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14.07.1995

Virtual Reality/Virtual Reality im medizinischen Bereich Schwierige Operationen lassen sich am Bildschirm trainieren

Von Tom Sperlich*

Eine neue "Weltordnung der Medizin" entsteht - so sehen es jedenfalls die Protagonisten einer futuristischen Medizintechnologie, an der weltweit gearbeitet wird. Die Werkzeuge sind medizinische Informatik, interaktive 3D-Computergrafik- Simulationen und Virtual-Reality-Technologien fuer Operationstraining und -planung sowie Telemedizin und Robotik.

Was fuer den angehenden Piloten ein Flugsimulator ist, wird fuer den auszubildenden Mediziner bald der Endoskopiesimulator sein. Doch auch erfahrene Aerzte bedienen sich bereits chirurgischer Simulationssysteme, um verschiedene Varianten heikler Eingriffe an virtuellen Patienten zu erproben. Deren Grundlagen sind dreidimensionale anatomische Bilddatensaetze aus radiologischen Verfahren wie Roentgen-/Computer-Tomografie (CT), Kernspin- Tomografie (Magnetic Resonancing Imaging/MRI) und andere. Mit meist aufwendiger Bearbeitung werden die digitalen Bilddaten zu (interaktiven) 3D-Visualisierungen umgesetzt.

Das Resultat vor dem ersten Schnitt

Nicht nur fuer Operationen, sondern auch fuer Behandlungen wie die Strahlentherapie werden anatomische 3D-Datensaetze eingesetzt. Der Radiologe Dr. Henry Fuchs von der University of North Carolina erstellte ein Virtual-Reality-System zur Visualisierung eines Tumors und eventuell beeintraechtigter Organe aus den CT-Daten des Patienten sowie zur Simulation adaequater Bestrahlungsformen sowie der Strahlendosis. In der Gesichts- und Knochenchirurgie sind 3D- Visualisationen bereits Standard. Ein VR-Modell eines menschlichen Gesichts mit deformierbarer Haut benutzt beispielsweise Dr. Joseph Rosen vom Medical Center der Dartmouth University. Mit dem virtuellen Modell laesst sich plastische Gesichtschirurgie simulieren und das Endresultat noch vor dem ersten Schnitt demonstrieren.

Durch genaue Planung und interaktive Simulation mit individuellen radiologischen Bilddaten werden die Menschen geschont, da Fehler und Belastungen vermieden und behutsamere Herangehensweisen erprobt werden koennen. Den Patienten brachte vor allem die seit einigen Jahren praktizierte minimal-invasive Chirurgie (MIC) erhebliche Verbesserungen. Fuer die endoskopische Chirurgie mit ihren verschiedenen Methoden, beispielsweise Laparoskopie (Bauchspiegelung) und Arthroskopie (Gelenkspiegelung), sind nur kleine Schnitte noetig. Dadurch laesst sich, im Gegensatz zum Eingriff am offenen Koerper, die Belastung gesunder Organe vermeiden, der Patient muss weniger Schmerzen ertragen, und die Rehabilitationszeiten werden verkuerzt.

Endoskopische Operationen setzen ein intensives Training des Chirurgen voraus - bisher wurden dafuer etwa narkotisierte Schweine herangezogen. Nun wird weltweit eine neue Systemtechnik der Trainer fuer Endoskopie und OP-Planung mit Hilfe von VR-Technologie entwickelt. So etwa am Institut fuer Angewandte Informatik (IAI) des Forschungszentrums Karlsruhe. Hier wird, im Team von Dr. Uwe Kuehnapfel an KISMET (Kinematic Simulation, Monitoring and Off-Line Programming Environment for Telerobotics) gearbeitet. Bereits seit 1986 (damals hiess VR am Institut noch "synthetisches Betrachten") entwickelt das Institut das VR-Interface fuer die Handhabung ferngesteuerter Aufgaben (Remote Handling). Heute wird das 3D- Grafiksimulationsprogramm auch fuer einen MIC-Trainingssimulator eingesetzt, den die IAI-Wissenschaftler in Zusammenarbeit mit den Medizinern der Universitaet Tuebingen um Professor Gerhard Buess entwickeln. In einen kuenstlichen Korpus werden nachgebildete, voll funktionsfaehige Endoskopieinstrumente eingefuehrt, wobei, so erklaert Kuehnapfel, auf einem Monitor wahlweise die Simulation des oberen Bauchinnenraums oder des Verdauungssystems dargestellt wird.

Die virtuellen Organe sehen durch eine Texturoberflaeche nicht nur sehr realistisch aus, sondern verhalten sich auch so: als elasto- dynamische Koerper. Die Karlsruher Computergrafik- und Robotikforscher entwickelten Modelliertechniken fuer "virtuelles Gewebe", ein Datenmodell, das die physikalischen Eigenschaften echten Gewebes wie Masse oder Steifheit simuliert.

Akustisches Signal warnt vor Kollision

Zu den vielen wissenschaftlichen Instituten sowie Unternehmen, die weltweit verbesserte endoskopische Verfahren entwickeln (und dies oft mit VR), zaehlen in Deutschland auch einige Institute der Fraunhofer-Gesellschaft. So etwa das Institut fuer Grafische Datenverarbeitung (IGD) in Darmstadt. Im Auftrag der Berufsgenossenschaftlichen Unfallklinik (BGU) in Frankfurt am Main entwickelte das IGD einen VR-Arthroskopie-Trainingssimulator (VRATS) fuer Untersuchungen am Kniegelenk. Die Ausbildung dafuer wird bislang an Kniegelenkmodellen aus Kunststoff durchgefuehrt, die jedoch unempfindlich gegenueber falscher Handhabung der Instrumente sind und ausserdem keine Moeglichkeit der Ueberpruefung der Uebungsfortschritte bieten. Dr. Andre Bauer, Chirurg an der BGU, initiierte deshalb den VRATS. In ein Kniemodell werden die nachgebildeten, sensorbestueckten Instrumente eingefuehrt, wobei auf einem Monitor die 3D-Rekonstruktion eines Kniegelenks und die Position der Instrumente zu sehen sind. Ein akustisches Signal warnt vor einer Kollision - und damit vor einer virtuellen Verletzung. Das System laesst sich auch, so Rolf Ziegler, Projektleiter am IGD, fuer andere Gelenkspiegelungen einsetzen, etwa fuer das Hueftgelenk.

Auch am Fraunhofer-Institut fuer Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart wird mit einer "intelligenten Sichtsystem- und Instrumentensteuerung" am Fortschritt der Endoskopie gearbeitet.

Ein Patientenmodell im virtuellen OP

Um das Endoskop und den End-Effektor mit den MCI-Instrumenten per Manipulator frei im Koerperinneren bewegen und positionieren zu koennen, muss, so der Projektleiter am IPA, Matthias Wapler, "endoskopisches Werkzeug parallel zu einem Eingabegeraet exakt fuehrbar sein". Dazu wurden verschiedene Steuerungsmoeglichkeiten getestet, wie sie auch bei VR-Systemen ueblich sind. Um die Bewegungen auf den End-Effektor umzusetzen, designt das IPA einen artikulierten MIC-Manipulator, der jederzeit fuer eine manuelle Handhabung der endoskopischen Instrumente ausgeschaltet werden kann. Die IPA-Forscher koennen das gesamte MIC-Systemdesign schliesslich auch in einer VR-Simulation evaluieren, die sich auch als Trainingssystem benutzen laesst; selbst das Modell eines Patienten ist im virtuellen OP-Environment enthalten.

Eine international fuehrende Anwendung medizinischer Computersimulation ist "Voxel-Man", eine Entwicklung des Instituts fuer Mathematik und Datenverarbeitung in der Medizin (IMDM) an der Universitaet Hamburg. Das Institut erstellte unter Leitung von Professor Dr. Karl-Heinz Hoehne einen anatomischen Atlas zur dreidimensionalen Darstellung des menschlichen Schaedels und des Gehirns. Angehende Mediziner koennen mit dem 3D-Atlas interaktiv eine Sektion durchfuehren, chirurgische Eingriffe sowie eine Endoskopie simulieren und sogar Animationen erstellen. Voxel-Man bietet nicht nur eine hohe Bildqualitaet, sondern auch totale Interaktivitaet. Es werden keine vorgefertigten Bilder abgerufen, man kann "selbst elektronisch ,bildhauern'. Welche Bilder entstehen, haengt nur vom Ziel des Benutzers und seiner Phantasie ab", so Hoehne. Voxel-Man liegt eine "Knowledge Base" zugrunde, die saemtliche wichtigen anatomischen Informationen und eine Beschreibung ihrer funktionalen Beziehungen (Reizleitung, Blutversorgung etc.) liefert. Mittlerweile gibt es noch Atlanten fuer verschiedene andere Koerperteile. Ferner sind sowohl Zusatzmodule zur Simulation von Physiologie und Pathologie als auch Trainingssimulatoren fuer Hueftoperationen und Strahlentherapie geplant.

Der Einsatz von Robotern ist ein deutlicher Trend in der sich wandelnden Medizin, denn diese werden aufgrund ihrer unbedingten Praezision zur unverzichtbaren Komponente im kuenftigen OP-Saal. Bei der BGU, Auftraggeber des Arthroskopie-Simulators, traf im Fruehsommer 1994 "Robodoc", ein Operationsroboter, ein. Aufgabe des staehlernen Kollegen aus den USA: Ausbohren eines Oberschenkelknochens fuer eine Hueftgelenksprothese. Ein Arzt ueberwacht selbstverstaendlich die gesamte Prozedur, die sich, so Dr. Andre Bauer, mit einer wesentlich hoeheren Praezision als per Hand ausfuehren laesst.

Die Bohrautomatik wird jedoch sofort abgeschaltet, wenn Robi einen Fehler macht. Inzwischen wurden mit dem Roboterkollegen mehr als 60 Eingriffe erfolgreich vorgenommen.

Einer der bekanntesten Protagonisten der VR sowie speziell der Telemedizin ist Colonel Richard M. Satava, Chirurg beim U.S. Army Medical Corps und Berater fuer die ARPA (Advanced Research Projects Agency) beim amerikanischen Verteidigungsministerium. Die ARPA unterstuetzt unter anderem die Entwicklung ferngesteuerter Operationsroboter, mit denen etwa im Kriegsfall Frontsoldaten von der sicheren Etappe aus versorgt werden koennten.

Kraefteempfindungen durch Simulation

Eines der ersten telechirurgischen Systeme ist das sogenannte Green Telepresence Surgery System (GTSS). Es besteht momentan aus dem Prototyp einer OP-Workstation, an der von einem entfernten Ort aus die Operationssteuerung durchgefuehrt wird. Vom Ort des tatsaechlichen Eingriffs bis zum Chirurg an der fernen Workstation uebertraegt ein Kamerapaar 3D-Bilder der Manipulatoren, die mit auswechselbaren MIC-Instrumenten bestueckt sind. Dazu kommen Techniken des Force Feedback, um auch Kraefteempfindungen simulieren zu koennen. Sobald die speziellen Kontrollinstrumente bedient werden, erscheinen die Manipulatoren im Bild des virtuellen Operationstischs. Sie lassen sich nun so praezise bewegen, als ob sie in der Hand des Chirurgen laegen.

Psychomotorik ueben per Datenhandschuh

Auch im Rehabilitationsbereich sowie in der Arbeit mit Behinderten waechst die Bedeutung von VR-Technologien. Dave Warner, Mediziner an der kalifornischen Loma-Linda-Universitaet, verwendet VR fuer physiotherapeutische Zwecke. Das Opfer eines Autounfalls konnte seine eingeschraenkten psychomotorischen Faehigkeiten durch Training mit einem Datenhandschuh wieder verbessern. Dr. Walter Greenleaf von der kalifornischen Greenleaf Medical Systems arbeitet ebenfalls mit dem Datenhandschuh, den er fuer seinen "Glove Talker" modifizierte (erhaeltlich Ende 1995). Personen mit neurologischen Stoerungen, die nicht sprechen, aber noch eine Hand bewegen koennen, werden sich mit dem Data Glove ausdruecken koennen. Bis zu 200 User- definierte Gesten mit dem Handschuh werden von einen Computer erkannt und von einem Synthesizer gesprochen. So laesst sich selbst ein Telefongespraech realisieren. Die Gesten koennen so einfach wie moeglich sein: "Wer wenigstens noch den Zeigefinger zu heben imstande ist, kann immer noch den Satz: Ich will Wasser" aeussern, so Greenleaf.

*Tom Sperlich ist Journalist in Muenchen