Minimalinvasive Eingriffe

Wir verringern Komplikation und unvollständige Behandlungen in minimalinvasiven Therapien

Fraunhofer MEVIS entwickelt Softwareunterstützung für minimalinvasive Eingriffe um diese sicherer und weniger komplex zu machen. Die zentralen Werkzeuge dafür sind patientenindividuelle Therapieplanung und Kontrolle, sowie Unterstützung bei der Navigation von Instrumenten und der Kompensation von Patientenbewegung.

Zielgenaue Navigation und präzise Bewegungskontrolle

© Fraunhofer MEVIS
Sowohl unsere Bewegungskompensation wie auch unsere Katheternavigation kombinieren ein Patientenmodell mit Echtzeit-Sensordaten, um die Therapiesituation einzuschätzen.

Minimalinvasive Eingriffe spielen in der Medizin eine zentrale Rolle, zum Beispiel als Strahlentherapie, Herzkatheter oder Schlüsselloch-Chirurgie. Das Fraunhofer-Institut für Digitale Medizin MEVIS forscht an Methoden, mit denen sich minimalinvasive Behandlungen deutlich verbessern lassen.

 

Eine OP muss nicht auf Skalpell und offene Wunden hinauslaufen. Oft ist es möglich oder auch notwendig, zu minimalinvasiven Methoden zu greifen. Die Varianten sind vielfältig: Bei der Schlüsselloch-Intervention wird die Operationswunde möglichst klein gehalten, um dann mit Endoskopen in den Körper hineinzuschauen und den Eingriff vorzunehmen. Manche Tumoren lassen sich zerstören, indem von außen feine Stromnadeln in sie hineingestochen werden. Bei Herz-Kreislauf-Erkrankungen navigieren die Mediziner einen Katheter durch die Blutgefäße, etwa um verengte Herzkranzgefäße zu weiten. Und Methoden wie die Strahlentherapie oder der fokussierte Ultraschall kommen ganz ohne Eingriff aus: Hier dringen Strahlen oder Schallwellen von außen in den Körper ein und werden so auf einen Tumor gebündelt, dass dieser möglichst komplett zerstört wird. Im Idealfall bleibt dabei das umliegende gesunde Gewebe intakt.

„Der Ansatz der minimalinvasiven Methoden ist, dass man auf dem Weg zum Therapieziel möglichst wenig kaputt machen möchte“, sagt Jan Strehlow, Computerwissenschaftler bei Fraunhofer MEVIS. Allerdings bringen die schonenden Verfahren eine Herausforderung mit sich: Während des Eingriffs haben die Mediziner keine direkte Sicht auf das Geschehen. Sie sind auf die Aufnahmen bildgebender Verfahren wie Röntgen oder Ultraschall angewiesen – und zwar sowohl für die Durchführung des Eingriffs als auch für die Kontrolle des Ergebnisses.

 

Glasfaser hilft beim Navigieren

Ein Beispiel: Nimmt eine Ärztin einen Kathetereingriff in den Kranzgefäßen vor, muss sie ihren Patienten währenddessen fast kontinuierlich röntgen. Erst mit diesem „Röntgenfilm“, kombiniert mit der Gabe eines Kontrastmittels, kann sie sicherstellen, die Katheterspitze korrekt zum Ziel zu führen. Allerdings ist das keine einfache Aufgabe, denn die eigentlich dreidimensionale Position des Katheters wird auf dem Röntgenbild nur in 2D dargestellt. Außerdem ist die Prozedur durch die vielen Röntgenbilder mit einer gewissen Strahlendosis verbunden – eine Belastung für die Patienten, aber vor allem auch für das Personal, das dieser Strahlung täglich ausgesetzt ist.

Fraunhofer MEVIS arbeitet an Verfahren, die die Strahlendosen vermindern und die Navigation vereinfachen soll. Bei einem dieser Verfahren wird der Katheter mit einer speziellen Glasfaser kombiniert. Tritt Laserlicht durch diese Faser, wird es abhängig von deren Biegung in verschiedenen Farben reflektiert. Dadurch lassen sich aus dem reflektierten Spektrum die Krümmungen entlang des Katheters messen.

Die Vision: Während des Eingriffs werden die Daten dieser Krümmungssensoren mit einem digitalen Modell des Gefäßsystems des Patienten verglichen, das zuvor per MR-Scan gewonnen wurde. „Dabei ermitteln wir diejenige Position im Gefäßsystem, die die gemessenen Krümmungen entlang des Katheters am besten erklärt“, sagt Strehlow. Dadurch kann der Mediziner auf einem Monitor beobachten, wie sich der Katheter durch das Gefäßlabyrinth bewegt – in Echtzeit und 3D. „Wir haben das Verfahren erfolgreich an einem aus Silikon nachgebildeten Teilmodell eines Patienten getestet“, berichtet Strehlow. „Jetzt wollen wir es am Tiermodell erproben und weiterentwickeln.“ Als Anwendung ist eine präzisere und schonendere Navigation im Neurobereich denkbar, etwa um Aneurysmen zu therapieren.

 

Algorithmus gleicht Atmung aus

Eine weitere Herausforderung ist die minimalinvasive Behandlung von Organen, die sich mit Herzschlag und Atmung bewegen – Leber und Lunge sind ein Beispiel. „Bei der Leberkrebs-Therapie mit fokussiertem Ultraschall muss man diese Patientenbewegungen ausgleichen, damit die Ultraschallwellen stets den Tumor treffen und nicht das umliegende Gewebe“, erklärt Fraunhofer-Forscher Michael Schwenke. Dafür liegt der Patient während der Behandlung zum Beispiel in einem MR-Scanner. Der nimmt einige Bilder pro Sekunde auf. Dadurch lässt sich verfolgen, wie sich die Leber bei jedem Atemzug bewegt – allerdings nur ausschnittsweise und mit zeitlicher Verzögerung.

Deshalb entwickelt Fraunhofer MEVIS einen Algorithmus, der auf der Basis von MR- oder Ultraschallbilder voraussehen kann, wo sich die Leber in den nächsten Augenblicken befindet. „Derzeit sind wir dabei, die Technologie, die wir erfolgreich für den fokussierten Ultraschall entwickelt haben, auf andere Anwendungsfelder wie die Strahlentherapie oder für nadelbasierte Intervention zu übertragen“, sagt Schwenke. „So konnten wir bereits für Leber-Biopsien eine Art Atemampel realisieren, die dem Personal anzeigt, in welchem Atemzustand der Patient gerade ist.“ Außerdem arbeitet das Team daran, auch größere Bewegungen der Patienten per Software ausgleichen zu können, zum Beispiel Körperdrehungen.

Vermeiden von Rezidiven in thermischen Ablationen

The software assistant for interventional radiology (SAFIR) helps assessing the risk for recurrences by comparing pre- and post-interventional images through image registration and display of safety margins by a traffic light color scheme.
© Fraunhofer MEVIS
The software assistant for interventional radiology (SAFIR) helps assessing the risk for recurrences by comparing pre- and post-interventional images through image registration and display of safety margins by a traffic light color scheme.

Nutzeroberfläche unseres Software Assistantenten für interventionelle Radialogy (SAFIR) während der Beurteilungs-Schritts einer Radifrequentablation. Prä- und post-interventionelle Bilder sind aufeinander registriert um den Tumor mit dem Necrosegebiet zu vergleichen. Sicherheitsabstände sind nach dem Ampelschema eingefärbt um das Risiko von Rezidiven darzustellen.     

Vermeiden von Wiedereinbestellungen durch personalisierte Instrumente und Implantate in Stenting-Prozeduren

Unsere interaktive Simulation unterstützt die patientenindividuelle Suche nach dem besten Implantat und dessen Position.
© Fraunhofer MEVIS
The success of minimally invasive interventions depends on the fit and the placement of the supporting medical device like stent, valve, ...

Die Auswahl von Implantaten wie Stents oder künstlichen Klappen erfolgt auf Basis medizinischer Bildgebung. Geeignete Implantate passen zur Anatomie des Patienten und führen zum gewünschten hämodynamischen Ergebnis.  

Verringern der Komplexität und der Strahlendosis in der endovaskulären Navigation

We develop a 3D navigation systems to make endovascular interventions less complex and safer while even saving radiation dose.
© Fraunhofer MEVIS
Navigating catheters and guide-wires through the blood vessel system is often challenging and associated with high radiation doses for patient and medical staff. We develop a 3D navigation system to make endovascular interventions less complex and more safe.

Mit einem 3D Navigationssystem kann die Position und Orientierung von Kathetern oder Führungsdrähten im Patienten dargestellt werden um die Intervention einfacher und sicherer zu machen. Während einige unserer Navigations-Lösungen auf einer Integration in gebräuchliche Röntgen-Bildgebungssysteme beruhen, entwicklen wir auch Lösungen die komplett ohne Strahlung auskommen.    

IntelliCath

Demo eines strahlungsfreien 3D Navigationssystems für endovasculäre Interventionen. Die Position den Katheters wird mit Hilfe von faseroptischen Krümmungssensoren und einem 3D Models des Phantoms bestimmt. Im Gegensatz zu anderen Trackingverfahren ist dieser Ansatz unempfindlich gegenüber Bewegungen oder Deformationen des Gefäßsystems.  

Vermeiden von unvollständiger Ablation durch Bewegungskorrektur

Unsere Software ermöglicht es statische Planungsdaten mit Bildern von bewegten Objekten zu verbinden und Bewegungen für Therapiesysteme vorauszusagen.
© Fraunhofer MEVIS
The image stream showing organ motion is analyzed and data can then be mapped inbetween a fixed planning state and the moving motion states, including temporal predictions for real-time applications like therapy control.

Unsere Lösung erlaubt es Echtzeitbilder von bewegten Objekten in einen statischen Referenzzustand zu überführen. Planungsdaten aus diesem Zustand können zu jedem Zeitpunkt auf das bewegte Objekt übertragen werden. Voraussagen über den Bewegungszustand können berechnet werden.