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CHIRURGIE/411: Schlüssellochchirurgie - Schonendes Operieren mit innovativer Robotertechnik (DFG)


forschung 2/2009 - Das Magazin der Deutschen Forschungsgemeinschaft

MiroSurge - eine robotische Plattform für die endoskopisch-chirurgische Forschung

Von Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hirzinger und Dipl.-Ing. Ulrich Hagn


Bereits vor über 10 Jahren wiesen führende Marktanalysten wie McKinsey auf das Potenzial der minimal invasiven (Schlüsselloch-)Chirurgie (MIC) hin. Das schonende Operieren durch sehr kleine Schnitte mittels spezieller stabförmiger Instrumente gilt als schonend für den Patienten, aber auch als große Herausforderung für den Chirurgen hinsichtlich der Ergonomie. Vor allem der sogenannte Chopstick-Effekt (abgeleitet von den chinesischen Essstäbchen) schränkt dabei das intuitive Arbeiten ein. Die Beweglichkeit der langen Instrumente wird durch den Einstichpunkt in der Körperhülle begrenzt. So werden einige Bewegungen in ihrer Richtung umgekehrt, maßstäblich reduziert und darüber hinaus 2 Freiheitsgrade blockiert. Dies führt zu unnatürlichen und vergleichsweise großräumigen Armbewegungen des Chirurgen, der sich am Videobild des Endoskops orientiert. Dieses wird typischerweise neben zwei Instrumenteneinstich-Punkten durch einen dritten Einstich-Punkt (z.B. im Bauchnabel) in den Körper eingeführt.


Das DLR MiroSurge System, ein modulares Robotersystem für die endoskopische Chirurgie - Foto: DLR/Institut für Robotik und Mechatronik

Das DLR MiroSurge System, ein modulares Robotersystem für die endoskopische Chirurgie
Foto: DLR/Institut für Robotik und Mechatronik


Im klassischen Fall wird dieses Endoskop von einem zweiten Arzt den Instrumenten-Spitzen des operierenden Chirurgen nachgeführt, so dass dieser sein Operationsgebiet immer gut im Blick hat. Obgleich also diese für den Patienten i. A. sehr schonenden und die Genesung verkürzenden Techniken sich langsamer als vorausgesagt durchsetzen, gehen viele Chirurgen davon aus, dass das soeben zu Ende gegangene Jahrhundert nicht nur den Beginn der Chirurgie überhaupt markiert, sondern vor allem auch durch die große, traumatische Körperöffnung charakterisiert ist, während das neue Jahrhundert der minimal invasiven Chirurgie den breiten Durchbruch verschaffen wird. Entscheidender Schlüssel dafür sind Mechatronik- und Robotik-Systeme, die dem Chirurgen über sog. Telepräsenz-Techniken das realistische Gefühl vermitteln, am offenen Körper zu operieren, wobei er aber vergleichsweise entspannt am sog. Operationspult sitzt (statt angestrengt und ggf. stundenlang über einen Patienten gebeugt zu stehen).


Foto: DLR/Institut für Robotik und Mechatronik

Foto: DLR/Institut für Robotik und Mechatronik


Der Telepräsenzansatz

Bereits Mitte der 90er Jahre erkannten Forschergruppen die Möglichkeiten der Telerobotik für den Einsatz in der minimal invasiven Chirurgie. Dabei wird gewissermaßen das Instrument in der Mitte durchgeschnitten und sein funktionales Ende an einem Roboter, der Handgriff an einer Eingabestation befestigt.
Als erste Entwicklungen auf diesem Gebiet sind vor allem das ARTEMIS System des Forschungszentrums Karlsruhe (FZK) oder das amerikanische ZEUS System von Computer Motion Control anzusehen. Heute feiert vor allem das da Vinci Surgical System von Intuitive Surgical große Erfolge im Bereich der Urologie.
Das DLR arbeitet im Rahmen verschiedener DFG-Projekte an dem innovativen Telepräsenzsystem MiroSurge. Grundkomponente des Systems ist der Medizinroboter MIRO, ein gänzlich auf chirurgische Anwendungen zugeschnittener Roboterarm in Leichtbauweise. Der dem menschlichen Arm nachempfundene Aufbau (mit sieben Gelenken statt der bei Industrierobotern üblichen sechs) erlaubt ein flexibles Positionieren im OP-Saal, der Roboter passt sich den dortigen räumlichen Gegebenheiten an.


Der DLR MIRO Leichtbauroboter für chirurgische Applikationen - Foto: DLR/Institut für Robotik und Mechatronik

Der DLR MIRO Leichtbauroboter für chirurgische Applikationen
Foto: DLR/Institut für Robotik und Mechatronik


Durch seine "kinematische Redundanz" ist ein Umkonfigurieren des Arms möglich (z.B. bei drohenden Kollisionen), ohne dass die Instrumentenspitze ihre räumliche Lage verändert und die Operation unterbrochen werden muss. Durch die intelligente Sensorik ist dies z.B. durch einfaches Anfassen des Roboters an der Struktur möglich, der Roboter folgt feinfühlig den Vorgaben des OP-Personals. Darüber hinaus können Kollisionen zwischen Roboter und Umgebung schnell detektiert und sicher behandelt werden - eine Beschädigung von OP-Ausrüstung oder eine Gefährdung des Patienten ist dadurch ausgeschlossen. Aufgrund seines geringen Gewichts von 10 kg kann der Roboter von einer Person auf- und abgebaut werden, dies reduziert die Rüstzeit und somit die Kosten.


Foto: DLR/Institut für Robotik und Mechatronik

Foto: DLR/Institut für Robotik und Mechatronik


Bei der Anordnung der Robotergelenke und der Auslegung der Armsegmente des Roboters wurde eine Vielzahl möglicher Operationen über offene oder minimal invasive Chirurgie berücksichtigt (Herz- und Bauchchirurgie, Setzen von Schrauben in der Wirbelsäule etc.). Dadurch ist sichergestellt, dass der Roboterarm für ein breites Spektrum von chirurgischen Anwendungen einsetzbar und amortisierbar ist. Auch zu diesem Zweck wurde eine bewusst einfache und in Zukunft offene Schnittstelle für Instrumente entwickelt, wodurch unterschiedliche Instrumentenhersteller den Roboterarm als Plattform nutzen können. Es ist zu erwarten, dass dadurch schnell ein großes Spektrum an chirurgischem Instrumentarium zur Verfügung steht. Somit können Firmen und Forschungseinrichtungen, bei begrenztem finanziellen Einsatz und Risiko, an dieser Erfolg versprechenden innovativen Technologie partizipieren. Gleichzeitig erweitert sich das Einsatzspektrum drastisch.


VR-Planungsumgebung zur kinematischen Optimierung des Robotersetups - Foto: DLR/Institut für Robotik und Mechatronik

VR-Planungsumgebung zur kinematischen Optimierung des Robotersetups
Foto: DLR/Institut für Robotik und Mechatronik


Im MiroSurge-System finden derzeit 3 dieser MIRO-Arme Verwendung, je ein Arm für das linke und rechte Zangeninstrument, sowie ein Arm für das Führen der endoskopischen Stereokamera. Die dabei zum Einsatz kommenden Zangeninstrumente DLR MICA verfügen über 2 zusätzliche Freiheitsgrade innerhalb des Patientenkörpers, Kraft- und Drehmoment-Sensorik und die komplette dafür notwendige Antriebstechnik. Durch die zwei zusätzlichen Freiheitsgrade im Inneren des Patienten erhält der Chirurg seine volle Beweglichkeit - vergleichbar zur offenen Chirurgie - bei einer gleichzeitig drastisch reduzierten Traumatisierung des Patienten: Die Instrumente mit einem Durchmesser von nur 10 mm werden durch kleine Schnitte in den Patienten eingeführt, statt z.B. den Brustkorb aufzusägen. Darüber hinaus werden sie mit miniaturisierten und sterilisierbaren Kraft- und Drehmomenten-Sensoren ausgestattet.


Das DLR MICA Instrument: Angetriebenes Instrument mit 2 zusätzlichen Freiheitsgraden und integrierter Kraft-Moment-Sensorik - Foto: DLR/Institut für Robotik und Mechatronik

Das DLR MICA Instrument: Angetriebenes Instrument mit 2
zusätzlichen Freiheitsgraden und integrierter Kraft-Moment-Sensorik
Foto: DLR/Institut für Robotik und Mechatronik


Diese erlauben erstmalig die realistische Erfassung der im Patienten auftretenden Manipulationskräfte, welche nun dem Chirurgen haptisch oder visuell dargestellt werden können. Zusätzlich zur Kontaktkraft wird bei Pinzetteninstrumenten die Greifkraft gemessen. Diese Instrumente, ggf. mit Faseroptik statt Dehnmessstreifen-Technik versehen (wg. besserer Sterilisierbarkeit), werden weit über den aktuell verfügbaren Stand der Technik hinaus gehen und sind ein echtes Alleinstellungsmerkmal des dargestellten Systems. Die weitere Entwicklung von flexiblen Instrumenten für den gastroenterologischen Bereich soll den Einsatzbereich der neuartigen Roboter drastisch vergrößern. Zwei Ansätze zur Kraftrückkopplung werden bei MiroSurge verfolgt: einerseits sollen Handcontroller zur Verfügung gestellt werden, die eine feinfühlige Kraftrückkopplung ermöglichen, anderseits sollen die auftretenden Kräfte als Virtual-Reality-Komponente in das Stereobild eingeblendet werden. Damit soll auch eine technisch einfachere Schnittstelle ohne haptische Kraftrückkopplung erprobt werden, bei der der Chirurg nachgebildete Instrumente in der Hand führt, deren Bewegung von Kameras erfasst und auf die Instrumente im Körperinneren übertragen werden. Auch die räumliche Darstellung des Operationsgebietes ist ein zentraler Punkt für das Gefühl des Chirurgen, in der offenen Chirurgie zu sein. Dabei kommen sowohl stereoskopische Displays mit sog. Polarisationsbrillen wie auch neuartige autostereoskopische Displays zum Einsatz, für die das DLR eine robuste Erfassung der Kopf- und Augenbewegung über Kameras entwickelt und welche einen räumlichen Eindruck ohne zusätzliche Brillen erzeugen.


Die MiroSurge Chirurgenkonsole mit bimanueller haptischer Eingabe und stereoskopischem Display - Foto: DLR/Institut für Robotik und Mechatronik

Die MiroSurge Chirurgenkonsole mit bimanueller haptischer Eingabe
und stereoskopischem Display
Foto: DLR/Institut für Robotik und Mechatronik


Zur optimalen Nutzung der Robotertechnik im Operationssaal wird an Verfahren zur optimalen patientenspezifischen Platzierung der Roboter und der Einstichpunkte (Ports) entwickelt. Zur Umsetzung dieser Planung im Operationssaal wird der Patient mittels Laserscanner vermessen. Im Bereich von Minuten, nachdem der Patient auf dem OP-Bett liegt, soll über ein komfortables Planungssystem klar sein, wo die Roboter längs des Bettes fixiert werden und wo die optimalen Ports liegen, um höchste Geschicklichkeit und Erreichbarkeit im Operationsgebiet zu gewährleisten. Die Ports werden über einen Laser auf den Patientenkörper projiziert.


Teilautonomie

Ein besonders anspruchsvolles Gebiet für die Herstellung eines gewissen Grades an Autonomie ist die Ausführung von Handlungssequenzen während der Durchführung einer Operation, etwa am Herzen. Die damit verbundenen Aktionen sind manuell nicht nur sehr schwierig und mühsam, sondern repetitiv vorzunehmen und sehr ermüdend. Hier würde es bereits als großer Fortschritt angesehen, wenn nur Teiloperationen, etwa bei der Knotenherstellung, autonom erfolgen könnten. Als Resultat jahrelanger Vorarbeiten am Institut "Robotics and Embedded Systems" der Technischen Universität München konnte bis zum Experiment an realen Organen gezeigt werden, dass dies technisch möglich ist und darüber hinaus nicht nur eine automatische Durchführung durch reine Wiederholung einer demonstrierten Handlung denkbar ist, sondern der Roboter durch "Vormachen" die wesentlichen Aspekte "versteht" und ganz oder teilweise auf andere Szenarien anwenden kann. Die Ergebnisse sollen in der letzten Phase des DFG-SFB 453 "Wirklichkeitsnahe Telepräsenz und Teleaktion" in das neue DLR-System MiroSurge integriert werden.


Telepräsenzsteuerung des MiroSurge-Systems über optisch getrackte konventionelle Instrumente - Foto: DLR/Institut für Robotik und Mechatronik

Telepräsenzsteuerung des MiroSurge-Systems über
optisch getrackte konventionelle Instrumente
Foto: DLR/Institut für Robotik und Mechatronik


Autonomiefunktionen in der minimal invasiven Chirurgie (MIC) sollen den Arzt von Routineaufgaben entlasten, so dass er sich auf den eigentlichen chirurgischen Eingriff konzentrieren kann. Dieses Ziel ist deshalb auf zwei besonders erfolgversprechende Anwendungen fokussiert: Automatisches Vernähen von Blutgefäßen und Bewegungskompensation am schlagenden Herzen. Letztere führt zu einer sehr schonende Operationstechnik, da auf den Einsatz einer Herz-Lungen-Maschine verzichtet werden kann. Als besonders störend hat sich jedoch die verbleibende Restbewegung des mechanisch stabilisierten Herzens erwiesen. Ziel ist, die Herzbewegung robust zu erfassen, und anschließend mit den Robotern so zu kompensieren, dass sich die Instrumentenspitzen synchron zum Herzschlag bewegen. Erfolgt jetzt noch eine Stabilisierung des Videobildes, so kann der Chirurg an einem "virtuell" stillstehenden Herzen ohne störende Restbewegung operieren. Es ist zu erwarten, dass sich die Operationsdauer drastisch reduzieren und die Operationsqualität erhöhen wird. Besonderer Fokus muss dabei aber auf die Robustheit sowie auf die Fehlertoleranz des Verfahrens gelegt werden, unter anderem durch Einbeziehen zusätzlicher Sensordaten wie z.B. EKG in den Algorithmus, der die Herzbewegung kompensiert. Die hier gewonnenen Ergebnisse lassen sich prinzipiell auch auf andere klinische Anwendungen (z.B. das Punktieren der Leber) übertragen.


Ausblick

In den nächsten 4-5 Jahren soll die Entwicklung der MIRO-Arme mit all den Optimierungs-, Reglereinstellungs- und Sicherheitsaspekten und medizinischen Zulassungen abgeschlossen sein und durch Integration in ein OP-Gesamtsystem marktreif gemacht werden.


Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hirzinger, Gottfried Wilhelm Leibniz-Preisträger 1995, ist Direktor des Instituts für Robotik und Mechatronik am DLR. Dort ist auch Dipl.-Ing. Ulrich Hagn tätig.

Adresse: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Institut für Robotik und Mechatronik, Robotersysteme, Münchner Straße 20, 82234 Oberpfaffenhofen-Wessling

Die Studien sind von der Deutschen Forschungsgemeinschaft in verschiedenen Verfahren unterstützt worden, derzeit im Sonderforschungsbereich "Wirklichkeitsnahe Telepräsenz und Teleaktion".


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Quelle:
forschung 2/2009 - Das Magazin der Deutschen Forschungsgemeinschaft, S. 4-7
mit freundlicher Genehmigung der Autoren
Herausgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
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"forschung" erscheint vierteljährlich.
Jahresbezugspreis 2009: 59,92 Euro (print),
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jeweils inklusive Versandkosten und MwST.


veröffentlicht im Schattenblick zum 24. November 2009