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Augmented Reality im OP

In zunehmend mehr OP-Sälen werden reale und virtuelle Informationen kombiniert. Diese Technik soll Ärzten die Navigation durch den Körper erleichtern
von Julia Rudorf, 11.10.2017

Die Anwendung der Uni Leipzig zeigt dem Arzt die Position des Bandscheibenvorfalls

/ICCAS

New York, London und Tokio sind keine Städte, in denen man ohne Navigationssystem Auto fahren möchte. Der menschliche Körper steht einer Megacity an Komplexität in nichts nach.

Während einer OP müssen Ärzte sich trotzdem ohne digitale Unterstützung zurechtfinden. Welche Abzweigung Gefäße nehmen, wie Knochen verlaufen oder wo genau ein Tumor sitzt, müssen sie sich aus ihren Anatomiekenntnissen erschließen. Und mittels meist zweidimensionaler Bilder. Davon liefern Computertomografie, Magnetresonanztomografie und Röntgen ja eine ganze Menge.

Navigationshilfen für Chirurgen

"Mediziner haben heute mehr Informationen denn je. Doch während sie operieren, steht ihnen bislang nur ein Teil davon zur Verfügung", sagt Professor Nassir Navab. Genau das will der Leiter des Lehrstuhls für Informatikanwendungen in der Medizin an der Technischen Universität München ändern.

Das Ziel: Chirurgen sollen sich noch besser im Körper ihrer Patienten zurechtfinden. Ein möglicher Weg: Augmented Reality. Diese Technik schafft es, Ärzten die wichtigsten Informationen zur Verfügung zu stellen – dann, wenn sie sie brauchen.

Erfassung der Patientendaten: Augmented Reality-Anwendungen nutzen oft Bilddateien, die vor einem Eingriff vom Patienten gemacht wurden, etwa Röntgen-, MRT- oder CT-Aufnahmen

W&B/Szczesny

Einblendung der Daten: Die errechneten Bilder, etwa von Gefäßen der Leber, können dem Operateur zur Verfügung gestellt werden - zum Beispiel auf einem Tablet, einer Datenbrille oder einem Projektor. Damit die Position stimmt, sind Tracking-Systeme erforderlich.

W&B/Szczesny

Augmented Reality

Übersetzt heißt der Begriff "erweiterte Wirklichkeit". Vereinfacht ausgedrückt, wird dabei das, was wir als Realität wahrnehmen, durch zusätzliche Infos aus dem Computer ­ergänzt. Augmented Reality in der Medizin zeigt den Ärzten verschiedene Bilddaten an. Die Technik soll Eingriffe präziser machen, indem sie Ärzten eine bessere Orientierung ermöglicht.

Bekannt durch ein Spiel

Zu weltweiter Bekanntheit hat dieser Technik 2016 das Handyspiel "Pokémon Go" verholfen. Die Spieler bewegen sich dabei in der echten Welt, also etwa in einer Fußgängerzone oder einem Park.

Schauen sie dabei auf ihr Mobiltelefon, sehen sie nicht nur ihre echte Umgebung. Ab und zu erscheinen auf dem Schirm auch kleine digitale Mons­ter, die sie einzufangen sollen. Der Eindruck entsteht, die Monster seien tatsächlich ebenfalls in der Fußgängerzone oder in dem Park. Mehr als 600 Millionen Mal wurde das Spiel auf Handys weltweit geladen.

Neuer Blick auf den Fuß

Auch im Krankenhaus sollen Realität und Informationen aus dem Computer miteinander verzahnt werden. Wie das konkret aussehen könnte, demonstrierten Navab und seine Kollegen bereits vor Jahren auf Fachkongressen. Ein Mitarbeiter legte dabei seinen Fuß auf einen Untersuchungstisch; interessierte Chirurgen bekamen ein Werkzeug aus Metall und Kugeln in die Hand sowie ­einen speziell konstruierten Datenhelm auf den Kopf.

Bewegten die Mediziner das Werkzeug über den Fuß, konnten sie im Sichtfeld des Helms nicht nur den Körperteil des Probanden sehen – sondern auch vorab angefertigte Röntgenbilder oder CT-Aufnahmen, aus verschiedenen Winkeln, zwei- oder dreidimensional.

Hilfe bei schwierigen Knochenbrüchen?

Ein komplizierter Bruch könnte mithilfe der Anwendung direkt am Patienten und zudem räumlich sichtbar gemacht werden. Bei der Suche nach dem optimalen Winkel für eine Schraube hätte der Arzt auf einmal ein gutes Bild zur Orientierung. Die Technik würde also die Sicherheit vieler medizinischer Eingriffe erhöhen, so zumindest die Hoffnung ihrer Anhänger.

Doch ganz so einfach ist der Blick in den Körper nicht. Damit optisch der Eindruck von Realität entsteht, müssen die Computer nicht nur mit Daten des Patienten gefüttert werden – sondern auch mit Informationen über den Blickwinkel des Arztes, die Position des Patienten oder die chirur­gischen Instrumente. "Das virtuelle Bild des Patienten und der reale ­Pa­tient müssen sich bei Augmented Reality exakt überlagern – wie Folien, die man übereinander auf einen Projektor legt", erklärt Professor Thomas Neumuth, wissenschaftlicher Direktor am Innovation Center Computer Assisted Surgery (ICCAS) in Leipzig.

Die Brille ist zu unhygienisch

Die Anwendungen benötigen daher sogenannte Trackingsysteme, um Koordinaten zu erfassen und die Bilder perfekt aufeinander abzustimmen. Dabei können zum Beispiel kleine Glaskugeln als Marker genutzt werden. Ihre Position wird von diesem System mittels Infrarotstrahlen identifiziert. "Ist etwa ein Skalpell mit ­solchen Trackingpunkten versehen, kann seine Position im Raum und am Patienten exakt bestimmt werden", sagt Neumuth.

Weltweit arbeiten Unternehmen wie Google, Microsoft oder die Telekom außerdem daran, kleine und leichte Datenbrillen auf den Markt zu bringen. Für den Einsatz im OP sind die bisherigen Modelle nämlich nicht ausgereift. So gibt es etwa keine Möglichkeit, damit die Hygiene-Anforderungen in einem OP-Saal zu erfüllen. Eine Dampfreinigung nach Vorschrift würde die Geräte schnell ruinieren.

Tablet oder Projektor

International experimentieren Wissenschaftler mit ganz unterschied­lichen Alternativen zur Datenbrille. Manchmal kommen handelsübliche Tablet-Computer zum Einsatz – die jedoch mit entsprechend sterilen ­Folien überzogen werden und in das Sichtfeld des Chirurgen gehalten werden müssen.

Außerdem gibt es die Möglichkeit, wichtige Daten mit einem Projektor direkt auf den Patienten zu projizieren. Bei manchen Eingriffen im Bauchraum, bei denen ein Endoskop genutzt wird, können zusätzliche Daten für den Chirurgen auf den Bildschirmen eingeblendet werden, die ohnehin im OP stehen. "Das ist für den Arbeitsablauf sinnvoll, denn bei diesen Eingriffen schaut der Operateur sowieso die meiste Zeit auf den Bildschirm", sagt Christian Hansen, Professor für Computerassistierte Chirurgie an der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg.

Nicht blind den Daten folgen

Seiner Meinung nach könnte Augmented Reality schon bald die Sicherheit von Patienten verbessern – vorausgesetzt, die Möglichkeiten der Technologie vergessen nicht den Faktor Mensch. Dieser reagiert auf ständige Informationen nämlich mitunter mit Unaufmerksamkeit.

"In Psychologie oder Arbeitswissenschaft ist die sogenannte Unaufmerksamkeitsblindheit ein bekanntes Phänomen, das bei der Entwicklung von Anwendungen ebenfalls berücksichtigt werden muss", sagt Experte Hansen. Eine Studie hat bereits gezeigt: Augmented Reality könnte auch dazu führen, dass sich Mediziner zu stark auf die eingeblendeten Informationen verlassen.

Wichtig: Fachübergreifend zusammenarbeiten

Für Navab hängt der Erfolg von Augmented Reality in der Medizin deshalb auch nicht nur von Informatikern und Ingenieuren ab, sondern von ihrer Zusammenarbeit mit Psychologen, Arbeitswissenschaftlern und natürlich den Anwendern, den Medizinern. "Es geht auch darum, herauszufinden: Wie viel dieser verfügbaren Informationen braucht ein Chirurg überhaupt, damit ein Eingriff optimal verläuft?", so der Münchner Wissenschaftler. In Zukunft sollen Rechner nur medizinisch wichtige Informationen herausfiltern und dem Arzt zur Verfügung stellen.

Aktuell sind die Fälle überschaubar, in denen Augmented Reality tatsächlich im Krankenhaus zum Einsatz kommt. Ältere Erfindungen dieser Art können Medizinstudenten beim Studium unterstützen. Die Harvard Medical School in den USA setzt neuere Verfahren bei neurochirurgischen Eingriffen ein. Zum Beispiel wird ­dabei ein dreidimensionales Modell eines Tumors ins OP-Mikroskop eingeblendet, der Chirurg kann präziser arbeiten. Eine Anwendung des Fraunhofer Instituts MEVIS in Bremen unterstützt mit Modellen aus Patientendaten Leberchirurgen. Eine andere Entwicklung der TU München kann Ärzten die exakte Position von Lymphknoten übermitteln und so bei Brustkrebspatientinnen die Entnahme von Gewebeproben verbessern.

Achtung, hier piept’s!

Experten schweben jedoch noch viele weitere Möglichkeiten von Augmented Reality vor – hauptsächlich für kritische Situationen. "Auch auditive Signale könnten Ärzten die Naviga­tion erleichtern", sagt etwa Christian Hansen. Ähnlich wie bei Assistenzsystemen im Auto könnten dann bestimmte Töne warnen – etwa wenn ein Skalpell zu nahe an bestimmte Gefäße kommt.

Der nächste Entwicklungsschritt für Nassir Navab: "Ärzte werden auf Daten in Echtzeit zugreifen können." Vielleicht werden Roboter dabei assistieren, dass Ärzte stets aktuelle Röntgen- und CT-Bilder nutzen können. Der Computer würde aus dem Datenwust parallel die wesentlichen Informationen herauspicken und als Geräusch, Bild oder Berührung an den Operateur weiterleiten.

So wie ein modernes Navi den Fahrer längst nicht mehr nur mit digitalen Karten versorgt – sondern auch mit Staus, Unfallmeldungen oder Baustelleninformationen.



Bildnachweis: W&B/Szczesny, /ICCAS

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