Poking Florian – Fraunhofer MEVIS

Poking Florian war bei TOTAL RECALL - The Evolution of Memory ist als Teil der Themenausstellung zu sehen und schlägt auf clevere Art die Brücke zwischen Kunst und praktischem Nutzen im Alltag. Alexander Köhn von Fraunhofer MEVIS erklärt, wieso diese Installation auch für die Zukunft der Medizin von Bedeutung ist.

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Poking Florian war bei TOTAL RECALL – The Evolution of Memory ist als Teil der Themenausstellung zu sehen und schlägt auf clevere Art die Brücke zwischen Kunst und praktischem Nutzen im Alltag. Alexander Köhn von Fraunhofer MEVIS erklärt, wieso diese Installation auch für die Zukunft der Medizin von Bedeutung ist.

Wir stehen gerade bei Poking Florian, was hat es damit auf sich, was sehen wir?

Was wir sehen, sind zwei Komponenten. Zum einen haben wir den Scan eines Gehirns, der mit einem Magnetresonanztomographen aufgenommen, von einem 3d-Drucker gedruckt und um berührungssensitive Sensoren, die leuchten, erweitert wurde. Dieses Exponat ist über Bluetooth-Technologie mit einem iPad verknüpft, auf dem wir vorgerenderte 2d und 3d-Ansichten des Gehirns ansehen und explorieren können und die Verbindung wird über die Sensoren hergestellt. Werden die Sensoren berührt, passt sich die Ansicht am Tablett entsprechend an und zwar in Form der sichtbaren Faserbahnen. Die Sensoren auf dem Gehirn sind gerade an Arealen angebracht, die für bestimmte Funktionen stehen, die an der Stelle im Gehirn verarbeitet werden, wie zum Beispiel Bewegungs- oder Sprachverarbeitung.

Das heißt, man kann sich von Funktionsbereich zu Funktionsbereich im Gehirn durchbewegen?

Genau. Dabei kann man interaktiv erfassen, wofür diese Areale zuständig sind, weil das am Tablett angezeigt und deren Bedeutung erläutert wird.

Bei dem Scan handelt es sich um das Gehirn eines lebenden Menschen?

Genau, um das unseres Kollegen Florian. Es waren mehrere Verarbeitungsschritte notwendig, um das Ganze zum Leben zu erwecken. Zum Einen haben wir bei Fraunhofer MEVIS eine Entwicklungsplattform, mit der wir diese Daten aufbereiten. Was man zunächst einmal bekommt, sind die MR-Daten, die müssen wir für mehrere Anwendungen aufbereiten, zum Beispiel für den 3d-Druck. Die Sensorkanäle müssen eingearbeitet werden, in die wir die Technik integrieren können. Das ganze Gehirn steht auf einem Sockel, in dem die Elektronik integriert ist. Die Basis ist ein Arduino-Board mit einem Bluetooth-Shield, von einem Herren namens Michael Kroll, der uns freundlicherweise eine Beta-Version zur Verfügung gestellt hat, weil wir das als einfachste Möglichkeit gesehen haben, das Gehirn mit dem iPad zu verbinden.

Der zweite Produktionsschritt war dann, die Daten hochqualitativ rauszurendern, weil das iPad nicht in der Lage ist, diese hochqualitative Darstellung in Echtzeit zu bewerkstelligen, da die Datensätze sehr hoch aufgelöst sind.

Insgesamt ist ein Bilddatenvolumen von 12 GB entstanden, durch das man sich navigieren kann, in dem man die Multitouch-Interaktion des iPads nutzt.

Welcher Art Daten kann ich auf dem iPad sehen?

Zunächst einmal sieht man die 3d-Daten, durch die man in das Gehirn hineinsehen kann und die Faserbahnen sieht. Die Faserbahnen sind aus einem zweiten Datensatz entstanden, dem sogenannten DTI-Datensatz (Diffussions-Tensor-Bildgebung), was man dort an Informationen extrahieren kann, ist die Bewegung der Wassermoleküle entlang der Axone der Neuronen. Somit kann man rekonstruieren, wo die Axone verlaufen.

Das ist ein aufwändiger Bearbeitungsschritt, um diese Faserbahnen sichtbar zu machen und eine Rekonstruktion dessen zu machen, wo sie sich im Hirn befinden .

Das ist auch etwas, das uns bei Fraunhofer MEVIS auszeichnet, neben dieser Extraktion und Rekonstruktion von Daten, von Information aus den MR- und weiteren medizinisch relevanten Bildgebungsverfahren, machen wir zudem biophysikalische Modellierungen und Simulationen sowie die Fusion von Bilddaten.

In diesem Fall ist der farbige Datensatz mit dem MR-Datensatz fusioniert, das sind eigentlich zwei getrennte Datensätze, die man gleichzeitig sieht.

Welche Funktion erfüllen die Faserbahnen?

Das ist ganz unterschiedlich. Das Gehirn hat auf der Oberfläche, dem sogenannten Cortex, neuronale Netze, die Berechnungen ausführen, wenn man so will. Sie sind miteinander verbunden, mit anderen Netzen, aber natürlich auch mit dem Rückenmark in der Wirbelsäule, um Signale vom Körper entgegenzunehmen oder zu verschicken.

Es gibt sehr viele verschiedene Netzwerke und Bereiche im Gehirn, die alle verschiedene Aufgaben übernehmen, und wir haben uns für ein paar entschieden, die wir hier exemplarisch herausgenommen haben.

Oben mittig auf dem Kopf zum Beispiel ist das funktionale Areal, um die Beine zu steuern, hier werden die Signale generiert, um das Bein zu steuern, andererseits spricht dieser Cortex aber auch an, wenn man anderen beim Gehen zuschaut, zum Beispiel.

Neben der Bewegung haben wir Spracherzeugung und das Sprachverständnis, als drittes Beispiel haben wir die Sichtbahnen, die visuelle Signale, die von den Augen geliefert werden, an den visuellen Kortex zur Weiterverarbeitung leiten.

Wie wird diese Art der Darstellung in der Praxis eingesetzt?

Zunächst einmal kann man sagen, dass die Daten an sich, so, wie man sie auf dem iPad sieht (wobei sie hier für dieses Kunstwerk natürlich ästhetisiert sind), in der Neurochirurgie genutzt werden, um Eingriffe zu planen. Dafür braucht man unter anderem diese Faserbahneninformation, weil man wissen möchte, wie ein wachsender Tumor, der Gewebe verdrängt, die umliegenden Faserbahnen verdrängt, um Verletzungen dieser während einer OP vermeiden zu können.

Der 3d-Druck des Gehirns ist eine Erweiterung, eine Überführung in die reale Welt, dieses haptische Element kann man sich im Schulungsbereich vorstellen, in der Lehre, um besser vermitteln zu können.

In 5 oder 10 Jahren, wenn auch der 3d-Druck weiter fortgeschritten ist, werden dann Chirurgen ein Gehirn ausdrucken können, um einen Eingriff zu üben?

Das ist tatsächlich eine reale Möglichkeit, die zum Beispiel bei Leberoperationen durchgeführt werden, natürlich noch lange keine Routine, um die Anatomie kennenzulernen und sich besser vorbereiten zu können. Hier an dem Gehirn sieht man, das es wie ein Fingerabdruck ist, die Einkerbungen und Windungen sind bei jedem Menschen einzigartig, und da hat man natürlich schon mal eine schöne Orientierungsmöglichkeit als Chirurg.

Ein weiteres Beispiel für eine von Fraunhofer MEVIS entwickelte iPad-App, die die Planung von chirurgischen Eingriffen erleichtert, ist unter folgendem Link zu sehen: http://blogs.reuters.com/photographers-blog/2013/08/20/inside-the-isurgery-operation/