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Operieren im Netz der Zukunft

LTE war gestern! Heute spricht alle Welt von 5G. Auf der Grundlage des hoffentlich bald für alle verfügbaren Highspeed-Standards soll die Medizin besser, sicherer und innovativer werden. Besonders im Operationssaal könnte 5G zum Gamechanger werden. Ein deutsch-französisches Projekt erforscht den Einsatz im realistischen klinischen Umfeld.

Bild: © maxsim – stock.adobe.com, 250875890, Stand.-Liz.

5G ist die transformative Technologie, die gerade Einzug in das Gesundheitswesen hält. Die Erwartungen sind groß – und das nicht unberechtigt. So soll der neue Standard für ein Mehr in vielen Bereichen sorgen: Mehr Geschwindigkeit bei der Datenübertragung, mehr Geräteverbindungen, mehr Netzabdeckung, mehr fortschrittliche Anwendungen bei gleichzeitig niedrigerer Verzögerung zwischen dem Senden und Empfangen von Daten.


Die Leistungsfähigkeit von 5G ist essenziell für telemedizinische Untersuchungen, die Übertragung von Daten aus bildgebenden Verfahren wie MRT und CT, den Einsatz von Augmented und Virtual Reality sowie den Gebrauch von Robotern und IoT in der Fernüberwachung von Patient:innen. 5G bildet somit das Fundament für neue und inno-
vative E-Health-Anwendungen. Unternehmen der Gesundheitswirtschaft und auch Krankenhäuser, die sich bereits jetzt intensiv mit den Möglichkeiten von 5G auseinandersetzen, können einen entscheidenden Innovationsvorteil im Wettbewerb erlangen.


Stabiler und weniger Latenz

Ein Projekt, das sich mit der Nutzung von 5G im Krankenhausumfeld – hier speziell im Operationssaal – beschäftigt, ist „5G-OR“. Das Projekt, das im Januar 2022 gestartet ist und über drei Jahre läuft, wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz in Deutschland und das Ministerium für Wirtschaft, Finanzen und Wiederaufbau in Frankreich finanziert. Mehrere Unternehmen und Institute, angeführt vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart, sind daran beteiligt. Die praktische Umsetzung erfolgt in Operationssälen in Straßburg, Mannheim und Berlin.


Die beteiligten Forscher:innen arbeiten an der Entwicklung der digitalisierten Klinik der Zukunft. Dabei kommt dem Operationsraum als zentraler Punkt eines klinischen Ökosystems eine Schlüsselrolle in der Digitalisierung zu. Ein digital optimierter OP mit sicherer, flexibler und verlässlicher Highspeed-Drahtloskommunikation soll künftig dazu beitragen, Fehler zu vermeiden und Arbeitsprozesse zu verbessern. Basis für die Vernetzung bildet eine schnelle und sichere Datenkommunikation. Das deutsch-französische Gemeinschaftsprojekt erforscht, wie Krankenhäuser von einem dedizierten 5G-Netz profitieren und wie der Transfer in realistische klinische Anwendungen aussehen könnte. Dazu wurden 5G-Netze mit interoperabler Infrastruktur in den hybriden Operationssälen von drei Kliniken in Straßburg, Berlin und Mannheim installiert.


Das Hauptziel des Projekts besteht darin, eine Grundlage für die Klinik der Zukunft zu schaffen, in der viele Prozesse digital unterstützt oder automatisiert werden können, was bisher erheblichen Personalaufwand erfordert. Das Vorhaben umfasst die Umsetzung verschiedener Anwendungen. So erfolgt eine kontinuierliche Analyse lebenswichtiger Vitalparameter von Patient:innen mittels einer drahtlosen Übertragung von Vitaldaten in Echtzeit an einen Zentralrechner. Eine Künstliche Intelligenz analysiert die Daten und kann in der Folge dem Klinikpersonal eventuellen Handlungsbedarf anzeigen.


Darüber hinaus werden Diagnostik-Bilder und Videodaten aus dem OP KI-gestützt ausgewertet. Hier ermöglicht 5G die dazu erforderlichen hohen Bandbreiten für die Verarbeitung großer Datenmengen, und Edge Computing ermöglicht die lokale Berechnung nahe an den Patient:innen.


5G als Telechirurgie-Booster

Eine weitere Anwendung bezieht sich auf die Implementierung von Telechirurgie, die durch den 5G-Standard auf ein ganz neues Level gehoben wird. Der 5G-Modus „Ultra Reliable and Low Latency Communications“ sorgt nämlich für geringe Latenzzeiten. Hatte der alte 4G-Standard noch eine Verzögerung von vier Sekunden hin und vier Sekunden zurück, kann sich diese jetzt je nach Netzkonfiguration auf nur noch eine Millisekunde verringern. In der Chirurgie kann das der Unterschied zwischen Leben und Tod bedeuten. Hinzu kommt, dass 5G eine höhere Ausfallsicherheit verspricht. Diese neuen Voraussetzungen eröffnen in Zukunft die Möglichkeit der remoten Steuerung eines Chirurgie-Roboters durch eine Ärztin oder einen Arzt.


Die Einsatzgebiete der Telechirurgie sind vielfältig, z. B. im Bereich Training und Ausbildung. Durch die Übertragung von Operationen in Echtzeit können Fachkräfte an verschiedenen Orten chirurgische Techniken erlernen und verbessern. In Notfallsituationen, in denen erfahrene Chirurg:innen möglicherweise nicht sofort anwesend sind oder sie sich vor Ort in Gefahr bringen könnten, kann Telechirurgie lebensrettend sein. Auch in Sachen internationaler Zusammenarbeit und Abmilderung der Folgen des Fachkräftemangels könnte die Telechirurgie einen wertvollen Beitrag leisten.


Die IPA-Wissenschaftler:innen forschen auch an der Fernsteuerung von medizinischen Geräten wie Nadeln und Skalpellen mit haptischem Feedback. „Die haptische Wahrnehmung ist neben Audio und Video eine wesentliche Modalität, aber auch am kritischsten in Bezug auf die Latenz“, so Johannes Horsch, Gruppenleiter beim Fraunhofer IPA, der auf der Medica das Projekt vorstellte.


Das letzte Anwendungsgebiet, das das Projekt erforscht, ist die Teilebereitstellung im OP durch Roboter. Die Idee dahinter: Personalentlastung durch mobile Roboter, die alle notwendigen Geräte, Materialien und Instrumente zur Verfügung stellen. Diese Abläufe setzen ein hohes Maß an Präzision, Sicherheit, Flexibilität und Zuverlässigkeit voraus – und waren daher bisher nur von Menschenhand zu leisten. 5G-Campusnetze könnten nun die Wende bringen und der Technik diese Aufgabe überlassen, so die Hoffnung der Forscher:innen.


Herausforderung Implementierung

Um die 5G-Technologie erfolgreich zu implementieren, betont Horsch, wie wichtig es ist, das Personal von deren Vorzügen zu überzeugen. Dazu sei es notwendig, die Technik so nahtlos wie möglich in die klinischen Arbeitsprozesse einzubauen und die krankenhauseigene IT einzubringen, um die Installation, die Aufrechterhaltung der Technik sowie die Einhaltung von Datenschutz- und Privatschutzrichtlinien zu gewährleisten. „Und schließlich ist eine fortlaufende Testung und Validierung der Innovationen im realistischen klinischen Umfeld, auch in Bezug auf die Interoperabilität, ein Muss“, sagt Horsch.


Sein Kollege Alain Garcio, Institute of Image-Guided Surgery, IHU Strasbourg, identifiziert derweil mit seinen Kolleg:innen wichtige Forschungsschwerpunkte in Bezug auf die datengesteuerte Chirurgie mit multimodalen Daten und entwickelt einen strategischen Fahrplan für das Datenmanagement bei minimalinvasiven chirurgischen Eingriffen. Das vorläufige Ergebnis der französischen Forschungsarbeit: Es braucht zunächst eine Art Bestandsaufnahme davon, wie Operationen ablaufen, denn nur wenn diese ganzheitlich erfasst sind, können sie später auch telechirurgisch abgebildet werden. Für die dafür notwendige Datenerhebung braucht es die Integration entsprechender Geräte. Soll der Schritt hin zu einer informierten Entscheidungsunterstützung erreicht werden, benötigen Krankenhäuser außerdem ein Echtzeit-Datenstreaming, leistungsfähige Hardware und Netzwerke. Zudem müssen Datenströme für die multimodale Datennutzung standardisiert werden, denn diese sind wiede­rum die Basis für die Integration KI-gesteuerter Unterstützung zur Überwachung von Aktivitäten im Operationssaal.


Wenn es um die Implementierung der 5G-Technik geht, könnten sich die deutschen und französischen Forscher:innen auch mit spanischen Kolleg:innen austauschen. Diese hatten bereits im Februar 2019 die erste tele-mentorierte Operation mit 5G-Technologie durchgeführt. Das Pilotprojekt „5G Remote Surgeon“ wurde von AIS Channel (einer Online-Lernplattform für Chirurgie), Hospital Clínic und Vodafone durchgeführt und ist Teil von 5G Barcelona, einer Initiative der Generalitat de Catalunya, dem Stadtrat von Barcelona, Mobile World Capital Barcelona, der i2CAT Foundation, dem Technological Center of Telecommunications of Catalonia (CTTC), Atos und der Polytechnic University of Catalonia (UPC). Deren erklärtes Ziel ist, Barcelona zu einem europäischen Referenzpunkt für 5G zu machen. Das deutsch-französische Projekt stellt sich nun als Konkurrenz auf. G5-OP fußt auf einem privaten 5G-Netzwerk, doch das spanische Beispiel beweist auch das Interesse der großen Mobilfunkanbieter an der Technologie und ihre Bereitschaft, sich in Zukunft weiter in die Gesundheitsversorgung einzubringen.


Die Entwicklungen zeigen, dass sich 5G immer mehr zu einem Schlüsselelement für eine datengetriebene Patientenversorgung, für die Anwendungen von KI-Algorithmen und in der Telemedizin entwickelt und der Digitalisierung in der Medizin einen deutlichen Schub geben wird. 

 

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5G-Technologie
5G, auch als die fünfte Generation des Mobilfunks bekannt, ist eine fortschrittliche drahtlose Kommunikationstechnologie, die im Vergleich zu den Vorgängern (2G, 3G, 4G) erhebliche Verbesserungen und neue Möglichkeiten bietet. Der Hauptvorteil von 5G liegt in seiner Fähigkeit, große Datenmengen mit extrem niedriger Latenz zu übertragen. Die Technologie verbessert nicht nur die Konnektivität, sondern legt auch die Grundlage für innovative Anwendungen, die unsere Art zu arbeiten, zu kommunizieren und zu interagieren grundlegend verändern können. Deutschland hat einen ersten Vorstoß in das globale 5G-Zeitalter durch die Einführung von Campusnetzen gemacht. Die lokal begrenzten Mobilfunknetze bieten hohe Standards in Bezug auf Latenz, Zuverlässigkeit und Sicherheit und setzen sich damit positiv von anderen Technologien wie WLAN ab.


Mit Campusnetzen können Unternehmen und medizinische Einrichtungen maßgeschneiderte Lösungen umsetzen. Zudem erlauben sie die lokale Verarbeitung kritischer Daten. Unter anderem für Krankenhäuser außerhalb von Metropolregionen sind Campusnetze von Vorteil, da sie unabhängig von den Ausbauplänen der Mobilfunkprovider sind und eine Abdeckung innerhalb des gesamten Gebäudes gewährleisten.

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