Die Entwicklung eines "digitalen Superzwillings" als Grundlage für Innovationen in der roboterassistierten Chirurgie ist Ziel des Forschungsprojekts TWIN-WIN eines Konsortiums um das Kurt-Semm-Zentrum des Universitätsklinikums Schleswig-Holstein (UKSH). Das Projekt, an dem auch die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), die Universität zu Lübeck und die Vater Solution GmbH wesentlich beteiligt sind, wird mit insgesamt knapp 950.000 Euro bis Ende 2025 durch das Land gefördert.

Starker Medizin- und Digitalstandort Schleswig-Holstein

Digitalisierungsminister Dirk Schrödter überreichte am 30. August die Förderbescheide: "So sieht die Medizin der Zukunft aus: Das Projekt TWIN-WIN bietet die wunderbare Chance, unsere beiden bundesweit anerkannten Medizinhochleistungsstandorte Kiel und Lübeck als Innovationsstandorte auf dem Gebiet der Roboterchirurgie zu einem gemeinsamen Ökosystem von erheblicher Strahlkraft zu verzahnen. Umso mehr freut es mich, dass mit der Vater Solution auch ein privater Partner an Bord ist, denn Innovationsökosysteme leben vom permanenten Austausch von Wirtschaft, Wissenschaft und Verwaltung. Automatisierte Verfahren auf der Basis von künstlicher Intelligenz werden eine immer größere Rolle im Gesundheitswesen spielen. Der Wachstumsmarkt auf diesem Gebiet ist groß. Die Unterstützung für die medizinische Forschung ist eine Investition in eine bessere Gesundheitsversorgung. Sie sorgt auch für mehr Lebensqualität, für Innovationen in den Bereichen Robotik und Medizintechnik sowie für Wachstum und Wertschöpfung in unserem Land. All das macht Schleswig-Holstein zu einem starken Medizin- und Digitalstandort. Mein großer Dank geht an alle Verbundpartner des Projekts, die sich gemeinsam für diese Ziele einsetzen."

Hochpräzise, roboterassistierte Chirurgie

Die roboterassistierte Chirurgie ist eine minimalinvasive und hochpräzise Operationsmethode, bei der die Instrumente über kleine Zugänge in das OP-Feld eingebracht und über eine Konsole gesteuert werden. Längst ist roboterassistierte Chirurgie zum gut etablierten Goldstandard der Chirurgie in den meisten chirurgischen Fächern geworden. Das Kurt-Semm-Zentrum vernetzt die verschiedenen Fachdisziplinen am UKSH und hat mit TWIN-WIN in der Nachfolge zum "OP der Zukunft", der mit 3,4 Millionen vom Europäischen Fonds für regionale Entwicklung gefördert wurde, erneut einen erfolgreichen Projektantrag gestellt.

An der Konsole sieht die Operateurin oder der Operateur das Operationsfeld, in dem sich die Instrumente befinden, etwa zehnfach vergrößert, in hoher Auflösung und in 3D. Allerdings zeigt der Ausschnitt nur wenige Quadratzentimeter im Bauchraum; der Tumor verbirgt sich häufig unter Fettschichten oder hinter den Organstrukturen. Die Operierenden müssen aus der bildgebenden Diagnostik, die vor der OP durchgeführt wurde, abschätzen, wo der eigentliche Befund liegt und ihn Schritt für Schritt freipräparieren. Das ist in der Nieren- und Leberchirurgie oder auch beim Entfernen tumorbefallener Lymphknoten oft herausfordernd und zeitaufwendig.

Mit TWIN-WIN und KI die Navigation zum Befund verbessern

Ziel des TWIN-WIN-Projektes ist es, die Navigation zum Befund mit Hilfe von künstlicher Intelligenz und Sensorfusionsmodellen deutlich zu verbessern. Das 3D-Datenmodell des voroperativen CT-Befundes, quasi ein "digital twin", ein digitaler Zwilling der Patientin oder des Patienten (daher der Name "TWIN-WIN"), soll während des Eingriffs in das 3D-Bild des OP-Bereichs integriert und mittels Augmented Reality für die Operierenden sichtbar gemacht werden. Es sollen Echtzeitdaten unter anderem über die Position der Instrumente im Bauchraum, die relevanten Organstrukturen und die Deformation dieser Strukturen mithilfe von Sensorquellen (zum Beispiel optisches und elektromagnetisches Tracking, Ultraschall) und künstlicher Intelligenz erhoben werden. Die Forschenden streben dabei die Entwicklung eines sogenannten digitalen Superzwillings an, in dem alle Daten der operativen Systeme, des voroperativen Befundes und aus dem Inneren und der Lage des Patientenkörpers in einem dynamischen Echtzeitmodell vereint werden. Gelingt dies, könnte ein OP-Navigationsgerät entwickelt werden, ähnlich dem Navi beim Autofahren.

"Wir sind sehr dankbar für die Unterstützung des Landes Schleswig-Holstein und sind optimistisch, dass die entscheidenden Schritte auf dem Weg zu einem Navigationstool für die minimalinvasive und roboterassistierte Chirurgie gelingen können. Das Ergebnis wäre eine bahnbrechende Innovation, die signifikante Verbesserungen der chirurgischen Qualität und der Patientensicherheit ermöglicht, denn bessere Navigation bedeutet auch weniger Manipulationen und Verletzungen von gesundem Gewebe und somit die Reduktion des Komplikationsrisikos und postoperativer Schmerzen", sagt der Projektverantwortliche Prof. Dr. Thomas Becker, Sprecher des Kurt-Semm-Zentrums und Direktor der Klinik für Allgemeine, Viszeral-, Thorax-, Transplantations- und Kinderchirurgie des UKSH, Campus Kiel. 

Die Umsetzung des zukunftsträchtigen Projekts erfordert das Zusammenspiel vieler Expertisen. Neben Ärztinnen und Ärzten des UKSH, die das Projekt mit medizinischer Fachkenntnis füllen und den Projektverbund anführen und koordinieren, sind Fachleute der Materialwissenschaft sowie Bildgebungsexpertinnen und -experten der Lehrstühle für Intelligente Systeme und Marine Data Science der CAU in das Vorhaben eng eingebunden; außerdem hochspezialisierte Teams des Instituts für Robotik und Kognitive Systeme der Universität zu Lübeck sowie Softwareexpertinnen und -experten der Kieler Firma Vater Solution GmbH. Auch das Fraunhofer Institut IMTE, das Deutsche Forschungszentrum für Künstliche Intelligenz (beide Lübeck) sowie das Hamburger Startup Excagol sind an TWIN-WIN beteiligt.