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Größere Perspektive: Wie Mixed und Virtual Reality die Chirurgie verändern

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Für Chirurgen ist nichts wichtiger als die intime Kenntnis und das räumliche Verständnis ihres Operationsfeldes. Doch selbst dreidimensionale Bildgebungsverfahren helfen nur bedingt weiter, da die Daten auf zweidimensionalen Bildschirmen betrachtet werden. Wenn es um chirurgische Planung oder medizinische Ausbildung geht, fördern Mixed und Virtual Reality ein besseres räumliches Verständnis für den menschlichen Körper.

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Bei der Gemischten oder Erweiterten Realität (MR/AR) werden computergenerierte Bilder mit Hilfe eines Headsets in das Sichtfeld des Benutzers projiziert und so digitale Informationen mit Elementen der realen Welt vermischt. Virtual Reality (VR) ist eine vollständig digitale, computergenerierte Welt, die der Nutzer als immersive 360°-Umgebung erlebt und in deren Mittelpunkt er steht. Was seinen Ursprung in der Unterhaltungselektronik hat, kommt nun dem Gesundheitswesen und der Medizin zugute: MR und VR ermöglichen es Ärzten, sich virtuell in den Körper eines Patienten zu begeben und eine dreidimensionale Ansicht zu erhalten.

Chirurgische Planung mit Mixed Reality

Im Bereich der Chirurgie sind diese Anwendungen äußerst hilfreich, da sie den Chirurgen eine bessere Möglichkeit geben, chirurgische Eingriffe zu planen. "Es gibt verschiedene Ansätze, um an einen Hirntumor heranzukommen, mit dem Ziel, Hirnregionen, die Sprache oder Motorik steuern, nicht zu verletzen", erklärt Dr. Dominik Fischer von Brainlab in einem MEDICA-tradefair.com-Interview. Chirurgen nutzen Daten aus zweidimensionalen Bildern, um komplexe Operationen zu planen, wobei die Sicherheit der Patienten oberste Priorität hat. Die Ärzte nutzen diese 2D-Bilder und ihre räumlichen Fähigkeiten, um sich ein Bild vom Operationsfeld zu machen. "Es ist viel einfacher, anschaulicher und hilfreicher, die Anatomie in drei Dimensionen zu betrachten", ergänzt Fischer.

Um Chirurgen dabei zu unterstützen, hat sich Brainlab mit Magic Leap zusammengetan und den Mixed Reality Viewer entwickelt. Dieses MR-Headset kann mit PACS-Datenbanken verbunden werden, um Daten aus MRT- oder CT-Schnittbildern in dreidimensionale Modelle umzuwandeln. Chirurgen können diese Modelle nutzen, um Operationen zu planen, den Multi-User-Modus anzuwenden, um komplexe Fälle mit ihren Kollegen zu besprechen oder Patienten auf die Operation vorzubereiten und aufzuklären.

Doch das sind bei weitem nicht alle Vorteile, die MR zu bieten hat: "Der nächste Schritt wird sein, Mixed Reality in den Operationssaal zu bringen", sagt Fischer. Denkbar ist, dass kritische Daten im Blickfeld des Operationsteams angezeigt werden. Damit müsste es seine Aufmerksamkeit nicht mehr zwischen Monitor und der eigentlichen Aufgabe aufteilen. Die präoperativen Bilddaten könnten auch über den Körper des Patienten gelegt werden, was eine bessere Visualisierung und Navigation für den Chirurgen ermöglicht.

Im Rahmen des Projekts "sonAR" entwickelt das Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD derzeit eine solche intraoperative Anwendung. "Wir konzentrieren uns vor allem auf ultraschallgeführte Nadelbiopsien. Das AR-System ermöglicht es Ärzten, eine Biopsie zu entnehmen, indem sie das Zielgebiet anzeigen und anvisieren", erklärt Matthias Noll vom Fraunhofer IGD im MEDICA-tradefair.com-Interview. Das soll den Ärzten die Navigation der Biopsienadel erleichtern, da sie nicht mehr zwischen Patient und Ultraschallbild hin und her schauen müssen.

Mit virtueller Realität die medizinische Ausbildung verändern

Die VR-Technologie kann effektiveres Lernen und Lehren in der Chirurgie ermöglichen, indem sie sich ein Beispiel an der Luftfahrt nimmt und einen praktischen Simulator verwendet. Simulatorpuppen oder -modelle, die durch verschiedene Materialien eine naturgetreue Darstellung des Körpers liefern sollen, gibt es schon lange. Weniger verbreitet sind dagegen digitale Simulatoren, die entweder Chirurgen in einer immersiven virtuellen Umgebung mit VR-Headsets trainieren oder bildschirmbasierte Simulationen ermöglichen.

Ein Beispiel für Letzteres sind die Chirurgiesimulatoren von VirtaMed. Der Schweizer Medizintechnikhersteller hat sich auf Arthroskopie-Simulatoren spezialisiert. Diese Systeme kombinieren ein realistisches anatomisches Modell des jeweiligen Gelenks und der endoskopischen Ausrüstung mit spezifischen Aufgaben, die die Auszubildenden am Bildschirm durchführen sollen. Zu den Aufgaben gehören die Durchführung simulierter chirurgischer Eingriffe oder abstraktere Übungen wie das Fangen und Platzieren von Sternen, die über dem Bildschirm schweben, mit einem Greifer.

Im Frühjahr stellte VirtaMed ein mobiles chirurgisches Simulationslabor vor, das in einem umgebauten Transporter medizinische Schulungen in Krankenhäuser bringt. Obwohl dieses chirurgische Simulationstraining eine echte Operation niemals vollständig ersetzen kann, gibt das mobile Labor den Ärzten die Möglichkeit, chirurgische Fertigkeiten zu üben und mit den medizinischen Ausbildungsanforderungen selbst während der Coronavirus-Pandemie Schritt zu halten. Außerdem reduziert es die Notwendigkeit des Patientenkontakts im Operationssaal.

Komplexere chirurgische Eingriffe erfordern ein Training, das ein intensiveres Maß an Realitätssinn und Reaktionsfähigkeit vermittelt. Das Projekt "Dynamic HIPS" kombiniert eine immersive VR-Umgebung mit Instrumenten, die den Anwendern ein realistisches haptisches Feedback geben, während sie simulierte Hüftoperationen üben. Chirurgen in der Ausbildung sehen nicht nur den Operationssaal und den Patienten vor sich, sondern spüren auch eine Reaktion, während sie die einzelnen Operationsschritte durchführen. "Der Simulator ermöglicht es ihnen, den chirurgischen Eingriff in einer virtuellen Umgebung zu üben, bevor sie ihre erste reale Operation unter Aufsicht durchführen - und das alles ohne menschliche Körperspenden oder Tiere", erklärt Mario Lorenz in einem MEDICA-tradefair.com-Interview.

Ob es nun darum geht, den engen Kontakt während der COVID-19-Pandemie zu vermeiden oder Ausbildungsressourcen zu schonen, das simulationsbasierte Training in der virtuellen Realität bietet einen entscheidenden Vorteil: Chirurgen können damit ihre Fähigkeiten im Training verfeinern und ihre operative Leistung verbessern, auch wenn es in ihrem Krankenhaus gerade keine akuten Fälle gibt, die behandelt werden müssen. Es ist ein direkterer Ansatz, um Chirurgen an chirurgische Abläufe heranzuführen und erspart ihnen das wiederholte Beobachten von Operationen, bevor sie den Eingriff schließlich selbst durchführen. Dies fördert eine größere Wertschätzung und ein besseres Verständnis der Abläufe, während es ihnen gleichzeitig hilft, mögliche Ängste und Unsicherheiten zu überwinden.

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