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Chirurgie-Training mit KI

OPs physikalisch genau simulieren

8. November 2023, 10:27 Uhr | Dr. Cohen-Gadol für Nvidia (uh)

Per realitätsnaher Simulation sollen sich Hirnchirurgen noch genauer auf die anspruchsvollen Operationen vorbereiten können.

Wie Sportler für ein Spiel trainieren und Schauspieler eine Aufführung proben, so bereiten sich Chirurgen auf eine Operation vor. Eine neue KI-Plattform für die Hirnchirurgie soll per digitalem Zwilling ein noch realistischeres Training mit exakten Simulationen bieten.

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Atlas Meditech, eine neuartige Intelligenzplattform für die Hirnchirurgie, setzt Tools wie das MONAI-Framework für medizinische Bildgebung und die NVIDIA Omniverse 3D-Entwicklungsplattform ein, um KI-gestützte Entscheidungshilfen und realitätsnahe Übungsplattformen für Operationen zu entwickeln. Die Mission des Unternehmens: Verbesserung der chirurgischen Ergebnisse und der Patientensicherheit.

»Der Atlas bietet eine Sammlung von Multimedia-Tools für Hirnchirurgen, die es ihnen ermöglichen, eine Operation in der Nacht vor einer echten Operation mental zu proben«, so Dr. Aaron Cohen-Gadol, Gründer von Atlas Meditech und seinem gemeinnützigen Gegenstück, dem Neurosurgical Atlas.

»Mit beschleunigtem Computing und digitalen Zwillingen wollen wir diese Probe in eine höchst realistische Simulation verwandeln.«
Dr. Aaron Cohen-Gadol

Mit Nvidia Omniverse durch das Gehirn navigieren

Neurosurgical Atlas bietet Fallstudien, chirurgische Videos und 3D-Modelle des Gehirns für mehr als eine Million Online-Nutzer. Dr. Cohen-Gadol, der auch Professor für neurologische Chirurgie an der Indiana University School of Medicine ist, schätzt, dass mehr als 90 Prozent der Ausbildungsprogramme für Gehirnchirurgie in den USA - sowie Zehntausende von Neurochirurgen in anderen Ländern - den Atlas als wichtiges Hilfsmittel während der Facharztausbildung und zu Beginn ihrer chirurgischen Laufbahn nutzen.

Die Pathfinder-Software von Atlas Meditech integriert KI-Algorithmen, die Experten sichere chirurgische Pfade vorschlagen können, um durch das Gehirn zu einer Läsion zu navigieren. Und mit NVIDIA Omniverse, einer Plattform für die Verbindung und den Aufbau benutzerdefinierter 3D-Pipelines und Metaverse-Anwendungen, will das Team benutzerdefinierte virtuelle Darstellungen der Gehirne einzelner Patienten für Operationsübungen erstellen.

Individuelle 3D-Modelle menschlicher Gehirne

Ein wesentlicher Vorteil der Simulationen von Atlas Meditech - entweder auf dem Bildschirm oder in der virtuellen Realität - ist die Möglichkeit, die Simulationen individuell anzupassen, so dass Chirurgen an einem virtuellen Gehirn üben können, das in Größe, Form und Position der Läsion dem Gehirn des Patienten entspricht.

»Die Anatomie eines jeden Patienten ist ein wenig anders«, so Dr. Cohen-Gadol. »Mit Hilfe von Physik und fortschrittlicher Grafik können wir jetzt ein patientenspezifisches Modell des Gehirns erstellen und damit arbeiten, um einen Tumor zu sehen und virtuell zu operieren. Die Genauigkeit der physikalischen Eigenschaften trägt dazu bei, die Erfahrungen, die wir in der realen Welt während einer Operation machen, nachzubilden.«

MONAI für den digitalen Hirn-Zwilling

Um digitale Zwillinge von Patientengehirnen zu erstellen, hat das Atlas Pathfinder-Tool MONAI Label übernommen, das Radiologen durch die automatische Kommentierung von MRT- und CT-Scans bei der Segmentierung von normalen Strukturen und Tumoren unterstützen kann. »MONAI Label ist das Tor zu jedem Gesundheitsprojekt, weil es uns die Möglichkeit bietet, kritische Strukturen zu segmentieren und zu schützen«, so Dr. Cohen-Gadol. »Für den Atlas trainieren wir MONAI Label, um als die Augen des Chirurgen zu fungieren und hervorzuheben, was ein normales Gefäß und was ein Tumor im Scan eines einzelnen Patienten ist.«

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Mit einer segmentierten Ansicht des Gehirns eines Patienten kann Atlas Pathfinder sein 3D-Gehirnmodell so anpassen, dass es sich an die spezifische Anatomie des Patienten anpasst und erfasst, wie der Tumor die normale Struktur des Gehirngewebes verformt.

Auf der Grundlage der Visualisierung - die Radiologen und Chirurgen zur Verbesserung der Präzision modifizieren können - schlägt Atlas Pathfinder die sichersten chirurgischen Ansätze vor, um einen Tumor zu erreichen und zu entfernen, ohne andere Teile des Gehirns zu schädigen. Jeder Ansatz ist mit der Atlas-Website verlinkt, die eine schriftliche Anleitung für den Operationsplan enthält.

»KI-gestützte Entscheidungshilfen können bei der Navigation in einer hochkomplexen 3D-Struktur, bei der es auf jeden Millimeter ankommt, einen großen Unterschied machen.«
Dr. Cohen-Gadol

Realistische Übung für Chirurgen

Atlas Meditech setzt NVIDIA Omniverse zur Entwicklung eines virtuellen Operationssaals ein, mit dem Chirurgen in eine realistische Umgebung eintauchen können, um anstehende Eingriffe zu proben. In der Simulation können die Chirurgen die Position des Patienten und der Geräte verändern.

Mithilfe eines VR-Headsets können Chirurgen in dieser virtuellen Umgebung arbeiten, den Eingriff Schritt für Schritt durchführen und Rückmeldung darüber erhalten, wie genau sie sich an den Zielpfad halten, um den Tumor zu erreichen. Mithilfe von KI-Algorithmen kann vorhergesagt werden, wie sich das Hirngewebe verschiebt, wenn der Chirurg während des Eingriffs medizinische Instrumente einsetzt, und diese geschätzte Verschiebung wird auf das simulierte Gehirn übertragen.

»Die Möglichkeit für Chirurgen, in einen virtuellen 3D-Raum einzutreten, ein Stück des Schädels zu schneiden und die Operation mit einem simulierten Gehirn zu proben, das sehr ähnliche physikalische Eigenschaften wie der Patient hat, wäre enorm«, so Dr. Cohen-Gadol.

Um die physikalischen Eigenschaften des Gehirns besser zu simulieren, setzte das Team NVIDIA PhysX ein, eine Echtzeit-Physiksimulation, die Teil von NVIDIA Omniverse ist. Mithilfe von haptischen Geräten konnte das Team damit experimentieren, der virtuellen Umgebung ein haptisches Feedback hinzuzufügen, das das Gefühl der Arbeit mit dem Gehirngewebe nachahmt.

KI und Robotik in der chirurgischen Ausbildung

Dr. Cohen-Gadol glaubt, dass KI-Modelle in den kommenden Jahren die Chirurgie weiter verbessern können, indem sie während eines Eingriffs zusätzliche Erkenntnisse liefern. Beispiele hierfür sind die Warnung des Chirurgen vor kritischen Hirnstrukturen, die sich in der Nähe des Bereichs befinden, in dem er gerade arbeitet, die Verfolgung medizinischer Instrumente während des Eingriffs und die Bereitstellung eines Leitfadens für die nächsten Operationsschritte.

Atlas Meditech plant, die NVIDIA Holoscan-Plattform für Streaming-KI-Anwendungen zu nutzen, um diese intraoperativen Einblicke in Echtzeit zu ermöglichen. Die Anwendung von KI-Analysen auf die Handlungen eines Chirurgen während eines Eingriffs kann dem Chirurgen nützliches Feedback zur Verbesserung seiner Technik liefern .Dr. Cohen-Gadol sagt, dass digitale Zwillinge des Gehirns und des Operationssaals nicht nur Chirurgen beim Üben von Operationen helfen können, sondern auch beim Training intelligenter medizinischer Instrumente wie Mikroskoproboter mit Isaac Sim, einer auf Omniverse entwickelten Robotik-Simulationsanwendung. (uh)