Schreiben für Andere, dritter Beitrag

_Im Rahmen der Lehrveranstaltung Schreiben für Andere an der ETH Zürich entstand dieser Text. Die Aufgabenstellung war, über das eigene Fachgebiet und seine Bedeutung für bzw. in der Öffentlichkeit zu schreiben. Die Länge des Textes war mit 4000-5000 Zeichen (inklusive Leerschläge) ebenfalls vorgegeben._

Virtuelle Umgebungen in der Medizintechnik und zum Bewegungslernen

Wenn die Mannschaftsmitglieder des Raumschiffs Enterprise Unterhaltung, Trainingsszenarien oder auch nur Entspannung suchten, betraten sie das Holodeck. Dort, so wollte es die bekannte Science-Fiction-Serie, wurden Umgebungen und sogar eigenständig handelnde Akteure vom Bordcomputer generiert. Die Darstellung war so realistisch, dass der Klingone Worf auch den Umgang mit seinen martialischen Nahkampfwaffen trainieren konnte. Letztlich stellt diese Idee eines perfekten Animationsraumes die Vision dar, welche den Aufbau und die Entwicklung von virtuellen Umgebungen motiviert.

Verglichen mit dem Quasi-Realismus aus Star Trek wirken die aktuellen Aufbauten noch recht rückschrittlich. Die vorhandenen Technologien bestimmen die Grenzen der Darstellungsqualität. So muss die Grafik auf die den Raum begrenzenden Schirme projiziert werden. Mit Hilfe von 3D-Brillen unterschiedlicher Wirkungsprinzipien können Bilder für das linke und rechte Auge separat dargestellt werden, so dass ein dreidimensionaler Eindruck entsteht. Jedoch fokussiert das Auge trotzdem auf die Leinwand, so dass nach gewisser Zeit Ermüdungserscheinungen auftreten. Trotz dieses Nachteils ist die Grafik in den letzten Jahren deutlich besser geworden, durch die gestiegene Leistungsfähigkeit von Rechnern kann man heute nahezu fotorealistische Grafiken erzeugen. Anders beim Klang. Um Geräusche realistisch aus allen Richtungen erklingen zu lassen, wären extrem viele Lautsprecher notwendig. Deshalb beschränken sich die momentan eingesetzten Systeme darauf, Klänge rund um den Hörer, also auf einer horizontalen Ebene zu erzeugen. Das größte Sorgenkind der virtuellen Umgebungen ist jedoch die Haptik, also die Übermittlung von Kräften. Dies ist nur durch am betreffenden Gliedmaß anzubringende Vorrichtungen möglich. Die Ansätze reichen von Seilrobotern (wie bei Marionetten) bis zu Handschuhen mit eingebauten Motoren. Aber so richtig perfekt ist keiner dieser Ansätze. Um die Qualität des Holodeck zu erreichen, bräuchte man eine Kraftübertragung durch die Luft. Und das gibt es heute einfach noch nicht.

Im Bereich der Medizintechnik spielen virtuelle Umgebungen trotz dieser Einschränkungen eine immer größere Rolle. Ärzte können schwierige Operationen trainieren, ohne einen Patienten zu gefährden, Operationen können besser geplant werden und der langwierige Prozess der Rehabilitation von Schlaganfall- und rückenmarksverletzten Patienten kann durch von Rechner generierte Szenarien motivierender gestaltet werden.

Als Beispiele für den letzten Punkt sollen die Rehabilitationsroboter Lokomat (Gangrehabilitation) und ARMin (Armrehabilitation) dienen. Beim Wiedererlernen des Laufens mit Hilfe des Lokomat sehen die Patienten auf einem Bildschirm einen Pfad mit Hindernissen. Letztere sind als Trainingsstimuli gedacht, wie im realen Leben muss das Gangmuster gelegentlich variiert werden. Klänge können nun den Abstand zum nächsten Hindernis darstellen, analog zum Einparksonar in modernen Autos.

Die Armrehabilitation hat andere Anforderungen, anstatt eines sich wiederholenden Musters wie beim Gehen sollen eher funktionelle Bewegungen wie Greifen trainiert werden. Zur Unterstützung der Rehabilitation wurde der Armroboter ARMin entwickelt. Eine Trainingsanwendung ist ein Spielszenario. Die Patienten können mit ihrem am ARMin befestigten Arm einen Schläger steuern und müssen mit diesem einen herunterrollenden Ball auffangen. Dieses virtuelle Ballspielszenario motiviert die Patienten, mit ihrem betroffenen Arm länger zu trainieren.

Ein weiterer Anwendungsbereich für den Einsatz virtueller Umgebungen ist das Erlernen und Optimieren von komplexen Bewegungen, beispielsweise im Sport. Mögliche Anwendungen sind das Erlernen des Ruderns oder des Golfschlages. Durch den Einsatz virtueller Umgebungen kann man unter realitätsnahen Bedingungen Rudern lernen, und das ohne die Gefahr, durch eine unbedachte Bewegung nass zu werden. Jedoch kann ein solcher Rudersimulator noch weit über die bloße realitätsnahe Darstellung des Bootes und Ruders hinausgehen. Durch geeignete Regelstrategien lässt sich die ideale, zu erlernende Bewegung vorgeben, so dass man gleich zu Beginn ein Gefühl für den richtigen Ablauf bekommt. Später wird diese Unterstützung zurückgenommen, jetzt können aber visuelle oder akustische Signale ausgelöst werden, sobald man von der idealen Bahn abweicht.

Überhaupt stellt sich die Frage, wie man komplexe Bewegungen optimal lernen kann. Virtuelle Umgebungen ermöglichen das Ausprobieren neuartiger Trainingskonzepte und öffnen die Tür zu weiteren Erkenntnissen im Bereich neuronaler Lernprozesse.

Somit ergeben sich für virtuelle Szenarien vielfältige Einsatzmöglichkeiten im Bereich der Medizintechnik und des Bewegungslernens. Und selbst wenn die Realisierung eines Holodecks noch lange auf sich warten lässt, auch mit heutigen Technologien können beeindruckende Effekte mit virtuellen Umgebungen erzielt werden.