Chirurgie-Ausbildung mit Roboter und Virtueller Realität
Das Einsetzen von Hüftimplantaten stellt hohe Anforderungen an Chirurginnen und Chirurgen - Um diese Eingriffe praxisnah trainieren zu können, entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Bremen und Chemnitz ihren dynamischen Hüftimplantatsimulator weiter
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VR-Fräsen für die Forschung: In einem Vorgänger-Projekt legten die Forscher aus Chemnitz und Bremen die VR-Grundlagen für den OP-Trainer, der jetzt noch erweiter werden soll. Foto: Dynamic HIPS
(Gemeinsame Pressemitteilung der Universität Bremen und der Technischen Universität Chemnitz)
Die weltweit steigende Zahl älterer Menschen führt zu einem Anstieg an Hüftimplantationen und anderen Gelenkersatzoperationen. Dadurch wächst auch der Bedarf an gut ausgebildeten orthopädischen Chirurgen, aber das praxisnahe Training dieser Operationen ist sehr schwierig zu realisieren. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität Chemnitz und der Universität Bremen entwickeln daher im Projekt „Dynamic HIPS“ einen dynamischen Hüftimplantatsimulator. Er soll den Ärztinnen und Ärzten für Übungen zur Verfügung stehen und ein realistisches Gefühl für den Eingriff vermitteln.
Im Fokus stehen dabei drei besonders kritische Operationsschritte: das Abtrennen des Hüftgelenkkopfs, das Ausschaben des Oberschenkelknochens und die Implantation des Kunstgelenks. „Die angehenden Chirurgen erhalten durch das System die Möglichkeit, bereits vor ihrer ersten realen OP ein großes Erfahrungswissen zu sammeln“, erklärt Prof. Gabriel Zachmann vom Technologie-Zentrum Informatik und Informationstechnik (TZI) der Universität Bremen. „Auch erfahrene Chirurgen profitieren von diesem Trainingssimulator, zum Beispiel durch das Trainieren von komplizierten, selten durchgeführten Eingriffen.“
Gleiche Sinneswahrnehmungen wie bei einer realen Operation
Operationen werden zur Schonung des Patienten oft in möglichst kleinen Operationsöffnungen durchgeführt. „Dadurch operiert der Chirurg sehr stark nach Gefühl“, erläutert Mario Lorenz von der Professur für Werkzeugmaschinenkonstruktion und Umformtechnik an der TU Chemnitz. „Bei Operationen wie dem Einsatz einer Hüftprothese sind gleichzeitig auch manuelle Tätigkeiten mit hohen Kräften erforderlich. Für den Erfolg der OP ist es sehr wichtig, diese Tätigkeiten so präzise wie möglich auszuführen. Bis jetzt fehlt es aber an Trainingsgeräten, die den Chirurgen genau die gleichen Sinneswahrnehmungen vermitteln können, die sie auch bei einer realen Operation spüren würden, zum Beispiel den Widerstand des Knochens beim Sägen und Ausschaben.“
Das Projekt Dynamic HIPS hat sich daher mehrere Ziele gesetzt, die es ermöglichen, die benötigten Trainingsgeräte zu entwickeln. Die Forscher wollen die Kräfte, Drehmomente und Geschwindigkeiten bestimmen, die bei den drei zu simulierenden Operationsschritten auftreten. Auf dieser Basis wollen sie einen Roboterarm und bestehende Haptikgeräte – das sind Geräte, die realistische Sinneswahrnehmungen vermitteln können – weiterentwickeln. Ebenfalls wichtig ist die Schaffung eines mathematischen Modells, das die Widerstände und den Materialabtrag am Knochen simuliert. Diese Informationen müssen innerhalb einer Millisekunde an den Roboter übermittelt werden, um den Chirurgen ein realistisches Gefühl zu vermitteln.
Experten können aus anderen Teilen der Welt hinzugeschaltet werden
Ein zweites Bündel an Zielen befasst sich mit der VR-Technologie, die das gemeinsame Training über große Distanzen hinweg ermöglicht („Remote-Training“). Mit Hilfe eines Multi-User-Systems können erfahrene Chirurgen ihre medizinische Expertise an auszubildende Chirurgen weitergeben, ohne selbst vor Ort zu sein. Diese Funktionalität erleichtert nicht nur den Transfer von medizinischer Expertise in Schwellen- und Entwicklungsländer, sondern dient auch dem Erkenntnisaustausch zwischen erfahrenen Chirurgen.
Die Forscher stehen vor der Herausforderung, die zeitlichen Verzögerungen bei der Synchronisation von Szenen trotz großer räumlicher Entfernung zwischen den Nutzern zu minimieren, sodass sich beide Chirurgen in einer identischen Situation befinden. Parallel wollen die Wissenschaftler die Interaktion zwischen den Nutzern in der VR-Umgebung stärken, indem sie Möglichkeiten bereitstellen, ohne Worte zu kommunizieren, beispielsweise durch das Zeigen auf virtuelle 3D-Zeichnungen. Darüber sollen Arbeitsschritte künftig aufgezeichnet und mit Audio-Kommentaren unterlegt werden können, um Trainingsvideos zu erstellen.
Umfangreiche Nutzerstudie soll Akzeptanz sicherstellen
An dem Projekt beteiligen sich neben der Universität Bremen und der Technischen Universität Chemnitz (Professur Werkzeugmaschinen und Umformtechnik sowie Professur Arbeitswissenschaft und Innovationsmanagement) auch die Unternehmen FAKT Software GmbH, Haption GmbH, CAT Production GmbH und YOUSE GmbH. Ein Teil des Konsortiums hatte im Vorläuferprojekt HIPS („HüftImplantatPfannenfräsSimulator“) bereits einen Trainingssimulator zum Ausfräsen der Hüftgelenkpfanne entwickelt.
Von medizinischer Seite wird die Entwicklung von der Klinik für Orthopädie, Unfallchirurgie und Plastische Chirurgie des Universitätsklinikums Leipzig, dem Zentrum zur Erforschung der Stütz- und Bewegungsorgane (ZESBO), dem Institut für makroskopische klinische Anatomie der Medizinischen Universität Graz (Österreich) sowie der Medizintechnik-Abteilung des Fraunhofer Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) begleitet.
Das gesamte Entwicklungsvorgehen in Dynamic HIPS erfolgt nutzerzentriert. Orthopädische Chirurgen werden bei der Ausarbeitung der detaillierten Anforderungen sowie zur Gestaltung und Bewertung der Lösungen einbezogen. Die letzte Projektphase umfasst zudem eine umfangreiche Nutzerstudie. Gefördert wird das dreijährige Projekt, das am 1. Mai 2020 offiziell startete, vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit über 2 Millionen Euro.
Ansprechpartner:
Mario Lorenz, TU Chemnitz, Tel. 0371 531-39366, E-Mail mario.lorenz@mb.tu-chemnitz.de
Prof. Dr. Gabriel Zachmann, Universität Bremen, Tel. 0421/218-63991, E-Mail zach@cs.uni-bremen.de
Matthias Fejes
14.05.2020
