Robotergestützte Chirurgie
3-D-geführte Operationsroboter
Wesentliche Neuerung bei »OP:Sense« vom Karlsruher Institut für Technologie ist ein integriertes System aus mehreren 3-D-Kameras, die den Arbeitsraum rund um das Operationsfeld erfassen. Dies soll neue Sicherheitskonzepte für die eng verzahnte Mensch-Roboter-Kooperation ermöglichen.
Laut Aussage der Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) liegt der Fokus des Systems auf der Unterstützung und Entlastung des Chirurgen. Dieses Ziel soll durch Zusammenfügen einzelner Hard- und Softwaremodule zu einem exakt für die jeweilige Operation angepassten System erreicht werden, das sowohl sicher als auch testbar ist und so neue Möglichkeiten von interaktiver Steuerung und sensorischer Rückkopplung eröffnen soll. Der Einsatz moderner Leichtbauroboter mit Kraft-Momenten-Sensorik und sieben aktiven Freiheitsgraden ermöglicht dabei laut Angaben des KIT im Vergleich zu herkömmlichen Medizinrobotern neuartige, kombinierbare Steuerungskonzepte:
- Im haptischen Telemanipulationsmodus steuert der Chirurg die Roboter über haptische Eingabegeräte. Er kann damit fühlen, welcher Widerstand dem Instrument entgegenwirkt, um zum Beispiel Weichgewebe oder Knochen zu unterscheiden. Zusätzlich lassen sich virtuelle Grenzen als Hilfe für den Schutz von Risikostrukturen simulieren.
- Im handgeführten Modus kann der Chirurg die Roboter direkt positionieren, indem er sie anfasst und an die richtige Position führt. Unterstützt wird er bei Bedarf von Assistenzfunktionen, welche die einstellbaren Positionen des Roboters und des medizinischen Instruments begrenzen und somit eine präzise geführte Bewegung erlauben.
- Im autonomen Modus bewegen sich die Roboter selbsttätig an eine vorgegebene Position, um beispielsweise den Arbeitsraum für den Chirurgen freizugeben oder den Wechsel der am Roboter montierten medizinischen Instrumente zu ermöglichen.
OP:Sense erweitert die konventionelle robotergestützte Chirurgie um die Integration optischer Überwachungssysteme, welche die Operationsumgebung inklusive Menschen und Objekten in Echtzeit dreidimensional erfassen. Die errechnete virtuelle Szene dient als Grundlage für weitere Entwicklungen wie redundante Prüfung der Roboterpositionen, adaptive Bahnplanung sowie Kollisionsvermeidung. Solche Maßnahmen, die unter anderem im europäischen Forschungsprojekt »SAFROS« entwickelt wurden, garantieren die größtmögliche Sicherheit für Patienten und medizinisches Personal.
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt liegt auf der Interpretation der erfassten Szene, insbesondere in Bezug auf Menschen und deren Handlungen: Wie viele Personen befinden sich im Raum? Wo befinden sie sich? Welche Geste führen sie gerade aus? Mit welchen Tätigkeiten korrespondieren die erfassten Gesten? In welcher Phase der Operation erfolgen diese Tätigkeiten typischerweise? Anhand der derart abgeleiteten Informationen unterstützt OP:Sense den Chirurgen, indem das System beispielsweise nur die aktuell benötigten Informationen einblendet oder die Kameraposition optimiert. Mit derartigen zuschaltbaren Hilfsmitteln soll sich der Chirurg voll auf die Operation konzentrieren können.
Um bei laparoskopischen Operationen, zum Beispiel innerhalb der geschlossenen Bauchhöhle, gegenüber der herkömmlichen Videodarstellung einen räumlichen Eindruck vermitteln zu können, bietet der OP:Sense-Demonstrator eine durchgehende 3-D-Darstellung des Operationsfelds auf einem autostereoskopischen Bildschirm des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts, der die Augenpositionen des Chirurgen erfasst und ihm anhand dieser Daten ein dreidimensionales Bild anzeigt.
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