Haptic Virtual Palpation of Volumetric CT: A Density-to-Force Rendering Method andIts Technical Characterisation

In einer radiologischen Abteilung eines Krankenhauses betrachtet ein Arzt einen Computerbildschirm, um in den Körper eines Patienten zu sehen. Die Bilder stammen von einem CT-Scanner, einer Maschine, die Röntgenstrahlen verwendet, um eine dreidimensionale Karte von Geweben zu erstellen. Auf dieser Karte hat jeder winzige Punkt eine Zahl, die dem Computer mitteilt, wie stark das Gewebe Röntgenstrahlen blockiert. Dichter Knochen blockiert viel und erhält eine hohe Zahl; weiches Muskelgewebe blockiert weniger und erhält eine niedrigere Zahl; Luft blockiert fast nichts und erhält eine sehr niedrige Zahl. Jahrzehntelang haben Ärzte ihre Augen benutzt, um diese Zahlen zu lesen und die Struktur des Körpers zu verstehen. Doch wenn ein Arzt einen Patienten persönlich untersucht, schaut er nicht nur; er tastet. Er drückt auf die Haut, um zu fühlen, ob ein Organ hart oder weich ist – ein entscheidender Hinweis, den ein flaches Bild nicht liefern kann. Die Herausforderung für Ingenieure bestand darin, einem Arzt den Tastsinn zu geben, während er auf ein digitales Bild blickt, sodass er die virtuellen Knochen und Organe auf einem Bildschirm „fühlen“ kann, als wären sie real.

Ein Forschungsteam der Jade Hochschule in Deutschland hat ein System entwickelt, das versucht, dieses Problem zu lösen. Sie entwickelten eine Methode, die die Dichtewerte eines CT-Scans direkt in ein Gefühl von Widerstand umwandelt. Wenn ein Benutzer einen speziellen Stylus, der wie ein Stift geformt und mit einem Computer verbunden ist, über einen virtuellen CT-Scan bewegt, drückt das Gerät gegen seine Hand zurück. Je härter das Gewebe im Scan ist, desto stärker drückt das Gerät zurück. Dies ist kein einfacher Trick, bei dem sich alles gleich anfühlt; das System ist darauf ausgelegt, zwischen verschiedenen Arten von Gewebe, wie Fett, Flüssigkeit, weichen Organen und Knochen, zu unterscheiden, indem es die Steifigkeit der virtuellen Oberfläche in Echtzeit verändert. Die Forscher wollten wissen, ob diese direkte Übersetzung von Bilddaten in physische Kraft tatsächlich gut genug funktioniert, um nützlich zu sein, und ob der Computer die Empfindung schnell genug aktualisieren kann, um sich geschmeidig und natürlich anzufühlen.

Um ihre Idee zu testen, verwendete das Team ein Standard-Haptik-Gerät, einen Roboterarm, der eine Hand drücken und ziehen kann, verbunden mit einem Computer, der eine Simulation von Abdominal-CT-Scans ausführt. Sie verwendeten keine echten Patienten oder physischen Gewebemodelle. Stattdessen programmierten sie eine virtuelle Sonde, die sich durch fünf verschiedene öffentliche CT-Scans bewegt und Pfade durch den virtuellen Körper nachzeichnet. Während sich die Sonde bewegte, berechnete der Computer, wie viel Kraft basierend auf der Dichte des Gewebes an genau dieser Stelle anzuwenden ist. Das System verwendet eine spezifische Regel, um zu entscheiden, wie steif das Gewebe sich anfühlen soll. Es behandelt die Dichtewerte als eine Serie von Stufen. Zum Beispiel weist es Fett eine bestimmte Steifigkeit zu, einer Flüssigkeit eine andere und weichen Organen eine weitere. Interessanterweise programmierten die Forscher das System so, dass sich Flüssigkeit weicher anfühlt als Fett, obwohl Fett in den Scandaten weniger dicht ist als Flüssigkeit. Dies war eine bewusste Entscheidung, um der physischen Realität zu entsprechen, dass eine Sonde leicht in freie Flüssigkeit einsinkt, aber auf mehr Widerstand stößt in fettigem Gewebe; dies zeigt, dass das System priorisiert, wie ein Arzt den Körper zu fühlen erwartet, statt einer strikten mathematischen Ordnung der Zahlen zu folgen.

Die Ergebnisse der Simulation zeigten, dass das System erfolgreich einen klaren Unterschied zwischen weichen und festen Geweben erzeugen kann. Wenn sich die virtuelle Sonde durch die weicheren Bereiche bewegte, wie Fett oder Flüssigkeit, war die gefühlte Kraft sehr gering und wurde in Tausendsteln eines Newton gemessen. Wenn sie sich in festere Bereiche bewegte, wie weiche Organe oder verkalktes Gewebe, nahm der Widerstand signifikant zu. Der Unterschied zwischen den weichsten und festesten Geweben war groß genug, um in den Daten deutlich unterscheidbar zu sein, wobei sich die festen Gewebe etwa zwanzig bis achtundsechzig Tausendstel eines Newton härter anfühlten als die weichen. Diese Trennung war über alle fünf getesteten CT-Scans hinweg konsistent. Die Forscher stellten jedoch eine signifikante Einschränkung fest, wenn die Sonde die dichtesten Materialien, wie etwa Knochen, berührte. Das Gerät hat eine Sicherheitsbegrenzung, wie stark es drücken darf, um ein unkontrolliertes Schütteln oder Vibrieren zu verhindern. Da der Knochen in den Scans so dicht war, erreichte die erforderliche Kraft, um ihn richtig zu fühlen, dieses Sicherheitslimit. Infolgedessen konnte das System den Unterschied zwischen dem sehr harten kalkhaltigen Gewebe und dem Knochen nicht vollständig aufzeigen; beide fühlten sich fast gleich an, da das Gerät bei seinem maximalen Druck begrenzt war.

Die Studie untersuchte auch, wie schnell das System das Gefühl aktualisieren konnte. Damit sich ein Tastgefühl glatt und echt anfühlt, muss der Computer die Kraft hunderte Male pro Sekunde neu berechnen. Die Forscher fanden heraus, dass ihr System die Kraft zwischen 213 und 278 Mal pro Sekunde aktualisierte. Obwohl dies schnell genug für eine Interaktion ist, ist es langsamer als der interne Motor des Geräts, der mit 1.000 Aktualisierungen pro Sekunde läuft. Diese Lücke bedeutet, dass, wenn der Benutzer eine sehr steife Oberfläche berührt, die Kraft ein wenig abgestuft oder ruckartig wirkt, was ein summendes oder vibrierendes Gefühl verursachen kann. Die Forscher merkten an, dass, wenn sie das Gerät stärker drücken gelassen hätten, der Unterschied zwischen den dichten Geweben viel klarer gewesen wäre, sie aber gezwungen waren, die Kraft niedrig zu halten, um dieses Summen zu vermeiden. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Methode in einer Computersimulation gut funktioniert, um weiche von festen Geweben zu trennen, aber die aktuellen Sicherheitseinstellungen die Unterschiede zwischen den härtesten Geweben verbergen.

Letztendlich zeigt die Arbeit, dass es möglich ist, einen CT-Scan in eine taktile Erfahrung zu verwandeln, bei der ein Arzt den Unterschied zwischen einem weichen Organ und einem harten Knochen fühlen kann. Das System konnte die Bilddaten erfolgreich in eine Kraft übersetzen, die ein menschlicher Hand wahrnehmen kann, und eine klare Unterscheidung zwischen weichen und festen Bereichen schaffen. Das Haupthindernis ist nicht die Art und Weise, wie das Bild in Kraft umgewandelt wird, sondern vielmehr die Sicherheitsgrenzen der aktuellen Hardware, die verhindern, dass das Gerät das volle Spektrum der im Körper vorkommenden Härte zeigt. Die Forscher schlagen vor, dass, wenn sie die Stabilität des Geräts präziser messen und höhere Kräfte ohne das Summen zulassen können, das System zu einem mächtigen Werkzeug für Ärzte werden könnte, um 3D-Modelle von Organen zu bearbeiten und zu verifizieren, indem sie den Tastsinn zu den visuellen Informationen hinzufügen, auf die sie bereits angewiesen sind.