Chirurgen müssen auf den Millimeter genau arbeiten können. Und das bedeutet: Sie müssen auf den Millimeter genau wissen, wo sie einen Schnitt ansetzen sollen. Bislang orientieren sie sich dafür an vorher angefertigten Bildern, die auf einen Bildschirm gestreamt werden. Am Fraunhofer IGD haben Forscher eine AR-Brille entwickelt, mit der Chirurgen die Position eines Tumors und seiner Umgebung virtuell exakt dort sehen, wo sie ihn real entfernen sollen.

Wer eine Operation durchführt, der weiß was er tut. Jeder Patient und jedes Krankenhaus kann das von ihm oder ihr erwarten. Aber um medizinisch richtig zu handeln, muss ein Chirurg die Situation genau kennen. Er muss wissen und sehen, wo er welchen Schnitt setzen muss. Genutzt werden dafür unter anderem Bildinformationen, die bei Diagnose oder im Zuge der Planung eines Eingriffs erzeugt werden. Typischerweise liegen diese in Form von Abbildungen mit einer 3D-Schnittumgebung vor. Um diese Bilder während der Operation aber auch nutzen zu können, müssen Darstellung und reales Bild zueinander in Beziehung gesetzt werden. »Gewöhnlich orientiert sich der Chirurg an den Bildinformationen, die auf eine Beistell-Monitor angezeigt werden, wendet sich dann wieder der Operationsstelle zu und führt den nächsten Schritt durch bevor er wieder zurückblickt«, erklärt Dr. Stefan Wesarg vom Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD.

Das aber habe einen deutlichen Nachteil: »Die Ärzte müssen ihren Blick immer wieder zwischen Monitor und Operationsfläche hin und her bewegen, um die notwendigen ‚Navigationsaufgaben‘ zu erfassen. Das erschwert zum einen die exakte Lokalisation, koste mehr Zeit und sei auch vom Gesichtspunkt der Ergonomie nicht optimal.«

Augmented Reality (AR) ersetzt VR Projektionsbrillen im Operationssaal

Eine wesentliche Erleichterung bringt hingegen eine mit Unterstützung des Fraunhofer IGD entwickelte spezielle AR-Brille. »Fraunhofer hat Brille und Softwaresystem gemeinsam mit Lux Prototyping sarl und Dermatologen des Universitätsklinikums Essen konzipiert, um eine Navigationslösung exemplarisch für die Lymphknotenerkennung zu entwickeln«, erläutert Wesarg. Das System könne zum einen die Nachteile einer »Navigation« via Monitor aufheben, weil der wiederholte Blick zum Bildschirm entfalle. Und sei zum anderen eine deutliche Weiterentwicklung im Vergleich zu VR-Brillen, wie sie bei Operationen gelegentlich schon als Ersatz für die Monitore eingesetzt werden. Denn dabei handelt es sich nicht um übliche Brillen, sondern letztlich um eine Halterung, in der zwei kleine Displays direkt vor den Augen platziert werden. Das hohe Gewicht und die vergleichsweise aufwendige Verkabelung stören dabei erheblich. Vor allem aber sieht der Chirurg nach wie vor entweder die Bildinformation oder aber die reale Operationsstelle. Durch den aktuell angedachten Einsatz »echter« Brillen mit einem »See-Through-System« wie beispielsweise von Google Glas mit halb transparenten Gläsern werde dieser nach wie vor gravierenden Nachteil zwar theoretisch aufgehoben. In der Praxis sind diese Brillen aber längst noch nicht erprobt. Zumal eine breite kommerzielle Anwendung und entsprechende Erfahrungen im Moment kaum vorangetrieben werde.

Lymphknotenentfernung: Strahlenvermeidung durch den Einsatz von Fluoreszenzfarbstoff

Die von den Fraunhofer-Forschern und Ärzten nun entwickelte spezielle AR-Brille zur Lymphknotenentfernung hingegen ist bereits jetzt einsetzbar: Zur Vorbereitung wird dem Patienten ein spezieller Infrarotfarbstoff (Indocyaningrün) in die Lymphknoten gespritzt. Dieser Farbstoff wird dann durch eine entsprechende Infrarotbeleuchtung zur Fluoreszenz angeregt. Die Fluoreszenz wiederum wird von Stereokameras erfasst und über die von Fraunhofer IGD entwickelte Software in die AR-Brille eingeblendet. Der Chirurg erkennt dann beim Klick auf seine (reale) Operationsfläche die auf den Millimeter genaue Position der mit dem Tumor verbundenen Lymphknoten, die (virtuell) leuchten. Und das noch bevor er den ersten Schritt angesetzt hat. »Diese Methode bietet nicht nur einen massiven Zuwachs an Präzision und damit Sicherheit, sie ermöglicht auch einen entscheidenden Zeitvorteil. Und: das Tragen der Brille ist bequem und auch bei mehrstündigen Operationen wenig belastend«, betont Wesarg. Hinzu kommt, dass die bislang eingesetzten radioaktiven Marker im Schutzschrank bleiben können und weder Patient noch Personal durch Strahlen belastet werden.

Das Augmented-Reality-System für die Lymphknotenexstirpation wird derzeit im Klinikum Essen intensiv getestet, um das System möglichst bald für eine klinische Studie vorzubereiten und es in den kommenden Jahren als Medizinprodukt zuzulassen und zu vermarkten. Danach könnte das System (in modifizierter Form) auch für andere Operationen genutzt werden. Einen ersten Einblick in die Leistungsfähigkeit des Systems geben die Forscher auf der CEBIT 2018. Hier simulieren sie an einem Kopfphantom eine Lymphknotenoperation, bei der die neue AR-Brille zum Einsatz kommt. (aku)

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