Die Zukunft der Chirurgie: Wie Virtual Reality und Augmented Reality die medizinische Ausbildung revolutionieren

Die digitale Transformation prägt unsere Gesellschaft in einem noch nie dagewesenen Tempo, und die Medizin, insbesondere die Chirurgie, bildet dabei keine Ausnahme. Technologien wie Virtual Reality Und Augmented Reality (VR/AR) sowie Robotik sind nicht länger futuristische Visionen, sondern werden zunehmend zu integralen Bestandteilen des klinischen Alltags. Doch mit dieser rasanten Entwicklung geht eine entscheidende Herausforderung einher: die adäquate Ausbildung der nächsten Generation von Ärztinnen und Ärzten. Aktuell klafft hier eine Lücke zwischen dem enormen Bedarf an digitalen Kompetenzen und der Verfügbarkeit wissenschaftlich fundierter Lehrkonzepte. Unser Ziel bei Shock Naue ist es, Ihnen einen tiefgreifenden Einblick in die spannende Entwicklung dieser Schlüsseltechnologien in der chirurgischen Lehre zu geben und aufzuzeigen, wie sie das Medizinstudium nachhaltig verändern.

Die Digitale Transformation in der Medizin: Warum VR/AR unverzichtbar wird

Die Digitalisierung hat die operative Medizin erreicht und mit ihr die Notwendigkeit, traditionelle Ausbildungsmethoden zu überdenken. Besonders im Bereich der Chirurgie bieten Virtual Reality und Augmented Reality ungeahnte Möglichkeiten, komplexe Eingriffe zu simulieren und operative Fertigkeiten in einer sicheren Umgebung zu trainieren.

Von der Simulation zur präoperativen Planung

VR-Simulatoren ermöglichen es Medizinstudierenden, Operationen virtuell durchzuführen und dabei eine Vielzahl von Fähigkeiten zu erlernen und zu verfeinern. Dies verkürzt nicht nur die Lernkurven für videoendoskopische und robotisch assistierte Operationen, sondern ermöglicht auch ein präoperatives „Warm-up“, das die Leistungsfähigkeit im realen OP signifikant verbessern kann. Eine Weiterentwicklung dieser Simulatoren durch die Kombination mit VR-Brillen steigert die Immersion erheblich, sodass Anwender tief in eine virtuelle Operationsumgebung eintauchen können.

Doch die Anwendung beschränkt sich nicht nur auf das Training. Intraoperativ werden bereits präoperative Schnittbildgebungen nach 3D-Rekonstruktion zur Navigation eingesetzt. AR-Technologien versprechen eine noch präzisere Orientierung, indem patientenspezifische 3D-Rekonstruktionen direkt auf das reale Organ oder Körperteil des Patienten projiziert werden. Dies sind bahnbrechende Innovationen, die die Sicherheit und Präzision chirurgischer Eingriffe erhöhen.

Die Notwendigkeit digitaler Kompetenzen im Medizinstudium

Obwohl die heutige Studierendengeneration als “Digital Natives” aufwächst und ständig mit digitalen Medien in Kontakt steht, bedeutet dies nicht automatisch, dass sie über die notwendigen berufsspezifischen digitalen Handlungskompetenzen verfügt. Der dauernde Kontakt findet meist auf der “Consumer-Ebene” statt. Eine frühzeitige und strukturierte Vermittlung digitaler Kompetenzen ist daher unerlässlich. Es ist bemerkenswert, dass weder der Nationale Kompetenzbasierte Lernzielkatalog (NKLM) von 2015 noch der Masterplan Medizinstudium 2020 die Aspekte der digitalen Transformation umfassend adressieren. Hier besteht dringender Handlungsbedarf, um die Bildung zukünftiger Medizinerinnen und Mediziner an die Realitäten des digitalen Zeitalters anzupassen.

Ein Pionierprojekt: Das “Medizin im digitalen Zeitalter”-Curriculum in Mainz

Um dieser Diskrepanz zu begegnen, wurde an der Universitätsmedizin Mainz ein innovatives, modulares Blended-Learning-Curriculum namens “Medizin im digitalen Zeitalter” entwickelt und implementiert. Dieses Curriculum, das seit dem Sommersemester 2017 angeboten wird, basiert auf evidenzbasierten Systematiken und setzt neue Maßstäbe in der medizinischen Ausbildung.

Wer nimmt teil und wie wird gelehrt?

An den ersten drei evaluierten Kursen nahmen 35 Medizinstudierende des 7. bis 9. Fachsemesters teil (24 männlich, 11 weiblich). Die Betreuung erfolgte durch vier chirurgische Dozierende (3 männlich, 1 weiblich). Das 4. Modul dieses Kurses konzentriert sich explizit auf Virtual Reality, Augmented Reality und Robotik in der Chirurgie und gliedert sich in fünf zentrale Kursteile:

1. Immersive Simulation: Eine laparoskopische Cholezystektomie wird unter Einsatz von VR-Technologie simuliert.
2. Leberchirurgische Operationsplanung: Mittels AR/VR-Technologien wird die Planung komplexer Leberoperationen geübt.
3. Basisfertigkeiten am VR-Simulator: Training grundlegender Fähigkeiten für die robotische Chirurgie.
4. Kollaborative OP-Planung: Studierende planen gemeinsam im virtuellen Raum Operationen.
5. Expertengespräch: Ein direkter Austausch mit erfahrenen Chirurgen.

Modernste Technologie für immersive Lernerlebnisse

Der Kurs findet in den modernen Räumlichkeiten der “Rudolf Frey Lernklinik” der Universitätsmedizin Mainz statt. Die chirurgische Klinik stellt dabei die notwendige digitale Simulationstechnik (Hard- und Software) zur Verfügung, um ein optimales Lernerlebnis zu gewährleisten.

Das didaktische Konzept: Impulsvorträge und Lernbegleitung

Die Vorbereitung auf das Modul erfolgt anhand eines E-Books, und für die Kurskommunikation wird das digitale Kommunikationstool SLACK genutzt. Ein multimedialer Impulsvortrag führt die Studierenden mit klinischen Fallbeispielen in die Thematik ein, vermittelt den aktuellen Stand der Forschung und skizziert Zukunftsvisionen. Dabei werden Lernziele und Erwartungen klar formuliert, und im Dialog mit den Dozierenden können Fragen direkt beantwortet werden. Die Dozierenden nehmen im Kursverlauf die Rolle von Lernbegleitern ein, ein Konzept, das aus dem problemorientierten Lernen bekannt ist. Hier stehen die Studierenden im Mittelpunkt, während die Chirurgen den Lernprozess fördern, moderieren und dosieren, um eine selbstverantwortliche Auseinandersetzung mit den Inhalten zu unterstützen.

Praxisnah lernen: Hands-on mit VR und AR

Das Herzstück des Curriculums ist das “Lernen durch Erfahrung”. Die Studierenden interagieren praxisbezogen mit verschiedenen VR-/AR-Technologien, was die Grundlage für Kollaboration und Diskussion bildet. In Zweiergruppen durchlaufen sie die neu entwickelte hochimmersive VR-Simulation einer minimalinvasiven Cholezystektomie. Dabei wird die virtuelle Operation sowohl auf einem Monitor simuliert als auch durch eine VR-Brille erfahrbar gemacht, die die Studierenden in einen virtuellen Operationssaal eintauchen lässt.

Immersive VR-Simulation einer laparoskopischen Cholezystektomie

Anschließend planen die Teilnehmenden mithilfe eines VR- und eines AR-Headsets eine Lebertumoroperation. An einer dritten Station können erste Basisfertigkeiten am VR-Simulator für robotische Chirurgie erprobt werden.

Übung zur Gefäßdissektion am virtuellen Simulator für robotische Chirurgie

Fakultativ besteht die Möglichkeit, mit zwei VR-Brillen im Team an einem virtuellen Lebermodell zu studieren, aktiv zu arbeiten und strategisch zu planen. Diese Herangehensweise fördert nicht nur die praktischen Fertigkeiten, sondern auch die kollaborative Bildung und Problemlösungskompetenz.

Der Wert des Expertendialogs

Ein besonderes Highlight ist das Experteninterview. Hier haben die Studierenden in Kleingruppen von zwei bis drei Personen jeweils 20 Minuten Zeit, einen erfahrenen Viszeralchirurgen zu befragen. Die Fragen werden im Vorfeld von den Studierenden erarbeitet und über SLACK ausgetauscht. Dieser direkte Austausch mit einem erfahrenen Operateur trägt wesentlich dazu bei, die in der Praxis erlebten Erfahrungen zu festigen und eine tiefergehende Reflexion über professionelles chirurgisches Handeln zu ermöglichen. Es ist eine seltene und wertvolle Gelegenheit für die Bildung der Studierenden, mit einem Rollenmodell ins Gespräch zu kommen.

Die Ergebnisse der Evaluation: Einblick in den Lernerfolg

Die Evaluation des Kurskonzepts erfolgte sowohl qualitativ als auch quantitativ, um ein umfassendes Bild der Lernerfolge und der Akzeptanz unter den Studierenden zu erhalten.

Qualitative Erkenntnisse: Ein “Lernerlebnis” mit hohem Praxisbezug

Die semistrukturierten Interviews zur qualitativen Evaluation zeigten eine hohe Akzeptanz des Kurskonzepts. Studierende betonten die empfundene Wertschätzung und Motivation durch die intensive und kreative Zusammenarbeit untereinander und mit den Chirurgen. Besonders positiv bewertet wurden die praktisch-operative Interaktion und die Verdeutlichung medizinischer Versorgungskonzepte.

Insgesamt wurden 79 Textaussagen der Kategorie “Virtual Reality, Augmented Reality und Robotik” zugeordnet. Davon entfielen 29 % auf die Kategorie “Lernerlebnis”, die den erstmaligen Kontakt der Studierenden mit hochdigitalisierter Medizintechnik beschreibt und als “horizonterweiternd” empfunden wurde. Die Kategorie “praktische Handlungserfahrung” umfasste 27 % der Aussagen und beschreibt die Lernerfolge durch das Ausprobieren der Technik sowie die angestoßene Reflexion. Das “Expertengespräch” wurde von 35 % der Studierenden als elementarer Bestandteil des Kurskonzepts gewertet. Es ermöglichte den direkten Austausch mit erfahrenen Operateuren und trug zur Festigung der Praxiserfahrung sowie zur Bildung einer nachhaltigen, differenzierten Haltung gegenüber VR/AR und Robotik bei. Die Studierenden schätzten diesen Austausch mit Rollenmodellen als seltene und sehr positive Möglichkeit im Studium ein.

Ergebnisse der qualitativen Evaluation anhand semistrukturierter Interviews

Die Kategorie “Digital Literacy” machte 9 % der Aussagen aus und beschreibt die ganzheitliche Auseinandersetzung mit digitalen Fertigkeiten im Sinne eines kritischen, planvollen und kontextspezifischen Umgangs mit verfügbaren Daten. Verbesserungsvorschläge der Studierenden konzentrierten sich hauptsächlich auf den Wunsch nach längeren Unterrichtseinheiten, um mehr Zeit für Diskussionen, Expertengespräche und Praxisübungen zu schaffen und die “hands-on”-Anteile weiter zu erhöhen.

Quantitative Bestätigung: Wissen, Fertigkeiten und Haltung im Aufwind

Die quantitative Prä-post-Evaluation bestätigte die positiven Effekte des Curriculums. Sie zeigte eine signifikant positive Selbsteinschätzung des Lernerfolgs in den Teilkompetenzen Wissen (von durchschnittlich 3,08 auf 6,08 auf einer 7-stufigen Likert-Skala) und Fertigkeiten (von 2,00 auf 4,75). Auch die Haltung der Teilnehmenden verschob sich deutlich vom neutralen in den positiven Bereich (von 4,08 auf 5,83). Diese Zahlen belegen eindrucksvoll den Mehrwert des innovativen Lehrkonzepts für die Bildung des medizinischen Nachwuchses.

Ergebnisse des quantitativen Prä-post-Vergleichs der Bereiche „Wissen“, „Fertigkeiten“ und „Haltung“

Diskussion: Herausforderungen und Perspektiven der digitalen Chirurgischen Lehre

Die Bedeutung von VR- und AR-Technologien im Gesundheitssektor, sei es in Prävention, Rehabilitation oder Marketing, ist unbestreitbar. Schon 1993 erkannte der Chirurg und Militärpilot R. Satava die immense Bedeutung der Simulation für die zukünftige chirurgische Ausbildung. Das Hochschulforum Digitalisierung sah 2016 Virtual Reality und Augmented Reality als Schlüsseltechnologien, die die Weiterentwicklung der Hochschulbildung beeinflussen und deren Reifegrad für den Durchbruch erreicht sei. Die vorliegende Arbeit aus Mainz leistet einen wichtigen Beitrag, dieses Postulat im Rahmen eines konkreten Unterrichtskonzepts im Medizinstudium strukturiert zu evaluieren.

VR/AR als Schlüsseltechnologien in der Hochschulbildung

Die 35 Studierenden des Moduls 4 des Curriculums “Medizin im digitalen Zeitalter” erweiterten ihr Verständnis für Anatomie, Topografie, Simulation, Navigation und computerassistierte Chirurgie auf beeindruckende Weise. Ein Viertel der Studierenden hob hervor, dass kontextuelle Lernerlebnisse möglich sind – ein entscheidender Aspekt, um frühzeitig Nachwuchs für das Fach Chirurgie zu begeistern. Aktuelle Umfrageergebnisse zeigen, dass nur etwa 30 % der deutschen Universitätskliniken über Simulatoren zur VR-Simulation verfügen und es weitgehend unklar ist, ob diese auch curricular in der studentischen Lehre eingesetzt werden. Das in Mainz beschriebene curriculare Skills-Training in der virtuellen Realität mit seinem unmittelbaren Praxisbezug wurde in 29 % der Interviews positiv hervorgehoben. Eine Literaturanalyse bestätigt den Nutzen von VR- und Box-Trainern zur Verbesserung der Aus- und Weiterbildung und konstatiert hier eine Überlegenheit gegenüber reinen Videotrainern oder “dry laboratory simulation”. AR- und VR-Simulationsszenarien verbessern im Vergleich zur traditionellen Lehre oder Blended Learning den Wissensstand und die kognitiven Fähigkeiten der Teilnehmer in höherem Maße.

Limitationen und der stetige Wandel

Die hervorragende qualitative Evaluation sowie der subjektive Lernerfolg der quantitativen Evaluation bestätigen, dass die modulare chirurgische Ausbildung das digitale Profil der Medizinstudierenden nachhaltig stärkt. Eine klare Limitation besteht zum jetzigen Zeitpunkt jedoch im hohen Aufwand, der durch die technische Ausstattung und die personalintensive Umsetzung der praktischen Anteile entsteht. Die Digitalisierung der Chirurgie und der gesamten Medizin ist ein fundamentaler Wandlungsprozess, dessen Einfluss auf das zukünftige Berufsbild des Arztes noch nicht vollständig abschätzbar ist. Es steht jedoch fest, dass eine begleitende Ausbildung unerlässlich ist, um die Bildung des imparfait dieser Transformation zu gestalten.

Die Rolle der Haltung im Zeitalter von KI und Robotik

Zukünftig müssen Szenarien, die den Ersatz des chirurgischen Berufs durch Künstliche Intelligenz und Robotik in den Raum stellen, von den Studierenden hinterfragt und vor allem aus der Praxiserfahrung heraus mit Experten diskutiert werden. Durch diesen Dialog und in Kombination mit den Handlungserfahrungen aus VR/AR wird ein weiterer Schwerpunkt des Curriculums “Medizin im digitalen Zeitalter” gestärkt: die Vermittlung einer Haltung.

Die Reflexion der persönlichen Haltung gegenüber neuen digitalen Technologien und Medien (Virtual Reality und Augmented Reality) sowie dem weiten Themenkomplex des digitalen Wandels (Künstliche Intelligenz, Datenschutz, Ethik) spielt eine entscheidende Rolle. Dieser Aspekt wird zu einem zentralen Lernmoment, der den Studierenden einen neuen Zugang zur Materie ermöglicht. Der chirurgische Lehrer agiert dabei als Lernbegleiter. Der Erfahrungsaustausch in der Peergroup sowie mit Experten fördert eine reflexive Auseinandersetzung mit der digitalen Thematik. Das praktische Eingreifen der Studierenden bietet die Möglichkeit, Lernende aktiv in die Ausbildung einzubinden und Wissensinhalte virtuell im entsprechenden situativen und sozialen Kontext zu erleben. In weiterentwickelten Konzepten zur kollaborativen Zusammenarbeit über Distanzen können mithilfe der gewonnenen Erfahrung aus der direkten Interaktion mit den Studierenden neue Lehransätze exploriert werden. Dabei ist die Kombination von quantitativer und qualitativer Evaluation nach iterativem Prinzip Voraussetzung, um agil und genau die Bedürfnisse sowohl der Studierenden als auch der Dozierenden an die Rahmenbedingungen anzupassen und somit die kontinuierliche Bildung participe passé zu gewährleisten.

Hinsichtlich der qualitativen Evaluationsmethode lässt sich festhalten, dass diese sich insbesondere für Kurskonzepte eignet, die problemzentriertes Lernen in den Vordergrund stellen, da die Interviews auch den (kritischen) Austausch, die Positionierung und das Einordnen der Lehreinheiten in den individuellen Erfahrungskontext ermöglichen. Ihre Grenzen findet die Methode in der intersubjektiven Vergleichbarkeit beziehungsweise der objektiven Messung von Lernfortschritten. Zudem ist zu beachten, dass sich die Studierenden im Rahmen der Wahlpflichtwoche bewusst für die Teilnahme am Kurskonzept entscheiden und daher bereits ein gewisses Interesse an der Thematik bestanden haben dürfte. Die Bildung des imparfait im französischen ist zwar ein anderes Fachgebiet, aber der Prozess der kontinuierlichen und tiefgehenden Aneignung von Wissen und Fähigkeiten ist in beiden Kontexten von grundlegender Bedeutung.

Fazit: Die Zukunft der medizinischen Ausbildung ist digital

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das vorgestellte, sehr zeitgemäße, VR- und AR-basierte, modulare Lehr-Lern-Setting eine wegweisende Antwort auf die Anforderungen der digitalen Transformation in der Medizin darstellt. Die positiven Veränderungen in der Kompetenzbeurteilung – in den Bereichen Wissen, Fertigkeiten und Haltung – spiegeln die neu erworbenen Erfahrungen der studentischen Kursteilnehmer wider.

Bei der Entwicklung derartiger Curricula muss die enorme Geschwindigkeit des digitalen Veränderungsprozesses berücksichtigt und eine agile, iterative Anpassung vorgenommen werden. Die Integration dieser “chirurgisch” vermittelten digitalen Kompetenzen in das Curriculum des Medizinstudiums ist somit nicht nur eine aktuelle, sondern eine fortwährende Herausforderung, der sich die medizinische Ausbildung stellen muss. Wer in Deutschland Medizin studiert oder lehrt, wird sich zunehmend mit diesen zukunftsweisenden Technologien auseinandersetzen müssen. Es ist die Verantwortung aller Beteiligten, die nächste Generation von Medizinern bestmöglich auf diese digitale Zukunft vorzubereiten.

Wir von Shock Naue bleiben am Puls der Zeit, um Ihnen die spannendsten Entwicklungen im Bereich der digitalen Medizin und darüber hinaus aus Deutschland näherzubringen. Entdecken Sie mit uns, wie Innovationen unser Leben und unsere Professionen gestalten!

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