Was optische Technologien in der Medizin leisten können

Optische Technologien

Vom reinen Abbild zum assistierenden Roboter

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Prof. Werner Nahm leitet das Institut für Biomedizinische Technik am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und den Fachausschuss Optische Verfahren in der Medizin (Optomed) in der DGBMT Bild: KIT/IkumaPhoto
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Optische Technologien in der Medizin | Visualisierung, Diagnose, Therapie: In allen drei Bereichen werden optische Technologien genutzt. Wie sie sich durch Digitalisierung und Miniaturisierung weiterentwickeln und welche Einflüsse aus anderen Branchen sie voranbringen, erläutert Prof. Werner Nahm vom Karlsruher Institut für Technologie.

Dr. Birgit Oppermann
birgit.oppermann@konradin.de

Herr Professor Nahm, welche Aufgaben in der Medizin werden heute mit optischen Technologien gelöst?

In der Medizin stehen drei Zielrichtungen im Vordergrund: das sind die Visualisierung sowie diagnostische und therapeutische Verfahren, die auf optischen Verfahren basieren.

Wie ist der Stand der Technik im Bereich der Visualisierung?

Endoskopie oder auch das Operationsmikroskop für die Mikrochirurgie haben sich im Zuge der Digitalisierung stark weiterentwickelt. Einen direkten optischen Kontakt über Linsensysteme gibt es kaum noch – vielmehr zeichnen Kameras Bilder vom Gewebe auf, die der Mediziner auf dem Bildschirm betrachtet. Die Kameras haben sich über HD, 2K und 4K so stürmisch entwickelt, dass wir heute videobasiert sehr gute Bilder bekommen und der Chirurg sich allein daran während der Operation orientieren kann. Gegebenenfalls wird sogar der Bildschirm durch eine Datenbrille ersetzt. Dass die Bilder im Computer vorliegen, eröffnet eine ganze Reihe weiterer Möglichkeiten, die auf technischen Lösungen für maschinelles Sehen, also Machine Vision, basieren. Sie laufen darauf hinaus, dass computergestützt Aufgaben gelöst werden, die sonst nur das menschliche visuelle System übernehmen kann.

Wohin könnte die Weiterentwicklung hier führen?

Machine Vision verfolgt das Ziel, dass die Maschine erkennt, was im Bild passiert, daraus Schlussfolgerungen zieht und auch in die Tat umsetzt. Im Fall der Medizin führt uns das zu Unterstützungssystemen für den Chirurgen. Wenn sich aus den Bildern ableiten lässt, was im Operationsbereich passiert, kann die Technik im OP darauf reagieren – was dem Mediziner eventuell bestimmte Einstell- oder Kontrollaufgaben abnehmen würde. So kann er sich auf seine eigentliche Tätigkeit besser konzentrieren. Ein Beispiel dafür, dass so etwas grundsätzlich möglich ist, sehen wir im Automobilbereich mit dem autonomen Fahren. Dort werden Bildinformationen, die Kameras über den Verkehr sammeln, ausgewertet und für Entscheidungen im Fahrzeug genutzt. Daran wird mit vielen Forschern intensiv gearbeitet – viel intensiver, als man das in der Medizin derzeit tut. Aber ich gehe davon aus, dass es einen Transfer in die Medizin geben wird.

Wie viel Autonomie könnte so ein System in der Medizin bekommen?

Es geht sicher nicht darum, einem Computer die komplette Verantwortung für einen Eingriff zu geben und einen ‚autonomen Chirurgen‘ zu generieren. Aber mit mehr Assistenz ließe sich vieles verbessern. Die Entscheidungen fällt natürlich immer noch der Mensch. Auch wenn Entwicklungen aus dem autonomen Fahren eingesetzt werden, um zu einer solchen Assistenzlösung zu kommen, hinkt der direkte Vergleich: Vom Ausmaß der Assistenz her passt für die Medizin besser der Vergleich mit dem Spurstabilisierungssystem im Fahrzeug.

Wie stehen die Chancen, therapeutische Verfahren mit Licht als Werkzeug nutzen medizinisch zu nutzen?

Der Laser funktioniert aus technischer Sicht einwandfrei als chirurgisches Instrument. Das Problem liegt darin, dass dem Chirurgen beim Einsatz eines Laserskalpells das haptische Feedback fehlt. Daher wird sich der Laser in der allgemeinen Chirurgie erst dann verbreiten, wenn er mit Hilfe eines robotischen Systems eingesetzt werden kann – wie wir es in der Augenheilkunde erleben. Dort hat sich in den vergangenen zehn Jahren viel getan: Heute werden Femtosekundenlaser verwendet, die in der weniger als einen Millimeter dicken Hornhaut Korrekturen vornehmen, um die Fehlsichtigkeit des Patienten zu verbessern – und zwar ohne die Oberfläche zu verletzen. Die dafür eingesetzten Systeme arbeiten computergesteuert und sind präziser als die Hand des Chirurgen.

Wieso sind solche roboterisierten Systeme bisher nur dort im Einsatz?

Die benötigten Systeme sind heute noch relativ kostspielig. Dass wir so etwas in der Ophthalmologie heute schon sehen, liegt an der hohen Standardisierung dieser Art von Eingriffen. Sie laufen immer nach demselben Schema ab und können in kürzester Zeit durchgeführt werden. Wegen der hohen Zahl von Eingriffen pro Tag rechnet sich auch die hohe Investition – wobei die Patienten die Operation überwiegend aus eigener Tasche zahlen, da Krankenkassen die refraktive Laserchirurgie nur in Ausnahmefällen übernehmen. Für andere chirurgische Disziplinen kommen laserbasierte Lösungen mit Roboterunterstützung wohl erst in Frage, wenn sie durch technischen Fortschritt und größere Stückzahlen bei den benötigten Komponenten insgesamt günstiger werden.

Wie verbreitet sind optische Anwendungen heute generell in der Medizin?

Das ist von Fachgebiet zu Fachgebiet sehr unterschiedlich: Aus der Augenheilkunde sind optische Technologien nicht wegzudenken. Die optische Kohärenztomographie beispielsweise hat sich zum Goldstandard für die Diagnose von Netzhauterkrankungen etabliert. In der Endoskopie oder der Mikrochirurgie bringen technische Weiterentwicklungen die beschriebenen Fortschritte. Für andere Bereiche, in denen typischerweise mit bloßem Auge gearbeitet wird, gibt es ebenfalls Potenzial – außerhalb des OP-Bereiches gilt das zum Beispiel für eine dermatologische Arztpraxis. Wo Visualisierung und Dokumentation eine Rolle spielen oder auch die Qualitätssicherung einen höheren Stellenwert bekommt, wächst die Bedeutung der Bilder und damit der optischen Verfahren.

Welche Entwicklungen gibt es aktuell im dritten Anwendungsbereich, den optischen Technologien für die Diagnose?

Zur optischen Analyse der Gewebezusammensetzung steht heute ein ganzes Portfolio an hochentwickelten, spektroskopischen Verfahren zur Verfügung, die aktuell ihren Weg in die Anwendung suchen. Mit Hilfe optischer Technologien lassen sich auch Informationen über funktionale Parameter im lebenden Gewebe sammeln. So kann während einer Operation eine Angiographie erstellt werden, oder es wird ein Tumorbereich mittels Fluoreszenztechnologie sichtbar gemacht.

Welche Rolle spielen optische Technologien in der Biotechnologie?

Interessante Entwicklungen gibt es, wo Tumormarker an Gewebeproben eingesetzt oder auch bestimmte Bereiche mit immunologischen Verfahren hervorgehoben werden können. Auch wenn die Biotechnologie ein eigenes Feld ist, gibt es viele Überschneidungen mit der Medizin – und ich gehe davon aus, dass wir eines Tages Marker zur Verfügung haben werden, die am lebenden Menschen eingesetzt werden können. Das ist interessant, weil damit das Entnehmen von Gewebeproben entfällt, was beispielsweise im Gehirn von Vorteil wäre. Auch muss der Pathologe dann nicht extra Schnitte aus der Probe herstellen und untersuchen, sondern kann sofort ein Bild der lebenden Zellen bewerten: Seit kurzem gibt es schon ein erstes System für die digitale Biopsie in der Neurochirurgie.

Worin liegen die Herausforderungen beim Einsatz optischer Technologien in der Medizin?

Die Verfahren werden von Technikern entwickelt und von Medizinern genutzt, die die gelieferten Informationen in ihrem Kontext interpretieren. Wenn der Arzt zum Beispiel etwas über die Durchblutung nach der Operation erfahren möchte, spricht er vielleicht von Gewebeperfusion. Für den Techniker geben die Daten aber nur einen veränderten Farbwert wider oder vielleicht – in physikalischen Werten ausgedrückt – einen bestimmten Volumenfluss pro Sekunde. Hier wäre eine Standardisierung sinnvoll, damit alle vom Gleichen reden und die Technik den Ärzten möglichst das bietet, was sie für ihre Anwendung brauchen. Dazu haben wir vom Fachausschuss Optomed Anfang März einen Workshop mit Technikern und Medizinern ins Leben gerufen. Die rund 35 Teilnehmerinnen und Teilnehmer aus Klinik und Technik waren sich darüber einig, dass es sich lohnt, im Fachausschuss die Kalibrierung und Validierung insbesondere der kamerabasierten optischen Diagnoseverfahren als Jahresthema zu setzen.

Wie verändert die Digitalisierung die Nutzung der optischen Technologien?

Lassen Sie mich das an einem Beispiel beschreiben. Sobald wir Bilder oder Videos vorliegen haben, kann man diese mit modernen Verfahren der Datenanalyse verarbeiten. Schon vor zehn Jahren hat zum Beispiel das MIT ein Verfahren vorgestellt, mit dem sich durch Farbverstärkung in der Videoaufnahme einer Person erkennen lässt, ob diese eine intensivere Durchblutung der Haut aufweist. Mit bloßem Auge war das nicht zu erkennen. Was aus dem Videobild abgeleitet wurde, gab aber Hinweise auf ein steigendes Stresslevel der betrachteten Person. Damals wurde viel diskutiert, was man mit diesem Verfahren tun könnte. Das führte auch zu datenschutzrechtlichen Überlegungen: Eine Auswertung könnte ja auch in unerwünschten Zusammenhängen oder sogar automatisiert erfolgen, ohne Wissen oder Einwilligung der Betroffenen. Andererseits könnte man das Verfahren auch für die Pulsmessung bei Neugeborenen nutzen – als berührungslose Messung, die ohne Clips oder aufgeklebte Sensoren auskommt und die Neugeborenen daher weniger beeinträchtigt. Wir am KIT wiederum entwickeln das Verfahren weiter, um die Durchblutung während einer Gefäßoperation zu überwachen. Digitalisierung hat also auch für die optischen Technologien ein riesiges Potenzial und kann zu nützlichen Weiterentwicklungen führen. Es sind aber auch hier Szenarien denkbar, in denen der Datenschutz Grenzen setzen muss.

Woher kommen die technischen
Impulse für die optischen Technologien?

Die Medizin kann immer wieder Entwicklungen aus anderen Branchen übernehmen. Die Automobilbranche ist ein Beispiel dafür. Aber auch die Mikrosystemtechnik, die eine immer höhere Integrationsdichte ermöglicht, hilft uns weiter. Ein Spektrometer oder ein Interferometer passt heute auf einen Chip, was auch hoffen lässt, dass eines Tages die Herstellkosten sinken und wir sogar über Disposables für optische Technologien verfügen. Was optische Fasern, Sensorik und Detektionssysteme angeht, ist die Kommunikationstechnologie ein Treiber – auch wenn man für medizinische Anwendungen dann spezielle Fasern braucht.

Wo auf der Welt ist die Entwicklung der optischen Technologien für die Medizin am weitesten fortgeschritten?

Wir sprechen hier mit dem Blick auf die Anwendungen in der Medizin von einer Hightech-Disziplin, in der Europa und Nordamerika derzeit sicher eine weltweit führende Position einnehmen. Auch Japan ist auf diesem Gebiet schon weit vorangekommen. Technische Impulse, die zum Beispiel aus der Automotive-Branche oder anderen Industrien stammen und die Entwicklung beeinflussen, können allerdings aus allen Teilen der Welt kommen.


Über den Fachausschuss Optomed

Der Fachausschuss Optische Verfahren in der Medizin (Optomed) hat die Aufgabe, Forscher, Hersteller und klinische Anwender zu vernetzen, Fachinformationen bereitzustellen und sich zu den Chancen und Risiken der Zukunftstechnologien Optik und Photonik in der Medizintechnik zu positionieren.

http://hier.pro/uZm63

Der Fachausschuss Optomed ist Bestandteil der DGBMT. Die Deutsche
Gesellschaft für Biomedizinische Technik im VDE ist mit über 2500 Mitgliedern nach eigenen Angaben „die größte wissenschaftlich-technische Fachgesellschaft der Medizintechnik in Deutschland“. Sie wurde 1961 in Frankfurt am Main gegründet.

www.vde.com/de/dgbmt

Im September findet in Aachen die Jahrestagung der DGBMT statt. Dort werden aktuelle Ergebnisse zu Themen biomedizinischer Forschung vorgestellt, unter anderem zu Fragen der Vergleichbarkeit und Standardisierung optischer Verfahren in der Medizintechnik.

www.vde.com/en/events/bmt

In der Ophthalmologie sind optische Technologien etabliert. Potenzial haben sie auch für andere medizinische Fachgebiete
Bild: jayzynism/Fotolia
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