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Intelligente Hilfen für die Krebschirurgie

In einem modernen Operationssaal kann der Chirurg auf eine Fülle an Daten zurückgreifen. Diese bieten ihm neue Möglichkeiten, wenn sie sinnvoll verknüpft und bereitgestellt werden. Stefanie Speidel vom Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen (NCT) Dresden arbeitet an intelligenten Assistenzsystemen, die den Chirurgen bei seiner komplexen Tätigkeit in einem zunehmend technischen Umfeld unterstützen.

© André Wirsig

Adresse eingeben, okay drücken, losfahren. Im Auto verlassen wir uns ganz selbstverständlich auf das Navigationssystem, wenn wir zu neuen Zielen aufbrechen. Die Zukunft im Operationssaal könnte ähnlich aussehen: Assistenzsysteme führen den Chirurgen sicher und ohne Umwege zum Tumor oder warnen vor Komplikationen. „Wir wollen die Vielzahl an verfügbaren Daten bündeln und dem Chirurgen zur richtigen Zeit genau die Information zur Verfügung stellen, die er benötigt. Heute wie in Zukunft trägt aber der Mensch die Verantwortung und entscheidet während der Operation. Wir bieten dem Chirurgen für seine Arbeit lediglich intelligente Hilfen an", erklärt Speidel. Benötigt werden die intelligenten Hilfen beispielsweise bei minimalinvasiven Operationen, die auch als Schlüsselloch-OPs bekannt sind. Hier macht der Chirurg lediglich einen kleinen Schnitt und führt die weitere Operation über Videobilder des Laparoskops aus.

Das Assistenzsystem, an dem die Professorin für „Translationale Chirurgische Onkologie" gemeinsam mit ihrem Team arbeitet, berechnet die genaue Lage des Tumors und führt den Chirurgen durch den Eingriff. Greift der Operateur beispielsweise zu einem scharfen Instrument, erkennt das System seine Absicht, weiter zum Tumor vorzudringen. Dann zeigt es die optimale Schnittführung an oder Gefäße, die nicht verletzt werden dürfen. Hierzu blendet es zusätzliche Informationen in die Videobilder ein. Bei offenen Operationen, bei denen der Chirurg die reale OP-Situation vor Augen hat, lassen sich vergleichbare Informationen über eine Datenbrille in das Gesichtsfeld einblenden. Diese Überlagerung der Wirklichkeit durch zusätzliche Informationen wird als Augmented Reality (AR) oder erweiterte Realität bezeichnet.

Orientierung in beweglichen Strukturen

© Uniklinikum Dresden/Holger Ostermeyer

In der Neurochirurgie und Orthopädie, wo an weitgehend stabilen Strukturen operiert wird, sind vergleichbare Systeme bereits im Einsatz. Neu und besonders schwierig ist es, solche Navigationssysteme für Weichgewebe, wie sie etwa im Bauchraum vorliegen, zu entwickeln. „Während einer Operation können die Organe ihre Oberfläche durch Atmung, Herzschlag oder die Berührung mit Instrumenten verändern. Diese Abweichungen müssen wir – vergleichbar mit einer veränderten Position beim Autofahren – in Echtzeit analysieren und abbilden. Denn was nützt uns, um beim Vergleich mit dem Auto zu bleiben, ein System, das lediglich rückmeldet: ‚Vor 300 Metern hätten Sie rechts abbiegen müssen'", erklärt Speidel.


Um das zu erreichen, kombiniert die Informatikerin Bilddaten, die vor und während der Operation gewonnen wurden, mit biomechanischen Modellen. Daraus entwickelt sie Programme, die aus diesen Informationen Oberflächenveränderungen unmittelbar berechnen können. „Wir arbeiten auch daran, vor kritischen Situationen zu warnen und Handlungsempfehlungen zu geben. Unser Ziel ist es, dem OP-Team beispielsweise frühzeitig mitzuteilen, dass weitere Blutkonserven benötigt werden." Künftig will die Wissenschaftlerin dem System auch die Fähigkeit verleihen, mittels maschineller Lernverfahren kontinuierlich von den besten Chirurgen zu lernen. Dies könnte deren Expertise für alle Operateure im Klinikalltag verfügbar machen.


Voraussetzung für die Entwicklung solcher Assistenzsysteme ist ein vernetzter Operationssaal, wie er aktuell im Dresdner NCT-Neubau entsteht. „In diesem OP der Zukunft erfassen Sensoren und Geräte kontinuierlich den Behandlungsverlauf. Zudem sind eine Vielzahl von Informationsquellen verknüpft – zum Beispiel Planungsdaten, während der Operation erzeugte Bilder oder Informationen über den Patienten und aktuelle Vorgänge im OP", erklärt Speidel.

3D-Brille zur Operationsplanung

© NCT/TCO

Neben der erweiterten Realität beschäftigt sich die Informatikerin auch mit dem Bereich der Virtuellen Realität (VR). Hier erzeugen Computer eine dreidimensionale Umgebung, mit der der Nutzer interagieren kann. So entwickelt Speidel eine spezielle Software für Datenbrillen, mit deren Hilfe der Chirurg die Operation vorab simulieren kann.

Stefanie Speidel arbeitet eng mit anderen Wissenschaftlern des Deutschen Krebsforschungszentrums in Heidelberg und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf sowie mit Ärzten der Universitätskliniken Dresden und Heidelberg zusammen. Insbesondere mit der Gruppe von Lena Maier-Hein im DKFZ besteht eine enge Kooperation, beispielsweise bei der Entwicklung von kontextbezogenen Assistenzsystemen. Die Forschungsergebnisse könnten schon in absehbarer Zeit Patienten zugutekommen – die Datenbrille zur Operationsplanung wird bereits in Pilotstudien getestet. Im Dresdner Zukunfts-OP sollen bald Studien zum Navigationssystem erfolgen. „Dass diese Technik in etwa zehn Jahren für bestimmte Eingriffe in der klinischen Praxis angekommen ist, halte ich für durchaus realistisch", betont Speidel.


// Anna Kraft

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