Virtual und Augmented Reality in der Medizin

Im Unterhaltungsbereich hat man sich langsam an den Anblick von Menschen mit aufgesetzter VR-Brille gewöhnt. Doch stellen Sie sich vor, Sie werden von Ihrer Hausärztin mit aufgesetzter AR-Brille begrüßt. Oder sie sehen den Oberarzt im Krankenhaus die tägliche Patientenvisite mit klobiger VR-Brille durchführen. Science-Fiction oder bald gängiger Standard? Schon bald könnte dieser Anblick Normalität werden! Denn Anwendungen basierend auf Augmented Reality (AR) und Virtual Reality (VR) sind im medizinischen Bereich auf dem Vormarsch. Sie haben großes Potenzial für die Medizin und könnten sie von der Ausbildung, über die Diagnose bis hin zur Therapie revolutionieren.

Augmented und Virtual Reality im Medizinstudium

Die medizinische Ausbildung, sowohl die theoretische als auch die praktische, profitiert in hohem Maße von AR und VR. Im Medizinstudium kann Studenten der Aufbau und die Funktionsweise des menschlichen Körpers nicht mehr nur anhand von Bildern, Skizzen und Plastikmodellen vermittelt werden, sondern auch durch in den Raum projizierte virtuelle 3D-Modelle von Organen und Knochen. Diese können nicht nur von allen Seiten betrachtet und beliebig gedreht werden. Studenten können mit ihnen interagieren und physiologische Prinzipien sowie interne Abläufe erkunden.

Auch ihre ersten praktischen Erfahrungen können Studenten am virtuellen statt am echten Patienten machen. Forscher der TU Chemnitz arbeiten beispielsweise an einem Simulator für Hüftoperationen. Mit aufgesetzter VR-Brille hat man nicht nur optisch das Gefühl, man stehe am Operationstisch und habe eine Hüfte vor sich. Dank haptischer Technologie kann man auch die Kräfte spüren, die während der Operation auf einen wirken. Studenten lernen so nicht nur den Ablauf einer Hüftoperation, sondern beispielsweise auch wie viel Druck sie ausüben müssen.

Das kanadische Unternehmen CAE Health Care hat einen AR-Geburtssimulator entwickelt. Bei diesem können alle Stadien einer Schwangerschaft simuliert, verschiedene Notfallszenarien trainiert und unterschiedliche Entbindungstechniken geübt werden. Ein weiteres Beispiel ist das Mannheimer Unternehmen VRmagic: Es entwickelte einen VR-Simulator, an dem komplizierte Augenoperationen virtuell geübt werden können.

AR und VR unterstützten Diagnose und Operationen

VR- und AR-Anwendungen können auch erfahrene Ärzte und Chirurgen bei ihrer Arbeit unterstützen. Medizinern liegt jeweils eine Vielzahl an Daten und Bildern über Patienten vor. Mittels AR und VR ist eine intelligent verknüpfte Aufbereitung dieser Daten möglich. Organe und Knochen können zum Beispiel anhand von 3D-Modellen virtuell im Raum dargestellt und mit weiteren Daten beschriftet werden. Ärzte können Organe und Knochen so von allen Seiten betrachten, drehen sowie vergrößern und verkleinern. Ihre Diagnosen werden dadurch vereinfacht und sie können Behandlungen sowie anstehende Operationen besser vorbereiten sowie besprechen — auch von unterschiedlichen Standorten aus, was gerade in Zeiten wie Corona von großem Vorteil sein kann.

AR-Anwendungen können insbesondere Chirurgen während Operationen unterstützen, indem Informationen auf Tablets, Projektoren oder Datenbrillen aufbereitet dargestellt werden. Mit aufgesetzter AR-Brille können dem operierenden Chirurgen beispielsweise die Vitalwerte des Patienten, der Verlauf von Arterien und Nerven oder die Stelle und Größe für den erforderlichen Schnitt ins Sichtfeld eingeblendet werden.

Die TU München entwickelt zusammen mit der chirurgischen Unfallklinik ein computergestütztes Visualisierungs- und Navigationssystem für minimalinvasive Eingriffe. Bei minimalinvasiven Eingriffen wird nicht an einer offenen Wunde operiert, sondern durch das Einführen der Instrumente sowie einer Kamera durch eine kleine Körperöffnung. Der Chirurg führt die Operation also mittels Kamerabild auf einem Monitor neben dem Patienten durch. Durch eine AR-Brille können die Kamerabilder direkt ins Sichtfeld des Chirurgen eingeblendet werden und er kann die Operation mit ständigem Blick auf den Körper des Patienten durchführen.

Forscher des Fraunhofer-Instituts haben eine Navigationshilfe für Krebs-Operationen entwickelt. Im Vorfeld wird mit modernster Technik und künstlicher Intelligenz (KI) die exakte Position der Tumore und von erkranktem Gewebe bestimmt. Die betroffenen Stellen werden in 3D rekonstruiert und dem Chirurgen während der OP mittels AR-Brille farbig angezeigt. Dieser kann so sicherstellen, dass das gesamte Gewebe entfernt wird. An der Universitätsklinik Oslo erproben Forscher eine ähnliche Anwendung für die Entfernung von Epilepsieherde im Hirn. Betroffenes Gewebe unterscheidet sich optisch nicht von gesundem. Dank AR-Technik können dem Chirurgen während der Operation betroffene Stellen markiert werden — ein medizinischer Durchbruch!

Verhaltenstherapie mit Virtual Reality

VR-Anwendungen können nicht nur Prozesse unterstützen, sondern auch für medizinische Behandlungen eingesetzt werden. Insbesondere psychische Probleme oder Verhaltungsstörungen können mit Hilfe von Virtual Reality therapiert werden. Denn Patienten können im virtuellen Raum mit ihren Ängsten konfrontiert werden, ohne dass sie sich real in Gefahr begeben. So können beispielsweise Flugangst, Höhenangst, Klaustrophobie, Panikstörungen, posttraumatische Belastungsstörungen aber auch Spinnenphobie behandelt werden.

Selbst Suchterkrankungen werden bereits heute mittels VR therapiert. Alkoholkranke Patienten werden in eine virtuelle Bar geschickt und müssen die Situation aushalten, ohne zu trinken. Nikotinabhängige müssen an einer Bushaltestelle auf den Bus warten, ohne eine Zigarette anzuzünden.

Das Londoner King’s College arbeitet an einer VR-Paranoiatherapie. Auch hier befindet sich der Patient in einer virtuellen Bar. Er interagiert mit den Psychologen über Avatare, während im Hintergrund andere Barbesucher über ihn reden und lachen. Das University College London konnte selbstkritisches Verhalten reduzieren und so Depressionen lindern, indem Patienten im virtuellen Raum ein virtuelles Abbild von sich selbst kritisieren. Das Start-Up Oxford VRarbeitet vor allem an der Bekämpfung von Psychosen und Ängsten mittels VR-Anwendungen und will dadurch Menschen weltweit den Zugang zu einer Psychotherapie ermöglichen.

Virtual Reality kann aber nicht nur bei der Verhaltenstherapie helfen. Es wurde bereits mehrfach wissenschaftlich nachgewiesen, dass Schmerzen durch VR-Anwendungen gelindert werden können. Die University of Washington schickt Patienten mit Verbrennungswunden mit ihrer Anwendung „Snowworld“ in eine virtuelle Schneelandschaft. In dieser können sie Pinguine beobachten oder Schneebälle werfen. Das Schmerzempfinden der Patienten reduziert sich dabei um bis zu 50 Prozent — ein ähnlicher Effekt wie bei Verabreichung einer Dosis Morphium.

Ausblick

Augmented und Virtual Reality haben das Potenzial, die Medizin zu revolutionieren. Noch ist es aber ein langer Weg. Der eigene Hausarzt wird uns wohl noch länger nicht mit einem Tablet statt dem Stethoskop begrüßen. Einsatz finden AR- und VR-Anwendungen momentan vor allem in namhaften Instituten und Forschungseinrichtungen sowie bei einzelnen spektakulären Operationen.

Dies liegt zum einen daran, dass entsprechende Technik noch relativ teuer ist. Zum anderen sind die Instrumente für den alltäglichen Einsatz in Krankenhäusern und Arztpraxen oft noch zu sperrig. Zudem gibt es zumindest in Deutschland rechtliche Hindernisse. Beispielsweise ist es verboten, Patientendaten über WLAN zu übertragen: Für viele Anwendungen, bei denen einzelne Komponenten drahtlos miteinander kommunizieren, fehlt also noch eine gesetzliche Grundlage.

3 Dinge, die Sie über den Einsatz von VR und AR in der Medizin wissen sollten:

1. Virtual und Augmented Reality können die Medizin als Ganzes revolutionieren — von der Ausbildung, über die Diagnose bis hin zu Therapie und Operationen.
2. VR- und AR-Anwendungen vereinfachen die Zusammenarbeit von Ärzten von verschiedenen Standorten aus. In Zukunft sind gar Operationen aus der Ferne denkbar.
3. Damit neue Technologien angewendet werden können, braucht es noch verschiedene regulatorische Anpassungen.