Acoustic Surgery: Wenn Tumore hörbar werden

Bayern Innovativ: Frau Dr. Esmaeli, könnten Sie uns kurz erklären, was Surag Medical macht und für wen Ihre Produkte gedacht sind?

Nazila Esmaeili: SURAG Medical steht für Surgical Audio Guidance. Wir konzentrieren uns auf die Entwicklung von vibroakustischer Sensortechnologie. Wir fingen an dieses Thema als Forschungsprojekt zu bearbeiten, und darauf aufbauend haben wir im Jahr 2021 das Unternehmen gegründet. Der initiale Fokus lag auf medizinischen Anwendungen, auf nadelbasierten Interventionen, um genauer zu sein. Unser Ziel war es, ergänzende Informationen und Rückmeldungen während dieser Verfahren bereitzustellen. Heute beschäftigen wir uns auch mit Anwendungen in nicht-medizinischen Bereichen. Mit dem aktuellen R-Kit können wir Anwendungen in verschiedenen Bereichen erforschen.

Bayern Innovativ: Auf welcher medizinischen Anwendung oder Prozedur liegt der Fokus Ihrer Technologie, und an welchem Punkt im klinischen Ablauf schafft sie den größten Mehrwert?

Nazila Esmaeili: Wir haben mit nadelbasierten Prozeduren begonnen. Der größte Vorteil unserer Technologie besteht darin, dass bei jedem chirurgischen Eingriff Interaktionen auftreten und wir damit Zugang zu einer reichhaltigen Informationsquelle mit einem hohen Dynamikbereich haben.
Für nadelbasierte Interventionen konnten wir den klinischen Nutzen von Echtzeit-Feedback bei Blindpunktionen bereits nachweisen, beispielsweise bei der Spinalnadel- und der Veress-Nadel-Insertion. Kürzlich haben wir in einem Kooperationsprojekt begonnen, Nadeln in Tumorläsionen einzuführen. Auf diese Weise können wir Tumoren „abhören“ und Informationen generieren, die es uns ermöglichen, zwischen verschiedenen Tumorarten zu unterscheiden. Das bedeutet einen großen Fortschritt in der Diagnostik, weil wir durch diese Tumorcharakterisierung eine Echtzeitdiagnose liefern können. Das heißt, es gibt keine Wartezeiten für eine Biopsie und für Patientinnen und Patienten wird alles schneller und sicherer.
Wir haben auch andere medizinische Anwendungen untersucht, darunter laparoskopische und robotergestützte Eingriffe, wobei unser aktueller Fokus darauf liegt, die Digitalisierung der Chirurgie voranzutreiben.

Bayern Innovativ: Können Sie mir in einfachen Worten erklären, was genau der Sensor aus den Vibrationen aufnimmt?

Nazila Esmaeili: Wenn Sie ein medizinisches Instrument wie beispielsweise eine Nadel haben, befestigen wir den Sensor am proximalen Ende, also dem Teil, der näher an der Operateurin bzw. dem Operateur ist. Die Aufnahme über den Sensor erfolgt also vollständig minimalinvasiv. Der Sensor selbst hat keinen Kontakt mit der Patientin oder dem Patienten. Mit diesem chirurgischen Instrument beginnen Sie mit dem Gewebe zu interagieren. Die Ärztin oder der Arzt nimmt zum Beispiel die Nadel und beginnt, sie in den Körper der zu behandelnden Person einzuführen, um eine Blutprobe zu entnehmen. Oder sie könnte in einen Tumor eingeführt werden, um Proben zu entnehmen, oder in die Wirbelsäule, um Medikamente zu injizieren oder Proben wie Gehirn-Rückenmark-Flüssigkeit zu entnehmen. Wenn die Nadel beginnt, mit dem Gewebe zu interagieren und Schichten zu durchdringen, um die gewünschte Stelle zu erreichen, gibt es Mikrovibrationen am Kontaktpunkt zwischen Instrument und Gewebe. Diese Mikrovibrationen breiten sich entlang des Instrumentenschafts aus, es muss dafür keine aktive Komponente im Instrument eingebettet werden. Das heißt, es handelt sich um eine natürliche Information, wir erzeugen sie nicht. Wir befestigen lediglich unseren Sensor am proximalen Ende und erfassen diese Mikrovibrationen. Über den Sensor werden die Vibrationen in Echtzeit drahtlos an eine Verarbeitungseinheit übermittelt. In der aktuellen Version des R-Kits fungiert ein iPad mit spezieller, installierter Software als Verarbeitungseinheit. Dort werden die Daten empfangen und in Echtzeit verarbeitet, um das akustische Feedback zu liefern, also die Vibration in einen hörbaren Bereich zu bringen, und für weitere Analysen zu speichern. Das ist unser Produkt, unser R-Kit. Forschende, Universitäten und Forschungszentren, können es kaufen, um Forschung in relevanten Bereichen durchzuführen. Deshalb meinte ich vorhin auch, dass wir uns nicht nur auf das medizinische Feld beschränken. Je nach Prozedur kann das auditive Feedback in unterschiedlichen Formen dargestellt werden. Bei Interventionen wie dem Tumorbeispiel geht es über das reine Zuhören hinaus: Wir können gewebespezifische Verhaltensweisen charakterisieren, sie klassifizieren und mit Diagnosen korrelieren.

Bayern Innovativ: Welche Rolle spielt KI in Ihren Produkten und wie funktioniert sie?

Nazila Esmaeili: Im aktuellen R-Kit ist KI teilweise in die Software integriert. Sie unterstützt Nutzerinnen und Nutzer bei der Annotation ihrer Daten und ermöglicht eine automatische Erkennung und Klassifizierung bestimmter Aufgaben – abhängig von der jeweiligen Anwendung, in der das System eingesetzt wird. Insbesondere weil die Bedeutung der Digitalisierung in der Chirurgie zunimmt, entwickeln wir unser Produkt hier kontinuierlich weiter.
In medizinischen Anwendungen liegt die Rolle von KI hauptsächlich darin, wie die erhobenen Daten verarbeitet werden und das Feedback gestaltet wird, das den klinischen Anwenderinnen und Anwendern bereitgestellt werden kann.

Bayern Innovativ: Welche Art von Ausgabe erhält der Nutzer bei Anwendung der Tools in der Praxis? Gibt es akustische Signale, Warnungen, Textanzeigen oder andere Hinweise?

Nazila Esmaeili: In der aktuellen Version des R-Kits ist das Feedback Audifikation. Man hört die Geräusche von Mikrovibrationen, indem wir sie verstärken und in den hörbaren Bereich bringen. Aber die Art des Feedbacks kann je nach Prozedur unterschiedlich sein. Bei Audifikationsfeedback ist es so, wenn zum Beispiel eine Nadel durch verschiedene Schichten eingeführt wird, man die Übergänge zwischen den einzelnen Schichten hören und somit erkennen kann. Eine weitere Form von Feedback können Indikatoren sein. Anstatt beispielsweise bei einer Nadelpunktion akustisches Feedback zu geben, können wir mit Hilfe von KI die vibroakustischen Daten in einen visuellen oder akustischen Indikator umwandeln, um zu bestätigen, dass die Nadel von einem Gewebe zum nächsten Gewebetyp übergeht. Oder zurück zu dem Anwendungsbeispiel in der Tumordiagnostik: In Kombination mit KI lassen die vibroakustischen Daten Rückschlüsse auf Gewebeeigenschaften von Tumoren zu und können diagnostische Hinweise auf den Tumortyp geben, beispielsweise darauf, ob ein Tumor gutartig oder bösartig ist. 

Wir haben also drei Feedback-Ebenen:
1. Die einfache Audifikation - man hört zu und interpretiert es.
2. Fortgeschrittene Indikatoren, die helfen, einen Eingriff vorzunehmen und zu führen.
3. Entscheidungsbasiertes Feedback, das hilft, eine Behandlungsstrategie festzulegen.

Bayern Innovativ: Können Sie ein einfaches Beispiel für die Vorteile geben?

Nazila Esmaeili: Ich gebe Ihnen ein Beispiel aus unserer Arbeit zur Tumorcharakterisierung. Hier haben wir begonnen, Daten von entfernten Speicheldrüsentumoren zu sammeln. Das normale klinische Vorgehen ist so: Betroffene Personen gehen mit entsprechenden Symptomen zum Arzt und der erste Schritt ist eine Ultraschalluntersuchung. Wird ein Tumor gefunden, wird eine perkutane ultraschallgeführte Nadelbiopsie durchgeführt. Selbst mit Ultraschall kann es eine Herausforderung sein, zu sehen, wohin die Nadel geht. Wir können die Führung verbessern, sodass eine geeignete Position erreicht wird, um Proben zu entnehmen. Im Fall einer Probenentnahme müssen diese zunächst zur Diagnostik an die Pathologie geschickt werden. Das kann durchaus 7 bis 10 Tage dauern, in Einzelfällen sogar bis zu zwei Wochen. Die Patientin oder der Patient muss so lange warten, erst im Anschluss kann eine eventuell notwendige Operation geplant werden. Unsere Technologie kann diese Wartezeit verkürzen.
Was wir demzufolge verbessern können, ist:

1. Die Nadel besser zu führen, um an eine geeignete Stelle zur Probenentnahme zu gelangen, indem wir Vibroakustik mit Ultraschall kombinieren.
2. Wir können eine Diagnose stellen, indem wir den Tumor „abhören“ und charakterisieren. Und wir können in Echtzeit und mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit sagen, ob der Tumor gutartig oder bösartig ist.
3. Wir bieten eine kostengünstige Technologie, die das geschilderte Verfahren in mehrfacher Hinsicht verbessert, indem sie zum einen Zeit spart und zum anderen eine präzisere Navigation ermöglicht.

Bayern Innovativ: Wie testen Sie Ihre Tools und stellen ihre Funktion sicher?

Nazila Esmaeili: Wenn wir eine neue Version unserer Systeme entwickeln, beginnen wir zuerst mit Labortests. Wir verwenden normalerweise ex-vivo-Tiergewebe oder synthetisches Gewebe. Das hängt von der Art der Prozedur ab, auf die wir uns konzentrieren wollen. Später erweitern wir auf Tests an Tierkadavern, Körperspenden oder echten Patientinnen und Patienten. Wir beginnen jedoch immer mit Labortests, da uns diese Kriterien liefern, um das System gezielt für die gewünschte Anwendung zu verbessern. Unsere Labortests lassen sich in zwei Kategorien einteilen: synthetische Daten und ex-vivo-Tierdaten. Erst im nächsten Schritt führen wir Experimente an Tierkadavern durch. Tests an echten Patientinnen und Patienten sind immer die letzte Stufe. Diese Daten sind besonders wichtig, bevor ein System auf den Markt gebracht wird.

Bayern Innovativ: Warum fokussieren Sie sich auf Vibroakustik, anstatt auf andere Lösungen wie kameragestützte Bildgebung oder andere Sensoren?

Nazila Esmaeili: Vibroakustische Daten sind eine reichhaltige Informationsquelle mit hoher dynamischer Bandbreite und lassen sich im Vergleich zu Bild- oder Videodaten leichter verarbeiten und speichern. Darüber hinaus ist das Gute an Vibroakustik, dass sie bestehende Technologien ergänzen kann. Unser Ziel ist es nicht, bestehende Technologien zu ersetzen. Bei laparoskopischen Eingriffen beispielsweise stützt sich chirurgisches Fachpersonal bei der Durchführung der Operation auf die Videodaten der Kamera, die im Körper der Patientin oder des Patienten platziert ist. Das bedeutet, dass aufgrund des indirekten Zugangs zum Operationsfeld weder Hör- noch Tastsinn genutzt werden können. Die vibroakustische Sensortechnologie kann hier Abhilfe schaffen. Durch die Anbringung des Sensors an den laparoskopischen Instrumenten können wir die Wechselwirkungen zwischen Instrument und Gewebe als akustisches Feedback hörbar machen. Chirurginnen und Chirurgen können hören, was während des Eingriffs geschieht – beispielsweise beim Schneiden oder Abtasten von Gewebe. Mit diesem Feedback können sie auch die darunter liegenden Strukturen erkennen, beispielsweise Blutgefäße, indem sie das Pulsieren der Blutgefäße hören. So können Schäden an kritischen Strukturen vermieden werden und es kann sicherer operiert werden.

Bayern Innovativ: Welche Herausforderungen begegnen Ihnen aktuell beim Einsatz von KI?

Nazila Esmaeili: Im Allgemeinen besteht eine der größten Herausforderungen darin, Zugang zu hochwertigen und gut annotierten Daten zu erhalten, insbesondere in medizinischen Anwendungen. Mit dem R-Kit ermöglichen wir Nutzerinnen und Nutzern den Zugriff auf vibroakustische Daten für ihre spezifischen Anwendungen. Der Zugang zu gut annotierten Daten ist eines unserer Hauptziele. Die Software des R-Kits unterstützt Anwendende dabei, ihre Daten mit einfachen Beschriftungswerkzeugen zu annotieren, und bietet außerdem eine automatische Annotation und Beschriftung der Daten. Die aktuelle Version funktioniert bereits effizient, aber wir verbessern sie kontinuierlich, indem wir noch präzisere Beschriftungsinformationen bereitstellen und benutzerfreundlichere Funktionen hinzufügen.
Abgesehen davon erfordern KI-Systeme in medizinischen Anwendungen eine strenge Validierung und müssen regulatorische Anforderungen erfüllen, bevor sie in der klinischen Praxis eingesetzt werden dürfen. Für Unternehmen, die KI-basierte Lösungen entwickeln, stellt das oft eine große Hürde dar. Da wir in unserem Fall drei Feedback-Ebenen bereitstellen, können wir zunächst Lösungen einführen, die nicht auf KI basieren. Auf diese Weise können wir hochwertige und gut annotierte klinische Daten sammeln. Diese helfen uns, robustere KI-basierte Lösungen für künftige klinische Anwendungen zu entwickeln.

Bayern Innovativ: Wo stehen Sie heute und was ist Ihr nächster großer Meilenstein in den nächsten 12 Monaten?

Nazila Esmaeili: Unser R-Kit ist bereits auf dem Markt verfügbar und wir stehen mit mehreren Universitäten und Krankenhäusern in Kontakt, um ihnen dieses System zur Verfügung zu stellen. Wir haben die aktuelle Version 2025 herausgebracht. Das Produkt strukturiert Daten und speichert sie projekt- und experimentbasiert ab. Zudem lassen sich Videos synchronisieren. Forschende aus verschiedenen Bereichen können es kaufen und es je nach Anwendungsgebiet nutzen.
Nach der vielen Entwicklungsarbeit in den letzten Jahren freuen wir uns darüber, dass wir jetzt unsere Studie zum vibroakustischen Abhören von Tumoren zur Charakterisierung von Tumorgewebe begonnen haben. Wir sammeln Daten, hören sie ab und analysieren diese. Wir haben für dieses Projekt eine Kooperation mit dem Universitätsklinikum Gießen und Marburg. Unser Ziel ist es, mehr Evidenz sowohl im klinischen Umfeld als auch im nicht-klinischen Umfeld zu schaffen. Wir planen außerdem Projekte mit Unternehmen, die an vibroakustischer Sensortechnologie interessiert sind und diese für ihre eigenen Anwendungen einsetzen möchten.

Bayern Innovativ: Vielen Dank, Frau Dr. Esmaeili für das Gespräch.