Operationen können hochkomplex sein und viele Stunden dauern. Nicht nur chirurgisches Knowhow der ausführenden Ärzte ist fundamental wichtig, um die OP zum medizinischen Erfolg werden zu lassen und den Patienten, nach mitunter langer Krankheit, in seine Genesung zu führen. Auch die „innere Sicherheit“, das Vermögen, selbst bei operativen Schwierigkeiten als Mediziner Ruhe zu bewahren und den chirurgischen Eingriff souverän zu Ende zu bringen, ist unerlässlich für eine stringent geführte Maßnahme am Patienten. Jede Unachtsamkeit kann fatale Folgen haben und die Operation zu einem Desaster werden lassen.

Back To The Roots -Virtual Reality 1.0…

Verwendung des MIST-Systems für das Training der minimalinvasiven Chirurgie. Ohne Headset. Bildquelle: sudjms.net

In einer randomisierten Studie, bei der virtuelles Lernen im Hinblick auf verbesserte operative Fertigkeiten und geringeres Fehlerrisiko einschlägig untersucht wurde, ließ man 16 Probanden der Universität Yale mit jeweils einem leitenden Chirurgen (dem der Status des Probanden unbekannt war) eine sog. Laparoskopische Cholezystektomie, einen Eingriff zur Entfernung der Gallenblase, durchführen. Laparoskopische Eingriffe gehören zur sog. minimalinvasiven Chirurgie, einer operativen Behandlung, bei der über ein Laparoskop Stichinzisionen (kleinste Schnitte von 1-2mm Länge) am betreffenden Organ durchgeführt werden. Technisch höchst anspruchsvoll, erfordert dieser chirurgische Teilbereich höhere psychomotorische Fähigkeiten, als es bei der konventionellen Chirurgie der Fall ist. So besteht eine nur eingeschränkte dreidimensionale Sicht und ein mangelndes Gefühl für den auf das Gewebe ausgeübten Druck. Daraus resultierend, ergibt sich für den Chirurgen ein erhöhter Anspruch in der Koordinierung seiner Instrumente. Der Einsatz von VR sollte diesen Einschränkungen entgegenwirken und die realen OP-Bedingungen verbessern helfen. Das Resultat der Studie: Verletzungen oder Verbrennungen von an der Gallenblase angrenzenden Gewebsarealen kamen bei der nicht virtuell trainierten Testgruppe fünfmal häufiger vor. Auch die Trennung der Gallenblase aus dem sog. Leberbett dauerte bei ihnen zu 29 Prozent weniger lang, als es bei der Kontrollgruppe der Fall war. In Bezug auf alle geprüften Parameter erreichten die virtuell trainierten Probanden insgesamt eine sechsmal geringere Wahrscheinlichkeit, bei der tatsächlichen OP Fehler zu machen.

…und revolutionäre VR-Werkzeuge der Gegenwart

Für die Studie wurde MIST VR (minimal invasive surgery trainer) verwendet, ein virtueller Simulator, der seine originären Wurzeln schon 1997 schlug und sehr erfolgreich in vielen medizinischen und universitären Institutionen eingeführt wurde. Mit zunehmender CPU-Technologie und beschleunigter Grafik ist der VR-Simulator über die Jahre verbessert worden und hat natürlich von anderen Trainings-Simulatoren Konkurrenz bekommen.

Bei der Überwindung von visuell-räumlichen und psychomotorischen Herausforderungen erwies sich also auch schon das frühe VR-Training als ausgesprochen hilfreich. MistVR verhalf u.a. zu einer besseren Koordinierung der OP-Instrumentarien (z.B. beim Drehpunkt-Effekt; Werkzeug-Endpunkte, die sich entgegengesetzt zu den Händen des Chirurgen bewegen).

Back to the 90´s: Screenshots des minimalinvasiven chirurgischen Trainers für virtuelle Realität, MIST-VR. Bildquelle: researchgate.net

Mittlerweile gibt es auch erweiterte Benutzeroberflächen, die aus spezifischen laparoskopischen Instrumenten bestehen und mit komplexen Sensoren ausgestattet sind, die Handbewegungen tracken: Operatives Schneiden, Nähen, Nadelführung und laparoskopische Navigation können in Echtzeit auf dem Screen betrachtet werden. Zudem ist es den Trainees durch die simulierte Operationen auch möglich, Fehler zu fingieren und sich dadurch mit den kausalen, physiologischen Auswirkungen auseinanderzusetzen. Dadurch erlangen die Studenten praktisches Wissen um einen tieferen Zusammenhang der Körperteile, welches über die reine Theorie hinausgeht. Validierte Algorithmen können zudem anschließend Leistung und Effizienz auswerten, sowie kognitive und psychomotorische Fähigkeiten beurteilen. 

Neben MIST VR, gibt es inzwischen andere (Hands-On-)Simulatoren – beispielsweise LabMentor von 3DSystems, LapSim von Surgical Science oder LapX. 

LabMentor III in der Ausbildung am Royal Free Hospital, London. Bildquelle: simbionix.com

LabMentor unter Verwendung einer VR-Brille. Bildquelle: simbionix.com

Der Haptik-Effekt

65 Prozent aller Lernenden prägen sich neue Inhalte am besten durch visuellen Input ein. Auditives und kinästhetisches Aneignen (via haptischer Vermittlung) umfasst erwiesenermaßen einen Bereich von nur 30 bzw. 5 Prozent. Die immersive Komponente bei Virtual-Reality-Videos bietet eine gute Grundlage für alle Anwendungsfälle. Vorläufer virtuell basierten Surgery-Trainings mit haptischer Technologie sind Immersive Touch und Sensus3D. Da prä-operatives Üben wesentlich mit subtilen Geweben und Organen, komplexen und sehr differenten Strukturen zu tun hat, ist die haptische Komponente beim Training besonders wichtig. Fühlt sich der unter dem Gewebe liegende Knochen in der VR-Simulation ebenfalls gewebsartig an, ist es für den angehenden Chirurgen ziemlich schwierig, ein mit real-physiologischen Komponenten verbundenes, kongruentes Gefühl zu erfahren. Deshalb kann diese haptische Technologie ein ultimatives Tool für den chirurgischen Transfer in die reale Welt bedeuten.

Von Ingenieuren und Medizinern gegründet und seit vielen Jahren einer der Marktführer in Sachen Augmented-und Virtual Reality, ermöglicht die Software von Immersive Touch zudem, Daten aus Untersuchungen der Kernspin-und Computertomographie, sogenannte MRT und CT-Scans, in VR zu konvertieren. Kompatibel mit SteamVR, HTC oder Oculus Rift bietet die VR-Anwendung sicheres, taktiles Feedback: In einer Studie konnten die Teilnehmer mit Immersive-Touch-Simulation beim vorgegaukelten Eingriff (hier mussten z.B. mehrere Micro-Objekte in einem Hohlraum des Gehirns gefunden werden) mit einer Erfolgsrate von 73,3 Prozent gegenüber 53,3 Prozent führen. Auch 3D Systems führte bei LapMentor haptisches Feedback ein.

Eine andere 360-Grad-Produktion bietet Surgical Theater. Mit dieser Anwendung werden intraoperative Visualisierungen generiert und eine neue Ebene der Präzisionstechnologie erreicht: die Software ermöglicht es den Chirurgen, selbst OP-Areale visuell zugänglich zu machen, die natürlicherweise nicht einsehbar sind. Auch hier können Scans in die VR-Plattform hochgeladen werden. Entgegen den schwarz-weißen Abbildungen eines MRT, erhalten Neurochirurgen nun farbliche Darstellungen, die eine genauere diagnostische Beurteilung zulassen. Durch den Precision VR Viewer können auch Patienten einen dreidimensionalen Einblick in ihre gesundheitliche Disposition bekommen. Vor allem ermöglicht dieses Tool gemeinsam mit VR Studio eine spezifische Fallübersicht, die im Multi-User-Modus evaluiert werden kann. So wandern die Studierenden mittels Controllern durch anatomische oder organische Strukturen und verifizieren Pathologien des vermeintlichen Patienten. Die Ergebnisse können protokolliert und anderen Mitstudenten vorgestellt werden. Neben der Erweiterung des medizinischen Wissensspektrums, fördert diese Software daher auch kollaboratives Verhalten.

Interaktive Visualisierungen mit dem Precision VR Viewer. Bildquelle: surgicaltheater.net

VR Studio im Multi-User-Modus: Ein Prof kann die operativen Eingriffe der Studenten mitverfolgen/korrigieren. Bildquelle: surgicaltheater.net

Preisgekröntes VR-Chirurgentraining zur Minimierung von Komplikationsraten

Bildquelle: vrnerds.de

Auch Osso VR ermöglicht immersives Lernen für Chirurgen. Gründer Jason Barad sah ein erhebliches Ausbildungsproblem: Mangelnde praktische Erfahrung in Abhängigkeit von tatsächlichen Patientenfällen, die dem Studenten auf einer Krankenhausstation begegnen würden – oder eben nicht. Die Erfahrung des Auszubildenden hängt vom Zufall ab. Rund 30 Prozent aller US-amerikanischen Chirurgen sind nach ihrem Universitätsabschluss offensichtlich nicht in der Lage, das erforderliche Spektrum unabhängiger Praxis sicherzustellen. Will heißen: autonom zu operieren. Als orthopädischer Chirurg bestens mit diesem Manko vertraut, war es Barads Vision, ein Ausbildungssystem zu erschaffen, welches sich diesem Mangel an praktischer Erfahrung widmet und hilft, hohe Komplikationsraten zu reduzieren. Dieser große Gedanke gelang in seiner praktischen Konsequenz derart gut, dass es für Osso VR vom U.S. Department of Education sogar eine Auszeichnung gab. Zwei Komponenten machen die Software, die sich mit gängigen VR-Headsets wie Oculus Rift oder HTC Vive kompatibel zeigt, zum seriösen amicus et consiliarius: Die haptisch verbesserte Interaktion sowie die proprietäre Analyse. In diesen Analyse-Dashboards erhalten Studenten Feedback zu Durchläufen und eine maßgeschneiderte Anleitung zur Verbesserung ihrer individuellen Kenntnisse. Daten zur Länge der Behandlungszeit, Präzision im operativen Ablauf und andere Metriken werden zuverlässig gespiegelt.

„It´s been proven, that VR training improves outcomes for new surgeons. I had to learn through observation instead of experience. Simulation is clearly a better, safer and more consistent way, to accomplish that.“ 

Dr. Justin Barad, Founder & CEO OssoVR

Bis zu zehn User können weltweit in einem Modul trainieren. Doch nicht nur für angehende Mediziner ist die Plattform gedacht – ebenso können sich erfahrene Chirurgen in noch neuen Verfahren erproben.

Forscher der UCLA konstatierten in einer Studie, dass die mit Osso VR geübte Platzierung von Nägeln bei einer Tibia-Fraktur, also einem Knochenbruch des Schienbeins, das anhängige operative Echtheitsszenario souverän herauszufordern vermochte.

Gerade erst wurde die medizinische Relevanz von OpenSight, einem Augmented-Reality-System für HoloLens, durch die FDA bestätigt.

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