Ein Blick in den Krankenhaus-OP: Chirurginnen und Chirurgen erhalten heute ganz andere technische Unterstützung bei Operationen als noch vor 10 oder 20 Jahren. 3D-Computermodelle ermöglichen beispielsweise eine räumliche Orientierung. Anhand des Modells wird der Eingriff geplant, zum Beispiel die optimale Einstichstelle, der beste Einstichwinkel und die optimale Stichtiefe einer Ablationsnadel, mit der ein Tumor zerstört werden soll. Während der OP wird dann die Spitze der chirurgischen Nadel verfolgt und als virtuelle Nadel im Computermodell angezeigt. Das hilft Operierenden anhand des Modells am Bildschirm, die Nadel wie geplant zu platzieren.

Der neue Ansatz ist ein akustischer

„Wir haben einen komplett anderen Ansatz – nämlich einen akustischen“, sagt Dr. Tim Ziemer. Der Musikwissenschaftler beschäftigt sich im Bremen Spatial Cognition Center (BSCC) der Universität Bremen mit der technischen Umsetzung der Psychoakustik in neuer Audiotechnologie. Zusammen mit dem Kognitionswissenschaftler PD Dr. Holger Schultheis, der Psychologie-Doktorandin Tina Vajsbaher und elf Master-Studierenden entwickelte er im Projekt CURAT ein Spiel, das auf Android, Windows, Linux und Mac läuft – nur eine iOS-Variante schaffte man in der Laufzeit nicht mehr ganz.

Der Kern des Spiels ist die „Psychoakustische Sonifikation“, ein fremdartiger Sound. Der Begriff bezeichnet die Darstellung von Daten via Klang. Deshalb heißt das Spiel auch „Sonification Game“. Die verschiedenen Merkmale dieses Klangs verraten den Spielenden eine Position im dreidimensionalen Raum. Im Laufe des Spiels erlernt man, die einzelnen Dimensionen des Klangs zu interpretieren: Wie weit links oder rechts, oben oder unten, vorne oder hinten ist das Ziel? Zudem lernen Spielende erst zwei und am Ende sogar alle drei Dimensionen so zu kombinieren, dass sie blind im dreidimensionalen Raum navigieren können.

Töne hören während der OP

„Den Spielenden macht das Ganze hoffentlich einfach nur viel Spaß. Sie werden unterhalten, schulen ihr Gehör, versuchen Experten-Status zu erreichen und den High-Score zu knacken“, sagt Tim Ziemer. „Die Tatsache, dass sie durch ihr Spielen in Zukunft vielleicht sogar Leben retten können, ist ein zusätzlicher Antrieb.“ Denn die akustische Orientierung im Raum soll Chirurginnen und Chirurgen eines Tages ebenso bei der komplexen räumlichen Zielfindung bei minimalinvasiven Eingriffen helfen wie die Visualisierung.

Auf welchem Niveau steigt der ungeübte Nutzer ein, und wie sehen Lernkurven aus? Wie schnell wird der Nutzer wie präzise, wie anfällig ist er für Verwechslungen der Achsen oder Richtungen, und wo liegt die Leistungs-Obergrenze? Diese und viele weitere Fragen lassen sich durch die Informationen beantworten, die man mit dem Spiel gewinnt.

Hören ist nicht so anstrengend wie das Sehen

Ziel dieser „spieleunterstützten Forschung“ ist es, dem „optischen Wegweiser“ einen „akustischen Wegweiser“ hinzuzufügen. „Doppelt hält besser“, erläutert Holger Schultheis. „Wir wollen die psychoakustische Sonifikation eines Tages bei komplizierten Operationen zusätzlich bereitstellen.“ Das Problem der bildgebenden Verfahren ist, dass die räumliche Orientierung sehr viele Hirnressourcen in Anspruch nimmt. Der Computerbildschirm zeigt die räumliche Konstellation nämlich nicht aus Sicht der Operierenden. Diese müssen die Grafik mental skalieren, rotieren und verschieben und insbesondere die Tiefendimension aus der zweidimensionalen Bildschirmdarstellung ableiten. „Das bedeutet viel Training, und Eingriffe können anstrengend sein. Der akustische Wegweiser verringert die Belastung der Chirurginnen und Chirurgen und kann dadurch die Patientensicherheit erhöhen“, so Schultheis.

„Die psychoakustische Sonifikation ist eine Weltneuheit, für die wir bereits Preise bekommen haben“, sagt Tim Ziemer. Das Team hat gezeigt, dass Menschen nach einem 30-Minuten-Training mit dem „Ton-Wegweiser“ ein vier Millimeter großes Ziel in einem 20-mal 20 Zentimeter großem Raum genauso zuverlässig finden wie mit visueller Hilfestellung.

Infos aus dem Spiel wichtig für Weiterentwicklung

„Durch die Informationen, die wir mit dem Spielen außerhalb des OPs sammeln, können wir den Einsatz der Töne im OP optimieren. Im Moment bereiten wir auch Experimente in einer chirurgischen Umgebung vor“, so Holger Schultheis. „Aber an Experimenten sind nur einige Dutzend Teilnehmerinnen und Teilnehmer beteiligt, und sie dauern immer nur ein bis zwei Stunden. Um Aussagen über Langzeit-Trainingseffekte und eine größere Population zu treffen, brauchen wir die Daten aus dem Spiel.“

Neben der Chirurgie sind auch weitere Szenarien für den Einsatz der Psychoakustischen Sonifikation denkbar – beispielsweise das Steuern von Drohnen und Unterwasserrobotern oder das Monitoring von Patientendaten.

Weitere Informationen:

Auf der Webseite Cognitive Surgical Assistance finden sich weitere Informationen, Demo-Videos und der Download-Link zum Spiel.

Video: CURAT-Projekttag 2020 (English w. Subtitles), Vorstellung des Masterprojektes