Forschungstätigkeit am Zentrum
Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Innovation Center Computer Assisted Surgery (ICCAS) ist an der Medizinischen Fakultät mit mehreren Forschungsgruppen tätig. Es betreibt interdisziplinäre Forschung zwischen den Disziplinen Chirurgie, Informatik, Natur- und Ingenieurwissenschaften.
Die Forschungsgruppe „Wissenschaftliche Methodik“ analysiert die Vorgänge im Operationssaal und beschreibt diese formal mittels Ontologien und „Chirurgischen Workflows“. Basierend auf dieser Analyse werden Softwareschnittstellen zur Speicherung und Kommunikation der für den chirurgischen Eingriff notwendigen Patientendaten entwickelt. Der in der Radiologie gebräuchliche Standard „DICOM“ wird dadurch zu „DICOM for Surgery“ erweitert. Dadurch wird der Aufbau modularer Assistenzsysteme für die Chirurgie, beispielsweise auf der Basis eines Surgical Picture Archiving and Communication System (S-PACS) ermöglicht. Der Begriff „Chirurgischer Workflow“ bezieht sich auf die Beschreibung von OP-Verläufen. Forschungsthemen sind der Entwicklung einer Aufnahme- und Analysemethodik für diese Chirurgischen Workflows sowie deren Nutzung um chirurgische Eingriffe im Detail zu analysieren und zu bewerten. Der Entwicklungsprozess beinhaltet die Schwerpunkte ontologische Strukturierung chirurgischer Prozesse, Datenakquisition sowie Datenvisualisierung und -analyse. Zusätzlich werden für die einzelnen Gebiete Softwaretools entwickelt und es erfolgt die praktische Evaluierung bei ausgewählten Operationen der Neurochirurgie (Distektomien, Kraniotomien, Hypophysenadenome), der HNO-Chirurgie (FESS, MLS, Mastoidektomie), der Herzchirurgie (Mitralklappenersatz, MIDCAB, TECAB), der Augenchirurgie und in der interventionellen Radiologie.
Die Forschungsgruppe „Surgical PACS und Mechatronik“ beschäftigt sich schwerpunktmäßig mit der Vernetzung von chirurgischen Geräten, um dem Chirurgen neue Funktionalitäten zu bieten. In Zusammenarbeit mit der Gruppe 1 „Wissenschaftliche Methodik“ soll DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) für den Einsatz im OP-Saal erweitert werden. Das Ziel ist es, alle Patientendaten innerhalb eines so genannten „Weltmodells“ zu akkumulieren und diese den chirurgischen Geräten zur Verfügung zu stellen. Dabei kommen die chirurgischen Workflows zum Einsatz, um daraus die Anforderungen abzuleiten. Weiterführendes Ziel ist es, anhand dieser Anforderungen konkrete Ergänzungen des DICOM-Standards zu spezifizieren und in die zuständigen Normungsgremien einzubringen.
Eine prototypische Realisierung eines solchen vernetzten OP-Systems folgt zwei verschiedenen, sich ergänzenden Ansätzen: (1) Der Top-Down Ansatz untersucht die konkreten klinischen Bedürfnisse mit Hilfe klinischer Workshops, generischer Workflows und systematischer, objektiver Planungsverfahren, dem Quality Function Deployment (QFD). Die Erkenntnisse dieser Arbeiten fließen in den (2) Bottom-Up Ansatz ein, in dem konkrete Prototypen für spezielle klinische Fragestellungen entwickelt werden. Die Forschung an Prototypen ermöglicht die unmittelbare Erkennung und Lösung praktischer und technischer Probleme bereits während des Entwicklungsprozesses.
Mit der Berufung von Professor Dr. Dirk Bartz wurde die Forschungsgruppe 3 „Visual Computing“ im Dezember 2006 gegründet. Sie beschäftigt sich mit den Themen Erweiterte Realität und Interaktion, Visualisierung und Bildanalyse. Insbesondere werden diese Themen unter dem Gesichtspunkt der Wahrnehmung (Perzeption) behandelt.
Folgende Forschungsschwerpunkte werden bearbeitet:
Ontologien für die Chirurgie
Ontologien stellen eine effiziente Möglichkeit dar, Weltwissen zu kategorisieren und zu formalisieren. Um Ontologien für die Anwendungsdomäne „Chirurgie“ effizient zu strukturieren, entwickeln wir die Kernontologie COCAS (Core Ontology for CAS), welche ihre formale Strukturierung aus einer Top-Level-Ontologie erhält. Innerhalb von COCAS werden Sub-Domänen definiert, die eigene domänenspezifische Ontologien zugeordnet bekommen. Beispielsweise wurde zur Strukturierung Chirurgischer Workflows die Ontologie „SWOnt“ (Surgical Workflow Ontology) entwickelt. Sie bildet alle zur Beschreibung chirurgischer Prozesse notwendigen Entitäten und ihre Hierarchisierung ab. Darüber hinaus werden Ontologien zur Beschreibung spezieller chirurgischer Eingriffe entworfen. Ein Beispiel stellt FESS-Ont dar, welche genutzt wird, um den Nasennebenhöhleneingriff „FESS“ (Functional Endoscopic Sinus Surgery) formal beschreiben zu können.
Chirurgische Workflows
Der Chirurgische Workflow ist eine Abstraktion eines chirurgischen Eingriffs. Es können Informationen aus der Realität erfasst werden, welche für den Nutzer (den Chirurgen, Medizintechniker oder Gesundheitsexperten) von Interesse sind. Um die Nutzung chirurgischer Workflows, z.B. für analysierende Zwecke zu ermöglichen, benötigt man technische und formale Beschreibungen des chirurgischen Eingriffs. Dies verursacht den Bedarf zur strukturierten Akquisition von Informationen aus der interoperativen chirurgischen Realität.
Zur Unterstützung der Aufnahme wurde in ICCAS eine Softwarearchitektur zur Protokollierung chirurgischer Eingriffe, die ICCAS Surgical Workflow-Software, entwickelt. Mit Hilfe dieses Programms ist es erstmals möglich, detaillierte Informationen über den Verlauf von Operationen zu gewinnen und diese nach klinischen und technischen Fragestellungen auszuwerten.
Die Analyse chirurgischer Workflows wurde bereits zur Definition von Use Cases zur Erstellung von DICOM-Objekten genutzt. Ebenso existieren Erfahrungen mit der Spezifikation von virtuellen Chirurgiesimulatoren auf der Basis von chirurgischen Workflows.
Der methodische Ansatz wurde bisher bereits zur Protokollierung von mehr als 200 Eingriffen verwendet. Die Methodik fand disziplinübergreifend in den Fächern Neurochirurgie, HNO-Chirurgie, Cardiovascularchirurgie, Augenchirurgie sowie interventionelle Radiologie Anwendung.
Modulare Assistenzsysteme für die Chirurgie / DICOM for Surgery
DICOM stellt einen etablierten Standard zur Speicherung und zum Transport von Bilddaten in der Radiologie dar. ICCAS beschäftigt sich im Rahmen der DICOM Working Group 24 damit, diesen Standard für die Nutzung im Operationssaal zu erweitern. Hierbei wurde ein erster Entwurf zur Speicherung von Oberflächennetzen erarbeitet, der in den Standard einfließen wird. Die Arbeiten im Bereich „DICOM for Surgery“ bilden die Softwareschnittstellengrundlage für das „Surgical PACS“ (s.u.).
Klinische Anwendungen auf Basis der entwickelten Spezifikationen werden in prototypischen Szenarien realisiert. Beispielsweise wurden in unterschiedlichen Projekten Bildverarbeitungs- und Modellierungsprobleme gelöst.
Neben Segmentierungen von Gefäßbäumen in Angiographien und der Bestimmung des Arbeitsraums bei navigierten Nasennebenhöhlenoperationen wurden Methoden zur Klassifikation unterschiedlicher Gewebetypen aus Bilddaten entwickelt. Die Modellierungstechniken gehen in ein Patientenmodell ein, welches dem Chirurgen sämtliche Informationen über den Patienten in optimaler Weise zur Verfügung stellt.
Virtuelle Realität und Trainingssysteme
Techniken der Virtuellen Realität wurden auf ihre Anwendbarkeit in der klinischen Routine hin untersucht. Hierbei wird die Nutzbarkeit dreidimensionaler Darstellungen in der HNO- und Neurochirurgie in umfangreichen Studien evaluiert.
Im einzelnen wurden drei unterschiedliche virtuelle Trainingssysteme mit Kraftrückkoppelung für die Nasennebenhöhlen-OP, Mastoidektomie und Ventrikulozisternotomie–OP evaluiert. Dabei können verschiedene Parameter, wie beispielsweise haptisches Feedback, aufgenommen und Lernkurven erstellt werden. Die unterschiedliche Wirkung auf erfahrene und unerfahrene Chirurgen wird dabei ebenfalls untersucht.
Komplett neuartige Ansätze werden auf dem Gebiet der patientenspezifischen Modellbildung untersucht. Ein Unterprojekt beinhaltet die Anwendung von Bildverarbeitungsmethoden und für die Simulation von Neuro- und HNO-Chirurgie sowie für die Eingriffsplanung in der Unfallchirurgie.
Offene Netzwerkinfrastruktur für den Operationssaal der Zukunft
(Surgical PACS)
Als Prototypen für die zukünftige Anwendung eines Surgical PACS Systems wurden folgende Interventionen ausgewählt:
1. Neuro-Navigation mit Hilfe von intraoperativem 3D-Ultraschall
Intraoperativ bildgebende Verfahren, wie z.B. Ultraschall, können direkt während einer Operation eingesetzt werden und verbessern die Orientierung im OP-Situs sowie die Kontrolle über den Resektionsverlauf. Die Kombination aus konventioneller Bildgebung (MRT) und intraoperativem 3D Ultraschall (3D-iUS) vermittelt dem Chirurgen eine Vielzahl zusätzlicher Informationen. In der Neurochirurgie können dadurch unter anderem Lagebeziehungen von Organen, die Verschiebung von Hirngewebe oder der Verbleib von Tumorresten räumlich visualisiert werden. Im Vergleich zu anderen intraoperativ bildgebenden Verfahren (z.B. iMRT) stellt das 3D-iUS-System für den Operateur ein sehr kompaktes und flexibles Instrument dar. Durch gemeinsame Entwicklungen in Zusammenarbeit zwischen der Firma Localite und ICCAS konnte das 3D-Ultraschallsystem im Jahr 2006 bereits in wesentlichen Teilen (z.B. Verkürzung der Dauer der Instrumentenkalibration) verbessert werden. In einem Teil dieser Arbeiten wurde bereits das Konzept offener und einheitlicher Geräteschnittstellen zur Kommunikation verschiedener Systemkomponenten getestet.
2. Erweiterte Realität in der Herzchirurgie
In Kooperation mit dem Herzzentrum der Universität Leipzig wird ein System entwickelt, welches es ermöglicht, Modellbilder dem realen Endoskopbild zu überlagern, um die Identifikation verschiedener anatomischer Strukturen zu vereinfachen. Bei der minimal-invasiven Chirurgie am Herz ist das Sichtfeld limitiert und so die Orientierung erschwert. Landmarken, die zur Orientierung dienen und die Identifikation des Zielgebietes erleichtern, sind aufgrund des endoskopischen Zugangs oft nicht sichtbar. Speziell bei der Anwendung des daVinci-Telemanipulators bei herzchirurgischen Eingriffen kann das Auffinden des Zielgefäßes für die Bypassanlage erschwert oder gar unmöglich sein.
Erweiterte Realität ist eine Technologie, die in solchen Situationen unterstützend eingesetzt werden kann, indem ein virtuelles 3-D-Modell auf ein Kamerabild in Echtzeit überlagert wird. Die Angiographie ist der diagnostische Goldstandard bei der koronaren Herzerkrankung. Aus den angiographischen Daten kann ein patientenindividuelles virtuelles 3-D-Modell kreiert werden. Dieses wird bei der Operation auf das reale endoskopische Bild überlagert und dient zur Orientierung und Navigation beim Aufsuchen des Zielgefäßes für den Bypass. Im Projekt wird eine Software- und Gerätetechnologie für den klinischen Einsatz bei der Bypassoperation entwickelt, mit der eine erweiterte Realität in Form eines virtuellen 3-D-Modells verwendet wird.
Navigated Control – Leistungsgesteuerte Assistenzsysteme für die Chirurgie
Innerhalb der Klinik und Poliklinik für Hals-, Nasen-, Ohrenheilkunde wurde das Assistenzsystem für die funktionelle Nasennebenhöhlen-Chirurgie (FESS-Control) evaluiert. Das manuell geführte Instrument schaltet ab, wenn seine Position den präoperativ segmentierten Arbeitsraum verlässt. Dieses Prinzip nennt sich Navigated Control und wird am Institut für Mikro- und Medizintechnik (MIMED) der Technischen Universität München in die verschiedenen Applikationen integriert. Innerhalb der Studie wurden bis jetzt 10 Patienten ohne Komplikationen behandelt. Klinische und ergonomische Parameter zeigten eine verbesserte Informationsqualität der Navigationsdaten und daraus resultierende Änderungen der chirurgischen Vorgehensweise. Eine mentale Entlastung des Chirurgen konnte festgestellt werden.
Aufgrund der positiven Resultate mit dem System FESS-Control soll dasselbe Prinzip auch für Eingriffe am Felsenbein (Mastoid) zum Einsatz kommen. Die Mastoidektomie stellt eine komplexe und risikobehaftete Operation dar, bei der Navigated Control helfen soll, eine Knochenfräse außerhalb des Arbeitsraumes abzuschalten, z.B. in Regionen von Blutgefäßen oder des Gesichtsnervs. Diese Lösung vereint die Vorteile der robotergestützten Systeme und der reinen Navigationssysteme. Der Chirurg führt die Fräse. Das Navigationssystem sorgt in Verbindung mit der Kontrollsoftware dafür, dass das Instrument bei falscher Position abgeschalten wird. Die präklinische Evaluation von Mastoid-Control wurde Ende 2006 abgeschlossen. Eine klinische Multicenterstudie mit der Klinik und Poliklinik für HNO-Heilkunde der Universität Leipzig und der Medizinischen Hochschule Hannover wird 2007 starten.
Zunächst wurde das System mit einem elektronischen Phantom (ElePhant) evaluiert. Dazu wurde ein anatomisches Modell mit der 3D-Drucktechnologie hergestellt. Risikostrukturen werden als leitfähige Materialien dargestellt. Im anatomischen Modell befindet sich ein Microcontroller, der die Kommunikation zwischen Modell und PC übernimmt. Der Arzt kann mit dem realen chirurgischen Instrument den Eingriff simulieren. Die Beschädigungen von Risikostrukturen werden während der Simulation objektiv festgestellt. Evaluationsparameter, wie beispielsweise Zeit und Anzahl der beschädigten Risikostrukturen werden gespeichert.
Ein drittes Einsatzgebiet für Navigated Control ist eine navigiert gesteuerte Fräse für die Wirbelsäulenchirurgie. Der Chirurg segmentiert intraoperativ einen Arbeitsbereich. Auch hier wird die navigierte Fräse automatisch aktiviert, sobald sie sich im geplanten Arbeitsbereich befindet und stoppt automatisch, wenn der Arbeitsraum verlassen wird. Für die vorklinische Evaluation wurde auch ein anatomisches Wirbelsäulenmodell (ElePhant) mit einem 3D-Drucker hergestellt. Die Dura (Hirnhaut) als Risikostruktur besteht aus leitfähigem Material. Anschließend wurde das Modell mit einem Schaltkreis verbunden. Verletzt der Chirurg während der Simulation die Risikostruktur, wird diese Beschädigung mit einem Computer objektiv detektiert. Zunächst wurde die Segmentierungsgenauigkeit des intraoperativen Röntgens (C-Bogen) bewertet. Es konnte gezeigt werden, dass die Segmentierung des Arbeitsbereichs mit dem 3D C-Bogen hinreichend genau erfolgen kann. In der nächsten Studie wird die Fräsgenauigkeit am anatomischen Modell analysiert.
Klinische Evaluation
Für die generelle Evaluation von computerassistierten Chirurgieinstrumenten wird bisher zumeist die technische Qualität von Systemen erfasst, und nur in geringem Maße werden auch die Effekte auf Patienten und die Ergonomie des Chirurgen untersucht. Um internationale und interinstitutionelle Vergleichbarkeit zu schaffen, wurde eine Richtlinie basierend auf sechs Evaluationsstufen – von technischen, über klinische bis hin zu ethischen, soziologischen und rechtlichen Kriterien – erstellt. Basierend auf den Stufen und den akzeptierten Untersuchungsrichtlinien werden nun schrittweise die systematischen Studienprotokolle und Erfassungsbögen aus anderen medizinischen Fächern auf die computerassistierte Chirurgie angepasst.
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