Informatik und Neurochirurgie: interdisziplinäre Forschung ermöglicht Fortschritte in beiden Disziplinen

21.09.16

CHL
LCSB
Université du Luxembourg
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Florian Bernard arbeitet am LCSB (Luxembourg Centre for Systems Biomedicine) der Universität Luxemburg an seiner Doktorarbeit. Zudem ist er auch in der neurochirurgischen Abteilung des CHL-Krankenhauses (Centre Hospitalier de Luxembourg) tätig.

In seiner Doktorarbeit beschäftigt sich Florian Bernard mit statistischen Formmodellen zur Erfassung der Gehirnstrukturen. Ziel des Doktoranden: die Instrumente verbessern, die Neurochirurgen bei Operationen zur tiefen Hirnstimulation zur Verfügung stehen. Seine Arbeit wurde bereits bei mehreren internationalen Konferenzen geehrt und eine seiner Publikationen wurde 2015 mit einem Preis für den besten wissenschaftlichen Artikel ausgezeichnet.

Ausbildung und laufende Projekte von Florian Bernard

„Mein Name ist Florian Bernard und ich bin Informatiker. Ich wollte immer schon wissen, wie etwas funktioniert. Die Faszination für Wissenschaft und Technologie war bei mir von klein auf vorhanden und hat sich bis heute – ich bin jetzt 29 – erhalten. Damals waren meine Kenntnisse und technischen Möglichkeiten natürlich beschränkt; trotzdem habe ich Stunden vor meinem ersten Computer verbracht. Auch heute noch muss ich ein Problem verstehen, analysieren und enger eingrenzen. Dank meiner IT-Kenntnisse und des rasanten Fortschritts der Technologie kann ich diese Probleme nun mathematisch darstellen und sie mithilfe des Computers lösen.

Im CHL bin ich Teil der neurochirurgischen Abteilung unter der Leitung des Neurochirurgen Dr. Hertel, der sich vor allem auf die tiefe Hirnstimulation spezialisiert hat. Bei dieser Technik geht es darum mithilfe eines chirurgischen Eingriffs Elektroden ins Gehirn zu implantieren, die dann bestimmte Hirnareale, wie etwa den Thalamus oder den Nucleus subthalamicus, elektrisch stimulieren. Diese Spezialchirurgie wird zur Behandlung von Tremoren, Zwangsstörungen, Dystonie oder bestimmten Symptomen der Parkinson-Erkrankung eingesetzt. Dabei ist vor allem in der Planungsphase extreme Präzision erforderlich: Das zu behandelnde Areal muss äußerst präzise identifiziert werden, ist allerdings auf klassischen Radiologiebildern (MRT oder Szintigraphie) oft nur schwer zu erkennen. Zudem muss ein „Weg“ festgelegt werden, auf dem das Areal erreicht werden kann, ohne das empfindliche Gehirngewebe zu berühren oder Blutgefäße zu verletzen.

Dr. Hertel arbeitet mit dem LCSB zusammen und hat Neurochirurgen, Biologen und mehrere Forscher aus den Bereichen IT, Mathematik und Elektrotechnik in seinem Team versammelt, die die ihm bei Operationen zur Verfügung stehenden Instrumente entwickeln und verbessern.“

Ein statistisches 3D-Formmodell zur Erfassung der Gehirnstrukturen

In meiner Doktorarbeit geht es um die 3D-Modellierung der Gehirnstrukturen. Ausgehend von den vorhandenen Daten möchte ich unter Verwendung von Algorithmen des maschinellen Lernens ein statistisches Formmodell zur Erfassung der Gehirnstrukturen schaffen. Durch die Einstellung bestimmter Parameter dieses statistischen Modells könnte ich es exakt an das Gehirn eines Patienten anpassen und so ein 3D-Modell der Gehirnstrukturen erzeugen. So könnte der Chirurg das Areal, in dem ein Implantat zur tiefen Hirnstimulation eingesetzt werden soll, ganz genau visualisieren und definieren.

Um ein erstes statistisches Formmodell zu erstellen, haben wir Bilder (MRT oder Szintigraphie) von etwa 20 Patienten genutzt und ich habe ein 3D-Modell manuell am Computer erstellt. Auf der Grundlage dieses Modells konnte ich einerseits statistische Parameter, die die allgemeine Form der Gehirnstrukturen beschreiben, und andererseits die häufigsten Variablen definieren. Ich habe mehrere Artikel über meine Arbeit veröffentlicht, einige davon wurden in IT-Fachkreisen ausgezeichnet („GMDS Förderpreis“ für meine Abschlussarbeit (Mémoire de Maîtrise), zwei Publikationen bei der renommierten „Conference on Computer Vision and Pattern Recognition“ und eine Publikation, die mit dem Siemens Sicas Shape Award geehrt wurde).

Interdisziplinäre Forschung kann nur dann von Erfolg gekrönt sein, wenn sie als Teamarbeit geleistet wird. Mein Dank geht daher an das hervorragende Team, mit dem ich zusammenarbeite, meine Kollegen, Mitarbeiter und Vorgesetzten. Diese Arbeit wäre ohne die Unterstützung von Rudi Balling, Peter Gemmar, Jorge Goncalves, Frank Hertel, Andreas Husch, Luis Salamanca und Johan Thunberg nicht möglich gewesen. Vielen Dank auch an den Fonds National de la Recherche Luxembourg, dafür dass man dort an meine Arbeit geglaubt und diese finanziert hat. “

Autor: CHL
Foto: CHL

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