Robotik: Operation mit Gefühl

Interview mit Dr.-Ing. Bernhard Kübler, Wissenschaftlicher Mitarbeiter, Institut für Robotik und Mechatronik, DLR - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., Weßling

Minimal-invasive Eingriffe sind schonender für den Patienten, haben aber einen entscheidenden Nachteil für den Chirurgen: Er kann nicht direkt mit dem Operationsfeld interagieren. So entgehen ihm manchmal Eindrücke, die für den Erfolg des Eingriffs sehr wichtig sind. Hier kann der Chirurgieroboter MiroSurge helfen, der ein Feedback an den Chirurgen weiterleitet.

02.11.2015

Foto: Mann mit Brille und dunklen Haaren - Bernhard Kübler

Dr.-Ing. Bernhard Kübler; ©privat

Im Interview mit MEDICA.de spricht Dr.-Ing. Bernhard Kübler über den Ursprung von MiroSurge in der Weltraumtechnik, wie Immersion Chirurgen beim Eingriff nützen kann und wie das System schon im letzten Jahr auf der MEDICA EDUCATION CONFERENCE ankam.

Herr Dr. Kübler, bei der Entwicklung des Chirurgie-Robotersystems MiroSurge wurden Erkenntnisse aus der Raumfahrttechnik umgesetzt. Was spielte da eine Rolle?

Dr.-Ing. Bernhard Kübler: Wenn für Arbeiten an der Außenhülle eines Raumfahrzeugs Astronauten im Sinne eines "Weltraumspaziergangs" aussteigen müssen, ist das teuer und für den Astronauten auch gefährlich. Dann ist es gut, wenn man an der Außenhülle ein möglichst universelles Gerät hat, das ferngesteuert bestimmte Arbeit erledigen kann. Das ist eine telemanipulierte Anwendung. Die erforderliche Technologie ist vergleichbar mit einem medizinischen Szenario, bei dem man ebenfalls über eine räumliche Barriere hinweg ein Gerät steuert.

In unserem Institut haben wir deshalb die Möglichkeit gesehen, neue Anwendungsfelder zu eröffnen. Die Technologie, die ursprünglich für Arbeiten im Weltraum gedacht war, kann auch in der Chirurgie, speziell der minimal-invasiven Chirurgierobotik, eingesetzt werden. Das ist vom Prinzip her ähnlich: Werkzeuge werden per Hand über spezielle Eingabegeräte bedient und manipulieren etwas über eine räumliche Barriere hinweg, in diesem Fall zum Beispiel die Bauchdecke des Patienten. Die Technologien sind verwandt, aber nicht ganz identisch. Ursprünglich für den Weltraum entwickelte Technologien werden damit aber in den OP übertragen.

Wie sähe denn ein mögliches Einsatzszenario für MiroSurge aus?

Kübler: Den einzelnen Arm nennen wir "Miro", was sich ableitet von der minimal-invasiven, robotergestützten Chirurgie. Zwei dieser Arme tragen Instrumente, womit wir eine bimanuelle Manipulation im Patienten ermöglichen. Das heißt, man steuert jeweils mit der rechten und der linken Hand ein Instrument fern. Ein dritter Miro trägt die Kamera, die stereoskopische Bilder überträgt. Der Chirurg soll sich "wie vor Ort" fühlen. Wir nennen das Telepräsenzerlebnis, er soll die Technologie um sich herum und die Entfernung zum Patienten durch möglichst gute Immersion vergessen. Wenn er sich in das Szenario hineinversetzt fühlt und glaubt, er hätte seine Hände vor Ort, dann ist das ideal.

Foto: Chirurgie-Roboter mit drei Armen
Foto: Einzelner weißer Roboter-Arm
Foto: Chirurgie-Roboter mit drei Armen
Foto: Chirurg bedient Handcontroller für einen Roboter
Sie sagen es schon: sich wie vor Ort fühlen. Die Instrumente tragen Sensoren in der Spitze. Was genau messen diese Sensoren?

Kübler: Wir entwickeln verschiedene Sensoren. Am wichtigsten ist die Sensorik für haptische, genauer gesagt die kinästhetische Rückkopplung. Damit möchten wir die Umgebungsinteraktionskräfte und -momente messen. Wann immer das Instrument den Patienten berührt, möchten wir die Kontaktkräfte und die Drehreaktionen des Instruments an die Handcontroller weitergeben und den Chirurgen dort darstellen. Der Chirurg sieht dann am Bildschirm nicht mehr lediglich die Deformation des Gewebes für eine Abschätzung der Interaktionskraft, sondern spürt die Gegenkraft am Eingabegerät.

Dazu kommt die Greifkraftsensorik. Der Chirurg muss wissen, mit welcher Kraft er beim Greifen des Gewebes gerade arbeitet, um Gewebeschädigungen durch zu hohe Kräfte zu vermeiden. Der nächste Schritt betrifft dann die reine Taktilität, also den Tastsinn. In der offenen Chirurgie nutzt man die eigene Fingerkuppe zur Abtastung des Gewebes, der Palpation. Hier hat sich aber in der Vergangenheit schon gezeigt, dass die Empfindungsfähigkeit der menschlichen Fingerkuppen hinsichtlich Kraft, Wärme und Reibung technisch sehr schwer nachzubilden ist. Für die Chirurgie ist das aber wichtig, um während der OP zum Beispiel Gefäße zu ertasten. Mit klassischer Kraftsensorik kann man das nicht befriedigend messen.

Gefäße kann man im Gewebe aber gut mit Ultraschall finden. Deshalb haben wir einen Ultraschallsensor entwickelt, mit dem man erkennt, unabhängig davon, in welcher Richtung dieses Gefäß liegt. Die Chirurgen spüren das aufgefundene Gefäß durch einen kleinen Druckimpuls am Eingabegerät.

Ist es für den Benutzer nicht unheimlich komplex, das alles zu spüren und zu interpretieren?

Kübler: Eigentlich nicht. Man braucht natürlich eine gewisse Eingewöhnung, soll für die Benutzung des Roboters aber kein Handbuch lesen müssen. Die Handcontroller sollen so intuitiv und immersiv sein wie möglich. Der Chirurg geht dort jeweils mit einer Hand hinein und führt das Eingabegerät dann wie einen Joystick, wobei er auch die entsprechenden Gegenkräfte fühlt. Das Feedback des Ultraschallsensors ist zum Beispiel dann selbsterklärend: Je stärker das Zucken ist, desto größer wäre die getastete Pulsation und die damit verbundene Gefahr einer Gefäßverletzung. Auf Wunsch soll der Chirurg sich dann Zusatzinformationen zu diesem Gefäß zuschalten können. Das kann für diesen Moment während der Operation sehr sinnvoll sein, ohne zu einer Reizüberflutung des Chirurgen zu führen. So besteht auch nicht die Gefahr, dass der Chirurg den Überblick verliert, weil er zu viele Informationen erhält.

MiroSurge soll auch als Assistenz für offene Chirurgie geeignet sein. Wozu brauchen Chirurgen das, wenn sie am Tisch stehen?

Kübler: Das können typische Ein-Arm-Anwendungen sein. Wunden müssen während der OP ständig offen gehalten werden, was eine sehr ermüdende Arbeit ist für einen Assistenzarzt oder einen angehenden Chirurgen. Chirurgen können diese Arbeit auf einen Miro übertragen, der die Wunde dann mit einer einzustellenden, konstanten Kraft offen hält.

Präzise Schnitte in der Knochenchirurgie sind eine andere Möglichkeit. Hier kann man den Roboter vorher in Position bringen. Er führt dann für den Chirurgen diese kurze, einfache Aufgabe hochpräzise aus.
Sie waren mit dem MiroSurge schon im letzten Jahr auf der MEDICA EDUCATION CONFERENCE. Wie war die Resonanz auf das Gerät?

Kübler: Dort waren wir zum ersten Mal in der Lage, das System auf so einem solchen Podium vorzustellen. Zunächst einmal waren wir überwältigt davon, wie viele Interessierte überhaupt dort waren. Aus dem Publikum haben wir sehr interessante Rückfragen bekommen. Diese sind für einen Forscher immer interessant und erweitern seinen Horizont. Insofern waren wir sehr zufrieden und sind in diesem Jahr gerne wieder dabei.

Sehen Sie bestimmte Trends für die Zukunft der medizinischen Robotik?

Kübler: In vielen Disziplinen der Chirurgie sind die Fähigkeiten des Menschen weitgehend ausgereizt. Die menschliche Physiognomie limitiert gewissermaßen die handwerklichen Fähigkeiten eines Chirurgen. Die Dimensionen, in denen man in bestimmten Gebieten wie der Augen- oder Hirnchirurgie arbeitet, sind zum Teil schon kleiner als der natürliche Tremor, also das natürliche Zittern, des Menschen. Für einen weiteren Quantensprung sind hier technische Hilfssysteme erforderlich. Wie das zu realisieren ist, muss sich in und zusammen mit den einzelnen Fachdisziplinen herausstellen, MiroSurge kann hier nur ein Beispiel sein. Die konkrete Ausgestaltung muss auch zukünftig mit der Chirurgie gemeinsam erarbeitet werden.
Foto: Timo Roth; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview wurde geführt von Timo Roth.
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