HMZ SURGENT: die augmentierte Chirurgie

Eine holografische Navigation von einer Schraubenplatzierung bei einer Wirbelsäulenoperation.

SURGENT steht für die Implementierung modernster Technologien in der hochpräzisen Wirbelsäulenchirurgie, welche die Fähigkeiten der Chirurginnen und Chirurgen erweitern können (Surgeon Enhancing Technologies). Ziel ist die Entwicklung eines neuen Standards, der eine personalisierte chirurgische Behandlung durch die Verwendung der innovativsten Methoden ermöglicht.

Operationen an der Wirbelsäule sind sehr komplex und erfordern höchste Präzision. Bisher hingen sowohl die Analyse und Interpretation der Krankheitsbilder als auch die Planung und Ausführung des Eingriffs stark von der Erfahrung und den Fähigkeiten der Chirurginnen und Chirurgen ab. Unter der Projektleitung der Universitätsklinik Balgrist haben die Forschungsgruppen von SURGENT in den vergangenen drei Jahren erfolgreich die Entwicklung, Integration und Optimierung modernster Technologien im Bereich der präoperativen patientenspezifischen Planung, der intraoperativen holographischen Navigation mit Augmented Reality (AR) und der künstlichen Intelligenz vorangetrieben. Als Resultat dieses ambitionierten Forschungsprojekts konnte im Dezember 2020 die weltweit erste direkt holographisch navigierte Wirbelsäulenoperation durchgeführt werden. Auf Basis präoperativer CT-Bildgebungen werden 3D-Darstellungen der betroffenen Anatomie generiert, die mit Hilfe einer AR-Brille während der Operation direkt im Operationsfeld angezeigt werden. Zusätzlich werden laufend Messwerte und Daten eingeblendet, um die Umsetzung der Planung zu ermöglichen. Diese Operation war die erste in einer Reihe von Eingriffen im Rahmen einer randomisierten klinischen Studie.

Das SURGENT-Projekt gliederte sich in vier Teilbereiche. In einem ersten Teil wurden Methoden der künstlichen Intelligenz eingesetzt, um wichtige strukturelle und funktionelle Informationen aus klinischen Bilddaten zu extrahieren und in biomechanische, patientenspezifische Modelle zu integrieren. So helfen beispielsweise neu entwickelte MRI-Protokolle dabei, dass Computeralgorithmen verschiedene Strukturen wie Knochen oder Nerven automatisch erkennen und verarbeiten können. In einem zweiten Schritt werden diese Modelle als Grundlage für biomechanische Simulationen verwendet, wodurch eine personalisierte Operationsplanung berechnet werden kann. Eine im Rahmen von SURGENT neu entwickelte Methode erlaubt es den Forschenden beispielsweise, unterschiedliche Konfigurationen von Wirbelsäulen-Implantaten in Bezug auf deren funktionelle und biomechanische Eigenschaften patientenspezifisch zu evaluieren, um postoperative Resultate vorauszusagen. Der dritte Teilbereich konzentrierte sich auf die Überführung der Augmented Reality (AR) in den echten Operationssaal. In unserem Ansatz stellt die AR-Brille die Kommandozentrale der Chirurgin / des Chirurgen im Operationsaal dar, in der alle für einen kritischen Operationsschritt relevanten Daten zum richtigen Zeitpunkt eingeblendet werden. Im vierten Projektteil wurden Methoden der künstlichen Intelligenz eingesetzt, um die Hand- und Augenbewegungen der Chirurgen während der Operation laufend zu analysieren und sie so vorzeitig vor möglichen Fehlern zu warnen.

Das SURGENT-Projekt war wissenschaftlich äusserst erfolgreich. Es resultierten daraus über 40 wissenschaftliche Publikationen und Kongressbeiträge. Mehr dazu unter: https://www. hochschulmedizin.uzh.ch/de/projekte/surgent.html

Prof. Dr. med. Mazda Farshad, MPH, ist Ordinarius für Orthopädie der Universität Zürich und gleichzeitig Medizinischer Spitaldirektor sowie Chefarzt Orthopädie und Wirbelsäulenchirurgie der Universitätsklinik Balgrist.

Prof. Dr. sc. Philipp Fürnstahl ist Leiter des ROCS-Teams der Univer- sitätsklinik Balgrist. ROCS forscht an der Schnittstelle zwischen Computerwissenschaften und Orthopädie an chirurgischen Innovationen.