Simulationsumgebung für minimalinvasive Operationsverfahren

Forschung und Entwicklung im Geschäftsfeld Virtual Engineering

Simulationsumgebung für minimalinvasive Operationen und deren Instrumente

In der operativen Medizin ist eine Tendenz zu immer geringerer Invasivität zu verzeichnen. Konventionelle Operationstechniken werden zunehmend durch minimalinvasive bzw. interventionelle Eingriffe ersetzt. Dabei werden die Zugänge immer kleiner und auch natürliche Körperöffnungen und -wege genutzt. Dieser medizinische Trend wird maßgeblich durch die Fortschritte in der Medizintechnik vorangetrieben.

Minimalinvasive sowie interventionelle Eingriffe bedienen sich sehr komplexer technischer Hilfsmittel und Systeme (Videoendoskope, endoskopische Instrumente, Katheter, usw.). Diese bestehen sowohl aus mechanischen Komponenten als auch eingebetteten elektronischen Systemen und müssen ein Höchstmaß an Sicherheit und Zuverlässigkeit garantieren. Der Einsatz solcher Methoden und Systeme hängt dabei von den speziellen anatomischen Gegebenheiten ab, die sich von Patient zu Patient stark unterscheiden können.

© Fraunhofer IFF

Die minimalinvasive Chirurgie mit mehreren abdominalen Zugängen wird zunehmend durch neue Verfahren wie die Single-Port-Technik (SPT) ergänzt. Bei der SPT wird über nur einen wenige Zentimeter großen Zugang operiert. Diese neuen Zugangswege haben wesentlich die Entwicklung neuer Instrumente initiiert. Die SPT wird aktuell für einige Standard-Eingriffe eingesetzt. Die bisherigen Ergebnisse zeigen primär die Machbarkeit und die Patientenvorteile der SPT-Operationen, wobei ein höherer operativer Schwierigkeitsgrad verbunden mit teilweise noch nicht identifizierten Sicherheitsrisiken berücksichtigt werden muss. Zudem nehmen die technischen Schwierigkeiten und Risiken proportional zur Komplexität des Eingriffs zu. Komplexere Operationen mittels SPT werden deshalb derzeit nur selten durchgeführt.

Im Geschäftsfeld Virtual Engineering wird daran gearbeitet, solche neuartigen minimal-invasiven Verfahren und Instrumente in einer Testumgebung zu erproben und abzusichern. Dafür ist es erforderlich, alle relevanten Komponenten (u.a. virtuelle Patientenanatomie und Simulationsmodelle, medizinische Gerätetechnik und Instrumente) für komplexe Operationsszenarien zu integrieren. Der Fokus liegt dabei auf der Erprobung neuer Verfahren und Instrumente in einer virtuellen Umgebung mit dem Ziel der Optimierung der Sicherheit und Zuverlässigkeit.

Für die Echtzeitsimulation anatomischer Strukturen bilden geeignete virtuelle Modelle die Grundlage. Insbesondere für komplexe Strukturen wie Blutgefäße oder Gefäßsysteme werden optimierte Modellgenerierungsverfahren entwickelt. Ein Schwerpunkt ist die Echtzeitsimulation von Organen und Gefäßstrukturen. Hierfür werden verschiedene physikalische Simulationsmodelle eingesetzt und mit Hilfe moderner Hardware parallelisiert berechnet.

Die Arbeiten im Geschäftsfeld Virtual Engineering zur Entwicklung von Verfahren zur Modellgenerierung, Modelloptimierung, Visualisierung und zur physikbasierten Echtzeitsimulation sollen dazu beitragen, dass perspektivisch komplexe Eingriffe in einer virtuellen Testumgebung geplant und trainiert werden können.