Virtual Reality in der Chirurgie

Operieren in virtuellen Welten

Zu sehen ist im linken Bilddrittel eine Person im weißen Hemd von hinten. Er trägt eine VR-Brille un dKopfhörer und hält einen Joy-Stick oder etwas ähnliches in den Händen. Auf einem großen Flatscreen vor ihm sind - etwas unscharf - rotes Gewebe und Linien zu sehen, die mit kleinen silbernen Werkzeugen bearbeitet werden.

Das Thema Virtual Reality ist ein Mega-Trend. B. Braun stellte 2016 auf der Innovations-Messe CODE_n new.New Festival erstmalig die Anwendung „B. Braun Future OR“ – ein Spiel, bei dem möglichst viele kranke Blutgefäße entfernt werden müssen. Neben dieser spielerischen setzen sich aber Anwendungen zur Schulung von Medizinern oder zur besseren OP-Planung immer mehr durch.

Quelle: B. Braun Melsungen AG/NMY

In der Behandlung von psychischen Erkrankungen werden Virtual-Reality (VR)-Brillen bereits seit einiger Zeit erfolgreich eingesetzt. Jetzt entdeckt auch die Chirurgie die innovative Technologie mehr und mehr für sich. Medizinstudenten und angehende Chirurgen trainieren an VR-Simulatoren das Operieren, Ärzte nutzen 3D-Visualisierungen des Gehirns, um Patienten die Operationsmethoden verständlich zu erklären. Und auch an Virtual- und Augmented-Reality Systemen, die Chirurgen sowohl bei der Planung einer Operation als auch beim Eingriff selbst unterstützen, arbeiten Wissenschaftler und Unternehmen bereits. von Ulrich Kraft

Am Trainingszentrum für Minimal Invasive Chirurgie der Uniklinik Heidelberg üben Medizinstudenten und angehende Chirurgen das Operieren an bis zu 200.000 Euro teuren Virtual-Reality-Simulatoren. Die Investition lohnt sich. Studien belegen, dass das Training die Dauer eines Eingriffs verkürzt und die Fehlerquote senkt.

Wer würde angehende Piloten das Fliegen gleich in echten Passagiermaschinen üben lassen? Wohl niemand. Das Risiko einer Bruchlandung wäre viel zu groß. Deshalb sind Virtual-Reality (VR)-Simulatoren bei Lufthansa und Co schon lange Standard. Chirurgische Eingriffe sind zwar ähnlich übungsintensiv – virtuelle Übungssysteme etablieren sich jedoch jetzt erst. Zu den Pionieren auf diesem Gebiet gehört in Deutschland das Trainingszentrum für Minimal Invasive Chirurgie am Universitätsklinikum Heidelberg. Seit 2011 wird VR-Technik dort sowohl in der Ausbildung von Medizinstudenten als auch in der Weiterbildung von Ärzten eingesetzt. Und das inzwischen „routinemäßig“, wie Felix Nickel betont. „Das heißt, jeder Studierende und jeder werdende Facharzt für Chirurgie soll zu uns ins Trainingszentrum kommen“, sagt der Chirurg, der das Programm betreut.

Mehrere Junge Menschen stehen an kleinen Tischen mit offenbar minimalinvasiven Operationsgeräten, an denen Sie, angeleitet durch fachkundiges Personal, lernen und üben.

Früh übt sich, wer Chirurg werden will: Teilnehmerinnen des OP-Simulationskurses im Heidelberger Trainingszentrum.

Quelle: Yan de Andres

Bei minimal-invasiven Operationen wie beispielsweise einer Blinddarmentfernung arbeitet der Arzt mit stabförmigen Instrumenten, die er über zwei kleine Einschnitte in die Bauchhöhle einführt. In einer weiteren „Schlüsselloch-Öffnung“ steckt eine Kamera, die das Geschehen im Körperinneren auf einen Monitor überträgt. Diese laparoskopische OP-Methode ist besonders schonend für den Patienten, stellt den Operateur allerdings vor ganz eigene Herausforderungen. Wie hält man die Kamera so, dass sie gute Bilder liefert, ohne im Weg zu sein? Wie geht man mit der zweidimensionalen, umgekehrten Bildschirm-Perspektive – recht ist links, oben ist unten – richtig um? Und wie mit den bis zu 40 Zentimeter langen Instrumenten?

Nachwuchsförderung für die Chirurgie

„Selbst einfach erscheinende Dinge wie das Übergeben eines Tupfers sind anfangs sehr schwierig und müssen erst gelernt werden“, weiß Nickel. In den meisten Kliniken führen erfahrene Kollegen junge Ärzte bei realen Eingriffen Schritt für Schritt an diese Fertigkeiten heran – ein langwieriges und für beide Seiten oft mühsames Geschäft. An der Heidelberger Uniklinik können werdende Mediziner bereits im Studium das Greifen, Nähen und Knotenmachen üben. „Mit unseren VR-Simulatoren lassen sich die Basistechniken für laparoskopische Operation intuitiver und spielerischer trainieren – und deshalb macht es auch mehr Spaß“, sagt Felix Nickel. Seine Studenten sehen das offenbar ebenso. Die 100 Kursplätze, die er pro Semester anbieten kann, sind immer ausgebucht. Viele der Studierenden würden im Trainingszentrum überhaupt erst auf die Idee kommen, später in die Chirurgie zu gehen, berichtet Nickel. „Es ist die perfekte Nachwuchsförderung.“

Zu sehen ist ein rosa Gewebe, mit roten Adern durchzogen, mit Operationsklammern versehen, auf welches ein Operationswerkzeug zugreifen wird.

Beim virtuellen Training erhalten die angehenden Chirurgen Schritt-für-Schritt-Anleitungen, wie sie vorgehen müssen.

Quelle: Trainingszentrum für Minimal Invasive Chirurgie, Heidelberg

Welches Potenzial der VR-Simulation in der Ausbildung von Chirurgen mittlerweile beigemessen wird, zeigt sich daran, dass der weltweit führende Anbieter Simbionix 2014 von 3D Systems übernommen wurde – für 120 Millionen US-Dollar. An der Heidelberger Uniklinik stehen zwei Geräte des Unternehmens aus South Carolina. In die Simulatoren sind nicht nur verschiedene Gewebearten einprogrammiert, sondern auch deren spezifische Eigenschaften. Genau wie in der realen Welt ist Fett weicher als Muskelgewebe. Die echten Instrumenten nachempfundenen Handstücke besitzen Motoren, die diese Unterschiede für die Trainierenden fühlbar machen. „Man hat sowohl eine visuelle Interaktion mit dem virtuellen Gewebe als auch eine haptische“, erläutert Felix Nickel.

Training am VR-Simulator senkt Fehlerrate

So viel High-Tech schlägt sich allerdings im Preis nieder. Bis zu 200.000 Euro kostet ein Laparoskopie-Simulator von 3D Systems in Vollausstattung. Eine lohnende Investition, wie wissenschaftliche Untersuchungen mittlerweile belegen. So konnten Chirurgen der Yale University School of Medicine zeigen, dass Assistenzärzte nach einem VR-Training eine minimal-invasive Gallenblasenentfernung schneller durchführten als Probanden, die ein konventionelles Ausbildungsprogramm absolvierten. Noch wichtiger: Die Wahrscheinlichkeit, dass sie versehentlich die Gallenblase verletzten, war wesentlich geringer. Auch in Heidelberg wird die innovative Schulungsmethode erforscht und evaluiert. „Das Trainieren am Simulator hat nachweislich einen positiven Einfluss auf die Qualität der Behandlung und die Patientensicherheit“, fasst Chirurg Nickel den Stand der Erkenntnis zusammen. „Die Operationen gehen schneller, es gibt weniger Fehler und weniger Komplikationen.“

Cool bleiben will gelernt sein

Dass bei einem Eingriff etwas schief läuft, lässt sich allerdings nie ganz ausschließen. Deshalb ist das Komplikationsmanagement bei Felix Nickel fester Bestandteil des Trainingskonzepts für chirurgische Assistenz- und Fachärzte. Kommt es etwa zu einer Blutung, darf der Operateur weder in Schockstarre noch in hektischen Aktionismus verfallen. Stattdessen muss er Ruhe bewahren, sich Übersicht im OP-Gebiet verschaffen, eine Kompresse auf die Blutungsquelle drücken und das lecke Gefäß abklemmen. „Solche Verhaltensweisen kann man sich am Simulator aneignen“, sagt Heidelberger Experte. „Wer derartige Situationen schon mehrmals in der virtuellen Realität erlebt und gemeistert hat, reagiert souveräner, wenn es dann tatsächlich einmal passiert.“

In Deutschland wird das chirurgische VR-Training inzwischen immer häufiger angeboten, insbesondere an den Universitätskliniken. Felix Nickel begrüßt diese Entwicklung, verweist aber auch darauf, dass die Technologie ihre Grenzen hat. In der Realität zu operieren sei anders, und diese Erfahrung könne eine Computersimulation auch nicht ersetzen. „Virtual Reality gibt uns aber die Möglichkeit, ohne Zeitdruck verschiedene Dinge in einem sicheren Setting außerhalb des OP-Saals zu üben – und zwar so oft, bis man es kann“, sagt er. „Das ist ein Fortschritt, von dem Chirurgen, Patienten und Krankenhäuser profitieren.“

Basierend auf Hirnscans erstellt die Virtual-Reality-Plattform des US-Unternehmens Surgical Theater ein farbiges, dreidimensionales Modell des Denkorgans. Das erleichtert es Ärzten, Patienten ihre Diagnose und Behandlungsoptionen verständlich zu erklären. Auch bei der Planung und Durchführung von Operationen unterstützt das innovative System den Chirurgen.

Wenn Chirurgen mit Patienten über deren Diagnose und die verschiedenen Behandlungsoptionen reden, prallen meist zwei Welten aufeinander. Die komplexen medizinischen Zusammenhänge und die diversen Operationsverfahren sind für Laien schwer zu verstehen und lassen sich ohne Fachbegriffe oft kaum erklären. Zudem sind die zweidimensionalen schwarz-weiß-grauen Röntgen- oder Computertomografie-Aufnahmen selbst für Ärzte oftmals schwer zu interpretieren.

Zu sehen ist links ein weißes Gerät mit Bildschirm und Arm obendrüber. Daneben ist ein Monitor mit farbigen Aufnahmen des Gehirns und einem Mann, der mit der linken Hand auf ein Kopf-Modell zeigt und mit der rechten Hand auf den Bildschirm.

Die Surgical Navigation Advanced Platform von Surgica Theater erstellt auf der Basis von Hirnscans detaillierte Aufnahmen vom Inneren des Denkorgans.

Quelle: Surgical Theater

Am Florida Hospital Tampa können Neurochirurgen seit Ende 2016 eine innovative VR-Technologie nutzen, die das Beratungsgespräch mit den Patienten wesentlich erleichtert. Das Surgical Navigation Advanced Platform (SNAP) genannte System ermöglicht es ihnen, gemeinsam mit dem Erkrankten eine Art Spaziergang durch sein Gehirn zu unternehmen. Grundlage sind Hirnscans, die mittels Computertomografie (CT) und Magnetresonanztomografie (MRT) erstellt werden. Die Software von Surgical Theater, einem 2010 gegründeten Unternehmen aus dem US-Bundestaat Ohio, kombiniert diese Daten und erstellt daraus ein farbiges 3D-Modell des Gehirns. Das individualisierte digitale Modell lässt sich dann sowohl auf speziellen HD-Monitoren und Tablets betrachten als auch mit Hilfe von VR-Brillen „begehen“.

Der Chirurg kann die Ansicht frei drehen, heranzoomen, bestimmte Strukturen hervorheben und dem Patienten so ganz genau zeigen, wo sich der Tumor oder eine krankhafte Gefäßveränderung befindet. Ebenso anschaulich können die in Frage kommenden Operationskonzepte, das Ausmaß des Eingriffs und mögliche Komplikationen erklärt werden. Die Technik, sagt Brian Adams, CEO des Florida Hospital Tampa, „eröffnet den Patienten eine völlig neue Perspektive, um die Diagnose zu verstehen – und das zu der Zeit, in der sie die schwierigsten medizinischen Entscheidungen ihres Lebens treffen.“ Dass ein gutes Verständnis der Erkrankung und des Eingriffs sich positiv auf das Operationsergebnis und den Genesungsprozess auswirkt, haben wissenschaftliche Studien belegt.

Test-OP in der virtuellen Realität als „Trockenübung“

Das System von Surgical Theater wird nicht nur zur Patientenaufklärung genutzt, sondern auch in der OP-Planung und -vorbereitung. Im virtuellen Gehirnmodell seines Patienten kann der Chirurg die krankhaften Veränderungen sowie die umliegenden Strukturen exakt erkunden und eine geeignete Operationsstrategie entwickeln, die beispielsweise berücksichtigt, welcher Zugang zum Tumor am sichersten ist und welcher sich verbietet – etwa wegen der Gefahr, eine Arterie zu verletzen. Die Software erlaubt es sogar, den Eingriff selbst in der virtuellen Realität vorab als „Trockenübung“ zu erproben. Normalerweise nutzen Neurochirurgen zur Navigation zweidimensionale MRT-Scans und die Bilder, die eine an den Instrumenten angebrachte Kamera liefert. Die Surgical Navigation Andvanced Platform lässt sich an diese im OP-Saal üblichen Standard-Navigationssystemen koppeln. Das erlaubt es dem Operateur, die Position seiner Instrumente mit der 3D-Visualisierung abzugleichen und zu verifizieren, dass er tatsächlich das gesamte Tumorgewebe entfernt hat.

Elektronikgigant HTC mischt mit

Bislang dürfen neben dem Florida Hospital Tampa nur neun weitere ausgesuchte Kliniken in den USA die neue VR-Technologie einsetzen. Erklärtes Ziel von Surgical Theater ist aber, SNAP weltweit in alle bedeutenden Zentren der Chirurgie zu bringen. Mit im Boot ist seit Herbst 2015 die HTC Corporation. Der taiwanesische Hersteller der mit speziellen Bewegungscontrollern ausgestatteten Virtual-Reality-Brille HTC Vive führte eine Finanzierungsrunde an, in der das Start-up aus Ohio neun Millionen US-Dollar an Investorengeldern einsammeln konnten. „Unsere Zusammenarbeit mit Surgical Theater ist eine spannende Gelegenheit, der medizinischen Nutzung von VR den Weg zu bereiten – mit einer bemerkenswerten Anwendung aus dem hochspezialisierten Feld der Neurochirurgie, welche die Patientenversorgung verbessert und helfen könnte, Leben zu retten“, so Cher Wang, Mitgründerin und CEO von HTC.

An der Technischen Universität München verschmelzen Informatiker die Ansicht der wirklichen Welt mit virtuellen Bildern, die aus den Bilddaten von Computertomografie oder Magnetresonanztomografie generiert werden. Dieses Augmented-Reality-System ermöglicht es Chirurgen, bei Operationen ins Innere des Patienten zu schauen und ihre Instrumente sehr genau zu steuern.

Professor Nassir Navab zeigt, wie die die virtuelle Realität aussieht.

Professor Nassir Navab arbeitet an der TUM an seiner Vision von der virtuellen Realität.

Quelle: TUM/Kurt Bauer

Auch am Lehrstuhl für Informatikanwendungen in der Medizin und Augmented Reality der Technischen Universität München (TUM) wird an einem VR-System getüftelt, das die Planung von Operationen präzisiert und vereinfacht. Die Vision des Teams um Nassir Navab geht aber wesentlich darüber hinaus: Der Chirurg kommt in den Saal und setzt sich eine Virtual-Reality-Brille auf. Deren Display zeigt ihm zunächst das reale Bild des Patienten, der vor seinen Augen auf dem OP-Tisch liegt. Doch bei Bedarf sieht er noch viel mehr. Schicht für Schicht kann er in den Körper hineinblicken – durch die Haut, durch Muskeln und Sehnen, auf Organe und Blutgefäße bis zu den Knochen. Hat der Arzt sich so einen Überblick über die anatomischen Verhältnisse im Operationsgebiet verschafft, beginnt er den Eingriff. An welchen Stellen er bei einer minimal-invasiven OP die Schnitte setzen und die Instrumente einführen muss, zeigen ihm entsprechende Markierungen im Display. Weil er dort auch genau verfolgen kann, wo sich seine Instrumente gerade befinden, ist er in der Lage, sehr präzise zu navigieren.

Zu sehen ist ein menschliches Fußgelenk, bei welchem - rot eingekreist - die menschlichen Knochen, offenbar mit Schrauben oder Nägeln verbunden, zu sehen sind.

Der Computer überlagert Röntgenaufnahme und Livebild.

Quelle: TUM

Kurz gesagt: Der Ansatz verschmilzt „Live-Bilder“ aus der wirklichen Welt mit virtuell erstellten. Rechner und Software generieren diese virtuellen, dreidimensionalen Ansichten aus den Daten, die Verfahren wie Computertomografie (CT) und Magnetresonanztomografie (MRT) liefern. Augmented reality (AR) oder erweiterte Realität heißt diese Technologie. Was nach Science Fiction klingt, wird an der Chirurgischen Klinik Innenstadt der Ludwig-Maximilian-Universität München bereits in der Praxis erprobt. „Dort haben Traumatologen im Rahmen einer Studie 40 Eingriffe mit einem unserer AR-Systeme durchgeführt“, berichtet Nassir Navab. Allerdings sehen sie die überlagerte Darstellung derzeit noch auf einem klassischen Monitor und nicht durch eine VR-Brille. Doch die Computerspezialisten der TUM arbeiten intensiv daran, Head-Mounted Displays in ihre Technologie zu integrieren. „Unser Ziel ist ein System, das dem Arzt während der OP ein dreidimensionales Bild des Körperinneren und seiner Instrumente zeigt – und zwar nicht auf einem zusätzlichen Bildschirm, sondern direkt beim Blick auf den Patienten“, sagt Navab.

Wahrnehmung wird ausgetrickst

Dazu muss die Software zu jedem Zeitpunkt und auf Millimeterbruchteile genau die Position des Kranken, des Arztes und der Instrumente wissen. Dieses Tracking sei lange ein großes Problem gewesen, so Projektleiter Navab. „Mittlerweile ist die Technik aber wirklich gut, schnell und präzise geworden.“ Wendet der Chirurg den Kopf, sorgt sie dafür, dass das Computerbild auch exakt dieser veränderten Perspektive entspricht. Allerdings tut sich die menschliche Wahrnehmung mit dem Mix aus Wirklichkeit und virtueller Realität grundsätzlich schwer, schlicht weil er nicht den normalen Sehgewohnheiten entspricht. Deshalb sollten beide Welten möglichst komplett miteinander zu einem stimmigen Gesamtbild verwoben sein.

Ein Blutgefäß darf also nicht nur als schwarz-weißer MRT-Scan darüber gelegt werden. Stattdessen muss es so dargestellt sein, dass es sich tatsächlich als violett-rötliche Röhre am Knochen entlang zieht. Benutzt der Operateur in VR ein Instrument, muss auch dessen natürlicher Schattenwurf vom Computer exakt nachgebildet werden. „Die Augmented Reality sollte sich anfühlen wie eine einzige integrierte Realität“, sagt Navab. „Im Idealfall kann der Chirurg gar nicht sagen, welches Teil des Gesehenen virtuell erzeugt und welcher echt ist.“

Um das zu bewerkstelligen, verwendet das Team der TUM ein Head Mounted Display mit zwei Farbkameras, die wie die Augen leicht versetzt angebracht sind und so ein dreidimensionales Bild erzeugen, das in Echtzeit auf dem Display zu sehen ist. Bei diesen sogenannten Video-see-through-Systemen werden also nicht nur die MRT- oder CT-Daten zu digitalen Bildern verarbeitet, sondern auch die Realität. „Das macht es leichter, die Wahrnehmung auszutricksen“, sagt Navab. Bei optical-see-through funktioniert das weniger gut. Hier schaut der Träger durch ein transparentes Display, in das die virtuellen Inhalte eingeblendet sind.

Welche Infos sind wann wichtig – relevance-based imaging

Die größte Herausforderung ist laut Nassir Navab jedoch, was genau in der erweiterten Realität überhaupt gezeigt wird. Chirurgen verfügen heute über sehr große Mengen an Daten, vor allem aus den bildgebenden Verfahren. Bis zu 14 Monitore beherbergt ein moderner Operationssaal. Angesichts des Zeitdrucks während eines Eingriffs sind das zu viele Informationen, sagt Navab. „Also müssen wir nur die zeigen, die in einem bestimmten Moment der OP am relevantesten sind.“ Legt der Chirurg gerade den Tumor frei, benötigt er Daten aus den Scans, die ihm zeigen, wo die versorgenden Blutgefäße verlaufen. Hat er eben erst den Hautschnitt gemacht, will der diese Darstellung nicht sehen.

Für dieses relevance-based imaging muss das System „intelligent“ sein, erläutert Navab. „Daran arbeiten wir intensiv“, sagt der Computeringenieur. „Machine learning spielt dabei eine tragende Rolle.“ Wann wird die Vision, dass Chirurgen bei Operationen eine Virtual-Reality-Brille tragen, Wirklichkeit? Die monitorbasierte AR-Technologie sei bereit für eine routinemäßige Nutzung in der Chirurgie, sagt Navab. „Bei den Systemen mit Head Mounted Displays brauchen wir noch etwas länger – aber sie werden kommen.“

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