HIPS: Mit VR und Leichtbauroboter Hüft-OPs simulieren

Mehr als 200.000 Menschen erhalten in Deutschland pro Jahr eine Hüftprothese. Um Komplikationen zu vermeiden und die Lebensdauer der Prothese zu verlängern, müssen die Implantate möglichst genau in die Hüftpfanne eingepasst werden. Doch der Eingriff ist schwierig, besonders das sogenannte Ausfräsen des Acetabulums gehört zu den heikelsten Schritten, die sich zudem schwer üben lassen.

Report: Sascha Keutel

Hier setzt der „HüftImplantatPfannenfräsSimulator“ (HIPS) an, den ein Forschungskonsortium entwickelt hat. „Mit HIPS haben wir das weltweit erste chirurgische Virtual Reality-Trainingssystem mit einem haptischen Feedback entwickelt, das Operationen, bei denen große Kräfte aufgewendet werden, simulieren kann.“, sagt Mario Lorenz von der TU Chemnitz, Initiator des Kooperationsprojekts.

Derzeit müssen Assistenzärzte in der Facharztausbildung bei einer gewissen Anzahl von Operationen hospitieren, bevor der Moment kommt, an dem der Oberarzt ihnen den Auftrag gibt, selbst zu fräsen. „Wäre es nicht viel besser, wenn Assistenzärzte vor diesem ersten Einsatz mehrere realitätsnahe Simulationen durchgeführt hätten? Wenn Sie ein gewisses Gefühl und Selbstvertrauen erarbeitet und vielleicht schon erste Fehler begangen hätten, aus denen sie lernen konnten?“, fragt Lorenz. Er verweist darauf, dass es im minimalinvasiven Bereich, beispielsweise bei Schlüsselloch-OPs, bereits seit rund 20 Jahren solche Virtual Reality (VR)-Trainingsstationen gäbe. „Doch für alle Operationen, bei denen hohe Kräfte am Werk sind, gibt es solche Simulationen derzeit weder auf dem Markt noch in der Forschung“, sagt Lorenz.

Anwender des HIPS-Systems sehen durch eine VR-Brille die Hüfte der virtuellen Patienten und bedienen gleichzeitig eine Fräse, die an den KUKA Leichtbauroboter „LBR iiwa“ angeschlossen ist. Dabei müssen sie die Gelenkpfanne eines Hüftgelenks ausfräsen, was in der praktischen Ausbildung bisher schwer zu vermitteln und zu erlernen ist. Der Roboter liefert dabei ein realitätsgetreues haptisches Feedback, indem er beim virtuellen Fräsen den Widerstand simuliert, den der Knochen in einer realen OP aufweisen würde. Dadurch erhält der Übende ein genaues Gefühl für Kräfte und Fräsgrenzen.

Oberstes Ziel der Forscher war dabei die Verbesserung der fachärztlichen Ausbildung. „In der Facharztausbildung arbeiten Assistenzärzte derzeit an Phantomen. Sie üben also an Kunstknochen, deren Materialverhalten die Realität nicht genau genug nachbildet. Gleiches gilt für Körperspender, zumal diese rar und wertvoll für die ärztliche Ausbildung und auch für die medizinische Forschung unerlässlich sind“, sagt Lorenz mit Verweis auf die aktuelle Praxis und deren Herausforderungen.

Die Forschung

Die Grundlage für diese Simulation sind reale Daten. Um zu errechnen, welche Kräfte und Drehmomente beim Fräsen der Hüfte auftreten, haben die Forscher Biomechanik-Tests mit Humanpräparaten durchgeführt. „Wir haben herausgefunden, dass Kräfte von bis zu 200 Newton auftreten. Die Kraft entsteht, wenn sich der Chirurg gegen das Acetabulum lehnt. Die Kräfte, die dabei auf das Handgelenk des Chirurgen wirken, wenn die Maschine stoppt, betragen zwischen 20 und 50 Newton - je nachdem wie groß das Handgelenk ist“, berichtet Lorenz.

Auf Basis dieser Messdaten haben Forscher der Universität Bremen ein schnell errechenbares Materialmodell implementiert, so dass das Team innerhalb von einer Millisekunde berechnen konnte, an welcher Stelle die Fräse mit der virtuellen Hüftpfanne überlagert und welche Kräfte zurückgegeben werden müssen.

Die daraus entstandenen Software-Module und das User-Interface integrierte die Firma FAKT Software GmbH in eine interaktive Anwendung, die auf einem anatomischen Modell des Unternehmens CAT Production GmbH basiert. Diese hatte 3D-Modelle der Anatomie und des virtuellen Operationssaals erstellt.

Die TU Chemnitz wiederum entwickelte die Schnittstelle zum Roboterarm, mittels derer sie dem Roboter die zu simulierende Kraft vorgeben kann. „Eigentlich ist der Roboter für kollaborative Mensch-Maschine-Arbeiten in der Werkhalle vorgesehen und zertifiziert. Wir haben es jedoch geschafft, die vorhandenen Programmierschnittstellen zu nutzen, um dem Anwender das haptische Feedback zu vermitteln, mit dem Vorteil, die Zertifizierung beibehalten zu können“, berichtet Lorenz.

Virtuelles üben einer Hüft-OP am "HüftImplantatPfannenfräsSimulator“ (HIPS).

Die nächsten Schritte

In den kommenden Monaten werden die Forscher in einer kleinen Studie das neue System von Assistenz- und Oberärzten validieren lassen. Den positiven Zuwendungsbescheid vorausgesetzt, wird zudem Anfang Mai das Kick-Off für das Nachfolgeprojekt stattfinden. Geplant ist die Weiterentwicklung des Systems, um weitere Operationsschritte abbilden zu können. „Wir werden uns genau anschauen, wie der Oberschenkelhalskopf abgesägt, der Oberschenkelknochen ausgeschabt, der Schaft in den Oberschenkelhals eingeschlagen und die Pfanne auf der Gegenseite in die ausgefräste Hüftpfanne eingeschlagen wird“, so Lorenz abschließend.

Hintergrund HIPS:

Das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit rund 670.000 Euro geförderte Projekt lief über einen Zeitraum von drei Jahren. Zum Konsortium gehörtem die Professur Werkzeugmaschinenkonstruktion und Umformtechnik der TU Chemnitz, das Institut für Computergraphik und Virtual Reality der Universität Bremen, die FAKT Software GmbH in Leipzig und der CAT Production GmbH in München.

Von medizinischer Seite begleitet wurde die Entwicklung von der Klinik für Orthopädie, Unfallchirurgie und Plastische Chirurgie des Universitätsklinikums Leipzig, dem Zentrum zur Erforschung der Stütz- und Bewegungsorgane (ZESBO), der Forschungsgruppe für klinische Anatomie der Universität von Otago, Neuseeland, sowie der Medizintechnik-Abteilung des Fraunhofer Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik.

Profil:

Mario Lorenz schloss 2010 sein Informatikstudium an der Westsächsischen Hochschule Zwickau ab und arbeitet seit 2011 als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Professur Werkzeugmaschinenkonstruktion und Umformtechnik der TU Chemnitz im Bereich VR und Augmented Reality (AR). Seit 2016 ist er zudem Gastwissenschaftler an der Klinik und Poliklinik für Orthopädie, Unfallchirurgie und Plastische Chirurgie des Universitätsklinikums Leipzig. Wissenschaftlich beschäftigt er sich mit dem Einsatz von VR- und AR-Technologien für die Produktionstechnik sowie der medizinischen Ausbildung.

20.03.2020

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