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Kurzfassung

Ein virtuelles Auge wird als dreidimensionale Basisgeometrie für virtuelle Diagnostik- und Therapieverfahren im Rahmen von numerischen Simulationen aber auch für die experimentelle Verwendung entwickelt. Dabei werden die einzelnen Komponenten des Auges mathematisch durch eine Verkettung einfacher Funktionen modelliert. Die verwendeten Parameter werden durch umfangreiche eigene Daten und zusätzlichen Daten aus der Literatur geschätzt. Es werden somit genaue mathematische Formeln entwickelt, die die Darstellung eines prototypischen gesunden und pathologischen Auges mit an seinen Komponenten ermöglicht. Durch diese Erfindung sind erstmals experimentelle Simulationen zur Erforschung des menschlichen Auges und zur Entwicklung und Optimierung von etablierten und neuen Therapien für Augenerkrankungen möglich.

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Hintergrund

Operationen im Innern des Auges gehören zu den schwierigsten chirurgischen Eingriffen. Die Strukturen im Auge sind extrem empfindlich, und um sie nicht zu verletzen, muss der Chirurg seine Instrumente unter einem Stereomikroskop präzise im Submillimeterbereich kontrollieren. Die Ausbildung dazu erfolgt heute zum Teil in sogenannten Wetlabs, in denen die Augen toter Tiere als Ersatz für ein Patientenauge dienen. Dies hat jedoch Nachteile: Die Augen von Tieren und Menschen unterscheiden sich anatomisch, totes Gewebe verhält sich anders als lebendes; hinzu kommt, dass einige Augenerkrankungen des Menschen bei Tieren nicht oder nur selten auftreten. Und selbst wenn ein Tierauge verfügbar ist, das ein bestimmtes Krankheitsbild zeigt, kann es nur ein einziges Mal als chirurgisches Trainings­objekt dienen. Aus diesen Gründen ist es nur eingeschränkt möglich, chirurgische Eingriffe an Tieraugen einzuüben. Seit einigen Jahren können augenchirurgische Eingriffe in der „virtuellen Realität“ eingeübt werden. Der Chirurg „operiert“ dabei ein Auge, das nur als Computermodell existiert. Um eine solche virtuelle Operation derart realistisch zu gestalten, dass sie Ausbildungszwecken dienen kann, müssen mehrere Voraussetzungen erfüllt sein. Die Interaktion des Chirurgen mit dem virtuellen Auge muss so realistisch sein, dass er vergisst, an einem Simulator zu arbeiten. Besonders wichtig ist dabei die Reaktions­geschwindigkeit des Systems: Die Bewegung eines realen Instruments muss ohne Verzögerung zur Bewegung des virtuellen Instruments führen; und das virtuelle Gewebe muss unmittelbar auf einen Eingriff, etwa Schneiden oder Reißen, reagieren.

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Problemstellung

Ob ein virtueller Eingriff als real empfunden wird, hängt wesentlich davon ab, wie realistisch das virtuelle Augengewebe reagiert, wenn der Chirurg es mit seinen Instrumenten zu manipulieren versucht. Diese Interaktion setzt voraus, dass eine Berührung zwischen Instrument und Modell, eine „Kollision“, vom Rechner erkannt wird. Anschließend können Kräfte berechnet werden, die einer Objektdurchdringung entgegenwirken („Kollisionsantwort“) sowie die biomechanische Reaktion des Gewebes selbst. Allerdings existieren bisher nur vereinzelte, einfache künstlichen Teilnachbildungen von Augen, die aber nicht realitätsnah sind und nicht die einzelnen Komponenten des Auges beinhalten. Daher sind realitätsnahe Simulationen mit den bisherigen Methoden nur eingeschränkt möglich. Ferner wurden zur Erforschung des Auges Experimente in vitro, an tierischen und menschlichen Augen durchgeführt. Menschliche Autopsie-Augen sind nur in eingeschränkter Zahl verfügbar und teuer.

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Lösung

Mit den hier entwickelten mathematischen Formeln des virtuellen Auges ist erstmals eine effiziente dreidimensionale und realitätsnahe numerische Simulation am menschlichen Auge und die Darstellung der 3D Geometrie des Auges im gesunden und pathologischen Zustand am 3D Drucker möglich. Alle einzelnen Komponenten des Auges (Iris, Glaskörper, Netzhaut, etc.) wurden mit einer Verkettung mathematischer Funktionen (siehe Details und Funktionen im Anhang) definiert. Die Parameter der benutzten Funktionen wurden anhand umfangreicher eigener Daten (Ultraschall, OCT, MRT) mittels Parameterschätzmethoden ermittelt. Die Erfindung stellt damit erstmals eine konkrete Geometriekonstruktion in Form eines virtuellen Auges mit allen Komponenten zur experimentellen Erforschung des menschlichen Auges zur Verfügung.

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Vorteile

• Realitätsnahe Abbildung aller Komponenten des menschlichen Auges
• Dreidimensionale und realitätsnahe numerische Simulation am menschlichen Auge möglich
• Schnelle und effiziente Beurteilung erfolgversprechender neuer Therapien für Augenerkrankungen möglich
• Darstellung der 3D Geometrie des Auges im gesunden und pathologischen Zustand am 3D Drucker möglich
• Günstige und konkrete Geometriekonstruktion des virtuellen Auges

   

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Anwendungsbereiche

Experimentelle Erforschung des menschlichen Auges zur Entwicklung und Optimierung von etablierten und neuen Therapien zur Behandlungen von Augenerkrankungen.

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Service

Angeboten wird eine Lizenz für Herstellung und Vertrieb, exklusiv oder nicht-exklusiv.