Roboter führt Weichteiloperationen mit minimaler menschlicher Hilfe durch

Was wäre, wenn Ihre nächste Operation von einem Roboter geplant und durchgeführt würde? Ein Team der Johns Hopkins University arbeitet daran, diese Idee in die Realität umzusetzen.

Das Konzept der roboterassistierten Chirurgie ist nicht neu:Mehrere Systeme wurden bereits entwickelt und werden zur Behandlung menschlicher Patienten eingesetzt. Ein Beispiel ist das da Vinci-Chirurgiesystem, ein laparoskopisches Gerät mit Roboterarmen, die von einem Chirurgen ferngesteuert werden. Dieses System ist nicht autonom – der Roboter führt keine chirurgischen Aufgaben selbstständig durch.

Andere Robotersysteme mit höheren Autonomiegraden wurden entwickelt, wie z. B. die TSolution One ^® , das einen Roboter verwendet, um Knochen nach einem vorgegebenen Plan präzise zu schneiden.

Vorhandene autonome Robotersysteme wurden weitgehend verwendet, um Operationen zu unterstützen, an denen hartes Gewebe beteiligt ist, wie z. B. das Bohren in Knochen für Hüft- oder Knieimplantate. Diese Systeme wurden jedoch nicht für Weichgewebeoperationen verwendet, die einzigartige Herausforderungen mit sich bringen, wie z. B. die Berücksichtigung unvorhersehbarer Gewebebewegungen, die auftreten, wenn der Patient atmet, oder Größenbeschränkungen der chirurgischen Instrumente.

Jetzt entwickeln NIBIB-finanzierte Forscher einen autonomen Roboter, der Darmoperationen mit minimaler Unterstützung durch einen Chirurgen durchführen kann. Darüber hinaus übertraf der Roboter erfahrene Chirurgen im Kopf-an-Kopf-Vergleich in vorklinischen Modellen. Eine Studie über die Entwicklung dieses Roboters, der die erste bekannte autonome laparoskopische Weichteilchirurgie darstellt, wurde kürzlich in Science Robotics veröffentlicht .

„Die Ergebnisse der Operation hängen stark von den Fähigkeiten und der Erfahrung des Chirurgen ab, und selbst eine verpasste Naht bei einer Darmoperation kann zu einem inneren Leck und einer Infektion führen“, sagte Moria Bittmann, Ph.D., Programmdirektorin in der Division of Discovery Science &Technology am National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering. „Diese vorklinische Arbeit ist ein wichtiger Schritt in Richtung autonomer Roboterchirurgie in Weichgeweben, die unabhängig vom Chirurgen für mehr Wirksamkeit und Sicherheit bei menschlichen Patienten sorgen könnte.“

Der Roboter namens STAR (für Smart Tissue Autonomous Robot) wurde von Axel Krieger, Ph.D., und seinen Kollegen an der Johns Hopkins University entwickelt. Bisher wurde der Roboter entwickelt, um unter Aufsicht und Anleitung eines Chirurgen eine Darmanastomose durchzuführen – bei der zwei Dünndarmstücke zu einem einzigen, durchgehenden Abschnitt zusammengenäht werden. Krieger erklärte, wie der Roboter das Verfahren durchführt:Nachdem der Chirurg die Geweberänder manuell freigelegt hat, nimmt STAR Bilder auf und entwickelt einen Plan für die Nahtplatzierung basierend auf der Form und Dicke des Gewebes. Sobald der menschliche Operator dem Plan zustimmt, näht STAR das Gewebe selbstständig zusammen. Wenn sich das Gewebe verformt oder einen festgelegten Schwellenwert überschreitet, fragt STAR den Chirurgen, ob ein neuer Operationsplan erstellt werden soll. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis der Roboter den gesamten Vorgang abgeschlossen hat.

„Durch die Integration neuartiger Nähwerkzeuge, Bildgebungssysteme, maschineller Lernalgorithmen und Robotersteuerungen ist das STAR-System gerüstet, um die Herausforderungen der autonomen laparoskopischen Chirurgie in Weichgeweben zu meistern“, sagte Krieger. „STAR kann eine Operationsszene visualisieren, einen Operationsplan erstellen und diese Pläne dann mit hoher Genauigkeit und Präzision ausführen.“ Er merkte jedoch an, dass STAR Chirurgen nicht ersetzen soll. „Autonome Roboter wie STAR sind so konzipiert, dass sie neben Chirurgen in den chirurgischen Arbeitsablauf integriert werden können, um die Leistung präziser, sich wiederholender Aufgaben zu verbessern und letztendlich die chirurgische Konsistenz von Patient zu Patient zu verbessern.“

Um zu bewerten, wie gut STAR im Vergleich zu erfahrenen Chirurgen abschneidet, verwendeten die Forscher „Phantom“-Darmgewebe als Modellsystem. Ein synthetischer Dünndarm wurde auf einem linearen Tisch montiert, der so programmiert war, dass er sich hin und her bewegte, was Atembewegungen simulierte, die während der Operation auftreten würden. Außerdem wurde das Phantomgewebe während dieser Experimente zufällig gedreht und verformt, was STAR oder den Chirurgen erforderte, anzuhalten, sich neu zu gruppieren und das Verfahren abzuschließen, sagte er. STAR führte das Verfahren fünfmal an Phantomgeweben durch, und vier Chirurgen führten das Verfahren auf zwei verschiedene Arten durch – zweimal mit traditioneller manueller Laparoskopie und zweimal mit einem anderen robotergestützten System.

Im Vergleich zu den erfahrenen Chirurgen hatte STAR weniger Fehler und war konsistenter in Nahtabstand und -tiefe. Als die Forscher außerdem viskose Flüssigkeit durch die resezierten Phantomdärme fließen ließen, stellten sie fest, dass der Fluss in den von STAR rekonstruierten Geweben am laminarsten (glatt und stromlinienförmig) war, was auf eine qualitativ hochwertigere Anastomose hinweist als die, die von erfahrenen Chirurgen durchgeführt wurde. P>

Schließlich wurde die Leistung von STAR in einem Großtiermodell bewertet. An fünf Schweinen wurde eine Darmanastomose durchgeführt. Bei vier der Tiere wurde das Verfahren über STAR durchgeführt, und beim fünften Tier wurde das Verfahren über herkömmliche manuelle Laparoskopie durchgeführt. Ähnlich wie bei den Phantomexperimenten machte STAR im Vergleich zum erfahrenen Chirurgen weniger Fehler. Als die Forscher außerdem analysierten, wie gut die resezierten Eingeweide sieben Tage nach der Operation verheilt waren, gab es keinen beobachtbaren Unterschied in der Wundheilung zwischen den beiden verschiedenen Operationsmethoden.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass STAR bei der Durchführung von Nähaufgaben konsistenter und genauer ist als erfahrene Chirurgen“, sagte Krieger. Er stellte fest, dass ihre Ergebnisse das Potenzial autonomer chirurgischer Robotik zur Demokratisierung der chirurgischen Versorgung aufzeigen – was zu besser vorhersagbaren und konsistenteren Patientenergebnissen führen könnte.

„Während viele zögern, eine Maschine eine spezialisierte Aufgabe ausführen zu lassen, die traditionell von einem Menschen ausgeführt wird, haben Robotersysteme das Potenzial, die Patientenergebnisse in medizinischen Einrichtungen zu verbessern“, sagte Krieger. „So wie die Öffentlichkeit den allmählichen Zustrom von Tempomaten, Fahrspurassistenten und Selbstparkfunktionen in Autos angenommen hat – was schließlich zu selbstfahrenden Autos führen wird – denke ich, dass wir einen ähnlichen Fortschritt auf dem Gebiet der medizinischen Robotik sehen werden. ”