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Hüftoperationen in der virtuellen Realität trainieren

Erstmals hat ein Forschungsverbund einen Simulator für einen besonders kritischen Schritt bei der Implantation von Hüftgelenken entwickelt: das Ausfräsen der Hüftpfanne.

Mehr als 200.000 Menschen pro Jahr erhalten in Deutschland eine Hüftprothese. Der Erfolg der Operationen hat für die Betroffenen großen Einfluss auf die Lebensqualität, allerdings ist der Eingriff oft schwierig. Das rund dreijährige Projekt „HüftImplantatPfannenfräsSimulator“ (HIPS), das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) mit insgesamt rund 670.000 Euro gefördert wurde, erleichtert nun die Vorbereitung junger Chirurginnen und Chirurgen auf die Durchführung von Hüft-OPs: Eine Virtual-Reality-Simulation ermöglicht es unter Einbindung eines Leichtbauroboters, den Eingriff realitätsnah zu üben. 

Koordiniert wurde das Projekt, das im April 2019 abgeschlossen wurde, von der Professur Werkzeugmaschinenkonstruktion und Umformtechnik der Technischen Universität Chemnitz. Das Technologie-Zentrum Informatik und Informationstechnik (TZI) der Universität Bremen brachte wissenschaftliche Kompetenz aus dem Bereich Virtual Reality ein. Aus der Wirtschaft waren die FAKT Software GmbH (Leipzig) und die CAT PRODUCTION GmbH (München) dabei. 

Roboter sorgt für realistisches Gefühl beim Fräsen

Im Fokus des Projekts stand das Ausfräsen der Hüftpfanne. Das Implantat muss möglichst genau in die Pfanne passen, um Komplikationen zu vermeiden und die Lebensdauer der Prothese zu maximieren. Die Aufgabe ist jedoch schwierig, denn sie erfordert viel Kraft und gleichzeitig größtmögliche Präzision – wobei die zu bearbeitende Stelle für die Chirurgin oder den Chirurgen kaum sichtbar ist. Bis jetzt war es kaum möglich, diese Situation unter realitätsnahen Bedingungen zu üben.

Das System „HIPS“ hat hier Abhilfe geschaffen. Anwenderinnen und Anwender sehen auf der VR-Brille die Hüfte des virtuellen Patienten und bedienen gleichzeitig die Fräse, die an einen Roboter angeschlossen ist. Der Roboter liefert dabei realitätsgetreues haptisches Feedback, indem er beispielsweise beim virtuellen Fräsen den gleichen Widerstand leistet, den der Knochen aufweisen würde. Die Wissenschaftler haben dafür den Fräsprozess genau vermessen und entsprechende Algorithmen entwickelt. Die FAKT Software GmbH hat sämtliche Softwaremodule in eine interaktive Anwendung integriert, die mit der 3D-Anatomie der CAT PRODUCTION GmbH interagiert. 

Auf medizinischer Seite wird die Entwicklung von der Klinik für Orthopädie, Unfallchirurgie und Plastische Chirurgie des Universitätsklinikums Leipzig, dem Zentrum zur Erforschung der Stütz- und Bewegungsorgane (ZESBO), der Forschungsgruppe für klinische Anatomie der University of Otago (Neuseeland) sowie der Medizintechnik-Abteilung des Fraunhofer Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) begleitet.

Projekt mit DIVR Award 2019 ausgezeichnet

Mit der erfolgreichen Umsetzung des Vorhabens hat das Projektkonsortium kürzlich auch die Jury des Deutschen Instituts für Virtual Reality (DIVR) überzeugt. Das Institut verlieh „HIPS“ den DIVR Award 2019 in der Kategorie „best tech“. Die Jury lobte die hervorragende Qualität, den hohen technologischen Innovationsgrad und den gesellschaftlichen Impact der Virtual-Reality-Simulation.

Aktuell planen die Akteure die Weiterentwicklung des Systems, um weitere Operationsschritte abbilden zu können. Dann sollen angehende Chirurginnen und Chirurgen auch das Abtrennen des Hüftgelenkkopfes, das Ausschaben des Oberschenkelknochens und die Implantation des Kunstgelenkes in der virtuellen Realität trainieren können.

Weitere Informationen:

Projekt-Website:
https://cgvr.cs.uni-bremen.de/research/hips/

Kurzportrait des Projekts HIPS auf YouTube:
https://youtu.be/SoJRZl-V0bs

Ausführlicheres Video:
https://youtu.be/1IcaxkOg9Vw
 

Aktualisiert von: TZI