Tumoroperationen an der Wirbelsäule: Mit digitalem Zwilling besser vorbereitet: E-HEALTH-COM

Wie könnten komplizierte Tumoroperationen an der Wirbelsäule zukünftig besser geplant und vorbereitet werden? Im Verbundprojekt IntelliSpine-Recon werden Forschende dafür unter anderem einen digitalen Wirbelsäulenzwilling und eine virtuelle Trainingsumgebung für Chirurginnen und Chirurgen entwickeln. Der von der Medizinischen Fakultät Heidelberg der Universität Heidelberg koordinierte Juniorverbund wird gemeinsam mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) umgesetzt. IntelliSpine-Recon erhält in den kommenden drei Jahren eine Förderung des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt in Höhe von insgesamt rund 1,6 Millionen Euro.

Transluzente, segmentierte 3D-Strukturen von Wirbelsäule und Tumor unterstützen die virtuelle Planung komplexer Operationen. Abbildung: © Universitätsklinikum Heidelberg

Tumoroperationen an der Wirbelsäule sind komplex und mit Risiken verbunden. Im Juniorverbund IntelliSpine-Recon werden Forschende aus den Bereichen Medizin, Informatik und Ingenieurwissenschaften in den kommenden drei Jahren verschiedene durch Künstliche Intelligenz (KI) gestützte Werkzeuge entwickeln, mit denen diese Eingriffe zukünftig noch gezielter und patientenspezifisch vorbereitet werden könnten. Dazu gehören ein digitaler Zwilling der Wirbelsäule sowie eine virtuelle Trainingsumgebung. Langfristig soll durch die digitalen Tools die Patientenversorgung verbessert werden. Koordiniert wird das Verbundprojekt von Privatdozentin (PD) Dr. Pavlina Lenga an der Medizinischen Fakultät Heidelberg der Universität Heidelberg.

Im Zentrum des Forschungsvorhabens steht die Entwicklung eines digitalen Wirbelsäulenzwillings. Ein solches virtuelles 3D-Modell basiert in erster Linie auf den medizinischen Bilddaten der Tumorpatientin oder des -patienten, also auf Aufnahmen der Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT). Es fließen aber auch Laborbefunde und Informationen zum Krankheitsverlauf ein. Das KI-gestützte Modell bildet die Knochen und den Tumor, Nerven und Blutgefäße patientenspezifisch ab und zeigt kritische Bereiche, in denen wichtige Strukturen liegen. Am digitalen Zwilling können Chirurginnen und Chirurgen eine Tumoroperation zunächst individuell planen und ermitteln, welche Zugriffswege zum Tumor besonders sicher und risikoarm sind.

In einem zweiten Schritt werden die Forschenden eine virtuelle Trainingsumgebung entwickeln, in der Medizinerinnen und Mediziner die Operation (OP) üben können. Das Tool soll über haptisches Feedback verfügen. Das bedeutet: Über ein Eingabegerät erzeugt das System spürbare Gegenkräfte oder Widerstände, sobald sich das virtuelle Instrument einem kritischen Bereich nähert. So können die Ärztinnen und Ärzte die verschiedenen Zugriffswege ausprobieren und mögliche schwierige Stellen schon vor dem eigentlichen Eingriff erkennen. Das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) fördert den IntelliSpine-Recon-Verbund im Rahmen des Förderschwerpunkts „Zukunft eHealth“ mit insgesamt rund 1,6 Millionen Euro.

Spinale Chordome und Sarkome: Jeder Eingriff erfordert individuelles Vorgehen

Die Operation von bösartigen Knochentumoren an der Wirbelsäule, sogenannter spinaler Chordome oder Sarkome, ist aus mehreren Gründen anspruchsvoll. In unmittelbarer Nachbarschaft des Tumors können empfindliche Strukturen wie Rückenmark und Rückenmarkshaut, Nervenwurzeln und große Blutgefäße liegen. Bereits geringe Abweichungen vom Zugangsweg während der OP können zu Komplikationen führen, etwa wenn Gefäße oder das Rückenmark verletzt werden. Zudem sind spinale Chordome und Sarkome selten, treten an verschiedenen Stellen der Wirbelsäule auf und sind möglicherweise in benachbartes Gewebe eingewachsen. „Jeder chirurgische Eingriff erfordert ein individuelles Vorgehen – von der Diagnose und Therapieplanung über die Operation bis zur Rekonstruktion und Nachsorge“, sagt PD Dr. Lenga. Die Koordinatorin des IntelliSpine-Recon-Verbunds ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Medizinische Informatik (Direktor: Professor Dr. Martin Dugas) und Fachärztin in der Neurochirurgischen Klinik (Ärztlicher Direktor: Professor Dr. Sandro Krieg) des Universitätsklinikums Heidelberg (UKHD). Die Sektion Wirbelsäulenchirurgie der Neurochirurgischen Klinik ist auf die Operation von Tumoren der Wirbelsäule, inklusive der seltenen spinalen Chordome und Sarkome, spezialisiert.

Ein „geschlossener Lernkreislauf“ für bessere Entscheidungen

Ein weiterer Schwerpunkt des Verbundprojekts ist das sogenannte Closed-Loop-Learning, also ein geschlossener Lernkreislauf. Alles, was die Forschenden an den digitalen Werkzeugen lernen, fließt direkt in die Weiterentwicklung der Systeme ein. Zusätzlich werden sie Daten zu den klinischen Verläufen von spinalen Knochentumoren und auch die Ergebnisse von Patientenbefragungen, etwa zum gesundheitlichen Wohlbefinden und zur Akzeptanz KI-gestützter Verfahren, miteinbeziehen.

„Interdisziplinäre Tumorboards, Bildgebung und die große Erfahrung der Chirurginnen und Chirurgen sind die Grundlage dafür, dass Krebserkrankungen erfolgreich behandelt werden. Mit IntelliSpine-Recon wollen wir diese Stärken nicht ersetzen, sondern gezielt ergänzen“, sagt PD Dr. Pavlina Lenga. „Indem wir Daten aus den Bereichen Planung, Operation und Nachsorge zusammenführen, wollen wir besser verstehen, welche Entscheidungen langfristig zu den besten Ergebnissen für die Patientinnen und Patienten führen.“ Im Verbundprojekt entstehe kein marktreifes Medizinprodukt, sondern ein Prototyp für eine KI-gestützte Assistenzplattform.

Beteiligte Partner und ihre Aufgaben

Der interdisziplinäre Juniorverbund hat seine Arbeit am 1. November aufgenommen. Am 23. November wird am UKHD der offizielle Konsortial-Kick-off stattfinden. Neben den Forschenden um PD Dr. Lenga aus der Neurochirurgischen Klinik sind auch Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus der Klinik für RadioOnkologie und Strahlentherapie des UKHD (Ärztlicher Direktor: Professor Dr. Dr. Jürgen Debus) beteiligt: Aus der Division of Medical Image Computing unter Leitung von Professor Dr. Klaus Maier-Hein wirken insbesondere Dr. Peter Neher und Dr. Robin Peretzke mit. Das Institut für Medizinische Informatik (IMI) des UKHD bringt seine Expertise im Bereich Datenintegration, Patient-Reported Outcome Measures (PROMs) und klinische Softwareentwicklung in das Projekt ein.

Die Division of Translational Medical Oncology am Nationalen Centrum für Tumorerkrankungen (NCT) Heidelberg unter Leitung von Professor Dr. Stefan Fröhling unterstützt den Verbund dabei, zu überprüfen, wie das System in der klinischen Praxis genutzt werden könnte. Das Team um Dr.-Ing. Balint Varga am KIT entwickelt Komponenten für die virtuelle OP-Simulation und das haptische Feedback. Die Deutsche Sarkom-Stiftung begleitet das Projekt als assoziierte Partnerin. Patientenvertreter Markus Wartenberg und Katja Winter übernehmen für die Stiftung die Koordination der geplanten Patientenbeteiligung. Sie bringen zusammen mit Patientinnen und Patienten die Betroffenenperspektive in Entwicklung, Bewertung und Kommunikation ein.

Der Förderschwerpunkt „Zukunft eHealth“ des BMFTR

Im Schwerpunkt „Zukunft eHealth“ fördert das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) interdisziplinäre Juniorverbünde, die von exzellenten Nachwuchsforschenden geleitet werden und digitale Technologien für medizinische Fragestellungen nutzbar machen. Die Projekte sollen neue Erkenntnisse für eine computergestützte Gesundheitsversorgung ermöglichen und den beteiligten Forschenden zugleich den Weg in wissenschaftliche Leitungspositionen im Bereich eHealth ebnen. Neben der Projektleitung von IntelliSpine-Recon sind Heidelberger Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler als Konsortiumspartner an zwei weiteren „Zukunft eHealth“-Projekten beteiligt.