Die moderne rechnergestützte Chirurgie wartet mit immer innovativeren Lösungen auf, die den Chirurgen bei seiner Arbeit entlasten, oder ihm neue Möglichkeit zur Intervention geben. Dazu zählen auch Systeme der Erweiterten Realität oder chirurgischen Robotik, wie sie im Rahmen dieses Sonderforschungsbereichs entwickelt werden. Der Einsatz dieser Systeme im Operationssaal ist jedoch mit entsprechenden Methoden zur Vorbereitung und Planung verknüpft und definiert damit neue Anforderungen an Planungssysteme. Nur ein intuitiv zugängliches Planungssystem kann diesen Anforderungen gerecht werden. Dabei müssen vom Planungssystem einerseits neue Methoden der chirurgischen Planung zur Verfügung gestellt werden und andererseits ein sicherer und zügiger Umgang möglich sein. Übergeordnetes Ziel sollte hierbei sein, die Planung durch eine immer weitergehende Automatisierung zu beschleunigen, um sie auch intraoperativ einsetzbar zu machen.

Ziel des Teilprojektes K1 ist die Entwicklung eines Operationsplanungssystems das den oben genannten Anforderungen gerecht wird. Als zentrales Projekt verknüpft es die Methoden der Bildaufnahme und -verarbeitung mit denen der intraoperativen Umsetzung mittels Erweiterter Realität und chirurgischen Robotik.

Da das zum Zeitpunkt der letzten Antragsstellung vorhandene Planungswerkzeug zu restriktiv bezüglich seiner Integrationsfähigkeit war, soll das Werkzeug in der laufenden Antragsphase durch modulare Konzepte zu einem offenen Operationsplanungs- und -steuerungssystem weiterentwickelt werden. Wichtige Gesichtspunkte sind dabei eine strukturierte Benutzerführung für eine optimale Vorgehensweise bei gleichzeitiger Integration von Qualitätssicherungsmaßnahmen. Darüber hinaus sollen insbesondere Datenschnittstellen redefiniert und erweiterbar gemacht werden, um neue intraoperative Werkzeuge, wie die durch das neue Teilprojekt K4 bereitgestellte Erweiterte Realität auf gleicher Basis integrieren zu können.

Das Robotersystem RobaCKa (Roboter assistiertes Chirurgiesystem Karlsruhe), das in den beiden vorrangegangenen Antragsphasen zum automatischen Fräsen von Trajektorien am Schädel entwickelt wurde, wurde in der Antragsphase 2002-2004 erstmals an einem Patienten im Rahmen einer klinischen Studie eingesetzt. Dies umfasst mehrere wichtige Teilaspekte wie Sicherheit, Risikoanalyse, Planung und enge interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren und Chirurgen. Nach dem Aufbau einer Testumgebung, den Tests an Tierkadavern und dem Aufzeichnen von Linien auf die Haut von freiwilligen Probanden, erfolgte die Anmeldung der klinischen Studie bei Ethikkommission und Regierungspräsidium. Als notwendige Vorraussetzung dazu erfolgte eine systematische Risikoanalyse, die das Design von Hard- und Software, sowie die Bedienung umfasst. Wesentliche Aspekte eines sicheren Chirurgierobotersystems sind neben der intuitiven Bedienung langsame und vorhersehbare Bewegungen des Roboters, multisensorielle Überwachung, eine wohldefinierte Systemarchitektur und gute Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren und Medizinern während der Operation. Die interdisziplinäre Kooperation beginnt nicht erst im Operationssaal, sondern bereits bei der Bildgebung. Nach der Datenakquisition von CT-Bildern und deren anschließender Aufbereitung muss der Eingriff geplant werden, bis er schließlich durch den Operateur und Roboter zur Ausführung kommt: die im Teilprojekt Q1 generierten Oberflächen- und Volumenmodelle werden vom Teilprojekt K1 zur Planung, und anschließend vom Teilprojekt K3 zur Durchführung der roboterunterstützten Fräsungen benötigt. Die Planung der zu fräsenden Trajektorie wird mit Hilfe des im Teilprojekt K1 entwickelten Operationsplanungssystem "KasOp" vorgenommen. Wesentlich ist auch die Planung eines günstigen Standorts des Roboters zum Patienten, da sonst die komplexen Trajektorien (mit häufigen Positions- und Angulationswechseln) nicht ausgeführt werden können. Anschließend wird die Trajektorie und die Roboterposition zu der Steuerung des Roboters übertragen, und die interoperative Umsetzung erfolgt mittels der Schritte: (1) Fixierung des Patienten und Implantation des Rigid-Bodies, (2) Abdeckung des Roboters und Positionierung im Raum, (3) Registrierung, (4) Aufzeichnen der Trajektorie mit steriler Farbe und (5) Fräsen der Trajektorie.

In diesem Teilprojekt werden Techniken und Systeme der Erweiterten Realität (ER) entwickelt und klinisch evaluiert. Ziel ist die Visualisierung präoperativ gewonnener Informationen direkt über dem chirurgischen Operationsfeld, so dass diese Daten aus Sicht des Operateurs eine Einheit mit dem Patienten darstellen. Die zu visualisierenden Daten beinhalten hierbei sowohl patientenspezifische anatomische Strukturen und Pathologien als auch die Ergebnisse präoperativer Planung und Simulation eines operativen Eingriffs.

Neben der Entwicklung geeigneter Hardware sind die softwaretechnischen Voraussetzungen für den klinischen Einsatz der Prototypen herzustellen. Hierzu gehören die Kalibrierung der jeweils verwendeten Überlagerungsoptik, die korrekte Registrierung zu überlagernder Daten mit dem Patienten und die Erkennung und Behebung von Überdeckungen in der Erweiterten Realität. Weitere Aspekte beinhalten die Kooperation mit intraoperativer Bildgebung oder Robotik, die Anpassung an sich während der Operation verändernde anatomische Gegebenheiten oder die intraoperative Überarbeitung der Planung in Echtzeit.

Das vorliegende Teilprojekt entstand 2001 durch die Bündelung aller Aktivitäten des Sonderforschungsbereichs zum Thema Erweiterte Realität. Zu diesem Zeitpunkt existierten bereits zwei Ansätze zur projektorbasierten und zur brillenbasierten Erweiterten Realität, welche in den Teilprojekten Q1 ("Zielgebietsdarstellung") und Q5 ("Intraoperative Präsentation") in den Jahren 1999 bis 2001 entwickelt worden waren.

Jedes in diesem Teilprojekt entwickelte System wird zunächst in einer Laborumgebung getestet und anschließend klinisch evaluiert. Erste Versuche im Operationssaal werden am Phantomschädel durchgeführt und haben die Abstimmung der Systeme mit den spezifischen Gegebenheiten und Abläufen zum Ziel. Im Anschluss wird für jeden realisierten Prototypen ein positives Votum der Ethikkommission der Universität Heidelberg angestrebt, um mit Probanden und später mit ausgewählten Patienten unter realen klinischen Bedingungen Versuche durchführen zu können.

Die 3D-Sonographie hat sich durch die Untersuchungen der vergangenen Jahre als ein zuverlässiges und logistisch verfügbares Verfahren erwiesen, das die Palette der Bildgebung in Diagnostik, Therapieplanung und Verlaufskontrolle von Skelettmetastasen effektiv verbessern kann. Die Akquisition eines Volumendatenblocks erlaubt unter anderen die verlässliche und klinisch relevante Analyse ausgedehnter Prozesse und die objektive Nachvollziehbarkeit der Ergebnisse.

Der andere Schwerpunkt in diesem Projekt liegt auf der Evaluierung und Verbesserung der Generierung von Oberflächenmodellen. Dabei sind zwei Arten der Modellerstellung zu unterscheiden:

Zum einen die Erstellung und Evaluierung von individuellen Oberflächenmodellen aus dem realen Datensatz eines Patienten: Das Softwaretool "Patientenmodell" erlaubt die transparente Steuerung der Prozesskette zur Erstellung von dreidimensionalen Modellen aus Bilddatensätzen. Hierzu wurden zunächst die einzelnen Verarbeitungsschritte der notwendigen Prozesskette offengelegt und für den Benutzer nachvollziebar mit Hilfe der entwickelten Dokumentationssprache "KaPML" dokumentiert. Segmentierung, 3D-Visualisierung, Dezimierung, Glättung usw. werden in Form eines Ablaufdiagrammes dargestellt. Die Parametrisierung der Algorithmen kann so gezielt im Hinblick auf die Präzision optimiert werden. Anschliessend erlaubt das Evaluierungstool Kanalyze die Qualitätskontrolle der Erstellung von Modellen aus Bilddatensätzen. Dabei ist sowohl ein graphisch-visueller Datenvergleich, in Form von Differenzmodellen als auch ein quantitativer Vergleich möglich.

Zum anderen die Erstellung und Evaluierung von idealen Oberflächenmodellen aus Datensätzen mehrerer Patienten: Die Erstellung von Referenzmodellen für eine gezielte Operationsplanung wurde in einem weiteren Softwarepaket etabliert und anhand mehrerer Trainingsdatensätze evaluiert. Die Qualität der Referenzdatenbank wächst dabei kontinuierlich mit der Erhöhung der Zahl der zugrundeliegenden Datensätze. Mit den hier etablierten Methoden der Erstellung von Referenzmodellen und des Modellvergleichs werden zugleich die Methoden für den Soll-Ist Vergleich von prä-, intra- und postoperativen Daten bereitgestellt. So wird die erforderliche Qualitätssicherung für die klinische Anwendungen neuer Methoden in anderen Teilprojekten ermöglicht.