Dental Training Simulation-VR/AR & Mixed-Reality-Anwendungen in der zahnmedizinischen Ausbildung

8. März 2019 Katrin Pape

Dental Training Simulation-VR/AR & Mixed-Reality-Anwendungen in der zahnmedizinischen Ausbildung

Show Me Your T e e t h !

Begehbares Zahnmodell. Bildquelle: organmodelle.de

Das Lernpensum im Studium der Zahnmedizin hat in den letzten Jahren an Komplexität dazu gewonnen. Der Informationsgehalt ist um ein Vielfaches größer als früher, der Fortschritt in der medizinischen Forschung macht größere Sprünge – nicht zuletzt ermöglicht durch innovative Technologien der Diagnostik. Der Standard, und damit auch die Qualität der Versorgung, sind dadurch erheblich gestiegen. Aber es gibt auch einen starken Anstieg von  Studierenden – und damit ein Ungleichgewicht bzw. einen Mangel bzgl. direkter und persönlicher Betreuung durch Professoren. Keine gute Ausgangsbasis, wenn man bedenkt, wie wichtig regelmäßiges Feedback an der Schnittstelle zwischen Theorie und Praxis ist.

Im 19. Jahrhundert bevorzugte man beim Üben restaurativer Techniken noch echte menschliche Zähne, die allerdings Mangelware darstellten. Kaum einem ist noch bekannt, dass Gefallene von Schlachtfeldern, etwa bei Waterloo oder der Leipziger Völkerschlacht im Jahre 1813,  ihre Zähne als Material zur prothetischen Versorgung reicher Leute hergeben mussten. Die um 1840 eingesetzten Porzellanrepliken wiesen zum damaligen Zeitpunkt noch zu hohe Bruchunsicherheit auf; man verwendete häufig Kälberzähne, doch wer es sich leisten konnte, trug eben eine Humanprothese.

Den ersten Dentalsimulator gab es ca. 1894, bestehend aus einem Metallstab und daran befestigtem Ober-und Unterkiefer-Modell. Rudimentäre Anfänge, die sich erst um das Jahr 2000 in virtuelle Bereiche ausdehnten. Eine Kombination von Mannequin und 3D-Visuals bietet auch heute noch Dentsim.  Mit der AR-Anwendung können Zahnmodelle gescannt und anschließend dreidimensional projiziert werden. Gearbeitet wird an einem Modell mit Kunststoffprothetik auf Basis von Infrarot-Tracking (nämlich der Bewegungen am simulierten Mund mit einer sog. Standard KaVo Turbine 650B) bzw. einer Overhead-Infrarotkamera, die das dentale Laborieren nicht nur auf einem dediziert Monitor wiedergibt, sondern zur Orientierung auch einen optimalen Behandlungsverlauf simulieren kann. Die interaktive Software bietet Übenden bis zu zehnmal Feedback pro Stunde.

Welchen Beitrag insbesondere die VR-/AR-App-Entwicklung tatsächlich zur allgemeinen Zahngesundheit leisten kann, zeigen die folgenden Beispiele.

Feinkoordinatorische Skills…

…sind bei der Zahnbehandlung ebenso relevant, wie ein gutes Vorstellungs-oder Visualisierungsvermögen. Mit dem Einsatz virtueller High-End-Simulationen gilt es nun, jene Fertigkeiten noch weiter zu optimieren.

Schon vor vielen Jahren ergaben Studien, dass Computer Assisted Learning (CAL) im Vergleich mit konventionellen Lehrmethoden weitaus höhere Lernerfolge erzielen und auch zu effizienteren Lernergebnissen führen kann. Vorteilhaft erwies sich nun auch die verbesserte Möglichkeit der Darstellung von Dysmorphologien oder Dysokklusionen, d.h. Fehlbildungen oder auch Anomalien im Hinblick auf Zahn-Kiefer-Kontaktstörungen.

Als sinnvolle Ergänzung zum konventionellen Lehrprogramm erwiesen sich, insbesondere im Hinblick auf verbesserte feinkoordinatorische Skills, VR-Dentaltrainer auf Force-Feedback-Basis (FBB). Durch Kraftrückkopplung vermag diese Haptik-Technologie beim Anwender die Illusion von Substanz (wie Zähne, Alveolarknochen, Bohrinstrumente oder Implantate)  zu erzeugen, wenn dieser in der Mundhöhle des virtuellen Patienten arbeitet.

Haptische Technologie schafft höhere Qualitätserfahrungen in Sachen VR. Mit unseren Händen können wir Härte, Form, Temperatur, Textur oder Gewicht wahrnehmen – und zwar, indem wir etwas handhaben. Um eine realistische, immersive VR-Erfahrung generieren zu können, ist die Implementierung von sensorischen Feedbacks wichtig.

Ein innovativer VR-Trainer dieser Spezies ist Simodont. Der 3D-Simulator ist das Resultat einer Kooperation zwischen MOOG, einem weltweit führenden Entwickler von Hochleistungslösungen zur Steuerung von Präzisionsbewegungen, und der Zahnmedizinischen Fakultät in Amsterdam, ACTA. Das Gerät umfasst diverse Module für manuelle Geschicklichkeit, Kariologie, Kronen- und Brückenübungen als auch vollständige Mundsimulationen.

Fertigkeiten am Bohrer verbessern, Simodont-Technologie. Bildquelle: zwp-online.info

Wie ist dieser VR-Simulator konzipiert? Das Gerät besitzt eine kleine Projektionsfläche, die Mund und Zähne des virtuellen Patienten via 3D-Brille genau an diejenige Stelle projiziert, wo sich der Kopf des zu behandelnden Patient befinden würde. Mit einem Bohrer können nun Kavitäten behandelt werden und der Student erhält ein differenziertes haptisches Feedback: Der Eingriff auf dem Zahnschmelz fühlt sich dank Kraftrückkopplung und Tastempfindung auch hier beispielsweise härter an, als auf umliegendem Gewebe. Die Wiederherstellung von Zähnen ist ein subtiler Prozess, der insbesondere eine präzise Empfindungs-Unterscheidung zwischen Bohrschmelz (nicht regenerativ) und Dentin erfordert.

Dental Tools & Tactile Learners

Bei haptischen VR-Gloves wie dem  Noitom Hi5 VR Glove oder den auf der Future of Storytelling Summit in NY präsentierten HaptX Gloves werden taktile Empfindungen z.B. durch lineare Widerstandsfaktoren (Linear Resistant Actuators/LRA´s) oder gar mikrofluidische Aktoren erzeugt. Die Simodont-Haptik basiert hier auf einem patentierten Moog Admittanz Control Paradigma, einer hochleistungsfähigen Schnittstelle.

Admittanz-Steueralgorithmus: Kraftsensor als vermittelndes Element Bildquelle: researchgate.net

Dieser misst die vom User ausgeübte Kraft mit Hilfe eines sensiblen Sensors. Position, Geschwindigkeit und Beschleunigung (PVA) des virtuellen Objektes wird dann in Relation zur Krafteinwirkung berechnet; dabei bietet der Algorithmus ein weites Bewegungsspektrum. Das findige Dentalwerkzeug hat sechs Freiheitsgrade (DoF/Degrees of Freedom) zur Positionsabtastung und erzeugt eine auf 3 DoFs basierte Rückkopplungskraft mit einer Verzögerung von höchstens einer Millisekunde, welche sich relativ zu Position und Orientierung der haptischen Sonde verhält und dem Benutzer Oberflächen, Widerstände und Kollisionen meldet bzw. fühlen lässt. Teilweise mit Technologie aus dem Flugzeugbau gefertigt, dient der Simulator nicht nur der erlösenden (Schein-)Behandlung unbeugsamer Karies, sondern ist dafür prädestiniert, Studenten zu greifbaren Arbeitsergebnissen in Sachen realer Zahnrekonstruktion zu führen.

Moog Simodont Dental Trainer Introduction

In einer Studie mit Studierenden des 4. Studienjahres der Zahnmedizin der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, sowie berufserfahrenen Experten, kam man zu dem Resultat, dass die virtuelle und graphische Darstellung der Zähne und Instrumentarien von allen Probanden als „nahezu real“ bewertet werden konnte. Das Urteil über die Haptik des Simulators fiel zwar bei den Studierenden besser aus, als bei den Experten. Beide Probandengruppen sahen jedoch einhellig einen großen Nutzen in der Anwendung des Simulators- insbesondere mit Blick auf manuelle Fertigkeiten, Selbststudium und der Ermöglichung individueller Lerneinheiten in der zahnmedizinischen Ausbildung.

Kobra Oral Surgery Simulator

Ebenso arbeitet der Kobra Simulator von Forsslund Systems mit Haptic Technology und anhängiger,  stereoskopischer 3D-Betrachtung. Auch hier dienen haptische Schnittstellen dem taktilen und kinästhetischen Feedback, deren Kern-Technologie auf Open-Source-Basis fungiert. Vorteilhaft ist die Lieferung von gleich zwei 3D-Brillen, mit denen Lehrer und Schüler/Student gleichzeitig am Modell arbeiten können. Damit verläuft das Feedback nicht nur unmittelbar, sondern auch persönlich und unterstützt den gemeinsamen Diskurs am Modell. Neue Fälle werden auf Anfrage entwickelt und basieren ebenfalls auf (eigenen) CT-Scans und Präferenzen. Sie werden in Zusammenarbeit mit Programmierern, 3D-Künstlern und Oralchirurgen entwickelt, um sicherzustellen, dass die Fälle visuell realistisch dargestellt sind und das Gefühl einer oralchirurgischen Behandlung vermitteln.

Cavity Preparation with Voxel-Man Dental

Auch der vollständig auf den zahnärztlichen Lehrplan abgestimmte High-End-Zahnsimulator Voxel-Man Dental basiert auf Mikrotomographien von echten Zähnen, die auch hier virtuell animiert als probates Mittel zur Steigerung von Lernkurven dienen. Die Entwickler, eine Arbeitsgruppe des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf, haben sich in ihrer Forschung ausschließlich Trainingssimulatoren für bohrende und fräsende Eingriffe verschrieben. Zur Erstellung eigener Fälle auf Grundlage von z.B.  Forschungsdaten generierte man zudem Voxel-Man My Cases: 3D-Modelle entstehen durch das Einlesen von etwa CT-Scans, die als Bilder im DICOM-Format, dem offenen Standard im medizinischen Informationsaustausch,  gespeichert werden und unproblematisch zur Anwendung kommen können.

Kavitäten-Check in Augmented-/ Mixed-Reality

Beide Simulatoren haben jedoch eine massive Verschalung und können nicht ortsunabhängig verwendet werden. Wer flexibel auf Tablet  oder Android (iOS 6.0 >) üben möchte, dem helfen Anwendungen wie Dental Simulator.

Dental Sim Screenshot: Anästhesieren lernen Bildquelle: microsoft.com

Die App bietet zunächst einen Study-Modus zum Aufrufen diverser Simulationsvideos für den eher passiven Gebrauch und unterstützt, visuell recht eingängig, beim anatomischen Check-up. Mit einer VR-Brille wie Oculus Rift, lässt sich zudem in immersive 3D-Ebenen wechseln.

Virtual-Reality und Augmented-Reality-Systeme kombinieren auch die Unternehmen Morita und Realize Mobile. Ein marktreifer Simulator ist noch in der Entwicklung, aber die Beta-Version verspricht spannende Resultate.

Virtual + Augmented Reality meets Dental Education System

Trägt der Praktizierende ein HMD, sieht er die Simulation der Mundhöhle des virtuellen Patienten. Die simulierten Szenen werden nun mit Videodaten überlagert:  Enthalten sind wesentliche Informationen über Orte und Formen von Nerven und Blutgefäßen in den betroffenen Bereichen, die mit bloßem Auge nicht einsehbar sind. Der Behandelnde kann sich auch anhand der generierten Bilder vergewissern, ob der operative Verlauf gemäß dem ursprünglichen Plan fortschreitet bzw. adäquat erfolgt. 2D- und 3D-Aufnahmen, etwa aus Volumentomographen oder Intraoralröntgengeräten, werden so kombiniert, dass der Zahnmediziner zum Beispiel während einer endodontischen Behandlung – z.B. bei Kronenkaries und dem damit verbundenen Ziel des Zahnerhaltes – das Innere eines Wurzelkanals erkennen kann. Das System nutzt verschiedene Arten von Visuals für das Training riskanter Behandlungen. Externe Sensoren verfolgen in Echtzeit die räumliche Position des Patienten, als auch diejenige des Behandelnden, respektive seiner instrumentellen Ausrichtung. Mit Blick auf zukünftige klinische Anwendungen unterstützt die Benutzeroberfläche auch die Steuerung über Sprache und Gesten.

Das Prinzip erinnert an die Kooperation zwischen Nomadeec und Microsoft HoloLens, bei der die AR-Brille per Bluetooth mit bis zu zehn diagnostischen Geräten verbunden werden kann, um Patientendaten zu verwalten. Daher könnten entsprechende Anwendungen demnächst auch in der (dentalen) Telemedizin von Bedeutung sein.

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Bildrechte: © ToheyVector – Fotolia.com

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