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Mittwoch, 24. Januar 2018

Interview

Anatomie trifft Kino

Von Bettina Reckter | 26. Oktober 2017 | Ausgabe 43

Wie fotorealistische dreidimensionale Abbildungen aus dem Inneren des menschlichen Körpers gelingen, erklärt Walter Märzendorfer, Leiter Diagnostische Bildgebung bei Siemens Healthineers.

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Foto: Max-Planck-Institut, Leipzig

Sehr detailliert lassen sich heute mithilfe der modernen Bildgebung sogar die feinen Nervenbahnen der weißen Gehirnmasse darstellen.

VDI nachrichten: Herr Märzendorfer, mit dem Cinematic Rendering haben Ihre Forscher sich eine Filmtechnik zum Vorbild genommen, um Bilder aus dem Inneren des Körpers dreidimensional darzustellen. Wie kamen Sie auf diese Idee?

Foto: Siemens AG

Walter Märzendorfer ist froh, dass Cinematic Rendering nun auch in der Ausbildung eingesetzt wird.

Walter Märzendorfer: Bei der Computer- und auch der Magnetresonanztomographie – kurz CT und MRT – erhalten wir eine Vielzahl von zweidimensionalen Einzelbildern, deren Information man sich als Stapel auch dreidimensional vorstellen kann. Rein technisch betrachtet bekomme ich so für jeden Punkt im Körper einen Bilddatenpunkt. Wenn diese in alle Raumrichtungen die gleiche Auflösung haben, kann man aus diesem Datenvolumen die anatomischen Strukturen rechnerisch herausholen, die einen besonders interessieren.

Walter Märzendorfer

Welche zum Beispiel?

Wir haben in den 90er-Jahren mit der dreidimensionalen Darstellung von Gefäßbäumen begonnen. Das ist relativ einfach, weil häufig ein Kontrastmittel gespritzt wird, das einen hervorragenden Kontrast zum umliegenden Gewebe abgibt. Die stärker leuchtenden Bildpunkte kann man dann in 3-D darstellen. Auch Knochen lassen sich gut abbilden. So entstanden damals schon eindrucksvolle Darstellungen vom Brustkorb oder der Wirbelsäule.

Und die Methode dahinter nennen Sie Rendering?

Ja, dies war die klassische Form der 3-D-Darstellung, das Volumen-Rendering. Die Technologie dahinter haben wir im Laufe der Zeit immer weiter verbessert, denn anfangs war die Qualität der dargestellten Oberflächenstrukturen noch nicht so gut, wie man sie von der Fotografie her kennt. Mit dem Cinematic Rendering ist uns hier ein echter Durchbruch gelungen. Wie der Name schon sagt, haben wir uns dabei von der Visualisierungstechnik des Kinos inspirieren lassen, mit der animierte Figuren, wie etwa Gollum im Film „Herr der Ringe“, digital modelliert werden.

Wie sind Sie dabei technisch betrachtet vorgegangen?

Unsere Informatiker und Visualisierungsexperten haben sich angeschaut, wie Oberflächen bei Animationsfilmen dargestellt werden. Dafür haben sie die Reflexion des Lichts analysiert und versucht, das Reflexionsverhalten von Gewebe nachzuempfinden. Mit dem Unterschied, dass wir das gesamte Datenvolumen darstellen, nicht nur die Körperoberfläche wie bei Gollum. Und wir können das in Echtzeit, ohne monatelange Postproduction. Dies alles benötigt zwar hohe Rechenkapazität, aber das Ergebnis ist wirklich spektakulär.

Wo können Sie dieses Verfahren sinnvoll einsetzen?

Das Cinematic Rendering eignet sich sowohl für die Vorbesprechungen der Ärzte mit ihren Patienten als auch für die OP-Planung, damit sich der Chirurg am Organ vor dem Eingriff bereits räumlich, also dreidimensional, orientieren kann. So haben zum Beispiel die Ärzte in der Kinderherzchirurgie die Möglichkeit, sich das winzige Herz eines Neugeborenen genau anzusehen, bevor sie mit der Operation beginnen.

Gibt es weitere Einsatzgebiete für das Cinematic Rendering?

Was mich persönlich begeistert, ist, dass bereits erste Universitäten ihre Ausbildung auf dieses Verfahren umstellen. So müssen sich angehende Ärzte nicht mehr zu mehreren eine Leiche für ihre anatomischen Studien teilen. Jetzt kann man die Daten eines lebenden Menschen nehmen und diese darstellen wie ein anatomisches Präparat – inklusive der jeweils vorhandenen anatomischen Varianten und Erkrankungen. Besonders intensiv treibt das derzeit Professor Franz Fellner in Linz voran, der seine Studenten an der 16 m x 9 m großen Projektionsfläche der Virtual Reality Cave des Ars Electronica Centers mithilfe dieser Methode unterrichtet.

Würde sich die Methode auch zur Darstellung von Krebs eignen?

Nein, nur bedingt, weil Tumore oft nicht klar geometrisch umrissen sind. In der Onkologie setzen wir eher auf Augmented Reality.

Wie machen Sie das?

Angefangen hat das in der Gehirnchirurgie. Mit funktioneller Magnetresonanztomographie (fMRT) können sowohl Nervenfaserbahnen als auch Funktionsareale wie das Sprachzentrum gezeigt werden, die bei der Operation natürlich möglichst nicht geschädigt werden sollen. Durch Überblendung sowohl des Tumorvolumens als auch dieser Funktionsareale auf das Operationsfeld kann der Chirurg während des Eingriffs jederzeit die Lage relativ zu den erforderlichen Resektionsgrenzen einschätzen und somit zu optimalen Ergebnissen für den Patienten kommen.

Wie funktioniert das technisch betrachtet?

Wenn der Chirurg mithilfe eines Mikroskops operiert, werden die zusätzlichen Informationen dort einfach mit eingeblendet, das echte Organ also mit der Bildinformation überlagert. Auch für die Leberchirurgie gibt es hierfür bereits Prototypen.

Ist das die Zukunft der Bildgebung?

Ja, diese Technologie ist im Kommen. Man kann die Informationen natürlich auch auf eine Brille geben. So geschieht es etwa mit der HoloLens von Microsoft. Im Sichtfeld lässt sich die normale Umgebung mit Animationen überlagern.

Nutzen Sie auch Methoden der Künstlichen Intelligenz für die Bildgebung der Zukunft?

Mit den heute zur Verfügung stehenden Rechnerkapazitäten sind wir bereits in der Lage, Deep Machine Learning basierte neuronale Netzwerke mit hoher Komplexität zu realisieren. Ein CT-Scan liefert Datensätze von einigen Gigabyte. Um einen Algorithmus zu trainieren, der zuverlässig Gewebe und Strukturen wiedererkennt, benötigt man jedoch einige Tausend solcher Datensätze. Wir haben die Infrastruktur, diese Algorithmen effizient zu entwickeln.

Wo könnte KI dann praktisch eingesetzt werden?

Nehmen wir als Beispiel das Auffinden eines Tumors in einem Bilddatensatz. Nachdem das neuronale Netzwerk anhand einer hohen Anzahl entsprechender Datensätze trainiert wurde, ist es in der Lage, veränderte Strukturen selbstständig zu erkennen und zu markieren. Damit eignet es sich als Assistenzsystem für Radiologen, die unter hohem Zeitdruck mit zunehmend komplexen Informationen zurechtkommen müssen. Mit der Entwicklung derartiger Supportsysteme beschäftigen wir uns derzeit sehr intensiv.

Und wie sieht Ihrer Meinung nach die Zukunft der Bildgebung aus?

Jedes Verfahren hat seine Stärken und Schwächen. MRT zum Beispiel ist hervorragend zur differenzierten Darstellung von Weichgewebe wie Muskeln oder Sehnen geeignet, es ist jedoch nicht das schnellste Verfahren auf dem Planeten. Eine komplexe Untersuchung kann in Summe durchaus 30 min dauern. Bei einem Unfallpatienten ist das meist nicht akzeptabel. In lebensbedrohenden Situationen muss es schnell gehen.

Hier kommt üblicherweise CT zum Einsatz. Entsprechend wird je nach Anforderung gesehen, welches Verfahren die optimale räumliche und zeitliche Auflösung liefert und welche morphologischen und funktionalen Informationen im speziellen Fall benötigt werden.

Der Werkzeugkasten ist bereits gut bestückt, wobei alle Verfahren stetig weiterentwickelt werden. Wir erzielen immer wieder Durchbrüche in neue Leistungsdimensionen, die dann neue klinische Anwendungen und damit eine Verbesserung der medizinischen Versorgung erlauben.

 Für die Entwicklung des Cinematic Rendering sind Klaus Dieter Engel und Robert Schneider von Siemens Healthineers sowie Franz Fellner vom Kepler Universitätsklinikum in Linz für den diesjährigen deutschen Zukunftspreis nominiert.

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