Revolutionäres Joystick-gesteuertes Robotersystem ermöglicht ferngesteuerte Schlaganfall-Operationen

Forschende des MIT haben ein telerobotisches System entwickelt, das Chirurgen hilft, Patienten mit Schlaganfall oder Aneurysma schnell und aus der Ferne zu behandeln. Mit einem modifizierten Joystick können Chirurgen in einem Krankenhaus einen Roboterarm an einem anderen Standort steuern, um während des kritischen Zeitfensters – der sogenannten „goldenen Stunde“ – sicher zu operieren und so das Leben des Patienten zu retten und die Gehirnfunktion zu erhalten.

Magnetisch gesteuerte Präzision bei endovaskulären Eingriffen

Das Robotersystem, dessen Bewegung durch Magnete gesteuert wird, ist darauf ausgelegt, endovaskuläre Interventionen aus der Ferne zu unterstützen – ein Verfahren, das in Notfällen zur Behandlung von durch Blutgerinnsel verursachten Schlaganfällen eingesetzt wird. Normalerweise muss ein Chirurg einen dünnen Draht manuell zum Gerinnsel führen, wo er die Blockade physisch beseitigen oder Medikamente zur Auflösung verabreichen kann.

Überwindung geografischer Barrieren

Eine wesentliche Einschränkung solcher Eingriffe ist die Erreichbarkeit: Neurochirurgen sind oft an großen medizinischen Zentren ansässig, die für Patienten in ländlichen Gebieten schwer zu erreichen sind – insbesondere während der „goldenen Stunde“, dem kritischen Zeitraum nach Schlaganfallbeginn, in dem eine Behandlung erfolgen muss, um Hirnschäden zu minimieren.

Das MIT-Team stellt sich vor, dass sein Robotersystem in kleineren Kliniken installiert und von erfahrenen Chirurgen an großen medizinischen Zentren ferngesteuert werden könnte. Das System umfasst einen medizinischen Roboterarm mit einem Magneten am Handgelenk. Mithilfe eines Joysticks und Live-Bildgebung kann ein Operateur die Orientierung des Magneten anpassen und den Arm steuern, um einen weichen, dünnen magnetischen Draht durch Arterien und Gefäße zu navigieren.

Erfolgreiche Tests an einem Gehirnmodell

Die Forschenden demonstrierten das System an einem „Phantom“ – einem transparenten Modell mit Gefäßen, die die komplexen Arterien des Gehirns nachbilden. Nach nur einer Stunde Training konnten Neurochirurgen den Roboterarm fernsteuern, um einen Draht durch ein Labyrinth von Gefäßen zu Zielpositionen im Modell zu führen.

„Wir stellen uns vor, dass Patienten statt in eine Großstadt in ein lokales Krankenhaus gebracht werden, wo Pflegekräfte das System einrichten. Ein Neurochirurg in einem großen medizinischen Zentrum könnte die Live-Bildgebung des Patienten verfolgen und den Roboter in dieser goldenen Stunde bedienen. Das ist unsere Vision für die Zukunft“, sagte Xuanhe Zhao, Professor für Maschinenbau und Bau- und Umwelttechnik am MIT. Die Ergebnisse wurden in Science Robotics veröffentlicht.

Herausforderungen der endovaskulären Chirurgie

Endovaskuläre Chirurgie ist ein spezialisiertes, minimalinvasives Verfahren, bei dem ein dünner medizinischer Draht vorsichtig durch die Arterien und Gefäße des Körpers zu einem Zielort manövriert wird, ohne die Gefäßwände zu beschädigen. Das Erlernen dieser Technik erfordert jahrelanges Training.

Roboter-systeme werden als assistive Technologien in der endovaskulären Chirurgie erforscht. Bisher basieren diese Systeme 주로 auf Motoren, die den Draht vor- und zurückbewegen und dabei drehen.

„Einen Roboter mit der gleichen Raffinesse wie einen Chirurgen drehen zu lassen, ist jedoch eine Herausforderung“, erklärte Erstautor Yoonho Kim. „Unser System basiert auf einem fundamental anderen Mechanismus.“

Vom Handmagneten zum Roboterarm

Das neue System baut auf Arbeiten aus dem Jahr 2019 auf, bei denen das Team das Steuern eines magnetisch gesteuerten Fadens durch ein lebensgroßes Silikonmodell der Gehirngefäße demonstrierte – damals noch mit einem handgehaltenen Magneten von der Größe einer Suppendose.

Inzwischen wurde der Magnet am Ende eines medizinischen Roboterarms befestigt, der über einen kleinen Joystick-Knopf an einer Maus gesteuert wird. Durch Kippen des Joysticks kann der Magnet so ausgerichtet werden, dass der magnetische Draht ihm folgt. Tasten an der Maus steuern motorisierte Linearantriebe, die den Draht vor- und zurückbewegen.

Der Draht ist so dünn und flexibel wie ein herkömmlicher neurovaskulärer Führungsdraht, mit einer weichen, magnetisch ansprechbaren Spitze, die sich in Richtung eines Magnetfelds biegt.

Klinische Validierung im Katheterlabor

Das Team testete das Robotersystem im Katheterlabor des Massachusetts General Hospital – einem Operationssaal mit standardmäßiger medizinischer Bildgebung für endovaskuläre Eingriffe. Der Roboterarm wurde im Labor installiert, zusammen mit einem lebensgroßen Silikonmodell von Blutgefäßen. Der Joystick und ein Monitor mit Live-Video des Modells befanden sich in einem Kontrollraum. Von dort aus steuerte ein Operateur den Draht ferngesteuert durch die Gefäße.

Eine Gruppe von Neurochirurgen wurde im Umgang mit dem System trainiert. Nach nur einer Stunde Training konnte jeder Chirurg den Draht erfolgreich durch komplexe Gefäße steuern, die mit einem manuellen Führungsdraht schwer zu navigieren sind.

Simulierte Thrombektomie

Das Team nutzte das System auch, um simulierte Gerinnsel in schwer zugänglichen Bereichen des Modells zu entfernen. Sie führten den Führungsdraht durch Gefäße, um scharfe Ecken und Kurven herum, zu den simulierten Gerinnseln. Nach Erreichen des Gerinnsels setzten die Chirurgen standardmäßige endovaskuläre Methoden ein, um einen Mikrokatheter entlang des Drahts zur Gerinnselstelle vorzuschieben. Der Draht wurde zurückgezogen, der Katheter verblieb und wurde erfolgreich zur Entfernung des Gerinnsels eingesetzt.

„Der primäre Zweck des magnetischen Führungsdrahts ist es, den Zielort schnell und sicher zu erreichen, damit Standardgeräte wie Mikrokatheter zur Verabreichung von Therapeutika eingesetzt werden können“, sagte Kim. „Unser System ist wie ein Pfadfinder.“

Vorteile für Patienten und Chirurgen

Kim hofft, dass das teleoperierte System mehr Patienten eine zeitkritische Behandlung ermöglicht. Er sieht auch Vorteile für Chirurgen, die solche vaskulären Eingriffe normalerweise im selben Raum wie den Patienten durchführen und dabei Röntgenstrahlung ausgesetzt sind.

„Neurochirurgen können den Roboter in einem anderen Raum oder sogar in einer anderen Stadt bedienen, ohne wiederholt Röntgenstrahlung ausgesetzt zu sein“, sagt Zhao. „Wir sind wirklich begeistert von der potenziellen Wirkung dieser Technologie auf die globale Gesundheit, da Schlaganfall eine der häufigsten Todesursachen und Ursachen für langfristige Behinderungen ist.“