Virtuell trainieren, Leben retten

Würzburg. Magenblutungen sind ein häufiger und potenziell lebensbedrohlicher Notfall. Sie erfordern eine schnelle und sehr präzise Behandlung mittels Endoskopie. Da eine praktische Ausbildung unter direkter Anleitung nur begrenzt möglich ist und oft auf lebende Tiermodelle beschränkt bleibt, bietet das Universitätsklinikum Würzburg (UKW) mit dem Virtual Reality (VR)-Simulator OPTESK nun eine offen zugängliche Alternative zum Training am Tier, unter dem Leitgedanken des 3R-Prinzips (Replace, Reduce, Refine; auf deutsch: Vermeiden, Verringern, Verbessern). Die Evaluation des Trainingssimulator zur Behandlung von Magenblutungen wurden im Journal Bioelectronic Medicine veröffentlicht.

Medizinisches Wissen trifft auf technische Expertise

OPTESK steht für „Offene Plattform zur tiermaterialfreien endoskopischen Simulation und Komplikationsmanagement“. Das System wurde von der Interdisziplinären Arbeitsgruppe InExEn unter der Leitung des Gastroenterologen Prof. Dr. Alexander Hann entwickelt und besteht aus einer Kombination herkömmlicher Endoskope, handelsüblicher Virtual Reality-Brillen und der eigens entwickelten OPTESK-Hardware.

Neben Hann vertritt Jana Theile die medizinische Perspektive in der Arbeitsgruppe. Die Aufgabe der technikbegeisterten Ärztin bestand im Projekt OPTESK vor allem darin, die Anforderungen an den VR-Simulator sowie das medizinische Verständnis an ihre Kolleginnen und Kollegen zu vermitteln. Zum Team OPTESK zählen außerdem die Game Developerin Annika Köhler sowie die Ingenieure Irshath Ali Syed und Joel Troya. Kontinuierlich begleitet wurde das Vorhaben von Dr. Stavros Dimitriadis, Gastroenterologe in Thessaloniki, der seine langjährige klinische Erfahrung sowie seine Expertise im Bereich Simulatoren und Endoskopie Training in das Projekt einbrachte. Erst durch das Zusammenspiel dieser unterschiedlichen Fachkenntnisse wurde OPTESK Wirklichkeit.

Vom CT-Bild zum virtuellen Magen

Zunächst einmal galt es, ein realistisches virtuelles Magenmodell zu gestalten, mit dem die Nutzerinnen und Nutzer interagieren können. Hier kam die Bildgebung von Jan-Peter Grunz ins Spiel, Professor für Muskuloskelettale Radiologie am UKW: „Die Computertomographie ermöglicht es uns, auch komplexe dreidimensionale Strukturen mit hoher räumlicher Auflösung darzustellen. Bei OPTESK konnten wir diese Technologie einmal ganz anders einsetzen als in der klinischen Diagnostik, nämlich als Grundlage für die Entwicklung einer virtuellen Trainingsumgebung.“ Die hochauflösenden Photon-Counting-CT-Untersuchungen von speziellen Phantomen bildeten für Annika Köhler die Grundlage für 3D-Modellierungen des oberen Magen-Darm-Traktes. Neben dem gastrointestinalen Trakt gestaltete die Game Developerin Läsionen, also Veränderungen der normalen Magenwand mit assoziierten Blutungen, sowie medizinische Instrumente wie das Endoskop und weitere Werkzeuge. Bei der Entwicklung der simulierten Interaktionen, beispielsweise der Rotation und der Vorschub- und Rückzugsbewegung des Endoskops, wurde sie von Irshath Ali Syed unterstützt. Der Ingenieur widmete sich im Projekt der anspruchsvollen Aufgabe der sensorbasierten Erfassung von Bewegungen und Position des Endoskops.

Jan Peter Grunz: „Besonders spannend finde ich, wie hier medizinische Bildgebung, Ingenieurwissenschaften und Softwareentwicklung zusammenkommen, um neue Möglichkeiten für eine realitätsnahe und zugleich tiermaterialfreie medizinische Ausbildung zu schaffen.“

Eine virtuelle Welt, die den Ernstfall simuliert

Jana Theile evaluierte während der Entwicklung fortwährend die Realitätsnähe und Anwendung des Simulators. Noch heute ist sie begeistert von dem Prozess, wie aus den allerersten 3D-Modellen durch kontinuierlich neue kreative Ideen für Software und Hardware ein realistisches Magenmodell entstand, mit dem man interagieren kann. Die Entwicklung einer solchen Simulation sei ein iterativer Prozess, so Köhler, bei dem die Anwendung regelmäßig getestet und anschließend weiter optimiert werden müsse.

Annika Köhler: „VR ermöglicht ein realistisches, tierfreies, individuelles und beliebig ausbaufähiges Training. Das Besondere daran ist, dass sich realistische Behandlungssituationen in einer sicheren, dreidimensionalen Trainingsumgebung erleben lassen. Dabei geht es vor allem darum, die Anwendung so zu gestalten, dass die Nutzenden Spaß am Training haben und motiviert sind, ihre Fähigkeiten kontinuierlich zu verbessern.“

Annika Köhler schuf in der virtuellen Welt einen Endoskopieraum, der das Gefühl vermittelt, sich in einer realen Situation zu befinden, in der es gilt, eine Blutung endoskopisch zu stillen. Durch das Einbinden von zusätzlichen auditiven und visuellen Reizen können die Nutzenden bereits während des Trainings Stressfaktoren ausgesetzt werden, um auch den Umgang mit solchen Situationen zu üben.

Die perfekte Balance zwischen den Fähigkeiten der Nutzenden und dem Schwierigkeitsgrad der Trainingsszenarien herzustellen, war dabei essenziell. Das Szenario muss anspruchsvoll empfunden werden, ohne Frustration auszulösen.

Mit echten Instrumenten virtuell trainieren

Das Besondere an dem Projekt ist, dass ein herkömmliches Endoskop zum Einsatz kommt, wie es in der klinischen Routine verwendet wird. Dadurch wirkt die Untersuchung noch realistischer. „Allein das Steuern der Untersuchung mit einem realen Werkzeug wie dem Endoskop erzielt einen Lerneffekt“, bestätigt Jana Theile. Der Simulator umfasst zwei Szenarien: die Behandlung einer nicht blutenden Angiodysplasie (krankhafte Erweiterung von Blutgefäßen) mittels Argon-Plasma-Koagulation (APC) und die Behandlung einer blutenden Angiodysplasie, beginnend mit der Injektion von Adrenalin und anschließender APC-Therapie.

Die Verbindung des echten Endoskops mit der virtuellen Trainingsumgebung war für den Doktoranden Irshath Ali Syed eine echte Herausforderung. Der Hardware Engineer entwickelte zunächst einen einzelnen Bewegungssensor, der sowohl die Drehung als auch die Biegung des Endoskops erfasste. „Dabei stellten wir fest, dass die Drehbewegung mit der Zeit nicht mehr zuverlässig erfasst wurde. Deshalb haben wir das System von Grund auf neu gedacht“, sagt Syed. In der zweiten Generation hat jetzt jede Bewegung einen eigenen Sensor. Diese Aufteilung macht die Bewegungserfassung gezielter und das gesamte System modularer. Die Leistung dieses Systems und die Verbindung mit der VR-Simulation wurden in einer ersten Studie evaluiert.

Irshath Ali Syed: „Die Ergebnisse dieser Studie mit dem weiterentwickelten Prototypen zu sehen, war für mich ein ganz besonderer Moment. Die Teilnehmenden führten das Endoskop wie bei einem echten Eingriff – und unser Tracking folgte ihren Bewegungen. Das hat mir gezeigt, dass wir auf dem richtigen Weg sind. Ich bin überzeugt, dass OPTESK verändern kann, wie Endoskopie erlernt wird: Junge Ärztinnen und Ärzte können mit einem echten Instrument sicher und so oft sie möchten üben, bevor sie zum ersten Mal einen Patienten behandeln. Wenn wir damit zugleich den Bedarf an tierbasiertem Training verringern können, wäre das ein großer Schritt nach vorn.“

Positive Rückmeldungen und erste Studienergebnisse

Bereits erste Nutzerstudien mit Endoskopierenden unterschiedlicher Erfahrungsstufen nach rund eineinhalb Jahren lieferten sehr positives Feedback. Die Teilnehmenden bewerteten die realitätsnahe Umsetzung des Notfallszenarios positiv und zeigten großes Interesse am Simulator.

Jana Theile: „Wir sehen anhand der Rückmeldung unserer Zielgruppe, der Endoskopierenden, dass dieses Projekt großes Potenzial für eine realitätsnähere Aus- und Weiterbildung junger Ärztinnen und Ärzte hat und bereits jetzt sehr guten Anklang findet.“

Die Studie bestätigt den positiven Eindruck, den das Team bei Präsentationen auf Messen und Kongressen gewonnen hat. An der Studie nahmen 44 Teilnehmende aus über 20 Zentren teil. Ihre Aufgabe war es, die nicht blutende und blutende Angiodysplasien zu behandeln. Die blutende Angiodyplasie haben 97,4 Prozent der Teilnehmenden erfolgreich gestillt. Erfahrene Endoskopierende behandelten die Blutung dabei schneller als Teilnehmende mit weniger Erfahrung. Dies deutet darauf hin, dass der Simulator Unterschiede im Erfahrungsstand abbilden kann.

Der Simulator wurde hinsichtlich seiner Nutzerfreundlichkeit positiv bewertet und erreichte moderate bis niedrige NASA-TLX-Werte. Der NASA-TLX Wert zeigt, dass die Aufgaben anspruchsvoll sind, jedoch nicht übermäßig belasten und somit eine gute Trainingsbasis bilden.

Die positiven Bewertungen der Fragen zur Inhaltsvalidität demonstrieren besonders deutlich, dass die Teilnehmenden den VR-Simulator als Trainingswerkzeug befürworten. Gleichzeitig unterstützt der signifikante Unterschied in der Interventionszeit zwischen erfahrenen und weniger erfahrenen Endoskopierenden die Konstruktvalidität des Simulators.

Abhängigkeit von tiergestützten Trainingsmethoden verringern

„Die insgesamt sehr gute Bewertung des Simulators zeigt uns, dass wir mit der bisherigen Entwicklung auf einem guten Weg sind. Gleichzeitig eröffnet sie uns die Möglichkeit, das System in verschiedene Richtungen auszubauen“, sagt Annika Köhler. Die studierte Medieninformatikerin ist Erstautorin der Studie.

Alexander Hann: „OPTESK kann als wertvolles Trainingsinstrument für die endoskopische Behandlung von Blutungen im oberen Magen-Darm-Trakt dienen. Dieser Ansatz könnte dazu beitragen, die Abhängigkeit von tiergestützten Trainingsmethoden zu verringern und ein risikofreies Üben vor klinischen Eingriffen zu ermöglichen.“

Das Projekt wird durch das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert (Fördernummer: 03LW0696).

Publikation: Annika Köhler, Irshath Ali Syed, Jana Sophia Theile, Ioannis Kafetzis, Joel Troya, Jan-Peter Grunz, Ulrike W. Denzer, Ivica Grgic, Benjamin M. Walter, Rüdiger Pryss, Stavros Dimitriadis & Alexander Hann. Evaluation of the OPTESK VR training simulator for gastric bleeding treatment. Bioelectron Med 12, 22 (2026). https://doi.org/10.1186/s42234-026-00216-w