Revolution in der Medizinrobotik Präzise Roboter werden die Chirurgie grundlegend verändern

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Dank fortschrittlicher Sensoren, Datenverarbeitung und Motorsteuerung entstehen völlig neue Operationssysteme, die präziser und effizienter arbeiten als je zuvor. Die Chirurgie wird sich in den nächsten Jahren grundlegend verändern.

Vor etwa 500 Mio. Jahren entstanden innerhalb von nur 25 Mio. Jahren alle großen Tierarten der Erde. Dieses als kambrische Explosion bekannte Ereignis fand statt, weil alle Voraussetzungen für die Diversifizierung der Tierwelt gegeben waren. Einfache Organismen hatten vor diesem Ereignis viele Jahre Zeit, sich zu entwickeln. Die Explosion fand statt, weil erstmals mehrzellige Strukturen, Kreislaufsysteme, Sensorik, Motorsteuerung und vieles mehr zur Verfügung standen.

Ähnliches geschieht heute in der Medizinrobotik. Das erste teleoperierte robotische Chirurgiesystem, DaVinci von Intuitive Surgical, ist seit über 20 Jahren im Einsatz. Es arbeitet mit Endeffektoren, die wie Stäbe aussehen, und wird nur für wenige Arten von Eingriffen eingesetzt, hauptsächlich in der Urologie und Gynäkologie. Doch jetzt sind Computer, Sensoren, Motorsteuerung, Datenflussarchitektur und vieles mehr in der Lage, eine neue Generation von Medizinrobotern zu betreiben. Operationssäle werden zu digitalen Operationsplattformen, die nahezu alle chirurgischen Eingriffe übernehmen werden. Diese explosionsartige Entwicklung der Robotik wird die Chirurgie mehr verändern als alles andere in den letzten hundert Jahren.

Wenn Roboter präziser arbeiten als Chirurgen

Stellen Sie sich zum Beispiel vor, Sie wären ein orthopädischer Chirurg, der sich auf Knieprothesen spezialisiert hat. Hier kommt es auf Effizienz an, denn Knieprothesen sind heute alltäglich. Von allen Arbeitsschritten von der Vorbereitung über die Operation bis zur Genesung ist das präzise Schneiden bei weitem der schwierigste und wichtigste. Aber Menschen sind nicht gut darin, präzise Winkelschnitte zu machen, nicht einmal ausgebildete Chirurgen.

Doch Roboter können den mit bildgebenden Verfahren und CAD-Plänen erstellten Schnittbahnen mit höchster Präzision folgen. Das Ergebnis sind exakte Winkel und glatte Oberflächen, die so sauber sind, dass bei vielen Operationen auf Zement verzichtet werden kann. Stattdessen wird das Implantat einfach eingepresst und der Knochen wächst wie bei einem natürlichen Gelenk ein. Mit der Präzision und Flexibilität von Robotern wird der Einbau maßgeschneiderter Gelenke realistisch.

Eine präzise Operation auch aus der Ferne

Wichtig ist, dass der Roboter genau weiß, wo sich der Knochen befindet. Dazu hilft ein bildgebendes System, das so etwas wie eine Antenne mit reflektierenden Zielen arbeiten kann. Damit das funktioniert, müssen die richtigen Daten zur richtigen Zeit am richtigen Ort sein. Das Bildverarbeitungssystem erkennt, wo sich der Knochen befindet, auch wenn er sich bewegt. Der Chirurg steuert, wann und wie schnell geschnitten werden soll, und der Roboter führt anhand dieser Daten einen perfekten Schnitt im vorgegebenen Winkel aus. All dies geschieht automatisiert, so dass die Operation auch aus der Ferne durchgeführt werden kann, selbst wenn der Chirurg Tausende von Kilometern entfernt ist.

Im Wesentlichen imitiert der Roboter für den Ersatz des Kniegelenks die Arbeitsweise des Chirurgen, allerdings mit größerer Genauigkeit und Präzision. Es gibt immer mehr Belege dafür, dass die robotergestützte Knieendoprothetik zu besseren Ergebnissen führt. In diesen Studien verbesserte die robotergestützte Chirurgie die Positionierung, Ausrichtung und Balance des Implantats.

Operationen, die kein Mensch vornehmen kann

Universalroboter können die menschlichen Fähigkeiten noch auf andere Weise erweitern. Mit hochauflösenden 3D-Monitoren, vier Roboterarmen und automatisch austauschbaren Werkzeugen können die Roboter die Arbeitsumgebung des Chirurgen verbessern. Die Kombination dieser Elemente mit intelligenter Computertechnik ermöglicht es dem Chirurgen, anatomische Strukturen mit einer Genauigkeit von wenigen Millimetern zu vermessen, sogenannte Tags für Orientierungs- und Übungszwecke zu erstellen und sogar mögliche Unfallverletzungen zu überwachen. Das System aus Roboter und Chirurg verbessert die Fähigkeiten, die Kommunikation und die Ergebnisse im Operationssaal.

Einige Roboter können Operationen vornehmen, die Menschen nicht durchführen können. Hierzu zählt beispielsweise die Lungenbiopsie, bei der derzeit eine lange Nadel durch den Brustkorb in die Lunge gestochen wird, um eine Probe für die Analyse zu entnehmen. Eine Punktion der Lunge birgt immer das Risiko eines Pneumothorax (Lungenkollaps), da es sehr schwierig ist zu sehen, wo sich die Nadel wirklich sitzt. Hier müssen Chirurgen ständig Röntgenaufnahmen (Fluoroskopie) machen und ein wenig herumprobieren, um die richtige Stelle zu finden.

Das kann funktionieren, ist aber chaotisch, langsam, riskant und schließlich teuer. Stattdessen kann ein Roboter, der aussieht wie ein langer, dünner Schlauch und etwa so dick ist wie ein USB-Kabel. Er wird von einer einfachen Steuerung gelenkt. Der Chirurg sieht Details über ein faseroptisches Videokabel. Erreicht er den verdächtigen Tumor, entnimmt ein schneller Saugschlauch eine Probe. Dieser Schlauchroboter verursacht keine Einstiche, keine Infektionen, keine Lungenschäden und der Eingriff ist sicherer, schneller und genauer. Das kann kein Mensch.

Eine große Vielfalt bei den Medizinrobotern

Inzwischen gibt es Hunderte von Medizinrobotern der neuen Generation. So lässt sich beispielsweise ein Laparoskopie-Roboter so zusammenfalten, dass er durch ein Loch von der Größe eines 10-Cent-Stücks passt, und entfaltet sich dann wie eine Gottesanbeterin mit Augen und Händen. Ein anderer sieht aus wie zwei sehr geschickte Schlangen mit Greifköpfen. Nicht mehr lange, und Gelenkarme, winzige Greifer an Stäben, menschenähnliche Systeme mit zwei Armen, Greifer unter der Haut und vielem mehr wird in Operationssälen zu finden sein.

Der Branchenanalyst Fletcher Spaght Inc. (FSI) beobachtet mehr als 200 robotergestützte chirurgische Produkte in verschiedenen Entwicklungsstadien. Sie alle sollen Präzisionsbewegungen auszuführen, die für Menschen unmöglich sind. Medizinische Roboter werden schon bald fast jeden Eingriff im Operationssaal verändern.

Genauso wichtig ist, dass viele dieser Systeme bald KI nutzen werden – sei es für Anwendungen vor (präoperativ), während (intraoperativ) und nach (postoperativ) der Operation. KI ermöglicht es, dass Chirurgen vor der OP für bestimmte Herausforderungen trainieren, den Patienten virtuell darstellen und maßgeschneiderte Verfahren und Implantate entwickeln. Vor dem Eingriff kann die KI die Vorbereitung beschleunigen und sicherstellen, dass Patient und Geräte richtig positioniert und kalibriert sind; oder auch bei der Anpassung von Bildern (CT-Scans) an den tatsächlichen Patienten, um eine präzise Operation zu gewährleisten.

Roboter während und nach einer Operation

Während der Operation kann die KI die Genauigkeit, Sicherheit und Effizienz verbessern. Beispielsweise sind intelligente Roboter in der Lage, Messwerte zu prüfen, die Rotoberbewegungen zu steuern möglicherweise gefährliche Aktionen zu signalisieren. Mit intelligenten Werkzeugen lassen sich einige der routinemäßigen, aber zeitaufwendigen Schritte wie das Anbringen von Klammern und das Nähen automatisieren. In zunehmendem Maß unterstützt die KI auch die Koordination einer Operation mit anderen Geräten im Operationssaal, beispielsweise mit der Patientenüberwachung und der Anästhesie.

Nach der Operation wird die KI sowohl die Operations- als auch die Behandlungsergebnisse verbessern. Automatisierte Systeme ermöglichen die genauere Überwachung der Patienten, die Analyse der Effektivität von chirurgischen Eingriffen und sogar die Vorhersage von Ergebnissen für frühzeitige Interventionen.

Kurzum: In Operationssälen der Zukunft agieren Hunderte von Robotertypen, die nicht nur mechanische Bewegungsreplikatoren sein werden, sondern auch KI nutzen, um das Behandlungsteam bei der Durchführung präziserer, schnellerer und weniger invasiver chirurgischer Eingriffe zu unterstützen. Sie werden jede Nische in der Chirurgie besetzen und sich genau an die Herausforderungen und Bedürfnisse des jeweiligen Eingriffs anpassen. Die Voraussetzungen sind äußert günstig: Die bildgebenden Verfahren, die Rechenleistung, die Sensoren, die Intelligenz, sie Softwarearchitektur und die mechanische Konstruktion stehen alle an einem Wendepunkt und bilden eine wirklich einzigartige Kombination.

Die richtigen Daten zur richtigen Zeit am richtigen Ort

Der treibende Kraft für diese neuen Anwendungen ist die Verfügbarkeit von Daten, genauer gesagt der Datenfluss. Ein Software-Architekturansatz, der auch als Datenzentrierung bezeichnet wird, stellt die richtigen Daten zur richtigen Zeit am richtigen Ort zur Verfügung. Der Software-Architekturansatz macht es einfach, Sensordaten an intelligente Algorithmen und von dort an die Motoren zu senden, die die Aktionen ausführen. Daten sind der Schlüssel zur Intelligenz in allen Formen der KI. Aber der Datenfluss ist der Schlüssel zu dieser Intelligenz in der realen Welt der Sensoren, Motoren, Roboter, Instrumente und Menschen. Daher ist der Datenfluss der Schlüssel zur Zukunft der Patientenversorgung.

Die Zeit ist reif für eine Expansion der Medizinrobotik in viele Richtungen. Moderne Computertechnik, vernetzte Daten, bildgebende Verfahren, mechanische Konstruktion, hochentwickelte Motoren, Sensoren und Softwarearchitekturen bilden zusammen die Basis für weitere Entwicklungen in der Medizin. (heh)

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* Stan Schneider ist CEO von Real-Time Innovations (RTI).

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