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Projektbeispiel: Virtuelle Zweitmeinung

Virtuelle Zweitmeinung soll Ärzte unterstützen

In einem Forschungsprojekt hat die ZHAW School of Engineering die Basis zum Erstellen einer virtuellen Operationsumgebung entwickelt. Ärzte könnten damit in Zukunft die Planung und Durchführung von Operationen simulieren und so Risiken oder postoperativen Nebenwirkungen vorbeugen.

Die Institute für Mechanische Systeme (IMES), angewandte Informationstechnologie (InIT) und Angewandte Mathematik und Physik (IAMP) sowie das Zentrum für Aviatik (ZAV) forschen seit Jahren erfolgreich in den Disziplinen Biomechanik, Bilddatenverarbeitung, Medizintechnik und Mensch‐Maschine‐Interaktion. Ein interdisziplinäres Projekt führt die einzelnen Kompetenzen zusammen und bündelt damit das Potenzial der ZHAW School of Engineering im Bereich Gesundheit.

«Unsere Entwicklung soll auf eine Vielzahl weiterer medizinischer Bereiche angewandt werden können.»

Prof. Dr. Bernd Heinlein, Projektleiter, Institut für Mechanische Systeme (IMES)

Erst simulieren, dann operieren

Exemplarisch dient in diesem Projekt die Lendenwirbelsäule als Anwendungsgebiet. «Unsere Entwicklung soll aber auf eine Vielzahl weiterer medizinischer Bereiche angewandt werden können», so Bernd Heinlein, Projektleiter am IMES. «Konkretes Ziel des Projektes ist, dass der behandelnde Arzt basierend auf Bilddaten aus Computertomografie, Magnetresonanztomografie und Ultraschall ein patientenspezifisches, funktionales Modell erhält, mit welchem er die Operationsplanung und -durchführung simulieren kann.» Auf diese Weise lässt sich beispielsweise der Einfluss einer Bandscheibenoperation auf das postoperative Bewegungsausmass der Wirbelsäule ermitteln. Der Operateur kann verschiedene Zugangswege und Operationstechniken miteinander vergleichen und neue Konzepte erproben.

Chance für neue Operationstechniken

Mit modernen Bildgebungsverfahren sind bereits heute dreidimensionale, geometrische Darstellungen von biologischen Strukturen am Computer möglich. Deren funktionelle Eigenschaften wie Elastizität, Nicht‐Linearität oder Festigkeit hingegen sind weitaus schwieriger numerisch abzubilden. «Eine virtuelle Operationsplanung mit Einbezug der mechanisch‐funktionellen Randbedingungen ist bis jetzt nur sehr eingeschränkt möglich», so Heinlein. «Vor diesem Hintergrund bietet unser Projekt die Etablierung eines neuen Qualitätslevels in der invasiven Therapie.» Die Fallpauschalen‐Systeme der Schweiz und vieler anderer europäischer Länder standardisieren abrechenbare Leistungen. Neue Operationstechniken können dadurch nur bei einem klinisch verbessertem Ergebnis oder einer Kosteneinsparung etabliert werden. Numerische oder virtuelle Modelle bieten eine attraktive und sichere Methode, um den Nachweis einer Verbesserung zu erbringen.

 «Der Arzt erhält ein patientenspezifisches, funktionales Modell, mit welchem er die Operationsplanung und -durchführung simulieren kann.»

Prof. Dr. Bernd Heinlein, Projektleiter, Institut für Mechanische Systeme (IMES)

Erste Demoversion

In einem nächsten Schritt soll die Demonstrationssoftware in einem simulierten, klinischen Umfeld eingesetzt werden können. «Das heisst, der Arzt führt eine Operation real durch und reproduziert diese anschliessend virtuell», so Heinlein. Die funktionellen postoperativen Ergebnisse wie der Bewegungsumfang der Lendenwirbelsäule werden anschliessend dokumentiert und mit den virtuell berechneten Vorhersagen korreliert und ausgewertet. Als Endergebnis erhält der Arzt damit ein Computerprogramm, mit dem er zukünftig vorgängig die Operation planen und deren funktionellen Einfluss auf das muskulo‐skelettale System des Patienten simulieren kann.

Verknüpfung von Forschung und Lehre

Dieses interdisziplinäre Forschungsprojekt fliesst auch in die Lehre ein. Bereits heute werden in den einzelnen Bereichen mit Projekt‐ und Bachelorarbeiten neue Ideen und Lösungsansätze erarbeitet. So finden Studierende der Informatik oder Systemtechnik interessante Aufgaben in der Programmierung zur automatischen Segmentierung von Bilddaten oder Graphical‐User‐Interfaces. Die biomechanischen Fragestellungen werden grösstenteils im Studiengang Maschinentechnik abgehandelt. Aus dem Bereich der Aviatik kommt mit dem Arbeitsgebiet «Mensch‐Maschine‐Interaktion» ein Studiengang hinzu, der bisher noch nicht prominent im Thema Gesundheit vertreten war.

Auf einen Blick

Beteiligte Institute und Zentren:

          Beteiligte Studiengänge:

          Finanzierung: Sonderfinanzierungsprojekt der ZHAW School of Engineering

          Projektstatus: beendet – Weiterentwicklung durch ZHAW-Spin-off Numex-Solutions.