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FAW @ Lange Nacht der Forschung 2016

Lange Nacht der Forschung 2016

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Biomechanical modelling of the human eye

Student: Michael Buchberger
Supervisor: Univ.-Prof. Dr. Roland Wagner
End: 31.03.2004

Abstract(DE)
Diese Forschungsarbeit hat das Ziel, ein biomechanisches Modell des menschlichen Auges zu entwickeln. Das implementierte Software System, „SEE++“, soll es Medizinern ermöglichen, ein besseres Verständnis der Mechanik der Augenbewegungen zu bekommen.
Augenbewegungsstörungen und Augenmuskeloperationen werden dabei auf biomechanische Ursachen und Wirkungen zurückgeführt. Der erfolgreiche klinische Einsatz dieses Systems zeigt, wie computerbasierte Methoden der Medizin-Informatik die Diagnose und Behandlung von Patienten verbessern können.
Die interdisziplinären Anforderungen dieses Projekts erforderten Beiträge aus stark unterschiedlichen medizinisch-technischen Forschungsbereichen. Anatomische Studien lieferten Grunddaten für die Formulierung eines mathematischen Modells der menschlichen Augebewegungen. Biomechanische Überlegungen führten zu einer geometrischen Beschreibung von Augenbewegungen, einer Muskelkraftsimulation und eines kinematischen Modells.
Augenpositionen wurden mit mathematischen Optimierungsmethoden aus dem Kräftegleichgewicht der Augenmuskulatur berechnet. Um die Morphologie der Augenmuskulatur besser zu verstehen, wurden umfangreiche Studien mit hochauflösender Magnetresonanztomographie durchgeführt, und mit Bildverarbeitungsmethoden die dreidimensionalen Rekonstruktionen berechnet. Der Einsatz von modernen Methoden des objektorientierten Software-Engineering bildete die Grundlage für eine flexible Implementierung. Dreidimensionale interaktive Visualisierung und optimiertes Benutzerschnittstellen-Design wurden in einem einzigartigen Software System kombiniert.
Das biomechanische Simulationssystem „SEE++“ ist derzeit das weltweit detaillierteste und modernste Softwaresystem für die Modellierung und Simulation von Augenbewegungsstörungen. Das System ermöglicht durch umfangreiche Möglichkeiten der Parametrisierung die Simulation von pathologischen Fällen und deren operative Korrektur. Die Simulationsergebnisse zeigen nachweislich eine gute Übereinstimmung mit verfügbaren klinischen Vergleichsdaten. Derzeit wird dieses System für die computerbasierte Entscheidungsunterstützung in verschiedenen klinischen Einrichtungen verwendet. Der Einsatz in der medizinischen Ausbildung verbessert das Verständnis über Funktion und Wirkungsweise von menschlichen Augenbewegungen. In der medizinischphysiologischen Grundlagenforschung ermöglicht das System die Auswertung und Evaluierung von Messergebnissen, und gibt somit einen detaillierteren Einblick in die komplizierte Struktur des menschlichen Auges.

Abstract(EN)
The goal of this work was the development of a biomechanical model of the human eye. An interactive software system was implemented, called „SEE++“ which allows also physicians to obtain a better understanding of the mechanics of eye movements. This software visualizes and simulates pathologies and eye muscle surgeries, based on the biomechanics of the eye. It can be used in preoperative planning, medical training and basic research, and shows how Medical-Informatics can improve the diagnosis and treatment of patients.
The interdisciplinary nature of the project required contributions from very different fields. Anatomical studies, in cooperation with researchers as well as practicing physicians, provided data for defining a mathematical representation of human eye movements. The biomechanical model included a geometrical representation of eye movements, a muscle force prediction model, and a kinematic model that balances muscle forces by using mathematical optimization methods. High-resolution magnetic resonance imaging studies were carried out to visualize eye muscle morphology, and image processing methods used to reconstruct three dimensional approximation models of human eye muscles. Modern software engineering methods provided the basis for an extensible object-oriented software design. Three dimensional interactive visualization and a user interface optimized for medical use were combined into a unique software simulation system for the clinic and for teaching.
The „SEE++“ software system is currently the most advanced biomechanical representation of the human eye, with respect to simulating eye movements and eye muscle surgeries. The extensive possibilities for parametrization of the human eye model allow interactive simulations of pathological cases and surgical corrections, and the predictions correspond well with clinical data. This system is used in various clinical facilities as computer aided decision support for strabismus (squint) surgeries. In medical training and education, it substantially improves the functional understanding of human eye movements.