q Geschichte des VOXEL-MAN-Projekts am
Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf (UKE)

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1969 Erster Computer im UKE

Erster Rechner im UKE
1969: Der erste Computer im UKE (Digital Equipment PDP-8i) im Keller des alten Chirurgiegebäudes


Prof. Klaus Dieter Vogt (1921-2004), Leiter des Klinisch-Chemischen Labors und Dr. Hans Otto Wüster (1927-1985), Leiter der Datenverarbeitung beim Deutschen Elektronen-synchrotron DESY vereinbaren eine Zusammenarbeit, um die Möglichkeiten der Datenverarbeitung für die Medizin auszuloten. Der Diplom-Physiker Dr. Karl Heinz Höhne (*1937) wird mit dem Projekt beauftragt. DESY stellt den ersten Rechner im UKE auf. Darauf erstellt Höhne mit Mitarbeitern ein System zur Erfassung und Auswertung von Labordaten. Mit dem zu den weltweit ersten gehörenden System dieser Art ("LABMAT", im Routinebetrieb bis 1974) kann die Verbesserung der Qualität der klinischen Chemie durch den Einsatz von Computern bewiesen werden.

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    Autoanalyzer mit Computer-Anschluss im
"Cito-Labor" (1971)

K. H. Höhne, W. Ebenritter, K.-D. Voigt, W.-R. Dix,
K. Harm (ca. 1974)

 


 

 

 

1971 Erste digitale Bilder - Computerauswertung von Szintigrammen

  Erster Rechner in der Nuklearmedizin  
  Gamma-Kamera mit Monitor des ISAAC-Systems (ca. 1973)

 
Erster Rechner in der Nuklearmedizin
Wolfgang Wöllmer beim Analysieren eines Hirnszintigramms mit dem "Lichtgriffel" (ca. 1974)

 


 

 

 

 

Die DESY-Arbeitsgruppe entwirft auf Anregung von Dr. Dragutin Nowak mit Prof. Claus Schneider und Dr. Ricardo Montz (Abteilung Nuklearmedizin der Radiologischen Klinik) erstmalig ein System (System ISAAC) zur interaktiven Auswertung von Bildern einer Gamma-Kamera, die die Verteilung eines radioaktiven Strahlers im Körper zeigt (Szintigramme). Digitale Bilder sind zu dieser Zeit noch unbekannt. Für die Bildauswertung wird einer der ersten Bitmap-Displays (64x64 pixels, 16 Graustufen) entwickelt, heute würde man das eine Graphikkarte nennen. Die Interaktion mit dem Bild erfolgt über einen "Lichtgriffel". Auf der Basis von ISAAC wird zum Beispiel ein Verfahren zur Feststellung des Hirntods entwickelt. Bis zur Ablösung durch ein kommerzielles Gerät läuft ISAAC noch fünf Jahre im Routinebetrieb.


1976
-1983 Die ersten digitalen Videos: Computerauswertung von Angiogrammen

  Das System CA-1   Das System CA-1  
  Funktionsbilder, die die Ankunftszeit einer Kontrastmittelgabe in der Niere anzeigen.   Das System CA-1 (Computer-Angiographie-1) in der Radiologischen Klinik  

Die DESY-Arbeitsgruppe entwickelt mit der Radiologischen Klinik ein System zur quantitativen Auswertung von Angiogrammen, Folgen von Röntgenbildern). Ziel ist es, den Blutfluss in Organen wie Niere, Leber, Lunge, Herz für die radiologische Diagnostik zu quantifizieren. Der Informatik-Ansatz des vom Forschungsministerium mit einer Million DM geförderte Projekts ist richtungweisend. Die gesamte Hardware für Bild-Aufnahme und Speicherung ist eine Eigenentwicklung. Es werden spezielle Computersprachen sowohl für die Auswertung, als auch die Verwaltung von Bildfolgen in einer Datenbank entwickelt. Diese läuft auf dem DESY-Großrechner der mit dem UKE über eine Datenleitung von 40,8 kbits/s verbunden ist. Dennoch ist das Projekt für die Medizin nicht der angestrebte Fortschritt, da sich wegen grundsätzlicher Eigenschaften der Bilder die gewünschte Information nicht in genügender Präzision extrahieren lässt.

1978 Institut für Mathematik und Datenverarbeitung in der Medizin (IMDM)

 
   
Karl Heinz Höhne wird zum Professor und Direktor der Abteilung Informatik in der Medizin im neu gegründeten Institut ernannt. Die nun entstandene noch schlagkräftiger gewordene gemeinsame UKE-DESY-Arbeitsgruppe kann sich neuen Projekten zuwenden.

 


1978-1985 Entwicklung von Konzepten zur Bildspeicherung und -kommunikation

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Bilddatenbank-Prototyp ca. 1982  
  Touch-Screen-Oberfläche der Bilddatenbank
  Bildauswahl mit Touch-Screen (1982)

Digitale Bilder finden immer mehr Eingang in die radiologische Diagnostik. Für die elektronische Speicherung und Kommunikation wird eine Bilddatenbanksprache entwickelt und mit dieser ein neuartiges Demonstrationssystem erstellt. Bereits damals erlaubt dieses die Bildauswahl per Touchscreen. Für die Diskussion des Stands der Technik organisiert das Institut das NATO Advanced Study Institute "Pictorial Information Systems in Medicine" in Braunlage, auf dem EUROPACS, European Association for Picture Archiving and Communication Systems (PACS) gegründet wurde. Die Techologie der Rechnernetze und der Bilddarstellung ist für eine breite Anwendung allerdings noch nicht geeignet. Da die zu lösenden Probleme nicht als wissenschaftliche Herausforderung angesehen werden, wird dieses Arbeitsgebiet wieder verlassen.

1983 Erste 3D-Rekonstruktionen aus mikroskopischen Schnitten

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3D-Anordnung der Samenzellen im Samenkanal

In Zusammenarbeit mit der Abteilung für Mikroskopische Anatomie (Prof. Adolf Friedrich Holstein und Dr. Wolfgang Schulze) werden erstmals aus mikroskopischen Schnittfolgen des menschlichen Samenkanälchens 3D-Ansichten erzeugt, mit denen bewiesen werden kann, dass die Spermien gemäß Reifezustand spiralförmig angeordnet sind.

 

 

 

 


1984 Erste 3D-Rekonstruktionen aus radiologischen Schnittbildern

In Zusammenarbeit mit der Radiologischen Klinik werden erste 3D-Rekonstruktionen aus Computer-Tomogrammen (CT) und Kernspin-Tomogrammen (MRT) erzeugt. Sie werden auf dem Deutschen Röntgenkongress 1984 gezeigt und eher als Spielereien wahrgenommen.
         
Erste aus CT-Bildern erzeugte 3D-Modelle von Becken und Schädel Erste aus aus MRT-Bildern erstellte Modelle einer schlagenden linken Herzkammer

1985 Erste Anwendungen in der Chirurgie von Gesichtsmissbildungen

Stereolithographischer 3D-Druck eines Kieferknochens (1986)
Korrektur von Schädelmissbildungen  
Erste Modelle für die Gesichtschirurgie (1985)
 

Prof. Hans-Joachim Höltje von der damaligen Klinik für Mund-Zahn- und Kieferheilkunde des UKE erfährt auf einer Tagung in Philadelphia von den Informatik-Entwicklungen im eigenen Klinikum und nimmt den Kontakt auf. In der daraus entstehenden jahrelangen Kooperation gehört die ZMK-Klinik weltweit zu den ersten, die 3D-Modelle (auch schon als stereolithographische 3D-Drucke) erfolgreich für die Chirurgieplanung anwenden.

1985 Der Durchbruch zu realistischen Darstellungen

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Qualitätsverbesserung am Beispiel eines Schädels nach komplexer Operation (1987)

Bei einem Forschungsaufenthalt beim IBM Palo Alto Scientific Center in Kalifornien hat Prof. Höhne Zugriff auf Computer (IBM 3090), deren Kapazität die in Hamburg verfügbare bei weitem übertraf. Dies erlaubt ihm zusammen mit Ralph Bernstein die Entwicklung eines neuartigen Darstellungsverfahrens ("Grauwertgradienten-Schattierung"), das Bilder mit bisher nicht gekannter Realitätstreue hervorbringt. Das Verfahren wird das Standardverfahren für die 3D-Visualisierung von radiologischen Schnittbildern. Während damals die Berechnung eines Bildes immer noch Minuten dauerte, kann nun (2016) ein gewöhnlicher PC diese in Bruchteilen von Sekunden erzeugen.

 

 

1986-1988 Mehrere weltweite Premieren

Das Verfahren wird mit Bilddaten aus der Radiologischen Klinik und von Siemens erprobt. Es erlaubt nun erstmals die Darstellung des Gehirns (1987) und des schlagenden Herzens (1988) von lebenden Personen aus der Magnetresonanz-Tomographie. Die Demonstrationen, zum Teil schon in stereoskopischer Darstellung, waren Highlights auf den Amerikanischen Radiologie-Kongressen (RSNA) dieser Jahre in Chicago. Das Institut für Mathematik und Datenverarbeitung in der Medizin wird zum Ziel vieler ausländischer Besucher.

Erster Blick ins Hirn mit Tumor (1986) Erstes isoliertes Hirn (1987) Erstes schlagendes Herz (1988)

1986 Das Projekt erhält den Namen "VOXEL-MAN"

Der Name leitet sich her aus dem Begriff Voxel, einer Bezeichnung für die dreidimensionalen Pixel, aus denen die 3D-Modelle bestehen. Unter dem Namen wird das Projekt weltweit bekannt. Oft wird das Wort VOXEL-MAN auch als generelle Bezeichnung für ein digitales Körpermodell benutzt


1986 ff Der vergebliche Versuch die 3D-Verfahren in der Klinik zu verbreiten

Klinik-Versuche  
3D-Darstellungen von Fällen mit Fehlbildungen
 

Die Erwartung, dass sich die Verfahren in der diagnostischen Radiologie oder chirurgischen Disziplinen wie der Neurochirurgie schnell durchsetzen würden, erfüllt sich nicht. Trotz der großen Anschaulichkeit kommen die Radiologen auch weiterhin mit den klassischen Schnittbildern zurecht. Die Chirurgen ist der Schritt in die virtuelle Welt noch zu groß, zumal die Verfahren damals noch zeitraubend und umständlich zu handhaben sind. Es dauert viele Jahre, bis sie zum professionellen Instrumentarium gehören.

 

 

1988 Erstmalige Fusion von CT- und MRT-Bildern

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Kombinierte CT-MRT Darstellung   Hier schlug die die nötige Verzerrung der CT-Daten fehl

Die Computer-Tomographie stellt Objekte hoher Dichte (Knochen, Metall) besser dar, die Kernresonanz-Tomograpie aber eher die Weichteile. Es gelingt erstmals die beiden bildgebenden zu kombinieren. Das Verfahren reicht für den "Hausgebrauch" und wird nicht weiter entwuickelt.

 

 

 

 

1990 VOXEL-MAN im Siemens-Kernspintomographen Magnetom

Als erstes kommerzielles Gerät überhaupt bietet der Siemens Kernspintomograph Magnetom mit einer Version von VOXEL-MAN ein Programm zur 3D-Darstellung. Wegen der zu geringen Leistungsfähigkeit der verfügbaren Computer (die Berechnung eines Bildes dauerte mehrere Minuten) setzt sich das Verfahren damals noch nicht durch. Heute gehören entsprechende Programme zum Standardrepertoire jedes Tomographen.

 

1990 Prof. Lierse begeistert sich für VOXEL-MAN

aaaaalierse und VOXEL-NMAN-Gruppe
Das VOXEL-MAN-Team 1992 (Ulf Tiede, Rainer Schubert, Andreas Pommert, Werner Lierse, Karl Heinz Höhne, Thomas Schiemann, Martin Riemer)

Wegen des zunächst geringen Anklangs, den die Verfahren in der klinischen Medizin fanden, wandten sich die Forscher der Entwicklung von computerbasierten 3D-Modellen für die Aus- und Weiterbildung zu. Prof. Werner Lierse (1928-1993) hilft anatomisches Lehrbuchwissen mit den neuartigen Modellen zu verbinden. Über einen längeren Zeitraum verbringt Lierse für VOXEL-MAN mehr Zeit im Institut für Mathematik und Datenverarbeitung in der Medizin als in seinem eigenen Institut.

 

 

1991 Verbindung von bildlichem und beschreibendem Wissen

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Abfrage der zum optischen Nerv gehörenden Informationen in einer vom Nutzer erzeugten Ansicht
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Beschreibungen im semantischen Netzwerk verbunden mit dem Bildvolumen  

Die Aufgabe der Zuordnung anatomischer Beschreibungen zu Körpermodellen führt unwillkürlich zur Beschäftigung mit Verfahren der Wissensrepräsentation. Auf der Basis der "semantischen Netzwerke" wird ein Konzept entwickelt, das die Zuordnung und damit die Abfrage von Wissen und Wissensbezügen im bildlichen Kontext erlaubt. Der Benutzer kann im beschreibenden Wissen "navigieren" und dieses im 3D-Modell anzeigen lassen und umgekehrt.

 

 

 

 

1991 Der erste interaktive 3D-Atlas des menschlichen Hirns und Schädels

  Hirn-Atlas   a   c
  Benutzer-Interface des 3D-Atlas von Hirn und Schädel   MRT im Anatomie-Kontext und Annotationen in fünf Sprachen per Mausclick   Szene komponiert von Besuchern des RSNA-Kongresses in Chicago, 1991

Auf der Basis der entwickelten Wissensrepräsentation wird der erste interaktive 3D-Atlas des menschlichen Hirns und Schädels entwickelt. Prof. Lierse stirbt unerwartet 1993 und kann die Premiere der Endversion des 3D-Atlas leider nicht erleben. Er wird mit der fachlichen Begleitung von Prof. Udo Schumacher (Institut für Anatomie und Experimentelle Morphologie) fertiggestellt. Der Atlas besteht aus einem dreidimensionalen Modell des menschlichen Hirns mit 250 anatomischen Objekten, das am Bildschirm aus beliebigen Richtungen betrachtet, geschnitten, auseindergenommen, abgefragt und in seinen radiologischen Erscheinungsformen dargestellt werden kann. Für die Annotationen können fünf verschiedene Sprachen (deutsch, englisch, französisch, japanisch und chinesisch) gewählt werden. Kommentar im American Journal of Neuroradiology über Ausstellungsbesucher beim RSNA-Kongress in Chicago 1991, die mit dem Atlas arbeiteten: ".................they were looking into the future". Der Atlas wird 1995 im Springer Verlag veröffentlicht.

* Am. J. Neuroradiology 14, 3 (1993), 560

1994 VOXEL-MAN im Zentrum der Ausstellung "Le Corps Virtuel"

Centre Pompidou  
VOXEL-MAN im Centre Pompidou
 

Es zeigt sich, dass die neuartigen Bilder auch jenseits der Medizin eine große Anziehungskraft entwickeln. So zeigt im April 1994 das Centre Pompidou in Paris eine Ausstellung mit dem Titel "Le Corps Virtuel", bei der Animationen aus dem VOXEL-MAN-Projekt im Mittelpunkt stehen. Die Zeitung "Le Monde": "..........fort spectaculaire (ausgesprochen spektakulär)".

* Le Monde, 7. April 1994



1994 Virtuelle Endoskopie

  Centre Pompidou
 
VOXEL-MAN-Simulation einer virtuellen Koloskopie 1994

Von Beginn an erlaubt VOXEL-MAN die freie Wahl des Blickpunkts und die perspektivische Darstellung der Sicht von dort. Obwohl also die Technik bereit ist, kommen andere früher auf die Idee, diese zur Simulation von endoskopischen Prozeduren ("virtuelle Endoskopie") zu benutzen.

 

 

1998 Der erste realistische interaktive 3D-Atlas der inneren Organe

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  Atlas innere Organe   Atlas innere Organe  
Der Visible Human Datensatz. Zum Durchblättern Maus/Finger rechts/links bewegen   Mit der Maus kann der Benutzer beliebige Blickpunkte wählen, beliebige Schnitte führen, Informationen anfordern oder Objekte markieren.

In 1995 veröffentlicht die U.S. National Library of Medicine den sogenannten Visible-Human-Datensatz. Dieser besteht aus 1871 photographischen Schnittbildern eines Leichnams, sowie den zugehörigen CT- und MRT-Bildern. Diese Daten eignen sich ideal für die Erzeugung von 3D -Modellen mit dem VOXEL-MAN-Verfahren. Das VOXEL-MAN-Team, verstärkt durch eine Gruppe von begeisterten Doktoranden und studentische Hilfskräften und unter anatomischer Aufsicht von Prof. Udo Schumacher (Institut für Anatomie und Experimentelle Morphologie) entwickelt einen dreidimensionalen Atlas der inneren Organe mit bis dahin nicht bekannter räumlicher Auflösung und Realitätsnähe. Mit der schon vom Hirnatlas bekannten Funktionalität können 650 anatomische Objekte untersucht werden. Er wird im Springer-Verlag auf DVD publiziert und ist auch heute noch erhältlich. Die Realitätstreue der Darstellungen ist auch jetzt (2016) noch unübertroffen.

 

2002 Ein erster 3D-Akupunktur-Atlas

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  Akupunkturpunkte und Meridiane in der chinesischen Entwicklungsversion
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  Akupunkturatlas des Kopfes  
In Zusammenarbeit mit der School of Biomedical Engineering der Shanghai Jiao Tong Universität (Prof.Zhuang Tian-Ge) und dem Department für Anatomie der Shanghai Universität für Traditionelle Chinesische Medizin wird mit dem VOXEL-MAN-Konzept erstmals ein interaktiver 3D-Atlas der Akupunktur des Kopfes erstellt. Die chinesischen Kollegen haben dann den Atlas für weitere Körperregionen weiterentwickelt.

 

 

 

 

 

2003 Der erste "Virtual-Reality"-Simulatorprototyp für die HNO-Chirurgie

 
  Rudolf Leuwer am Prototyp des HNO-Chirurgie-Simulators (2003)
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Experimente mit Schnittoperationen
 

Bei den Chirurgen beginnen die 3D-Verfahren Akzeptanz zu gewinnen, da sie die Patientenanatomie so zeigen, wie sie sie bei einem Eingriff vorfinden. Das VOXEL-MAN-Team entwickelt ein Verfahren der zur Simulation von riskanten Eingriffen wie denen am Mittelohr. Über die stereoskopische Darstellung und haptische Rückkopplung hat der Chirurg den Eindruck mit einem realen Patienten zu arbeiten ("virtual reality"). Zusammen mit Dr. Rudolf Leuwer von der HNO-Klinik des UKE wird der weltweit erste Simulator für die Mittelohrchirurgie als Prototyp fertiggestellt.

 


2005 Der erste kommerzielle Simulator für die HNO-Chirurgie

HNO-Simulator-Workstation
Ulf Tiede an VOXEL-MAN TempoSurg, dem ersten kommerziellen HNO-Chirurgie-Simulator (2005)

Mit der Firma Spiggle und Theis Medizintechnik wird ein Vermarkter für das System gewonnen. Das System wird in Institutionen in aller Welt für die Ausbildung in der Mittelohrchirurgie eingesetzt. Es wird von der VOXEL-MAN-Gruppe des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf weiterentwickelt und von dieser seit 2010 weltweit vertrieben.

 


Zu guter Letzt: 1989-1997 Die "Virtuelle Mumie"

Prof. Leuwer  
Modell des Mumienkopfes  

Anlässlich eines Vortrags von Frau Dr. Renate Germer vom Altägyptischen Seminar der Universität Hamburg kam 1989 die Idee auf, Mumien aus computer-tomographischen Bildern zu rekonstruieren. Der Kopf einer vor 2300 Jahren verstorbenen etwa 30-jährigen Frau wurde computer-tomographisch aufgenommen und ein Schädelmodell erstellt. Es entwickelte sich als "spin-off" von den eigentlichen Forschungsaufgaben eine mehrjährige Zusammenarbeit.

1989 wurde der Schädel einer 2300 Jahre alten Mumie einer jungen Frau rekonstruiert. Er wurde 1991/92 im Rahmen der Ausstellung Mumie + Computer im Kestner Museum Hannover gezeigt.

1997 wurden die Daten der Mumie für die Ausstellung Das Geheimnis der Mumien - Ewiges Leben am Nil (Museum für Kunst und Gewerbe, Hamburg) neu aufbereitet und unter dem Titel Die Virtuelle Mumie ins Internet gestellt. Sie war dort in den Jahren um die Jahrtausendwende die meistbesuchte Internetseite des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf. Sie war auch dem Wissenschaftsmagazin Science* unter dem Titel "Cool images" eine Notiz wert.

* Science 285, 491, 1999.



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  VOXEL-MAN-Bilder auf Titelseiten von Zeitschriften und Büchern

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