Zukunft Forschung 01/2023

TITELTHEMA
TITELTHEMA
In der Ausbildung von Chirurg:innen
ist der Übergang zur Praxis ein fordernder
Moment. Irgendwann steht
die erste Operation an echten Patient:innen
an. Je vielseitiger das Training davor
war, desto besser. Hierbei sind Zeit,
Kosten und die vorhandenen Übungsmaterialien
immer ein limitierender Faktor.
Deshalb arbeiten Forscher:innen am
Institut für Informatik der Universität
Inns bruck an der Entwicklung von VR-
Modellen, die das chirurgische Training
präziser, vielseitiger und nachhaltiger
machen können.
Matthias Harders leitet die Forschungsgruppe
Interaktive Grafik und Simulation.
Seine verschiedenen Teammitglieder beschäftigen
sich unter anderem mit medizinischer
Simulation und Visualisierung,
virtueller und erweiterter Realität sowie
haptischer Interaktion. Fachlich ist die
Forschungsgruppe bunt gemischt, denn
die Entwicklung von medizinischen VR-
Anwendungen und komplexen Computermodellen
erfordert Kenntnisse in Informatik,
Physik, Mechatronik, Medizin und
Mathematik.
Feedback vom Knochenbohrer
„Einer unserer größten Forschungsbereiche
ist die Computerhaptik“, erzählt
Harders: „Bei dieser geht es darum, Tasteindrücke
zu erzeugen, damit Dinge, die
simuliert werden, auch gefühlt werden
können. Vor allem in der Ausbildung von
Chirurg:innen ist das sehr wichtig. Wenn
man übt, in eine Leber zu schneiden, sollte
auch das entsprechende Feedback des
Gewebes zu spüren sein.“
Harders greift neben seinen Schreibtisch
und holt das Ergebnis der Doktorarbeit
des Teammitglieds Quang Ha Van
hervor. Es ist eine im 3D-Druck erstellte
Attrappe einer Bohrmaschine. Sie ist
einem herkömmlichen Knochenbohrer,
SIMULIEREN FÜR
DIE MEDIZIN
Die Forschungsgruppe Interaktive Grafik und Simulation am Institut für Informatik entwirft komplexe
Modelle, mit denen medizinische Eingriffe in der Virtuellen Realität geübt werden können.
wie er in der Orthopädie verwendet
wird, nachempfunden. Allerdings ist in
diese eine spezielle Mechanik eingebaut
worden. Der metallene Bohraufsatz kann
durch Druck im Inneren des Gehäuses
verschwinden. Dort wird über Motoren
ein Widerstand erzeugt, angepasst an
das Material, das gerade simuliert wird.
„Knochen bestehen aus Schichten mit
MATTHIAS HARDERS studierte Informatik
mit Schwerpunkt Medizinische
Informatik an der Universität Hildesheim,
der Technischen Universität Braunschweig
und der University of Houston. Er promovierte
2003 an der ETH Zürich, wo er sich
auch 2007 im Bereich Virtual Reality in
der Medizin habilitierte. Er arbeitete bis
2012 an der ETH, mit kurzen Forschungsaufenthalten
in den USA, Japan und
Australien. Nach einer Stelle als Reader
an der University of Sheffield, UK, wurde
er 2014 als Professor an die Universität
Inns bruck berufen, wo er am Institut
für Informatik die Forschungsgruppe
Interaktive Grafik und Simulation leitet
und sich mit Forschung in Medizinischer
Simulation und Visualisierung, Virtueller
und Erweiterter Realität sowie Haptischer
Interaktion beschäftigt.
verschiedenen Dichten, die auch unterschiedliches
Feedback erzeugen müssen“,
sagt Harders.
Während also angehende Chirurg:innen
mithilfe einer VR-Simulation am
Computerbildschirm und dem modifizierten
Bohrer eine Operation am simulierten
Knochen durchführen, erzeugt
das Gerät Feedback in Form von Kraft,
Vibration und Geräuschen. Der Nutzen
dieser Übungen wurde in einer Studie
überprüft, mit dem Ergebnis, dass das
Training mit echten Knochenbohrern an
herkömmlichen Plastikknochen und mit
dem simulierten System gleichermaßen
gut abgeschnitten hat.
Dabei bietet das virtuelle System aber
einige Vorteile, wie Harders erklärt: „Erstens
wird kein Material für das Training
verschlissen, es ist also nachhaltiger. Zum
anderen ist das Training in der Simulation
messbar. Man kann genau bestimmen,
wie tief der Bohrer eingedrungen ist, Fehler
analysieren und dieselbe Operation
mehrmals durchführen, um sie besser zu
absolvieren.“
Realistisch bluten
In einem weiteren Projekt, an dem der
Doktorand Nikolaus Rauch arbeitet, werden
ganze virtuelle Patient:innen erstellt.
Das erfordert eine detaillierte Modellierung
von Anatomie, Physiologie und Pathologie.
„Da gibt es verschiedene wichtige
Komponenten, zum Beispiel die Gefäßsysteme“,
sagt Harders. „Die Arterien
und Venen können Chirurg:innen schon
visuell zeigen, um welches Gewebe es
sich handelt. Also ist es wichtig, dass wir
die Gefäße für das Training modellieren,
und diese dann auch korrekt bluten,
wenn man sie in der VR-Simulation anschneidet.“
Es wäre aber viel zu aufwendig,
diese für jedes Modell neu per Hand
zu generieren.
Deswegen arbeitet das Team an Algorithmen,
die automatisch neue Blutgefäßbäume
erstellen. „Dafür stellt man
lediglich die benötigten Parameter ein
– um welches Organ es sich handelt, wo
im Gewebe Sauerstoff benötigt wird, die
Pathologie der Patient:innen – daraus generiert
das Programm dann realistisch erscheinende
Blutgefäße.“
Nicht immer nur Tetris
Die Frage, wie Modelle automatisch generiert
werden können, findet auch Inspiration
in der Spieleentwicklung. Content-Generation-Algorithmen
können
z. B. Landschaften entwerfen, die einem
bestimmten Konzept folgen, aber sich
niemals wiederholen.
In einem weiteren Projekt von Harders,
an dem auch die Klinik Hochzirl und
das MCI Management Center Inns bruck
beteiligt sind, wird dieses Prinzip in der
Rehabilitation angewendet. „Nach Schlaganfällen
muss das Gehirn neu vernetzt
und manche Dinge müssen neu gelernt
werden. In der Rehabilitation müssen
Patient:innen dann Bewegungen wiederholen,
um sich Abläufe, Motorik und Sensorik
wieder anzueignen.“ Üblicherweise
wird dies mithilfe von Therapeut:innen
trainiert. Mittlerweile werden aber immer
öfter auch Robotersysteme eingesetzt, um
die Therapie zu unterstützen und zu ergänzen.
„Ein Problem dabei ist, dass diese
Übungen über Monate hinweg wiederholt
werden müssen. Und das kann schon
langweilig werden“, sagt Harders. „Deswegen
wollen wir Rehabilitation mit motivierenden
spielerischen Anwendungen
kombinieren, die sich mit den physiotherapeutischen
Übungen verbinden lassen.“
Ein Beispiel ist ein Trainingssystem, mit
dem Handbewegungen geübt werden sollen.
Mittels VR lässt sich dabei Tetris spielen.
Drehen, Strecken oder Drücken der
Hand bewegt einen der fallenden bunten
Steine in die gewünschte Richtung. Dabei
ist das System individuell anpassbar. Die
Steine fallen so, dass wichtige Übungen
unbemerkt besonders oft gemacht werden.
„Ich will in der Rehabilitation aber auch
nicht drei Monate lang nur Tetris spielen“,
fügt Harders hinzu. „Es wäre viel spannender,
wenn die Spiele sich immer neu
generieren und auch an den Geschmack
der Patient:innen anpassen. Daran arbeiten
wir zurzeit noch.“
fo
IN DIESE ATTRAPPE eines Knochenbohrers sind Mechaniken und Sensoren eingebaut,
durch die das haptische Feedback einer Operation simuliert wird.
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Fotos: Andreas Friedle
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