Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mathematik sorgt im OP für den treffsicheren Schnitt

05.07.2007
Mathematiker und Hirnchirurgen der Universität Bonn wollen die Arbeit am OP-Tisch verbessern. Dazu soll eine Kamera den Eingriff überwachen - beispielsweise bei epilepsiechirurgischen Operationen oder der Entfernung eines Tumors. Heute fertigen Mediziner im Vorfeld detaillierte Aufnahmen des Operationsfelds an.

Darauf basierend wird im OP-Mikroskop die Lage der Geschwulst eingeblendet. Der Chirurg weiß daher im Prinzip genau, wo er schneiden muss. Die Position des Gewebes kann sich aber mit jedem Schnitt ändern. In komplizierten Fällen müssen die Ärzte den Eingriff daher unterbrechen, um neue Bilder zu machen. Hier greift die Idee der Bonner Forscher: Dabei soll mittelfristig ein Computer auf den Kamerabildern erkennen, wie sich das Gewebe während der Operation deformiert. Mit diesen Informationen lässt sich dann die Position des Tumorbildes im Mikroskop korrigieren.

Gerade bei Hirnoperationen ist es wichtig, dass der Chirurg sein Skalpell an der richtigen Stelle ansetzt. Denn ein falscher Schnitt kann gravierende Folgen haben, etwa wenn Sprachzentrum oder Gedächtnis geschädigt werden. Oft ist jedoch mit bloßem Auge nicht zu erkennen, wo das Gewebe krank ist - so beispielsweise bei der Epilepsie.

Bei vielen Epilepsie-Patienten entspringen die Krampfanfälle immer wieder derselben Region im Gehirn. Wird diese Stelle entfernt, verschwinden die Anfälle - im Idealfall für immer. Oft lässt sich jedoch nicht genau sagen, wo der Epilepsie-Herd sitzt. In diesem Fall öffnen die Bonner Hirnchirurgen den Schädel und legen eine rechteckige Silikonfolie auf die Hirnoberfläche. Auf der Folie sind in regelmäßigem Abstand bis zu 64 Elektrodenkontakte angebracht. Nach der Operation wird der Patient in die Klinik für Epileptologie unter Leitung von Professor Dr. Christian Elger verlegt. Dort zeichnen die Ärzte über die Kabel, die der Folie entspringen, in den Wochen nach dem Eingriff die Hirnströme ihres Patienten auf. Beim nächsten Krampfanfall lässt sich so beispielsweise feststellen, wo er entstand. Zusätzlich durchlaufen die Patienten eine aufwändige Testreihe: Die Ärzte schicken in jeden einzelnen Kontakt einen schwachen Strompuls. Dabei testen sie, wie sich die Reizung auf den Patienten auswirkt - ob er beispielsweise kurzzeitig Schwierigkeiten hat, sich zu artikulieren. "Wir erhalten eine Art Karte, auf der die Hirnfunktionen rund um den Anfallsherd verzeichnet sind", erklärt der Bonner Hirnchirurg Professor Dr. Carlo Schaller.

Punktlandung mit dem Skalpell

Bevor sie die Folie wieder entnehmen, erfassen die Mediziner mit dem Computertomographen die genaue Position der Elektroden. Bei der Entfernung des Epilepsie-Herdes können sie so die Lage der Elektrodenkontakte in das OP-Mikroskop einblenden lassen. "Dort sehen wir dann farblich markiert den Anfallsherd, aber auch die Regionen, die wir auf keinen Fall schädigen dürfen", sagt Schaller. Problem ist nur, dass sich das Gehirn beim Eingriff verändert - und zwar häufig schon, sobald der Schädel geöffnet wird. So kann sich das Gewebe aufgrund der Druckentlastung ausdehnen. Mit jedem Stück Gehirnsubstanz, die entnommen wird, verändert sich zudem die Situation. Das erschwert es den Chirurgen, mit dem Skalpell stets eine Punktlandung hinzulegen.

Schaller ist Leitender Oberarzt an der Klinik für Neurochirurgie der Universität Bonn. Um das Problem in den Griff bekommen, baut er auf das Know-how eines Mathematikers: Professor Dr. Martin Rumpf vom Institut für numerische Simulation möchte dazu Bilddaten aus dem OP-Mikroskop nutzen. "Wir haben einen Algorithmus entwickelt, der Fotos aus dem Mikroskop mit den vor der Operation gemachten Tomographiebildern in Deckung bringt", erklärt Rumpf.

Das Problem ist nicht trivial. Schließlich sind auf Tomographie-Bildern ganz andere Details zu sehen als auf herkömmlichen Fotos. So fehlen beispielsweise die Blutgefäße, die im Mikroskopbild deutlich rot hervorstechen. Außerdem kann man die Aufnahmen nicht einfach übereinander schieben, bis sie passen. "Da sich das Gewebe während des Eingriffs lokal unterschiedlich ausdehnt, sind die Mikroskop-Fotos im Vergleich zu den Tomographie-Bildern verzerrt", sagt der Mathematiker. Das Problem ist es, diese Unterschiede so auszugleichen, dass dieselben Strukturen in Deckung kommen. Der Fachmann spricht von "Registrierung". "Wir wollen die während der Operation aufgenommenen Mikroskopiebilder mit den tomographischen Aufnahmen registrieren", erklärt Rumpf. "Wenn uns das gelingt, können wir die eingeblendete Position des Anfallsherdes und der benachbarten Hirnrindenfunktionen korrigieren." Für Patienten und Ärzte würde der Eingriff damit sicherer.

In ersten Tests hat sich der Registrierungs-Algorithmus schon bewährt. Für die Weiterentwicklung der Methode hat die DFG gerade ein zweijähriges Projekt bewilligt. Der Schritt in die Praxis sei allerdings noch weit, betonen beide Wissenschaftler. "Als Mathematiker liefern wir die Methode", sagt Rumpf. "Die technische Umsetzung ist dann Sache von Spezialisten aus der Medizintechnik."

Kontakt:
Professor Dr. Carlo Schaller
Klinik für Neurochirurgie der Universität Bonn
Telefon: 0228/287-16521
E-Mail: carlo.schaller@ukb.uni-bonn.de
Professor Dr. Martin Rumpf
Institut für Numerische Simulation der Universität Bonn
Telefon: 0228/73-7866
E-Mail: martin.rumpf@ins.uni-bonn.de

Frank Luerweg | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-bonn.de

Weitere Berichte zu: Anfallsherd Chirurg Gewebe Hirnchirurg Mathematik OP-Mikroskop

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Informationstechnologie:

nachricht Brain-Computer-Interface: Wenn der Computer uns intuitiv versteht
18.01.2017 | Technische Universität Berlin

nachricht »Lernlabor Cybersicherheit« startet in Weiden i. d. Oberpfalz
12.01.2017 | Fraunhofer-Gesellschaft

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Informationstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Im Focus: How gut bacteria can make us ill

HZI researchers decipher infection mechanisms of Yersinia and immune responses of the host

Yersiniae cause severe intestinal infections. Studies using Yersinia pseudotuberculosis as a model organism aim to elucidate the infection mechanisms of these...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Flashmob der Moleküle

19.01.2017 | Physik Astronomie

Tollwutviren zeigen Verschaltungen im gläsernen Gehirn

19.01.2017 | Medizin Gesundheit

Fraunhofer-Institute entwickeln zerstörungsfreie Qualitätsprüfung für Hybridgussbauteile

19.01.2017 | Verfahrenstechnologie