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Eine Szene aus dem Spiel, welches auf psychoakustischer Sonifikation beruht. (Bild: Lukas Meirose/Daniel Tauritis)

Neu entwickeltes Spiel trainiert akustische Orientierung für minimalinvasive Eingriffe

By Universität Bremen
September 16, 2020

Bremen – Studierende der Universität Bremen haben in einem Masterprojekt gemeinsam mit Forscherinnen und Forschern verschiedener Disziplinen ein Spiel entwickelt, welches ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Verbesserung der minimalinvasiven Chirurgie sein könnte. Bislang werden minimalinvasive Eingriffe vor allem durch bildgebende Verfahren unterstützt. Mithilfe des Spiels, sollen räumliches Orientieren und Interagieren nun auch durch akustische Hinweise trainiert werden.

Chirurginnen und Chirurgen erhalten heute ganz andere technische Unterstützung bei Operationen als noch vor zehn oder 20 Jahren. Bildgebende Verfahren ermöglichen beispielsweise eine räumliche 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 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.

Neuer akustischer Ansatz

„Wir haben einen komplett anderen Ansatz – nämlich einen akustischen“, sagte Dr. Tim Ziemer, Musikwissenschaftler am Bremen Spatial Cognition Center (BSCC) der Universität Bremen. Das Forschungsteam entwickelte ein Android- und Windows-Spiel, das bald auf weiteren Plattformen laufen soll. Der Kern dieses Spiel ist die psychoakustische Sonifikation, also 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 positioniert? Zudem lernen Spielende erst zwei und am Ende alle drei Dimensionen so zu kombinieren, dass sie blind im dreidimensionalen Raum navigieren können.

Während der OP von Tönen leiten lassen

„Den Spielenden macht das Ganze hoffentlich einfach nur viel Spaß. Sie werden unterhalten, schulen ihr Gehör, versuchen Expertenstatus zu erreichen und den Highscore zu knacken“, sagte 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.

Das Spiel mit seinen insgesamt fünf Abschnitten soll weitere Informationen darüber liefern, 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 präzise, wie anfällig ist er für Verwechslungen der Achsen oder Richtungen, und wo liegt die Leistungsobergrenze?“, erläuterte 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 können?“

Hören strengt weniger an als sehen

Ziel dieser spieleunterstützten Forschung ist es, dem optischen Wegweiser einen akustischen hinzuzufügen. „Doppelt hält besser“, kommentierte Dr. Holger Schultheis, Kognitionswissenschaftler am BSCC. „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.

„Die psychoakustische Sonifikation ist eine Weltneuheit, für die wir bereits Preise bekommen haben“ – Dr. Tim Ziemer, BSCC

„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 Unterstützung durch unser Verfahren würde außerdem noch präzisere Eingriffe ermöglichen und die Operation von Tumoren erlauben, die gefährlich nahe an großen Arterien, wichtigen Nerven oder empfindlichen Membranen liegen.“

„Die Töne sagen den Chirurginnen und Chirurgen in Echtzeit und aus ihrer Perspektive, ob die Nadel nach links oder rechts, oben oder unten bzw. vor oder zurück muss – und auch genau wie weit“, erklärte Ziemer. „Das ist zu jeder Zeit und auf Wunsch im Bereich von Zehntelmillimetern möglich. Die psychoakustische Sonifikation ist eine Weltneuheit, für die wir bereits Preise bekommen haben.“ Das Team konnte bereits zeigen, dass Personen nach einem 30-minütigem Training ein 4 Millimeter großes Ziel in einem 20 × 20 Zentimeter großem Raum genauso zuverlässig fanden, wie mit visueller Hilfestellung.

Spielinformationen 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 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.

Mehr Informationen können auf der Projektseite eingesehen werden.

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