Wie erweiterte Realität die Orthopädie transformiert

Virtuelle, erweiterte und gemischte Realität gestalten das orthopädische Training, die Chirurgie und Rehabilitation neu.

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In einer kürzlich in KSSTA veröffentlichten Studie zeigten die Autoren, dass XR-Technologien das orthopädische Training, die intraoperative Präzision und die Rehabilitationsergebnisse erheblich verbessern.

XR-Technologien im Gesundheitswesen und in der Orthopädie

Im Gesundheitswesen verändern XR-Technologien die Art und Weise, wie die medizinische Praxis funktioniert, indem sie virtuelle und reale Umgebungen verbinden, die medizinische Ausbildung neu gestalten, die Verfahrenspräzision verbessern und die Patientenversorgung optimieren. Beispielsweise haben sich VR-Simulatoren als effektiv erwiesen, um Kliniker bei der Entwicklung chirurgischer Fähigkeiten zu unterstützen und gleichzeitig Risiken im Zusammenhang mit frühen praktischen klinischen Erfahrungen zu reduzieren und die Notwendigkeit einer Ausbildung an Leichen zu eliminieren.

Insbesondere in der orthopädischen Chirurgie verbessern AR-Navigationssysteme die Verfahrensgenauigkeit bei Totalendoprothesen von Knie und Hüfte durch bessere Komponenten-Ausrichtung und Reduzierung von intraoperativen Fehlern, was zu verbesserten langfristigen Patientenergebnissen führen kann.

Digitale Zwillinge und KI in der Orthopädie

Unter diesen Fortschritten erscheint die digitale Zwillingstechnologie als innovative Anwendung von XR in der Orthopädie, die personalisierte chirurgische Planung, Echtzeit-Rehabilitationsüberwachung und prädiktive Modellierung muskuloskelettaler Erkrankungen durch die Kombination mehrerer Datenquellen mit computergestützten Simulationen ermöglicht.

Neben diesen XR-Entwicklungen prägen große Sprachmodelle wie ChatGPT und aufkommende multimodale KI-Systeme wie DeepSeek die orthopädische Forschung, indem sie den Zugang zur medizinischen Sprache verbessern, die Manuskripterstellung vereinfachen und innovative Werkzeuge für klinische Entscheidungsfindung und Literaturrecherche bereitstellen.

Die Integration von KI in XR-Plattformen hat das Potenzial, die orthopädische Chirurgie weiter zu verbessern, indem personalisierte Vorhersagen ermöglicht und die chirurgische Ausbildung unterstützt wird.

XR in der Sporttraumatologie und Arthroskopie

Im Bereich der Sporttraumatologie und arthroskopischen Chirurgie bieten XR-Technologien klare und klinisch bedeutsame Vorteile.

VR-basierte Arthroskopie-Simulatoren ermöglichen es Auszubildenden, Schulter- und Knieverfahren wiederholt in sicheren, kontrollierten Umgebungen zu üben, wodurch die Fähigkeitsentwicklung beschleunigt und Risiken reduziert werden.

Während der Operation kann die AR-gestützte Navigation die Tunnelplatzierung bei ACL-Rekonstruktionen verbessern, den Einsatz von Durchleuchtung während Multiligamentreparaturen verringern und die Visualisierung bei komplexen Schulteroperationen verbessern.

Nach der Operation fördern virtuelle und AR-basierte Rehabilitationswerkzeuge die Patientenadhärenz, ermöglichen Fernüberwachung und unterstützen effizientere Entscheidungen hinsichtlich der Rückkehr zur Sportfähigkeit.

Umfang und Ziele der Übersicht

Diese Übersicht bietet eine klinikerorientierte Perspektive darauf, wie die Integration von XR die Verfahrensresultate, Patientensicherheit und Zugänglichkeit in der orthopädischen Versorgung verbessern kann. Sie konzentriert sich auf drei Säulen:

Orthopädische chirurgische Ausbildung mit immersiven Technologien

Die Idee, VR-basierte Simulatoren für das chirurgische Training zu verwenden, entstand aus der Beobachtung, dass Chirurgen mit Videospielerfahrung sich schneller an Aufgaben mit indirekter Visualisierung und präziser motorischer Koordination anpassen, insbesondere bei arthroskopischen und laparoskopischen Eingriffen.

VR-Simulatoren bieten Auszubildenden die Möglichkeit, eine breite Palette von Fähigkeiten zu üben - von anatomischen Präparationen bis hin zu komplexen Operationen wie Arthroskopie, Frakturversorgung und Endoprothetik - in sicheren, kontrollierten und risikofreien Umgebungen.

Arten und Vorteile von VR-Simulatoren

Bildschirmbasierte VR-Simulatoren
Diese Systeme kombinieren physische Modelle, haptisches Feedback und hochauflösende Bildschirme. Sie verwenden typischerweise getrackte Instrumente, sind aber nicht auf VR-Headsets angewiesen.

Voll immersiven headset-basierte VR-Simulatoren
Diese verwenden VR-Headsets und Handcontroller, um eine vollständig virtuelle Trainingsumgebung zu schaffen.

AR und MR in der chirurgischen Ausbildung

Source: Aksoy ME, Kocaoglu B, Izzetoglu K, Agrali A, Yoner SI, Polat MD, et al. Assessment of learning in simulator-based arthroscopy training with the diagnostic arthroscopy skill score (DASS) and neurophysiological measures. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2023; 31: 5332–5345.

AR und MR benötigen spezialisierte Geräte, um virtuelle Komponenten in reale Umgebungen zu integrieren, darunter Positions-Tracker und Head-Mounted Displays. Diese Geräte ermöglichen intraoperative Bildgebung, Datenüberwachung und chirurgische Ausbildung, trotz Einschränkungen wie niedriger Pass-Through-Auflösung. AR verbessert die Beteiligung der Auszubildenden, bietet Echtzeit-Feedback und ermöglicht freihändige Anleitung und Fernmentoring.

Potenzial des Metaverse in der chirurgischen Ausbildung

Das sogenannte Metaverse bietet Vorteile wie eine gesteigerte Studentenbindung, sichere Entscheidungsumgebungen, Gamification und Blockchain-Verifizierung. Zukünftiges virtuelles Training könnte sich zu hochrealistischen und komplexen Simulationen entwickeln und potenziell integraler Bestandteil der orthopädischen Lehrpläne werden. Herausforderungen sind digitale Zugangsdisparitäten, hohe Gerätepreise und Plattformfragmentierung.

Anwendungen in der orthopädischen Chirurgie

Source: Aksoy ME, Kocaoglu B, Izzetoglu K, Agrali A, Yoner SI, Polat MD, et al. Assessment of learning in simulator-based arthroscopy training with the diagnostic arthroscopy skill score (DASS) and neurophysiological measures. Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc. 2023; 31: 5332–5345.

VR und AR haben die präoperative Planung, intraoperative Navigation und postoperative Rehabilitation revolutioniert. VR verbessert die chirurgische Präzision und Planung, während AR die intraoperative Führung, Implantatplatzierung und Visualisierung verbessert.

Die folgende Tabelle fasst wichtige Anwendungen in verschiedenen chirurgischen Phasen zusammen und zeigt den eindeutigen klinischen Wert von XR-Technologien bei Frakturfixation, Arthroskopie und Endoprothetik.

Integration von KI mit XR in der Chirurgie

In Kombination mit KI und VR/AR können XR-Technologien adaptive Lösungen für die chirurgische Planung und Entscheidungsfindung bieten, das Training unterstützen und die Erfahrungslücke zwischen Anfänger- und erfahrenen Chirurgen überbrücken. Herausforderungen umfassen ethische Bedenken bezüglich Patientendaten und begrenzte KI-Leistung in seltenen oder datenarmen Situationen.

XR in der muskuloskelettalen Rehabilitation

XR-basierte Rehabilitation erweitert die Versorgung über klinische Einrichtungen hinaus durch Telemedizin und tragbare Geräte wie IMUs, die eine kontinuierliche Überwachung der Gelenkbewegung und des Gangs ermöglichen. VR bietet vollständig immersive Umgebungen, während AR virtuelle Anleitungen auf reale Übungen überlagert. Studien zeigen verbesserte Compliance, funktionelle Erholung, Schmerzlinderung und eine Wirksamkeit, die mit der Präsenz-Physiotherapie vergleichbar ist.

Zukünftige Richtungen und Forschungsbedarf in der Rehabilitation

XR-Rehabilitation wird auch bei chronischen Erkrankungen, akuter Schmerzbehandlung und Phantomschmerz eingesetzt. Mit der Ausweitung der XR-Anwendungen sollte die zukünftige Forschung Protokolle optimieren, Interventionen anpassen und langfristige Ergebnisse bewerten, um die klinische Wirksamkeit in der routinemäßigen orthopädischen Praxis zu etablieren.

Hin zu personalisierter und prädiktiver orthopädischer Versorgung

XR-Technologien werden integraler Bestandteil der orthopädischen Praxis und überbrücken die Lücke zwischen Ausbildung, Chirurgie und Rehabilitation. VR-Simulatoren beschleunigen die Fähigkeitsentwicklung in sicheren Umgebungen, AR und MR verbessern die intraoperative Präzision, und XR-basierte Rehabilitationswerkzeuge erweitern die Versorgung über die Klinik hinaus. Mit dem zusätzlichen Potenzial der Integration von KI und digitalen Zwillingen versprechen diese Technologien eine personalisierte, prädiktive und effiziente orthopädische Versorgung.