Virtuelle Chirurgie

Kathrin Friedrich und Sarah Diner

Inhalt1 Einleitung – Virtualität in der chirurgischen Praxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Virtuelle Diagnostik – Visuelle Modellierungen und Operationalisierungen . . . . . . . . . . . . . . . 33 Virtuelles Schneiden – Chirurgische Planung und roboter-gestützte Bestrahlung . . . . . . . . . . 64 Augmented Reality – Klinische Evaluation und kontrollierte Adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 Head-Mounted Displays – Holografie und bildgestützte Intervention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Fazit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 Figure Credentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

ZusammenfassungUnter dem Begriff virtuelle Chirurgie werden im aktuellen Fachdiskurs Praktikengefasst, die in Diagnostik, Planung und Intervention maßgeblich auf dem Einsatzvon Bildgebungsverfahren, Softwareanwendungen und Augmented RealityTechnologien beruhen. Der Beitrag untersucht an Fallstudien wie das Verhältnisvon digitalen Daten, symbolischen Operationen und Patientenkörpern virtuellgestaltet und in materielle Interventionen transformiert wird. Zudem werden bild-und medientheoretische Fragestellungen sowie handlungsbezogene Herausforde-rungen benannt.

K. Friedrich (*)Forschungskolleg „SENSING. Zum Wissen sensibler Medien“, ZeM- Brandenburgisches Zentrumfür Medienwissenschaften, Potsdam, DeutschlandE-Mail: k.friedrich@sensing-media.de

S. DinerCampus Benjamin Franklin, Klinik für Neurologie, Charité - Universitätsmedizin Berlin, Berlin,DeutschlandE-Mail: sarah.diner@charite.de

# Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, ein Teil von Springer Nature 2019D. Kasprowicz, S. Rieger (Hrsg.), Handbuch Virtualität,https://doi.org/10.1007/978-3-658-16358-7_19-1

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SchlüsselwörterVirtuelle Endoskopie · Bildgestützte Planung · Mixed Reality · Head-MountedDisplays · Bildgeführte Intervention

1 Einleitung – Virtualität in der chirurgischen Praxis

In jüngerer Zeit halten zahlreiche avancierte Hard- und Softwareanwendungen in derchirurgischen Praxis Einzug, die versprechen, die Effizienz der Behandlung und diePatientenschonung zu verbessern. Neben der verstärkten Entwicklung von Augmen-ted und Virtual Reality Technologien zur chirurgischen Aus- und Weiterbildungwerden diese auch im Operationssaal experimentell erprobt (Khor Wee et al. 2016;Riva 2014). Auch etabliertere virtuelle Untersuchungsverfahren, wie etwa virtuelleEndoskopien, machen darauf aufmerksam, dass eine Technisierung und Virtualisie-rung in der chirurgischen Praxis Einzug hält, die den Zugang zu Patientenkörpernneu gestaltet und ein erweitertes Handlungswissen herausfordert, das sich zuneh-mend von physischen Körpern und Instrumenten auf visuelle Schnittstellen wieGraphical User Interfaces und mobile Displays und deren Operationsbedingungenausdehnen muss. ‚Revolutionäre Rhetorik‘ und technologische Innovation treffenauf eingespielte klinische Handlungsabläufe und ein an physischen Körpern undradiologischen Konventionen geschultes chirurgisches Wissen, welches stark vonimpliziten Anteilen und haptischen Erfahrungen geprägt ist (Hirschauer 1991; Ris-kin et al. 2006; Schlich 2007).

Auch eine theoretisch-analytische Trennung zwischen physischen und symbolisch-virtuellen Operationen wird in diesem Bereich trotz verschiedenartiger technologi-scher Entwicklungen zunehmend brüchig. Umso nachdrücklicher können differenziertFragen nach den je Anwendungsgebiet spezifischen Relationen zwischen Medien-technologien, Körpern und Handlungen gestellt werden, die immer auch soziale,politische und ethische Aspekte implizieren (Caetano da Rosa 2013; Lenoir und Xin2002; Randell et al. 2014; Schubert 2006; Van Wynsberghe und Gastmans 2008).Obgleich das weite Feld, das unter dem Schlagwort Virtuelle Chirurgie oder VirtualSurgery fachdiskursiv gefasst wird, höchst interessant für eine bild- und medienkriti-sche Analyse ist, finden sich kaum theoretische Ansätze, die sichmit einer praxisnahenErprobung von Virtualisierung und dem angewandten Umgang mit Virtualität ausei-nandersetzen.

Nachfolgend werden vier beispielhafte Technologien, die in der chirurgischenDiagnostik und Planung sowie intraoperativen Steuerung und Kontrolle zum Einsatzkommen, vorgestellt. Diese stehen symptomatisch für Entwicklungen und Anwen-dungen im noch nicht definitorisch gefassten Feld der virtuellen Chirurgie undmachen jeweils gleichsam auf bild- und medienkritische Fragestellungen aufmerk-sam, unter denen sich eine theoretisch-analytische Perspektive medizinisch-chirurgischen Praktiken nähern kann. Zudem sollen die Beispiele das Spektrumaufzeigen, in dem sich das ‚schneidende Handwerk‘ der Chirurgie mit einer zuneh-

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menden Virtualisierung und bildgestützten Behandlung seines Objekts konfrontiertsieht.

So bewegen sich die nachfolgenden Untersuchungen entlang der Fragestellung,wie der Einsatz digitaler Medientechnologien solch handwerklich-physische Prak-tiken wie chirurgische Eingriffe in virtuelle Räume ausdehnt oder verlagert. Dabei istzudem maßgeblich, wie der Bezug zum lebendigen, dynamischen Patientenkörperdurch und in verschiedenartigen medialen Schnittstellen geschaffen wird. WelcheRolle kommt in der virtuellen Chirurgie digitalen Visualisierungen, Software,Tracking-Systemen und Bildschirmarchitekturen zu und welche ästhetischen undepistemischen Bedingungen stellen sie an die Durchführung von chirurgischenUntersuchungen, Planungen und Operationen? Wie wirken Medientechnologienund Formen der Virtualisierung an diagnostischen und therapeutischen Entschei-dungen mit und steuern Eingriffsmöglichkeiten am Körper und wirken auf diesenzurück?

2 Virtuelle Diagnostik – Visuelle Modellierungen undOperationalisierungen

Der chirurgischen Intervention am physischen Körper gehen eine große Anzahldiagnostisch-interventioneller Praktiken voraus. Virtuelle Verfahren ergänzen dabeinicht nur die klinische Praxis, sondern sind in den vergangenen Jahrzehnten zueinem unverzichtbaren Bestandteil chirurgischer Interventionen geworden. Sie lie-fern die Daten- und Informationsgrundlage, die eine Indikation für chirurgischeEingriffe stellt sowie den Ablauf chirurgischer Interventionen planbar macht. Mitdem Aufkommen avancierter Softwareprogramme im Bereich radiologischer Dia-gnostik können vormals invasive Untersuchungen auf Grundlage von Datensätzenaus Computertomographen (CT) oder Magnetresonanztomographen (MRT) durch-geführt werden. Endoskopische Eingriffe wie Darm- und Lungenspiegelungen zurDetektion von Pathologien und einer ggf. gleichzeitigen Probenentnahme wurdenvon visuellen Modellierungen, die virtuelle Handlungsmöglichkeiten eröffnen, ab-gelöst (Gugerli 2002; Yee et al. 2013, S. 73).

Virtuelle Koloskopien (Darmspiegelungen) zeigen eindrücklich die mediale Ab-lösung eines individuellen Körperbildes von dessen Objekt zu Zwecken der dia-gnostischen Operationalisierung mittels digitaler Medientechnologien. Im Gegen-satz zu konventionellen Endoskopien erlauben die volumetrisch aufbereitetenpatientenspezifischen CT-Datensätze, eine von PatientInnen örtlich und zeitlich un-abhängige Untersuchung, die allein im virtuellen Körpervolumen operiert. WelcheVersprechen und klinischen Vorteile werden mit der virtuellen Diagnostik gegenüberinvasiven Untersuchungstechniken verbunden und welche epistemischen und ästhe-tischen Bedingungen schließt dies ein?

Im Folgenden wird drei Aspekten der virtuellen Koloskopie nachgegangen, dieeinerseits verdeutlichen sollen, dass virtuelle Chirurgie auch diagnostische Praxenumfasst und andererseits zeigen, dass das Feld ein Beispiel der gleichzeitigen räum-

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lich-zeitlichen Distanzierung und virtuellen Relativierung von Patientenkörper,Bildraum und Untersuchung eröffnet.

Die virtuelle Koloskopie stellt ein Verfahren des Volume Rendering dar, dessenspezifischer diagnostischer Nutzen gerade in dessen virtueller und räumlicher Dar-stellung liegen soll. Zur Erstellung einer virtuellen Koloskopie müssen sich Patien-tInnen zunächst einem CT-Scan unterziehen. Fachdiskursiv werden insbesondereLeistungssteigerungen auf dem Gebiet der Scanner-Detektoren und Rekonstrukti-onsalgorithmen hervorgehoben, die es ermöglichen, immer ‚dünnere Schichten‘ desUnterkörpers zu scannen, um eine große Datenmenge zu generieren, die zu einervirtuellen Darmspiegelung verrechnet werden kann (Harris 2006, S. 450). ImGegensatz zu einer konventionellen Koloskopie muss so kein Videoendoskop inden Körper eingebracht werden. Dennoch ist es für die Datenakquise unerlässlich,einige ‚Präparationen‘ der PatientInnen bzw. des Untersuchungsgebiets vorzuneh-men. „Some organs or tissues require special preparation in order to be properlyvisualized. Gastrointestinal structures such as the colon need to be „prepped“ withvarious regimes to remove feces that interfere with segmentation and interpretation.“(Robb 2000, S. 147) Da das virtuelle Verfahren PatientIn und Untersuchende zeitlichund räumlich trennt, müssen mögliche ‚Störfaktoren‘ der Segmentierung und Visu-alisierung im vorbildlichen Stadium ausgeräumt werden. Das maßgebliche Elementder vermeintlich rein virtuellen Diagnostik, die chirurgische Planungen und Inter-ventionen nach sich ziehen kann, ist so zunächst die materielle und invasive Prä-paration des Untersuchungsgebietes, um die prozessualen Lücken zwischen digitalerBildgebung und virtueller Untersuchung a priori zu überbrücken.

Ist eine valide Datengrundlage zur Berechnung einer virtuellen Koloskopiegegeben, wird fachdiskursiv nicht allein deren vermeintlich non-invasiver Charaktergegenüber der Videoendoskopie hervorgehoben, sondern auch der bildästhetischeund epistemische Vorteil, den die Darstellung eines Körpervolumens in 3D statt alsSchnittbildserie eröffnet. „By using sophisticated algorithms and high performancecomputing, these cross-sections may be rendered as direct 3D representations ofhuman anatomy. Specific anatomic data appropriate for realistic endoscopic simu-lations can be obtained from 3D MRI digital imaging examinations or 3D acquiredspiral CT data.“ (Robb 2000, S. 133) Bild- und medientheoretisch ruft die Rede voneiner vermeintlich ‚direkten‘ und ‚realistischen‘ endoskopischen Simulation eine„Kritik der ikonischen Vernunft“ (Heßler und Mersch 2009) auf, doch welchenBedeutungsraum eröffnet die Verwendung des Begriffs ‚realistisch‘ im Kontextvirtueller Koloskopie (Abb. 1a), etwa im Vergleich mit der konventionellen Video-endoskopie (Abb. 1b) oder der Darstellung der CT-Daten als Schnittbildserie?

Bei differenzierter Betrachtung zeigt sich, dass ‚realistisch‘ hier nicht unmittelbarauf ein fotorealistisches Bildverständnis gerichtet ist, sondern insbesondere dievalide Verbindung von Messung und Visualisierung meint, wie etwa auch dieWissenschaftssoziologin Kelly Joyce in ihrer Studie zur MRT-Visualisierung und-wahrnehmung in klinisch-radiologischen Kontexten analysiert hat (Joyce 2005,S. 458). Die Errechnung einer virtuellen Koloskopie entfernt die Bilddaten prozes-sual immer weiter von den Rohdaten der Messung durch einen CT-Scanner. Durchdie extensive Nachbearbeitung mehrdimensionaler Rekonstruktionen bestimmter

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anatomischer Strukturen gehen die „Originalinformation aus den CT-Werten (. . .)allerdings verloren.“ (Kalender 2006, S. 206) So erinnert die Bildästhetik einervirtuellen Koloskopie (Abb. 1a), zwar an eine Videoendoskopie (Abb. 1b), dochmuss ihr epistemischer Mehrwert, der in den Messwerten liegt, die der CT-Scannerliefert, über die gleichzeitige Visualisierung des Körpervolumens in graustufigenSchnittbildern gewährleistet werden. Daher werden die farbigen 3D-Darstellungenmit graustufigen Schnittbildern des gleichen Datensatzes korreliert. Der fortwähren-de diagnostische Vergleich zwischen graustufigen Schnittbildansichten und mehrdi-mensionalen visuellen Modellierungen illustriert neben einem bildästhetischen Ver-gleich für eine stetige Abwägung zwischen Messdaten und deren unterschiedlichenVisualisierungsformen (Friedrich 2012).

Auf bildästhetischer und epistemischer Ebene jedoch verspricht die Räumlichkeitder 3D-Darstellung, die Ausdehnung einer Körperhöhle innerhalb einer Ansicht so‚realistisch‘ darzustellen, dass sie nicht mental aus Schnittbildern rekonstruiertwerden muss (Reichle et al. 2008, S. 12–13). Ein verschlungenes Körpervolumenwie der Darm soll eine virtuelle Auffaltung erhalten, die Strukturen und Relationenexpliziert, die im Schnittbild oder in der konventionellen Videokoloskopie hättenwortwörtlich erfahren werden müssen. „This provides the rationale for 3D- displayssuch as virtual endoscopy, which depicts more intuitively the topographical featuresof the colon.“ (Beaulieu et al. 2003, S. 53)

Neben der mehrdimensionalen visuellen Modellierung erlauben Medientechno-logien im Bereich der virtuellen Koloskopie weitere Operationalisierungen zu vir-tuellen Untersuchungszwecken. Sind die virtuellen Darstellungen des patientenspe-zifischen Darms errechnet und medientechnisch vom Patientenkörper ‚abgelöst‘,findet das Zusammenspiel zwischen blickdiagnostisch angeleitetem Handeln undVisualisierung nur noch in virtuellen Räumen statt. „In fiber optic colonoscopy, thetip of the colonoscope can be manually diverted to look in between each fold.However, to do this in virtual colonoscopy requires hardware and software capableof real-time rendering as well as considerable operator time and skill.“ (Beaulieu

Abb. 1 a-b Screenshot einer virtuellen Koloskopie, die auf Grundlage eines CT-Scans errechnetwurde (links) im Vergleich zu einem Standbild aus einer videoendoskopischen Koloskopie (rechts)

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et al. 2003, S. 56) Wo der Untersucher in der Videoendoskopie mit Instrumenten imPatientenkörper manövriert, um das Untersuchungsgebiet optisch und epistemischzu ‚entfalten‘, wird hier das Bild zum ‚Operationsraum‘ für den Untersucher, demgleichzeitig die Möglichkeit genommen wird, Gewebeproben aus dem Darm zuentnehmen, die bei weiterer Untersuchung über Pathologien Aufschluss gebenkönnen.

Virtualität benennt in der virtuellen Koloskopie zunächst die Schaffung einesepistemisch-diagnostischen Möglichkeitsraums, der es NutzerInnen anhand vonvisuellen Modellierungen erlaubt, die Beziehungen zwischen Daten und Bildern,zwischen Patientenkörper und diagnostisch-chirurgischer Fragestellung sowie zwi-schen verschiedenen Darstellungsformen dynamisch und adaptiv zu konstituieren(vgl. Gugerli 2002, S. 251–252; van Dijck 2005, S. 66–67). Aufgrund ihrer medialenGrundlage in Form von Bildgebungsverfahren und Softwareanwendungen ist dervirtuelle Denk- und Handlungsraum jedoch technisch höchst standardisiert unddeterministisch. Dadurch ist auch die Rückbindung an den Patientenkörper gewähr-leistet. Die Rückübertragung der virtuellen Untersuchung in handlungsinduzierendeund klinische Entscheidungen obliegt in einem weiteren Schritt jedoch den Kompe-tenzen des Untersuchers.

3 Virtuelles Schneiden – Chirurgische Planung und roboter-gestützte Bestrahlung

Die Verschränkung von virtuellen, bildgestützten Handlungen und chirurgischerPlanung wird besonders am Beispiel der bildgeführten Radiochirurgie deutlich. Inder Strahlenchirurgie werden hochdosierte Strahlungsintensitäten eingesetzt, umPathologien im Inneren des Körpers in wenigen Sitzungen zu bestrahlen. Im Gegen-satz zu einer offenen Operation wird die bestreffende Körperregion nicht mehr durchphysische Schnitte freigelegt, sondern erschließt sich in Diagnostik, Planung undIntervention nur mehr über bildgebende Verfahren, Softwareanwendungen undSimulationen sowie Echtzeitbildgebung und Trackingverfahren.

Bereits in der Entstehungsphase der Radiochirurgie hatte der schwedische Neu-rochirurg Lars Leksell die zunehmende Distanz der strahlenbasierten Chirurgie zumKörper der PatientInnen angemerkt. Da kein direkter visueller Zugriff der ChirurgInauf das Operationsgebiet mehr möglich ist, spricht er der präoperativen Planungeinen besonderen Stellenwert zu: „Surgery of this kind is a radical departure from theclassical tradition in which operations are performed under direct visual control. Thesurgeon is not governed by the circumstances in the wound, and in place of skillfulimprovisation he has a procedure which is the consequence of careful preoperativeplanning.“ (Leksell 1971, S. 55)

Die Radiochirurgie interveniert am physischen Körper, plant und kontrolliertjedoch vorrangig in virtuellen Handlungsräumen, die das technische System zurVerfügung stellt. Ein bildgeführtes, radiochirurgisches Bestrahlungssystem ist dasCyberKnife des US-amerikanischen Unternehmens Accuray Inc. Das intraoperativeDispositiv des CyberKnife besteht aus einem Roboterarm mit Bestrahlungseinheit,

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einer beweglichen Patientenliege sowie aus Infrarot-, Tracking- und Videotechnikzur Kontrolle und Überwachung während der Bestrahlung.

Um die Bestrahlung weitestgehend automatisiert ausführen zu können, müssenentsprechende Planungsdaten in das CyberKnife-System eingegeben werden, diepräoperativ festlegen, welche Körperstruktur mit welcher Intensität aus welcherRichtung von der Robotereinheit und den nicht-sichtbaren Strahlen getroffen werdensoll. Da weder der Körper noch seine radiochirurgische Operation der von Leksellangeführten ‚direkten visuellen Kontrolle‘ zugänglich sind, verlagert sich sowohlder epistemische wie operative Zugang in den Bereich virtueller Planung und bild-geführter Intervention, die direkte Auswirkungen auf den physischen Körper haben.Der Planung der Bestrahlung kommt daher ein maßgeblicher Status zu, da siefestlegt, wie das Bestrahlungssystem interveniert und strahlenbasiert operiert.

Die Planung geschieht auf Grundlage von Daten und Visualisierungen ausBildgebungsverfahren wie MRT und CT, die eine gleichsam berechenbare wiesichtbare Grundlage herstellen. CT-Aufnahmen bieten aufgrund ihrer technisch-physikalischen Bedingungen auf visueller Ebene weniger Detailinformationen zubestimmten Körperregionen wie dem Gehirn. Das CyberKnife-System nutzt jedochdie in ihnen enthaltenen geometrischen Daten, um den Körperraum der PatientInnenund das Koordinatensystem der Robotereinheit aneinander auszurichten. So ist diePlanung in der Radiochirurgie von vornherein mit dem Dilemma der Kooperationvon menschlichen und maschinellen AkteurInnen konfrontiert (Hoc 2000; Suchmanund Weber 2016). Während MRT-Bilder den menschlichen OperateurInnen mehrInformationen auf visueller Ebene zur Lage und Struktur von Pathologien liefern,sind diese Daten für das robotische System nicht verarbeitbar.

Die patientenspezifischen Schnittbilder dienen sodann zur Markierung von Be-strahlungsvolumina und von Risikostrukturen (Abb. 2) (Giller et al. 2009, S. 5–6).Hierbei müssen nicht allein erkennendes Sehen und Interaktion mit Bilddatenabgestimmt werden, sondern die Bilddaten müssen immer auf die radiochirurgischeIntervention hin gedacht bzw. gesehen werden. Dafür konturieren die behandelndenChirurgInnen im Durchgang durch die jeweiligen Schnittebenen des patientenspe-zifischen Datensatzes die Grenzen des Zielvolumens und legen durch unterschied-liche Farbkodierungen fest, welches anatomische Areal nicht oder nur mit einergeringen Dosis von Strahlung getroffen werden darf.

Bilderkennen und bildgestütztes Planen, das eine automatisierte und weitestge-hend nicht-sichtbare Operation vorwegdenken muss, verläuft hier in einem gleich-zeitig medientechnischen und chirurgischen Möglichkeitsraum. Softwarepro-gramme und deren graphische Schnittstellen stellen die Instrumente zur Verfügungmit denen sich der Körper zwar nicht materiell, aber dennoch ästhetisch undepistemisch ‚öffnen‘ lässt. So wird möglich, was das radiochirurgische System quaseiner technischen Bedingung nicht mehr zulässt – einen Körper zu behandeln, ohneeinen direkten visuellen und haptischen Zugang zu ihm zu haben.

Die virtuelle ‚Einflussnahme‘ und Kontrolle seitens medizinischem und techni-schem Personal setzt sich auch in der Bestrahlungssituation und im Umgang mit derRobotertechnik fort. Da der Planungsdatensatz als Input für die robotische Bestrah-lungseinheit genutzt wird, ist er maßgeblich für deren Aktionen. Daher müssen

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Robotersystem und PatientIn so aneinander ausgerichtet werden, dass die Bestrah-lung ohne Abweichungen von der Planung vorgenommen werden kann und dieStrahlung in das Tumorvolumen und nicht in umliegendes, gesundes Gewebe trifft(Haidegger et al. 2009). Die Passung der Planung mit der strahlenchirurgischenIntervention wird über intraoperative Durchleuchtungs- und Trackingverfahrenvisualisiert und kontrolliert. Damit wird erneut das Bildwissen der beteiligtenAkteurInnen herausgefordert, die nun die Abstimmung von dynamischem Patienten-körper, Planungsdaten und operierendem Robotersystem überprüfen müssen. Auchhierfür stehen unterschiedliche Bildgebungsverfahren und Bildformen zur Verfü-gung, die in theoretischer Hinsicht noch einmal das Dilemma des virtuellen Schnei-dens verdeutlichen – allein im Möglichkeitsraum, den Visualisierungen undSoftware-Schnittstellen zur Verfügung stellen und der aufgrund seiner digitalenVerfasstheit sowohl menschliche wie technologische AkteurInnen adressiert, istdie Planung und Kontrolle einer physischen Intervention möglich. Medientechno-logien kommt hier eine im Wortsinne operative Bedeutung zu (Hinterwaldner 2013;Hoel und Lindseth 2014; Pantenburg 2016). Die Rede von Virtualität bzw. virtuel-lem Schneiden im Sinne eines digital erzeugten Denk- und Handlungsraums müsste

Abb 2 Screenshot (Ausschnitt) der Planungssoftware für das CyberKnife-System. In der Kacheloben links ist der geplante Strahlengang simuliert, die drei weiten Kacheln stellen das konturierteBestrahlungsgebiet dar, in dem die Strahlenintensität farblich kodiert ist. (Vlachopoulou et al. 2011)

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hier weiter nach den Kapazitäten und ‚Binnenstrukturen‘ der beteiligten AkteurIn-nen differenziert werden, um auch deren Verantwortlichkeiten und Bezugnahmen inverschiedenen Stadien radiochirurgischer Operationen klären zu können.

4 Augmented Reality – Klinische Evaluation undkontrollierte Adaptation

Virtuelle Diagnostik und Planung, die auf CT- oder MRT-Datensätzen basieren,werden in anderer Form auch für Interventionen am physischen Körper genutzt. Ineinem intraoperativen Dispositiv, das sich verschiedener Visualisierungsverfahrenund Bildschirmarchitekturen bedient, ergänzen präoperativ akquirierte und aufbe-reitete Bilddaten idealerweise die Kenntnis über den zu operierenden Körper.Anhand von Computermodellen können Interventionen simuliert und einzelneArbeitsschritte wie die Wahl des Zugangsweges oder die Anpassung prothetischerErsatzstücke im Vorhinein einer Intervention am physischen Körper im virtuellenMöglichkeitsraum getestet und auf diese Weise optimiert werden. Folglich werdendurch den Rückgriff auf Simulationen auf vielfache Weise Einsichten gewonnenbzw. vorweggenommen, die über den alleinigen Umgang mit dem physischenKörper hinausgehen (vgl. Gramelsberger 2010; Krämer 2011). Für eine intraopera-tive Nutzung bedarf es daher der Übertragung der Information aus einem virtuellenMöglichkeitsraum in den physischen Raum der Intervention. Dafür müssen dieBildinformationen auf den spezifischen Patientenkörper rückübertragen werden.Augmented Reality Anwendungen versprechen etwa, den Patientenkörper mit vir-tuellen Bildinformationen im Blickfeld des/r OperateurIn zu überlagern und so inmehrfacher Hinsicht Möglichkeiten der Interaktion zwischen virtuellem Möglich-keits- und phjysischem Handlungsraum zu generieren. Digital konstruierte Bildin-formationen sollen auf diese Weise gezielt in Relation zu körperlichen Strukturenpositioniert werden können und folglich die Möglichkeiten der Wahrnehmung undHandlung von OperateurInnen erweitern (vgl. Mehler-Bicher et al. 2011, S. 1–2),indem präoperativ akquirierte und rekonstruierte computer- und magnetresonanzto-mografische Bilddaten beim Blick auf den Patientenkörper passgenau eingeblendetwerden und sich der intraoperativen Veränderung des Operationsgebiets dynamischanpassen.

Ansätze durch Überlagerung virtueller und physischer Bildinformationen eineErweiterung der Wahrnehmungs- und Handlungsmöglichkeiten zu erzielen, reichenbis in die 1950iger Jahre zurück. Damals wurde begonnen, Augmented RealityTechnologien im militärischen Bereich zu nutzen. Doch erst technische Fortschrittewie eine höhere Auflösung der Bildinformation und ein erweitertes Sichtfeld ermög-lichten einen Einsatz der Technologie im Rahmen medizinischer Eingriffe (Hama-cher et al. 2016). Denn über die reine Visualisierung hinaus erfordert die passgenaueDarstellung rekonstruierter Bildinformationen im Raum eine hohe Präzision vonTrackingverfahren bei der Erfassung von Strukturen im Raum sowie bei der Inbe-ziehungsetzung rekonstruierter und anatomischer Strukturen in Echtzeit (vgl.Mehler-Bicher et al. 2011, S. 3–12).

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Da sich die Planung chirurgischer Interventionen anhand von Visualisierungs-technologien und Verarbeitungsprozessen räumlich und phänomenal vom physi-schen Körper distanziert, wird es notwendig, sich in einer quasi gegenläufigenBewegung dem physischen Körper im Verlauf der Intervention wieder anzunähern.Die Hoffnung, die passgenaue Übertragung der Information aus einem virtuellenBildraum auf den physisch-dynamischen Körper zu erleichtern, um Handlungen vonOperateurInnen bildgestützt anzuleiten, ist mit der Entwicklung und Anwendungvon verschiedenartigen Mixed Reality Technologien verbunden. Deren Visualisie-rungen streben an, virtuelle mit anatomischen Komponenten zu verbinden undbewegen sich damit nach Milgram und Colquhoun (1999) in einem Kontinuumzwischen Realität und Virtualität, in welchem entweder reelle (Augmented Reality)oder virtuelle Anteile (Augmented Virtuality) bei der Darstellung von Strukturenhervorgehoben werden (für eine Begriffsdiskussion von Augemented Reality sieheauch Schraffenberger und van der Heide (2014)). Diese Entwicklung geht, wiederzeit seitens Software- und Hardwareherstellern von Mixed und AugmentedReality Technologien beworben, mit dem Versprechen einher, durch eine Interaktiondigitaler und anatomischer Information, virtuelle und physische Ebenen anzunähernund dadurch die bisherigen Grenzen menschlichen Wahrnehmens und Handelns zuüberwinden. „We are standing at the threshold of the next revolution in computing.A revolution where computers empower us to expand our capabilities and transcendtime, space, and devices. [. . .] Our sense of what is possible is set to be transformedas we enter a new era of computing, the era of mixed reality.“ (Kipman 2017)

Die klinische Erprobung von Mixed und Augmented Reality Technologien siehtsich hingegen mit ästhetischen und epistemischen Herausforderungen bei einemEinsatz in der medizinischen Routine konfrontiert. Die Technologien bergen dabeizwar das Potenzial, den Zugang zum lebendigen Körper noch stärker als bei derAnwendung von Bilddaten in der Diagnostik zu prägen. Damit virtuelle und physi-sche Strukturen in überlagerter Darstellung jedoch maßgeblich für Therapieentschei-dungen und Interventionen werden können, bedarf es zuvorderst einer präzisenräumlichen Adaptation virtueller Bildinformationen, welche sich besonders imVerlauf einer Intervention den Veränderungen des lebendigen Körpers anpassen.Diese und weitere Herausforderungen des klinischen Einsatzes der beworbenenTechnologien zu identifizieren, macht die klinische Evaluation experimentellerPrototypen im besonderen Maße dahingehend interessant, dass sie eine kritischeReflexion der Möglichkeiten und Bedingungen des Einsatzes von Mixed RealityTechnologien in der Medizin erlaubt, welche im gegenwärtigen Fachdiskurs kaumzu finden ist. Im Folgenden werden daher an beispielhaften Anwendungen Fragennach Anpassungsvorgängen und Kontrollmechanismen behandelt, welche die Auf-gabe haben, die Orientierung an virtualisierter Information zu erlauben und damitepistemischen und operationalen Anforderungen gerecht zu werden, die eineAnwendung von Mixed Reality im Rahmen medizinischer Interventionen erfordert.

Derartige Möglichkeiten und Herausforderungen zeigt eindrücklich die klinischeEvaluation eines Prototyps des Neuronavigationssystems Augmented Reality Intra-operative Brain Imaging System, welches im Rahmen bildgestützter neurovaskulärerOperationen erprobt wird. Durch die Überlagerung präoperativ akquirierter Bildin-

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formationen des zentralen Gefäßsystems mit intraoperativen Videoaufnahmen desPatientenschädels wird angestrebt, den OperateurInnen beim Blick auf die Gewebe-oberfläche Information über in der Tiefe liegende Gefäßstrukturen zu gewähren undinfolgedessen die Planung und Durchführung der Intervention durch digitale Bild-daten zu unterstützen. Mit dem Fortschreiten des Eingriffs geht daher idealiter eineSichtbarmachung immer tieferliegender Strukturen einher, welche im besonderenMaße Fragen nach der handlungsleitenden Dimension operativer Visualisierungenund dem Erkenntnisgewinn aus der Verschränkung virtuell rekonstruierter undvideografischer Bildebenen aufwirft.

Zur Erzeugung der digital rekonstruierten Bildinformationen werden PatientIn-nen vor der Operation einem CT-Scan unterzogen, um durch Anwendung strahlen-undurchlässigen Kontrastmittels das Gefäßsystem abzugrenzen. Die Darstellung derGefäße wird nachfolgend farbkodiert, um entsprechend dem Strömungsverhaltendes Blutes unterschiedliche Abschnitte des Gefäßsystems zu unterscheiden (Abb. 3).Die farbkodierten Gefäßdarstellungen werden intraoperativ auf einem abseitigenBildschirm abseits des OP-Tisches gemeinsam mit intraoperativen Videoaufnahmenmöglichst passgenau abgebildet (Abb. 4).

Die Handlungswirksamkeit der aus digital konstruierten Gefäßen und videogra-fisch erfassten anatomischen Strukturen konzipierten Visualisierung leitet sich inbesonderem Maße von der präzisen Überlappung prä- und intraoperativer Ebenenab. Orientiert an Landmarken des physischen Patientenkörpers wird eine möglichstexakte Registrierung von präoperativen Gefäßdarstellungen und intraoperativerKörperanatomie angestrebt, da diese entscheidend für eine valide Übertragung derBildinformation auf den physischen Patientenkörper und folglich für den Einflusseines virtuellen epistemisch-diagnostischen Möglichkeitsraums auf interventionelleEntscheidungen ist. Eine besondere Herausforderung für die Technologie stellendaher die prozessualen Veränderungen des lebendigen Körpers dar (vgl. aus medi-entheoretischer Perspektive Curtis 2004). Beispielsweise hat die Öffnung der Schä-delkalotte sowie die Entfernung einzelner Strukturen morphologische Veränderun-gen des Patientenkörpers zur Folge, welche die präzise Registrierung prä- undintraoperativer Bilddaten stört. Kontinuierlich wird während der Intervention Hirn-gewebe verlagert. Dieser Veränderung können sich die präoperativen Bilddatenschwerlich anpassen. Folglich wird der Informationsgehalt der überlagernden Bild-daten gemindert. Zwar kann technikimmanent eine Synchronisation der prä- undintraoperativ erworbenen Bildinformationen durch die Ergänzung weiterer intra-operativ akquirierter Parameter, beispielsweise durch sonografische Verfahren, ange-strebt werden. Die Verfahren erfassen während des Fortgangs der Interventionmorphologische Veränderungen des Gewebes und beziehen prozessual Veränderun-gen rechnerisch bei der Registrierung der Bildmodalitäten ein (Gerard et al. 2018;Kersten-Oertel et al. 2015b). Letztendlich wird bei der Intervention am lebendigenKörper der Informationsgehalt der Bilddaten jedoch durch die morphologischenVeränderungen des Gewebes gemindert und die Rückübertragung der digitalenInformation auf den lebendigen Körper dadurch erschwert.

Eine weitere Möglichkeit intraoperativ die Adaption der verschiedenen Bild-modalitäten zu verbessern und damit den Informationsgehalt von Visualisierungen

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der Mixed und Augmented Reality Technologien zu steigern, beinhaltet die ver-mehrte Anwendung bildgebender Verfahren in sogenannten hybriden Operations-räumen. Das Ziel ist, die Latenz zwischen Bildakquise und Intervention zu ver-

Abb. 3 Augmented Reality Anwendung: Überlagerte Visualisierung des digital konstruiertenGefäßsystems mit anatomischen Körperstrukturen. Die Sicht auf die Schädeloberfläche nach Öff-nung der Schädelkalotte wurde in Verbindung mit präoperativen Darstellungen des Gefäßsystemsabgebildet. Das Gefäßsystem ist farbkodiert und teils mit Pfeilspitzen markiert. Die Farbkodierungbasiert auf dem Strömungsverhalten des Blutes. Blutzuführende arterielle Gefäße (rot) füllen sichtypischerweise zeitlich vor blutabführenden venösen (blau) Gefäßen (Die Abbildung wurde freund-licherweise von Marta Kersten-Oertel zur Verfügung gestellt. Bei der Abbildung handelt es sich umeine ähnliche Version wie in Kersten-Oertel et al. 2015a, S. 1826)

Abb. 4 Intraoperatives Dispositiv des Neuronavigationssystems Augmented Reality Intraopera-tive Brain Imaging System bestehend aus einem Arbeitsplatz mit Monitor (Workstation) sowie auseiner Videokamera (Camera) und einem optischen Trackingsystem (Tracker). Die während derIntervention akquirierten Videoaufnahmen werden auf dem abseits des Operationssitus platziertenMonitor mit präoperativ konstruierten Bilddaten überlagert. Der Informationsgehalt wird währendder Operation durch den/die ChirurgIn vom Bildschirm auf den Patientenkörper übertragen. DieGenauigkeit der Registrierung präoperativer und intraoperativer Bilddaten auf dem Bildschirmvariiert derzeit je nach gewähltem Navigationssystem zwischen 1–7 mm und kann damit nureingeschränkt als ästhetisch-epistemische Grundlage chirurgischer Eingriffe dienen (Die Abbildungwurde freundlicherweise von Marta Kersten-Oertel zur Verfügung gestellt. Bei der Abbildunghandelt es sich um eine ähnliche Version wie in Kersten-Oertel et al. 2015a, S. 1834)

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kürzen (Siddharth et al. 2014) und dadurch zeitnah virtuelle und anatomischeBilddaten zu überlagern, in der Hoffnung, eine größtmögliche Kongruenz zwischendigitalen und physischen Strukturen zu erzielen, ohne dass sich in der Zwischenzeitdargestelltes Gewebe signifikant verformt. Visualisiert würde demnach ein konstru-ierter Möglichkeitsraum, welcher die Prozessualität prä- und intraoperativerZustände umspannt. Gelingt es im Fall des beschriebenen Prototyps daher, prä-und intraoperative Ebenen der Darstellung räumlich und zeitlich zu synchronisieren,können die überlagerten Bildmodalitäten genutzt werden, um den jeweils folgendenSchritt der Intervention zu planen. Insofern beinhaltet die Anwendung des Systemseine Transformation traditioneller chirurgischer Interventionen, indem ein Informa-tionsgewinn nicht mehr allein mit dem Fortschreiten der Intervention einherginge,sondern die Führung der Instrumente durch die zusätzlich visualisierten virtuellenInformationen am Bildschirm antizipiert würde. Die überlagerte Bildinformationvermag daher bei akkurater Projektion der Größe und Lokalisation der chirurgischenZielstruktur durch Inbezugsetzung virtuell konstruierter Bildinformation zu physi-schen Strukturen potenziell die Intervention beeinflussenden Informationen über inder Tiefe liegende Strukturen vorwegzunehmen und somit die handlungsinduzieren-de Wirkung von Bilddaten zu steigern. Derartige die Kongruenz der Bildebenenunterstützende Verfahren fördern demzufolge eine Verortung des virtuellen Mög-lichkeitsraums auf einem spezifischen Körper und somit auch eine Rückübertragungdigitaler Bildinformation auf den physischen Patientenkörper.

Allerdings interferiert die zusätzliche und bisher nicht zur Verfügung stehendeRepräsentationsebene aus Patientenkörper und überlagerter Bildinformation mitdem traditionell direkten und sowohl durch visuelle wie haptische Informationsge-winnung geprägten Zugang der ChirurgIn zum offenen Situs. Damit entfernen sichdie AkteurInnen tendenziell durch die Anwendung des Systems vom lebendigenKörper. Die Repräsentationsebene aus Patientenkörper und überlagerter Bildinfor-mation am Monitor, zusätzlich zu der Repräsentationsebene des physischen Körpersund der präoperativ generierten Bildmodalitäten, muss daher erfasst und auf diegegenwärtige Morphologie des Situs übertragen werden. Die gemeinsame Visuali-sierung virtuell konstruierter sowie physischer Körperstrukturen am Bildschirmtransformiert demzufolge die Beziehung zwischen OperateurIn und Operationsge-biet. Das Hinzufügen einer Darstellungsebene abseits des Operationssitus schaffteine Distanz zwischen dem Handelnden und dem Objekt der Handlung, welcheRaum für Reflexion und Korrekturen entstehen lässt. Letztendlich bleibt es trotzmannigfacher technischer Korrekturmöglichkeiten Aufgabe der OperateurInnen,etwaige Diskrepanzen zwischen der dargestellten Bildinformation und dem Opera-tionssitus auszugleichen (vgl. Kersten-Oertel et al. 2015a). Zunächst gilt es daher,Bilddaten mit dem erlernten Fachwissen über die Körperanatomie und -funktionabzugleichen, bevor Bildinformationen auf den Operationssitus übertragen werden.Virtualität beinhaltet im Rahmen von Mixed Reality Technologien wie dem disku-tierten Prototyp hiermit zwar eine Verortung digitaler Visualisierungen auf einerKörperoberfläche und folglich eine Annäherung an einen Patientenkörper. DieAnwendung der Information ist jedoch weiterhin von der Übertragung auf den

Virtuelle Chirurgie 13

lebendigen Patientenkörper abhängig und damit dem a priori Wissen der AkteurIn-nen unterworfen.

5 Head-Mounted Displays – Holografie und bildgestützteIntervention

Zunehmend versuchen avancierte Medientechnologien bildgestützte, intraoperativeInformationen bereitzustellen, die sich in den Blick- und Handlungsraum vonChirurgInnen integrieren. Transparente und mobile Bildschirme in Form vonHead-Mounted Displays stellen somit eine weitere Möglichkeit von Mixed RealityApplikationen dar, die erlauben, virtuell aufbereitete Informationen in das Blickfeldvon OperateurInnen zu projizieren (vgl. medientheoretisch zu mobilen DisplaysVerhoeff 2012). Rücken Visualisierungen in die Blickachse von OperateurInnen,prägen sie verstärkt den Zugang zum sowie die Interaktion mit dem physischenKörper der PatientInnen. Können Simulationen darüber hinaus durch das Tragen vonHead-Mounted Displays dynamisch zu Körperstrukturen in Bezug gesetzt werden,bergen sie das Vermögen, durch Ein- und Ausblenden von Informationen Hand-lungsentscheidungen selektiv an kritischen Stellen der Intervention zu lenken undfolglich den epistemisch-diagnostischen Möglichkeitsraum mit dem interventionel-len Handlungsraum auf Engste zu verzahnen.

Gleichwohl die Verschränkung von technischen Bildgebungsverfahren und phy-sischem Raum im Rahmen von Mixed and Augmented Reality Technologien aufmannigfache Weise vielversprechend erscheint (Kunkel und Soechtig 2017), befin-det sich die Anwendung von Head-Mounted Displays in der Medizin derzeit inexperimentellen Stadien und ist in der chirurgischen Praxis mit erheblichen Heraus-forderungen konfrontiert (Sauer et al. 2017). Der angestrebte klinische Einsatz vonGoogle Glass (Anonymus, o.A.a), Epson Smart Glass (Anonymus, o.A.b) oderMicrosoft HoloLens (Anonymus 2015a) als Varianten von Head-Mounted Displayszieht zudem eine Vielzahl an grundlegenden theoretischen und praktischen Impli-kationen nach sich. Insbesondere Fragen nach der Interaktion physischer Strukturenmit virtuell konstruierten Bilddaten oder vice versa stehen auf vielfältige Weise imFokus (vgl. etwa Behringer und Kastel 2016; Verdiani et al. 2016). Beispielsweiseziehen die Entwicklungen die Notwendigkeit nach sich, über Visualisierungen alseinen konstruierten Raum von gleichsam virtuellen und physischen Strukturennachzudenken, und kritisch zu hinterfragen, ob es sich bei dem Produkt der Kon-struktion, wie der Titel des Buches Mixed Reality: Merging Real and Virtual Worlds(Ohta und Tamura 2014) nahelegt, tatsächlich um eine Fusion von Möglichkeits-und Handlungsraum handelt. Und nicht zuletzt erscheint besonders hinsichtlichmedizinischer Anwendungen relevant, mit welchen Auswirkungen die Technolo-gien verwendet werden.

Speziell transparente Head-Mounted Displays dienen daher als ein interessantesBeispiel um Fragen der ‚Re-materialisierung‘ virtueller Information nachzugehensowie theoretisch-kritisch zu beleuchten, inwieweit Bildinformationen durch denBezug zu physischen Strukturen in der Blickachse von AkteurInnen vermehrt

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handlungswirksam werden. Transparente und mobile Bildschirme in Form vonMicrosoft HoloLens gewähren eine Durchsicht auf umgebende Strukturen undverfügen gleichsam über eine Projektionstechnologie zur Einblendung von hologra-fischen Simulationen im Raum (vgl. zu unterschiedlichen Typen von Head-MountedDisplays Friedman et al. 2016). Solcherart mobile Bildschirme sollen die Möglich-keit bieten, sich frei in Umgebungen zu bewegen und beliebig Simulationen insterilen Umgebungen mittels Gesten- oder Sprachsteuerung aufzurufen (O’Haraet al. 2014; Anonymus 2015a). Mit der variablen Positionierung holografischerOrgansimulationen im Raum ist beispielsweise die Vorstellung verbunden, virtuelleanatomische Strukturen beliebig in Relation zum Operationssitus zu rotieren unddem/der OperateurIn auf diese Weise eine optimale Sicht auf die konstruiertepatientenspezifische Anatomie zu gewähren (Sauer et al. 2017). Eine solch variablePositionierung von Bilddaten könnte folglich nicht nur die Handhabung digitalerBildinformation in chirurgischen Umgebungen, sondern auch durch die Anpassungder Visualisierung an den momentanen Operationssitus die Rückübertragung digi-taler Bildinformation auf den lebendigen Körper befördern. Die Rede von Mixedund Augmented Reality umfasst folglich eine raumzeitliche Situierung virtuellerBilddaten. Simulationen werden gezielt im Verlauf der Intervention positioniert,damit Hologramme in Bezug zu bestimmten Körperpartien ihre Wirkung entfalten.Die gegenseitige Abstimmung sowie Synchronisation von virtuellen Bilddaten,lebendigem Körper und Instrumentenführung wird besonders beim klinischen Ein-satz des Neuronavigationssystems von Scopis im Rahmen von Wirbelsäulenein-griffen deutlich. Dem/r ChirurgIn werden mittels transparentem Bildschirm derHoloLens (Abb. 5b) gezielt digitale Bilddaten in das Blickfeld projiziert (Abb. 5a).

So wird beispielsweise die Segmentlokalisation sowie die Relation zwischenchirurgischem Instrument und Wirbelkörper in Form von Winkelgraden auf demphysischen Patientenkörper eingeblendet. Dies macht eine an den Projektionenorientierte Führung der chirurgischen Instrumente potenziell möglich. Laut Herstel-lerangaben optimiert das System dadurch das Einbringen von Instrumenten wieSchrauben und Platten. „The planned positioning of the pedicle screws is projectedonto the surgeon’s field of view and overlaid exactly onto the patient, creating themixed reality experience. This allows the surgeon to find the screws’ plannedpositions faster and to align surgical instruments interactively with the holographicvisualization“ (Anonymus 2015b). Der Werbetext verdeutlicht, dass mit der Tech-nologie die Erwartung verbunden ist, durch sich graduell an die Position chirurgi-scher Instrumente anpassende holografische Bilddaten, das Operationsergebnis zuverbessern und die Dauer der Intervention zu verkürzen.

Auf epistemischer und bildästhetischer Ebene ist in diesem Rahmen besondersinteressant, dass die Projektionen der Segmentlokalisation und Winkelgraden erst inRelation zur Wirbelsäule, d. h. projiziert auf den Patientenkörper, ihren instruktivenCharakter entfalten. Die projizierten Bilddaten passen sich weiterhin automatisiert inReaktion auf Veränderungen der Instrumentenposition prozessual an, während derEinsatz der Schrauben und Platten sich idealiter wiederum an den eingeblendetenInformationen orientiert. Die Handlungswirksamkeit der Bilddaten erfordert folglichder Koordination von erkennendem Sehen und geschulter Handhabung der Instru-

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mente, um die Intervention erfolgreich orientiert an den holografischen Bilddatendurchzuführen. Dieses Vorgehen stellt weiterhin spezielle technische Anforderungenan das Tracking physischer Strukturen und die Positionierung von Hologrammen inEchtzeit. Das System stellt auch dahingehend besondere Anforderungen an diePräzision der derzeitigen Technologien, da die Ausrichtung der Schrauben undPlatten an den holografischen Bilddaten eine zeitnahe Auswirkung auf den lebendi-gen Körper des Patienten und dessen Stabilität hat. Zugleich zeigt das System durchdie permanente Interaktion von digitalen Bilddaten mit physischen Körpern undInstrumenten eine Möglichkeit auf, wie virtuelle und physische Strukturen adaptivund instruktiv aufeinander wirken, ohne miteinander in einem Raum zu verschmel-zen. Nichtsdestotrotz ist darauf hinzuweisen, dass der Gebrauch des Systems auchAnpassungskosten nach sich zieht. Schließlich erleichtert die holografische Projek-tion von Bilddaten nicht nur die Übertragung von digitaler Information auf denspezifischen Patientenkörper, sondern sie fordert auch Sehgewohnheiten heraus(Queisner 2016). Da sich durch die Interaktion virtueller und physischer Ebenenim Blickfeld die Gesamtheit des Wahrgenommenen verändert, trifft der ‚am Objekt‘geschulte Blick der OperateurInnen durch die Anwendung von Head-MountedDisplays auf eine technologisch veränderte Umgebung. Dies erfordert sowohl einneues praktisches Wissen im Umgang mit Medientechnologien und deren Schnitt-stellen als auch die situative Abstimmung von erlerntem anatomischen und radiolo-gischen Wissen mit den vorrangig von IngenieurInnen und GestalterInnen entwi-ckelten Körper- und Bildwelten, die Augmented und Mixed Reality Technologienzur Verfügung stellen (Mackenzie 2013). Die Kompetenz zur Abwägung, welchezusätzliche Bild- und Rauminformation bei welchem Operationsschritt sinnvollerscheint, bedarf ebenso eines gleichsam theoretischen wie praktischen Lernprozes-ses (Borck 2012; Mentis et al. 2014).

Abb. 5 a-b Dispositiv der intraoperativen Anwendung des Neuronavigationssystems von Scopis.Zu sehen sind die HoloLens als einer Variante von Head-Mounted Displays (rechts) sowie eineingeblendetes Hologramm mit der Segmentlokalisation und dem Winkelgrad (links). Der Winkel-grad ändert sich abhängig von der Relation der chirurgischen Instrumente zum Patientenkörper(Scopis GmbH 2017)

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6 Fazit

Die Fallstudien zu virtueller Diagnostik, Planung und intraoperativer Kontrolle inder Chirurgie machen auf drei grundlegende theoretische wie praktische Problem-stellungen aufmerksam, die sich in den unterschiedlichen Schichtungen und Bezug-nahmen von Virtualität und Physikalität innerhalb medientechnologischer Disposi-tive zeigen.

Eine grundsätzliche Problematik deutet bereits die Begriffskonstruktion virtuelleChirurgie selbst an. Visualisierungen, Softwareanwendungen und mobile Displaysstellen im Bereich der virtuellen Chirurgie bzw. image-guided surgery, die maßgeb-liche Schnittstelle zwischen ChirurgInnen und PatientInnen dar. Das traditionellschneidende Handwerk – eine verkörperte, erfahrungsbezogene Praktik – verlagertsich in virtuelle Denk- und Handlungsräume. So operiert eine virtuelle Chirurgiezunächst nicht vorrangig an physischen Körpern sondern an Datensätzen, Visuali-sierungen und medialen Schnittstellen. Dies fordert nicht nur ein neues Bildhand-lungswissen heraus, sondern auch die Gestaltung von Visualisierungsstrategien undSchnittstellen, die sowohl chirurgisch erfahrbar wie auch physisch anwendbar sind.

Weiterhin erfordert die Eigenaktivität des lebendigen Patientenkörpers, die gleich-zeitig ‚Datenquelle‘ und Handlungsobjekt ist, technische Lösungen, die sich adaptivund präzise an die Dynamik anpassen. Epistemologisch betrachtet ist ein normativesWissen nicht mehr ausreichend, sondern muss handlungsbezogene und prognostischeAnteile einschließen, wie etwa in der virtuellen Planung und bei der Anwendung vonMixed Reality Technologien deutlich wird. Zudem muss sich das chirurgisch-medizinische Wissen und Handeln von Körpern auf Medientechnologien und derenBedingungen und Potenziale ausdehnen, um operativ sinnvolle Entscheidungen tref-fen zu können. Theoretisch-analytisch werden Bild- und Medienkritik durch dieProzesshaftigkeit und Relationalität virtuell-chirurgischer Technologien herausgefor-dert. Wo sich die Bezugnahmen von virtuellen und physischen Instanzen beständiganwendungsbezogen und interventionell neu justieren, muss auch die Theoriebildungein flexibles, aber dennoch aussagekräftiges Instrumentarium entwickeln.

Und schließlich ist abzusehen, dass Weiterentwicklungen und vermehrte Anwen-dungen im Feld virtueller Chirurgie oder image-guided surgery sozio-politische undethische Debatten nach sich ziehen müssen.

7 Figure Credentials

Abb. 1a: Screenshot virtuelle Koloskopie aus CT-Scan, Phanie/Alamy Stock Fotob: Standfoto Videokoloskopie, iStock.com/selvanegra

Abb. 2 Planungssoftware für CyberKnife System. Vlachopoulou et al. 2011, Abbil-dung zur Verfügung gestellt und Abdruck mit freundlicher Genehmigung vonVasiliki Vlachopoulou

Abb. 3 Augmented Reality Anwendung. Abbildung zur Verfügung gestellt undAbdruck mit freundlicher Genehmigung von Marta Kersten-Oertel in Anlehnungan die Abbildung aus Kersten-Oertel et al. 2015a, 1826

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Abb. 4 Intraoperatives Dispositiv. Abbildung zur Verfügung gestellt und Abdruckmit freundlicher Genehmigung von Marta Kersten-Oertel in Anlehnung an dieAbbildung aus Kersten-Oertel et al. 2015a, 1834

Abb. 5a: Intraoperative Anwendung des Neuronavigationssystems von Scopis mitHologramm. Abbildung zur Verfügung gestellt und Abdruck mit freundlicherGenehmigung von Scopis GmbH 2017b: Intraoperative Anwendung des Neuronavigationssystems von Scopis mit Ho-loLens. Abbildung zur Verfügung gestellt und Abdruck mit freundlicher Geneh-migung von Scopis GmbH 2017

Literatur

Anonymus. 2015a. Microsoft HoloLens. https://www.wearvision.de/microsoft-hololens. Zugegrif-fen am 20.10.2017.

Anonymus. 2015b. Scopis introduces the first mixed-reality surgical holographic navigation plat-form integrating Microsoft HoloLens for open and minimally-invasive spine surgery. https://navigation.scopis.com/news/holopressreleaseone. Zugegriffen am 20.10.2017.

Anonymus. o.A.a Complex Assembly, Done Faster. https://www.x.company/glass. Zugegriffen am20.10.2017.

Anonymus. o.A.b Erleben Sie die Welt mit anderen Augen. https://www.epson.de/products/see-through-mobile-viewer/moverio-bt-300. Zugegriffen am 20.10.2017.

Beaulieu, Christopher F., David S. Paik, Sandy Napel, und R. B. Jeffrey. 2003. Advanced 3Ddisplay methods. In Atlas of virtual colonoscopy, Hrsg. A. Dachman, 37–44. Berlin/New York:Springer.

Behringer, Reinhold, und Thiemo Kastel. 2016. Augmented reality in cultural context. In Kulturund Informatik: Augmented Reality, 197–206 (9). Berlin: Verlag Werner Huelsbusch.

Borck, Cornelius. 2012. Das Paradox der Vertrauenskrise. Eine kleine Epistemologie von Wissenund Können in der Medizin. In Nach Feierabend 2012. Gesundheit, Hrsg. D. Gugerli,M. Hagner, C. Hirschi, A.B.. Kilcher, P. Purtschert, P. Sarasin und J. Tanner, 65–84. Berlin:Diaphanes.

Caetano da Rosa, Catarina. 2013. Operationsroboter in Aktion. Kontroverse Innovationen in derMedizintechnik. Bielefeld: Transcript.

Curtis, Scott. 2004. Still/moving. Digital imaging and medical hermeneutics. In Memory bytes:history, technology, and culture, Hrsg. L. Rabinovitz und A. Geil, 218–254. Durham: DukeUniversity Press.

Friedman, Michael, Kathrin Friedrich, Moritz Queisner, und Christian Stein. 2016. Editorialintroduction. conceptualizing screen practices: How head-mounted displays transform actionand perception. MediaTropes eJournal VI(1): i-v.

Friedrich, Kathrin. 2012. ‚Sehkollektiv‘- Sight styles in diagnostic computed tomography. InMedical imaging and philosophy. Challenges, reflections and actions, Hrsg. H. Fangerau,R. K. Chem, I. Müller und S.-C. Wang, 163–179. Stuttgart: Franz Steiner.

Gerard, Ian, Marta Kersten-Oertel, Simon Drouin, Jeffery Hall, Kevin Petrecca, Dante De Nigris,Daniel A. Di Giovanni, Tal Arbel, und Louis Collins. 2018. Combining intraoperative ultra-sound brain shift correction and augmented reality visualizations: A pilot study of eight cases.Journal of Medical Imaging 5(1). https://doi.org/10.1117/1.JMI.5.2.021210.

Giller, C. A., J. A. Fiedler, G. J. Gagnon, und I. Paddick. 2009. Radiosurgical planning: Gammatricks and cyber picks. Hoboken: Wiley-Blackwell.

Gramelsberger, Gabriele. 2010. Computerexperimente, Wandel der Wissenschaft im Zeitalter desComputers. Bielefeld: transcript.

18 K. Friedrich und S. Diner

Gugerli, David. 2002. Der fliegende Chirurg. Kontexte, Problemlagen und Vorbilder der virtuellenEndoskopie. In Ganz normale Bilder. Historische Beiträge zur visuellen Herstellung von Selbst-verständlichkeiten, Hrsg. D. Gugerli und B. Orland, 251–270. Zürich: Chronos.

Haidegger, Tamas, Zoltán Benyó, und P. Kazanzides. 2009. Manufacturing the human body – theera of surgical robots. Journal of Machine Manufacturing XLIX(E2): 24–32.

Hamacher, Alaric, J. Kim Su, Sung T. Cho, Sunil Pardeshi, Seung H. Lee, Sung-Jong Eun, und TaegK. Whangbo. 2016. Application of virtual, augmented, and mixed reality to urology. Internatio-nal Neurourol Journal 20(3): 172–181.

Harris, Gordon J. 2006. Three-dimensional imaging in radiology. In PACS. A guideto the digitalrevolution, Hrsg. K. J. Dreyer, D. S. Hirschorn, J. H. Thrall und A. Mehta, 447–465. New York:Springer.

Heßler, Martina, und Dieter Mersch, Hrsg. 2009. Logik des Bildlichen. Zur Kritik der ikonischenVernunft. Bielefeld: transcript.

Hinterwaldner, Inge. 2013. Programmierte Operativität und operative Bildlichkeit. In Die Kunst derSystemik, Hrsg. R. Mikuláš, S. Moser und K. S. Wozonig, 77–108. Münster: Lit.

Hirschauer, Stefan. 1991. The manufacture of bodies in surgery. Social Studies of Science 21:279–319.

Hoc, Jean-Michel. 2000. From human-machine interaction to human-machine cooperation. Ergo-nomics 43(7): 833–843.

Hoel, Aud S., und Frank Lindseth. 2014. Differential interventions: Images as operative tools. InThe new everyday, cluster „Operative Images“, Hrsg. Ingrid Hoelzl. Februar/März 2014. http://mediacommons.futureofthebook.org/tne/. Zugegriffen am 27.08.2017.

Joyce, Kelly. 2005. Appealing images. Magnetic resonance imaging and the production of autho-ritative knowledge. Social Studies of Science 35(3): 437–462.

Kalender, Willi A. 2006. Computertomografie. Grundlagen, Gerätetechnologie, Bildqualität,Anwendungen. Erlangen: Publicis.

Kersten-Oertel, Marta,Ian Gerard, Simon Drouin, K. Mok, D. Sirhan, D. S. Sinclair, und D. L.Collins. 2015a. Augmented reality in neurovascular surgery: Feasibility and first uses in theoperating room. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. https://doi.org/10.1007/s11548-015-1163-8.

Kersten-Oertel, Marta, Simon Drouin, K. Mok, und Louis Collins. 2015b. Augmented reality forspecific neurovascular tasks. Conference Paper October 2015. https://doi.org/10.1007/978-3-319-24601-7_10.

Khor Wee S., Benjamin Baker, Kavit Amin, Adrian Chan, Ketan Patel, und Jason Wong. 2016.Augmented and virtual reality in surgery – The digital surgical environment: Applications,limitations and legal pitfalls. Annals of Translational Medicine. https://doi.org/10.21037/atm.2016.12.23.

Kipman, Alex. 2017. The era of windows mixed reality begins October 17. https://blogs.windows.com/windowsexperience/2017/10/03/the-era-of-windows-mixed-reality-begins-october-17.Zugegriffen am 20.10.2017.

Krämer, Sybille. 2011. Simulation und Erkenntnis. Über die Rolle computergenerierter Simulatio-nen in den Wissenschaften. Nova Acta Leopoldina 110(377): 303–322.

Kunkel, Nelson, und Steve Soechtig. 2017. Mixed reality. Experiences get more intuitive, immer-sive, and empowering, 48–63. Deloitte University Press. https://www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/uk/Documents/technology/deloitte-uk-tech-trends-2017-mixed-reality.pdf. Zuge-griffen am 20.10.2017.

Leksell, Lars. 1971. Stereotaxis and radiosurgery. An operative system. Springfield: CharlesC. Thomas.

Lenoir, Timothy, und Sha W. Xin. 2002. Authorship and surgery: The shifting ontology of thevirtual surgeon. In From energy to information: Representation in science, art, and literature,Hrsg. Linda Henderson und Bruce Clarke, 283–308. Stanford: Stanford University Press.

Mackenzie, Adrian. 2013. Programming subjects in the regime of anticipation: Software studies andsubjectivity. Subjectivity 6:391. https://doi.org/10.1057/sub.2013.12.

Virtuelle Chirurgie 19

Mehler-Bicher, Anett, Michael Reiß, und Lothar Steiger. 2011. Augmented reality. Theorie undPraxis. München: Oldenbourg.

Mentis, Helena, Amine Chellali, und Steven D. Schwaitzberg. 2014. Learning to see the body:Supporting instructional practices in laparoscopic surgical procedures. In ACM CHI Conferenceon Human Factors in Computing Systems (CHI 2014), Apr 2014, 2113–2122. Toronto.

Milgram, Paul, und Herman Colquhoun. 1999. A taxonomy of real and virtual world displayintegration. Mixed Reality: Merging Real and Virtual Worlds 1:1–26.

O’Hara, Kenton, et al. 2014. Touchless interaction in surgery. Communications of the ACM 57(1):70–77.

Ohta, Yuichi, und Hideyuki Tamura. 2014. Mixed reality: Merging real and virtual worlds. Berlin:Springer.

Pantenburg, Volker. 2016. Working images: Harun Farocki and the operational image. In Imageoperations. Visual media and political conflict, Hrsg. Jens Eder und Charlotte Klonk, Bd. 2017,49–62. Manchester: Manchester University Press.

Queisner, Moritz. 2016. Medical screen operations: How head-mounted displays transform actionand perception in surgical practice. MediaTropes eJournal VI(1): 30–51.

Randell, Rebecca, Joanne Greenhalgh, Jon Hindmarsh, Dawn Dowding, David Jayne, Alan Pear-man, Peter Gardner, Julie Croft, und Alwyn Kotze. 2014. Integration of robotic surgery intoroutine practice and impacts on communication, collaboration, and decision making: A realistprocess evaluation protocol, implementation science. https://doi.org/10.1186/1748-5908-9-52.

Reichle, Ingeborg, Steffen Siegel, und Achim Spelten, Hrsg. 2008. Die Wirklichkeit visuellerModelle. In Visuelle Modelle, 9–17. München: Fink.

Riskin, Daniel J., et al. 2006. Innovation in surgery, a historical perspective. Annals of Surgery244(5): 686–693.

Riva, Giuseppe. 2014. Medical clinical uses of virtual worlds. In The Oxford Handbook ofvirtuality, Hrsg. M. Grimshaw, 649–665. Oxford: Oxford University Press.

Robb, Richard A. 2000. Virtual endoscopy. development and evaluation using the visible humandatasets. Computerized Medical Imaging and Graphics 24:133–151.

Sauer, Igor M., Moritz Queisner, Peter Tang, Simon Moosburner, Ole Hoepfner, Rosa Horner,Rüdiger Lohmann, und Johann Pratschke. 2017. Mixed reality in visceral surgery: Developmentof a suitable workflow and evaluation of intraoperative use-cases. Annals of Surgery 266(5):706–712.

Schlich, Thomas. 2007. Surgery, science and modernity. Operating rooms and laboratories asspaces of control. History of Science 45:231–256.

Schraffenberger, Hanna, und Edwin Van der Heide. 2014. Everything augmented: On the real inaugmented reality. Journal of Science and Technology of the Arts 6(1): 17–29.

Schubert, Cornelius. 2006. Die Praxis der Apparatemedizin: Ärzte und Technik im Operationssaal.Frankfurt/New York: Campus.

Siddharth, Vijaydeep, Sunil Kant, R. Chandrashekhar, und Shakti K. Gupta. 2014. Planningpremises and design considerations for hybrid operating room. International Journal Founda-tion Hospital Health Care Administration 2(1): 50–56.

Suchman, Lucy, und Jutta Weber. 2016. Human–machine autonomies. In Autonomous weaponssystems: Law, ethics, policy, Hrsg. N. Bhuta, S. Beck, R. Geiβ, H. Liu und C. Kreβ, 75–102.Cambridge: Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/CBO9781316597873.004.

Van Dijck, José. 2005. The transparent body. A cultural analysis of medical imaging. Washington:University of Washington Press.

Van Wynsberghe, Aimee, und Chris Gastmans. 2008. Telesurgery: An ethical appraisal. Journal ofMedical Ethics 34:e22.

Verdiani, Giorgio, Mirco Pucci, und Carlo Cira. 2016. A special eyesight to a lost past: Oculus Rift,google cardboard and sketchFab to support the digital reconstruction of the St. Donato Cathedralin Arezzo, Italy. In Kultur und Informatik: Augmented Reality, 98–10. Berlin: Verlag WernerHuelsbusch.

20 K. Friedrich und S. Diner

Verhoeff, Nanna. 2012. Mobile screens. The visual regime of navigation. Amsterdam: AmsterdamUP.

Vlachopoulou, Vassiliki, Christos Antypas, Harry Delis, Argyrios Tzouras, Nikolaos Salvaras,Dimitrios Kardamakis, und George Panayiotakis. 2011. Peripheral doses in patients undergoingcyberknife treatment for intracranial lesions. A single centre experience. Radiation Oncology6:157. https://doi.org/10.1186/1748-717X-6-157.

Yee, Judy, Kathryn J. Keysor, und David H. Kim. 2013. The time has arrived for nationalreimbursement of screening CT colonography. AJR 201(1): 73–79.

Virtuelle Chirurgie 21