Virtuelle Anatomie mit der Unity Engine. Entwicklung und Evaluationsentwurf eines VR-Simulators zur Implantation einer Endoprothese des Hüftgelenks

Bachelor Thesis , 2016 , 95 Pages , Grade: 2,0

Computer Science - Applied

Für die Entwicklung eines Virtual Reality Simulators (VR-Simulator) zur Implantation einer Endoprothese des Hüftgelenks wird die Game-Engine Unity getestet. Dazu werden im ersten Teil der Arbeit die Implementierung eines 3D-Modells und die Simulationen des Blutes, Gewebes und Materialabtrages der Knochen in Unity untersucht. In den Versuchen wurde ein 3D-Modell der Hüfte modelliert und verschiedene Plugins zur Ausführung der Simulationen getestet.

Während die Implementierung des 3D-Modells und die Simulation des Blutes lediglich geringe Mängel aufwiesen, wurden die Simulationen des Gewebes und des Materialabtrags den Anforderungen nicht gerecht. Dennoch ist eine Entwicklung des VR-Simulators in Unity vorstellbar. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine Evaluierungsstudie zur Feststellung des Lernerfolges und der Qualität eines VR-Trainingssimulators für Hüftoperationen geplant.

Diese sollen mittels Fragebögen durch die Prädiktoren Immersion, Presence und Nutzererfahrung erfasst werden und durch die Analyse von Interaktionen mit Nutzervariablen unterschiedliche Nutzergruppen identifizieren.

In order to develop a virtual reality simulator (VR simulator) for implantation of an endoprosthesis of the hip joint, the game engine Unity is tested. Therefore, the implementation of a 3D model and the simulations of the blood, tissue and material removal of bone in Unity are examined.

In the experiments, a 3D model of the hip was modeled as well as tested and different plugins for the performance of the simulation were tested, too. Concerning the implementation of the 3D model and the simulation of the blood merely minor defects were detected. On the other hand, the simulation of the tissue and the material removal of the bones did not meet requirements. Nevertheless, a development of the VR simulator in Unity is conceivable. In the second part, an evaluation study to determine the learning success and the quality of a VR training simulator for the insertion of endoprosthesis of the hip is planned.

These are to be detected by means of questionnaires by the use of the predictors immersion, presence and user experience and different user groups are to be identified by analyzing interactions with user variables.

Inhaltsverzeichnis

• Beschreibung der Bachelorarbeit
• Kurzreferat
• Abkürzungsverzeichnis
• Abbildungsverzeichnis
• Tabellenverzeichnis
• Anlagenverzeichnis
• 1 Einleitung
  • 1.1 Motivation
  • 1.2 Forschungsfragen
  • 1.3 Struktur der Arbeit
• 2 Stand der Technik
  • 2.1 Virtual Continuum
  • 2.2 Technische Aspekte der Virtuellen Realität
    • 2.2.1 Interaktion in der Virtual Reality
    • 2.2.2 Stereoskopie in der VR-Technik
    • 2.2.3 VR-Visualisierungssysteme
    • 2.2.4 Tracking-Methoden
  • 2.3 VR-Simulatoren im chirurgischen Training
    • 2.3.1 Voraussetzungen für einen chirurgischen VR-Trainingssimulator
    • 2.3.2 Prinzipielle Schritte einer Hüftoperation
  • 2.4 Die Game-Engine Unity
    • 2.4.1 Funktionsweise
    • 2.4.2 Unity Render
    • 2.4.3 3D-Modelle in Unity
  • 2.5 Variablen zur Evaluierung von VR-Anwendungen
    • 2.5.1 Immersion und Presence
    • 2.5.2 Nutzererfahrung
• 3 Simulationen in Unity
  • 3.1 Methoden
    • 3.1.1 Technische Plattform
    • 3.1.2 Implementierung eines 3D-Modells in Unity
    • 3.1.3 Materialabtrag
    • 3.1.4 Blutsimulation
    • 3.1.5 Gewebedeformationen
  • 3.2 Versuchsdurchführung und Ergebnisse
    • 3.2.1 Ergebnisse 3D-Modell
    • 3.2.2 Ergebnisse Materialabtrag
    • 3.2.3 Ergebnisse Blutsimulation
    • 3.2.4 Ergebnisse Gewebedeformationen
  • 3.3 Diskussion
    • 3.3.1 3D-Modell
    • 3.3.2 Materialabtrag
    • 3.3.3 Blutsimulation
    • 3.3.4 Gewebedeformationen
    • 3.3.5 Gesamteinschätzung von Unity
• 4 Planung einer Evaluationsstudie für einen VR-Hüftoperationssimulator
  • 4.1 Methode
    • 4.1.1 Hypothesen und Anforderungen
    • 4.1.2 Versuchsplan
    • 4.1.3 Methodische Anwendung
  • 4.2 Auswertung

Zielsetzung und Themenschwerpunkte

Die Bachelorarbeit befasst sich mit der Entwicklung eines VR-Simulators für die Implantation einer Hüftendoprothese. Im ersten Teil der Arbeit wird die Eignung der Game-Engine Unity für die Implementierung eines 3D-Modells und die Simulation von Blut, Gewebe und Materialabtrag untersucht. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Planung einer Evaluierungsstudie zur Feststellung des Lernerfolges und der Qualität eines VR-Trainingssimulators für Hüftoperationen.

• Bewertung der Game-Engine Unity für die Entwicklung eines VR-Simulators
• Simulation von Blut, Gewebe und Materialabtrag in Unity
• Planung einer Evaluierungsstudie für einen VR-Hüftoperationssimulator
• Analyse der Lernerfolgs und Qualitätsmerkmale eines VR-Trainingssimulators
• Identifizierung von Nutzergruppen durch die Analyse von Interaktionen mit Nutzervariablen

Zusammenfassung der Kapitel

• Kapitel 1: Einleitung - Die Einleitung stellt die Motivation für die Bachelorarbeit dar und definiert die Forschungsfragen. Die Struktur der Arbeit wird erläutert.
• Kapitel 2: Stand der Technik - Dieses Kapitel bietet einen Überblick über den aktuellen Stand der Technik in den Bereichen Virtual Reality, VR-Simulatoren im chirurgischen Training und die Game-Engine Unity. Es werden die wichtigsten technischen Aspekte der VR-Technik sowie die Voraussetzungen für einen chirurgischen VR-Trainingssimulator diskutiert.
• Kapitel 3: Simulationen in Unity - In diesem Kapitel werden die Methoden und Ergebnisse der Simulationen in Unity präsentiert. Es werden die Implementierung eines 3D-Modells, die Simulation von Materialabtrag, Blut und Gewebedeformationen sowie die Gesamteinschätzung von Unity für die Entwicklung eines VR-Simulators diskutiert.
• Kapitel 4: Planung einer Evaluationsstudie für einen VR-Hüftoperationssimulator - Dieses Kapitel beschreibt die Planung einer Evaluationsstudie, die den Lernerfolg und die Qualität eines VR-Trainingssimulators für Hüftoperationen beurteilen soll. Es werden die Hypothesen, der Versuchsplan und die methodische Anwendung der Studie erläutert.

Schlüsselwörter

VR-Simulator, Hüftoperation, Game-Engine Unity, 3D-Modell, Simulation, Blut, Gewebe, Materialabtrag, Evaluierungsstudie, Lernerfolg, Qualität, Immersion, Presence, Nutzererfahrung, Nutzergruppen, Nutzervariablen.

• College: Technical University of Chemnitz (Maschienenbau - Prozessinformatik und Virtuelle Produktentwicklung)
• Grade: 2,0
• Author: Patrick Wiechert (Author)
• Publication Year: 2016
• Pages: 95
• Catalog Number: V333950
• ISBN (eBook): 9783668240124
• ISBN (Book): 9783668240131
• Language: German
• Tags: VR, Virtual Reality, VR-Simulator, Hüftoperation, Operation, Simulator, Evaluation, Unity, Immersion, Presence, Nutzererfahrung, User experience, Simulation, Blut, Knochen, Materialabtrag, Deformation, Gewebedeformation, Haut, Unity 5, TA-EG, Realitätsnähe, Virtuelle Realität, Modell, 3D, Menschenmodell, Hüftmodell, Virtual Continuum, Stereoskopie, Visualisierung, Tracking, VR-Tracking, Ausbildung, Medizin, Chirurgisch, Chirurg, Implementierung, Fracture Pro, Partikelsystem, Truss Physics, Meshinator, Fluvio, Einschätzung, meCUE, ITC-SOPI, Technikaffinität