ICCAS Innovation Center Computer Assisted Surgery

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1 ICCAS Innovation Center Computer Assisted Surgery Das Zentrum für Innovationskompetenz ICCAS startete 2005 an der Medizinischen Fakultät der Uni versität Leipzig mit zwei Nachwuchsforschungsgruppen, in denen Chirurgen, Ingenieure und Informatiker an der Entwicklung computergestützter Assistenzsysteme im Operationssaal (OP) zusammenarbeiten. Um neue Unterstützungssysteme zu entwickeln, die sich in erster Linie an den Bedürfnissen der Chirurgen orientieren, wurden Arbeitsabläufe und Prozesse im OP analysiert. Dies schuf die Basis für einen signifikanten Wissens vorsprung auf den Gebieten Modellierung von chirurgischen Arbeitsabläufen, Standardisierung von Datenformaten und Software-Systemintegration für die chirurgische Therapie. Grundlegende Forschungsergebnisse auf dem Gebiet der Informations technologie im OP wurden evaluiert und Prototypen von intelligenten Assistenzsystemen entwickelt und in die Klinik eingeführt. ICCAS ist heute ein international wettbewerbsfähiges wissenschaftliches Zentrum für computerassistierte Chirurgie sowie Kern eines Medizintechnologie-Clusters Sachsen mit einer Vielzahl von erfolgreich eingeworbenen Drittmitteln, Ausgründungen und strukturell-inhaltlichen Impulsen an der Universität Leipzig und benachbarten Hochschulen. Es strebt mit seinen angehenden Konzepten für den digitalen OP der Zukunft neue internationale Maßstäbe für die Sicherheit von Chirurgen und Patienten an. Die Ziele In der modernen Chirurgie herrscht ein deutliches Ungleichgewicht zwischen der zunehmenden patienten- und prozessrelevanten Datendichte und der computergestützten Assistenz der Operateure. Bisher müssen die komplexen, z. T. mehrdimensionalen Informationsstrukturen im Kopf des Operateurs gefiltert und gespeichert werden, was zu Informationsverlusten führen kann. Ziel des ICCAS-Konzepts ist die Überbrückung der Sicherheitslücken durch die Integration von Assistenzsystemen in den OP sowie deren Vernetzung. Bei der Weiterentwicklung des digitalen OP werden sämtliche Komponenten der Prozesskette Bildgebung, chirurgische Planung, intraoperative Assistenz, postoperative Dokumentation Berücksichtigung finden. Weitere Aufgaben sind die Ermittlung standardisierter Arbeitsabläufe im operativen Bereich, um optimale Behand lungs strate gien für klinische Anwendungsfälle festlegen zu können sowie die Entwicklung eines digitalen Patientenmodells, welches Diskussionen zur operativen Vorgehensweise während eines Eingriffs zulässt und virtuelle Simulationen ermöglicht. ICCAS wird seinen Beitrag zur Lehre an der Universität vorantreiben, um weitere Nachwuchsforscher aus den Bereichen Informatik, Medizin und Ingenieurwesen für das Gebiet der computergestützten Chirurgie zu gewinnen. Die in den ersten Jahren erfolgreich aufgebaute Infrastruktur im universitären, regionalen und auch internationalen Bereich schafft eine wesentliche Voraussetzung dafür, das bisherige Forschungs wissen in klinisch nutzbare Prototypen und Produkte umzusetzen. 1

2 Die Schaffung eines Prototyps für einen automatisierten spezialchirurgischen Arbeitsplatz ist Gegenstand der Forschungsarbeiten am ICCAS. Es werden Methoden, Instrumente, Systeme und Standards entwickelt, die zur Verbesserung der Informationsanalyse, Therapieentscheidung und chirurgischen Therapieausführung beitragen. 2

3 Neu entwickeltes Assistenzsystem zur Implantation von Aortenklappen- Prothesen, das eine automatische Einschätzung des optimalen Zielgebietes vornimmt. Der Chirurg kann den Weg des in fluoroskopischen Bildern angezeigten Implantates verfolgen und die richtige Platzierung vornehmen. Die thematischen Schwerpunkte (2004/-05 bis 2010) Die Forschungsarbeit am ICCAS erfolgte zunächst in den beiden Nachwuchsforschungsgruppen Scientific Methods und Surgical PACS. Durch die ständige Weiterentwicklung des Forschungsfokus aufgrund des hohen Innovationspotentials erfolgte im Jahr 2008 eine Neustrukturierung der Arbeitsgruppen. Forschungsarbeit 2005 bis 2007 Ein Forschungsschwerpunkt der Nachwuchsforschungsgruppe Scientific Methods lag auf der wissenschaftlichen Analyse chirurgischer Arbeitsabläufe in Form von Workflows. Diese dienen der Prozessoptimierung und Qualitätssicherung im OP und sind Grundlage der Entwicklung neuer, auf die Bedürfnisse der Chirurgen ausgerichteter Assistenzsysteme. Weitere zentrale Forschungsaufgaben dieser Gruppe waren die Visualisierung operationsrelevanter Daten zur Unterstützung der chirurgischen Planung sowie die Erweiterung existierender Kommunikat ions standards in der Medizin. Auf der Basis der exakten Beschreibung chirurgischer Problemstellungen wurden Lösungskonzepte entwickelt und in klinischen Studien erfolgreich angewendet. Die Nachwuchsforschungsgruppe Surgical PACS beschäftigte sich mit der Entwicklung einer prototypischen chirurgischen Arbeitsumgebung, die eine sinnvolle Integration von chirurgischen Assistenzsystemen zulässt. Die Forschungsaufgaben umfassten die Konzeption einer IT-Infrastruktur für den automatisierten OP sowie die Entwicklung innovativer Testsysteme für intraoperative Bildgebung, Mechatronik und Navigation. Die Gruppe schuf die Grundlagen zur Konzeption Modularer Systemarchitekturen (Surgical PACS). Diese ermöglichen eine interaktive Zusammenarbeit der computerassistierten Systeme und der Chirurgen. Forschungsarbeit 2008 bis 2010 Die chirurgischen Workflowaktivitäten wurden in der Projektgruppe Workflow and Knowledge Management weitergeführt. Diese entwickelte eine Methodik zur strukturierten Er fassung von OP-Verläufen. Zudem wurde eine interdisziplinär verständliche Sprache (Ontologie) erarbeitet, die einen ge mein samen Zugang zu den unterschiedlichen Begriffs- und Konzeptions welten im Bereich der computerassistieren Chirur gie schafft. Im Jahr 2007 erfolgte die erfolgreiche Ausgründung des Unter nehmens SWAN, welches Analysen wissenschaftlicher Arbeits prozesse mit einer weltweit neuartigen Methode zur Prozess da ten erfassung und -optimierung für den medizinischen Bereich anwendet. Die Gruppe Patient-Model arbeitete an der Entwicklung eines digitalen patientenspezifischen Konzepts zur modellgestützten Diagnose und Therapie. Schwerpunkte waren die Speicherung aller therapierelevanten Dateninformationen für konkrete klinische Anwendungsfälle sowie die Zusammenführung von Daten aus unterschiedlichen Informationsquellen. Die Arbeitsgruppe Therapy Imaging and Model Management Systems (TIMMS) schuf eine modulare Infrastruktur, welche die Integration von Geräten und Software-Programmen unterschiedlicher Anbieter erlaubt. Zudem wurde eine zentrale OP-Steuereinheit zur Erfassung und Kontrolle des Zustandes der technischen Komponenten im OP entwickelt. Das TIMMS- Konzept bündelt und speichert alle für eine Operation wichtigen Daten und macht sie verschiedenen Benutzergruppen zugänglich. Die Arbeit mündete in konkreten Lösungen für die Bereiche Neuro-, Herz- und HNO-Chirurgie. 3

4 Strukturiertes Erfassen komplexer klinischer Arbeitsabläufe mittels Workflow-Analysen zur Optimierung von medizinischen Prozessen. Das 2007 ausgegründete Unternehmen SWAN Scientific Workflow Analysis GmbH konnte sich seitdem mit neuartigen Methoden zur Erfassung valider Bewertungsgrundlagen für den OP-Betrieb erfolgreich auf dem Markt etablieren. Schädelmodell mit integrierter Elektronik für die Anzeige und Bewertung von Verletzungen gefährdeter Strukturen während eines chirurgischen Eingriffs am Felsenbein. Der Operateur kann den Schädel direkt am PC anschließen und seine eigenen Werkzeuge beim Fräsen verwenden. Seit 2007 entwickelt und produziert die Leipziger PHACON GmbH Demonstrationsmodelle für die Weiterbildung und das Training von Chirurgen. Es handelt sich um das zweite erfolgreich ausgegründete Unternehmen aus ICCAS. Die thematischen Schwerpunkte (2011 bis 2016) Die Forschungsgruppe Assessment of Surgical Automation Systems (ASSESS) entwickelte einen innovativen Ansatz zur Bewertung von Automationsfolgen sowie Interaktionen zwischen Mensch und Maschine in der Chirurgie. Die experimentellen Studien wurden im Demonstrator-OP, z. T. unter Verwendung von Phantommodellen, durchgeführt. Hieraus etablierte sich eine Technologie mit nationaler und internationaler Patentanmeldung. Im Jahr 2007 kam es zur erfolgreichen Ausgründung der Firma Phacon GmbH. Diese entwickelt und produziert medizinische Demonstrationsmodelle für die Simulation und das Training komplizierter chirurgischer Eingriffe. Die von der Universität Leipzig geförderte Projektgruppe Visualization in Medicine arbeitete an der Entwicklung der visuellen Verarbeitung von Patientendaten. Dazu gehören Erfassen, Analyse und Darstellung von Patientendaten und Bildern sowie deren Interaktion. Es erfolgte die Visualisierung von Patientenmodellen für unterschiedliche klinische Anwendungsfälle in Kooperation mit klinischen Partnern. In der zweiten Förderphase wird die bisherige Forschungsarbeit in den Gruppen Modellbasierte Automation und Integration im Operationssaal (MAI), Digitales Patentenmodell (DPM) und Standards (STD) konsequent fortgeführt. Dabei steht die klinische Umsetzung der modellbasierten chirurgischen Automation im Vordergrund, um dem Operateur vermehrt Informationen sowie eine stärkere technologische Unterstützung zukommen zu lassen und damit die Sicherheit im OP zu erhöhen. Weiterer Schwerpunkt ist die Weiterentwicklung eines High tech-raums für OP-Planungen zur genauen Vorbereitung und virtuellen Simulation komplizierter Operationen. In der Arbeit der Projektgruppe Modellbasierte Automation und Integration im Operationssaal (MAI) fließen sämtliche Ergebnisse vorangegangener sowie aktueller Forschungsaktivitäten zu Daten-Kommunikation und -Integration, Workflow-Management, IT-Infrastruktur, Patientenmodellen und Modularsystemarchitekturen zusammen. Hier erfolgt die 4

5 Entwicklung und Integration von standardisierten Systemen und Technologien für den digitalen OP. Die Informationssysteme sollen Operationen überwachen, dem Operateur den aktuellen Stand einer Operation wiedergeben und, wenn nötig, situationsabhängig in den Operationsverlauf eingreifen können. Die zeitliche und technische Unterstützung der Arbeitsabläufe soll die Durchführung von Operationen sicherer und effektiver machen, indem der Chirurg in seiner komplexen Arbeit entlastet wird. Für die Realisierung bedarf es der Entwicklung von Sensoren, die das Voranschreiten einer OP messen, um nächstfolgende Schritte vorschlagen bzw. einleiten zu können. Dafür ist ein Datenaustausch sämtlicher Geräte untereinander nötig, was ebenfalls ein Forschungsfeld der Gruppe MAI darstellt. MAI arbeitet zukünftig an der Entwicklung eines Prototyps für Workflow-Management-Systeme. Weiterhin wird die Entwicklung eines Prototyps zur Systemüberwachung verschiedener Operationssäle von einem Kontrollraum aus, ähnlich dem Flughafen-Tower, angestrebt. Das optimale Chirurgische Cockpit, welches weitestgehend die Assistenz des Chirurgen übernimmt, so dass sich dieser nur auf seine Kernaufgaben konzentrieren kann, bleibt zukunftsweisendes Ziel der Arbeit dieses Forschungs bereiches. Weiterentwicklung von medizinischen Standards im Bereich der computerassistierten Chirurgie mit dem Schwerpunkt auf Erweiterungen des DICOM-Standards. Die Abbildung zeigt Beispiele standardisierter Datenstrukturen zur Speicherung von Oberflächennetzen, Implantaten und Implantationsplänen. Im Zeitalter der fortschreitenden Digitalisierung besteht eine Patientenakte aus zahlreichen isolierten Datensätzen, die von spezifischen Informationssystemen und verschiedenartigen medizinischen Geräten stammen. Die komplexen Patientendaten können vom Chirurgen nur optimal ausgeschöpft werden, wenn sie in übersichtlicher und anschaulicher Form vor und während des operativen Eingriffs zur Verfügung stehen. Die Projektgruppe Digitales Patientenmodell erstellt informationstheoretische Konzepte zur mathematischen Be schreibung und Modellierung unterschiedlichster Patienten daten. Die daraus entwickelten Patientenmodelle verknüpfen und analysieren sämtliche für eine Operation relevante Daten und ermöglichen somit eine Rundumdarstellung des Patienten sowie seines erkrankten Organs. Mit Zunahme des Einsatzes technischer Hilfsmittel im OP steigt die Problematik der unzureichenden Vernetzungsmöglichkeiten zwischen Systemen verschiedener Hersteller. Die volle Effizienz von chirurgischen Assistenzsystemen kann somit nicht ausgeschöpft werden, was sich negativ auf die ohnehin straff organisierten Arbeitsabläufe im OP auswirkt. Die Projektgruppe Standards (STD) beschäftigt sich mit Informations- und Kommunikationsschnittstellen technischer Systeme im OP, die durch ein standardisiertes Format einen optimalen Datenaustausch zwischen den einzelnen Geräten ermöglichen. Ein Forschungsschwerpunkt liegt dabei auf der Er kennung standardisierungsrelevanter Anwendungsfälle durch detaillierte Beobachtung chirurgischer Arbeitsabläufe im OP. Darauf aufbauend werden in Kooperation mit Partnern aus der Industrie Erweiterungen etablierter Standards erarbeitet und die Unternehmen bei der praktischen Umsetzung unterstützt. Bevorstehendes Ziel der Forschungsarbeit ist die Erweiterung des Standards Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) für Oberflächenscanner. Dies ermöglicht die Übertragung und Speicherung von Oberflächennetzen auf zentralen Datenspeichern (PACS). DICOM ist ein bedeutender, offener Standard zum Austausch von Informationen in der Medizin. Bei dessen Erweiterung nimmt das ICCAS bereits eine weltweit führende Position im Teilbereich der Standardi sie rungen für die Chirurgie ein. Ein weiteres Ziel der Forschungs arbeit ist die Gründung einer Integrating the Healthcare Enterprise (IHE)- Domäne für den Bereich der Chirurgie, für die bereits drei Integrationsprofile zur Implantatplanung existieren. IHE ist eine weltweite Initiative von Anwendern und Herstellern, welche die einheitliche Verwendung etablierter Standards beschreibt, um eine Verbesserung des elektronischen Daten austausches zwischen IT-Systemen im Gesundheitswesen zu erreichen. 5

6 Bilder: ICCAS ICCAS-Konzept OP 2.0 zur Entwicklung einer modellbasierten chirurgischen Automation, bestehend aus einer Vielzahl an hochtechnologischen Einzel komponenten. Im neuen ICCAS-Konzept-OP sollen zukünftig die Forschungsergebnisse zum optimalen Patienten- und Prozessmodell für ausgewählte chirurgische Eingriffe klinisch umgesetzt werden sowie neuartige chirurgische Assistenzsysteme integriert werden. Die Partner Universitätsklinikum Leipzig, insbesondere Klinik und Poliklinik für Hals-, Nasen- und Ohrenheilkunde und Klinik und Poliklinik für Neurochirurgie Herzzentrum Leipzig GmbH Universitätsklinik Universität Leipzig, Fakultät für Mathematik und Informatik und Medizinische Fakultät Otto-von Guericke-Universität Magdeburg, Fakultät für Informatik Technische Universität München, MIMED Institute of Micro Technology and Medical Device Technology Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) Dresden Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig (HTWK) International Reference and Development Center for Surgical Technology (IRDC), Leipzig Phacon GmbH, Leipzig SWAN Scientific Workflow Analysis GmbH, Leipzig Karl Storz GmbH & Co. KG, Tuttlingen Siemens AG, Healthcare Sector Carl Zeiss AG, Oberkochen NEMA National Manufacturers Association, Rosslyn, Virginia, USA inomed Medizintechnik GmbH, Emmendingen VisAGeS Lab, Rennes, Frankreich Integrating the Healthcare Enterprise IHE Karlsruher Institut für Technologie, Institut für angewandte Informatik Kontakt Prof. Dr. med. Jürgen Meixensberger Sprecher des Vorstandes Universität Leipzig Medizinische Fakultät Semmelweisstraße 14, Leipzig Tel.: , Fax:

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