Patientenkolloquium 2019
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Mathematik sorgt im OP für den treffsicheren Schnitt

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."

Bilder zu dieser Pressemitteilung gibt’s im Internet unter http://www.uni-bonn.de >> Aktuelles >> Presseinformationen.

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