Chirurgie: "Der Roboter kann beliebige Raumkurven beschreiben"

Interview mit Dr.-Ing. Jessica Burgner-Kahrs, Leiterin DFG Emmy Noether-Nachwuchsgruppe "CROSS – Continuum Robots for Surgical Systems", Mechatronik-Zentrum Hannover, Leibniz Universität Hannover

Elefantenrüssel, Fangarme, Schlangenkörper – Tiere zeigen, wie effektiv flexible Formen und Gliedmaßen zur Fortbewegung und zum Greifen sind.

03/11/2014

Foto: Jessica Burgner-Kahrs

Dr.-Ing. Jessica Burgner-Kahrs; ©Klaus Michelmann

Robotikspezialisten kopieren dieses Vorbild, um es in den Dienst der Medizin zu stellen: Kontinuumsroboter aus flexiblen Röhrchen könnten in Zukunft vielleicht dort operieren, wo konventionelle Roboter aus starren Bauteilen nicht hinkommen.

Im Interview auf COMPAMED.de erklärt Dr.-Ing. Jessica Burgner-Kahrs die Bedeutung der Formgedächtnislegierung Nitinol und ihrer Superelastizität für den neuen Robotertyp und wo er zum Einsatz kommen könnte.

Frau Dr. Burgner-Kahrs, was sind Kontinuumsroboter?

Jessica Burgner-Kahrs: Kontinuumsroboter sind ganz anders als die konventionellen Roboter, die wir kennen. Sie bestehen nicht aus diskreten Gelenken und starren Verbindungen. Vielmehr haben sie eine kontinuierliche Struktur, deren Nachgiebigkeit durch ihren Aufbau angepasst werden kann. Das Prinzip ist bionisch inspiriert, da wir den Robotern auch eine Art Rückgrat geben, wie unsere Wirbelsäule, und wie bei einem Elefantenrüssel oder einer Schlange die Bewegung flexibel möglich ist.

Welchen Stellenwert hat diese Technologie zurzeit?

Burgner-Kahrs: Man kann sagen, sie ist im Aufschwung. Auf den großen Robotikkonferenzen spricht man davon, dass der Stellenwert der kontinuierlichen Robotik wächst. Sie ist in den letzten Jahren auch viel weiter gekommen, was die Mechanik und die Miniaturisierung angeht. In der Medizintechnik sieht man gut, dass der Trend hin zu abwinkelbaren Instrumenten und Manipulatoren geht.

Foto: Kontinuumsmanipulator neben Münze

Prototyp eines tubulären Kontinuumsroboters aus drei NiTi Röhrchen (Durchmesser des inneren Röhrchens 0,8mm); ©Leibniz Universität Hannover

Warum verwenden Sie gerade Nitinol als Material?

Burgner-Kahrs: Nitinol ist erstens ein aus der Medizin bekannter, biokompatibler Werkstoff, aus dem zum Beispiel heute schon Stents und Katheter hergestellt werden. Zweitens hat Nitinol für uns eine ganz besondere Eigenschaft: Es ist eine Formgedächtnislegierung mit der Eigenschaft der Superelastizität. Das bedeutet, wir können ein Röhrchen elastisch verformen, aber sobald die verformende Kraft nachlässt, kehrt das Röhrchen wieder in seine ursprüngliche Form zurück. Diese Elastizität machen wir uns im Endeffekt bei der Bewegung des Roboters zunutze. Wenn man die Röhrchen ineinander steckt, agieren sie miteinander. So kann der Roboter letztendlich beliebige Raumkurven beschreiben.

Wie flexibel kann so ein Arm sein, beispielsweise wenn ein Eingriff in den Nebenhöhlen stattfinden soll?

Burgner-Kahrs: Sehr flexibel. Wir können den Arm, beziehungsweise die Röhrchen, so auslegen, wie es die Anwendung erfordert. Für die Nebenhöhlen würden die Röhrchen sehr dünn sein, damit der Roboter sehr nachgiebig ist und keine Verletzungen hervorruft. Damit wäre er auch inhärent sicher für die Anwendung am Patienten. Bei einem anderen Eingriff könnten wir transnasal durch die Keilbeinhöhle bis zur Hypophyse vordringen. Dann würde man die Röhrchen am Anfang starrer gestalten, damit man nach hinten sehr präzise vordringen kann und dann für den Einsatz am Operationsort auch elastischer.

Wir entwickeln Algorithmen, mit denen man den Roboter letztendlich passend für die Anwendung auslegen kann. Der Arzt müsste an Bildgebungsdaten zuerst festlegen, was er gerne mit dem Roboter und den Instrumenten ausführen möchte. Die Algorithmen berechnen dann, wie die einzelnen Röhrchen in Länge, Biegung und Steifigkeit beschaffen sein müssten.

Zurzeit untersuchen wir an der Absaugung von Hämorrhagien im Gehirn, wie viele verschiedene Röhrchen man eigentlich braucht, um eine möglichst große Patientenpopulation behandeln zu können. Wir wollen die Komplexität natürlich auch möglichst gering halten und lieber zehn statt 100 verschiedener Röhrchen zur Verfügung stellen.
Foto: Laborszene mit Anatomiemodell und Kontinuumsroboter

Projektmitarbeiter diskutieren mögliche Zugänge für den Roboter zum Gehirn an einem Anatomiemodell und medizinischen Bilddaten; ©Leibniz Universität Hannover

Wie kann bei dieser Flexibilität verhindert werden, dass der Roboter doch unbeabsichtigt hängenbleibt und Gewebe beschädigt?

Burgner-Kahrs: Der Arzt kontrolliert am Eingabegerät stets die Bewegung der Roboterspitze. Dabei hat er die endoskopische Sicht auf den Manipulator. Auf der anderen Seite können wir anhand der Bildgebungsdaten auch die Bewegungen einschränken, die der Roboter in der OP vollführen darf. Dabei können wir auch Bereiche festlegen, in die er sich nicht bewegen darf, oder nur, wenn der Arzt es zusätzlich bestätigt. Das ist eine Frage der Programmierung, an der wir arbeiten, nämlich Algorithmen für die Mensch-Maschine-Interaktion.

Können Sie genauer beschreiben, für welche Einsatzgebiete das Gerät zurzeit entwickelt und getestet wird?

Burgner-Kahrs: Wir beschäftigen uns hauptsächlich mit der Schädelbasischirurgie und mit Einsätzen im Gehirn. Das ist zum Beispiel das Entfernen von Hypophysentumoren, die unglücklicherweise sehr häufig auftreten. Sie sind zwar nicht bösartig, müssen aber entfernt werden, wenn sie hormonelle Dysfunktionen verursachen oder auf die Sehnerven drücken. Diese Anwendung ist prädestiniert, weil bisher aufgrund der Anatomie nur 10-15 % der Patienten transnasal operiert werden können. Dann untersuchen wir noch die Absaugung von Hämatomen im Gehirn bei Schlaganfallpatienten. Hier kooperieren wir mit der Vanderbilt University, USA, in einem vom National Institutes of Health geförderten Projekt.

Prinzipiell sind auch viele andere Anwendungen denkbar, zum Beispiel die Bronchoskopie der Lunge. Mit Kontinuumsrobotern könnte man tiefer in die Lunge vordringen als mit heutigen Bronchoskopen, dort Krebs frühzeitig erkennen und Biopsien vornehmen. Dann gibt es andere Arbeitsgruppen, etwa in den USA, die die Anwendung an der Prostata erforschen. Andere Ideen gibt es in der Orthopädie, um zum Beispiel Gelenkspiegelungen in der Hüfte auszuführen.

Foto: Schädelquerschnitt, mit Gelatine gefüllt

Das Bild zeigt ein Gehirn aus Gelatine in einem Anatomiemodell-Schädel. Aus roter Gelatine wurde mit realen Patientendaten als Basis ein Hämatom nachgebildet. Man erkennt zusätzlich den Roboter, der von links ins Bild kommend das Hämatom absaugt; ©Vanderbilt University

In welchem Forschungsstadium befinden Sie sich gerade?

Burgner-Kahrs: Hier in Deutschland stehen wir gerade noch am Anfang, im Labor. Wir arbeiten viel mit anthropomorphen Phantomen, die dem Menschen und seinem Gewebe schon stark ähneln. An der Vanderbilt University haben wir schon erste Versuche an Tieren und menschlichen Präparaten durchgeführt, weil die Genehmigungen in den USA einfacher zu erhalten sind. Die Projekte in den nächsten Jahren werden dann zeigen, ob wir auch Studien mit Patienten durchführen können.

Video der Vanderbilt University "Robot treats brain clots with steerable needles"
Foto: Timo Roth; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview führte Timo Roth.
COMPAMED.de