Virtuelle Techniken in Medizin und Medizintechnik

Verfahren und Gerätetechnik in der Medizin entwickeln sich von Jahr zu Jahr rasant weiter, deren Anwender müssen am Ball bleiben. Szenarien-Simulation im Training kann helfen, dass das Klinikpersonal Schritt hält. Diese Simulation muss jedoch einen hohen Grad an Realismus aufweisen, auch seltene Pathologien abdecken und leicht zugänglich sein. Die Leistung des Trainees sollte objektiv bewertet werden können und damit ein Assessment beispielsweise des Medizin-Studenten ermöglichen. Szenarien-Simulation wird weiterhin nicht nur in der Ausbildung medizinischen Personals gefordert, sondern auch in der Behandlung psychischer Erkrankungen, beispielsweise von Phobien wie Höhenangst. Die Verfügbarkeit von 3D-Daten in medizinischen Anwendungen steigt, doch trotz etlicher Fortschritte in der maschinellen Bildverarbeitung bleibt die Bildinterpretation eine Schlüsselfunktion des Menschen. Komplexe Operationen sind detailliert zu planen, sowohl unter medizinischen wie auch wirtschaftlichen Gesichtspunkten. Aber nicht nur in der OP-Planung gilt es, eine Vielzahl von Wissensdomänen zu beherrschen, auch und insbesondere in der Teamkoordination ist dies ein Schlüsselfaktor. Der Transfer von Wissen, auch über Gruppen- und Abteilungsgrenzen hinweg, ist essenziell: wird kooperativ gearbeitet, so müssen die spezifischen Problemstellungen der anderen Beteiligten weithin bekannt sein. Insbesondere die Techniken der minimalinvasiven Chirurgie mit indirekter Arbeitstechnik und eingeschränkter Sicht erfordern multimodales Training. Notwendig ist also nicht nur die Simulation der visuellen, sondern auch der haptischen Modalität. Die haptische Stimulation kann ferner Bestandteil in der orthopädischen Rehabilitation sein. Es ist zu beobachten, dass bis dato schwerpunktmäßig in den fertigenden Industrien eingesetzte Optimierungs- und Vermarktungswerkzeuge, getrieben durch Kostendruck, beginnen, im Krankenhaus Einzug zu halten.
In der Medizin finden virtuelle Techniken zahlreiche Anwendungen: VR-gestützte Diagnostik, Analyse realer und simulierter medizinischer 3D-Daten, präoperative Eingriffsplanung, intraoperative Unterstützung, Telemedizin, Rehabilitation, digitale Atlanten des menschlichen Körpers, Training, Workflow-Planung sowie die Illustration von Medizintechnik-Produkten.

VR-gestützte Diagnostik
VR ist eine gute Benutzerschnittstelle zu 3D-Daten: Stereoskopie und Headtracking unterstützen die räumliche Wahrnehmung, Eingabesysteme mit sechs Freiheitsgraden erleichtern die Navigation und die Objektbearbeitung. Damit lassen sich die Daten volumengebender Verfahren wie Computertomographie, Magnetresonanztomographie oder 3D-Ultraschall besser als an Standard-Desktop-Systemen analysieren. Zahlreiche Interaktionstechniken wurden in den letzen Jahren entwickelt, um diese Arbeit zu erleichtern. Dazu zählen Fehlfarbendarstellung, virtuelle Proben, Schnitte, Zeitraffer beziehungsweise Zeitlupe, das Überhöhen, subtraktive Darstellung, die selektive Darstellung nach Werten und die graphische Überlagerung.

Analyse realer und simulierter 3D-Daten
Mittels 3D-Daten lassen sich Simulationsmethoden umsetzen, um beispielsweise die Strömung/Fluidik im Naseninnenraum oder Aneurismen (Erweiterungen) zu untersuchen (Bild 1). Hier gilt es, Flussgeschwindigkeiten, Verwirbelungen, umströmte und unumströmte Bereiche zu identifizieren. Auch Kinematiken und Mehrkörpersysteme lassen sich simulieren, um etwa Bewegungen, Bewegungsgrenzen, Geschwindigkeiten, Passgenauigkeiten, Kräfte, Drehmomente und bewegungsinduzierte Spannungen am digitalen Modell zu untersuchen.
Einsatzfelder sind hier etwa die Analyse der Kräfte auf ein Hüftgelenk, die Untersuchung von Bewegungspathologien zur Validierung von Implantationen im Kiefer oder die Betrachtung von Kräften auf Skelett, Muskeln und Sehnen für die Entwicklung von Medizin- und Sportgeräten. Festigkeits- und Spannungsberechnungen mittels Methoden der Finite-Elemente-Analyse (FEA) sind besonders interessant geworden bei der virtuellen Überprüfung von Implantaten an ihrem Einsatzort. Sowohl die geometrische Form als auch Belastungen und Spannungen lassen sich am digitalen Modell vorab klären. Beispiele sind hier die Spannungsberechnung des Oberschenkelknochens mit Implantat oder die Anpassung von Verschraubungen an die individuelle Wirbelgeometrie. Auch zur Interpretation von Wundliegegeschwüren gibt es Simulationen, die deutlich die hohen Spannungswerte des Gewebes direkt am Knochen zeigen.

Präoperative Eingriffsplanung
3D-Techniken können die Planung von Eingriffen in Chirurgie oder Bestrahlung unterstützen. Betrachtungspunkte sind Abläufe, Wege, das virtuelles Wiederausrichten von Knochenteilen nach einem Bruch oder das Volumen und die Intensität von Bestrahlungen. Auch hier spielt erneut die Verfügbarkeit von 3D-Daten eine wichtige Rolle sowie die Möglichkeiten der VR-Interaktion mit diesen Daten. 

Intraoperative Unterstützung
3D-Daten während einer OP zur Verfügung zu stellen, ist Zweck der intraoperativen 3D-Unterstützung. Aktuelle Techniken arbeiten mit graphischen Überlagerungen. Diese werden als erweitertes chirurgisches Blickfeld auf einem Bildschirm im OP gezeigt. Prototypisch realisiert sind ebenfalls bereits so genannte Augmented-Reality-Installationen, bei denen diese graphische Überlagerung am Patienten geschieht, entweder durch Aufprojektion oder mittels eines teiltransparenten Displays zwischen dem Operateur und dem Patienten. Die größte Herausforderung hier ist die Registrierung in Echtzeit. Diese muss gewährleistet sein, um die Computergraphik wirklich mit der richtigen Stelle am Patienten zu überlagern. 

Tele-Medizin
Für die Tele-Medizin ist die virtuelle Präsenz des Chirurgen, also dessen Gefühl, sich an einem anderen Ort zu befinden, eine entscheidende Zielgröße. Dieser Umstand legt den Einsatz von VR nahe. VR lässt sich mittels der Übertragung von Video und haptischer Rückkopplung bewerkstelligen. Die Roboterarme, die dabei den Eingriff vor Ort ausführen, verfügen dazu über Kraft-Momenten-Sensoren, deren Messwerte die haptisch-virtuelle Umgebung ansteuern, in der sich der Operateur befindet. Als ein Paradebeispiel für eine Long-Distance-Anwendung gilt eine im Jahr 2001 durchgeführte Gallenblasenentfernung. Eine Patientin in Straßburg wurde von Roboterarmen operiert, die ein Chirurg in New York bedient hat. 

Rehabilitation
Virtuelle Umgebungen finden auch Verwendung in der orthopädischen Rehabilitation – der Motorik – oder in der psychologischen Therapie. Exoskelette – also externe Einrichtungen, die Stütz- und Bewegungsfunktionen des (internen) Endoskeletts übernehmen – unterstützen gewollte Bewegungen, schränken ungewollte Bewegungen ein, geben Übungsabläufe vor und ermöglichen eine objektive Erfolgsmessung.
Psychiatrische und psychosomatische Erkrankungen lassen sich über VR-Szenarien behandeln. In diesem Zusammenhang werden beispielsweise CAVE-Systeme (Projektionsräume) eingesetzt, um Agoraphobie (Platzangst), Arachnophobie (Angst vor Spinnen), Klaustrophobie (Ängste vor engen Räumen), Akrophobie (Ängste vor großen Höhen) oder Aviophobie (Flugangst) zu therapieren. Auch Süchte, posttraumatische Belastungsstörungen (PTSD) und die Schmerzkontrolle für Verbrennungspatienten sind Thema von VR-Anwendungen. 

Training und Wissensmanagement
In VR lassen sich prinzipiell vier Wissensarten speichern. Dieses sind das Positionswissen (was ist wo?), das Strukturwissen (Wie hängt was zusammen?), das Verhaltenswissen (Wie verhält sich das System, wie verhalte ich mich?) und das Prozedurwissen (Welche Abläufe bewirken was?). Die vier Lernmöglichkeiten in virtuellen Umgebungen sind das räumliche Explorieren, das konzeptuelle Lernen, das Erlernen motorischer Fähigkeiten sowie das prozedurale Lernen.
Digitale Atlanten des menschlichen Körpers vermitteln so Positions- und Strukturwissen zur Anatomie, Physiologie und Biomechanik. Wie in der Analyse von realen und simulierten medizinischen 3D-Daten werden hier unterschiedliche Interaktionstechniken eingesetzt wie Schnitte, Transparenz-Schaltungen und Animationen.
In technisch umfangreichen Trainingsumgebungen lassen sich Diagnose, Eingriff und Abläufe trainieren. Sie decken die Lernstufen Vorführen, Begleiten und Prüfen ab. Trainingsszenarien existieren für zahlreiche Bereiche in der Diagnose, unter anderem für die Rhinoskopie (Untersuchung des Naseninneren), die Ophtalmoskopie (Augenspiegelung), die Arthroskopie (Gelenkspiegelung) und die Hysteroskopie (Untersuchung der Gebärmutter). Auch Eingriffe lassen sich in Trainingsszenarien einüben, beispielsweise für die Augenchirurgie oder eine Darmspiegelung. Kommerzielle Simulatoren mit generellen Trainingsszenarien für die Benutzung von Endoskopen und Laparoskopen sind am Markt verfügbar.
VR-Systeme mit Kraftrückkopplung erlauben in allen genannten Einsatzgebieten gezieltes Training auch manueller Fertigkeiten. Beim Erlernen von Abläufen und Prozessen hingegen stehen Prozeduren und Reihenfolgen im Vordergrund. In Noteinsatz-Simulatoren überprüfen Rettungskräfte und Personal aus der Notaufnahme auch unter zeitlichem Druck, ob richtige Schritte eingeleitet werden, Aufgaben richtig verteilt sind und ob alle Hilfsmittel und Geräte vorschriftsmäßig gelagert und eingesetzt werden. Dieses hilft, in echten, zeitkritischen Notsituationen schnell die Übersicht zu gewinnen, das Team korrekt zu organisieren und das Personal richtig zu koordinieren. 

Workflow- und Anordnungsplanung
Nicht nur in Fabriken ist es wichtig, die Prinzipien der Layout-Optimierung anzuwenden, auch in Krankenhäusern ist die Zielstellung, die Anordnung von Geräten und Material nach Erreichbarkeit, Minimierung der Wege, Übersicht und Flussprinzip zu ordnen. Auch die hohe Auslastung von Gerätetechnik und geringe Wartezeiten für Patienten sind Zielgrößen. Diesem Zweck dienen beispielsweise Materialfluss-Simulatoren, oder Planungstische CAVE-Systeme (CAVE – Computer Aided Virtual Enviroment).
Letztere erlauben eine kombinierte Sicht auf das 2D-Layout und die 3D-Perspektive, kooperativ bearbeitbar durch eine Arbeitsgruppe. Darüber bietet sich die Gelegenheit, auch teils erhebliches Erfahrungswissen von Personal der Mitarbeiterebene mit in den Planungsprozess zu integrieren. 

Illustration in der Kommunikation
Auch in der Medizintechnik verkaufen sich neue Produkte nicht von alleine über technische Details: Qualität und Leistungsfähigkeit, Sorgfalt bei der Entwicklung – all das wird ab der ersten Inaugenscheinnahme auch über das Design des Produkts vermittelt. Moderne Technologien der Computergraphik erlauben dafür photorealistische Darstellungen in Bild und Video auf der Basis von 3D-Daten aus der Konstruktion (Bild 2). Gemeinsames Verständnis mit dem Kunden wird entwickelt, die Produktvarianz dargestellt.
Damit ergeben sich verlässliche und korrekte Angebote selbst für sehr komplexe Produkte. Gleichzeitig werden Vertriebs- und Angebotsprozesse durchgängiger.

Fazit
Virtuelle Techniken finden sehr breite Einsatzfelder in der Medizin. Ebenso breit sind die Angebote von Herstellern und Dienstleistern. Auch die Forschung treibt die Entwicklung kontinuierlich voran. Große Herausforderungen, etwa die Registrierung und Generierung von 3D-Patientendaten in Echtzeit, sind noch zu meistern. Sind wir hier einen Schritt weiter, wird es einen neuen Schub innovativer Anwendungen geben.

Autoren:
Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Christoph Runde
Prof. Urs Künzler