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Ein Simulator für Hirnchirurgen
Ein neuer Simulator, mit dem Neurochirurgen vor der Operation proben können – wie Piloten an einem Flugsimulator – könnte die Art und Weise, wie Ärzte für Gehirnoperationen trainieren und behandeln, revolutionieren.
Virtueller Schnitt: Ein Teammitglied demonstriert das neue Simulationssystem.
NeuroTouch, der vom kanadischen National Research Council (NRC) und mehreren anderen Forschungsgruppen entwickelte Simulator-Prototyp, bietet Chirurgen einen Probelauf in der virtuellen Realität, bevor sie den Operationssaal betreten, wodurch möglicherweise Fehler reduziert werden.
Zunächst werden Patientendaten aus der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) in ein hochauflösendes 3D-Modell des Gehirns einer Person übertragen. Nachdem das Modell in das System geladen wurde, können Ärzte Tumore und andere virtuelle Objekte auf Bildschirmen in Echtzeit mit einem physischen Instrument, das einem Skalpell ähnelt, berühren und manipulieren. Das Instrument verfügt über sechs Freiheitsgrade und bildet das Force-Feedback des realen Werkzeugs und den unterschiedlichen Widerstand von Gewebe in Hirnregionen mit unterschiedlicher Zähigkeit nach. Unterdessen zeigen fotorealistische Bilder auf dem Bildschirm die simulierte Operation, einschließlich Blutungen und pulsierender grauer Substanz.
Dies ist der erste Simulator, der medizinische Bildverarbeitung, Materialmodelle, Finite-Elemente-Modellierung, Grafik- und Haptiktechnologien vollständig integriert, um eine patientenspezifische Simulation zu erstellen, sagt Ryan D’Arcy, ein NRC-Neurowissenschaftler, der an der Entwicklung von NeuroTouch beteiligt war. Ein weiteres bemerkenswertes Merkmal ist die Einbeziehung von funktionellen Gehirn-Mapping-Daten aus fMRT. Dadurch können kritische Hirnregionen, wie beispielsweise Sprachbereiche, genauer abgebildet werden, sagt D’Arcy.
Das 9,1 Millionen US-Dollar teure, dreijährige Projekt zur Entwicklung eines Neurochirurgie-Simulators begann im April 2008 und umfasst etwa 50 Kliniker und Ingenieure aus ganz Kanada. Das Projekt markierte letzten Monat einen Meilenstein, als Chirurgen in Halifax, Nova Scotia, es nutzten, um vor der Operation an einer 48-jährigen Frau mit einem gutartigen Tumor in der Nähe des Sprachzentrums ihres Gehirns zu proben. Die fünfstündige Operation war erfolgreich und die Frau wurde am nächsten Tag entlassen. Obwohl das Verfahren relativ einfach war, wurde zum ersten Mal ein Simulator verwendet, um eine solche Operation durchzuführen.
Der leitende Chirurg David Clarke vom Queen Elizabeth II Health Sciences Center in Halifax lobte den Prototyp als sehr realistisch. Das OP-Team ging dort mit einem Wissen und einer Zuversicht, die wir sonst nicht hätten, sagte Clarke nach der Operation. Ich denke, das ist nicht nur gut für das Gespräch mit den Patienten im Vorfeld, sondern auch gut für das Operationsergebnis insgesamt.
Da Gehirnoperationen weniger invasiv, aber komplexer werden, können jüngere Chirurgen mit einem Simulator besser trainiert werden, sagt Rolando Del Maestro des Montreal Neurological Institute and Hospital, der an dem Projekt beteiligt war. Wir Neurochirurgen werden wie Simulatorpiloten sein, damit wir herausfinden können, ob unsere Fähigkeiten auf einem bestimmten Niveau sind, sagt Del Maestro und fügt hinzu, dass der Simulator das Training beschleunigen könnte.
Abhijit Guha, ein Neurochirurg am Torontos Hospital for Sick Children, der nicht mit NeuroTouch verbunden ist, sagt, dass die virtuelle Chirurgie niemals die echte ersetzen wird. Eine Schwäche des Systems besteht darin, dass es auf archivierten MRT-Scans basiert, die aufgrund von Gehirn- und Liquorverschiebungen möglicherweise nicht gültig sind, wenn die Operation fortschreitet, sagt Guha. Außerdem gibt es den Beurteilungsfaktor, besonders wenn etwas schief geht.
Eine technische Einschränkung des Prototyps besteht darin, dass er nur Tumore nahe der Gehirnoberfläche darstellen kann und Chirurgen nur eine Hand verwenden können. Die Entwicklung wird jedoch bis April 2011 andauern, und das endgültige Gerät wird es Ärzten ermöglichen, mit mehreren chirurgischen Instrumenten und beiden Händen an tiefen Hirntumoren zu arbeiten.
NRC plant, Prototypen an neurochirurgische Zentren in ganz Kanada zu senden und die Technologie dann innerhalb von zwei Jahren an einen kommerziellen Partner zu übertragen. Eine kommerzielle Version könnte je nach Funktionen für 10.000 bis 500.000 US-Dollar verkauft werden. Das Paket wird einen PC-basierten Planer für die optimale Auswahl des OP-Korridors sowie einen Trainer für chirurgische Aufgaben und typische chirurgische Verfahren umfassen, sagt Robert DiRaddo, der die Entwicklung von NRC leitete. Beide werden zur patientenindividuellen Nutzung in ein Probensystem integriert.
Das Ziel war von Anfang an, den neurochirurgischen Simulator zu kommerzialisieren, sagt D’Arcy. Das Ziel ist es, den Simulator in Kliniken, Krankenhäusern und Lehrzentren auf der ganzen Welt einzusetzen, aber es gibt noch viel zu tun.