3D-Technologien für den Operationserfolg in der Medizin

Wissenschaftler:innen und Entwickler:innen des Forschungsverbunds VIVATOP haben 3D-Technologien entwickelt, die eine neuartige, schnelle und präzise OP-Vorbereitung für chirurgische Eingriffe ermöglichen. Die Projektergebnisse helfen auch während einer Operation und in der medizinischen Ausbildung.

Wenn ein Tumor sich zu nahe an wichtigen Blutgefäßen befindet, kann seine chirurgische Entfernung gefährlich oder sogar unmöglich sein. Im Forschungsprojekt VIVATOP haben Wissenschaftler:innen der Universitäten Bremen und Oldenburg mit ihren Verbundpartner:innen jetzt 3D-Technologien entwickelt, die dem Ärzte:innen-Team eine deutlich bessere Einschätzung der Situation vor und während des Eingriffs ermöglichen. Dadurch erwarten sie besonders bei schwierigen Fällen eine bessere Einschätzung der Operationsmöglichkeiten und eine damit einhergehende höhere Erfolgsquote. Am Verbund beteiligten sich auch das Fraunhofer-Institut MEVIS sowie die Wirtschaftspartner SZENARIS, cirp und apoQlar.

Das Ende Juni abgeschlossene Verbundprojekt unter Leitung des Technologie-Zentrums Informatik und Informationstechnik (TZI) der Universität Bremen hatte zum Ziel, innovative und interaktive 3D-Technologien für den klinischen Einsatz zu entwickeln. „Moderne Technologien wie virtuelle Realität, erweiterte Realität und 3D-Druck bieten ein bislang ungenutztes Potenzial, sowohl die OP-Planung und -Durchführung als auch das Training zu verbessern“, betont Professor Rainer Malaka, geschäftsführender Direktor des TZI.

Organe in 3D – zum Anfassen und Angucken

Chirurg:innen haben nun die Möglichkeit, realitätsgetreue 3D-Modelle der betroffenen Organe zu erstellen, die sowohl digital visualisiert als auch per 3D-Druck physisch greifbar gemacht werden können. Das Projektkonsortium legte den Fokus dabei hauptsächlich auf die Leber, fügte aufgrund der Pandemie aber auch die Darstellung von Lungen hinzu, um die Diagnose von COVID-19 Erkrankungen zu unterstützen.

Die 3D-Visualisierung eines Organs in der virtuellen oder erweiterten Realität (VR/AR) bietet deutliche Vorteile gegenüber den bisher üblichen zweidimensionalen Aufnahmen aus Computer- oder Magnetresonanztomographien (CT/MRT). Mit Hilfe einer speziellen AR-Brille können sich Chirurg:innen das patientenindividuelle 3D-Modell als ‚Hologramm‘ während der Operation ansehen, wobei sie es durch Gestensteuerung drehen und wenden oder auch manuell platzieren können. Sie können sich vor dem Eingriff bereits die Auswirkungen eines Schnitts auf die stark durchblutete Leber anzeigen lassen, um einschätzen zu können, wie viel Gewebe anschließend nicht mehr funktionstüchtig sein wird. Ein physisches 3D-Modell erlaubt in Kombination mit einem Trainingssystem darüber hinaus das Üben von komplexen Eingriffen und Stresssituationen.

Bewährungsproben im OP bestanden

Die Universitätsmedizin Oldenburg war mit dem Viszeralchirurgen Professor Dirk Weyhe vom Pius-Hospital Oldenburg als Anwendungspartner beteiligt. Die Prototypen aus dem VIVATOP-Projekt bestanden dort die klinische Erprobung. „Mit Hilfe der 3D-Modelle können wir die komplexe Gefäß- und Organanatomie wesentlich schneller erfassen“, berichtet Weyhe. „Im CT und MRT muss man sich das aus zwei Ebenen zusammensetzen.“ Das Krankenhaus wird von der internationalen Holomedicine-Association als eines von weltweit drei „Centers of Excellence“ geführt.

Die Forscher:innen haben zusätzlich eine „Multi-User“-Funktionalität eingebaut, die es ermöglicht, dass mehrere Personen gleichzeitig mit dem Modell arbeiten. Dabei spielt es keine Rolle, ob sich die Beteiligten gemeinsam in einem Raum befinden oder nicht – per AR-Telefonie können auch Expertinnen und Experten von anderen Kontinenten hinzugeschaltet werden. Für die entfernten Expert:innen in den Live-Streams aus dem OP werden verschiedene Darstellungen erprobt, um diese möglichst wirklichkeitsgetreu darzustellen und um ihnen einen realistischen Eindruck des Geschehens im OP zu ermöglichen. In Vorbesprechungen erweisen allerdings auch die ganz realen Modelle aus dem 3D-Drucker ihre Stärken, denn sie können ohne Technikeinsatz als Anschauungsobjekte dienen.

BMBF-Förderung mit insgesamt 2,2 Millionen Euro

Das Projekt wurde am TZI der Universität Bremen von der Arbeitsgruppe „Digitale Medien“ (Professor Rainer Malaka) koordiniert und von der Arbeitsgruppe „Virtual Reality und Computergraphik“ (Professor Gabriel Zachmann) unterstützt. Die Universitätsklinik für Viszeralchirurgie am Pius Hospital Oldenburg (Professor Dirk Weyhe) lieferte die medizinische Expertise und stellte die Bilddaten zur Verfügung. Das Fraunhofer-Institut für Digitale Medizin MEVIS erstellte daraus virtuelle realistische Organ-Modelle für AR/VR und den 3D-Druck und erforschte realistische Darstellungsmethoden. Die apoQlar GmbH war als Spezialistin im Bereich „innovative Interaktionen, Multi-User Nutzung sowie Visualisierungen in Augmented Reality“ eingebunden. Der 3D-Druck Spezialist cirp GmbH erforschte und entwickelte neuartige Planungs-und Trainingsmodelle. Die SZENARIS GmbH verantwortete den Bereich „Training und Ausbildung“ und kombinierte alle Technologien erfolgreich in ein neuartiges Trainingssystem.

Gefördert wurde das Projekt VIVATOP vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit insgesamt 2,2 Millionen Euro. Die Projektpartner überführen die Ergebnisse bereits in den Praxisalltag und die chirurgische Ausbildung.

Weitere Informationen:

vivatop.de