Projekt TWIN-WIN Roboterassistierte Chirurgie: Digitaler Zwilling als Navi für den Arzt

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Die roboterassistierte Chirurgie ist längst Standard in vielen Bereichen. Das Projekt TWIN-WIN soll die Navigation zum Befund mithilfe von Künstlicher Intelligenz deutlich verbessern.

Die roboterassistierte Chirurgie ist eine minimalinvasive und hochpräzise Operationsmethode, bei der die Instrumente über kleine Zugänge in das OP-Feld eingebracht und über eine Konsole gesteuert werden. Das Forschungsprojekt TWIN-WIN eines Konsortiums um das Kurt-Semm-Zentrum des Universitätsklinikums Schleswig-Holstein (UKSH) arbeitet an einem „digitalen Super-Zwilling“. Das Ziel: Die Navigation zum Befund mithilfe von Künstlicher Intelligenz deutlich zu verbessern.

Bislang ist es so, dass der Operateur an einer Konsole das Operationsfeld sieht, in dem sich die Instrumente befinden, etwa zehnfach vergrößert, in hoher Auflösung und in 3D. Allerdings zeigt der Ausschnitt nur wenige Quadratzentimeter im Bauchraum – der Tumor verbirgt sich aber häufig unter Fettschichten oder hinter den Organstrukturen. Der Operateur muss aus der bildgebenden Diagnostik, die vor der OP durchgeführt wurde, meist ein CT-Scan, abschätzen, wo der eigentliche Befund liegt und ihn Schritt für Schritt freipräparieren. Das ist in der Nieren- und Leberchirurgie oder auch beim Entfernen tumorbefallener Lymphknoten oft herausfordernd und zeitaufwendig.

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Roboterassistierte Chirurgie: Digital Twin und Augmented Reality

Mit dem neuen Navi der Forscher des UKSH soll ein 3D-Datenmodell des voroperativen CT-Befundes, quasi ein „Digital Twin“, während des Eingriffs in das 3D-Bild des OP-Bereichs integriert und mittels Augmented Reality für den Operateur sichtbar gemacht werden. Es sollen Echtzeitdaten unter anderem über die Position der Instrumente im Bauchraum, die relevanten Organstrukturen und die Deformation dieser Strukturen mithilfe von Sensorquellen, zum Beispiel optisches und elektromagnetisches Tracking oder Ultraschall, und Künstlicher Intelligenz erhoben werden. 

Das Ergebnis wäre eine bahnbrechende Innovation, die signifikante Verbesserungen der chirurgischen Qualität und der Patientensicherheit ermöglicht, denn bessere Navigation bedeutet auch weniger Manipulationen und Verletzungen von gesundem Gewebe und somit die Reduktion des Komplikationsrisikos und postoperativer Schmerzen.

Prof. Dr. Thomas Becker, Universitätsklinikum Schleswig-Holstein (UKSH)

Die Forscher streben dabei die Entwicklung eines sogenannten digitalen Super-Zwillings an, in dem alle Daten der operativen Systeme, des voroperativen Befundes und aus dem Inneren und der Lage des Patientenkörpers in einem dynamischen Echtzeitmodell vereint werden. Gelingt dies, könnte ein OP-Navigationsgerät entwickelt werden, ähnlich einem Navigationssystem beim Autofahren. 

„Das Ergebnis wäre eine bahnbrechende Innovation, die signifikante Verbesserungen der chirurgischen Qualität und der Patientensicherheit ermöglicht, denn bessere Navigation bedeutet auch weniger Manipulationen und Verletzungen von gesundem Gewebe und somit die Reduktion des Komplikationsrisikos und postoperativer Schmerzen“, so der Projektverantwortliche Prof. Dr. Thomas Becker, Sprecher des Kurt-Semm-Zentrums und Direktor der Klinik für Allgemeine, Viszeral-, Thorax-, Transplantations- und Kinderchirurgie des UKSH, Campus Kiel.

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Zusammenspiel vieler Experten

Die Umsetzung des Projekts erfordert das Zusammenspiel vieler Expertisen. Neben Ärzten des UKSH, die den Projektverbund anführen und koordinieren, sind Fachleute der Materialwissenschaft sowie Bildgebungsexperten der Lehrstühle für Intelligente Systeme und Marine Data Science der CAU in das Vorhaben eingebunden. Hinzu kommen hochspezialisierte Teams des Instituts für Robotik und Kognitive Systeme der Universität zu Lübeck sowie Software-Experten der Kieler Firma Vater Solution . Auch das Fraunhofer-Institut IMTE, das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz  sowie das Hamburger Startup Excagol sind an TWIN-WIN beteiligt.

Das Projekt TWIN-WIN wird mit insgesamt knapp 950.000 Euro bis Ende 2025 durch das Land Schleswig-Holstein gefördert.