ArchivDÄ-TitelSupplement: PRAXiSPraxis Computer 6/1999Virtuelle Realität für die medizinische Ausbildung: Operieren im Cyberspace

Supplement: Praxis Computer

Virtuelle Realität für die medizinische Ausbildung: Operieren im Cyberspace

Dtsch Arztebl 1999; 96(45): [52]

Hennen, Marc

Als E-Mail versenden...
Auf facebook teilen...
Twittern...
Drucken...
LNSLNS Computergestütztes Lernen wird für die Ausbildung immer wichtiger. Als Computer Assisted Training Systems (CATS) werden Simulatoren jetzt auch in der Medizin eingesetzt. Ein Beispiel hierfür ist das System EyeSi im Bereich Ophthalmochirurgie.
Dass Computer immer häufiger zur Wissensvermittlung eingesetzt werden, zeigt die aktuelle Flut an Software: Lexika auf CD-Rom, Lernprogramme, Suchmaschinen, Anatomieatlanten, intelligente Datenbanken und andere. Bei fast allen dieser "interaktiven" Programme werden vom Rechner jedoch nur vorgegebene Entscheidungen abgefragt. Der Benutzer arbeitet mit Tastatur und Maus, und je nach der Eingabe gibt die Maschine die gewünschte Information aus oder beurteilt die Richtigkeit der Eingabe. Operationsinstrumente statt Tastatur Bei der computergestützten Simulation einer Operation sind die Verhältnisse wesentlich komplexer. Die Möglichkeiten der Interaktion des Arztes sind vielfältig und nicht im Voraus zu berechnen. Wie, mit welchem Druck und an welcher Stelle ein Skalpell angesetzt wird, ist ein individueller Vorgang und löst eine Reaktion des Körpergewebes aus, die aufgrund der Komplexität nicht vorausberechnet werden kann, sondern in Echtzeit - online - simuliert werden muss. Der Arzt darf dabei nicht merken, dass er "nur" an einem Computer sitzt. So sind Tastatur und Maus durch einen mechanischen Phantompatienten und Operationsinstrumente zu ersetzen. Der Monitor wird durch eine 3-D-Brille ersetzt, die zwei kleine, getrennt ansteuerbare LCD-Bildschirme hat und so ein Stereo-Mikroskop nachbilden kann. Darin wird die virtuelle Operationsszene, das heißt der virtuelle Patient und die virtuellen Instrumente, möglichst realitätsnah und damit grafisch sehr aufwendig vom Computer in 3-D dargestellt. Neu entwickelte Algorithmen, die die biomechanische Reaktion des Gewebes beschreiben, erlauben die Darstellung einer Operationssimulation in Echtzeit.
Ein Operationssimulator wird eingesetzt, um ein risikoloses Training von schwierigen chirurgischen Eingriffen zu ermöglichen. Handgriffe und Arbeitsabläufe können an einem Phantompatienten trainiert werden, der naturgetreu reagiert und dessen Verhalten reproduziert werden kann. Durch Aufzeichnung der Bewegungsabläufe lässt sich der Eingriff rekonstruieren, statistisch auswerten und objektiv vergleichen. Der Einbau von Lernprogrammen mit verschiedenen Übungsparcours, die dem Benutzer Aufgaben mit unterschiedlichem Schwierigkeitsgrad stellen, erschließt bisher nicht realisierbare Ausbildungsmöglichkeiten. Und dies alles ohne Patientenrisiko: Weder Phantompatient noch virtueller Patient im Computer nehmen einen Fehler übel.
Virtuelle Augenoperation
Bei einer Pars plana Vitrektomie wird der Glaskörper entfernt. Dazu werden zwei schmale Instrumente in das Auge eingeführt (Abbildung 1). Mit dem einen Instrument, dem "Vitrektor", wird der Glaskörper durch eine Öffnung an der Spitze eingesaugt, mit einem winzigen, oszillierenden Messer abgetrennt und durch den Griff ausgespült. Das andere Instrument ist eine Lampe. Sie wird verwendet, um Lichtreflexe auf dem normalerweise transparenten Glaskörper zu erzeugen und ihn so sichtbar zu machen. Außerdem kann der starke, durch die Lampe erzeugte Schlagschatten des Vitrektors auf dem Augenhintergrund für die Navigation im Auge genutzt werden. Je geringer der Abstand des Vitrektors von seinem Schatten ist, desto näher ist das Instrument an der Netzhaut. Die Operation wird unter einem Stereomikroskop durchgeführt.
Eines der Hauptprobleme ist dabei die Koordination von stark vergrößerter Sicht durch das Mikroskop und freihändiger Bewegung der nur Millimeter dicken Instrumente im relativ kleinen Auginnern. Eine Berührung der Netzhaut führt zu Sehverlust. Die Ausbildung muss aus anatomischen oder physiologischen Gründen teilweise am Patienten erfolgen.
Um die Ausbildungszeit von Augenärzten zu verringern und um ein für Patienten risikofreies Training zu ermöglichen, ist am Lehrstuhl für Informatik V der Universität Mannheim ein Simulator für intraokulare Operationen entwickelt worden. Das System wurde in Mannheim in Zusammenarbeit mit der Fachhochschule, dem Klinikum und der Firma EM-Gerätebau entwickelt. Es besteht aus einem mechanischen Auge, Originalinstrumenten, CCD-Kameras, einem PC (Pentium III mit Grafikbeschleuniger-Karte), einer 3-DMonitorbrille und dem Herzstück, der Software. Um ein menschliches Auge nachzubilden, ist das Phantomauge beweglich gelagert (Abbildung 2). Die Augenmuskeln sind durch Federn ersetzt, so dass sich das Auge selbstständig wieder in die Ruheposition zurück bewegt. In dieses Auge können die originalen Operationsinstrumente eingeführt werden. An den Instrumenten und am Auge sitzen kleine Marker, die mitbewegt werden. Die CCD-Kameras nehmen ständig die Marker auf und geben deren Bildpositionen an einen PC weiter. Dieser errechnet durch stereoskopische Rückprojektion die absoluten Positionen der Marker im Raum. Mit diesen berechneten Koordinaten des Phantomauges und der Instrumente wird eine virtuelle Operationsszene erzeugt, die der Proband am Simulator durch eine 3-D-Brille sieht, analog dem Stereomikroskop in der Realität (Abbildung 3). Im Auge: Die Software
Um eine möglichst realitätsnahe Simulation einer Augenoperation zu erhalten, wird im System EyeSi aufwendige 3-D-Grafik eingesetzt. Das virtuelle Auge ist nach anatomischen Daten des menschlischen Auges entworfen und mit Fotografien von Netzhaut und Iris versehen. Mit einem Zoom kann die Stärke der Vergrößerung eingestellt werden. Die virtuellen Instrumente, Vitrektor und Spotlichtquelle, werden entsprechend der ermittelten Raumpositionen von Phantomauge und Operationsinstrumenten
im Auge dargestellt. Berührt ein virtuelles Instrument die Netzhaut, wird dies erkannt und dem Arzt optisch angezeigt. So kann die Navigation der Instrumente im Auge bei Stereo-Sicht durch die 3-D-Brille trainiert werden. Auch bei der Simulation hilft wie in der Realität der Schlagschatten des Vitrektors auf der Netzhaut zur Orientierung im Auge. In einem weiteren Schritt kann eine im hinteren Augenraum aufgespannte Membran eingeblendet werden. Der Vitrektor kann die Membran an einer Stelle berühren und einsaugen (Abbildung 4). Ein Schneidemodus erlaubt das stückweise Entfernen der Membran. Die biomechanischen Berechnungen zur Simulation beruhen auf Algorithmen, die zum Teil neu an der Universität Mannheim in Zusammenarbeit mit dem Mitsubishi Electric Research Lab in Cambridge, USA, entwickelt worden sind. Abbildung 5 zeigt einen Vergleich zwischen Videoaufnahmen einer realen Operation und Screenshots der Simulation. Mit Bildwiederholungsraten von 16 bis 25 Hertz im Stereo-Modus wird ein sehr realistischer Eindruck der Operation vermittelt. Die Entfernung der Membran, möglichst ohne die Netzhaut zu berühren, kann beginnen.
Blick in die Zukunft
Mit der Weiterentwicklung des Prototypen wird eine umfangreiche Trainingsstation für Augenärzte entstehen. Ein Training mit verschiedenen Operationsinstrumenten im Übungsparcours wird ebenso möglich sein wie das Üben eines schwierigen Eingriffs mit patientenspezifischen Daten. Die Aufzeichnung der virtuellen Operationen erlaubt eine statistische Auswertung und eine objektive Beurteilung auch für die chirurgische Ausbildung ohne Patientenrisiko. Die geplante Teststellung des Systems im Klinikum Heidelberg/Mannheim ab Januar 2000 wird die Bewährungsprobe für den Simulator sein. Dann können neue virtuelle, bereits entworfene Instrumente getestet werden. Dies eröffnet auch Perspektiven für eine rasche Entwicklung neuer Operationsinstrumente. Bevor ein Prototyp gebaut wird, kann das Instrument erst einmal virtuell im Simulator ausgetestet werden. Auch die Simulation anderer Operationen wird in naher Zukunft möglich sein. Simulationen werden mit der entstehenden Software-Bibliothek nach dem Baukastenprinzip zusammensetzbar sein. Marc Hennen


Informationen: Marc Hennen, Lehrstuhl für Informatik V, Universität Mannheim, B6, 26, 68131 Mannheim, hennen@vrmed.de, www-li5.ti.uni-mannheim.de/vipa/eyesi/project/index.html


Abbildung 1 (oben): Skizze einer Glaskörperentfernung
Abbildung 2: Phantomauge aus Metall


Abbildung 3: Vergleich OP - Simulator


Abbildung 4 (rechts): Membran wird vom Vitrektor eingesaugt.
Abbildung 5 (unten): Videoaufnahmen der Operation (links), Screenshots der Simulation (rechts)

Anzeige

Leserkommentare

E-Mail
Passwort

Registrieren

Um Artikel, Nachrichten oder Blogs kommentieren zu können, müssen Sie registriert sein. Sind sie bereits für den Newsletter oder den Stellenmarkt registriert, können Sie sich hier direkt anmelden.

Fachgebiet

Zum Artikel

Anzeige

Alle Leserbriefe zum Thema