Supplement: Praxis Computer

Grid computing: Hochleistungs-Simulationsdienste unterstützen den Arzt

Dtsch Arztebl 2004; 101(36): [17]

Berti, Guntram; Fingberg, Jochen; Hierl, Thomas; Schmidt, Jens Georg

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Das EU-Projekt „Grid Enabled Medical Simulation Services“ (GEMSS) bietet über Grid computing Ärzten die Möglichkeit, auf entfernte medizinische Hochleistungs-Simulationsdienste zuzugreifen und damit Diagnose und Planung medizinischer Eingriffe zu verbessern.
Numerische Simulation ist ein mächtiges Werkzeug, das aus vielen Bereichen nicht mehr wegzudenken ist, wie zum Beispiel im Automobilbau, in der Bauwirtschaft und der Meteorologie. Medizinische Anwendungen hinken hier noch hinterher. Zwar belegen viele Forschungsprojekte ein großes Potenzial, zum Beispiel im Bereich der Planung von Strahlentherapie, Hyperthermie und plastischer Chirurgie (siehe das Beispiel unten), aber der Einsatz in der täglichen Praxis findet nur selten statt, in der Regel an großen Universitätskliniken. Eine mögliche Ausnahme bilden Trainingssysteme, bei denen an (generischen) virtuellen Patienten geübt werden kann.
Die Gründe hierfür sind vielschichtig. Zunächst macht die Komplexität des menschlichen Körpers und seiner Funktionen eine mathematisch-physikalische Modellierung zu einer Herausforderung. Für den jeweiligen Fall sind maßgeschneiderte Lösungen erforderlich, die eine enge interdisziplinäre Kooperation zwischen Ärzten, Naturwissenschaftlern und Simulationsexperten voraussetzen. Aber auch wenn für eine medizinische Aufgabe prinzipiell geeignete Modellierungen und Simulationen zur Verfügung stehen, gibt es erhebliche Hindernisse für eine breite Anwendung.
Einerseits sind für die Bedienung der numerischen Simulationspakete umfangreiche Vorbehandlungen der Eingangsdaten erforderlich, die in der Regel speziell ausgebildete Fachleute mit technischem Hintergrund vornehmen. Andererseits benötigen derartige Simulationen ein geballtes Maß an Rechenkraft und Speicher. Für die Simulation der Distraktions-Osteogenese etwa werden circa zehn bis 30 Gigabyte an Hauptspeicher benötigt – umso mehr, je genauer die Ergebnisse sein sollen. Die erforderliche Soft- und Hardware (typischerweise PC-Cluster oder Hochleistungsrechner) steht nur wenigen Kliniken und wohl kaum einem niedergelassenen Arzt zur Verfügung; eine Anschaffung wird sich für die meisten nicht rechnen.
Simulation aus der Steckdose
Hier kommt die Idee des „Grid computing“ ins Spiel. Der Name leitet sich aus einer Analogie zum Stromnetz (englisch: power grid) her: Rechenleistung soll so direkt verfügbar sein wie Strom aus der Steckdose. Ganz so einfach wird es in der Praxis sicher nicht, jedoch ist der Grundgedanke viel versprechend: Ein Arzt, der einen bestimmten Simulationsdienst benutzen möchte, lädt die benötigten Daten (etwa ein CT des Patienten) auf einen Server, spezifiziert vorher gegebenenfalls noch einige Parameter (im Falle der plastischen Chirurgie sind dies zum Beispiel Schnitte und Verlagerungen) und erhält die Ergebnisse zurück. Die Vorteile: Er muss keine teure Soft- und Hardware anschaffen, benötigt keine technischen Spezialkenntnisse und benutzt automatisch immer die aktuelle Version der Simulationssoftware.
Allerdings sind auf dem Weg dahin viele Probleme zu bewältigen: Sicherheit, Zuverlässigkeit, Abrechnung, Erreichbarkeit, Einfachheit der Bedienung. Genau mit diesen Aspekten beschäftigt sich das europäische Forschungsprojekt GEMSS (Grid Enabled Medical Simulation Services; Internet: www.gemss.de). Die verschiedenen Herausforderungen des Grid computing im medizinischen Bereich werden innerhalb von GEMSS anhand von sechs Modellanwendungen untersucht:
- Plastische Chirurgie des Mittelgesichts mit der Distraktions-Osteo-genese,
- schnelle Registrierung von interoperativen MR-Daten in der Neurochirurgie,
- Optimierung von Strahlentherapien,
- Simulation des Herz-Kreislauf-Systems zum Beispiel zur Optimierung von Stent-Einsätzen,
- Simulation und Optimierung der Aufnahme von Medikamenten über die Atemwege sowie
- verbesserte 3-D-Rekonstruktion von SPECT-Bildern.
Im Kern setzt das Grid-System von GEMSS (Abbildung 1) dabei auf bewährte und allgemein verfügbare Web-Standardprotokolle wie zum Beispiel https, das auch beim Online-Banking eingesetzt wird. Damit ist ein GEMSS-Dienst von jedem Rechner mit Internet-Anschluss aus benutzbar. Zusätzliche Verschlüsselungs- und Authentifizierungs-Module (Public-Key-Infrastruktur und Zertifikate nach X.509) gewährleisten eine lückenlose Sicherheit vom Desktop zum Server und zurück. Weiterhin werden im Rahmen des Projekts die rechtlichen Grundlagen solcher medizinischen Grid-Dienste untersucht.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des GEMSS-Systems. Das System kann von jedem PC mit Internet-Anschluss genutzt werden. Eine Grid-Infrastruktur (middleware) sorgt für den sicheren Transport der Daten zu den jeweiligen Diensten, die auf Hochleistungsrechner zurückgreifen können.
Abbildung 1: Schematische Darstellung des GEMSS-Systems. Das System kann von jedem PC mit Internet-Anschluss genutzt werden. Eine Grid-Infrastruktur (middleware) sorgt für den sicheren Transport der Daten zu den jeweiligen Diensten, die auf Hochleistungsrechner zurückgreifen können.
Beispiel virtuelle Distraktions-Osteogenese
Lippen-Kiefer-Gaumen-Spalten sind die zweithäufigste angeborene Fehlbildung. Bei etwa 20 bis 30 Prozent der Patienten besteht ein Missverhältnis im Wachstum von Ober- und Unterkiefer, sodass das Mittelgesicht mit dem Oberkiefer zurückbleibt (Abbildung 2, oben links). Eine relativ neue Möglichkeit der operativen Korrektur bei großen Verformungen ist die Distraktions-Osteogenese. Hierbei werden die entsprechenden Abschnitte des Mittelgesichts durch Knochenschnitte gelöst und schrittweise mit einem externen Distraktor (Abbildung 2, oben rechts) circa 1 mm pro Tag verlagert, bis die Korrektur abgeschlossen ist. Durch die langsame Bewegung können sich die Weichgewebe anpassen. Zusätzlich bildet sich zwischen den auseinander weichenden Knochenkanten neuer Knochen, sodass auch bei großen Verlagerungen kein Knochen in den sonst entstehenden Spalt verpflanzt werden muss.
Die Planung solcher Operationen erfordert – vor allem in komplexen Fällen – erhebliche Erfahrung und geometrisches Vorstellungsvermögen vonseiten des Arztes, um das Ergebnis beziehungsweise die notwendige (Über-) Korrektur richtig vorherzusagen. Außerdem verursachen Kraftspitzen bei der Distraktion dem Patienten unnötige Schmerzen.
Durch numerische Simulation lässt sich die operative Planung entscheidend verbessern. Es ist möglich, aus einem CT-Datensatz des Patienten ein dreidimensionales geometrisches Modell zu erzeugen, das in Verbindung mit definierten Schnitten und Knochenverlagerungen eine Vorhersage der Gesamtverlagerung, also auch des Weichgewebes, sowie der auftretenden Kräfte erlaubt. Damit kann dann ein optimierter Operationsplan erstellt werden.
Die Simulation erfordert eine Reihe von Einzelschritten, die sich weitgehend automatisieren lassen. Zunächst werden in dem CT-Datensatz Knochen und Weichgewebe identifiziert (segmentiert). Aus diesen Daten wird dann ein Oberflächenmodell des Knochens erstellt. Dann ist der Chirurg am Zuge: Er benutzt ein grafisches (und möglicherweise sogar haptisches) Interface, um virtuelle Knochenschnitte und Verlagerungen anzugeben (Abbildung 3). Mit diesen Informationen wird – wieder automatisiert – ein Volumenmodell des Kopfes erstellt, das zusammen mit den gewünschten Verlagerungen den Input für eine Finite-Elemente-Simulation darstellt. Das Ergebnis dieser Simulation sind dann die resultierende Verlagerung des Weichgewebes und die auftretenden Kräfte.
Abbildung 3: Beim virtuellen Knochenschneiden lassen sich Schnittführungen direkt auf den Knochen malen. Verschiebungen sind in dieser Prototyp-Version durch Pfeile kenntlich gemacht. Zugrunde liegt das frei erhältliche Programmpaket OpenDX, das um einige Module ergänzt wurde und einfach an individuelle Vorlieben angepasst werden kann.
Abbildung 3: Beim virtuellen Knochenschneiden lassen sich Schnittführungen direkt auf den Knochen malen. Verschiebungen sind in dieser Prototyp-Version durch Pfeile kenntlich gemacht. Zugrunde liegt das frei erhältliche Programmpaket OpenDX, das um einige Module ergänzt wurde und einfach an individuelle Vorlieben angepasst werden kann.
Mit diesem System kann der Arzt unterschiedliche Behandlungspläne durchspielen. Bei der Simulation kann er zwischen verschiedenen Genauigkeiten wählen, etwa einer einfachen Rechnung, die in wenigen Minuten die Weichgewebeverlagerung angenähert liefert, bis zu einer nichtlinearen Simulation, die genauere Verlagerungen, den zeitlichen Verlauf und die auftretenden Kräfte ausgibt, aber entsprechend länger dauert.
Das System zur virtuellen Osteogenese ist zurzeit in der Entwicklung; ein erster klinischer Test wird in Kürze beginnen. Es ist geplant, die Gewebearten weiter zu differenzieren, beispielsweise Haut, Fett und Muskelgewebe zu unterscheiden.
Fazit
Der Grid-Ansatz, wie er im GEMSS-System realisiert wird, bietet gegenüber herkömmlichen rein lokal arbeitenden medizinischen Softwarepaketen entscheidende Vorteile: Der einfache Zugriff auf rechenintensive Simulations- und Bildverarbeitungswerkzeuge auf dem neuesten Stand der Technik in Verbindung mit gegebenenfalls anforderbarer Online-Unterstützung durch Experten (Grid Consulting) ermöglicht es Ärzten, von teilweise drastisch verbesserten und vereinfachten Diagnose- und Planungsmethoden zu profitieren, ohne zuvor erhebliche Investitionen tätigen zu müssen.
Der Bereich der möglichen Anwendungen ist noch kaum zu überblicken. Er reicht von einfachen Volumen-Visualisierungen, beispielsweise von CT-Daten (Abbildung 2, unten), über die automatisierte Suche und Vergleiche in Bilddatenbanken bis hin zu komplexen Simulationen. Die entstandenen Behandlungspläne könnten auch zur Aufklärung der Patienten genutzt werden. Weitere Möglichkeiten des Grids liegen in der Schulung und Beratung am virtuellen Modell und in der Telemedizin.
Bevor diese Szenarios Wirklichkeit werden, sind noch einige Hürden zu nehmen. Pilotstudien müssen bei jeder Anwendung die klinische Relevanz und Eignung belegen. Bis Grid computing ein fester Bestandteil der ärztlichen Praxis ist, wird es daher noch einige Jahre dauern. Das bis Februar 2005 laufende GEMSS-Projekt ist ein Meilenstein auf diesem Weg.
Guntram Berti, Jochen Fingberg,
Thomas Hierl, Jens Georg Schmidt
Anschrift für die Verfasser: Dr. rer. nat. Jochen Fingberg (GEMSS Koordinator), C&C Research Laboratories, NEC Europe Ltd., Rathausallee 10, 53757 St. Augustin, Telefon: 0 22 41/9 25 20, E-Mail: fingberg@ccrl-nece.de
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Abbildung 1: Schematische Darstellung des GEMSS-Systems. Das System kann von jedem PC mit Internet-Anschluss genutzt werden. Eine Grid-Infrastruktur (middleware) sorgt für den sicheren Transport der Daten zu den jeweiligen Diensten, die auf Hochleistungsrechner zurückgreifen können.
Abbildung 1
Abbildung 1: Schematische Darstellung des GEMSS-Systems. Das System kann von jedem PC mit Internet-Anschluss genutzt werden. Eine Grid-Infrastruktur (middleware) sorgt für den sicheren Transport der Daten zu den jeweiligen Diensten, die auf Hochleistungsrechner zurückgreifen können.
Abbildung 3: Beim virtuellen Knochenschneiden lassen sich Schnittführungen direkt auf den Knochen malen. Verschiebungen sind in dieser Prototyp-Version durch Pfeile kenntlich gemacht. Zugrunde liegt das frei erhältliche Programmpaket OpenDX, das um einige Module ergänzt wurde und einfach an individuelle Vorlieben angepasst werden kann.
Abbildung 3
Abbildung 3: Beim virtuellen Knochenschneiden lassen sich Schnittführungen direkt auf den Knochen malen. Verschiebungen sind in dieser Prototyp-Version durch Pfeile kenntlich gemacht. Zugrunde liegt das frei erhältliche Programmpaket OpenDX, das um einige Module ergänzt wurde und einfach an individuelle Vorlieben angepasst werden kann.

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