12400 Augmented Reality im Operationssaal

Innovative Technologien wie Künstliche Intelligenzen (KI), Augmented Reality (AR), neue Sensortechniken und automatisierte Prozesse halten fortwährend Einzug in die Welt der Medizintechnik. Dabei haben alle vordergründig ein Ziel: Sie sollen Ärzte/Ärztinnen in ihrer Arbeit unterstützen, Abläufe effizienter gestalten und dem Patienten eine bessere Behandlung ermöglichen. Um das zu erreichen, müssen die angebotenen Lösungen auf die Nutzer und den Nutzungskontext zugeschnitten sein. Das Forschungsprojekt HoloMed zeigt anhand des Routineeingriffs der Ventrikelpunktion exemplarisch auf, welche Schritte dabei durchlaufen wurden, um von einer innovativen Idee zum evaluierten Prototyp zu kommen.

Ventrikelpunktion
Die Punktion des Ventrikelsystems im menschlichen Gehirn gehört zu den Routineprozeduren in der Neurochirurgie. Deutschlandweit werden etwa 20.000 solcher Punktionen pro Jahr entweder als eigenständiger Eingriff oder als Teil einer komplexeren Operation durchgeführt. Häufig ist diese Prozedur in Notfallsituationen, wie z. B. bei Gehirnblutungen oder Schädel-Hirn-Traumata, Tumoren oder Schlaganfällen angezeigt, wenn durch Reduzierung des Hirndrucks schwerwiegenden Konsequenzen entgegengewirkt werden kann. Die Punktion erfolgt über eine Bohrlochtrepanation am sogenannten Kocher-Punkt (s. Abb. 1). Die Stichrichtung des Katheters wird heutzutage anhand äußerer anatomischer Landmarken (z. B. Augenhöhle, Gehörgang) festgelegt. Darüber hinaus muss der/die Chirurg/-in die anatomischen und pathologischen Besonderheiten des Patienten berücksichtigen. Der menschliche Ventrikel liegt in etwa 4 cm Tiefe, hat eine längliche Form mit einer Breite von ca. 1 cm, die jedoch aufgrund der zugrunde liegenden Erkrankung stark variieren kann. Eine optimale Katheterlage wird heute nur in etwa zwei Dritteln der Fälle erreicht und selbst dafür sind manchmal mehrere Punktionsversuche erforderlich.

Navigationshilfe HoloMed
Die aktuelle Trefferquote bei der Ventrikelpunktion bietet klares Verbesserungspotenzial. Um sie zu erhöhen, wird die Navigationsunterstützung HoloMed entwickelt. Um die Anforderungen an eine kontextsensitive Navigationsunterstützung zu erfüllen, muss die spätere Lösung dem Chirurgen Informationen zur Verfügung stellen, ohne die „echte Welt” aus dem Fokus zu verlieren. Für Anwendungsfälle wie diesen wurden in den letzten Jahren mehr und mehr Augmented-Reality-Brillen – wie die HoloLens von Microsoft – entwickelt und auf den Markt gebracht. Die mit zahlreichen Sensoren ausgestatteten, teilweise noch relativ klobigen Brillen ermöglichen es, virtuelle Gegenstände und Informationen (Hologramme) ins Sichtfeld des Trägers einzublenden. Interagieren kann der Nutzer über verschiedene Wege mit den AR-Applikationen, die auf dem geräteinternen Speicher hinterlegt sind – beispielsweise über Handgesten, über das Fixieren von Elementen durch den Blick oder über Sprachbefehle.

Augmented Reality Anwenderakzeptanz
Doch wie steht die potenzielle Nutzergruppe der Mediziner zu dieser Technologie? Um das herauszufinden, konzipierte das HoloMed-Projektteam eine Onlineumfrage, an der Ärzte/Ärztinnen aus ganz Deutschland teilnahmen. Die Ergebnisse sind eindeutig: Alle Befragten gaben an, dass der Einsatz von Augmented Reality Chancen für die Medizin bietet (58 % stimmen voll und ganz zu, 42 % stimmen eher zu auf einer 5-Punkte-Skala) und es sinnvoll sei, die Technologie für medizinische Zwecke einzusetzen (63 % stimmen voll und ganz zu, 37 % stimmen eher zu). Gleichzeitig haben aber 70 % der Befragten Augmented Reality noch nie im medizinischen Kontext angewandt. Angesprochen auf die Vorteile, die ein solches System bieten müsste, waren „Mehr Sicherheit für den Patienten” und „Effektiveres Arbeiten” unter den häufigsten Antworten, während eine Kostensenkung der Prozedur als am wenigsten wichtig erachtet wurde. Geäußerte Bedenken, die mehrfach genannt wurden, waren, dass ein AR-System zu teuer sein könnte (47 %), dass der Nutzen gering sei (26 %) sowie dass die Themen Datenschutz und Hygienestandards zu Problemen führen würden (je 16 %).

User Centered Design
Damit die spätere Lösung perfekt auf die Bedürfnisse der Nutzer und seine Arbeitsabläufe zugeschnitten ist, ging das HoloMed-Projektteam nach den Grundsätzen des User Centered Design (UCD) vor. Dieses Vorgehen bezieht den zukünftigen Nutzer von Beginn an in die Entwicklung ein, verwertet dessen Feedback im jeweils nächsten Iterationsschritt und ermöglicht dem Nutzer, Zwischenstände zu testen und Verbesserungsvorschläge anzubringen. Eine umfassende Kontextanalyse zu Beginn des Entwicklungsprozesses umfasste mehrere Beobachtungen der Prozedur in verschiedenen Kliniken, Interviews mit beteiligten Stakeholdern sowie Workshops mit Ärzten und Ärztinnen. Sie legte den Grundstein für die erfolgreiche Entwicklung des innovativen Vorhabens. Das primäre Ziel dieser Arbeitsschritte war es, den Eingriff und die damit verbundenen Schwierigkeiten zu verstehen, um später adäquat auf die Bedürfnisse der Chirurgen eingehen zu können.

Der Eingriff beinhaltet mehrere Schwierigkeiten, die über Erfolg oder Misserfolg der Prozedur entscheiden und den Operateur teilweise großem Druck aussetzen. Die größte Schwierigkeit des Eingriffs besteht nach Aussage der befragten Chirurgen darin, dass die Bestimmung des Einstichwinkels oft nur wenige Grad Toleranz zulässt und das Ziel nicht direkt visualisiert und somit gezielt anvisiert werden kann. Darüber hinaus sind die stark variierende Größe der Ventrikel sowie die nachfolgende Dokumentation (für die direkt im Anschluss an den Eingriff oft keine Zeit bleibt) Herausforderungen, bei denen sich die Chirurgen eine technische Unterstützung wünschen und auch vorstellen können.

Unabhängig von der Prozedur finden es besonders jüngere Ärzte/Ärztinnen problematisch, dass die medizinische Ausbildung immer noch stark textuell geprägt ist und Assistenzärzte den Eingriff durch Beobachten und Ausprobieren lernen. In diesem Kontext sei eine realitätsnahe Übungsmöglichkeit Gold wert.