Das Dokument ist ein Game Design Document für ein Serious Game zur virtuellen Chirurgie, das im Rahmen einer Bachelorarbeit entwickelt wurde. Es beschreibt die Grundlagen der Spieleentwicklung, die Nutzung der Unity-Engine zur Visualisierung medizinischer Daten und die Gestaltung des Spiels, das Benutzern ermöglicht, chirurgische Eingriffe in einer realistischen Simulation zu üben. Wichtige Aspekte wie das Leveldesign, Interaktionsmöglichkeiten und verwendete technische Grundlagen werden ebenfalls behandelt.

1. Version Datum Status Bemerkungen
0.1 27. April 2016 Disposition –
0.2 31. Mai 2016 Entwurf –
0.3 3. Juni 2016 Review –
1.0 16. Juni 2016 Reinfassung Schlussredaktion: Korrekturen und Erg¨anzungen gem¨ass Review
Studiengang: Informatik, Vertiefung in Computer Perception and Virtual Reality CPVR
Diplomand: Roland Bruggmann, roland.bruggmann@students.bfh.ch
Betreuer: Urs K¨unzler, urs.kuenzler@bfh.ch
Experte: Federico Fl¨uckiger, federico.flueckiger@gs-efd.admin.ch
Datum: 16. Juni 2016
Berner Fachhochschule | Haute ´ecole sp´ecialis´ee bernoise | Bern University of Applied Sciences
Virtual Surgery
Serious Game zur Demonstration des
Unity® Volume Rendering Plug-ins
Game Design Document

2. Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Grundlagen 2
2.1 Game Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.2 Serious Games . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2.3 Lernspiele im Pflegebereich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3 Game Design 4
Abbildungsverzeichnis 5
Tabellenverzeichnis 5
Literaturverzeichnis 6
Bildnachweis 6
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3. 1 Einleitung
F¨ur die ¨arztliche Diagnose und Therapie kommen heutzutage computergest¨utzte Verfahren zur Anwendung. Medizi-
nische Bilddaten werden dabei per Computertomograph aquiriert und in einer Bildanalyse aufbereitet. Das Resultat
wird schliesslich als Volumengrafik dargestellt. Solche Visualisierungen k¨onnen auch der Wissensbildung dienen und
in Schulungen Verwendung finden. Dazu betreibt das cpvrLab am Institute for Human Centered Engineering (Hu-
CE) der BFH-TI ein Cave Virtual Environment (CAVE) (siehe [cpvrLab]). Das System wurde vormals als Umgebung
f¨ur Simulationen eingesetzt, um Arbeitsabl¨aufe im Operationssaal zu lernen und lehren (siehe [K¨un+09]). Seither
besteht die Vision, in der virtuellen Trainingsumgebung auch medizinische Bilddaten als Volumengrafik einbinden
zu k¨onnen.
Seit Ende Herbstsemester 2015/16 werden die 3D-Szenerien im cpvrLab mit der Unity Game Engine gerendert,
so auch f¨ur das CAVE (siehe [IV16]). Der Diplomand hat deshalb im Rahmen der Bachelor Thesis 2016 f¨ur Unity
ein Plug-in zum Rendern von Volumengrafiken aus medizinischen Daten erstellt. Als Demo-Projekt wurde mit dem
Unity Editor ein einfaches Serious Game erstellt.
In diesem Dokument werden kurz einige Grundlagen erl¨autert (siehe Kapitel 2). Danach wird das Game Design
aufgezeigt (siehe Kapitel 3).
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4. 2 Grundlagen
2.1 Game Development
Die Entwicklung von Computerspielen geht zur¨uck auf die ersten Konsolen von Amiga und Commodore. Diese
kamen noch mit Grafiken und Sound in 8-Bit daher. Heutige Spiele verlangen etwas mehr Rechenleistung. Auch
die Entwicklungsumgebungen f¨ur Spiele-Entwickler sind inzwischen sehr Benutzerfreundlich. Zudem sind Einfl¨usse
von kollaborativen Plattformen in die Prozesse einbezogen. Mit dem Release der Unity Rendering Engine und dem
dazugeh¨orenden Editor durch die Firma Unity Technologies (vgl. [Unity]) hat die Spieleentwicklung einen weiteren
Schritt in Richtung community driven development genommen. Analog zum Marketing-Konzept von Apple, Google
oder Microsoft betreibt Unity Technologies einen Asset-Store mit Spiele-Elementen.
2.2 Serious Games
Der Begriff Serious Game ist eine allgemeine Bezeichnung f¨ur computerbasierte Lehr- und Lernspiele. Dies k¨onnen
einfache Frage-Antwort-Spiele mit Grafiken in 2D sein, wie sie der Diplomand in den 90er-Jahren zum Lernen auf
die theoretische Auto-Fahrpr¨ufung benutzt hat. Zum Genre z¨ahlen aber auch komplexe Trainingsumgebungen wie
z.B. Bahnf¨uhrerstand-Simulationen oder Flugsimulatoren. Die Serious Games Initiative hat als grobe ¨Ubersicht eine
Taxonomie erstellt (vgl. [SGI], siehe Tabelle 2.1):
Tabelle 2.1: Serious Games Taxonomy
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5. 2.3 Lernspiele im Pflegebereich
Im Vorfeld der Spiele-Entwicklung hat der Diplomand eine Recherche zu Serious Games durchgef¨uhrt. Der Website
Serious Game Classification listet auch Lernspiele im Pflegebereich. Bemerkenswerte Spiele mit Echtzeitgrafik in 3D
und einem anspruchsvollen Level Design sind
”
Pulse!! The Virtual Clinical Learning Lab“ [Pulse], ein amerikanisches
Prokjet aus dem Jahre 2007 (siehe Abbildung 2.1) sowie
”
3D Virtual Operating Room (3D-VOR)“ [3DVOR], ein
Projekt aus Frankreich (siehe Abbildung 2.2).
Abbildung 2.1: Spielszene aus Pulse!!
Abbildung 2.2: Spielszene aus 3D-VOR
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6. 3 Game Design
Das Game Design folgt einer Vorlage von Seifert [Sei15, S. 597 f.], f¨ur das Shader-Development dient Lammers
[Lam13] und f¨ur das UI-Design Sapio [Sap15] als Quelle.
ˆ Genre: Serious Game in Healthcare, First Person, Single Player.
ˆ Zielplattform: Desktop, Windows 8.
ˆ Spielsteuerung: Maus und Tastatur.
Hintergrundgeschichte
Wir befinden uns in einem Spital, genauer in dessen OP. Ein Patient wurde mit einer Fraktur eingeliefert. Der
chirurgische Eingriff zur Stabilisierung der Knochen soll durchgef¨uhrt werden.
Held
OP-AssistentIn mit folgenden F¨ahigkeiten:
ˆ Im Raum umherschauen, sich im Raum bewegen (drehen, vor, zur¨uck).
ˆ Einstellungen an Ger¨atschaften vornehmen, Besteck und Implantate nehmen und positionieren.
Level Design
ˆ Szenen: Men¨u-Szene zur Wahl der Spielekonfiguration; hier kann zwischen Single-View (Desktop) oder Multi-
View (CAVE) ausgew¨ahlt werden. Spiel-Szene mit OP.
ˆ Ort: OP-Saal, Abmessung 5×5×2.5 m; mit Deckenlicht, L¨uftungsbuchten der Klimaanlage, Keramikfliesen.
ˆ Inventar: Operationstisch, Lebenserhaltungssysteme, EKG, OP-Lampen, sterile Decken, Besteck, Implantate.
ˆ Licht: Deckenlampen, OP-Lampen mit stark zu einem Spot geb¨undelten Lichtquellen.
ˆ Audio: Im Spielemodus sollen eine Klimaanlage, die Lebenserhaltungssysteme und das EKG als Hintergrund-
ger¨ausche zu h¨oren sein. Bei der Benutzerinteraktion mit Geschirr und Implantaten soll beim Ablegen der
Gegenst¨ande z.B. ein metallenes Ger¨ausch ert¨onen.
ˆ Interaktionsm¨oglichkeiten: Ger¨atschaften verschieben und einstellen, Besteck nehmen und ablegen, Implantate
nehmen und positionineren.
ˆ Patient: Mit dem Volume Rendering Plug-in wird In der Spiel-Szene ein Patient als Volumengrafik gerendert.
Dazu wird als [DICOM]-Datensatz die Normalstudie OBELIX verwendet (siehe Abbildung 3.1). Der Datensatz
stammt aus den Beispiel-Datens¨atzen von Antoine Rosset (siehe [OsiriX]).
Abbildung 3.1: Die Normalstudie OBELIX
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7. Abbildungsverzeichnis
2.1 Spielszene aus Pulse!! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Spielszene aus 3D-VOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
3.1 Die Normalstudie OBELIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Tabellenverzeichnis
2.1 Serious Games Taxonomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
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8. Literaturverzeichnis
[3DVOR]
”
3D Virtual Operating Room (3D-VOR)“. In: Serious Game Classification. URL: http://serious.
gameclassification.com/EN/games/43921-3D-Virtual-Operating-Room-3D-VOR/index.
html (besucht am 06. 05. 2016).
[cpvrLab]
”
Haptic CAVE“. In: cpvrLab Wiki. Institute for Human Centered Engineering HuCE, BUAS, 23. Jan.
2011. URL: https://www.cpvrlab.ti.bfh.ch/wiki/huce:cpvrlab:cave:start (besucht am
11. 03. 2016).
[DICOM] Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM). URL: http://dicom.nema.org/ (be-
sucht am 26. 03. 2016).
[IV16] Daniel Inversini und Julien Villiger.
”
Unity 3D Server for CAVE Rendering“. Jan. 2016. URL: https:
//www.cpvrlab.ti.bfh.ch/media/content/cpvrlab/documents/2016/01/2016-Unity_3D_
Server_for_CAVE_Rendering_Inversini__Villiger.pdf (besucht am 23. 02. 2016).
[K¨un+09] Urs K¨unzler u. a. HOVISSE – Haptic Osteosynthesis Virtual Intra-operative Surgery Support Environ-
ment. Springer Berlin Heidelberg, 2009. DOI: 10.1007/978- 3- 642- 00437- 7_8. URL: https:
//pdb.bfh.ch/search/pdbwebviewdetail.aspx?projectid=d964c2f8- f35b- 452d- 9645-
04765b7aa42e (besucht am 11. 03. 2016).
[Lam13] Kenny Lammers. Unity Shaders and Effects Cookbook. Packt Publishing, 2013. ISBN: 978-1-84969-
508-4.
[OsiriX] Antoine Rosset. DICOM sample image sets. URL: http://www.osirix-viewer.com/datasets/
(besucht am 04. 05. 2016).
[Pulse]
”
Pulse!! The Virtual Clinical Learning Lab“. In: Serious Game Classification. URL: http://serious.
gameclassification.com/EN/games/1017-Pulse/index.html (besucht am 06. 05. 2016).
[Sap15] Francesco Sapio. Unity UI Cookbook. Packt Publishing, 2015. ISBN: 978-1-78588-582-2.
[Sei15] Carsten Seifert. Spiele Entwickeln Mit Unity 5: 2D- Und 3D-Games Mit Unity Und C# F¨ur Desktop,
Web & Mobile. 2. Aufl. M¨unchen: Hanser, 2015. ISBN: 978-3-446-44563-5.
[SGI]
”
Serious Games Taxonomy“. In: Serious Games Initiative. URL: http://serious.gameclassification.
com/ (besucht am 01. 06. 2016).
[Unity] Website von Unity Technologies. URL: https://unity3d.com/ (besucht am 17. 03. 2016).
Bildnachweis
Tabelle 2.1: Ohne Bildunterschrift. In: [SGI].
Abbildung 2.1: Ohne Bildunterschrift. In: [Pulse].
Abbildung 2.2: Ohne Bildunterschrift. In: [3DVOR].
Abbildung 3.1: OBELIX. Whole body contrast CTA acquired on a 16 detector CT scanner. In: [OsiriX].
Alle weiteren Abbildungen in diesem Dokument wurden vom Diplomanden erstellt.
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