Joystick-gesteuerter Roboter könnte Chirurgen bei der Fernbehandlung von Schlaganfällen helfen

MIT-Ingenieure haben ein telerobotisches System entwickelt, um Chirurgen bei der schnellen und ferngesteuerten Behandlung von Patienten mit Schlaganfall oder Aneurysma zu unterstützen. Mit einem modifizierten Joystick können Chirurgen in einem Krankenhaus einen Roboterarm an einem anderen Ort steuern, um einen Patienten während eines kritischen Zeitfensters sicher zu operieren, was das Leben des Patienten retten und seine Gehirnfunktion erhalten könnte.

Das Robotersystem, dessen Bewegung durch Magnete gesteuert wird, soll aus der Ferne bei endovaskulären Eingriffen helfen – einem Verfahren, das in Notfallsituationen zur Behandlung von Schlaganfällen durchgeführt wird, die durch ein Blutgerinnsel verursacht werden. Solche Eingriffe erfordern normalerweise, dass ein Chirurg manuell einen dünnen Draht zum Gerinnsel führt, wo er die Blockade physisch beseitigen oder Medikamente verabreichen kann, um sie aufzulösen.

Eine Einschränkung solcher Verfahren ist die Zugänglichkeit:Neurovaskuläre Chirurgen sind oft in großen medizinischen Einrichtungen angesiedelt, die für Patienten in abgelegenen Gebieten schwer erreichbar sind, insbesondere während der „goldenen Stunde“ – der kritischen Zeit nach Beginn eines Schlaganfalls, in der behandelt werden sollte um Schäden am Gehirn zu minimieren.

Das MIT-Team stellt sich vor, dass sein Robotersystem in kleineren Krankenhäusern installiert und von ausgebildeten Chirurgen in größeren medizinischen Zentren ferngesteuert werden könnte. Das System umfasst einen Roboterarm medizinischer Qualität, an dessen Handgelenk ein Magnet befestigt ist. Mit einem Joystick und Live-Bildgebung kann ein Bediener die Ausrichtung des Magneten anpassen und den Arm manipulieren, um einen weichen und dünnen Magnetdraht durch Arterien und Gefäße zu führen.

Die Forscher demonstrierten das System in einem „Phantom“, einem transparenten Modell mit Gefäßen, die komplexe Arterien des Gehirns nachbilden. Mit nur einer Stunde Schulung waren Neurochirurgen in der Lage, den Arm des Roboters fernzusteuern, um einen Draht durch ein Labyrinth von Gefäßen zu führen, um Zielpositionen im Modell zu erreichen.

„Wir stellen uns vor, anstatt einen Patienten aus einer ländlichen Gegend in eine Großstadt zu transportieren, könnten sie in ein örtliches Krankenhaus gehen, wo Krankenschwestern dieses System einrichten könnten. Ein Neurochirurg in einem großen medizinischen Zentrum könnte die Live-Bildgebung des Patienten beobachten und den Roboter für die Operation in dieser goldenen Stunde verwenden. Das ist unser Traum für die Zukunft“, sagte Xuanhe Zhao, Professor für Maschinenbau und Bau- und Umweltingenieurwesen am MIT. Ihre Ergebnisse wurden in Science Robotics veröffentlicht .

Die endovaskuläre Chirurgie ist ein spezialisiertes, minimal-invasives Verfahren, bei dem ein dünner medizinischer Draht vorsichtig gedreht und durch die Arterien und Gefäße des Körpers zu einem Zielort geführt wird, so dass eine Beschädigung der Gefäßwände vermieden wird. Das Verfahren erfordert in der Regel jahrelange Ausbildung, damit ein Chirurg es meistern kann.

Robotersysteme werden als unterstützende Technologien in der endovaskulären Chirurgie erforscht. Diese Systeme umfassen hauptsächlich motorische Antriebe, die einen Draht vorschieben und zurückziehen, während er durch das Gefäßsystem des Körpers gedreht wird.

„Aber eine Roboterdrehung mit dem gleichen Grad an Raffinesse [wie ein Chirurg] zu haben, ist eine Herausforderung“, sagte der Hauptautor Yoonho Kim. „Unser System basiert auf einem grundlegend anderen Mechanismus.“

Das neue System des Teams baut auf Arbeiten aus dem Jahr 2019 auf, in denen sie demonstrierten, wie sie einen magnetisch gesteuerten Faden durch ein lebensgroßes Silikonmodell der Blutgefäße des Gehirns steuern. Sie taten dies damals mit einem handgehaltenen Magneten, etwa so groß wie eine Suppendose, den sie manuell manipulierten.

Seitdem haben sie den Magneten am Ende eines medizinischen Roboterarms befestigt, der mit einem kleinen Joystick-Knopf an einer Maus gesteuert werden kann. Durch Kippen des Joysticks können die Forscher den Magneten in eine Richtung kippen, der ein Magnetdraht folgen kann. Tasten auf der Maus steuern eine Reihe von motorisierten Linearantrieben, die den Draht vor- und zurückziehen, um ihn vorwärts und rückwärts zu bewegen.

Der Draht ist so dünn und flexibel wie ein herkömmlicher neurovaskulärer Führungsdraht, mit einer weichen, magnetisch reagierenden Spitze, die einem Magnetfeld folgt und sich in dessen Richtung biegt.

Das Team testete das Robotersystem im Katheterlabor des Massachusetts General Hospital – einem Operationssaal mit standardmäßiger medizinischer Bildgebungsausrüstung, die bei endovaskulären Verfahren verwendet wird. Die Forscher installierten den Roboterarm zusammen mit einem lebensgroßen Silikonmodell von Blutgefäßen im Labor. Sie platzierten den Joystick zusammen mit einem Monitor, der ein Live-Video des Modells anzeigte, in einem Kontrollraum. Von dort aus sah sich ein Bediener das Video an, während er mit dem Joystick das Kabel aus der Ferne durch die Schiffe steuerte.

Das Team schulte eine Gruppe von Neurochirurgen in der Verwendung des Robotersystems. Nach nur einer Stunde Schulung war jeder Chirurg in der Lage, das System erfolgreich zu bedienen, um den Draht durch komplexe Gefäße zu führen, die mit einem manuellen Führungsdraht schwer zu navigieren sind.

Das Team verwendete das Robotersystem auch, um simulierte Blutgerinnsel in schwer zugänglichen Bereichen des Modells zu beseitigen. Sie steuerten den Führungsdraht durch Gefäße und um scharfe Ecken und Kurven, um Regionen zu erreichen, in denen die Forscher Blutgerinnsel simulierten. Sobald sie den Draht zum Gerinnsel geführt hatten, fuhren die Chirurgen mit endovaskulären Standardmethoden fort, um einen Mikrokatheter entlang des Drahtes bis zur Stelle des Gerinnsels zu führen. Sie zogen den Draht zurück und ließen den Katheter zurück, den sie dann anlegten, um das Gerinnsel erfolgreich zu entfernen.

„Der Hauptzweck des magnetischen Führungsdrahts besteht darin, schnell und sicher zum Zielort zu gelangen, sodass Standardgeräte wie Mikrokatheter zur Verabreichung von Therapeutika verwendet werden können“, sagte Kim. „Unser System ist wie ein Pfadfinder.“

Er hofft, dass das teleoperierte System dazu beitragen kann, dass mehr Patienten eine zeitkritische Behandlung erhalten. Er sieht auch Vorteile für Chirurgen, die solche Gefäßeingriffe normalerweise im selben Raum wie der Patient durchführen, während sie der Strahlung der Röntgenbildgebung ausgesetzt sind.

„Die Neurochirurgen können den Roboter in einem anderen Raum oder sogar in einer anderen Stadt betreiben, ohne sich wiederholt Röntgenstrahlen aussetzen zu müssen“, sagt Zhao. „Wir sind wirklich begeistert von den potenziellen Auswirkungen dieser Technologie auf die globale Gesundheit, da Schlaganfälle eine der Hauptursachen für Todesfälle und langfristige Behinderungen sind.“