Stefanie Speidel ist seit dem 1. April Professorin für „Translationale Chirurgische Onkologie“ am Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen (NCT) Dresden. Die Informatikerin forscht an intelligenten Assistenzsystemen für den Operationssaal. Diese sollen den Chirurgen bei minimalinvasiven Eingriffen sicher an sein Ziel führen. Besonders Tumoroperationen im Bauchraum könnten hierdurch künftig noch genauer und risikoärmer werden. Speidel ist die erste Professorin, die aus Geldern des NCT Dresden finanziert wird. Vier weitere NCT-Professoren sollen in diesem und im kommenden Jahr berufen werden.

Adresse eingeben, okay drücken, losfahren. Im Auto verlassen wir uns ganz selbstverständlich auf unser Navigationssystem, wenn wir zu neuen Zielen aufbrechen. Die Zukunft im Operationssaal könnte ganz ähnlich aussehen: Intelligente Assistenzsysteme führen den Chirurgen sicher und ohne Umwege zum Tumor. Die NCT-Professorin Stefanie Speidel entwickelt hierfür hochkomplexe und zugleich praktikable Lösungen: „Heute wie in Zukunft trägt aber der Mensch die Verantwortung und entscheidet während der Operation, was zu tun ist. Wir bieten dem Chirurgen für seine Arbeit intelligente Hilfen an“, erklärt Speidel.

Benötigt werden die intelligenten Hilfen insbesondere bei minimalinvasiven Operationen. Hier macht der Chirurg einen kleinen Schnitt in die Haut des Patienten und steuert die Operation über Videobilder des Endoskops. Das Navigationssystem, an dem Speidel gemeinsam mit ihrem Team arbeitet, blendet in die zweidimensionalen Videobilder zusätzliche Informationen ein: etwa die dreidimensionale Darstellung der Bereiche, in denen operiert werden soll, oder Gefäße, die nicht verletzt werden dürfen. Kontextbezogen kommen weitere Informationen hinzu. Greift der Chirurg beispielsweise zu einem scharfen Instrument, erkennt das System die Absicht, weiter zum Tumor vorzudringen, und zeigt zusätzlich die optimale Schnittführung und die genaue Lage des Tumors an.

Bewegliche Oberflächen erschweren Navigation

In der Neurochirurgie und Orthopädie, wo an weitgehend stabilen Strukturen operiert wird, sind vergleichbare Systeme heute bereits im Einsatz. Neu und besonders schwierig ist die Entwicklung solcher Navigationssysteme für Weichgewebe, wie sie etwa im Bauchraum vorliegen. Denn durch Atmung, Herzschlag oder die Berührung mit medizinischen Instrumenten kann sich die Lage und Form von Geweben und Organen ständig verändern. „Diese Veränderungen müssen wir – vergleichbar mit einer veränderten Position beim Autofahren – in Echtzeit analysieren und abbilden. Denn was nützt uns, um beim Autovergleich zu bleiben, ein System, das lediglich rückmeldet: ‚Vor 300 Metern hätten Sie rechts abbiegen müssen‘“, sagt Speidel.

Um das zu erreichen, kombiniert Speidel vor und während der Operation gewonnene Bild- und Sensordaten mit biomechanischen Modellen und entwickelt neue Programme, die aus diesen Informationen Oberflächenveränderungen unmittelbar berechnen können. „Solche computergestützten Systeme sind für die Zukunft der Chirurgie von großer Bedeutung. Sie geben uns die Möglichkeit, Operationen noch exakter auszuführen und den Tumor mit größerer Sicherheit komplett zu entfernen. Zudem könnten noch schwierigere Fälle als bisher operativ behandelt werden“, berichtet Prof. Jürgen Weitz, Direktor der Klinik für Viszeral-, Thorax- und Gefäßchirurgie am Universitätsklinikum Carl Gustav Carus Dresden und einer der Geschäftsführenden Direktoren am NCT Dresden.

Erweiterte und virtuelle Realitäten zum Wohl des Patienten

Neben der Überlagerung der Wirklichkeit durch zusätzliche Informationen, der sog. erweiterten Realität, beschäftigt sich Speidel auch mit innovativen Lösungen im Bereich der virtuellen Realität. Hier erzeugen Computer eine dreidimensionale Umgebung, mit welcher der Nutzer auf scheinbar physische Weise interagieren kann. So entwickelt sie eine spezielle Software für Datenbrillen, mit deren Hilfe sich der Chirurg vor der Operation eine dreidimensionale Projektion des zu behandelnden Organs oder Gewebes ansehen kann. Durch Handbewegungen kann er die räumliche Abbildung beliebig drehen und wenden.

Speidels Arbeit könnte schon in absehbarer Zeit Patienten zu Gute kommen und wird die Expertise der Dresdner Hochschulmedizin um eine neue Dimension bereichern. Die Datenbrille zur Operationsplanung wird bereits in Pilotstudien getestet. Das intraoperative Assistenzsystem soll am NCT Dresden in Studien getestet werden und könnte in etwa zehn Jahren für bestimmte Eingriffe in den Operationssälen zur Verfügung stehen.

Die Informatikerin ist die erste NCT-Professorin in Dresden. Zwei Professuren auf den Gebieten „Translationale Medizinische Onkologie“ und „Translationale Bildgebung in der Onkologie“ werden in Kürze mit führenden Wissenschaftlern und Ärzten besetzt, zwei weitere Professuren werden folgen. Durch die NCT-finanzierten Professuren werden in Dresden ganz gezielt bestimmte onkologische Forschungsschwerpunkte gestärkt. Vor ihrem Wechsel nach Dresden leitete Speidel die Arbeitsgruppe „Computer-assisted Surgery“ am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und arbeitete hier bereits eng mit Wissenschaftlern des Deutschen Krebsforschungszentrums (DKFZ) und Ärzten des Universitätsklinikums Heidelberg zusammen. Das NCT Dresden bietet ihr nun hervorragende Voraussetzungen, um ihre interdisziplinäre Forschung standortübergreifend weiter voranzutreiben.