Die Gesetze und Prinzipien, die vorhersagen, wie Wahrnehmungsqualitäten aus den elementarsten visuellen Signalen extrahiert werden können, wurden von den Gestaltpsychologen entdeckt (z. B. Wertheimer, 1923; Metzger, 1930, 2009 bzw. 2012 von Spillmann übersetzt und neu herausgegeben). Ihre bahnbrechende Arbeit hat die visuelle Wissenschaft seitdem inspiriert und zu aufregenden Entdeckungen geführt, die die Gestaltidee bestätigt haben, dass das menschliche Gehirn eine erstaunliche Fähigkeit zur Auswahl und Kombination kritischer visueller Signale haben würde, um Ausgabedarstellungen für die Entscheidungsfindung und das Handeln zu erzeugen. Diese Selektions- und Integrationsfähigkeit ermöglicht die Wahrnehmung von Form und Raum sowie die korrekte Abschätzung relativer Positionen, Trajektorien und Entfernungen von Objekten, die in planaren Bildern dargestellt werden. Die Gestaltgesetze und -prinzipien zielten zunächst darauf ab, eine einzige allumfassende Frage zu beantworten: „Warum sieht die Welt so aus, wie sie aussieht.“ Sie wurden anschließend in experimentellen Studien in Betrieb genommen (zur Veranschaulichung der laufenden Forschung siehe das internationale METHUSALEM-Projekt, koordiniert von Johan Wagemans, bei www.gestaltrevision.be ) zielt darauf ab, unsere Erkenntnisse darüber zu vertiefen, wie spezifische Merkmale und Qualitäten visueller Konfigurationen die Wahrnehmungsorganisation und das Verhalten auf verschiedenen Verarbeitungsebenen bestimmen können. Die Wahrnehmungsorganisation bestimmt direkt die Fähigkeit menschlicher Beobachter, (1) zu beurteilen, welche Teile eines Bildes zusammengehören, um ein einheitliches visuelles Objekt oder eine einheitliche visuelle Form zu bilden, und (2) welche Teile näher und welche weiter vom Beobachter entfernt sein sollten, wenn die dargestellten Objekte wurden in der realen Welt gesehen. In diesem Gutachten wird argumentiert, dass das Gestaltprinzip der Prägnanz und das Gestaltgesetz der guten Fortsetzung spezifische Probleme der Wahrnehmungsorganisation mit kritischen Auswirkungen auf das Design visueller Schnittstellen und insbesondere auf das Design bildgeführter Operationsplattformen ansprechen.
Das Prinzip der Schwangerschaft bezieht sich auf das allgemeine Gestaltpostulat, dass Objekte im Gesichtsfeld die einfachste und vollständigste Wahrnehmungslösung erzeugen, die unter den gegebenen Bedingungen möglich ist. Die Gestaltgesetze der Wahrnehmungsorganisation, von denen das Gesetz der guten Fortsetzung ein besonderes Beispiel ist, beschreiben die Bedingungen, unter denen bestimmte Wahrnehmungslösungen (Gruppierungen) wahrscheinlich auftreten. Die Frage, wie planare Bildstrukturen in Wahrnehmungsrepräsentationen von Figur und Grund gruppiert werden, ist eines der Untersuchungsgebiete, für die die Gestaltgesetze konzipiert wurden. Abbildung-Grunddarstellung ist eine Wahrnehmungslösung, die es dem Beobachter ermöglicht, zu beurteilen, welche Objekte im Bild wahrscheinlich näher und welche Objekte in einer realen Konfiguration wahrscheinlich weiter entfernt wären. Es wird durch spezifische Bildhinweise auf Form und relative Entfernung vermittelt, wobei lokale Kontrast- und Orientierungssignale verwendet werden, um bestimmte Bereiche eines Bildes auszufüllen und dadurch die Wahrnehmung von Oberflächen zu ermöglichen. Die damit verbundenen Wahrnehmungsempfindungen der lokalen Kontrastverstärkung lassen visuelle Objekte im Bild vor anderen Objekten stehen, die in derselben Ebene dargestellt sind. Solche Empfindungen werden oft als „illusorisch“ angesehen, weil sie keinen physischen Ursprung haben, dh es gibt keinen objektiven Unterschied in der lokalen Luminanz, der die resultierenden Wahrnehmungen erklären würde (z. B. Heinemann, 1955; Hamada, 1985; O’shea et al., 1994; De Weert und Spillmann, 1995; Grossberg, 1997; Dresp und Fischer, 2001; Dresp et al., 2002; Guibal und Dresp, 2004; Devinck et al., 2006; Pinna und Reeves, 2006; Dresp-Langley und Reeves, 2012, 2014). Ein wesentlicher Aspekt dieses Prozesses der figürlichen Segregation ist die perzeptuelle Zuordnung von Grenzeigentum (vgl. dazu die Rezension von von der Heydt). Der Gestalttheoretiker Rubin (1921) gehörte zu den ersten, die darauf hinwiesen, dass eine Figur unterschiedliche Wahrnehmungsqualitäten aufweist, die sie vom Rest des Gesichtsfeldes abheben und dadurch die Wahrnehmungsqualität von Boden (oder Hintergrund). Eine Figur verdeckt den Boden und besitzt daher die Grenzen, die sie von diesem trennen (Craft et al., 2007; Zhang und von der Heydt, 2010). Zhou et al. (2000) fanden Neuronen vorwiegend in V2 (aber auch V1) des Affen, die selektiv auf die Lage von Grenzen im Gesichtsfeld reagieren. Selektive visuelle Aufmerksamkeit auf die Figur stärkt die neuronalen Reaktionen auf ihre Grenzen (Qiu et al., 2007).
Die Gestaltpsychologen gingen auch zu Recht davon aus, dass das Gehirn die Wahrnehmungsintegration visueller Informationen über den kollinearen Raum erreichen muss, um eine Darstellung eines Ganzen aus Teilen wiederherzustellen (z. B. Wertheimer, 1923; Metzger, 1930). Die visuelle Integration von Kontrastinformationen über den kollinearen Bildraum spielt eine entscheidende Rolle beim Formsehen unter Bedingungen von Stimulusunsicherheit und konfigurativer Ambiguität (z. B. Dresp, 1997; Grossberg, 1997). Es unterliegt dem sogenannten Gesetz der guten Fortsetzung und spiegelt sich in interaktiven Effekten zwischen koaxialen Reizen im Gesichtsfeld wider (Hubel und Wiesel, 1959, 1968; von der Heydt und Peterhans, 1989; Dresp und Bonnet, 1991; Peterhans von der Heydt, 1991; Kapadia et al., 2000; Craft et al., 2007). Durch diese koaxialen Wechselwirkungen werden spezifische Reaktionsaktivitäten visueller kortikaler Neuronen ausgelöst (vgl. die ersten Beobachtungen von Nelson und Frost, 1978; von der Heydt et al., 1984 in monkey visual Cortex), enthüllt die funktionellen Eigenschaften von Gehirnmechanismen, die entworfen wurden, um physikalisch diskontinuierliche Kontrasteingabe über den kollinearen visuellen Raum zu vervollständigen. Die kollineare räumliche Integration ist entscheidend für die Erkennung von Ausrichtung, virtuellen Trajektorien und Formgrenzen in einer Welt, in der die meisten Objekte unvollständig gesehen werden. Es ermöglicht einem menschlichen Beobachter, die Kontinuität von Bildfragmenten unter Bedingungen verminderter Sichtbarkeit und erhöhter Reizmehrdeutigkeit zu beurteilen. Experimentelle Daten zur kollinearen visuellen Integration haben gezeigt, dass die Wahrnehmungswiederherstellung globaler Repräsentationen des kollinearen Raums viele Ebenen der visuellen Verarbeitung umfasst, keine einzige, von der visuellen Erkennung lokaler Bilddetails bis zur Wahrnehmung globaler Assoziationsfelder (z. B. Dresp, 1993; Field et al., 1993; Polat und Sagi, 1993, 1994; Kapadia et al., 1995; Polat und Norcia, 1996; Yu und Levi, 1997, 2000; Wehrhahn und Dresp, 1998; Chen et al., 2001; Chen und Tyler, 2001; Tzvetanov und Dresp, 2002; Dresp und Langley, 2005; Chen und Tyler, 2008; Huang et al., 2012). In komplexen Bildern erscheinen einige sichtbare Reizfragmente klar ausgerichtet, andere nicht. Spezifische phänomenale Bedingungen der Konturrelativität (Kellman und Shipley, 1991; Shipley und Kellman, 1992, 2001) müssen erfüllt sein, um eine kollineare Interpolation in statischen 2D-Szenen zu ermöglichen. Dieser Prozess der Interpolation beschränkt die Ausbreitung von Oberflächen über nicht spezifizierte Bereiche im Bild. Der Beitrag vergangener Erfahrungen und des Wahrnehmungslernens zu frühen Mechanismen der Interpolation und Gruppierung muss berücksichtigt werden, da spezifische Gedächtnisdaten über Objekte (Kimchi und Hadad, 2002) und ihre wahrscheinlichste räumliche Konfiguration wahrscheinlich die laufende visuelle Verarbeitung eines Bildes erleichtern (oder beeinträchtigen) Bedingungen).
Obwohl die Wiederherstellung veridischer Objekteigenschaften in der frühen Gestalttheorie keine große Frage war, haben ihre Gesetze der Wahrnehmungsorganisation einen konzeptionellen Rahmen für ihre Bewältigung geschaffen. Das Verständnis, welche Bildbedingungen geometrische Konfigurationen erzeugen, die die wesentlichsten Gestaltgesetze erfüllen und eine optimale Prägnanz für bildbasierte Entscheidungen gewährleisten, ähnelt dem Verständnis der Grammatik wohlgeformter Sätze. Die Gestalttheorie ist beispielsweise im Kontext der visuellen Schnittstellentechnologie für die bildgeführte Chirurgie nach wie vor relevant. Die bildgeführte Chirurgie verwendet Bilder, die vor und / oder während des Eingriffs aufgenommen wurden, um dem Chirurgen die Navigation zu erleichtern. Ziel ist es, die Entscheidungs- und Handlungsfähigkeit des Chirurgen während des Eingriffs zu verbessern (siehe Perrin et al., 2009, zur Überprüfung). In Augmented Reality wird die Anleitung direkt auf der Sicht des Chirurgen auf den Patienten bereitgestellt, indem reale und virtuelle Bilder gemischt werden (Abbildung 1). Die Wahrnehmungsqualitäten (Farbe, Helligkeit, Hervorhebung u.a.) der gerenderten Bilder sind wesentlich, um bestimmte für den Operateur interessante Bereiche optimal wahrnehmbar zu machen. Dies umfasst die visuelle Rückverfolgbarkeit der Geräte relativ zum Patienten, die Registrierung und Ausrichtung des präoperativen Modells sowie die optimierte Darstellung und Visualisierung der präoperativen Daten. Visualisierung bedeutet in diesem Zusammenhang, Bilddaten in eine für den Anwender (den Operateur) verständliche grafische Darstellung zu übersetzen, da sie wichtige Informationen zur Beurteilung von Struktur und Funktion sowie zur Herstellung (der richtigen! entscheidungen während einer Intervention. Das Feld hat sich in den letzten Jahren dramatisch weiterentwickelt, aber das kritischste Problem für die bildgeführte Chirurgie ist immer noch das aufgabenzentrierte Design der Benutzeroberfläche. Während eines chirurgischen Eingriffs ist der Zeitpunkt der Generierung von Bilddaten absolut kritisch, und um die Navigation durch große Hohlräume mit mehreren potenziellen Hindernissen, wie z. B. im Bauchraum, zu erleichtern, wurden komplexe Displays entwickelt, um Navigationshilfen bereitzustellen. Sie kombinieren Oberflächen-Renderings der Anatomie (Abbildung 1, Mitte) aus der präoperativen Bildgebung mit intraoperativen Visualisierungstechniken. Eine gängige Strategie hierbei ist die Darstellung volumetrischer Daten als 2D-Flächen mit unterschiedlicher Deckkraft. Die Effizienz von Renderings zur Erleichterung von Entscheidungen des menschlichen Benutzers kann im Hinblick auf die Wahrnehmungsstärke kritischer Oberflächen bewertet werden, die für den Chirurgen interessante Regionen darstellen.
ABBILDUNG 1
Abbildung 1. Eine Bildkonfiguration ergibt die einfachste und vollständigste Wahrnehmungslösung, die unter den gegebenen Bedingungen möglich ist (Gestaltprinzip der Prägnanz). In der bildgeführten Chirurgie wird die visuelle Führung direkt auf der Sicht des Chirurgen auf die Anatomie des Patienten durch Mischen realer und virtueller Bilder bereitgestellt. Zu verstehen, welche Bildbedingungen geometrische Konfigurationen erzeugen, die die wesentlichsten Gesetze der Gestalt erfüllen und eine optimale Prägnanz für die Entscheidung gewährleisten, wird dazu beitragen, die Effizienz der gerenderten Bilder (Mitte) zu erhöhen. Ziel ist es, interventionelle Strategien in Bezug auf bestimmte Regionen zu ermöglichen, die für den Chirurgen von Interesse sind. Die visuelle Verfolgung der Tooltip-Trajektorien ist wichtig für die Bewertung der Skill-Entwicklung, wobei die Positionsgenauigkeit der Tooltips kritisch ist (links). Technologie, die die Positionsgenauigkeit von Werkzeugspitzenbewegungen durch Generieren visueller Daten für relative Position, Ausrichtung und Trajektorienvorwegnahme (Wahrnehmungsgesetz der guten Fortsetzung) erleichtert, wird dringend benötigt. Die rechnerische Echtzeitanalyse von Abweichungen von kritischen Ausrichtungen bei Eingriffen (rechts) ist derzeit der „heilige Gral“ in diesem Bereich der technologischen Entwicklung.
Darüber hinaus liefert die intraoperative Bildgebung häufig weitere diagnostische Informationen und ermöglicht die Beurteilung von Risiken sowie Reparaturperspektiven. In diesem Zusammenhang ist die bildgeführte Instrumentenverfolgung eine große Herausforderung für die aktuelle Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet (West und Maurer, 2004; Huang et al., 2007). Ein kritisches Problem für den Chirurgen ist die Erkennung und Verfolgung der relativen Positionen der chirurgischen Instrumente, die er während des Eingriffs verwendet (Abbildung 1, rechts). Die visuelle Verfolgung der Tooltip-Trajektorien ist auch eine wertvolle Hilfe zur Bewertung der Fähigkeitsentwicklung bei angehenden Chirurgen, wobei die Positionsgenauigkeit der Tooltips während eines Eingriffs kritisch ist (z. B. Jiang et al., 2015). Die Entwicklung und Erprobung neuer visueller Hilfsmittel zur Erkennung von Ausrichtung, relativer Position und Trajektorien (Wahrnehmungsgesetz der guten Fortsetzung) ist hier dringend erforderlich. Letztendlich soll in naher Zukunft eine Technologie entwickelt werden, bei der das chirurgische Instrument selbst zu einer echten visuellen Navigationshilfe in der bildgeführten Chirurgie wird, und psychophysikalische Tests sollten einen großen Einfluss auf diese Entwicklungen haben.
Finanzierung
Die Förderung erfolgte durch das Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS MI AAP 2015).
Interessenkonflikterklärung
Der Autor erklärt, dass die Forschung in Abwesenheit von kommerziellen oder finanziellen Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.
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