Innovationszentrum für Computerassistierte Chirurgie (ICCAS)

Forschungstätigkeit am Zentrum

Scientific Methods

Die ICCAS Arbeitsgruppe „Scientific Methods“ hat bei ihren Projekten zur Aufzeichnung und Analyse chirurgischer Workflows einen wesentlichen Meilenstein erreicht: die Methodik ist vollständig und wurde 2007 erfolgreich evaluiert. Das Ontologieframework „SOCAS“, welches der Beschreibung der für die computerassistierten Chirurgie wichtigen Begrifflichkeiten und Relationen dient, wurde fertig gestellt und mit beispielhaften Anwendungen getestet. Damit können diese Aktivitäten abgeschlossen und in 2008 die intraoperative Workflowunterstützung in Angriff genommen werden.

In den Bereichen „Patient Model“ und „Standardisierung“ wurden beispielhafte Planungssysteme für unterschiedliche chirurgische Disziplinen geschaffen. Die dort entwickelten Systeme zeichnen sich durch modulare Systemkomponenten aus, deren einzelne Teile schrittweise in die internationale Standardisierung einfließen.
Die Konzepte und Prototypen eines modularen chirurgischen Assistenzsystems TIMMS (Therapy Imaging and Model Management System) werden in drei Erweiterungen des DICOM Standards umgesetzt. Dr.-Ing. Oliver Burgert wurde als stimmberechtigtes Mitglied in die DICOM Arbeitsgruppe „Base Standard“ berufen, um die Kompatibilität des Standards mit zukünftigen chirurgischen Erweiterungen sicher zu stellen.

Analyse Chirurgischer Workflows und Ontologien

Im Vordergrund dieses Projektes steht die detaillierte Analyse chirurgischer Eingriffe. Ziel ist die systematische Analyse von chirurgischen Eingriffen, um für chirurgische Assistenzsysteme den Entwicklungsbedarfs abzuleiten sowie diese im klinischen Alltag zu evaluieren. Die akquirierten Daten werden mit Hilfe chirurgischer Prozessmodelle dargestellt. Hierfür wurde eine Softwaresuite zur systematischen Datenaufnahme, repräsentation und -analyse entwickelt.

Die Ergebnisse des Projektes „Surgical Workflows: Methoden und Applikationen“ werden im Forschungsprojekt „Surgical Workflows: Klinische Anwendungen“ in der Praxis angewendet. Bis zum jetzigen Zeitpunkt wurden mehr als 300 chirurgische Prozessmodelle in internationalen Projekten in Deutschland, Frankreich und den USA akquiriert.

Untersuchte chirurgische Fragestellungen betreffen die Evaluation von chirurgischen Strategien, neuen chirurgischen Assistenzsystemen oder Vergleiche von minimalinvasiven und konventionellen Eingriffen.

Das Ziel der Ontologie-Projekte des ICCAS besteht darin, einen Rahmen für Ontologien zu entwickeln, die verschiedene Disziplinen auf dem Feld der Chirurgie abdecken. Ziel der chirurgischen Ontologien ist, eine gemeinsame Wissensbasis für die computerassistierte Chirurgie zu schaffen, wo Informationen von verschiedenen chirurgischen Disziplinen und Interventionstypen durch nicht zweideutige semantische Daten geteilt werden können. Diese Ontologien müssen ebenfalls andere Projekte unterstützen, die direkt auf die klinische Anwendung im Operationsraum abzielen. Sie dienen dabei als verlässliche Hintergrundwissensbasis. Abhängig vom Interventionstyp können diese Ontologien dazu benutzt werden, um relevantes Wissen spezifischen Anwendungen zuzuführen.

Auf Basis der Vorarbeiten im Bereich „Chirurgischer Workflow“ wurde im Januar 2007 die Firma SWAN – Scientific Workflow Analysis GmbH ausgegründet. Sie beschäftigt sich mit der Analyse klinischer Prozesse mit Schwerpunkt auf unstrukturierte, individuelle Prozessabläufe.

Patientenmodell und Standardisierung modularer Assistenzsysteme

Computersysteme zur Unterstützung chirurgischer Eingriffe verarbeiten unterschiedlichste Daten in der Vorbereitung und Durchführung einer Operation. Diese werden in heutigen Systemen auf verschiedenen Wegen verarbeitet und kommuniziert und nur selten gesamtheitlich betrachtet. Ziel ist ein Informationsmodell, welches alle verfügbaren Daten eines Patienten integriert.

2007 wurden interventionsspezifische Patientenmodelle entwickelt und in fachspezifische Patientenmodelle für die HNO-, Neuro- und Herzchirurgie überführt. Konkret wurde eine Planungssoftware für die NNH-Operationen entwickelt, welche semi-automatisch den Arbeitsraum für den chirurgischen Eingriff generiert und als Datenstruktur im standardisierten DICOM-Format abspeichert. Das Ergebnis kann präoperativ gemeinsam mit den Patientendaten auf einem PACS-Server gespeichert und intraoperativ von dem Assistenzsystem gelesen werden. Ein weiteres Projekt beschäftigte sich mit der Planung von Mitraklappenrekonstruktionen. Hier konnten Implantate präoperativ virtuell implantiert und in einem standardisierten Format abgespeichert werden. Auf dem Symposium „Von der Bild- zur Modellgestützten Therapie“ konnten diese Modelle diskutiert werden. Konsens war, dass die Beziehung zwischen gemessenen Daten und Hintergrundwissen der Schlüssel zu einem modellbasierten Ansatz in der computerassistierten Patientenversorgung ist.

Schwerpunkt der Forschung auf dem Gebiet der Patienten- und Instrumenten-spezifischen interaktiven Simulation sind Eingriffe im Bereich der HNO- und Neurochirurgie. 2007 wurden in der Projektgruppe folgende Methoden untersucht: halbautomatische Gewebeklassifikation für die Erzeugung von Patienten-Modellen; anatomische Netzmodelle, wie z.B. Oberflächennetze für die Gewebetopologie oder tetraedrische Netze für Volumendaten; nicht-rigide Registrierung generischer Modelle auf die Bilddaten des Patienten, wie z.B. das mit Mikro-MR Daten erzeugte Innen-Ohr Modell von Robert Funnel der McGill Universität auf Sub-Millimeter CT-Daten; die Registrierung histologischer Gewebeschichten des Chinese Visible Human mit einer Auflösung von 0.2 mm; zusätzlich zur reinen Bildanalyse die Modellierung des Greifens mit einer Blakesley-Zange für die haptische Interaktion mit sieben Freiheitsgraden.

Intraoperative 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 MR-Bildgebung und intraoperativem 3D Ultraschall (3D-iUS) vermittelt dem Chirurgen eine Vielzahl zusätzlicher Informationen unter Beurteilung der Brainshift. In der Neurochirurgie können dadurch u.a. 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 zur intraoperativen Bildgebung dar. Die klinischen Untersuchungen an mehr als 50 Patienten wurden abgeschlossen und Resektionsergebnisse sowie Therapieerfolg verglichen. Workflowanalysen liegen aktuell zu 6 Patienten vor. Erstmals konnten dynamische und qualitative Informationen für den kontrastverstärkten intraoperativen Ultraschall in der Neurochirurgie gewonnen werden.

S-PACS/Mechatronik

Die ICCAS Arbeitsgruppe „S-PACS/Mechatronik“ stellte 2007 erste Demonstratoren des „chirurgischen Cockpits“ vor. Idee des „chirurgischen Cockpits“ ist die intelligente Vernetzung von chirurgischen Assistenzsystemen, die durch ein zentrales und intuitiv bedienbares Nutzerinterface gesteuert werden. Ziel ist ein System, das multifunktional in unterschiedlichen chirurgischen Disziplinen anwendbar ist.

Dabei stehen derzeit im Wesentlichen Anwendungen aus der Neuro-, HNO- und Herzchirurgie im Vordergrund. Beispielsweise sollen im „chirurgischen Cockpit“ dreidimensionale Modelle in das Sichtfeld des Chirurgen eingeblendet werden. Dazu werden patientenspezifische Modelle mit der in ICCAS entwickelten Software „Surgical Cartographic Navigation System“ erzeugt und in die Konsole des telemanipulatorischen Da Vinci Systems eingeblendet.

Sowohl für Nasennebenhöhlen(NNH)-Operationen als auch für neurochirurgische Operationen wird an einem konsistenten Datenfluss in der prä- und intraoperativen Phase gearbeitet. Beispielsweise wurde in ICCAS eine Planungssoftware für die NNH-Operationen entwickelt, welche basierend auf einer initialen Segmentierung alle weiteren Schichten semi-automatisch generiert. Das Ergebnis kann präoperativ auf einem PACS-Server gespeichert werden und intraoperativ von jedem Klinik-PC wieder in das „chirurgische Cockpit“ geladen werden. Dadurch wird die Logistik vereinfacht, die Wahrscheinlichkeit einer Datenverwechslung minimiert und der Einsatz fehleranfälliger Wechseldatenträger eliminiert.

Die Forschergruppe entwickelt außerdem ein System, das aus einem endoskopischen Ultraschallkopf sowie einem monopolaren Elektroskalpell besteht. Dieses Instrumentenpaar ist an einen innovativen, universellen Medizinroboter angedockt und soll die interne Brustwandarterie während einer total-endoskopischen Bypassoperation (TECAB) frei präparieren. Das Systemkonzept und die Datenkommunikation basiert auf den gleichen Prinzipien wie das restliche „Surgical Cockpit“.

Im Einzelnen werden derzeit folgende Problemfelder bearbeitet, um das „Surgical Cockpit“ zu entwickeln:

• Echtzeitdatenübertragung, Robustheit und Zuverlässigkeit der Netzwerkinfrastruktur eines S-PACS-Systems: Anhand von Workflow-Analysen verschiedener chirurgischer Eingriffe in unseren Partnerkliniken, wurde eine Reihe von funktionellen und nicht-funktionellen Anforderungen an das OP-Netzwerk bestimmt. In Zusammenarbeit mit Industrie- und Forschungspartnern untersuchen wir derzeit die Möglichkeit, Netzwerktechnologien aus dem Bereich der Automation für einen Einsatz im OP anzupassen.
  
  Die Technologien wurden in einem Simulationsszenario analysiert. Ein erstes Simulationsszenario basiert auf einer neurochirurgischen Intervention. Ziel dieses Szenarios ist es, zu überprüfen, dass derzeitig verfügbare Netzwerke in der Lage sind, eine solche Datenübertragung mit der entsprechenden Qualität und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Low-Level-Charakteristika des Netzwerkes wurden im Detail modelliert, um die Stabilität und Robustheit der Übertragung zu untersuchen.
  
• Konfigurationsmanagement: Üblicherweise ist die Konfiguration und Verwaltung von Netzwerkkomponenten aufwendig und setzt umfassende technische Kenntnisse voraus. Unsere Forschung konzentriert sich auf die Entwicklung von Methoden, die klinisches Personal bei der Konfiguration und Anwendung von den Komponenten des „chirurgischen Cockpits“ unterstützen. Es wurden benutzerfreundliche Funktionalitäten wie Plug-and-Play und autoadaptive Netzwerktechnologien realisiert. Alle in ICCAS entwickelten Hard- und Softwarekomponenten implementieren diese Funktionalitäten und sind somit in der Lage, in einer dynamischen Umgebung automatisch miteinander zu kooperieren, ohne dass die Notwendigkeit eines fehleranfälligen Konfigurations- und Verwaltungsprozesses besteht.

Ein weiteres Forschungsgebiet der ICCAS Arbeitsgruppe „S-PACS/Mechatronik“ ist die Evaluation von computerassistierten Systemen und die Durchführung von klinischen Studien. In ICCAS wurden 2007 mehrere Experimente im Demonstratoroperationssaal sowie auch im klinischen Operationssaal im Rahmen von klinischen Studien durchgeführt. Dabei wurden Auswirkungen von automatisierten Fräsprozessen in der Mittelohrchirurgie ingenieurpsychologisch und klinisch evaluiert. Auch der Fertigkeitserwerb chirurgischer Fähigkeiten von Assistenzärzten und Studenten mittels Navigationssystemen wurde in experimentellen Studien gemessen. Schließlich wurden in der Neurochirurgie 50 Patienten mittels innovativer Neuronavigation basierend auf intraoperativem 3D-Ultraschall operiert und dabei Resektionsergebnisse sowie klinischer Therapieerfolg verglichen.

Teil des Arbeitsgebietes ist die Entwicklung von Simulationsumgebungen für die realistische Evaluation von chirurgischen Assistenzsystemen in Experimentalumgebungen. Im vergangenen Jahr wurden dafür sowohl Szenarien für die Wirbelsäulen- und Mastoid-Operationen entwickelt, als auch Phantome von vaskulären Strukturen in der Neuro- und Herzchirurgie hergestellt.

Auf Basis dieser Vorarbeiten wurde im Februar 2007 die Phacon GmbH durch die Mitarbeiter Ronny Grunert und Hendrik Möckel gegründet. Die Phacon GmbH entwickelt und produziert Demonstrationsmodelle für die Weiterbildung und das Training von Medizinern. Auf dem FutureSax-Businessplan-Wettbewerb gewann Phacon in der Kategorie „Gründen“ den ersten Preis.

Visual Computing

Die ICCAS Forschungsgruppe „Visual Computing“ (Leitung: Prof. Dr. Dirk Bartz) existiert seit Januar 2007 mit der Berufung von Professor Bartz auf die Professur für Computerassistierte Chirurgie. Als thematischen Schwerpunkt hat die Forschungsgruppe die visuelle Verarbeitung medizinischer Daten gewählt. Hierbei geht es um Analyse, Visualisierung und Untersuchung (Einblick, Verständnis, Erkundung) von medizinischen Bilddaten. Anwendung findet dies in der Lehre, Diagnose und Therapieplanung sowie bei der intraoperativen Unterstützung des Chirurgen.

Im ersten Jahr ihrer Arbeit hat sich die Forschungsgruppe vor allem auf die Analyse und Visualisierung von funktionellen und anatomischen Daten für die Neuro- und HNO-Chirurgie konzentriert, um diese für Eingriffsplanungen zugänglich zu machen. Darüber hinaus wurden im Forschungsprojekt NeuroComrade Methoden zur erweiterten Realität für minimalinvasive Eingriffe erforscht.

Analyse und Visualisierung von anatomischen und funktionellen Daten für neurochirurgische Planung von neurochirurgischen Eingriffen

Die funktionelle Magnetresonanztomographie (fMRT) stellt ein wichtiges Werkzeug für die Behandlung von Patienten dar. Insbesondere können mit ihr funktionell aktive Gehirnregionen (eloquente Areale) lokalisiert werden, und so der chirurgischen Eingriffsplanung zugeführt werden. Dies betrifft vor allem funktionelle Regionen für die Sprache und für die Bewegung, die bei den Eingriffen geschont werden müssen.

Funktionen zur Analyse und zur Visualisierung dieser Daten wurden erforscht und in ein OpenSource-Framework (VolV) integriert, um es so für eine flexible Eingriffsplanung zugänglich zu machen.

Zusätzlich zu diesen funktionellen Daten wurden anatomische Informationen zu kritischen Strukturen im Eingriffsbereich aus verschiedenen MRT-Daten extrahiert. Dazu gehören vor allem die Zielstrukturen der Eingriffe (z.B. ein Tumor), relevante Blutgefäße (um Blutungen zu vermeiden) und (in Zusammenarbeit mit dem Institut für Informatik) die neuronalen Bahnsysteme. Insbesondere die Bahnsysteme verbinden die eloquenten Areale und deren Durchtrennung würde so effektiv zu einem ähnlichen Resultat wie eine direkte Schädigung dieser Areale führen. Aus diesem Grund muss eine solche Schädigung unbedingt vermieden werden.

Der bisherige Fokus der Arbeiten auf die präoperative Planung soll in naher Zukunft für die intraoperative Unterstützung erweitert werden. Hier müssen dann vor allem die Deformation des Gehirns nach Schädel- und Duraeröffnung (Brainshift) berücksichtigt werden.

Erweiterte Realität für minimalinvasive Eingriffe

Endoskopische Eingriffe stellen einen wesentlichen Anteil minimalinvasiver Eingriffe dar. Dabei wird eine optische Sonde zum Zielgebiet geführt und über spezielle Arbeitskanäle des Endoskops werden spezielle chirurgische Werkzeuge zur Behandlung eingesetzt. Risikostrukturen können bei diesen Eingriffen über die endoskopische Kamera dargestellt werden, was jedoch nur für Strukturen in der unmittelbaren Umgebung möglich ist. Tieferlegende Strukturen (z.B. Blutgefäße) werden i.d.R. verdeckt und können so nicht ohne weiteres sichtbar gemacht werden.

Methoden der erweiterten Realität können vorhandene Informationen über das Bild der Kamera einblenden und so bisher nicht-sichtbare Information nutzbar machen. Blutgefäße können z.B. mit Hilfe von präoperativen Bilddaten dargestellt und über das lokale endoskopische Bild eingeblendet werden. Dazu muss jedoch über ein intraoperatives Navigationssystem die genaue Position und Blickrichtung der endoskopischen Kamera bestimmt werden.

Im Rahmen des Projekts NeuroComrade – finanziert durch den Innovationswettbewerb Medizintechnik des BMBFs – wird ein endoskopisches High-Definition(HD)-Kamerasystem mit Hilfe der intraoperativen Navigation um solche zusätzlichen Informationen erweitert, um so das Risiko von Komplikationen zu reduzieren. Dabei werden Konzepte der erweiterten Realität mit moderner Netzinfrastruktur im OP (S-PACS, siehe Gruppe 2) genutzt, um einen nahtlosen Einsatz im OP zu gewährleisten.