Eine Weltneuheit! Operationsroboter führt autonom laparoskopische Operationen bei Schweinen durch

Geschrieben von: XT

Herausgeber: Kou Jianchao

Layout: Li Xuewei

In den letzten Jahren ist die Nachfrage nach Operationsrobotern im medizinischen Markt kontinuierlich gestiegen. Viele Großkonzerne aus dem In- und Ausland sind in den Markt für Operationsroboter eingestiegen und das Monopol der da Vinci-Operationsroboter wurde nach und nach gebrochen. Angetrieben durch Kapital haben Operationsroboter weiterhin neue technologische Fortschritte gemacht und die Robotertechnologien für Thorax- und laparoskopische Operationen sind allmählich ausgereifter geworden.

Laparoskopische Operationsroboter gelten als „Flugzeugträger im Bereich der Medizingeräte“ und stellen eine der aktuellen Forschungs- und Entwicklungsrichtungen im Bereich der Operationsroboter mit äußerst komplexen Systemen, großen technischen Schwierigkeiten und hohem klinischen und kommerziellen Wert dar. Insbesondere in der Bauchchirurgie ist die Operation aufgrund des eingeschränkten Zugangs und der Sichtbarkeit des Zielgewebes sowie der störenden Artefakte, die durch die Atembewegung verursacht werden, äußerst schwierig.

Kürzlich entwickelte ein Forschungsteam der Johns Hopkins University einen intelligenten, gewebeautonomen Roboter (STAR), der erfolgreich eine laparoskopische Weichteiloperation an einem Schwein ohne menschliche Anleitung durchführte.

Die entsprechende Forschung wurde in der Fachzeitschrift Science Robotics unter dem Titel „Autonomous robotic laparoscopic surgery for intestinal anastomosis“ veröffentlicht.

In dieser Studie wurde die für die Durchführung einer robotergestützten laparoskopischen Dünndarmanastomose mithilfe des Smart Tissue Autonomous Robot (STAR) erforderliche verbesserte Autonomie erreicht und es gelang, verbesserte vollständig autonome Anastomoseoperationen unter Laparoskopie durchzuführen, was einen wichtigen Fortschritt in der Robotertechnologie hin zu vollautomatischen Operationen für Menschen darstellt.

Abbildung | Der Roboter führte ohne menschliche Hilfe eine laparoskopische Operation am Weichgewebe des Schweins durch

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass wir eine der komplexesten und heikelsten Aufgaben in der Chirurgie automatisieren können – das Wiederverbinden der beiden Darmenden“, sagt Axel Krieger, Assistenzprofessor für Maschinenbau an der Johns Hopkins White School of Engineering und einer der Autoren der Studie. „STAR führte den Eingriff bei vier Tieren durch und schnitt dabei deutlich besser ab als Ärzte, die den gleichen Eingriff durchführten.“

Erster autonomer Operationsroboter führt Anastomose in Weichgewebe durch

Die Entwicklung chirurgischer Roboter erfolgt bereits seit vielen Jahren. Bei den meisten von ihnen handelt es sich jedoch um chirurgische Hilfssysteme, wie etwa den weltweit führenden chirurgischen Roboter „da Vinci“, der von Chirurgen gesteuert wird, um sie bei Operationen zu unterstützen. Obwohl das System über eine extrem hohe Präzision verfügt, stehen bei der Durchführung autonomer Operationen noch erhebliche Herausforderungen im Vordergrund.

Für die autonome Weichteilchirurgie muss der Operationsroboter über ein genaues und zuverlässiges Bildgebungssystem verfügen, um das Zielgewebe zu erkennen und zu verfolgen. Dabei müssen auch Faktoren wie die erhöhte Komplexität der Operation durch Weichteildeformationen berücksichtigt werden, die hohe Anforderungen an das Robotersystem stellen. Ein typisches Anwendungsszenario ist die laparoskopische Chirurgie. Aufgrund des eingeschränkten Zugangs und der Sichtbarkeit des Zielgewebes sowie der störenden Artefakte, die durch die Atembewegung verursacht werden, ist die Operation äußerst schwierig.

In der Chirurgie ist die Anastomose ein geeignetes Szenario zur Untersuchung autonomer robotergestützter chirurgischer Systeme für die Weichteilchirurgie. Der Zweck dieser Operation besteht darin, die beiden gebrochenen Enden des Weichgewebes zu verbinden und die kontinuierliche physiologische Struktur wiederherzustellen, wie z. B. eine Magen-Darm-Anastomose, eine Eileiter-Anastomose, eine Sehnen-Anastomose usw. Technisch gesehen handelt es sich dabei um die Annäherung und Rekonstruktion der Hohlraumstruktur, was eine extrem hohe Operabilität und Wiederholbarkeit der Operation erfordert.

Obwohl es bei bestehenden autonomen Operationsrobotern erhebliche Fortschritte gegeben hat, weisen die meisten Systeme bei komplexen Aufgaben noch immer eine geringe Autonomie auf und sind in hohem Maße von Ärzten abhängig.

In dieser Studie haben Axel Krieger et al. hat ein verbessertes autonomes STAR-System für laparoskopische Operationsszenarien entwickelt, das mit speziellen Nahtwerkzeugen und einem hochmodernen Bildgebungssystem ausgestattet ist. Das Bildgebungssystem verwendet Nahinfrarot-Markierungen, um die Start- und Endpunkte des Zielgewebe-Nähvorgangs zu verfolgen, und ist robust gegenüber Blut- und dünnem Gewebeverschluss während der Operation, was die Autonomie und chirurgische Präzision des Systems verbessert.

Abbildung | Verbesserte autonome laparoskopische Weichteilchirurgie (A: Komponenten des STAR-Systems, einschließlich des medizinischen Roboterarms, angetriebener chirurgischer Instrumente und eines zweikanaligen Nahinfrarot- und dreidimensionalen strukturierten Licht-Endoskopie-Bildgebungssystems; B: Steuerungsarchitektur der verbesserten autonomen Steuerungsstrategie von STAR)

Das Verbinden der beiden Darmenden ist der anspruchsvollste Schritt in der Magen-Darm-Chirurgie und erfordert von den Chirurgen, den Darm mit hoher Präzision und Beständigkeit zu nähen. Schon das geringste Zittern der Hand oder falsch gesetzte Nähte während der Operation können zum Austreten von Darmsekreten führen und damit verheerende Komplikationen für den Patienten zur Folge haben.

Die Forscher verwendeten STAR, um in vivo laparoskopische autonome Operationen am Dünndarm von Schweinen durchzuführen. Vor der Operation startet der Bediener STAR über die grafische Benutzeroberfläche und das System generiert autonom einen Nahtalgorithmus und führt die Nahtaufgabe aus. Während des Nahtvorgangs nimmt der Bediener über die GUI Feinabstimmungen der Nahtschritte vor, bevor STAR den Nahtplan ausführt. Der Großteil des Arbeitsablaufs wird jedoch autonom abgeschlossen.

Bei laparoskopischen Operationen können die Atmung und andere Gewebebewegungen des Schweins eine Bewegung des chirurgischen Zielgewebes verursachen und so die Operation erschweren. Zu diesem Zweck entwickelten die Forscher einen maschinellen Lernalgorithmus auf Basis eines Convolutional Neural Network und Nahinfrarot-Kamera-Feedback, um die Bewegung des Zielgewebes während der Operation zu verfolgen.

„Weichteilchirurgie ist für Roboter besonders schwierig, da ihre unvorhersehbare Natur sie dazu zwingt, sich schnell an unerwartete Hindernisse anzupassen“, sagte Krieger. „STAR ist ein neuartiges Steuerungssystem, das Operationspläne in Echtzeit anpassen kann, genau wie der Chirurg es tun würde. Das Besondere an STAR ist, dass es das erste Robotersystem ist, das Operationspläne in Weichteilgewebe autonom plant, anpasst und ausführt, mit minimalem menschlichen Eingriff während des Eingriffs.“

Nahtfähigkeiten vergleichbar mit denen von Chirurgen

Um die Wirksamkeit der Operation zu testen, überwachten die Forscher das Überleben der Ferkel eine Woche lang nach der Operation und führten begrenzte Autopsien durch. Die Ergebnisse der Überlebensstudie zeigten, dass das STAR-System hinsichtlich leckagefreier Anastomose und Lumendurchgängigkeit mit der Leistung erfahrener Chirurgen mithalten konnte und dass das System sogar eine höhere Übereinstimmung aufwies.

Abbildung | In-vivo-Versuchsergebnisse (A: Repräsentative histologische Beispiele jedes Anastomosengewebes, das mit STAR (n = 4) und manuellem laparoskopischem Kontrolltest (n = 1) operiert wurde; B) PMN-Zellen als Ersatz für Entzündungen in jeder Probe; C: Repräsentative Beispiele für Anastomosen, die bei der Autopsie für STAR- und Kontrolltests gesammelt wurden. ）

Obwohl in dieser Forschung bahnbrechende Fortschritte erzielt wurden, bestehen hinsichtlich der Operationstechniken und -wirkungen noch immer gewisse Einschränkungen. Beispielsweise hängt die erfolgreiche Implementierung des Robotersteuerungsalgorithmus von Faktoren wie der Zugänglichkeit des Zielgewebes innerhalb eines bestimmten Arbeitsbereichs ab. Vergleiche zwischen dem STAR-Roboter, der manuellen laparoskopischen Chirurgie und der teleoperierten da Vinci-Chirurgie wurden an Phantomgewebe durchgeführt, während In-vivo-Studien mit dem da Vinci-basierten Testarm nicht möglich sind.

Die Forscher sagten, dass sie in zukünftigen Studien eine markerfreie Gewebeverfolgungstechnologie integrieren und testen, das Kamerasystem zu einem Endoskop vereinfachen und taktile Sensoren hinzufügen werden, um die Autonomie des Systems weiter zu verbessern und die Zeit zu verkürzen, die der Roboter für die Durchführung einer Operation benötigt.

Obwohl die menschliche Überwachung in komplexen und unvorhersehbaren Operationsszenarien nicht ausgeschlossen werden kann, kann das STAR-System die durch individuelle Unterschiede in der medizinischen Erfahrung und den Fähigkeiten der Ärzte bedingten Operationsrisiken wirksam verringern und die Operationssicherheit sowie die Konsistenz der Operationsergebnisse verbessern.

Da sich die Medizin zunehmend in Richtung laparoskopischer Operationsmethoden bewegt, sei es wichtig, über ein automatisiertes Robotersystem zu verfügen, das für diese Art von Operationen entwickelt wurde, sagte Krieger. „Die roboterassistierte Anastomose ist eine Möglichkeit, sicherzustellen, dass chirurgische Eingriffe, die hohe Präzision und Wiederholbarkeit erfordern, bei jedem Patienten mit größerer Genauigkeit und Präzision durchgeführt werden können, unabhängig von den Fähigkeiten des Chirurgen. Wir gehen davon aus, dass dies zu einem demokratischen chirurgischen Ansatz in der Patientenversorgung mit größerer Vorhersagbarkeit und Konsistenz führen wird.“

Quellen:

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abj2908

https://techxplore.com/news/2022-01-robot-laparoscopic-surgery-human.html

Akademische Schlagzeilen