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Computerassistierte Chirurgie – ICCAS

AutoSON: 3D-Ultralschall zur Hirntumorresektion

AutoSON: Automatisierter navigierter 3-D Ultraschall zur Hirntumorresektion

​Ziel des Projektes AutoSon ist die Entwicklung eines vernetzen Assistenzsystems zur Unterstützung neurochirurgischer Eingriffe. Das AutoSon-System besteht aus einem erweiterten, neurochirurgischen Navigationssystem sowie einer Forschungsplattform, die über offene Schnittstellen während der Planung, Durchführung und Dokumentation der Operation interagieren. Das neue System soll insbesondere die Nutzung des intraoperativen 3D Ultraschalls effizienter und sicherer gestalten. Dies umfasst eine automatische Erkennung der verwendeten Ultraschallsonde sowie ihrer Konfiguration (Eindringtiefe, Zoom) und die automatische Auswahl der korrekten Transformation für die 3D Rekonstruktion eines Ultraschall-Volumens. Außerdem soll das System im konkreten Anwendungsfall die intraoperative, semiautomatische Segmentierung von kritischen Hirnstrukturen oder Tumorarealen ermöglichen, die umgehend dem Operateur über das Interface des Navigationssystems und ggf. dem Operationsmikroskop zur Verfügung gestellt werden.

Cephalens: Ergonomiekonzept für Planungssysteme

​Cephalens: Entwicklung eines Ergonomie-Konzepts für interaktive Assistenz- und Planungssysteme in bildgebenden Interventionen

​Um die, in Kooperation von ICCAS und der Neurochirurgie entwickelte CephaLens Tabletanwendung in den OP-Ablauf zu integrieren, müssen Explorations- und Planungsschritte in den Workflow des EVD-Eingriffs eingearbeitet sein. Hierfür sollen ca. zehn EVD Eingriffe mit Hilfe der s.w.an – Suit Software aufgenommen werden. Anschließend wird anhand dieser Daten eine Test-Szenario im Demo OP des ICCAS erstellt, in der derselbe Eingriff mit der CephaLens Anwendung durchgeführt wird. Ziel ist die systematischn Verbesserung der Handhabung und Wahrnehmung des eingeführten Assistenzsystems für die Neurochirurgie. Dafür soll die Mensch-Maschine-Interaktion (MMI) des chirurgischen Workflows hinsichtlich des Workloads analysiert werden. Die zu entwickelnde Workflow-basierte Beurteilungsmethode und das korrespondierende Ergonomie-Konzept sollen eine Grundlage legen für die zukünftige systematische Anpassung neuartiger Assistenzsystemen an die kognitive Leistung des Chirurgen.

Intraoperativer navigierter 3D-Ultraschall mit Kontrastmittel

​Intraoperativer navigierter 3D-Ultraschall mit Kontrastmittel bei intrakraniellen Tumoren.

​Der intraoperative Ultraschall ist hinsichtlich der Spezifität und dem lokalen Auflösungsvermögen eingeschränkt. Die Anwendung von Ultraschallkontrastmittel könnte den Informationsgehalt anheben und zur verbesserten Erkennung der Tumorgrenzen und damit Vorteile für die Operation bedeuten. Der navigierte 3D Ultraschall verbessert nachvollziehbar die Orientierung intraoperativ in Bezug auf Landmarken, den Tumor selbst und eloquente Areale. Ziel der klinischen Studie ist der Vergleich des intraoperativen 3D-Ultraschalls mit bzw. ohne Kontrastmittel transdural zu Beginn der Operation mit der präoperativen 3D-MRT als Goldstandard in der Darstellung von Tumorgrenzen und der Vergleich des intraoperativen 3D-Ultraschalls mit bzw. ohne Kontrastmittel zur Resektionskontrolle mit der postoperativen 3D-MRT. Unsere Studienhypothese ist, dass sich Hirntumore mit Ultraschallkontrastmittel deutlich kontrastreicher mit differenter Echogenität abbilden, insbesondere im kritischen Bereich (Hirntumor, Infiltrationszone und Ödem). Es sollen 100 Patienten mit intrakraniellen Tumoren, die zur Operation anstehen, in diese Studie eingeschlossen werden.

Dynamische Infrarot-Thermographie bei Kranioplastie

​Dynamische Infrarot – Thermographie (DIRT) zur Darstellung der Kopfhautdurchblutung bei Kranioplastie

​Bei Patienten mit Wundkomplikationen nach neurochirurgischen Eingriffen am Kopf (z.B. bei Kraniotomie) sind Durchblutungsstörungen eine häufige Ursache. Beim intraoperativen Verschluss der Kopfhaut-Wunde kann daher die Beurteilung der Kopfhautdurchblutung entscheidend sein. Das Standardverfahren zur Darstellung der Kopfhautdurchblutung ist die kontrastmittelgestützte ICG-VA-Bildgebung, die Aufgrund der Notwendigkeit einer iodhaltigen Kontrastmittelgabe mit Nachteilen verbunden ist. Im Rahmen einer klinischen Studie wird die die Eignung der Thermographie-Bildgebung zur intraoperativen Darstellung der Kopfhautdurchblutung untersucht. Die Thermographie ist ein kontaktloses, nichtinvasives und einfach anzuwendendes bildgebendes Verfahren. In den vergangenen Jahren wurden mehrere Publikationen, unter anderem aus der plastischen Chirurgie, veröffentlicht. Die Ergebnisse legen nahe, dass die Thermographie ein viel versprechendes Verfahren zur Messung der Hautdurchblutung ist. In dem Projekt wird die Anwendung der Thermographie bei neurochirurgischen Eingriffen untersucht und zudem direkt mit dem Standard-Verfahren, der kontrastmittelgestützten ICG-VA verglichen.

Fluoreszenzverfahren bei Tumoren der Schädelbasis

​Einsatz von Fluoreszenzverfahren (ICG-VA) in der endonasalen transsphenoidalen Chirurgie bei sellären und parasellären Tumoren der Schädelbasis

​Die Komplettresektion von Hypophysentumoren bei gleichzeitiger Schonung der Hypophyse selbst hat aufgrund möglicherweise resultierender endokrinologischer und funktioneller Störungen oberste Priorität bei diesem chirurgischen Eingriff. Das Standard OP-Verfahren umfasst eine präoperative 3D-MRT Bildgebung, welche zur Segmentierung des Tumorgewebes genutzt wird sowie eine 3D-CCT zur knöchernen Darstellung. Der Eingriff selbst erfolgt mit einem starrem HD - Endoskop transnasal transsphenoidal. Intraoperativ gibt es drei Szenarien, die eine erfolgreiche Resektion einschränken können:

  1. Die intraoperative Orientierung im Millimeterbereich orientiert sich neben der Neuronavigation an typischen Landmarken. Diese sind die Protuberanz der ACI bds. die Protuberanz der Nn. optici und der optikocarotische Rezessus bds. Diese Strukturen sind nicht immer sicher detektierbar aber für eine erfolgreiche und gleichzeitige schonende Resektion essentiell. Mittels Indocyaningrün (ICG)-Fluoreszenz ist es wahrscheinlich möglich, diese Strukturen sicher zu detektieren: Zumindest ist in den durchbluteten Arealen dies beschrieben wurden.
  2. Dorsal gelegene Tumoren sind über den Zugang in der Keilbeinhöhle nur indirekt über den Einschnitt der Dura mit Tumorkapsel erreichbar. Nach Ausfräsen des Sellabodens ist es sinnvoll, vor einem Einschnitt der Kapsel zu wissen, in welchem Areal die Durchblutung verstärkt ist. Dieses wird dann ggf. nicht eingeschnitten bzw. in Abhängigkeit der Lage der Hypophyse koaguliert und damit ein deutlicher Blutverlust endonasal vermieden. Die Visualisierung der Durchblutung im Bereich der Dura/Tumorkapsel ist wahrscheinlich durch die ICG Bildgebung gut möglich.
  3. Bei ausgedehnten Resektionen lässt sich nicht immer sicher Tumorrestgewebe von veränderten Hypophysengeweben differenzieren, ein Schnellschnitt ist zeitlich aufwendig und nicht unbegrenzt anzuwenden. Es wird daher nach Möglichkeiten intraoperativ gesucht, die diese Beurteilung von Tumorresten versus Normalgewebe ermöglichen. Die ICG Fluoreszenz könnte möglicherweise genau dieses Anforderungsprofil erfüllen.

Folgende Hypothesen wurden aufgestellt und sollen prospektiv bei 15 Patienten untersucht werden:

  1. Der Einsatz der Fluoreszenz verbessert die Orientierung an anatomischen Landmarken.
  2. Die Kaspeldurchblutung ist gut zu sichern.
  3. Tumorreste können von Hypophysengewebe mittels Fluoreszenz sicher differenziert werden.

Datenrekorder für intraoperative Gerätedaten

​Datenrekorder zur Aufzeichnung und Bereitstellung intraoperativer Gerätedaten

​Für viele Anwendungen innerhalb des chirurgischen Arbeitsumfeldes (wie zum Beispiel der Dokumentation) und zur automatischen Erkennung der aktuellen OP-Situation, durch die dem Chirurgen weitere Unterstützungsfunktionen bereitgestellt werden können, ist eine Datenbasis nötig. Diese soll durch die Entwicklung eines Datenrekorders („Surgical Recorder“) zur Aufzeichnung und Bereitstellung von intraoperativen Daten realisiert werden. Um alle auf dem OP-Bus zur Verfügung stehenden Daten zu erfassen, wird der „Surgical Recorder“ mit verschiedenen Konnektoren zur Anbindung verschiedener Schnittstellen ausgestattet. Die verschiedenen Daten werden in Abhängigkeit ihrer Art entweder in einer PostgreSQL-Datenbank gespeichert oder der Ort der Speicherung wird als Referenz in der Datenbank hinterlegt. Durch den „Surgical Recorder“ wird ein zentraler Ort zur Speicherung und zum Zugriff auf Daten bereitgestellt.

Kinetek - Netzwerk Bewegungssystem

​Kinetek – Netzwerk Bewegungssystem

​Partner:

  • Fraunhofer IWU
  • Heinrich Braun Krankenhaus Zwickau, Klinik für Unfallchirurgie
  • Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, Institut für Anatomie und Zellbiologie
  • HTWK Leipzig, Laboratory for Biosignal Processing
  • Klinik und Poliklinik für Neurochirurgie
  • Klinik und Poliklinik für Orthopädie, Unfallchirurgie und Plastische Chirurgie
  • Westsächsische Hochschule Zwickau- Fakultät Physikalische Technik / Informatik
  • Medizinische Hochschule Hannover, Klinik u. Poliklinik für Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie
  • Universitätsklinikum Carl Gustav Carus Dresden, Klinik und Poliklinik für Neurochirurgie
  • Zahntechnik Schönberg
  • Forschungs- und Transferzentrum e. V. an der Westsächsischen Hochschule Zwickau
  • Havlat GmbH
  • BfMC GmbH
  • Institut für Anatomie
  • INTERCUS GmbH
  • Königsee Implantate GmbH
  • SITEC Industrietechnologie GmbH
  • TÜV Süd
  • Zahntechnik Leipzig
  • Ziehm Imaging GmbH
  • CADFEM GmbH

Das Netzwerk Kinetek ist eine Allianz von Unternehmen und Forschungseinrichtungen, um aufgrund der bestehenden Probleme in der medizinischen Behandlung des menschlichen Bewegungssystems neue Therapiekonzepte zu etablieren. Die Hauptursache für Arbeitsausfälle in Deutschland sind Beeinträchtigungen des Stütz- und Bewegungssystem. Die Lebensqualität der Betroffenen verschlechtert sich erheblich und ist demnach auch verantwortlich für beträchtliche wirtschaftliche Ausfälle der Unternehmen. Das menschliche Bewegungssystem setzt sich zusammen aus dem Skelett als starrer passiver Bestandteil und den Muskeln als aktiver Teil. Das Bewegungssystem wird durch das Nervensystem gesteuert, welches beispielsweise durch Parkinson erheblich gestört werden kann. Um die bestmögliche Lebensqualität für den Patienten zu erzielen, wird die Vision verfolgt, den Patienten mit individuell zugeschnittenen Therapien zu behandeln. Dieser neue Ansatz betrachtet als Alleinstellungsmerkmal ganzheitlich die generative und unfallbedingte Behandlung des Bewegungssystems mit Implantaten und chirurgischen Instrumenten z.B. für die Unfall- und Wirbelsäulen- und Dentalchirurgie, als auch Technologien zur Behandlung des Gehirns als Steuerzentrale für alle Bewegungen.

Er beinhaltet im Wesentlichen folgende Punkte:

  • Computerunterstützte OP-Planung zur Implantat-Stabilitätsvorhersage
  • neue Behandlungskonzepte zur Erhöhung der Patientensicherheit
  • Biomechanische Untersuchung verschiedener Osteosynthese-Verfahren (Knochenimplantate) an Humanpräparaten
  • Entwicklung neuer Implantate zur Reduzierung von Implantatversagen (Bruch, Lockerung etc.)
  • Neue Behandlungstechnologie für Morbus Parkinson zur Verbesserung der Bewegungskoordination (Tiefenhirnstimulation)
  • Schnellere Rehabilitation durch exakte Analyse der Bewegungs- und Kraftsituation des Patienten

Chirurgische Spreizer für Schädel-Operationen

​Chirurgischer Spreizer für Operationen der hinteren Schädelgrube und des Kopf-Hals-Übergangsbereichs der Wirbelsäule

​Eine Vielzahl genutzter (neuro-) chirurgischer und orthopädischer Instrumente bedingt in deren intraoperativen Anwendung eine zunehmende mechanische und funktionelle Belastung für das zu spreizende Gewebe. Die Konsequenz liegt in einer teilweise ausgeprägten Texturzerstörung von Muskulatur und Bindegewebe, einer Minderdurchblutung der Schnittkanten und einer Hypovaskularisation der vernarbenden Gewebebereiche. Zusammengefasst ergeben sich folgende Probleme: Absterben des Gewebes, Komplikationen beim Heilungsprozess, längere Regenerationszeit Das erste Arbeitsziel besteht in der Konstruktion der mechanischen Elemente des chirurgischen Spreizers. Hierbei wird zunächst mit Neurochirurgen ein Anforderungskatalog erarbeitet, um die Gestalt spezifisch für Wirbelsäulen-bzw. Schädel-Operationen anzupassen. Die Konstruktion erfolgt mit einem CAD-Programm. Die CAD-Daten werden in ein STL-Format gewandelt und an eine Rapid Prototyping Anlage gesendet. Das Laserstrahlschmelzverfahren soll genutzt werden, um einen ersten Prototypen aus einer Titanlegierung zu erstellen. Im Anschluss erfolgt die Beschichtung der einzelnen Komponenten durch das Diamond Like Carbon Verfahren (DLC). Diese matte schwarze Beschichtung soll einerseits die Blendfreiheit im OP aufgrund der hellen OP-Beleuchtung gewährleisten. Andererseits soll damit eine glatte biokompatible Schicht erzeugt werden, die sich leicht sterilisieren lässt. Als letzter Schritt im Fertigungsprozess erfolgt die Montage der einzelnen Bauteile zum funktionsfähigen Gesamtsystem.

System zur Durchführung von Gehirnbiopsien

​Entwicklung eines System zur Durchführung von Gehirnbiopsien für die Human- und die Veterinärmedizin

​Das Ziel des Projektes ist es, ein System zur Durchführung von Gehirnbiopsien für beide Bereiche, Veterinär- und Humanmedizin, zu entwickeln, wobei die Anwendung im veterinären Bereich der Validierung für den humanen Bereich dient. Die Entwicklung des Projektes soll am Beispiel der Hirnbiopsie von Hunden erfolgen. Zur Fertigung einzelner Teilkomponenten des Systems kommen Rapid Prototyping Verfahren zum Einsatz. Wesentliche Bedeutung für die Entwicklung des Projektes und die Umsetzung des Gedankens eines effizienten und kostengünstigen diagnostischen Verfahrens ist eine enge Zusammenarbeit von Medizinern mit den entsprechenden Ingenieuren.

Intelligenter Hirnspatel

Entwicklung eines intelligenten Hirnspatels zur Ermittlung der intraoperativen Belastung auf das Hirnparenchym bei neurochirurgischen Eingriffen

Im Rahmen neurochirurgischer Eingriffe am offenen Gehirn werden sogenannte Hirnspatel verwendet, um das höchst empfindliche Hirngewebe (Parenchym) zu separieren und an tieferliegende Zielregionen im Hirninneren zu gelangen. Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines neuartigen Hirnspatels mit integrierter Sensorfunktion zur Erfassung der mechanischen Krafteinwirkung auf das Hirngewebe und zur Signalgabe bei drohender Hirngewebsschädigung. Die von der Sensorik erhobenen Daten sollen dem operierenden Neurochirurgen sowohl intra- (Monitoring) als auch postoperativ zur Verfügung stehen. Letzteres soll im Sinne einer Daten-Auswerteeinheit zur Qualitätssicherung und Risikominimierung für zukünftige neurochirurgische Eingriffe nutzbar gemacht werden können.

3D-Druck für die personalisierte Medizin

Exist Next3D, 3D-Druck für die personalisierte Medizin

Die Patienten unterliegen einer großen Varianz hinsichtlich anatomischer Gegebenheiten, Beweglichkeit und Belastung, sodass standardisierte Behandlungskonzepte oft nur eine Kompromisslösung darstellen. 3D-Druck Verfahren können in der Medizin für die Erstellung patientenspezifischer Implantate und Instrumente genutzt werden, sprengen derzeit aber derzeit aufgrund aufwendiger Abläufe im Herstellungsprozess das Kostenbudget und werden daher bisher nicht flächendeckend eingesetzt.

Da Ziel ist, es einen entscheidenden Beitrag dazu leisten, dass sich die personalisierte Medizin unter Nutzung patientenspezifischer 3D-gedruckter Implantate und Instrumente in der Medizin flächendeckend durchsetzt.

Computerassistierte Hirntumorresektion

​Entwicklung eines computerassistierten Systems zur Unterstützung von Planung und Durchführung bei Hirntumorresektionen

Das Ziel des Projektes und Innovation ist die Entwicklung eines Systems zur augmentierten intraoperativen Informationsdarstellung in der Neurochirurgie. Das zentrale Anwendungsgebiet soll die Entfernung von tumorösen Hirngewebe bzw. der Tumorresektion (z.B. Glioblastom) sein. Wesentliche Zielparameter sind eine deutliche Verringerung der Operationszeit sowie eine Erhöhung der Präzision, um intraoperative Traumata zu vermeiden. Das System soll dies erreichen, in dem der ständige Fokuswechsel des Chirurgen zwischen Situs und Operationsmonitor vermieden wird. Bestandteile des Vorhabens sind die Bilddatenfusion unterschiedlicher Modalitäten, die intraoperative Bildgewinnung sowie die Entwicklung eines 3D-Druck basierten Testszenarios.

Patientenspezifische Schädelimplantate

Entwicklung eines Systems zur Planung und Fertigung patientenspezifischer Schädelimplantate unter Verwendung additiver Fertigungsverfahren und Techniken des maschinellen Lernens​

Das Projektziel ist die Entwicklung einer Prozesskette zur Herstellung patientenspezifischer Schädelimplantate mit 3D-Drucksystemen, mit denen Schädelimplantate aus verschiedenen Materialien wie PEEK / PEKK, Biokeramik und Titan individuell für jeden Patienten hergestellt werden können. Für die CT-basierte präoperative Planung des patientenspezifischen Schädelimplantats wird derzeit eine Software eingesetzt, die mehrere Stunden benötigt, um die relevanten anatomischen Strukturen zu segmentieren und das CAD-Modell des Implantats zu erstellen. Während des Implantat-Planungsprozesses ist derzeit die Interaktion zwischen dem Chirurgen und dem Ingenieur nicht optimal. Ein weiteres Projektziel ist daher die Entwicklung einer Cloud-basierten Planungssoftware mit künstlicher Intelligenz, um die relevanten anatomischen Strukturen innerhalb der CT-Bilder zu segmentieren und automatisch verschiedene Designversionen des Implantats zu erstellen. Der gesamte Prozess soll innerhalb von 48 Stunden die Implantatlieferung ermöglichen, anstatt bisher 2-6 Wochen.​


Patientenspezifisches System zur Tiefenhirnstimulation

​Entwicklung eines patientenspezifischen Systems für die Tiefenhirnstimulation​​​​​

Das Ziel des Vorhabens und dessen Innovation ist die Entwicklung einer patientenspezifischen Stereotaxievorrichtung für die Tiefenhirnstimulation, das in halbautomatischer Fertigung bereits alle Raumkoordinaten implementiert und unmittelbar für die OP genutzt werden kann. Diese soll erstmalig zeitaufwendige Justierungen und Adaptionen für den jeweiligen Patienten, wie sie alle bisher genutzten Verfahren erfordern, entbehren und das Potenzial von Ungenauigkeiten und Fehleinstellungen eliminieren helfen.

Tiefenhirnstimulation ist eine Behandlungstechnologie, die zur Therapie von Bewegungsstörungen wie beispielsweise Morbus Parkinson zur Minimierung der unkontrollierten Zitterbewegungen eingesetzt wird. ​

Planungssoftware für die Tiefenhirnstimulation

Entwicklung einer Planungssoftware für die Tiefenhirnstimulation - Probabilistische Traktografie​

Ziel des geplanten Forschungsprojektes THSpro ist die Entwicklung eines Softwaretools zur Zielpunktplanung für die Tiefe Hirnstimulation mit hohem Marktpotenzial. Aus Messdaten der diffusionsgewichteten Magnetresonanztomografie werden unter Nutzung der probabilistischen Traktografie die neuronalen Faserbahnen im Gehirn rekonstruiert. Anhand dieser neurologisch-funktionalen Daten wird der Zielpunkt der Tiefen Hirnstimulation bestimmt. Sie wird die Genauigkeit der Zielpunktfindung verbessern und so direkt dem Patientenwohl dienen. Die prozessgesteuerten Handlungsabläufe des Planungsvorgangs werden auf Zeit-, und damit Kostenersparnis, optimiert. Die Schulung und Bedienhilfe wird mit einem interaktiven Videointerface effizient realisiert. Eine eigens konzipierte VSEO-Strategie wird Experten und Betroffene helfen sich umfassend zu informieren.

Methoden des maschinellen Lernens werden eingesetzt, um die zeitaufwendigen Berechnungen der probabilistischen Traktografie zu verkürzen. Dies bedeutet einen zeiteffektiveren Planungsvorgang und spart Kosten.​​

Multimodales digitales Trainingssystem

Multimodales digitales Trainingssystem für die Anwendung in der Neurochirurgie​​​

Weiterentwicklung eines Trainin​gsphantoms mit besonderer Ausrichtung auf die VR-Integration und die Erstellung eines Hirnmodells. Ziel ist es virtuelle Inhalte mit einem realen Training am Kopfmodell zu verbinden. Dazu sollen verschiedene anatomische Strukturen, einschließlich der Hirnstrukturen, in das Sichtfeld des Chirurgen mit Hilfe einer Augmented Reality – Brille eingeblendet werden, während er an einem realistischen Kopfmodell die Operation durchführt.​

Liebigstraße 20, Haus 4
04103 Leipzig
Telefon:
0341 - 97 17500 (Sekretariat)
Ambulanz:
0341 - 97 17510
Fax:
0341 - 97 17509
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