuitiven Benutzeroberfläche“, die Menschen mit den unterschiedlichsten Hintergründen schnell beherrschen können. Dies ist keine leichte Aufgabe.

In einer neuen Studie, die am 7. Mai im Journal of Computational Science veröffentlicht wurde, berichten die Forscher der Duke University über ihren ersten Versuch, eine Benutzeroberfläche zu erstellen.

Sie untersuchten verschiedene Schnittstellen, von herkömmlichen Desktop-Displays bis hin zu immersiven Virtual-Reality-Erlebnissen, und fanden heraus, dass die Benutzer zwar mit einer herkömmlichen Maus und Tastatur gut zurechtkommen, für eine breite Akzeptanz jedoch futuristischere Schnittstellen entscheidend sein könnten.

„Derzeit erfordert HARVEY Kenntnisse in C-Codierung und Befehlszeilenschnittstellen, was den Benutzerkreis des Programms stark einschränkt“, sagte Amanda Randles, Alfred Winborne und Victoria Stover Mordecai Assistenzprofessor für Biomedizinische Wissenschaften an der Duke.

„In diesem Dokument wird eine von uns entwickelte grafische Benutzeroberfläche namens Harvis vorgestellt, mit der jeder Harvey verwenden kann, egal ob es sich um einen Chirurgen handelt, der versucht, die beste Platzierung für einen Stent zu finden, oder um einen biomedizinischen Forscher, der einen völlig neuen Stenttyp entwickeln möchte.“

Randles entwickelt den HARVEY-Code seit fast einem Jahrzehnt und begann mit der Arbeit als Doktorand in der Forschungsgruppe von Efthimios Kaxiras, dem John Hasbrouck Van Vleck-Professor für reine und angewandte Physik an der Harvard University.

In dieser Zeit hat sie gezeigt, dass HARVEY den Blutfluss durch patientenspezifische Aorten und andere Gefäßgeometrien in längeren Maßstäben genau modellieren kann. Sie hat auch gezeigt, dass das Programm dreidimensionale Blutflüsse im Maßstab des gesamten menschlichen Körpers modellieren kann.

Durch den Einsatz von HARVEY hat Randles Forschern geholfen, die Stentbehandlung von zerebralen Aneurysmen und das Wachstum von Aneurysmen zu verstehen. Sie hat eine schnelle, nichtinvasive Methode entwickelt, um auf periphere arterielle Verschlusskrankheit zu prüfen und besser zu verstehen, wie zirkulierende Krebszellen an verschiedenen Geweben haften.

Angesichts der stetigen Fortschritte bei der Rechenleistung des Codes und der nachgewiesenen Nützlichkeit in realen Anwendungen arbeitet Randles nun daran, sicherzustellen, dass auch andere seine Fähigkeiten optimal nutzen können.

„Da Herz-Kreislauf-Erkrankungen in den USA weiterhin die häufigste Todesursache sind, bleibt die Fähigkeit, die Behandlungsplanung und -ergebnisse zu verbessern, eine große Herausforderung“, sagte Randles. „Angesichts der Reife und Verfügbarkeit von VR/AR-Geräten müssen wir verstehen, welche Rolle diese Technologien bei der Interaktion mit solchen Daten spielen können. Diese Forschung ist ein dringend notwendiger Schritt für die Entwicklung zukünftiger Software zur Bekämpfung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen.“

In der neuen Studie stellen Randles und ihre Kollegen aus der Biomedizintechnik, der wissenschaftliche Mitarbeiter Harvey Shi und der Doktorand Jeff Ames, die von ihnen entwickelte Harvis-Schnittstelle auf die Probe.

Sie baten Medizinstudenten und biomedizinische Forscher, drei verschiedene Situationen zu simulieren – das Platzieren eines Conduit zwischen zwei Blutgefäßen, das Erweitern oder Verkleinern eines Blutgefäßes oder das Platzieren eines Stents in einem Blutgefäß.

Die Testbenutzer versuchten diese Aufgaben entweder mit einer Standardmaus und einem Computerbildschirm, einem halbimmersiven Virtual-Reality-Gerät „Z-Space“ oder einem vollständig immersiven Virtual-Reality-Erlebnis mit einem HTC Vive-Anzeigegerät.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Studierenden und Forscher die Standardschnittstelle mit Maus und Tastatur und die vollständig immersive VR-Schnittstelle in den meisten Fällen sowohl quantitativ als auch qualitativ gleich gut nutzen konnten. Das semi-immersive Display, im Wesentlichen ein spezielles Zeigegerät in Kombination mit einem Monitor und einer 3D-Brille, rangierte jedoch hinter den beiden anderen Geräten, da die Benutzer einige Probleme hatten, sich an die einzigartige Hardwarekonfiguration und Steuerung zu gewöhnen.

Die Studie stellt außerdem eine verallgemeinerbare Designarchitektur für andere simulierte Arbeitsabläufe vor und liefert eine detaillierte Beschreibung der Gründe für das Design von Harvis, die auf ähnliche Plattformen erweitert werden kann.

Während die Studie keine großen Unterschiede zwischen den immersivsten und den am wenigsten immersiven Schnittstellen in Bezug auf Qualität und Effizienz feststellen konnte, bemerkte Randles große Unterschiede in den Reaktionen der Benutzer auf die Geräte.

„Die Leute mochten die 3D-Oberfläche mehr“, sagte Randles. „Und wenn sie mehr Freude daran hatten, war es wahrscheinlicher, dass sie es auch tatsächlich nutzten. Es könnte auch eine unterhaltsame und spannende Möglichkeit sein, Studenten für den Unterricht über das Gefäßsystem und die Hämodynamik zu begeistern.“

Randles sagt, sie plant, Experimente durchzuführen, um herauszufinden, ob ihre 3D-Blutflussschnittstelle Medizinstudenten dabei helfen kann, wichtiges Wissen besser zu behalten als aktuelle Standards.

In Zukunft könnten derartige Tools mithilfe einer intuitiveren Virtual-Reality-Schnittstelle bei der Behandlungsplanung helfen, beispielsweise beim Einsetzen von Stents. Randles geht außerdem davon aus, dass derartige Tools die biomedizinische Forschung im Bereich des personalisierten Flows erleichtern werden.

ZITATION: „Harvis: Ein interaktives Virtual-Reality-Tool zur hämodynamischen Modifikation und Simulation“, Harvey Shi, Jeff Ames, Amanda Randles. Journal of Comp. Sci., 2020. DOI: 10.1016/j.jocs.2020.101091

(c) Duke Pratt School of Engineering

Originalquelle des Artikels: WRAL TechWire