ICCAS - Leipzig

Das Zentrum für Innovationskompetenz

Das ICCAS startete 2005 an der Medizinischen Fakultät der Universität Leipzig mit zwei Nachwuchsforschungsgruppen, in denen Chirurgen, Ingenieure und Informatiker an der Entwicklung computergestützter Assistenzsysteme im Operationssaal (OP) zusammenarbeiten. Um neue Unterstützungssysteme zu entwickeln, die sich in erster Linie an den Bedürfnissen der Chirurgen orientieren, wurden Arbeitsabläufe und Prozesse im OP analysiert, was die Basis für einen signifikanten Wissensvorsprung auf den Gebieten Modellierung von chirurgischen Arbeitsabläufen, Standardisierung von Datenformaten und Software-Systemintegration für die chirurgische Therapie schuf.

Mit der Strategie, die allgemein fortschreitende Automatisierung auf die chirurgische Automation im OP zu übertragen, entwickelte sich das ICCAS zu einer international wettbewerbsfähigen Forschungseinrichtung für computerassistierte Chirurgie. Weitere, über Drittmittel finanzierte Projekte bereichern das heutige Forschungsprofil und erfolgreiche Ausgründungen zeugen von der Marktrelevanz der wissenschaftlichen Innovationen. Die Arbeit erfolgt in enger Kooperation mit dem Universitätsklinikum Leipzig und zahlreichen nationalen und internationalen Partnern in Wissenschaft und Industrie. Über Lehrveranstaltungen an der Universität Leipzig und der Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur (HTWK) Leipzig wird der wissenschaftliche Nachwuchs gefördert. Seit 2011 verfügen die Wissenschaftler über einen einzigartigen Demonstrator-OP. Dieser dient der Integration und Anbindung der am ICCAS entwickelten Assistenzsysteme und Modelle. Die BMBF- geförderte Errungenschaft gilt als ein Prototyp des optimalen chirurgischen Arbeitsplatzes von morgen.

Die Ziele

Das übergeordnete Ziel der Forschungsarbeit am ICCAS ist die Erhöhung der Qualität der Gesundheitsversorgung durch die Entwicklung von Methoden und Technologien, die eine optimale computergestützte Assistenz des Operateurs gewährleisten. Dies betrifft sämtliche Komponenten des chirurgischen Arbeitsprozesses von der chirurgischen Planung über die intraoperative Assistenz bis hin zur postoperativen Dokumentation. Über ein gut funktionierendes und nachvollziehbares Informationsmanagement, das die Integration und Bereitstellung aller OP-relevanten Daten voraussetzt, soll mehr Transparenz in klinische Situationen, Prozesse und Entscheidungen gebracht werden, was die Sicherheit von Ärzten und Patienten erhöht.

Die thematischen Schwerpunkte

Modell-basierte Automation und Integration

Die rasanten Entwicklungen im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologie in der Medizintechnik verändern wesentlich die Anforderungen an den chirurgischen Arbeitsplatz von heute. Systeme zur präoperativen Planung, intraoperativen Navigation und assistierten Instrumentenführung sollen die Arbeit des Chirurgen ebenso erleichtern wie digitale Patientenmodelle, die alle relevanten Daten des Patienten bündeln und aufzeichnen. Das Forschungsgebiet der Projektgruppe Modellbasierte Automation und Integration umfasst die Entwicklung von Konzepten zur Gestaltung eines „digitalen“ Operationssaales, in dem eine auf die Bedürfnisse der Chirurgen angepasste Technik zum Einsatz kommt, die durch Kompatibilität der Systeme untereinander effektiv genutzt werden kann. Ziel dieses integrierten chirurgischen Arbeitsplatzes ist die qualitative und quantitative Verbesserung von Operationsverläufen durch Entlastung des Chirurgen von nichtproduktiven Nebenarbeiten und die Erhöhung der Patientensicherheit mit Hilfe von chirurgischem Workflowmanagement.

Digitales Patienten- und Prozessmodell

Die wachsende Anzahl medizinischer Untersuchungsmöglichkeiten und Therapieformen für komplexe Krankheiten erfordert patientenspezifischere Therapieentscheidungen und Therapieprozesse, welche die Chance auf ein besseres klinisches Outcome erhöhen. Dies wird jedoch beträchtlich erschwert durch die große Menge und Vielfalt von erhobenen Patientendaten und deren fragmentierter Speicherung und durch die Vielfalt an verfügbaren Therapieoptionen. Die Nachwuchsforschergruppe Digitales Patienten- und Prozessmodell am ICCAS adressiert diese Probleme durch die Modellierung therapeutischer Entscheidungsprozesse und die Entwicklung von Entscheidungsunterstützungssystemen, patientenspezifischen Therapieprozessmodellen, Methoden für die Extraktion und Strukturierung von relevanten Informationen aus Patientenakten und standardisierten Informationsmodellen.

Multimodale Intraoperative Bildgebung

Die Forschungsgruppe Multimodale Intraoperative Bildgebung beschäftigt sich mit der Entwicklung von bildgebungsbasierten Assistenzsystemen für chirurgische Anwendungen. Ein Hauptthema der Gruppe ist die intraoperative Ultraschall-Bildgebung bei Hirntumorresektionen. Dabei wurde mit der Entwicklung von Algorithmen zur automatischen Lokalisation des möglichen Tumorrests ein wichtiges Ziel in den Bilddaten erreicht. Infrarotthermographie für die plastische Chirurgie ist ein zweiter Forschungsschwerpunkt. Diese wird bei der automatischen Erkennung der Hautperforatoren für die intraoperative Planung von Hauttransplantaten erfolgreich angewendet. Im Jahr 2016 wurde Hyperspektral-Bildgebung zu einem weiteren Hauptthema der Gruppe. Ein nichtinvasives System zum Monitoring des Patientenzustandes, z.B. unter Narkose, ist in der Entwicklung. In diesem Zusammenhang hat eine klinische Pilot-Studie für die Gewebe-Charakterisierung in Zusammenarbeit mit der Viszeral-Chirurgie begonnen.

Nichtinvasive Bildgestützte Interventionen

Die Forschungsgruppe Nichtinvasive Bildgestützte Interventionen beschäftigt sich mit neuen bildgesteuerten Verfahren und therapeutischen Assistenzsystemen im nichtinvasiven Bereich. Im Fokus der Forschung am ICCAS steht die Anwendung von fokussiertem Ultraschall unter Führung von Magnetresonanztherapie(MRgFUS). Neue Anwendungen sollen entwickelt und in präklinischen und klinischen Studien untersucht werden. Dies beinhaltet die Anwendung von fokussiertem Ultraschall auf bewegte Organe, wie Leber und Nieren und am Gehirn zur Neuromodulation und Neurostimulation. Des Weiteren werden erste Anwendungen von interventionellen Techniken im PET-MRT durchgeführt. Die fokussierte Ultraschallforschung beschäftigt sich zudem mit der gezielten Arzneimittelabgabe und Strahlentherapie über In-vitro-Zellkulturen sowie mit Roboter-assistiertem MRgFUS. Durch die Gründung des Meta-ZIKs SonoRay zwischen dem ZIK ICCAS und dem ZIK OncoRay (Dresden) wurde der Grundstein für die Erforschung der kombinierten Anwendung von Strahlentherapie und FUS bei Krebserkrankungen gelegt.

Life Support Systems

Im Forschungsbereich Life Support Systems (LSS) werden innovative, nicht-invasive Verfahren zur Diagnose und Verlaufskontrolle von Lungenschädigungen und zukünftig auch anderen Organfunktionsstörungen erforscht. Aktueller Schwerpunkt ist die Weiterentwicklung der Elektrischen Impedanz-Tomographie (EIT) zur patienten-spezifischen, drei-dimensionalen Visualisierung der Lungenfunktion mit besonderem Augenmerk auf Praktikabilität im inner- und außerklinischen Notfalleinsatz. Außerdem befasst sich die Arbeitsgruppe mit der quantitativen Analyse von CT-Scans zur numerischen Einschätzung von Störungen der Lungenbelüftung, die über die rein visuelle Auswertung der CT-Schichtbilder hinausgeht. Durch Zusammenführung der nichtinvasiven, kontinuierlichen und patientenseitig verfügbaren EIT-Information mit der einseitigen Bildinformationen aus der quantitativen CT soll die Auswahl und Steuerung von Therapieoptionen besonders bei Patienten mit akutem Versagen der Lungenfunktion verbessert werden. Durch eine enge Kooperation mit mehreren Medizintechnik-Herstellern wird eine zeitnahe Überführung der Forschungsergebnisse in klinisch einsetzbare Medizinprodukte ermöglicht.

Die Partner

Nationale Kooperationspartner

  • Aqua Hospital Leipzig
  • Diaspective Vision GmbH
  • Dornheim Medical Images GmbH, Magdeburg
  • EPflex GmbH, Dettingen an der Erms
  • Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IFO, Jena
  • Fraunhofer Institute for Computer Architecture and Software Technology FIRST, Berlin
  • Fraunhofer Institute for Integrated Electronic Circuits IIS, Erlangen
  • Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology IWU, Dresden
  • Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation IPA, Stuttgart
  • Fraunhofer Institute for Medical Image Computing MEVIS, Bremen
  • Fraunhofer Institute for Biomedical Engineering IBMT, St. Ingbert
  • Freie Universität Berlin, Institute of Computer Science, Human-Centered Computing
  • GMC Systems – Gesellschaft für medizinische Computersysteme mbH, Ilmenau
  • Helmholtz Center Dresden, Neuroradiopharmaceuticals
  • ID Information und Dokumentation im Gesundheitswesen GmbH & Co. KGaA, Berlin
  • IRDC GmbH International Reference and Development Center for Surgical Technology, Leipzig
  • Jena University Hospital, Division Information Technology (IT), Department for ENT
  • Johann Wolfgang von Göthe University Frankfurt, Department of Radiology
  • Klinikum rechts der Isar, Munich, Department for Visceral Interventions
  • Leipzig University, Institutes for Anatomy, Computer Science, Medical Informatics, Statistics and Epidemiology (IMISE), Center for Biotechnology and Biomedicine (BBZ), Heart Center Leipzig, Saxon Incubator for Clinical Translation (SIKT) 
  • Leipzig University of Applied Sciences (HTWK), Innovative Surgical Training Technologies, Faculty of Electrical Engineering and Information Technology                                                                      
  • Leipzig University Hospital, Departments for Neurosurgery, Oral-Maxillofacial and Plastic Surgery, Otorhinolaryngology, Nuclear Medicine, Diagnostic and Interventional Radiology, Head-Neck and Plastic Surgery, Anaesthesiology, Visceral Surgery
  • LOCALITE GmbH Biomedical Visualization Systems, Sankt Augustin
  • Max Planck Institute for Human Cognitive and Brain Sciences Leipzig, Department of Neurology
  • Medical Laser Center Lübeck GmBH (MLL)
  • MRComp GmbH, Gelsenkirchen
  • MT2IT – your safe medical network, Ratzeburg
  • Optris GmbH, Berlin
  • Otto von Guericke University Magdeburg, Institute for Information and Communication Technology, STIMULATE – Solution Centre for Image Guided Local Therapies
  • PHACON GmbH, Leipzig
  • Siemens AG, Healthcare Sector, Erlangen
  • Söring GmbH, Quickborn
  • SurgiTAIX AG
  • STORZ GmbH & Co. KG, Tuttlingen
  • SWAN Scientific Workflow Analysis GmbH, Leipzig
  • Technische Universität Dresden, University Medical Center, Department for Neurosurgery,
    OncoRay – National Center for Radiation Research in Oncology (Dresden)                                                                
  • Technische Universität München, Institute of Automation and Information Systems, Institute of Micro Technology and Medical Device Technology, University Medical Center, Institute for minimally-invasive Interdesciplinary Therapy Interventions (MITI)
  • Ziehm Imaging GmbH
  • Zuse Institute for Information Technology, Berlin

 Internationale Kooperationspartner

  • Aalborg University (Denmark), Intelligent Web and Information Systems Department
  • Children’s National Medical Center CNMC (Washington DC, USA
  • Chongqing University of Technology CUOT (China)
  • Delft University of Technology (Netherlands), Department of Biomedical Engineering
  • ETH Zurich (Switzerland), Computer Vision Laboratory
  • GE HealthCare (Haifa, Israel)
  • Universidad de Guanajuato (Mexico), Department of Electrical Engineering
  • Harvard Medical School (Cambridge, MA, USA), Brigham and Women’s Hospital BWH
  • Image Guided Technologies IGT (Bordeaux, France)
  • Inselspital Bern (Switzerland), Department for ENT
  • InSightec Inc (Haifa, Israel)
  • Medrea Inc (Chongqing, China)
  • Memorial Sloan Kettering Cancer Center MSKCC (New York, USA)
  • MR Instruments Inc. (Milwaukee, IL, USA)
  • New York Methodist Hospital (NY, USA), Department of Radiology
  • Scuola Superiore Sant'Anna (Pondetera, Italy), The BioRobotics Institute
  • Sheba Medical Center (Tel Aviv, Israel)
  • St. Anne's University Hospital (Brno, Czech Republic), International Clinical Research Center (FNUSA-ICRC)
  • University of Bern (Switzerland), Bern University Hospital, ARTORG Center for Biomedical Engineering Research
  • University of Dundee (UK), Institute for Medical Science and Technology (IMSAT)
  • University of Graz (Austria), Institute of Medical Informatics, Statistics and Documentation
  • University of Pittsburgh (PA, USA), School of Information Science, Decision Systems Laboratory
  • University Torino (Italy), Department of Surgery
  • University of Trento (Italy), Dipartimento di Ingegeria e Scienza dell’Informazione
  • University Trondheim (Norway), Department of Imaging and SINTEF Medical Technology
  • University of Guanajuato (Mexico), Department for Electrical Engineering

Kontakt

Prof. Dr. med. Andreas Melzer
Geschäftsführender Direktor
Universität Leipzig / Medizinische Fakultät
Innovation Center Computer Assisted Surgery (ICCAS)
Semmelweisstraße 14, Haus 14
04103 Leipzig
Tel.: 03 41 97-1 21 01
Fax: 03 41 97-1 20 09
E-Mail: info[at]iccas.de
www.iccas.de

Prof. Dr. Thomas Neumuth
Stellv. Direktor
Universität Leipzig/Medizinische Fakultät
Innovation Center Computer Assisted Surgery (ICCAS)
Semmelweisstraße 14, Haus 14
04103 Leipzig
Tel: 0341 97-1 20 01
Fax: 0341 97-1 20 09
E-Mail: info[at]iccas.de
www.iccas.de

 

Zum Beitrag "Im Operationssaal der Zukunft" aus der Rubrik "Im Blickpunkt"