Philipp Fürnstahl

Autor

Nach seinem Studium der Technischen Mathematik in Graz, begann Philipp Fürnstahl im Jahr 2006 sein Doktoratsstudium am Institut für medizinische Bildverarbeitung der ETH Zürich. Er dissertierte 2010 mit seiner Arbeit «Computer Assisted Planning for Orthopedic Surgery» und baute im Jahr 2012 das heutige Team «Research in Orthopedic Comuter Science» auf.

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Die Universitätsklinik Balgrist forscht an Behandlungsmethoden, um orthopädische Beschwerden zu verringern und zu beseitigen. Ein zentraler Pfeiler der Forschungsstrategie ist der Einsatz von Computertechnologien, welche die Qualität medizinischer Eingriffe verbessern und die chirurgische Orthopädie massgeblich prägen werden.

Am diesjährigen Digitaltag beleuchtete die Universitätsklinik Balgrist die Digitalisierung aus der Perspektive der Präzisionsmedizin. Als hochspezialisierte orthopädische Klinik treibt sie Innovation und neue Behandlungsansätze für Patientinnen und Patienten mit Beschwerden am Bewegungsapparat voran. Dazu zählt auch der Einsatz von neuen digitalen Technologien, welche die Fähigkeiten des Chirurgen unterstützen und so chirurgische Eingriffe noch sicherer und präziser machen können.


Digitalisierung der Patientenanatomie: Grosse Fortschritte in den letzten 40 Jahren
Den Startschuss für die Digitalisierung in der Chirurgie bildete die flächendeckende Einführung der Computertomographie in den 80er- und 90er-Jahren. Die Digitalisierung ist in der Diagnostik und präoperativen Abklärung bis heute am weitesten fortgeschritten. Inzwischen können anhand von Datensätzen aus der Computertomographie 3D-Modelle der Knochen, Muskeln und Sehnen individuell für Patientinnen und Patienten erstellt werden.

Digitalisierung in der chirurgischen Behandlung durch die Computertomographie. Quelle: siemens-healthineers.com
Digitalisierung in der chirurgischen Behandlung durch die Computertomographie. Quelle: siemens-healthineers.com


Digitalisierung von Operationen
Obwohl ein moderner Operationssaal sehr futuristisch anmutet, ist die Digitalisierung bei der Ausführung von Operationen noch nicht so weit fortgeschritten. Bei den Informationen auf den Monitoren handelt es sich vor allem um Bilder, die vor der Operation aufgenommen worden waren, oder um Vitaldaten des Patienten. Anders als erwartet, stehen dem Chirurgen kaum Echtzeitdaten der Patientenanatomie oder Operation zur Verfügung. Zur Unterstützung des Operateurs wurden deshalb chirurgische Navigationssysteme entwickelt. Diese Systeme können präoperativ aufgenommene Bilddaten des Patienten auf die aktuelle Situation im Operationssaal übertragen. Das hilft dem Chirurgen beispielsweise einzuschätzen, ob er an der korrekten Stelle in den Knochen bohrt oder nicht.

Ziel der Forschungsstrategie ist unter anderem, dem Computer beizubringen, wie Operationen genau ablaufen. Quelle: brainlab.com
Ziel der Forschungsstrategie ist unter anderem, dem Computer beizubringen, wie Operationen genau ablaufen. Quelle: brainlab.com

Dank der Kombination von Digitalisierung und verschiedenen Technologien können wir Operationen in Zukunft präziser und sicherer durchführen.

Durch die Digitalisierung wird jeder einzelne Operationsschritt – bei einer Wirbelsäulenversteifung können dies bis zu hundert sein – für den Computer verständlich gemacht. Bereits das Setzen einer einzigen Schraube ist ein komplizierter Prozess mit vielen Abhängigkeiten. Durch die Digitalisierung werden die einzelnen Operationsschritte erst messbar. Beispielsweise kann der Computer dank künstlicher Intelligenz anhand von Videoaufnahmen die Position einer chirurgischen Bohrmaschine bestimmen. Mithilfe solcher Methoden können Eingriffe präziser und sicherer durchgeführt werden. Die Digitalisierung ist somit eine Chance: Die Prozesse im Operationssaal werden optimiert, Fehler vermieden, und die Behandlungsqualität wird zum Wohl der Patienten massgeblich verbessert.


Augmented Reality als Treiber der Digitalisierung
Um die Digitalisierung im Operationssaal voranzutreiben, ist Augmented Reality die notwendige Schlüsseltechnologie der Zukunft. Doch was steckt hinter dieser Technologie?  Die echte Realität steht im Fokus, der Mensch trägt eine Brille (z. B. HoloLens) mit durchlässigem Display. Dabei wird die reale Welt durch computergenerierte Objekte erweitert. Die an der Brille verbauten Sensoren erfassen den Raum dreidimensional; dadurch können die computergenerierten Objekte so dargestellt werden, als ob sie tatsächlich im Raum vorhanden wären. Die Universitätsklinik Balgrist nimmt eine Vorreiterrolle ein bei der Forschung der Augmented-Reality-Technologie in der orthopädischen Chirurgie. Unsere Vision ist, dass der Chirurg künftig bei allen entscheidenden Phasen einer Operation eine AR-Brille am Kopf tragen wird, so dass seine chirurgischen Fähigkeiten erweitert werden. "Die Kommunikation des Chirurgen wird durch die Brille nicht eingeschränkt: Er kann sich mit Sprachbefehlen und Handgesten verständigen.

Sicht aus der Augmented Reality-Brille bei einer Wirbelsäulenoperation.
Sicht aus der Augmented Reality-Brille bei einer Wirbelsäulenoperation.

Visualisierung der Patientenanatomie und chirurgische Navigation
Die Universitätsklinik Balgrist nutzt die AR-Technologie einerseits zur Visualisierung der Patientenanatomie, andererseits auch zur präzisen chirurgischen Navigation. Zusammen mit externen Kamerasystemen wird die Brille eingesetzt, um Operationen in Echtzeit zu digitalisieren. Eine dreidimensionale Erfassung der Patientenanatomie und der chirurgischen Werkzeuge liefern ein vollständig digitales Bild. Beispielsweise kann die während der Operation sichtbare Anatomie mit Bilddaten oder 3D-Modellen des Patienten, die vor dem Eingriff angefertigt wurden, direkt an der richtigen Stelle überlagert werden.

Die Fehlplatzierung einer Schraube kann dramatische Folgen haben – die AR-Technologie hilft, sie präzise zu setzen.

Dank der Darstellung von anatomischen Strukturen wie Nerven oder Blutgefässen wird der Chirurg mit einem Röntgenblick ausgestattet. Das hilft ihm, sicherer und präziser zu operieren. Auch bei der chirurgischen Navigation entfaltet Augmented Reality grosse Wirkung, gerade bei sehr heiklen Operationen wie der Versteifung einer Wirbelsäule: Dort müssen Schrauben sehr präzise in enge Wirbelkanäle gesetzt werden. Eine Fehlplatzierung kann dramatische Folgen haben, beispielsweise wenn die Schraube das Rückenmark verletzt. Der optimale Eintrittspunkt und die Schraubenrichtung wird dem Operateur dank der AR-Brille direkt an der überlagerten Patientenanatomie visualisiert.

Durch die Visualisierung der Patientenanatomie wird der Chirurg mit einem Röntgenblick ausgestattet.
Durch die Visualisierung der Patientenanatomie wird der Chirurg mit einem Röntgenblick ausgestattet.

Die Digitalisierung im Operationssaal schreitet also rasant voran, auch dank Forschungserfolgen aus anderen Gebieten wie dem autonomen Fahren. Bisher wird Augmented Reality nur in klinischen Studien eingesetzt – künftig wird die Technologie die Kommandozentrale des Chirurgen und mit allen anderen Geräten im Operationssaal vernetzt sein. Die Kombination mit Methoden der künstlichen Intelligenz wird die physischen und kognitiven Fähigkeiten des Chirurgen erweitern. Chirurg und Patient bleiben dabei aber im Fokus und werden nicht durch die Technologien verdrängt.

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