Warum 3D?

3D-Technologie in der Chirurgie

Menschen sind recht gut dazu in der Lage, die Tiefe auf 2D-Bildern wahrzunehmen. Wir orientieren uns an einer Reihe von Anhaltspunkten, um die Tiefe wahrzunehmen – relative Größen der Motive, Bewegung, Texturen, Beleuchtung und Fokus. Beim Betrachten eines Films wissen wir genau, wo sich alles relativ zueinander befindet, obwohl der Film in 2D gedreht ist.

Wenn Sie jedoch ein Auge schließen und sich dann bewegen, werden Sie herausfinden, dass Ihre Tiefenwahrnehmung zwar noch ausreicht, aber nicht besonders genau ist. Sie stellen möglicherweise fest, dass Sie die Höhe von Treppenstufen falsch einschätzen und leicht ins Straucheln geraten. Oder Sie verfehlen einen Ball um wenige Zentimeter beim Versuch, ihn zu fangen.

Menschen können die Tiefe in 2D beurteilen, allerdings nicht sehr genau. Und deshalb spielt die 3D-Technologie ihre Stärken in der Chirurgie aus, wo Präzision von zentraler Bedeutung ist. Stereoskopische Chirurgie wird offenbar von vielen Ärzten bevorzugt, da sie eine Tiefenwahrnehmung verleiht, die bei 2D nicht möglich ist. Dies ist in der Chirurgie von großer Bedeutung, weil Patienten durch Fehlplatzierung von Instrumenten verletzt werden können.

3D-Technologie in der Chirurgie

Um Objekte in 3D erfassen zu können, müssen Anzeigesysteme die Art unserer optischen 3D-Wahrnehmung nachbilden. Wenn Sie Ihre Hand mittig vor Ihr Gesicht halten und Ihr linkes Auge schließen, stellen Sie fest, dass Ihre Hand am linken Rand Ihres Sehfelds erscheint. Wenn Sie das rechte Auge schließen, erscheint sie am rechten Rand Ihres Sehfelds. Nur wenn beide Augen geöffnet sind, erscheint die Hand in der Mitte des Sehfelds. Unser Gehirn empfängt vom linken und rechten Auge je ein Bild und verarbeitet diese zwei verschiedenen Bilder so, dass sie ein 3D-Bild ergeben. Anhand dieses Bilds kann unser Gehirn die Tiefe von betrachteten Objekten einschätzen.

Wir können diese Wahrnehmung nachbilden, indem wir Bilder von zwei nebeneinander befindlichen Kameras aufzeichnen. Ein entsprechendes Anzeigegerät sorgt dann dafür, dass ein Bild nur für das linke Auge sichtbar ist und das andere nur für das rechte. Auf diese Weise kann unser Gehirn eine stereoskopische Tiefeneinschätzung liefern.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Erstellung von 3D-Bildern auf Monitoren und Fernsehgeräten. Am gebräuchlichsten ist heutzutage polarisiertes 3D, wie in Kinos anzutreffen, oder das bei Fernsehgeräten übliche 3D mit aktivem Shutter. Für die Chirurgie wird bevorzugt die 3D-Polarisationstechnologie eingesetzt. Aber warum? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir die Funktionsweise der jeweiligen Technologie verstehen.

So funktioniert 3D-Polarisationstechnologie

So funktioniert 3D mit aktivem Shutter

Bei der 3D-Technologie mit aktivem Shutter werden 3D-Bilder erzeugt, indem schnell zwischen dem linken und rechten Kamerasignal gewechselt wird. Während das rechte Bild angezeigt wird, ist das linke Glas blockiert, und während das linke Bild angezeigt wird, ist das rechte Glas blockiert.

Bei jedem Einzelbild wechselt der Monitor schnell vom linken zum rechten Kamerasignal. Das bedeutet, dass wenn ein Monitor normalerweise ein Einzelbild pro Sekunde anzeigt, ein 3D-Monitor zwei Einzelbilder pro Sekunde anzeigen muss – erst das linke und dann das rechte Einzelbild.  Um zu erreichen, dass die einzelnen Augen nur das jeweils für sie bestimmte Einzelbild sehen, wird in der Brille das jeweils andere Glas synchron zum Bildwechsel abgedunkelt. Dies geschieht, indem an die Flüssigkristallschicht auf dem Glas eine Spannung angelegt wird, worauf sich das Glas verdunkelt. Wird das linke Bild auf dem Bildschirm angezeigt, ist das rechte Glas abgedunkelt – und wird das rechte Bild angezeigt, ist das linke Glas abgedunkelt.

Active Shutter
Wie Sie sehen, wird bei der Anzeige des linken Bilds auf dem Bildschirm das rechte Glas abgedunkelt und umgekehrt.

Bei der 3D-Polarisationstechnologie treten Lichtstrahlen durch einen zirkularen Polarisationsfilter und werden entweder im Uhrzeigersinn oder entgegengesetzt gedreht. An der Brille besitzt das linke Glas einen Polarisationsfilter im Uhrzeigersinn und das rechte Glas einen Polarisationsfilter entgegen dem Uhrzeigersinn. Das bedeutet, dass das linke Glas im Uhrzeigersinn gedrehtes Licht hindurch lässt und entgegen dem Uhrzeigersinn gedrehtes Licht blockiert. Auf dem Monitor sind die zirkularen Polarisationsfilter beider Drehsinne in Streifen angeordnet, sodass ein Satz Streifen nur vom linken Auge gesehen werden kann und der andere Satz nur vom rechten.

Um dies auch bei Videos umzusetzen, sind zwei Videoquellen erforderlich, die aus leicht unterschiedlichen Perspektiven aufnehmen. Das Anzeigegerät ordnet das Bild so auf dem Bildschirm an, dass das Bild der linken Kamera hinter dem im Uhrzeigersinn wirkenden Polarisationsfilter angezeigt wird, während das Bild der rechten Kamera hinter dem entgegen dem Uhrzeigersinn wirkenden Polarisationsfilter angezeigt wird.

CuratOR EX3220-3D / EX2620-3D
CuratOR EX3220-3D / EX2620-3D

So funktioniert 3D-Polarisationstechnologie

Bei der 3D-Polarisationstechnologie werden Bilder auf einem einzigen Bildschirm angezeigt, es wird jedoch sowohl am Monitor als auch an der Brille ein Polarisationsfilter verwendet, um zwei verschiedene Bilder für das linke und rechte Auge zu erzeugen. Diese Technologie wird bei unseren OP-Monitoren CuratOR EX3220-3D und EX2620-3D eingesetzt. Sie besitzt viele Vorteile und ist kostengünstig.

Warum in der Chirurgie polarisiertes 3D eingesetzt wird

Der Hauptgrund für den bevorzugten Einsatz von polarisiertem 3D in der Chirurgie besteht in der Sicherheit und Zuverlässigkeit der Technologie. Der Polarisationsvorgang erfordert keine Elektrizität. Die vom Arzt getragene Brille erfordert also anders als bei der Technologie mit aktivem Shutter keine Batterien. Dies ist bei voraussichtlich langen chirurgischen Eingriffen wichtig, denn ein Batterieversagen während des Eingriffs würde sich nachteilig auf den Patienten auswirken. Außerdem tritt bei Brillen mit aktivem Shutter ein sogenannter Crosstalk auf, wenn die Synchronisation von Anzeige und Brille einen Versatz aufweist, sodass das linke Bild ins rechte Glas übertritt und umgekehrt. Polarisierte 3D-Brillen sind statisch und erfordern keine Stromversorgung. Das Bild kann keinen Versatz bekommen – daher ist polarisiertes 3D zuverlässiger. Außerdem sind polarisierte 3D-Anzeigen kostengünstiger herzustellen, da keine zusätzlichen elektronischen Bauteile erforderlich sind.

Ein weiterer Vorteil von polarisiertem 3D ist die Flimmerfreiheit. Durch den schnellen Bildwechsel bei der Technologie mit aktivem Shutter registrieren Anwender oft ein Flimmern, was zu Kopfschmerzen und Unwohlsein führen kann. Diese Gefahr besteht bei der 3D-Polarisationstechnologie nicht. Außerdem gestattet polarisiertes 3D hellere Bilder als bei der Technologie mit aktivem Shutter.

Verglichen mit 2D ergeben sich jedoch einige kleinere Nachteile beim Erzeugen von 3D-Bildern. Die 3D-Polarisationstechnologie zeigt keine monolithischen, sondern in Streifen unterteilte Bilder an. Dadurch ist die Bildqualität verglichen mit einem 2D-Bild reduziert. Und bei der Technologie mit aktivem Shutter wird jedes Einzelbild nur für die Hälfte der Zeit angezeigt, wie es bei einem 2D-Video der Fall wäre. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass viele Anwender nach längerer Betrachtungsdauer aufgrund der Fehlausrichtung der Kamera über Unwohlsein oder Kopfschmerz klagen. Produkte wie der CuratOR EX3220-3D sind mit Funktionen ausgestattet, die dem entgegenwirken – Sie können die Parallaxe der Bilder an Ihre Augen anpassen.

Die Vorteile der 3D-Technologie – insbesondere der 3D-Polarisationstechnologie – überwiegen die Nachteile. Ärzte können mit ihrer Hilfe chirurgische Bilder nicht nur sicher betrachten, sondern gewinnen auch einen Tiefeneindruck.

Schlussfolgerung

Die 3D-Technologie erobert den Markt im Gesundheitswesen sprunghaft und wird von vielen Ärzten aufgrund der besseren Tiefenwahrnehmung bevorzugt. Die Technologie ist noch immer im Wachstum begriffen und wird in der Zukunft noch viele Verbesserungen erfahren. Bei der Chirurgie wird die 3D-Polarisationstechnologie bevorzugt, weil sie sicherer und zuverlässiger als die Technologie mit aktivem Shutter ist, hellere Bilder liefert und günstiger herzustellen ist.

Die kürzlich von EIZO vorgestellten 3D-OP-Monitore erzielen mit der zirkularen Polarisationstechnologie klare, scharfe Bilder für chirurgische Eingriffe.