Zukunft Forschung 01/2023
Das Forschungsmagazin der Universität Innsbruck
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TITELTHEMA<br />
TITELTHEMA<br />
In der Ausbildung von Chirurg:innen<br />
ist der Übergang zur Praxis ein fordernder<br />
Moment. Irgendwann steht<br />
die erste Operation an echten Patient:innen<br />
an. Je vielseitiger das Training davor<br />
war, desto besser. Hierbei sind Zeit,<br />
Kosten und die vorhandenen Übungsmaterialien<br />
immer ein limitierender Faktor.<br />
Deshalb arbeiten Forscher:innen am<br />
Institut für Informatik der Universität<br />
Inns bruck an der Entwicklung von VR-<br />
Modellen, die das chirurgische Training<br />
präziser, vielseitiger und nachhaltiger<br />
machen können.<br />
Matthias Harders leitet die <strong>Forschung</strong>sgruppe<br />
Interaktive Grafik und Simulation.<br />
Seine verschiedenen Teammitglieder beschäftigen<br />
sich unter anderem mit medizinischer<br />
Simulation und Visualisierung,<br />
virtueller und erweiterter Realität sowie<br />
haptischer Interaktion. Fachlich ist die<br />
<strong>Forschung</strong>sgruppe bunt gemischt, denn<br />
die Entwicklung von medizinischen VR-<br />
Anwendungen und komplexen Computermodellen<br />
erfordert Kenntnisse in Informatik,<br />
Physik, Mechatronik, Medizin und<br />
Mathematik.<br />
Feedback vom Knochenbohrer<br />
„Einer unserer größten <strong>Forschung</strong>sbereiche<br />
ist die Computerhaptik“, erzählt<br />
Harders: „Bei dieser geht es darum, Tasteindrücke<br />
zu erzeugen, damit Dinge, die<br />
simuliert werden, auch gefühlt werden<br />
können. Vor allem in der Ausbildung von<br />
Chirurg:innen ist das sehr wichtig. Wenn<br />
man übt, in eine Leber zu schneiden, sollte<br />
auch das entsprechende Feedback des<br />
Gewebes zu spüren sein.“<br />
Harders greift neben seinen Schreibtisch<br />
und holt das Ergebnis der Doktorarbeit<br />
des Teammitglieds Quang Ha Van<br />
hervor. Es ist eine im 3D-Druck erstellte<br />
Attrappe einer Bohrmaschine. Sie ist<br />
einem herkömmlichen Knochenbohrer,<br />
SIMULIEREN FÜR<br />
DIE MEDIZIN<br />
Die <strong>Forschung</strong>sgruppe Interaktive Grafik und Simulation am Institut für Informatik entwirft komplexe<br />
Modelle, mit denen medizinische Eingriffe in der Virtuellen Realität geübt werden können.<br />
wie er in der Orthopädie verwendet<br />
wird, nachempfunden. Allerdings ist in<br />
diese eine spezielle Mechanik eingebaut<br />
worden. Der metallene Bohraufsatz kann<br />
durch Druck im Inneren des Gehäuses<br />
verschwinden. Dort wird über Motoren<br />
ein Widerstand erzeugt, angepasst an<br />
das Material, das gerade simuliert wird.<br />
„Knochen bestehen aus Schichten mit<br />
MATTHIAS HARDERS studierte Informatik<br />
mit Schwerpunkt Medizinische<br />
Informatik an der Universität Hildesheim,<br />
der Technischen Universität Braunschweig<br />
und der University of Houston. Er promovierte<br />
2003 an der ETH Zürich, wo er sich<br />
auch 2007 im Bereich Virtual Reality in<br />
der Medizin habilitierte. Er arbeitete bis<br />
2<strong>01</strong>2 an der ETH, mit kurzen <strong>Forschung</strong>saufenthalten<br />
in den USA, Japan und<br />
Australien. Nach einer Stelle als Reader<br />
an der University of Sheffield, UK, wurde<br />
er 2<strong>01</strong>4 als Professor an die Universität<br />
Inns bruck berufen, wo er am Institut<br />
für Informatik die <strong>Forschung</strong>sgruppe<br />
Interaktive Grafik und Simulation leitet<br />
und sich mit <strong>Forschung</strong> in Medizinischer<br />
Simulation und Visualisierung, Virtueller<br />
und Erweiterter Realität sowie Haptischer<br />
Interaktion beschäftigt.<br />
verschiedenen Dichten, die auch unterschiedliches<br />
Feedback erzeugen müssen“,<br />
sagt Harders.<br />
Während also angehende Chirurg:innen<br />
mithilfe einer VR-Simulation am<br />
Computerbildschirm und dem modifizierten<br />
Bohrer eine Operation am simulierten<br />
Knochen durchführen, erzeugt<br />
das Gerät Feedback in Form von Kraft,<br />
Vibration und Geräuschen. Der Nutzen<br />
dieser Übungen wurde in einer Studie<br />
überprüft, mit dem Ergebnis, dass das<br />
Training mit echten Knochenbohrern an<br />
herkömmlichen Plastikknochen und mit<br />
dem simulierten System gleichermaßen<br />
gut abgeschnitten hat.<br />
Dabei bietet das virtuelle System aber<br />
einige Vorteile, wie Harders erklärt: „Erstens<br />
wird kein Material für das Training<br />
verschlissen, es ist also nachhaltiger. Zum<br />
anderen ist das Training in der Simulation<br />
messbar. Man kann genau bestimmen,<br />
wie tief der Bohrer eingedrungen ist, Fehler<br />
analysieren und dieselbe Operation<br />
mehrmals durchführen, um sie besser zu<br />
absolvieren.“<br />
Realistisch bluten<br />
In einem weiteren Projekt, an dem der<br />
Doktorand Nikolaus Rauch arbeitet, werden<br />
ganze virtuelle Patient:innen erstellt.<br />
Das erfordert eine detaillierte Modellierung<br />
von Anatomie, Physiologie und Pathologie.<br />
„Da gibt es verschiedene wichtige<br />
Komponenten, zum Beispiel die Gefäßsysteme“,<br />
sagt Harders. „Die Arterien<br />
und Venen können Chirurg:innen schon<br />
visuell zeigen, um welches Gewebe es<br />
sich handelt. Also ist es wichtig, dass wir<br />
die Gefäße für das Training modellieren,<br />
und diese dann auch korrekt bluten,<br />
wenn man sie in der VR-Simulation anschneidet.“<br />
Es wäre aber viel zu aufwendig,<br />
diese für jedes Modell neu per Hand<br />
zu generieren.<br />
Deswegen arbeitet das Team an Algorithmen,<br />
die automatisch neue Blutgefäßbäume<br />
erstellen. „Dafür stellt man<br />
lediglich die benötigten Parameter ein<br />
– um welches Organ es sich handelt, wo<br />
im Gewebe Sauerstoff benötigt wird, die<br />
Pathologie der Patient:innen – daraus generiert<br />
das Programm dann realistisch erscheinende<br />
Blutgefäße.“<br />
Nicht immer nur Tetris<br />
Die Frage, wie Modelle automatisch generiert<br />
werden können, findet auch Inspiration<br />
in der Spieleentwicklung. Content-Generation-Algorithmen<br />
können<br />
z. B. Landschaften entwerfen, die einem<br />
bestimmten Konzept folgen, aber sich<br />
niemals wiederholen.<br />
In einem weiteren Projekt von Harders,<br />
an dem auch die Klinik Hochzirl und<br />
das MCI Management Center Inns bruck<br />
beteiligt sind, wird dieses Prinzip in der<br />
Rehabilitation angewendet. „Nach Schlaganfällen<br />
muss das Gehirn neu vernetzt<br />
und manche Dinge müssen neu gelernt<br />
werden. In der Rehabilitation müssen<br />
Patient:innen dann Bewegungen wiederholen,<br />
um sich Abläufe, Motorik und Sensorik<br />
wieder anzueignen.“ Üblicherweise<br />
wird dies mithilfe von Therapeut:innen<br />
trainiert. Mittlerweile werden aber immer<br />
öfter auch Robotersysteme eingesetzt, um<br />
die Therapie zu unterstützen und zu ergänzen.<br />
„Ein Problem dabei ist, dass diese<br />
Übungen über Monate hinweg wiederholt<br />
werden müssen. Und das kann schon<br />
langweilig werden“, sagt Harders. „Deswegen<br />
wollen wir Rehabilitation mit motivierenden<br />
spielerischen Anwendungen<br />
kombinieren, die sich mit den physiotherapeutischen<br />
Übungen verbinden lassen.“<br />
Ein Beispiel ist ein Trainingssystem, mit<br />
dem Handbewegungen geübt werden sollen.<br />
Mittels VR lässt sich dabei Tetris spielen.<br />
Drehen, Strecken oder Drücken der<br />
Hand bewegt einen der fallenden bunten<br />
Steine in die gewünschte Richtung. Dabei<br />
ist das System individuell anpassbar. Die<br />
Steine fallen so, dass wichtige Übungen<br />
unbemerkt besonders oft gemacht werden.<br />
„Ich will in der Rehabilitation aber auch<br />
nicht drei Monate lang nur Tetris spielen“,<br />
fügt Harders hinzu. „Es wäre viel spannender,<br />
wenn die Spiele sich immer neu<br />
generieren und auch an den Geschmack<br />
der Patient:innen anpassen. Daran arbeiten<br />
wir zurzeit noch.“<br />
fo<br />
IN DIESE ATTRAPPE eines Knochenbohrers sind Mechaniken und Sensoren eingebaut,<br />
durch die das haptische Feedback einer Operation simuliert wird.<br />
14 zukunft forschung <strong>01</strong>/23<br />
Fotos: Andreas Friedle<br />
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