Körper folgt Kopf: Brückenschlag zwischen starren und flexiblen Endoskopen

Für einen erfolgreichen endoskopischen Eingriff müssen zwei wichtige Faktoren erfüllt sein: eine gute Manövrierbarkeit und eine hohe Struktursteifigkeit des Endoskops. Heutige Geräte können jedoch nicht beides gleichzeitig erfüllen. Das möchte Tim-Lukas Habich mit einem Brückenschlag zwischen flexiblen und starren Robotern ändern.

Im Interview erklärt er MEDICA.de seine Forschungen an einem hydraulisch aktuierten, schlangenartigen Endoskop.

Herr Habich, warum fehlt der Medizin so ein robotisches System, wie Sie es im Forschungsprojekt HALEy entwickeln?

Tim-Lukas Habich: Der Projektname HALEy steht für „Hydraulic snake-like robot for endoscopy“. Es ist ein Projekt der DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) und daher im Wesentlichen ein Projekt der Grundlagenforschung, an dem wir zusammen mit der Universität Heidelberg arbeiten.

Klassische Endoskope sind entweder komplett flexibel oder starr. Starre Endoskope haben eine hohe Steifigkeit, aber erreichen keine verborgenen Zielregionen. Wenn wir uns z. B. bei der Magenspiegelung die Aufgabe stellen, durch die Speiseröhre in den Magen zu gelangen, ist das mit einem starren Endoskop nicht zu schaffen. Also wird wegen der guten Manövrierbarkeit ein flexibles Endoskop benutzt. Die Struktur ist, bis auf die aktuierte Spitze, rein passiv. Möchte man damit Gewebe manipulieren und der Ärztin oder dem Arzt eine stabile Arbeitsplattform zur Verfügung stellen, ist die Steifigkeit am distalen Ende ziemlich gering.

Gehen wir mal weg von der Medizin in die technische Anwendung – z. B. in die Boroskopie zur Wartung von Flugtriebwerken. Dazu gehört unter anderem das Begutachten der Schaufeln der Turbine oder des Verdichters. Hier kommen flexible Endoskope zum Einsatz, um sich entlang krummliniger Pfade fortzubewegen. Sie können gut in den Zielbereich manövriert werden, aber auch hier ist die Bearbeitung der Schaufeln wegen zu hoher Nachgiebigkeit schwierig.

Und hier möchten Sie mit Ihren Forschungen eine Lücke schließen?

Habich: Schlangenartige Manipulatoren haben grundsätzlich den Vorteil, dass der passive Schaft durch eine Vielzahl von aktuierten Segmenten ersetzt wird. Es sind allerdings – selbst in der Forschung – nur selten versteifbare Mechanismen anzutreffen. Im HALEy-Projekt schauen wir uns das Prinzip des hyper-redundanten Roboters genauer an. Er hat diskrete Gelenke. Man hat somit, statt passiver Struktur mit einer aktuierten Spitze, einen Schlangenroboter, dessen Körper vollständig ansteuerbar ist. Damit ist die erforderliche Steifigkeit am Endeffektor gegeben, um Gewebe zu manipulieren oder Maschinen zu bearbeiten. Seilzugaktuierte Kontinuumsroboter sind hierfür ebenfalls vielversprechend. Damit beschäftigen sich Kollegen für den angesprochenen Anwendungsfall der Instandhaltung von Triebwerken.

Aber Sie haben noch etwas Neuartiges im HALEy-Roboter integriert. Was ist es?

Habich: Fluidische Aktoren mit variabler Steifigkeit. Durch zwei um eine Kippachse angeordnete antagonistische Bälge kann man dadurch nicht nur den Kippwinkel, sondern auch die Gelenksteifigkeit kontinuierlich einstellen. Das kann man sich analog zum menschlichen Arm vorstellen. Wir können ja den Winkel zwischen Unter- und Oberarm kontinuierlich verändern. Spannt man den Bizeps und Trizeps gleichzeitig an, kann man bei konstanter Position der Hand unterschiedliche Steifigkeiten einstellen.

Stapelt man nun viele der Aktoren übereinander – wie beim Schlangenroboter typisch – wird eine Versteifung der Struktur bei konstanter Roboterkonfiguration erzielt. Man vereint somit die Vorteile von starren und flexiblen Endoskopen: Der Roboter ist entlang krummliniger Anatomiepfade manövrierbar und kann sich im Zielbereich zur Realisierung einer stabilen Arbeitsplattform versteifen.

Es gab bei uns am Institut ein Vorgängerprojekt, bei dem ein metallischer Schlangenroboter elektromagnetisch aktuiert wurde. Für medizinische Anwendungen im CT oder MRT wie z. B. der Biopsie ist dieser nicht geeignet. Erwärmt haben sich die Aktoren auch. Und sie waren binär, sie konnten nur nach links oder rechts kippen. Unsere fluidischen Aktoren aus dem 3D-Drucker sind schon besser für den medizinischen Einsatz geeignet: Sie stören die Geräte nicht, sie werden nicht heiß und sie lassen sich kontinuierlich einstellen. Darüber hinaus bestehen die Aktoren aus festem und softem Material. Das hat den Vorteil, dass beim direkten Kontakt mit Patient oder Arzt der Roboter intrinsisch nachgiebig ist.

Wie könnten Chirurginnen und Chirurgen Ihr Endoskop nutzen?

Habich: Ich habe mich im vergangenen Jahr intensiv mit der Telemanipulation von Schlangenrobotern beschäftigt, also mit der Strategie, wie Ärztinnen und Ärzte den Roboter intuitiv fernsteuern können. Schlangenartige Manipulatoren besitzen – wie reale Schlangen – eine sehr hohe Anzahl an Freiheitsgraden. Der Mensch kann allerdings nur sechs Freiheitsgrade vorgeben: drei Positions- und drei Orientierungs-Freiheitsgrade der Hand. Auf dem Markt gibt es haptische Eingabegeräte, die die sechsdimensionale Pose der Hand beim Bedienen erfassen und gleichzeitig wirkende Kräfte zwischen Roboter und Gewebe zurückführen. Der Operierende kann dann also auch spüren, was der Roboter fühlt. Für unseren Schlangenroboter ist es erstrebenswert, dass dieser sich wie in dem alten Computerspiel „Snake“ nach dem Follow-the-Leader Prinzip fortbewegt und der gesamte Körper dem Kopf der Schlange folgt. So können krummlinige Pfade abgefahren werden.

Was ist Ihr nächstes großes Ziel für HALEy?

Habich: Unser Forschungsprojekt hat im Oktober 2020 begonnen, läuft insgesamt zweieinhalb Jahre und geht deshalb jetzt so langsam zu Ende. Wir überlegen aktuell, wie wir weitermachen. Interessant wäre es jetzt, einen passenden Industriepartner zu finden, der Expertise in der Mikrosystemtechnik zur Miniaturisierung der fluidischen Aktoren aufweist. Wenn zwei Universitätsinstitute sich verbinden und Grundlagenforschung betreiben, dann geht man in dieser Richtung schon gut voran, wie zum Beispiel bei der Regelung unserer Softaktoren. In diesem Bereich beschäftige ich mich mit KI-Ansätzen, da das weiche Material schwierig mit klassischen modellbasierten Methoden zu beschreiben und zu regeln ist. Das soll auch Schwerpunkt im Folgeprojekt sein.

Aber, wie gesagt, wenn man einen Industriepartner hätte, der auf Miniaturisierung spezialisiert ist, dann könnte ich mir vorstellen, einen Schlangenroboter aufzubauen, der viele Aktoren, aber auch einen geringen Durchmesser aufweist. Aktuell ist unser Schlangenroboter noch sehr groß und weit entfernt von der Dimension eines flexiblen Endoskops.