Aktorik, Sensorik, Regelung: Ein robotergestütztes flexibles Endoskop hat alles

Mit zunehmender Präsenz von Robotik in der Medizin erweitern sich in Zukunft deren Anwendungsfelder. Damit steigen die individuellen Anforderungen an robotische Systeme, die erst noch entwickelt werden müssen. Am Institut für Medizingerätetechnik der Universität Stuttgart erarbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler entsprechende Systeme, Komponenten, Sensorik und Regelungstechnik.

Das aktuelle Forschungsobjekt, ein robotergestütztes flexibles Endoskop, stellt Institutsleiter Prof. Peter Pott MEDICA.de im Interview vor.

Prof. Peter Pott: Wir möchten die Medizin dabei unterstützen, flexible endoskopische Eingriffe mithilfe von Robotertechnik zu beschleunigen, zu vereinfachen und sicherer zu machen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung von Antriebs- und Sensortechnologie, die zum einen klein und leistungsfähig und zum anderen sehr preisgünstig sein müssen, damit auch Einweg-Endoskope robotisch betrieben werden können. Einweg deswegen, weil es sehr aufwendig ist, solche Systeme, die am Menschen im Einsatz sind, wiederaufbereitbar zu gestalten oder wenigstens einen brauchbaren Hygienestandard zu erreichen. Bei aller Trauer um die eingesetzten Rohstoffe und Werkstoffe, die nach dem Eingriff weggeworfen werden, ist es an dieser Stelle sinnvoll, auf Einwegsysteme zu setzen. Deshalb liegt unser Fokus darauf, klein, leicht und preisgünstig zu sein.

Was war Ihr wissenschaftlicher Grundgedanke zu Beginn Ihrer Arbeit vor drei Jahren?

Pott: Wo können wir unsere Antriebstechnik so anbringen, so gewinnbringend einsetzen, dass sie möglichst vielen nutzt? Die flexible Robotik ist ein geeigneter Anwendungsfall. Endoskopische Untersuchungen im Magen-Darm-Trakt gibt es seit über 50 Jahren. Seit über 50 Jahren werden sie annähernd auf dieselbe Weise gemacht – mit einem händisch gesteuerten Endoskop. Diese sind zwar moderner geworden durch neue Kameratechnik, neue Beleuchtung und neue Instrumente, die eingesetzt werden können. Im Großen und Ganzen ist es aber ein aufwendiger Eingriff für die Ärztinnen und Ärzte und für die Patientinnen und Patienten unangenehm. Idee der Robotik ist es, den Eingriff für die Ärzteschaft einfacher und sicherer und für die Patientinnen und Patienten schonender und sicherer zu gestalten. Durch Nutzung schlanker und gelenkiger Strukturen reduzieren wir die Größe der Inzisionen und bauen Systeme, die weniger Trauma erzeugen. Kurzum: Man will mithilfe der Robotik in der Medizin besser und auch ein bisschen preisgünstiger werden.

Dafür forschen wir an der Antriebstechnik entsprechender Systeme und versuchen, bestimmte Bewegungen zu erfüllen, bestimmte Kräfte zu erreichen, bestimmte Bewegungsmuster in einer bestimmten Geschwindigkeit darzustellen. Das ist unser Benchmark.

Welche Antriebstechnik hat sich als die geeignete für flexible endoskopische Robotik erwiesen?

Pott: Eine sehr gut geeignete Antriebstechnik stand von Beginn an fest. Die Herausforderung war und ist es, sie auf die Erfordernisse anzupassen. Wir benutzen Twisted String Aktoren, kurz TSA. Im Endeffekt ist es ein Elektromotor, der zwei Schnüre der Länge nach verdrillt. Das Verdrillen der Schnüre führt dazu, dass sich das dabei entstehende Bündel verkürzt. Auf diese Weise kann ich die Drehbewegung des Motors in eine Zugbewegung umwandeln. Der Vorteil ist: Der Antrieb ist sehr schlank und nicht besonders teuer. In der Praxis ist es leider nicht ganz so einfach, wie ich es geschildert habe, die Anforderungen des Gesamtsystems zu erfüllen. Aber mit unserer Technik könnte man den schlauchartigen flexiblen Teil, der mit dem Patienten in Kontakt kommt, aufgrund des günstigen TSA nach jedem Einsatz austauschen und den Motorteil wieder verwenden.

Wie ist ein robotergestütztes flexibles Endoskop denn aufgebaut?

Pott: Das robotergestützte flexible Endoskop ist ähnlich aufgebaut wie ein konservatives. Es besitzt eine Lichtquelle, eine Kamera, einen Arbeitskanal für Instrumente, einen proximalen passiven Abschnitt und eine aktive distale Spitze. Nur, dass die aktive distale Spitze nicht über manuelle Betätigungsräder am Handgriff des Endoskops gesteuert wird, sondern durch die eben beschriebene mechatronische Antriebseinheit. Außerdem wird das Endoskop durch einen robotischen Arm in Position zum Patienten gehalten; das muss der Chirurg nicht mehr zwangsläufig aktiv übernehmen. Um komplexere Operationen in der Single-Port-Chirurgie oder der Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery (NOTES) zu ermöglichen, sind die Robotersysteme mit mehreren Instrumentenkanälen ausgestattet. Die Steuerung des Systems erfolgt dann bequem von einer Art Cockpit und mithilfe von Joysticks.