Multidimensionale Formate chirurgischer Anatomie in der studentischen Ausbildung der HNO-Heilkunde – ein Effektivitätsvergleich

Während des Sommersemesters 2022 und des Wintersemesters 2022/2023 wurde das digitale Lehr- und Lernprogramm an der medizinischen Fakultät einer Universitätsmedizin erweitert. Diese Studie wurde in einem prospektiven Design als Single-Center-Studie durchgeführt. Während regulärer Blockpraktika wurden die Studierenden, nach vorheriger Ankündigung und Vorstellung der Studie, zufällig 3 verschiedenen Gruppen zugewiesen: 3‑D-Gruppe, Cardboard-Gruppe oder VR-Brillen-Gruppe.

Bei der Cochleaimplantation, einem hochgradig standardisierten Eingriff, erfolgen die Präparationen anhand speziell definierter chirurgisch-anatomischer Landmarken an Patienten mit anatomisch-topografisch gesunden Felsenbeinen. Aufgrund von wiederkehrenden anatomischen Bezugspunkten eignet sich dieser Eingriff besonders gut für die Wissensstandserhebungen. Vor Beginn der Operation (Op.) gaben die betroffenen Patienten ihr schriftliches Einverständnis für die anonymisierte Übertragung von Op.-Videos zu Ausbildungszwecken.

Die 3‑D-Gruppe verfolgte die mikrochirurgische Op. direkt im Operationssaal (OP). Wie bereits in vorangegangenen Arbeiten der Autoren beschrieben, wurde innerhalb des Saals die Op. mit einem volldigitalen Op.-Mikroskop (ARRISCOPE Evo2 ENT, Fa. MSI, München, Deutschland) mit der Fähigkeit, ein 2‑D- und ein 3‑D-Bild zu übertragen, demonstriert. Operateur und Studierende betrachteten den exakt identischen Bildausschnitt des Op.-Felds. Während der Operateur die Sicht durch ein digitales Binokular hat, wurden den Studierenden die Live-Bilder auf 65-Zoll-3-D-Displays (LG 65EF9509, Fa. LG Electronics, Seoul, Republik Korea) präsentiert. Die Displays waren so positioniert, dass alle Studierenden einen direkten Blick, ohne Blickwinkelverzerrungen, auf den Bildschirm hatten. Alle Teilnehmer sahen die chirurgischen Eingriffe in 3‑D mit 4‑K-Qualität durch passive, polarisierte 3‑D-Brillen (Fa. Schleiter & Jauernig, Hamburg, Deutschland) in audiovisueller Echtzeit [7, 10].

Die Cardboard- und VR-Brillen-Gruppe verfolgten die zuvor aufgezeichnete mikrochirurgische Op. in High-Definition(HD)-Qualität. Im OP wurde der Eingriff mit einem volldigitalen 3‑D-Op.-Mikroskop (ARRISCOPE Evo2 ENT, MSI, München, Deutschland) aufgezeichnet. Der Chirurg war mit einem digitalen drahtlosen Taschensender (GLXD1, Fa. Shure, Niles, USA) ausgestattet, der mit einem Rackmount-Empfänger (GLXD4R, Fa. Shure, Niles, USA) verbunden war. Das Mikrofon war empfindlich genug, um die intraoperativen Diskussionen und Entscheidungsfindungen des gesamten Teams an die Studierenden zu übertragen. Die Audiospur des Rackmount-Empfängers sowie die Videospur des Op.-Mikroskops wurden mit einem Broadcast-Switcher (ATEM Mini, Fa. Blackmagic Design Pty Ltd, Victoria, Australien) verbunden, der an ein Konferenzraumsystem (Avaya Scopia XT7100, Fa. Avaya, Santa Clara, CA, USA) angeschlossen war. Tonspur und Videomaterial wurden über eine LAN-Schnittstelle („local area network“) an einen Mediendienstleister (Fa. Pripares, München, Deutschland) übertragen. Die Daten wurden vom Dienstleister umgewandelt und anschließend in 4‑K-HD-Qualität über einen eigenen Kanal im 3‑D-Format („side-by-side“) auf YouTube (Fa. Google LLC, Mountain View, USA) online gestellt [7, 10]. Die Studierenden der Cardboard- und VR-Brillen-Gruppe konnten die zuvor aufgezeichnete Op. in selbstausgewählter Geschwindigkeit sehen und hatten die Möglichkeit, das Video zu unterbrechen, um Abschnitte zu wiederholen.

Der Cardboard-Gruppe wurde ein faltbares Cardboard-VR-Headset (Fa. Silicon Foldable VR, Guangzhou, China) ausgeteilt, welches aus einem Plastikrahmen mit einem Smartphone-Einschub, der vor 2 optischen konvexen Linsen eingebracht ist, besteht. Das Smartphone fungiert als Bildschirm mit Bewegungssensoren (Gyroskope und Beschleunigungssensoren). Eine Smartphone-App erkennt die 3‑D-Quelle aus dem OP-Stream und stellt diese als Side-by-Side-Bild dar. Der Benutzer schaut durch die Linsen und bekommt ein vergrößertes Bild für jedes Auge separat angezeigt. Durch die Darstellung der 2 leicht divergierenden Bilder aus der mikroskopischen Aufnahme entsteht eine stereoskopische Wahrnehmung der Umgebung und damit ein 3‑D-Bild.

Die Studierenden der VR-Brillen-Gruppe erhielten eine Brille während der Lehreinheit (Pico G2 4K, Fa. ByteDance, Peking, China). Das Funktionsprinzip der VR-Brille ist mit dem des Cardboards vergleichbar, wobei Bildschirm, Bewegungssensoren sowie die Audioquellen in der Brille fest verbaut sind und eine freihändige Bedienung sowie Interaktion mit der virtuellen Umgebung mit einer Fernbedienung möglich ist. Die VR-Brille wird in dieser Studie nicht im eigentlichen VR-Sinn, sondern als 3‑D-Visualisierungs-Tool verwendet.

Zur Ermittlung des Wissensstands mussten alle Studierenden vor der Teilnahme an der Studie (präinterventionell) 11 anatomische Strukturen an Op.-Bildern mit Multiple-Choice-Fragen richtig zuordnen. Die Op.-Bilder wurden auf der Online-Plattform ILIAS (ILIAS Open Source E‑learning e. V., Köln, Deutschland) bereitgestellt. Das Open-Source-Produkt ILIAS ist ein frei verfügbares Learning-Management-System für die internetbasierte Bereitstellung von Lehr- und Lernmaterialien und ist sowohl im universitären Bereich wie auch von Unternehmen etabliert. Nach Ermittlung des Wissensstands nahmen die Studierenden an der Op. mit dem zuvor jeweils zufällig zugeteilten Tool teil. Anschließend erfolgte nach Abschluss der Op. (postinterventionell) die Wissensstandskontrolle durch erneute Zuordnung der 11 anatomischen Strukturen an den gleichen Op.-Bildern wie vor der Op. Zu den zu kennzeichnenden anatomischen Strukturen gehörten: Mastoidzellen, horizontaler Bogengang, Sinus sigmoideus, Dura zur mittleren und hinteren Schädelgrube, Chorda-Fazialis-Winkel, Verlauf des N. facialis, Chorda tympani, rundes Fenster, Amboss, Promontorium und Eminentia pyramidalis.

Nach Abschluss der auf dem jeweiligen Tool gezeigten Op. wurden die Studierenden gebeten, einen Evaluationsbogen auszufüllen, der ebenso auf ILIAS bereitgestellt wurde (Tab. 1). Die 11 Fragen waren auf einer 5‑Punkte-Likert-Skala zu beantworten (1: „trifft zu“, 2: „trifft eher zu“, 3: „trifft teilweise zu“, 4: „trifft eher nicht zu“, 5: „trifft nicht zu“ und 6: „keine Antwort möglich“). Die Überprüfung der Qualitätsmerkmale (Video, Audio, Verbindungstabilität zum Stream, Verständlichkeit der intraoperativen Prozesse und Interaktionsmöglichkeit mit dem Operateur) erfolgte durch eine Ratingskala mit Abstufungen von sehr gut (1) bis mangelhaft (6).

Boeker und Klar beschrieben als Voraussetzung für eine erfolgreiche Implementierung von digitaler Lehre und Simulation die allumfängliche und sofortige Integration dieser Formate in die Curricula der Lehreinrichtungen [24]. Betrachtet man dieses Postulat im Kontext der Verwendung von virtueller Realität und 3‑D-Visualisierungssystemen, so zeigt sich eine durch strukturelle Versäumnisse der Vergangenheit entstandene Diskrepanz zwischen den formulierten Zielen der Schaffung einer digitalen Lehrumgebung und den Kapazitäten der Lehreinrichtungen, solche in ausreichend großem Format und Qualität in den Lehralltag frühzeitig zu integrieren [25]. Zwar hat die COVID-19-Pandemie als Katalysator die digitale Transformation vorangetrieben, aber der Rückschritt zum „business as usual“ in der Lehre ist weiterhin sehr verlockend. Daher spielen VR-Simulationen und 3‑D-Systeme zwar zunehmend eine Rolle, jedoch kommen diese aktuell flächendeckend über den Status singulärer Lehrprojekte bisher nicht hinaus [4, 26]. Entscheidungsträger müssen evident von der Notwendigkeit der Verwendung solcher Systeme unter Einhaltung des Prinzips der finanziellen Verhältnismäßigkeit überzeugt werden. Betrachtet man daher die in dieser Studie verwendeten VR-/3-D-Visualisierungssysteme, erscheint die genauere Analyse der Vor- und Nachteile im direkten Vergleich von zentraler Bedeutung. Die Verwendung von 3‑D über passive Brillen im OP kann in dieser Studie als eine statische Methode verstanden werden, da es das Paradigma des Unterrichts in der Klinik unangetastet belässt. Die Studierenden benötigen hierbei keine eigene Hardware, und die Einweisung in die Technologie ist für die Zuschauenden selbsterklärend. Einschränkungen ergeben sich hierbei v. a. durch die personellen Kapazitäten des OP und die vorhandene Menge an 3‑D-Brillen. Zudem muss sichergestellt werden, dass die Zuschauer in einem entsprechenden (limitierten) Betrachtungswinkel den Monitor einsehen können, um eine perfekte 3‑D-Visualisierung zu gewährleisten, was wiederum die Anzahl der Betrachter einschränken kann.

VR-Brillen sowie Cardboards sind im Vergleich mobile Systeme, die für eine große Anzahl an Studierenden örtlich sowie zeitlich flexibel angeboten werden können. Die Möglichkeit der selbstständigen Unterbrechung der Videos und der mehrfachen Wiederholung ist ein großer Vorteil der beiden Gruppen. Aktuelle Studien bestätigen gerade die Wichtigkeit einer erfolgreichen Etablierung von digitalen Lehrmethoden, die sich durch Ungebundenheit in Ort und Zeit charakterisieren [8, 10, 22, 23]. Die Teilnehmenden der Cardboard-Gruppe haben teils von zu Hause der Op. beigewohnt. Es gab allerdings eine Vielzahl der Studierenden an, dass es ihnen nicht möglich war, die gesamte Op. zu verfolgen. Die Visualisierung führte teils zu Müdigkeit, Kopfschmerzen und Übelkeit, sodass die Teilnahme an der Op. unterbrochen oder sogar vollständig beendet werden musste. Dies war bei den qualitativ hochwertigeren VR-Brillen nicht der Fall, allerdings dauerte hier die Einweisung in die Geräte und die Konfiguration der Netzwerkeinstellungen länger. Dies führte häufig, trotz standardisierter schriftlich verfasster Gebrauchsanleitung, zu Rückfragen und damit Bindung von personellen Ressourcen. Studierende, die VR-Brillen trugen, berichteten außerdem von verstärkter Hitzeentwicklung mit Bildung von Kondensat auf den Linsen, die zur Einschränkung der Bildqualität führte. Whang et al. haben die Auswirkung von Hitzeentwicklung auf das subjektive Wohlbefinden bei Verwendung von VR-Brillen untersucht und stellten einen durchschnittlichen Temperaturanstieg von 7,8 °C mit deutlicher Verschlechterung des Bildleistung durch Kondensat bei Verwendung der Brillen über 45 min fest. Hierbei zeigte sich eine Korrelation zwischen dem Temperaturanstieg und der Abnahme des subjektiven Wohlbefindens der Benutzer [27]. Zieht man hingegen eine Studie der Arbeitsgruppe von Schnakenburg et al. hinzu so gaben von 177 Teilnehmern bei Nutzung einer VR-Brille im Kontext eines Mittelohrmodells in der quantitativen Evaluation insgesamt 2 Studierende Kopfschmerzen an, und 10 berichteten von Übelkeit oder Schwindel. Die Nutzdauer betrug hierbei lediglich 15 min [14]. Betrachtet man die Nutzungsdauer von etwa 90 min in der vorliegenden Studie, so sind negative Auswirkungen auf die Performance der VR-Brille/Cardboard und das subjektive Wohlbefinden anzunehmen. Die Bewertungen der qualitativen Merkmale der 3 Visualisierungssysteme in der Evaluation bestätigt diese Annahme. So wird die Videoqualität bei den Cardboards und VR-Brillen signifikant schlechter als bei der Verwendung von 3‑D-Brillen im OP bewertet. Insgesamt müssen daher die Lehreinheiten bei Verwendung dieser mobilen 3‑D-Visualisierungssysteme inhaltlich vollständig und zeitlich so kurz wie möglich konzipiert sein, damit die Vorteile der zeitlich und örtlich unabhängigen Verwendung den Nachteilen einer sinkenden Performance bei längerer Nutzungsdauer überwiegen. Dies erscheint als deutlicher Nachteil dieser beiden Systeme im Vergleich zur OP-Gruppe. Die Qualitätskriterien Audioqualität, Verbindung und Verständlichkeit war bei allen 3‑D-Medien ähnlich. Bezüglich der Wissensstandserhebung zeigte sich ein signifikanter Anstieg der korrekt identifizierten Strukturen von prä- zu postinterventionell bei allen 3‑D-Medien. Auch untereinander zeigten sich keine gravierenden signifikanten Unterschiede postinterventionell. Dies bestätigt, wie bereits auch in verschiedenen vorherigen Untersuchungen in der Klinik der Autoren nachgewiesen, dass sich die Vermittlung von Wissensinhalten für das Fachgebiet der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde aufgrund von exzellenten Visualisierungsmöglichkeiten trotz der genannten Nachteile mit den mobilen VR-Brillen und Cardboards sehr gut bewerkstelligen lassen [8, 10, 14].

Die Einführung digitaler Lehrmethoden kann sowohl finanzielle Herausforderungen als auch Einsparungspotenziale mit sich bringen. Die Kosten für die Cardboards betragen durchschnittlich zwischen 2 und 5 € und liegen für die VR-Brillen im Bereich von 150–600 €. Finanziell ergaben sich somit allein durch die Anschaffungskosten und ggf. Wartungskosten besonders der VR-Brillen messbare Unterschiede im Vergleich zur „konventionellen“ Lehre. In der Evaluation zeigte sich die Zahlbereitschaft der Studierenden eher gering. Nur 6,6 % der Studierenden wären bereit, für das Streamingangebot der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde mit Cardboards oder VR-Brillen Geld zu zahlen. Es kann vermutet werden, dass bei einer Kohorte mit Studierenden, welche plant, ihre Weiterbildungszeit in der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde zu absolvieren, ähnlich wie auch bei bereits aktiven Weiterbildungsassistenten der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde, die Zahlungsbereitschaft höher ist, da diese höher motiviert sind und ein spezialisierteres Wissen benötigen, um auch chirurgisch-operative Fähigkeiten erlernen zu können [28]. Die langfristigen Vorteile wie erhöhte Flexibilität, verbesserte Lernerfahrungen, Personalentlastung in der Lehre und die Anpassung an moderne Lehrmethoden könnten die anfänglichen Investitionen und laufenden Kosten rechtfertigen.

Zudem ist anzunehmen, dass bei einem potenziellen zukünftigen Einsatz der Technologie im Rahmen der kontinuierlichen medizinischen Weiterbildung (CME) eine erhöhte Zahlungsbereitschaft besteht, da sich diese mit Verdienstausfall bzw. Reisekosten decken würden.

Die Einführung digitaler Lehrmethoden kann technische Herausforderungen mit sich bringen, die es zu bewältigen gilt. So müssen eine funktionierende Hardware und eine stabile bzw. zuverlässige Internetverbindung vorhanden sein, um einen reibungslosen Ablauf zu ermöglichen. Datenschutz und Sicherheit sind bei der digitalen Lehre von höchster Bedeutung. Der unangemessene Umgang mit sensiblen Daten kann zu Problemen führen. Lehrinstitutionen und Lehrende sollten sicherstellen, dass persönliche Informationen der Lernenden, aber v. a. auch Patienten angemessen geschützt werden. Es ist wichtig, die Zustimmung für die Verwendung persönlicher Daten einzuholen und transparent darüber zu sein, welche Daten gesammelt und wie sie verwendet werden. Den Zugang zu digitalen Lernplattformen und -ressourcen gilt es zu kontrollieren, um sicherzustellen, dass nur autorisierte Personen darauf zugreifen können. Bei der Kommunikation zwischen Lehrenden und Studierenden sollten sichere Kanäle verwendet werden, um die Privatsphäre zu schützen. Es sollte eine klare Richtlinie darüber geben, wie lange die gesammelten Daten aufbewahrt werden und wann sie sicher gelöscht werden. Lehrinstitutionen müssen die Datenschutzgesetze und -vorschriften, die in ihrer Region gelten, genau befolgen. Dies kann die Einhaltung von Gesetzen wie der Datenschutz-Grundverordnung (DSGVO) in der Europäischen Union oder anderen regionalen Datenschutzbestimmungen umfassen. Die Bewältigung von technischen Problemen erfordert eine Kombination aus angemessener Schulung, technischer Unterstützung, flexibler Planung und der Auswahl robuster bzw. benutzerfreundlicher Plattformen. Es ist wichtig, dass Bildungseinrichtungen Ressourcen und Strategien bereitstellen, um diese Herausforderungen zu bewältigen und somit eine reibungslose digitale Lehrerfahrung zu gewährleisten [23].

Laut Hodges et al. sind die Grundprinzipien einer erfolgreichen medizinischen Lehre u. a. gekennzeichnet durch klare Struktur, Feedback-Möglichkeiten und Authentizität [29].

Die fehlende Feedback-Funktion in der VR-/Cardboard-Gruppe wurde bereits als Limitation der 3‑D-Visualisierungsformate genannt. Für die Einhaltung der von Hodges postulierten Prinzipien müssen daher in Zukunft technische Alternativen evaluiert werden. Hierbei wurden bereits erste erfolgreiche Versuche mit einer Spracherkennungssoftware durchgeführt.

Die Methode ist durch die Notwendigkeit einer stabilen Internetverbindung eingeschränkt. Die Erfassung des Lernerfolgs hängt außerdem von den individuellen Kenntnissen des jeweiligen Studierenden ab. Die Identifizierung von anatomischen Landmarken bei der Durchführung einer Cochleaimplantation eignen sich insgesamt sehr gut für eine standardisierte Wissensstandserhebung. Allerdings handelt es sich hier nur sehr bedingt um Wissen, das von Medizinstudierenden erwartet werden kann. Auch wenn die Studierenden Grundzüge im Vorfeld durch die Vorlesungen oder das E‑Learning-Programm übermittelt bekommen haben, ist dies hauptsächlich Wissen für die fachärztliche Weiterbildung und kann als limitierend für diese Studie angesehen werden. Die vorliegende Studie war jedoch eher im Sinne eines methodischen Ansatzes konzipiert.