Autonome Roboter-Chirurgen: Weichgewebe-Operationen mit minimaler menschlicher Intervention

Was, wenn Ihre nächste Operation von einem Roboter geplant und durchgeführt wird? Ein Team der Johns Hopkins University arbeitet daran, diese Vision Realität werden zu lassen.

Stand der roboterassistierten Chirurgie

Das Konzept roboterassistierter Chirurgie ist nicht neu: Mehrere Systeme sind bereits entwickelt und werden an menschlichen Patienten eingesetzt. Ein Beispiel ist das da Vinci Surgical System, ein laparoskopisches Gerät mit Roboterarmen, die von einem Chirurgen ferngesteuert werden. Dieses System ist nicht autonom – der Roboter führt keine chirurgischen Aufgaben eigenständig aus.

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

Bestehende autonome Robotersysteme wurden weitgehend bei Hartgewebe-Operationen eingesetzt, wie Bohren in Knochen für Hüft- oder Knieimplantate. Für Weichgewebe-Operationen, die einzigartige Herausforderungen bergen – unvorhersehbare Gewebebewegungen durch Atmung, Größenbeschränkungen chirurgischer Instrumente –, wurden sie bisher nicht genutzt.

STAR: Autonome Darmchirurgie im präklinischen Modell

Nun entwickeln NIBIB-geförderte Forschende einen autonomen Roboter, der Darmchirurgie mit minimaler Assistenz eines Chirurgen durchführen kann. Der Roboter übertraf Expertenchirurgen im direkten Vergleich in präklinischen Modellen. Eine Studie zur Entwicklung dieses Roboters, die die erste bekannte autonome laparoskopische Weichgewebechirurgie demonstriert, wurde kürzlich in Science Robotics veröffentlicht.

„Operationsergebnisse hängen stark von der Erfahrung und dem Können des Chirurgen ab, und bereits ein verpasster Stich bei einer Darmoperation kann zu internen Leckagen und Infektionen führen“, sagte Moria Bittmann, Ph.D., Programmdirektorin am National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering. „Diese präklinische Arbeit ist ein wichtiger Schritt hin zu autonomer robotischer Chirurgie an Weichgeweben, die erhöhte Wirksamkeit und Sicherheit bei menschlichen Patienten bieten könnte – unabhängig vom Chirurgen.“

Funktionsweise von STAR

Der Roboter namens STAR (Smart Tissue Autonomous Robot) wurde von Axel Krieger, Ph.D., und Kollegen an der Johns Hopkins University entwickelt. Bisher ist STAR auf die Darm Anastomose spezialisiert – das Vernähen zweier Dünndarmstücke zu einem durchgehenden Abschnitt – unter Aufsicht und Anleitung eines Chirurgen. Krieger erläuterte den Ablauf: Nachdem der Chirurg die Gewebekanten manuell freigelegt hat, nimmt STAR Bilder auf und erstellt basierend auf Form und Dicke des Gewebes einen Plan für die Nahtplatzierung. Nach Freigabe durch den menschlichen Operateur näht STAR das Gewebe autonom zusammen. Verformt oder bewegt sich das Gewebe über einen Schwellenwert hinaus, fragt STAR den Chirurgen, ob ein neuer chirurgischer Plan erstellt werden soll. Dieser Prozess wiederholt sich, bis der Roboter den gesamten Eingriff abgeschlossen hat.

„Durch die Integration neuartiger Nahtwerkzeuge, Bildgebungssysteme, Machine-Learning-Algorithmen und Robotersteuerungen ist das STAR-System gerüstet, die Herausforderungen autonomer laparoskopischer Weichgewebschirurgie zu meistern“, sagte Krieger. „STAR kann eine chirurgische Szene visualisieren, einen chirurgischen Plan generieren und diese mit hoher Genauigkeit und Präzision ausführen.“ Er betonte jedoch, dass STAR Chirurgen nicht ersetzen soll. „Autonome Roboter wie STAR sind dafür konzipiert, in den chirurgischen Workflow neben Chirurgen integriert zu werden, die Leistung bei präzisen, repetitiven Aufgaben zu verbessern und letztlich die chirurgische Konsistenz von Patient zu Patient zu steigern.“

Vergleich mit Expertenchirurgen

Zur Bewertung nutzten die Forschenden „Phantom“-Darmgewebe als Modellsystem. Ein synthetischer Dünndarm war auf einer linearen Bühne montiert, die hin- und herbewegt wurde, um Atembewegungen zu simulieren. Zusätzlich wurde das Phantom-Gewebe zufällig rotiert und deformiert, was STAR oder den Chirurgen zwang, zu pausieren, neu zu gruppieren und den Eingriff fortzusetzen. STAR führte den Eingriff fünfmal an Phantom-Geweben durch, vier Chirurgen führten ihn jeweils zweimal durch – einmal mit traditioneller manueller Laparoskopie, einmal mit einem anderen roboterassistierten System.

Im Vergleich zu Expertenchirurgen machte STAR weniger Fehler und war konsistenter in Nahtabstand und -tiefe. Zudem war der Fluss viskoser Flüssigkeit durch die resezierten Phantom-Därme bei STAR am laminarsten (glatt und strömungsgünstig), was auf eine höhere Anastomose-Qualität hindeutete.

Validierung im Großtiermodell

Schließlich wurde STARs Leistung an einem Großtiermodell evaluiert. Darm-Anastomosen wurden an fünf Schweinen durchgeführt: vier via STAR, eines via traditioneller manueller Laparoskopie. Ähnlich wie bei den Phantom-Experimenten machte STAR weniger Fehler als der Experte. Bei der Analyse der Wundheilung sieben Tage postoperativ zeigte sich kein beobachtbarer Unterschied zwischen den beiden Methoden.

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass STAR bei Nahtaufgaben konsistenter und präziser ist als Expertenchirurgen“, sagte Krieger. Er merkte an, dass die Ergebnisse das Potenzial autonomer chirurgischer Robotik demonstrieren, chirurgische Versorgung zu demokratisieren – was zu vorhersehbareren und konsistenteren Patientenergebnissen führen könnte.

„Viele mögen zögern, einer Maschine eine spezialisierte Aufgabe anzuvertrauen, die traditionell von Menschen ausgeführt wird, doch robotische Systeme haben das Potenzial, Patientenergebnisse in medizinischen Settings zu verbessern“, sagte Krieger. „Genauso wie die Öffentlichkeit schrittweise Tempomat, Spurhalteassistent und Einparkautomatik im Auto akzeptiert hat – was schließlich zum autonomen Fahren führt –, werden wir eine ähnliche Entwicklung im Bereich medizinischer Robotik sehen.“