Chirurginnen und Chirurgen erhalten heute ganz andere technische Unterstützung bei Operationen als noch vor 10 oder 20 Jahren. Bildgebende Verfahren beispielsweise erm?glichen eine r?umliche Orientierung durch 3D-Computermodelle. 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 zerst?rt werden soll. W?hrend 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 – n?mlich einen akustischen“, sagt Dr. Tim Ziemer. Der Musikwissenschaftler besch?ftigt sich im Bremen Spatial Cognition Center (BSCC) der Universit?t Bremen mit der technischen Umsetzung der Psychoakustik in r?umlichen Audiosystemen. Zusammen mit dem Kognitionswissenschaftler PD Dr. Holger Schultheis, der Psychologie-Doktorandin Tina Vajsbaher und elf Master-Studierenden entwickelte er ein Android- und Windows-Spiel, das bald auf weiteren Plattformen laufen soll. Kern ist ein fremdartiger Sound – die ?Psychoakustische Sonifikation“. Der Begriff bezeichnet die Darstellung von Daten via Klang.
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 k?nnen.
T?ne h?ren bei der OP
?Den Spielenden macht das Ganze hoffentlich einfach nur viel Spa?. Sie werden unterhalten, schulen ihr Geh?r, 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 k?nnen, ist ein zus?tzlicher Antrieb.“ Denn die akustische Orientierung im Raum soll Chirurginnen und Chirurgen eines Tages ebenso bei der komplexen r?umlichen Zielfindung bei minimalinvasiven Eingriffen helfen wie die Visualisierung.
Das Spiel mit seinen insgesamt fünf Abschnitten soll weitere Informationen darüber bringen, wie Menschen mit der psychoakustischen Sonifikation umgehen: ?Auf welchem Niveau steigt der ungeübte Nutzer ein, und wie sehen Lernkurven aus? Wie schnell wird der Nutzer wie pr?zise, wie anf?llig ist er für Verwechslungen der Achsen oder Richtungen, und wo liegt die Leistungs-Obergrenze?“, erl?utert Tim Ziemer. ?Wie lange setzen sich Menschen dem Klang aus? Machen Menschen systematische Fehler bei der Interpretation des Klangs, die wir durch ein optimiertes Sound-Design vermeiden k?nnen?“
H?ren ist weniger anstrengend als Sehen
Ziel dieser ?spieleunterstützten Forschung“ ist es, dem ?optischen Wegweiser“ einen ?akustischen Wegweiser“ hinzuzufügen. ?Doppelt h?lt besser“, erl?utert Holger Schultheis. ?Wir wollen die psychoakustische Sonifikation eines Tages bei komplizierten Operationen zus?tzlich bereitstellen.“ Das Problem der bildgebenden Verfahren ist, dass die r?umliche Orientierung sehr viele Hirnressourcen in Anspruch nimmt. Der Computerbildschirm zeigt die r?umliche Konstellation n?mlich 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 k?nnen anstrengend sein. Der akustische Wegweiser verringert die Belastung der Chirurginnen und Chirurgen und kann dadurch die Patientensicherheit erh?hen“, so Schultheis. ?Die Unterstützung durch unser Verfahren würde au?erdem noch pr?zisere Eingriffe erm?glichen und die Operation von Tumoren erlauben, die gef?hrlich nahe an gro?en Arterien, wichtigen Nerven oder empfindlichen Membranen liegen.“
?Die T?ne sagen den Chirurginnen und Chirurgen in Echtzeit und aus ihrer Perspektive, ob die Nadel nach links/rechts, oben/unten oder vor/zurück muss – und auch genau wie weit“, erl?utert Tim Ziemer. ?Das ist zu jeder Zeit und auf Wunsch im Bereich von Zehntelmillimetern m?glich. Die psychoakustische Sonifikation ist eine Weltneuheit, für die wir bereits Preise bekommen haben.“ Das Team hat gezeigt, dass Menschen nach einem 30-Minuten-Training mit dem ?Ton-Wegweiser“ ein vier Millimeter gro?es Ziel in einem 20-mal 20 Zentimeter gro?em Raum genauso zuverl?ssig finden wie mit visueller Hilfestellung.
Informationen aus dem Spiel wichtig für Weiterentwicklung
?Durch die Informationen, die wir mit dem Spielen au?erhalb des OPs sammeln, k?nnen wir den Einsatz der T?ne 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 gr??ere 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.
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http://curat.informatik.uni-bremen.de/
Auf dieser Webseite finden sich weitere Informationen, Demo-Videos und der Download-Link zum Spiel
www.uni-bremen.de
Fragen beantworten:
Dr. Tim Ziemer
Universit?t Bremen
Bremen Spatial Cognition Center (BSCC)
Tel.: +49 421 218-64280
E-Mail: ziemeruni-bremen.de
PD Dr. Holger Schultheis
Universit?t Bremen
Bremen Spatial Cognition Center (BSCC) und Institut für Künstliche Intelligenz
Tel. +49 421 218-64292
E-Mail schulthinformatik.uni-bremen.de
