{"id":11244,"date":"2021-09-16T12:17:31","date_gmt":"2021-09-16T12:17:31","guid":{"rendered":"https:\/\/cyber-valley.de\/news\/kuenstliche-organe-als-flugsimulator-fuer-die-chirurgie\/"},"modified":"2026-07-15T14:44:26","modified_gmt":"2026-07-15T14:44:26","slug":"kuenstliche-organe-als-flugsimulator-fuer-die-chirurgie","status":"publish","type":"news","link":"https:\/\/cyber-valley.de\/de\/news\/kuenstliche-organe-als-flugsimulator-fuer-die-chirurgie\/","title":{"rendered":"K\u00fcnstliche Organe als \u201eFlugsimulator\u201c f\u00fcr die Chirurgie"},"content":{"rendered":"\n

Cyber\u00a0Valley Forschende haben medizinische Lehrmittel entwickelt, die in Zukunft die Ausbildung von Chirurg:innen unterst\u00fctzen k\u00f6nnten \u2013 \u00e4hnlich wie Flugsimulatoren angehende Pilot:innen. Das Team hat eine Reihe k\u00fcnstlicher Organe entwickelt, die Chirurg:innen als Trainingsplattform dienen sollen. Dank der strukturierten Daten erfahrener Mediziner:innen wird so eine quantitative und objektive Bewertung der F\u00e4higkeiten der Auszubildenden in Echtzeit m\u00f6glich.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Bei der Ausbildung angehender Chirurg:innen werden immer die Anweisungen und Geschicklichkeit einer erfahrenen Person n\u00f6tig sein. Eines Tages jedoch k\u00f6nnten von k\u00fcnstlicher Intelligenz (KI) gest\u00fctzte Trainingsmethoden wertvolle Assistenz leisten. Durch den Einsatz von Daten k\u00f6nnten cyber-physische Systeme die Ausbildung verbessern, indem sie den chirurgischen Probelauf zum Beispiel mit Informationen dar\u00fcber erg\u00e4nzen, wie ein Tumor am besten von gesundem Gewebe entfernt wird.<\/p>\n\n\n\n

Bisher war die chirurgische Ausbildung auf mehreren Ebenen eine Herausforderung: Angehende Mediziner:innen haben nur wenig Zeit zum \u00dcben, sie m\u00fcssen zudem von erfahrenen Chirurg:innen betreut werden, deren Zeitplan oft eng getaktet ist. Nur selten kann man an menschlichem Gewebe \u00fcben. Tiergewebe einzusetzen ist oftmals anatomisch nicht korrekt und wirft ethische Fragen auf. Das \u00dcben an lebenden Patient:innen kommt ebenfalls nicht in Frage, da das Risiko zu hoch ist, dass etwas schief geht oder nicht den medizinischen Anforderungen entspricht.<\/p>\n\n\n\n

Entwicklung k\u00fcnstlicher Organe als Trainingsumgebung<\/h3>\n\n\n\n

Als Antwort auf diese Herausforderungen haben Forschende der Universit\u00e4t Stuttgart am Institut f\u00fcr Physikalische Chemie Lehrmittel der besonderen Art entwickelt: eine Simulationsplattform, die f\u00fcr Chirurg:innen das ist, was ein Flugsimulator f\u00fcr Pilot:innen. Das Team bestehend aus Ingenieur:innen und Mediziner:innen hat eine Reihe k\u00fcnstlicher Organe entwickelt \u2013 darunter eine Leber, eine Niere und eine Harnblase. Mit diesen k\u00fcnstlichen Organen schaffen die Forschenden eine Trainingsplattform, die einen chirurgischen Eingriff realit\u00e4tsnah simuliert und w\u00e4hrend des Vorgangs eine quantitative und objektive Bewertung der F\u00e4higkeiten der Auszubildenden erm\u00f6glicht. Die Forschenden haben die k\u00fcnstlichen Organe so entwickelt, dass man sie leicht nachbauen kann. So k\u00f6nnten sie auf der ganzen Welt bei der Ausbildung von Chirurg:innen zum Einsatz kommen.<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/p>\n\n\n\n

Bei den k\u00fcnstlichen Organen handelt es sich um so genannte cyber-physische Nachbildungen von Organen: ein physisches System wird mit virtuellen Eigenschaften kombiniert. Die Beschaffenheit des Gewebes, die Anatomie, die haptische Wahrnehmung, sogar das Aussehen der winzigen Blutgef\u00e4\u00dfe sind nat\u00fcrlichen Organen sehr \u00e4hnlich. Zus\u00e4tzlich messen Sensoren eine Reihe von Parametern, etwa die Feinmotorik der Chirurg:innen wie sie ein Endoskop durch ein Organ navigieren, ob sie eine Nadel an der vorgesehenen Stelle richtig eingestochen haben oder die Zeit, die ben\u00f6tigt wurde, um alle Tumore zu lokalisieren. Ein Open-Source-Algorithmus, der auch in selbstfahrenden Autos zur Unterscheidung von Objekten eingesetzt wird, trainierten die Forschenden neu darauf, Karzinome oder Nierensteine zu erkennen. Sobald das Endoskop das Ziel erreicht hat, k\u00f6nnen die Trainierenden eine Biopsie simulieren und versuchen, die Genauigkeit und Schnelligkeit mit jeder Trainingseinheit zu verbessern. W\u00e4hrend des ganzen Vorgangs werden Daten gesammelt, die selbst bei einem echten chirurgischen Eingriff an Patient:innen nicht zur Verf\u00fcgung st\u00fcnden.<\/p>\n\n\n\n

Trainingsumgebung macht Bewertung von Operationen m\u00f6glich<\/h3>\n\n\n\n

\u201eWenn wir uns das Forschungsgebiet des maschinellen Sehens oder der Spracherkennung ansehen, sind dort die Daten sehr reichhaltig und strukturiert. Im Bereich der Biomedizin, insbesondere bei Operationen, ist jedoch die Datenerfassung sehr schwierig. Wie kann die Qualit\u00e4t eines chirurgischen Eingriffs quantifiziert werden? Eine echte Operation findet in einer Umgebung statt, in der die Erfassung von Daten in Echtzeit fast unm\u00f6glich ist\u201c, sagt Dr. Tian Qiu, Leiter der Cyber\u00a0Valley Forschungsgruppe Biomedizinische Mikrosysteme<\/a> an der Universit\u00e4t Stuttgart. Die Gruppe, die sich auf die Entwicklung KI-basierter Medizin-Hardware spezialisiert, entwickelt Werkzeuge, die gro\u00dfe Datenmengen in der Biomedizin sammeln, um daraus zu lernen und minimal-invasive chirurgische Werkzeuge und Verfahren zu verbessern. Das Team arbeitet eng mit Medizinern der Universit\u00e4tskliniken in Freiburg und T\u00fcbingen zusammen.<\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/p>\n\n\n\n

\u201eDa wir den Bereich der Biomedizin mit k\u00fcnstlicher Intelligenz verbessern wollen, kombinieren wir physische Systeme mit virtuellen Eigenschaften. So k\u00f6nnen wir Daten \u00fcber chirurgische F\u00e4higkeiten sammeln. Erfahrene Chirurginnen und Chirurgen legen den Grundstein und dann vergleichen wir ihre F\u00e4higkeiten mit denen zuk\u00fcnftiger Chirurginnen und Chirurgen. In jeder Trainingseinheit visualisieren wir die Daten der Auszubildenden, beurteilen, wie die Operation durchgef\u00fchrt wurde, und bewerten, welche F\u00e4higkeiten verbessert werden m\u00fcssen\u201c, sagt Tian Qiu.<\/p>\n\n\n\n

Das Team hat seine Ergebnisse k\u00fcrzlich in drei Fachzeitschriften<\/a> und einem Konferenzbeitrag ver\u00f6ffentlicht. In einer dieser Ver\u00f6ffentlichungen stellen sie eine k\u00fcnstliche weiche Leber<\/a> vor, mit der sich beurteilen l\u00e4sst, wie gut eine endoskopische Inspektion und Tumorbiopsie in den hohlen Galleng\u00e4ngen, die sich durch die Leber ziehen, durchgef\u00fchrt wird. Eine realistische Nachbildung einer weichen Leber herzustellen ist anspruchsvoll aber lohnenswert. \u201eUnsere Organ-Phantome bieten viel objektivere Auswertungen und R\u00fcckmeldungen, viel besser als es zum Beispiel Virtual-Reality-Simulatoren,\u201c sagt Xiangzhou Tan, der als Arzt des Universit\u00e4tsklinikums T\u00fcbingen medizinische Expertise in die Forschungsgruppe einbringt.<\/p>\n\n\n\n

Die Handhabung eines Endoskops, eines langen und d\u00fcnnen Instruments mit kleiner Kamera an der Spitze, mit dem Hohlr\u00e4ume im Inneren von Organen untersucht werden, ist ein weiterer wichtiger Teil der Ausbildung. \u201eEin von uns entwickelter Prototyp kann messen, wie gut das Endoskop gesteuert wird\u201c, erkl\u00e4rt Do Yeon Kim, Doktorandin und Ingenieurin in der Gruppe. \u201eWenn eine Auszubildende oder ein Auszubildender durch ein Organ navigiert, werden viele Faktoren ber\u00fccksichtigt. Zum Beispiel misst das k\u00fcnstliche Organ, wie lange es dauert, bis alle Bereiche im Inneren untersucht wurden. Wir k\u00f6nnen sicherstellen, dass nichts \u00fcbersehen wird und alle Tumore in einer angemessenen Zeit entdeckt werden.\u201c Um die Navigationsf\u00e4higkeiten zu bewerten, trainierte Do Yeon Kim den Algorithmus mit Daten, die erfahrene \u00c4rzt:innen zur Verf\u00fcgung stellten. Die Leistung der Auszubildenden wird dann anhand dieser Schwellenwerte gemessen. \u201eMan k\u00f6nnte sagen, wir haben einen Flugsimulator f\u00fcr Chirurgen geschaffen.\u201c<\/p>\n\n\n\n

Publikationen zum Thema Cyber-physical Organ Twin:<\/h3>\n\n\n\n
  1. Liver phantom and needle puncture skill assessment\n\tTan, X., Li, D., Jeong, M., Yu, T., Ma, Z., Afat, S., Grund, K.-E. & Qiu, T. Soft Liver Phantom with a Hollow Biliary System, Ann. Biomed. Eng. 2021. https:\/\/doi.org\/10.1007\/s10439-021-02726-x<\/a><\/li>\n
  2. Bladder phantom with blood vessels and tumors for endoscopy\n\tChoi, E., Waldbillig, F., Jeong, M., Li, D., Goyal, R., Weber, P., Miernik, A., Gr\u00fcne, B., Hein, S., Suarez-Ibarrola, R., Kriegmair, M. C. & Qiu, T. Soft Urinary Bladder Phantom for Endoscopic Training. Ann. Biomed. Eng. 2021. https:\/\/doi.org\/10.1007\/s10439-021-02793-0<\/a><\/li>\n
  3. Endoscopic training and skills assessment\n\tTan, X., Kim, D. Y., Jeong, M., Li, D., Miernik, A. & Qiu, T., Computer-Assisted Quantitative Assessment of Endoscopic Skills based on a High-fidelity Endourological Phantom. Under revision.\n\tKim, D. Y., Tan, X., Jeong, M., Li, D. & Qiu, T., Computer-Assisted Quantitative Assessment of Endoscopic Skills based on a Urological Phantom. 55th DGBMT Ann. Conf. on Biomed. Eng. Accepted.<\/li><\/ol>\n","protected":false},"featured_media":11578,"parent":0,"template":"","meta":{"_acf_changed":false},"cv-tag":[],"location":[],"network-role":[],"news-category":[362],"user-group":[245],"class_list":["post-11244","news","type-news","status-publish","has-post-thumbnail","hentry","news-category-press-release","user-group-researcher"],"acf":[],"yoast_head":"\nK\u00fcnstliche Organe als \u201eFlugsimulator\u201c f\u00fcr die Chirurgie - Cyber Valley<\/title>\n<meta name=\"robots\" content=\"index, follow, max-snippet:-1, max-image-preview:large, max-video-preview:-1\" \/>\n<link rel=\"canonical\" href=\"https:\/\/cyber-valley.de\/de\/news\/kuenstliche-organe-als-flugsimulator-fuer-die-chirurgie\/\" \/>\n<meta property=\"og:locale\" content=\"de_DE\" \/>\n<meta property=\"og:type\" content=\"article\" \/>\n<meta property=\"og:title\" content=\"K\u00fcnstliche Organe als \u201eFlugsimulator\u201c f\u00fcr die Chirurgie - Cyber Valley\" \/>\n<meta property=\"og:description\" content=\"Cyber\u00a0Valley Forschende haben medizinische Lehrmittel entwickelt, die in Zukunft die Ausbildung von Chirurg:innen unterst\u00fctzen k\u00f6nnten \u2013 \u00e4hnlich wie Flugsimulatoren angehende Pilot:innen. 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