Advertisement

Spektrum der Augenheilkunde

, Volume 17, Issue 4, pp 151–157 | Cite as

Construction and application of an object-oriented computer model for simulating ocular positioning defects

  • M. Buchberger
  • T. Kaltofen
  • S. Priglinger
  • R. Hörantner
Originalarbeiten

Summary

Purpose

The goal of this paper is to give an overview of the latest developments in the construction and application of our interactive diagnostic software system for simulating ocular positioning defects.

Methods

Object-oriented design techniques in the field of Software Engineering were used to build component based abstractions of our biomechanical model. Our biomechanical model is comprised of geometric representation, muscle force simulation and a kinematical model, enabling interactive substitution of system behavior. Therefore, our system is ideal for training and education purposes, since different model predictions can be evaluated on demand.

Results

The implementation of our model is partially based on the work from J. Porrill, P. A. Warren and P. Dean. However, modifications to system behavior and mathematical representation of different types of models were applied. This paper gives a detailed explanation of these modifications, including implementation of rotations using quaternion representation, deployment of two different optimization algorithms for solving the forward and the inverse kinematics and adjustment of these calculations to geometrical properties of the biomechanical model. Model predictions were compared to basic clinical experience and other existing implementations.

Conclusions

Finally, this paper gives an outlook on future developments and applications in training and education, extending our system towards an authoring tool, giving the user the possibility to illustrate pathologies and calculations. Moreover, we indent the separation of the “mathematical” kernel from the rest of the system in order to enable the development of clients which can remotely connect to the kernel and use it exclusively for performing calculations.

Key words

Eye muscle surgery eye motility simulation computer simulation biomechanical modeling virtual environments 

Formulierung eines objektorientierten Computermodells zur Simulation von Augen-motilitätsstörungen

Zusammenfassung

Hintergrund

Diese Arbeit soll einen kurzen Überblick über die aktuellsten Entwicklungen am computerunterstützten Software System SEE++, basierend auf den Forschungsergebnissen des Projektes SEE-KID, geben.

Methode

Unter Verwendung von objektorientierten Designtechniken im Bereich des Software-Engineering, wurde ein komponentenorientiertes, biomechanisches Modell des menschlichen Auges entwickelt. Dieses Modell setzt sich aus geometrischen Repräsentationen, Simulation von Muskelkräften, sowie der Definition eines darauf aufbauenden kinematischen Modells zusammen. Dadurch wurde eine interaktive Austauschbarkeit von z. B. verschiedenen geometrischen Modellen, während der Laufzeit des Systems erreicht, wodurch das SEE++ System eine idealen Ergänzung für Lehre, Ausbildung und Klinik darstellt.

Ergebnisse

Die Implementierung des hier beschriebenen geometrischen Modells basiert im wesentlichen auf Vorarbeiten von J. Porrill, P. A. Warren und P. Dean. Dennoch wurden einige Adaptierungen in der mathematischen Definition sowie im Modellverhalten durchgeführt. Diese Arbeit gibt einen detaillierten Überblick über die Formulierung des geometrischen Modells von SEE-KID, sowie die Anwendung von Quaternionen zur Beschreibung von Augenrotationen und den Einsatz von Optimierungsverfahren zur Lösung der Vorwärts- und Rückwärtskinematik des Modells. Anschließende Ergebnisse wurden mit medizinischer Standardliteratur verglichen.

Schlussfolgerungen

Abschließend gibt diese Arbeit einen Ausblick auf zukünftige Entwicklungen für die Anwendung, Forschung und Lehre. Durch die Verwendung als Autorensystem steht die Darstellung von verschiedenen Augenpathologien als auch die interaktive Visualisierung von mathematischen Berechnungen im Vordergrund.

Schlüsselwörter

Augenmuskel-Chirurgie Strabismus Augenmotilität Motilitätsstörungen biomechanische Modelle virtuelle Umgebungen 

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  1. 1.
    Buchberger M, Mayr H (2000) SEE-KID: Software Engineering Environment for Knowledge-based Interactive Eye Motility Diagnostics. Proceedings of the International Symposium on Telemedicine, Gothenburg, SwedenGoogle Scholar
  2. 2.
    Krewson WE (1950) The action of the extraocular muscles. Trans Amer Ophthalmol Soc 48: 443–486Google Scholar
  3. 3.
    Robinson DA (1975) A quantitative analysis of extraocular muscle cooperation and squint. Invest Ophthalmol Vis Sci 14 (11): 801–825Google Scholar
  4. 4.
    Miller JM, Robinson DA (1984) A model of the mechanics of binocular alignment. Computers and Biomedical Research 17: 436–470PubMedCrossRefGoogle Scholar
  5. 5.
    Günther S (1986) Die modellmäßige Beschreibung der Augenmuskelwirkung (The modelbased description of eye muscle forces; in German). Diploma thesis, University of Hamburg, GermanyGoogle Scholar
  6. 6.
    Kusel R, Haase W (1977) Versuch einer mathematischen Darstellung der Augenmuskelwirkung (An Attempt to Create a Mathematical Representation of Eye Muscle Forces; in German). Berichte der Deutschen Ophthalmologischen Gesellschaft 45: 453–458Google Scholar
  7. 7.
    Miller JM, Demer JL (1999) Clinical applications of computer models for strabismus. In: Rosenbaum AL, Santiago AP (ed) Clinical strabismus management: principles and surgical techniques, Saunders WB, Philadelphia, USAGoogle Scholar
  8. 8.
    Porrill J, Warren PA, Dean P (2000) A simple control law generates listing’s positions in a detailed model of the extraocular muscle system. Vision Research 40 (27): 3743–3758PubMedCrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    Haslwanter T (1995) Mathematics of three-dimensional eye rotations. Vision Research 35 (12): 1727–1739PubMedCrossRefGoogle Scholar
  10. 10.
    Press WH, Teukolsky SA, Vetterling WT, Flannery BP (1992) Numerical recipes in C: The art of scientific computing, 2nd ed, Cambridge University Press, Cambridge, United KingdomGoogle Scholar
  11. 11.
    Gamma E, Helm R, Johnson R, Vlissides J (1994) Design patterns — elements of reusable object-oriented software. Addison-Wesley, MassachusettsGoogle Scholar
  12. 12.
    Roche (1999) Lexikon Medizin (Medical Dictionary; in German), 4th ed, Urban & Schwarzenberg, Munich, GermanyGoogle Scholar
  13. 13.
    Kaufmann H (1995) Strabismus (in German), 2nd ed, Ferdinand Enke, Stuttgart, GermanyGoogle Scholar
  14. 14.
    Lacher M (2001) A volume preserving model for biomechanicallybased muscle volume deformation. Diploma thesis, Upper Austrian Polytechnic University, Department of Software Engineering, Hagenberg, AustriaGoogle Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag 2003

Authors and Affiliations

  • M. Buchberger
    • 1
  • T. Kaltofen
    • 1
  • S. Priglinger
    • 2
  • R. Hörantner
    • 3
  1. 1.Dept. for Medical-InformaticsUpper Austrian Research CorporationHagenbergAustria
  2. 2.Department of OphthalmologyConvent Hospital “Barmherzige Brüder”LinzAustria
  3. 3.Department of OphthalmologyConvent Hospital “Barmherzige Schwestern”Ried i. InnkreisAustria

Personalised recommendations