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Feature Stories - Winzige Roboter für die minimalinvasive Chirurgie

Millionen Europäer müssen sich jedes Jahr einem den Bauchraum betreffenden chirurgischen Eingriff unterziehen. Die verschiedensten Erkrankungen - Stichwort Krebs, Herzerkrankungen oder auch Fettleibigkeit - werden auf diese Weise behandelt. EU-finanzierte Forscher arbeiten an innovativer Mikrorobotik und Mikrosystemtechnologien, die dafür sorgen sollen, dass solche Operationen unkomplizierter, weniger invasiv und kostengünstiger werden.

Digitale Wirtschaft

Chirurgische Eingriffe sind in den letzten Jahren durch Technologien verbessert worden, die das Chirurgenskalpell wohl schrittweise abschaffen werden. Es wird immer mehr von Robotik, Miniaturinstrumenten und innovativen Techniken ersetzt, die weniger Gesundheitsrisiken bergen, die Genesung des Patienten beschleunigen und weniger Narben hinterlassen. Aber dort ließe sich noch so manches besser hinbekommen. "Es gibt gegenwärtig durchaus Probleme bei der Abdominalchirurgie, sowohl mit der Technik als auch mit dem Eingriff an sich", teilt Professorin Arianna Menciassi vom BioRobotics Institut an der Scuola Superiore Sant'Anna in Italien mit. Derzeit werden bauchchirurgische Eingriffe entweder von einem Chirurgen manuell unter Einsatz der Schlüssellochchirurgie mit dem Laparoskop oder mit Hilfe einer ferngesteuerten Roboteranlage durchgeführt. Der am häufigsten für diese Eingriffe angewendete OP-Roboter ist sehr präzise - besser als der manuelle Operateur - aber er ist überdies sperrig, teuer und macht immer noch mehrere Schnitte im Bauchraum erforderlich. Dieses moderne System erleichtert dem Chirurgen die Operation, "ist aber für den Patienten genau so invasiv wie der traditionelle laparoskopische Eingriff und erfordert mindestens vier Schnitte in die Bauchdecke: zwei für die Roboterinstrumente, einen für weitere Manöver und einen für die Kamera", erläutert Professorin Menciassi. "Wir wollten ein alternatives System entwickeln, bei dem modernste Mikrorobotik und Mikrosystemtechnologien zum Einsatz kommen, und das letztlich weniger teuer und weniger invasiv sein sollte." Professorin Menciassi und ein Team von Forschern aus ganz Europa konzentrierten sich bei der Arbeit am Araknes-Projekt ("Array of robots augmenting the kinematics of endoluminal surgery") auf einem Ansatz in der Abdominalchirurgie, der die Vorteile der traditionellen offenen Chirurgie, der minimalinvasiven Chirurgie - auch als laparoskopische oder Schlüssellochchirurgie bekannt - und der Roboterchirurgie in sich vereinen soll. Das Araknes-Team erhielt 8,1 Millionen EUR Finanzmittel von der Europäischen Kommission und entwickelte hochinnovative Geräte und Technologien, mit denen die Invasivität von chirurgischen Eingriffen erheblich gemindert, die Narbenbildung minimiert, das Infektionsrisiko verringert und die Genesung des Patienten beschleunigt werden kann, wobei potenziell wesentlich geringere Kosten als bei den existierenden kommerziellen Systemen auflaufen. Eines der Araknes-Resultate ist ein ferngesteuertes Robotersystem mit der Bezeichnung "Single-port laparoscopy bimanual robot" (Sprint), das ähnlich wie das DaVinci-System die Handbewegungen des an einer Konsolenschnittstelle sitzenden Chirurgen mit hoher Genauigkeit wiederholt. Das System ist jedoch speziell an einen relativ neuen Typ der Schlüssellochchirurgie, die "Single-Port-Laparoskopie" (SPL), angepasst, bei welcher der Chirurg über einen einzigen Zugang operiert, der sich meist im Nabel des Patienten befindet. "Anstelle von vier Einschnitten nutzt diese Technik nur einen Einschnitt bzw. eine Zugangsöffnung von rund drei Zentimetern Durchmesser. Und weil der operative Zugang durch den Nabel - eine natürliche Narbe - erfolgt, gibt es keine sichtbaren Narben", erläutert Prof Menciassi, die wissenschaftliche Leiterin von Araknes. Dr. Sprint besteht aus zwei Armen mit sechs Freiheitsgraden in der Bewegung, die rotierende Greifer an den Enden haben. So hantiert das Gerät mit einem sehr hohem Maß an Geschicklichkeit und kann vielfältige chirurgische Aufgaben innerhalb des Körpers des Patienten ausführen. "Die Arme funktionieren so ähnlich wie unsere eigenen und wiederholen über die fernbediente Schnittstelle präzise die Bewegungen des Chirurgen, der den Eingriff über eine hochauflösende 3D-Kamera verfolgt", erklärt Professorin Menciassi. Entscheidend dabei ist, dass sich dank der supermodernen Mikrorobotiktechnologie die Motoren, welche die Greifer und die "Ellbogen" jedes Arms steuern, an dem Gerät befinden, während die Motoren für die "Schultern" extern sind. "Dies ist der zentrale Unterschied zu den vorhandenen kommerziellen Systemen und das bedeutet, dass das gesamte System viel weniger sperrig ist. Es passt viel besser in den Operationssaal und gestattet einen besseren Zugang zum Patienten", begründet die Projektleiterin. Diese reduzierte Größe des Systems war eines von mehreren von den Chirurgen hochgeschätzten Merkmalen, die bei im Januar in Deutschland in einem Labor des Projektpartners Novineon durchgeführten in-vivo-Tests an einem Schwein eingeschätzt wurden. "An den Einsatz von DaVinci gewöhnte Chirurgen begrüßten die geringe Größe und die verbesserte Sichtbarkeit des Patienten sowie die reduzierte Invasivität, während Chirurgen, die normalerweise manuell mit dem Single-Port-Verfahren arbeiten, einen unmittelbaren Vorteil in Hinsicht auf die Präzision wahrnahmen," sagt Professorin Menciassi. Ein anderes vom Araknes-Team entwickeltes Gerät ist derart konstruiert, dass überhaupt keine Einschnitte mehr erforderlich sind. Das für die Chirurgietechnik NOTES ("Natural orifice translumenal endoscopic surgery") entwickelte Gerät besteht aus einer magnetischen Plattform, die mit Miniaturroboterarmen gekoppelt ist, die durch eine natürliche Körperöffnung wie den Mund oder den Anus in den Patienten eingeführt werden können, ohne das andere Inzisionen notwendig wären. NOTES ist eine noch im experimentellen Stadium befindliche chirurgische Technik, aber sie hat gegenüber invasiven Methoden potenziell viele Vorteile für den Patienten zu bieten. "Die NOTES-Plattform hat einen experimentellen Charakter. Sowohl aus technischen als auch aus klinischen Gründen ist es eher unwahrscheinlich, dass sie in nächster Zeit in der Chirurgie zum Einsatz kommt. Dennoch beinhaltet sie viele innovative Basistechnologien, die unverzüglich in die Anwendung übernommen werden könnten", schätzt die Projektleiterin ein. Demgegenüber ist der Sprint-Roboter angesichts des Erfolgs der von den Projektpartnern durchgeführten in-vivo-Versuche schon viel näher an Markt. Die Sprint-Technik wird derzeit patentiert und die Partner wollen sie als Grundlage für ein kommerzielles System einsetzen. "Wir sind derzeit auf der Suche nach Finanzmitteln aus öffentlichen und privaten Quellen, um in der Entwicklung noch weiter voranzukommen", berichtet Professorin Menciassi. "Noch handelt es sich lediglich um einen Prototypen, aber wir sind davon überzeugt, dass das System in kommerzieller Fertigung kostengünstiger als existierende Systeme wäre. Und dazu kommt, dass die schnellere Genesung bei Einsatz der SPL-Technik die Länge des Krankenhausaufenthalts für den Patienten reduziert und somit die Kosten im Gesundheitswesen gesenkt werden." Das Araknes-Team konzentrierte sich zunächst auf die Arbeit an der Entwicklung von Systemen zur chirurgischen Gewichtsreduktion. Dabei handelt es sich um einen Eingriff, dem sich zehntausende Europäer jährlich unterziehen: Dabei wird die Größe des Magens verkleinert oder dieser völlig umgangen. Professorin Menciassi betont jedoch, dass die Geräte bei bauchchirurgischen Operationen jeglicher Art eingesetzt werden könnten, beispielsweise bei der Entfernung von krebsartigen Tumoren oder bei der Behandlung von Problemen mit dem Herzen, der Leber oder den Nieren. Araknes erhielt Forschungsmittel innerhalb des Siebten Rahmenprogramms der Europäischen Union (RP7). Nützliche Links: - Projektwebsite "Array of robots augmenting the kinematics of endoluminal surgery" - Araknes-Projektfactsheet auf CORDIS