Industrie-in-Klinik

Brainlab AG : Auf dem Weg zum Autopiloten für Chirurgen

Im vergangenen Jahr hat Brainlab die Räume im neuen Hauptsitz des Unternehmens in München-Riem bezogen. Integriert in das futuristisch anmutende Firmengebäude ist der Kontrollturm des früheren Flughafens: Wo bis Anfang der 90er Jahre noch Flugzeuge auf Kurs gebracht wurden, geht es nun hauptsächlich um die chirurgische Navigation. Denn Brainlab produziert und entwickelt seit mehr als 25 Jahren softwaregestützte Medizintechnik für minimal-invasive Eingriffe.

Ein Flughafentower auf dem in großen weißen Buchstaben Brainlab geschrieben ist.
In einem alten Flughafentower kümmert sich Brainlab noch immer um Navigation und Kontrolle. Allerdings nicht im Bereich der Flugsicherung, sondern für minimal-invasive Operationen.

Früher versahen hier die Fluglotsen ihren Dienst, jetzt befinden sich im alten Tower Demo-Operationssäle, in denen die Münchner Softwarespezialisten ihre neusten Entwicklungen für die navigierte Chirurgie oder die Radiochirurgie präsentieren und erproben können. In der Luftfahrt ist der Instrumentenflug ohne Sicht längst Stand der Technik – die Piloten verlassen sich zur Orientierung ausschließlich auf ihre Anzeigen, der Autopilot übernimmt die Steuerung. Davon ist die Chirurgie noch ein gutes Stück entfernt, doch längst tüfteln auch die Entwickler bei Brainlab an einer Art Autopilot für Chirurgen, der die Landung der Instrumente für minimal-invasive Eingriffe überwacht, den optimalen Kurs berechnet und anzeigt oder via Roboterarm sogar vollautomatisch steuert. Denn wie in der Luftfahrt kommt es auch bei der minimal-invasiven Chirurgie auf eine präzise Landung im Zielgebiet an – in jeder Situation.

Kontrollzentrum für die chirurgische Navigation

Curve™ Image Guided Surgery heißt das Flaggschiff unter den Brainlab-Produkten für die chirurgische Navigation. Die Plattform ist ausgestattet mit zwei 27-Zoll-Touch-Monitoren in Full HD, fungiert als Kontrollzentrum und liefert gleichzeitig alle Informationen für die Navigation. Die Tracking-Kamera sitzt auf einem separaten Stativ mit motorisierter Teleskopsäule, sodass das schlanke System in allen OP-Sälen für nahezu jeden navigierten Eingriff verwendet werden kann.

Das Herzstück aller Brainlab-Plattformen ist die Software, in deren Weiterentwicklung die Münchner den Schwerpunkt ihrer Arbeit sehen. Die Plattformen von Brainlab verfügen über ein eigenes Betriebssystem. Die Software ermöglicht eine offene Gestaltung der Plattformen, sodass sich Geräte verschiedener Hersteller integrieren lassen. Denn die Chirurgen sollen je nach Wunsch mit Implantaten und Instrumenten verschiedener Hersteller arbeiten können. „Brainlab entwickelt und integriert zahlreiche Produkte für die verschiedenen Phasen eines chirurgischen Eingriffs: Das fängt bei der Software für die ersten Planungsschritte an und reicht über intraoperative Bildgebung, über Software und Systeme für die chirurgische Navigation bis hin zu Anwendungen für die Datenverwaltung und -bearbeitung“, erklärt Dr. Susanne Hager, Clinical Research Manager und Neurochirurgin bei Brainlab.

Als Stefan Vilsmeier im Jahr 1989 das Unternehmen gründete, war der Ausgangspunkt eine Software, für die Aufbereitung von Bilddaten zur Planung von Eingriffen am Gehirn. Die Software lief damals auf einem Amiga 2000, eigentlich ein Spielecomputer, der aber über eine leistungsfähige Grafik für 3-D-Anwendungen verfügte. „Aus Brainscan hat sich bis heute ein breites Portfolio entwickelt, für die Radiochirurgie und Präzisionsstrahlentherapie und parallel dazu auch für die Neuronavigation, die Bildbearbeitung und die Informationsintegration im Operationssaal. Die Kernkompetenz von Brainlab ist dabei die Digitalisierung und Aufbereitung von anatomischen Bilddaten für kritische chirurgische Eingriffe. Wir haben Produkte für die pädiatrische Neurochirurgie und die Neuroonkologie im Portfolio, aber auch für andere onkologische Felder. Ein weiteres Feld ist die Orthopädie mit Softwarelösungen für die Knie- und Hüftrekonstruktion sowie entsprechende Hardware“, erklärt Hager. Brainlab deckt zahlreiche weitere chirurgische Fachdisziplinen ab, wie die Unfallchirurgie, Hals-, Nasen und Ohrenchirurgie, die Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie sowie die Wirbelsäulenchirurgie.

Weltweit im Einsatz

Rund um den Globus nutzen rund 4.500 Krankenhäuser die Software von Brainlab: Von den knapp 12.000 weltweit installierten Systemen sind rund 4.500 chirurgische Navigationssysteme. „Krankenhäuser in Asien, Nordamerika, Australien, Japan und Südafrika gehören zu unseren Kunden. Brainlab war von Anfang an international aufgestellt. Da wir strategische Partnerschaften mit weltweit agierenden Medizintechnikunternehmen schlossen, hat Brainlab internationale Märkte erschließen können. Heute macht Brainlab über 50 Prozent seines Umsatzes in den USA“, berichtet Hager.

Wer sich wie Brainlab hauptsächlich als Software-Schmiede versteht und die Navigation und bildgestützte Chirurgie für die verschiedensten chirurgischen Anwendungen weiterentwickeln möchte, benötigt die entsprechende Manpower: Von den rund 750 Mitarbeitern in der Firmenzentrale in München sind rund 400 Ingenieure mit der Forschung und Entwicklung von Medizintechnik beschäftigt. „Ein Teil unserer Entwicklungsarbeit besteht zum Beispiel darin, unsere Navigationsgeräte mit CT- und MRT-Geräten der verschiedenen Hersteller für die Bildgebung zu integrieren. Ein wichtiges Standbein ist unsere sehr gute Kooperation mit den verschieden großen Bildgebungsfirmen, um deren Geräte wirklich tief zu integrieren, so dass wir deren Datensätze live im OP in unsere Software überführen können“, sagt Dr. Jörg Uhde, Leiter des Bereichs Wirbelsäulen-Navigation und Planung bei Brainlab.

„Wenn wir aber feststellen, dass sich auf dem Markt nichts Passendes für unsere Anwendung im OP finden lässt, entwickeln wir die entsprechende Hardware selber. Ein Beispiel dafür ist unser eigener intraoperativer CT-Scanner, den wir speziell für die intraoperative Anwendung entwickelt haben. Herkömmliche Geräte sind meist für eine Anwendung in der Radiologie konstruiert, unser CT-Scanner ist für die Navigation bei kranialen Eingriffen sowie Wirbelsäulen- und Trauma-Eingriffen optimiert worden“. Der CT-Scanner namens Airo verfügt trotz seiner Fähigkeit in den Operationssaal gerollt werden zu können, über ein normales Scanvolumen. So kann die gesamte Wirbelsäule in einem einzigen Scan dargestellt werden kann. Dank seiner großen Scanner-Öffnung von über einem Meter bilden Patient, OP-Tisch und Scanner eine Einheit. Dennoch ist das System so klein, dass es im OP kaum Platz benötigt und dank stoßgedämpften, elektrischem Antriebssystem problemlos durch Türen und in Aufzüge manövriert werden kann.

Schritt für Schritt mehr Automatisierung

„Im OP ist vieles Routine und muss schnell, aber präzise von der Hand gehen. Wenn der Arzt eine Planungssoftware zum Beispiel für einen minimal-invasiven Eingriff an der Wirbelsäule einsetzt, möchte er dabei in möglichst wenigen Schritten zum Ergebnis kommen. Da ist es naheliegend, diesen Prozess zu automatisieren. Ein Forschungsprojekt, das wir in Kooperation mit der Industrie-in-Plattform M3i zurzeit intensiv bearbeiten, ist in der minimal-invasiven Wirbelsäulenchirurgie das Einsetzen von Pedikelschrauben in den knöchernen Wirbelkörper. An ihnen werden zwecks Stabilisierung der Wirbelsäule kleine Stangen befestigt“, erklärt Hager. Die Platzierung der Schrauben im Pedikel ist nicht immer einfach, die Schraube kann beispielsweise den Wirbelkörper durchbrechen und zu Verletzungen an Rückenmark oder Gefäßen führen. Die anatomischen Verhältnisse variieren von Mensch zu Mensch. Je nach Größe des Wirbelkörpers und Pedikels gibt es Schrauben in unterschiedlichen Größen. Schwierig wird die Positionierung, wenn die Wirbelsäule zum Beispiel bei Skoliose gekrümmt ist oder Wirbel deformiert sind.

Heute wird die Positionierung der Schrauben selten vorab geplant, sondern direkt im OP durchgeführt. Als Orientierung dienen dabei viele einzelne Röntgenaufnahmen, die während der OP durchgeführt werden. Das Problem dabei: Die Aufnahmen bieten keine lückenlose Sicht auf die zu operierende Anatomie, vor allem die umliegenden Gewebsstrukturen, Nervenbahnen und andere Strukturen. Außerdem werden durch die hohe Anzahl an nötigen Röntgenbildern die Patienten und vor allem die operierenden Ärzte und das gesamte OP-Personal einer hohen Strahlenbelastung ausgesetzt. Computergestützte Navigationsverfahren können hier Abhilfe schaffen, denn diese können die Strukturen der Wirbelsäule und die Position der Instrumente in Relation zur Patientenanatomie darstellen. Eine punktgenaue Planung und Schraubenplatzierung wird damit möglich, die intraoperative Röntgenkontrolle überflüssig. Die Navigationsverfahren für den Wirbelsäulenbereich basieren entweder auf CT-Aufnahmen oder auf Bilddaten von 2-D- bzw. 3-D-C-Bögen, deren prä- und auch intraoperativ gewonnene Bilddaten von der Software in ein dreidimensionales Bild überführt werden. Mit einem Planungstool kann der Chirurg entweder schon präoperativ oder intraoperativ die Positionierung der Pedikelschraube vornehmen.

Zeitersparnis durch eine digitale Planung des Eingriffs

Mithilfe einer Referenzierungsbasis, die fest am Patienten angebracht wird, und speziellen Markierungen an den Operationsinstrumenten kann deren Position von einer Navigationskamera mit Infrarot-Tracking-System nachverfolgt und in Echtzeit in das 3-D-Bild der Wirbelsäule eingespeist werden. Am Bildschirm sieht der Chirurg die Ausrichtung seiner Instrumente im Körper des Patienten und die Lokalisation der Schraube. Bevor der Chirurg mit dem Eingriff beginnt, erlaubt die Navigationssoftware die Planung der Schraubentrajektorien in der dreidimensionalen Ansicht des Wirbelkörpers. „Diese Planungsarbeit vor dem Eingriff möchten wir dem Chirurgen gerne abnehmen. Sobald der Arzt mit seinem Instrument in Höhe des vorgesehenen Wirbelkörpers auf die Haut des Patienten tippt, soll das Navigationssystem die entsprechende Trajektorie automatisch anzeigen, die zu einer optimalen Platzierung der Pedikelschraube führen wird“, erklärt Hager. Gleichzeitig soll der Arzt auch Informationen über die optimale Größe der Pedikelschraube erhalten, um schnell die richtige Wahl zu treffen. Bei Brainlab ist auch schon die erste Version eines Roboters im Einsatz, der den Chirurg bei der Platzierung und Ausrichtung der Instrumente unterstützen soll. Cirq heißt der Roboterarm, der am OP-Tisch fixiert wird und als Assistenzsystem in der Hand des Arztes gedacht ist. Ob der Chirurg eines Tages Cirq auf Autopilot stellen kann, wird sich zeigen.

„Mit der Automatisierung wollen wir nicht nur für die Ärzte eine Zeitersparnis erreichen, sondern auch das klinische Ergebnis für den Patienten verbessern. Ich glaube, die Realität ist heute immer noch, dass die Ärzte bei diesem Eingriff auf die Planung im Vorfeld verzichten. Denn die Zeit, die dafür benötigt wird, steht in keinem Verhältnis zur Operationsdauer. Heute ist Planung und Navigation noch kein klinischer Standard. Das wollen wir ändern und mehr minimal-invasive Eingriffe ermöglichen“, resümiert Andreas Giese, Vice President Research and Development. Bis es soweit ist, müssen die Münchner Softwarespezialisten ihr System noch fleißig trainieren. Über die Experten der Industrie-in-Klinik-Plattform M3i wollen sie eine große Zahl von Bilddaten aus verschiedenen Kliniken akquirieren, damit das System lernt, die Vielfalt der Patientenbilder zu berücksichtigen und am Ende robuste Ergebnisse liefert.

„Vor dem Hintergrund der wachsenden Digitalisierung – auch in der Medizintechnik – mit Machine Learning und Künstlicher Intelligenz wollen wir die Trends wie Connected Health, Augmented Reality und Big Data entscheidend mit gestalten. Ein Beispiel ist das Anatomical Mapping von Bilddatensätzen – ein Verfahren, das durch automatische Segmentierung anatomischer Strukturen eine Zuordnung von einzelnen Gewebeklassen in 3-D möglich macht. Damit bekommen Ärzte eine Interpretationshilfe für die Behandlungsplanung an die Hand, zusätzlich zu den klassischen Schnittbildern“, erklärt Giese.

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