Pictures of the Future      Herbst 2001

Operation: Transparenter Patient

Ein kahl rasierter Kopf, beleuchtet von grellen Operationslampen. Auf einem Monitor zeigt eine Kernspintomographie-Aufnahme einen Hirntumor in der Größe eines Golfballs, etwa 7 cm unter der Schädeldecke. Der Chirurg wirft einen Blick darauf und betrachtet dann nachdenklich den Patienten. Aus Erfahrung weiß er, wie groß und wie tief der Einschnitt sein muss. Der Eintritts­winkel? Welche Bereiche des Gehirns er unbedingt vermeiden muss? Nun, das sind die Dinge, die man in der Ausbildung lernt. Neurochirurgie ist Sub­millimeter-Präzisionsarbeit.

Obwohl viele Operationstechniken heute schon eine beeindruckende Zahl bildgebender Verfahren einsetzen – Kernspintomographie (MR = Magnetic Resonance), Computertomographie (CT), Ultraschall (US) und andere – werden die Eingriffe fast noch genauso durchgeführt wie vor 20 Jahren. Woher weiß der Chirurg, wo genau ein Tumor, ein Blinddarm oder ein Polyp sitzt und wie er schneiden muss? Meist verlässt er sich dabei auf das anatomische Konzept in seinem Kopf und einen gelegentlichen Blick auf den Monitor. Doch dies wird sich bald ändern. In Forschungslabors wird an Technologien gearbeitet, die die heutigen Operationstechniken so vorsintflutlich erscheinen lassen wie Kompass und Sextant in der Navigation.

Die vielleicht bahnbrechendste dieser neuen Technologien ist die "In-situ-Visualisierung", auch bekannt als "Augmented Reality Image Guidance", also die Führung des Chirurgen durch Methoden der erweiterten Realität. Dabei wird das reale Umfeld mit virtuellen 3D-Bildern "angereichert". Dies geschieht entweder, indem diese Computerbilder situationsgerecht in einen Datenhelm (ein Head-Mounted Display, HMD) eingeblendet oder auf eine halbdurch­lässige Glasscheibe projiziert werden, die sich über den OP-Tisch schwenken lässt. Die Bilder können von fast jedem digitalen Diagnosegerät stammen.

Strukturen, wie z.B. tief sitzende Tumoren, die normalerweise nicht sichtbar sind, erscheinen nun im Sichtfeld des Chirurgen in ihrer genauen Größe, Form und Position, auch im Verhältnis zu den sichtbaren Objekten wie etwa dem Kopf des Patienten. Die bereits erreichbare Genauigkeit ist verblüffend: die Abweichungen von den tat­sächlichen Maßen sind kleiner als 1 mm. Für den Neurochirurgen Gregory J. Rubino von der School of Medicine der University of California, Los Angeles, öffnet sich damit die Tür zum "transparenten Patienten". Rubino, der die neue Technologie auf ihre klinische Anwendbarkeit hin untersucht, urteilt: "Eine derartige Augmented Vision kann die chirurgische Planung auf sehr intuitive und effiziente Weise unterstützen."

Das Potenzial der In-situ-Visualisierung reicht aber noch weiter, als bloß zu entscheiden, wo ein Eingriff zu erfolgen hat und wie groß der Schnitt sein soll. Ein Hauptproblem der Chirurgie liegt darin, dass sich die Organe bewegen, sobald der Patient "offen" ist. Dies gilt besonders in der Gehirnchirurgie, wo derartige Bewegungen ein hohes Risiko darstellen. Daher hat sich Rubino, der mit Siemens Medical Systems kooperiert, zu einem ungewöhnlichen Schritt entschlossen und in seinem Operationssaal einen MR-Scanner installiert. Während der Operation werden vom Patienten in regelmäßigen Abständen MR-Aufnahmen erstellt. So erhält der Neurochirurg stets aktuelle Bilder der Hirnanatomie und kann die Position eines Tumors in jeder Phase der Operation genau bestimmen. Bislang haben Rubino und sein Team über 100 dieser intraoperativen MR-Verfahren durchgeführt.

Der nächste Schritt besteht darin, die Bilder, die normalerweise nur auf einem Monitor erscheinen, auf Augmented-Reality-Geräte zu übertragen. Dr. Frank Sauer, Mitarbeiter von Siemens Corporate Research (SCR) in Princeton (New Jersey/USA), der medizinische HMD-Anwendungen entwickelt und eng mit Rubino zusammenarbeitet, erläutert das Verfahren: "Unsere Technologie ermöglicht eine einzigartige dynamische Sehweise. Am Rahmen, der den Kopf des Patienten während der Operation still hält, haben wir etliche Markierungen angebracht. Mit deren Hilfe berechnet ein Infrarotsensor auf dem HMD des Arztes dessen genaue Position und seinen Blickwinkel. Daher kann der Chirurg völlig frei um den Patienten herumgehen und den Tumor aus jeder Position unter die Lupe nehmen. Das hilft ihm, den besten Weg für die Operation zu finden. Und dadurch werden die Behandlungsergebnisse deut­lich verbessert."

Die Augmented-Reality-Technik wird in den nächsten Jahren für einen wichti­gen Innovationsschub in der Chirurgie sorgen: So kann eine Vielzahl unter­schiedlicher diagnostischer Bilder ins Sichtfeld des Chirurgen eingeblendet werden und ihm unmittelbar die Lage von Tumoren oder anderen versteckten Strukturen anzeigen. Ebenso wäre es ein Leichtes, diagnostische Informatio­nen von Datenbanken direkt in den OP zu übermitteln, z.B. von Kranken­häusern und anderen Institutionen. Auch die anderen Technologien, die auf den nächsten Seiten vorgestellt werden, können mit dieser universellen Methode kombiniert werden.

Einige Technologien, etwa die virtuelle Dickdarmspiegelung, werden bislang rein diagnostisch eingesetzt. Aber in Verbindung mit fortschrittlichen Geräten zur In-situ-Visualisierung werden sie bald eine wichtige Rolle bei der Simu­lierung operativer Abläufe spielen und den Chirurgen helfen, schnell und genau zum Ziel zu gelangen.

Ein paar Schritte von Frank Sauers Labor entfernt, entwickelt der SCR-Forscher Dr. Bernhard Geiger neue Wege, um Polypen oder Anomalien im unteren Darmbereich, der Speiseröhre, den Bronchien und den Hauptarterien zu unter­suchen. Die bisher eingesetzten Diagnoseverfahren sollen durch Technolo­gien ergänzt oder ersetzt werden, die es den Ärzten erlauben, durch Teile des Körpers gewissermaßen "hindurchzufliegen". Dank neuer, bei SCR ent­wickelter Algorithmen könnte etwa die Dickdarmspiegelung – eine Prozedur, bei der man Endoskope zur Aufspürung von Anomalien verwendet – bald so unproblematisch werden wie eine Aufnahme mit dem Computertomographen. "Es wird nur noch eine CT-Aufnahme gemacht, ein Endoskop ist nicht mehr notwendig", erklärt Geiger. Der Arzt untersucht das CT-Bild des Patienten mit einem virtuellen Endoskop, als würde er sich durch den tatsächlichen Dick­darm bewegen. Wenn er nichts findet – was meist der Fall ist –, kann der Patient beruhigt nach Hause gehen.

Bisher erfordern virtuelle Dickdarmspiegelungen allerdings noch dieselbe unangenehme Vorbereitung wie reale: Der Darm muss geleert und gesäubert werden. Um den Patienten dies zu ersparen, arbeiten Geiger und andere an einer digitalen Darmentleerung. "Wir wollen den Darminhalt digital von den Bildern entfernen", sagt Geiger. "Wenn wir diese lästigen Vorbereitungs­pro­zeduren überflüssig machen könnten, würden wir eines der Haupt­argumente aus der Welt schaffen, warum Darmspiegelungen häufig vermieden werden. Außerdem könnte das Verfahren dadurch viel schneller und kostengünstiger durchgeführt werden."

Bevor eine virtuelle Untersuchung eine echte ersetzen kann, müssen die Daten jedoch in Bilder umgesetzt werden, die so realistisch sind, dass sie vom Standpunkt eines Internisten von "realen" Bildern nicht zu unterscheiden sind. Dafür ist der Bildverarbeitungs-Experte Gianluca Paladini verantwortlich. Er hat eine "Rendering Engine" entwickelt, eine Art Bildaufbereitungsmaschine für das so genannte SCR Imaging and Visualization Toolkit (IVT). Damit lassen sich 3D-Rekonstruktionen von CT- und MR-Daten in unvergleichlicher Qualität, Detailgenauigkeit und Realitätsnähe erzeugen. Rendering nennt man ein Computer-Verfahren, das die Farbe und Helligkeit von Oberflächen in Abhän­gig­keit von ihrer Geometrie, dem Material und der Beleuchtung berechnet.

Da Bildverarbeitungsgeräte wie MR oder CT eingesetzt werden, um Unter­suchungen wie die virtuelle Darmspiegelung durchzuführen, wird sich die Ärzteschaft bald mit einer Datenflut bislang unbekannten Ausmaßes kon­frontiert sehen. "Wir werden bald bei 1 Gbyte pro Patient angelangt sein", so Dr. Alok Gupta, Leiter der Abteilung Bildverarbeitung und Visualisierung bei SCR. "Daher brauchen wir das digitale Äquivalent zu einer Goldwäscher­pfanne, die die wertvollsten Informationen herausfischt."

Guptas Team entwickelt daher eine neue Methode, die er "interaktive computer­gestützte Diagnostik" nennt. Sie soll Radiologen ermöglichen, in kurzer Zeit große Mengen an CT-Bildern betrachten zu können, ohne dabei entscheidende diagnostische Daten zu übersehen. "Wir entwickeln Techno­logien, mit denen Ärzte verdächtige Regionen genauer beleuchten, sie von den Gesamtdaten isolieren und Berechnungen vornehmen können", sagt Gupta. Besonders sinnvoll ist diese Technik, wenn es um Folgeuntersuchungen von langsam fortschreitenden Symptomen wie etwa präkanzerösen Leberknötchen geht, wo immer exakt dieselben Knötchen lokalisiert und über einen längeren Zeitraum beobachtet und verglichen werden müssen.

Darüber hinaus beschäftigt sich Guptas Team, allen voran Dr. Bharat Rao, mit Anwendungen der digitalen Goldwäscherpfanne (im Fachjargon "Data Mining"), die sich nicht nur auf die individuellen Daten des jeweiligen Patienten stützen, sondern die auch auf eine große Informationsdatenbank für das Krankheitsmanagement zugreifen. Dabei sollen umfassende "retrospektive" Studien an die Stelle der in Krankenhäusern üblichen prospektiven Unter­suchungen individueller Krankheiten treten und lebensrettende Informationen liefern. Wie Rao erläutert, "unterstützt dieses Konzept den Arzt bei seiner Ent­scheidung, indem es ihm einerseits Feedback über den jeweiligen Patienten liefert, sich andererseits aber auch auf Informationen stützt, die von der Gesamt­bevölkerung stammen."

Dr. Shahram Hejazi ist es gewohnt, sich auf die Zukunft zu konzentrieren. Als Leiter des Innovationsfelds "Health" bei Siemens Corporate Research blickt er nach vorn, analysiert neue Märkte und die Geschäftschancen von morgen. Im Bereich der Chirurgie lautet seine Vision für die Zukunft: Smaller is beautiful. "Vor 20 Jahren betrug die Rekonvaleszenzphase nach Knieoperationen fast drei Monate. Heute sind es ein bis zwei Wochen. Warum? Weil das Knie nicht mehr großflächig aufgeschnitten wird, sondern nur an zwei oder drei Punkten. Die Werkzeuge sind kleiner und intelligenter geworden." Dasselbe gelte für eine Reihe weiterer Prozeduren in der Gastroenterologie, der Neuro- und der Herzchirurgie. In Zukunft, so Hejazi, seien allerdings noch viel beeindruckendere Dinge zu erwarten.

Beispielsweise in der Krebschirurgie: Hier stellen Metastasen das größte Hindernis zum Erfolg dar. Wie kann ein Chirurg die Zellen aufspüren, die sich mit dem Blutkreislauf verteilen? Eine mögliche Antwort lautet: mit "molekularer Bildverarbeitung" – einer Technologie, die neue Kontrastmittel einsetzt. Diese fluoreszieren im Bereich des nahen Infrarots, was den Einsatz von sehr kos­ten­günstigen Geräten erlaubt. So haben Wissenschaftler am Massachusetts General Hospital in Boston Moleküle entwickelt, die erst dann im Infraroten strahlen, wenn sie speziellen Enzymen aus den Stoffwechselprozessen der Krebszellen ausgesetzt sind. Hierzu der Leiter der Grundlagenentwicklung bei Siemens Medical Solutions, Peter Kleinschmidt: "Wir haben bereits ein Gerät entwickelt und getestet, das diese Moleküle erkennt, wenn sie leuchten. Unser Ziel ist ein Bildverarbeitungssystem, das Krebszellen schon in einem sehr frühen Stadium identifizieren kann. Das Potenzial dieser Methode ist außer­ordentlich groß, weil man mit ihr zwischen verschiedenen Tumorarten differenzieren kann. Wir nennen dies die virtuelle Biopsie" (siehe oben). Darüber hinaus, sagt Kleinschmidt, werden auch Moleküle entwickelt, die für einen Kernspintomographen sichtbar werden, sobald sie mit einem Tumor in Kontakt kommen: "Da diese Marker alle auf dem Niveau einzelner Zellen arbeiten, eröffnen sich dadurch Chancen, dereinst Krebserkrankungen Zelle für Zelle mit einem chemischen Skalpell zu behandeln, ohne dabei gesundes Gewebe zu verletzen."

Könnte dies tatsächlich zu einer Behandlung auf Zellebene führen? Aber sicher, betont auch Hejazi: "Wir arbeiten daran, MR-Bilder von Krebsgewebe auf die Anatomie eines tatsächlichen Patienten zu projizieren. Das ist also eine Augmented-Reality-Darstellung der betroffenen Organe mit der Abbildung molekularer Prozesse, etwa der Bindung von Fluoreszenzmarkern an die Enzyme der Krebszellen". Mit dem richtigen Werkzeug, so ist Hejazi überzeugt, sei dies "ein Schritt in Richtung molekularer Chirurgie".

Ferngesteuert von Chirurgenhand werden Roboterinstrumente bereits heute in einigen Krankenhäusern eingesetzt (siehe Experten-Interviews: Augmented Reality und Robotertechnik). Laut Intuitive Surgical, einem führenden Hersteller von Robotik-Systemen für den OP, haben sogar am Herzen schon zahlreiche solcher robotergestützten Operationen stattgefunden, von Reparaturen der Mitralklappen bis zur Verpflanzung von Herzkranzgefäßen. "Die bislang einge­setzten Roboterinstrumente sind mitunter noch recht schwerfällig", meint Klein­schmidt. "Aber die Chirurgen werden schon in den nächsten Jahren immense Unterstützung von neuen verkleinerten Versionen dieser Techno­logien bekommen."

Der Trend zu kaum sichtbaren Roboter-Instrumenten wird eine Reihe von Vorteilen mit sich bringen. Roboter zittern nicht, und wenn per Roboter operiert wird, sind Bereiche, die steril zu halten sind, nicht mehr dem menschlichen Kontakt ausgesetzt. Auch die chirurgische Planung wird vereinfacht: Ein Roboter bewegt sich genau auf dem Pfad, den ihm der Arzt vorgegeben hat. Und schließlich sinkt auch die Menge an benötigten Narkosemitteln, die Wunden sind kleiner, und der Patient erholt sich schneller.

So ungewöhnlich die absehbaren Fortschritte für die Chirurgie aber auch sein mögen: Es lässt sich nicht bestreiten, dass die alte Kunst des Schneidens und Heilens lediglich die Reparatur eines Defekts ist. Aber ließe sich nicht ein Großteil der Defekte unseres Körpers von vornherein vermeiden? Der Schlüssel dazu sind Gen- und Proteintests. "Darin liegt sicherlich die Zukunft", glaubt Kleinschmidt und ergänzt, "gemeinsam mit anderen Unternehmen arbeiten wir an der Entwicklung entsprechender Produkte." So denkt er, dass Firmen bald in der Lage sein werden, Mikrochips zu entwickeln, mit denen eine Probe simultan tausenden von Gen- oder später auch Proteintests unterworfen werden kann.

Die Bedeutung eines solchen künftigen Produkts lässt sich kaum über­schätzen. Der Hausarzt könnte einfach eine Blutprobe nehmen, sie in ein Gerät von der Größe eines Anrufbeantworters injizieren und innerhalb von Minuten sagen, ob sein Patient Anzeichen einer Krankheit wie Prostatakrebs, Asthma oder Diabetes aufweist. Mit Geräten für Proteinanalysen könnte man Blut- oder Speichelproben speziellen Antikörpern aussetzen, die fluoreszieren, sobald sie mit krankhaft veränderten Proteinen in Berührung kommen. Abnorme Proteine würden durch die Wellenlänge ihrer Strahlung erkannt. "Mit einer derartigen Technologie könnten wir entstehende Tumoren Jahre im Voraus erkennen, lange bevor sie für Bildverarbeitungssysteme sichtbar werden", sagt Kleinschmidt.

Daher birgt die Bioinformatik – also die computergesteuerte Auswertung bio­logischer Informationen – das Potenzial für eine Revolution im Gesundheits­wesen, insbesondere in Kombination mit herkömmlichen Patienten­informa­tionen. Die Einführung von Gentests könnte den Behandlungszeitpunkt bis zur Stufe der Prädisposition vorverlegen (siehe oben). Derartige Prädispositio­nen für bestimmte Krankheiten könnten mittels subkutaner Chips überwacht und mit maßgeschneiderten Medikamenten behandelt werden, die über eine hohe spezifische Wirksamkeit verfügen. Voraussetzung für all dies wäre jedoch die Entwicklung von Technologien, die den absoluten Schutz privater medizinischer Daten gewährleisten.

Auf der Grundlage riesiger Datenbanken könnten Computer, die auf Gesund­heitsberatung spezialisiert sind, individuelle Vorschläge für Lebensstile und Ernährungspläne machen und so zur Erhaltung der Gesundheit beitragen. Dann wäre die Zeit gekommen, dass man sich im Gesundheitswesen weniger auf das Entdecken und Behandeln von Krankheiten konzentriert, sondern mehr auf den Erhalt von Gesundheit und Wohlbefinden. Kranken­häuser würden sich zu "Wellness-Centern" weiterentwickeln und OP-Säle würden zu hoch spezialisierten Zentren, in denen mikroskopisch kleine, von Chirurgen bediente Roboter-Instrumente in der Lage wären, selbst schwere Krankheiten zu heilen. Eine Zukunft, die uns heute noch utopisch erscheinen mag, die aber nach Aussagen der Fachleute gar nicht mehr so fern ist.
                                                                                                           Arthur F. Pease