ArchivDeutsches Ärzteblatt27/2000Herzchirurgie: Wenn ein Roboterarm das Skalpell führt

POLITIK: Medizinreport

Herzchirurgie: Wenn ein Roboterarm das Skalpell führt

Dtsch Arztebl 2000; 97(27): A-1870 / B-1610 / C-1494

Zylka-Menhorn, Vera

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LNSLNS Minimal-invasive Operationsverfahren, neue Formen der
extrakorporalen Zirkulation und der Einsatz von
Telemanipulatorsystemen haben das Experimentalstadium
an großen herzchirurgischen Zentren bereits verlassen.

Konzertmusik durchströmt den schmucklosen, weiß gekachelten Saal. In seiner Diagonale sitzt vor einer wuchtigen Konsole – das einzige Inventarstück dieses großen Raumes – eine grün gekleidete Person; ihr Blick konzentriert sich auf einen Farbmonitor; mit jeweils zwei Fingern ihrer Hände, die auf einem Stützkissen ruhen, bedient sie elektronische Manipulatoren. Diesen Kommandos folgend bewegen sich in einem angrenzenden Raum Roboterarme wie von Geisterhand. Über ein Mikrophon hält die Person Kontakt zur „Außenwelt“.
Diese Szene spielt sich weder in der Sicherheitszone eines Kernkraftwerks ab, noch handelt es sich um einen Science-Fiction-Film von Steven Spielberg; diese Handlung ist seit drei Jahren mit Regelmäßigkeit in einem Saal des Herzzentrums Leipzig zu beobachten. An diesem Tag steuert dort Dr. Volkmar Falk einen herzchirurgischen Roboter, der 1998 erstmals in Deutschland in Betrieb genommen wurde, während im angrenzenden, eigentlichen Operationsraum sein Kollege, Privatdozent Dr. Anno Diegeler, die störungsfreie Funktion der High-Tech-Anlage kontrolliert.
So gut wie nicht sichtbar – in einem scheinbaren Wirrwarr von Technik, Kabeln, Instrumentarium und Plastikplanen – ist die Hauptperson der Handlung: ein 67-jähriger Koronarpatient mit einer Eingefäßstenose, der weltweit zu den wenigen Herzpatienten gehört, die bereits von Roboterhand operiert werden. Gerade in den letzten Wochen überschlagen sich in der Fach- wie in der Laienpresse die Meldungen über chirurgische Eingriffe per Roboter. Handelte es sich primär um eine Domäne der Orthopäden und der Neurochirurgen, um Implantate mit dem Fräsroboter passgenau zu installieren und in den Strukturen des Zentralnervensystems möglichst gewebeschonend zu operieren, nutzen zunehmend auch Herzchirurgen die Vorteile der „stählernen Operateure“. Der Einsatz von Robotern in diesem Fachbereich basiert auf den Entwicklungen der minimal-invasiven Chirurgie, deren Anspruch es ist, das Operationstrauma zu verringern und die postoperative Phase für den Patienten zu erleichtern.
Ähnlich wie in der Gastroenterologie, wo nicht die Entfernung der Gallenblase aus dem Leberbett, sondern vielmehr die Situseröffnung dem Patienten starke postoperative Schmerzen und Immobilität beschert, wird das „operative Trauma“ in der Herzchirurgie nicht durch die Manipulationen am Herzen, sondern durch die Sternotomie verursacht. Die Eröffnung des Brustkorbs war außerdem bis vor kurzem die Voraussetzung für den Anschluss der Herz-Lungen-Maschine.
Über verschiedene Verfahren hat man in den letzten Jahren versucht, sowohl den operativen Zugang zum Herzen zu verkleinern, als auch auf den Einsatz der Herz-Lungen-Maschine zu verzichten. So verzeichnet die Leistungsstatistik der Deutschen Gesellschaft für Herz-, Thorax- und Gefäßchirurgie, die den minimal-invasiven Verfahren in diesem Jahr erstmals ein eigenes Kapitel widmete, deutliche Steigerungsraten bei Bypassoperation mit Sternotomie, aber ohne Herz-Lungen-Maschine.
Zunehmend akzeptiert wird auch das so genannte MIDCAB-Verfahren (Minimally Invasive Direct Coronary Artery Bypass), bei der ein Einfach- oder Zweifachbypass nach linkslateraler Minithorakotomie unter direkter Sicht am schlagenden Herzen und ohne Herz-Lungen-Maschine präpariert wird. Dabei wird eine „bis zu 20-minütige Ischämie durch den okkludierten Ramus interventricularis anterior in der Regel ohne wesentliche EKG-Veränderungen und hämodynamische Beeinträchtigung toleriert“, erklärt Prof. Friedrich-Wilhelm Mohr, Direktor der Klinik für Herzchirurgie am Herzzentrum Leipzig. „Dieses Verfahren eignet sich besonders für Patienten mit einer schwierigen Stenose des Ramus interventricularis anterior der linken Koronararterie.“
Endoskopische Eingriffe am und im Herzen konnten erst weiter entwickelt werden, als Bypass-Systeme zur Vergügung standen, die einen kardioplegischen Herzstillstand ermöglichen, ohne dass der Thorax eröffnet werden muss. Bewährt hat sich inzwischen die in Stanford entwickelte „Port-Acces-Technologie“, bei der die extrakorporale Zirkulation über die Femoralgefäße der rechten Leiste angeschlossen wird.
Hierbei wird ein Y-förmiges Kanülierungssystem mit Ballonkatheter über die Arteria femoralis unter transösophagealer echokardiographischer Kontrolle in die Aorta ascendens vorgeschoben und kurz vor der Aortenklappe plaziert. Nach Okklusion der Aorta wird über das gleiche System die kardioplegische Lösung in die Aortenwurzel infundiert und somit ein Herzstillstand induziert. Damit sind für den Kardiochirurgen optimale Bedingungen für einen minimal-invasiven Eingriff geschaffen.
Inzwischen gibt es weltweit zahlreiche Chirurgen, die endoskopische Herzoperationen mit Erfolg durchführen. Wie Prof. Richard Shemin (Boston) auf der Tagung der American Heart Association in Atlanta berichtete, wurden weltweit bisher rund 35 000 kardiochirurgische Patienten minimal-invasiv operiert – und zwar allein in den Vereinigten Staaten in 81 Lokationen. Shemin betonte, dass die Mortalitätsrate der minimal-invasiven Bypasschirurgie nicht höher sei als bei konventioneller Operation. Angesichts dieser „Gleichwertigkeit“ stellt sich die Frage, weshalb in der Herzchirurgie demnächst Roboter „das Skalpell übernehmen“ sollten. Handelt es sich hierbei nicht um eine technische Spielerei?
Für Mohr und sein Team, welches die Robotertechnik mit international anerkannten Pionierleistungen voran getrieben hat, ist die Antwort eindeutig: „Der Telemanipulator wird höchste Präzision zum Standard werden lassen.“ Mohr verweist in diesem Zusammenhang auf ein Beispiel der Statistik, wonach bei konventioneller Operation in fünf bis zehn Prozent der Fälle iatrogene Verengungen an der Einmündung des Bypasses beobachtet werden: „Diese Rate ließe sich durch die hohe Präzision des Roboters in Zukunft sicherlich verringern.“ Auch für den US-Herzchirurgen Prof. Ralph J. Damiano vom Hershy Medical Center der Penn State University werden die Vorteile der Methode in absehbarer Zeit die heute noch bestehenden Probleme – wie die längeren Operationszeiten – überwiegen: „Denn der Roboter verstärkt die Geschicklichkeit des Operateurs.“
Wie funktioniert ein Herz-Roboter?
Während in der Orthopädie „Off-line“-Roboter eingesetzt werden, die selbstständig vorher programmierte Bewegungsabläufe durchführen (Fräsen eines Knochens), handelt es sich bei den in der Herzchirurgie um „On-line“-Systeme, die zu jedem Zeitpunkt in der Kontrolle des Operateurs sind. Inzwischen bietet die Industrie verschiedene Typen von Robotern an. Am Herzzentrum Leipzig hat man sich für das Intuitive Telemanipulationssystem (Intuitive Surgical, Mountain View, Kalifornien) entschieden, „weil sich dieser Roboter durch eine besonders große Beweglichkeit auszeichnet“, erklärt Falk, während er über zwei Instrumentengriffe an der Masterkonsole die Arteria mammaria unseres Patienten robotergestützt endoskopisch präpariert. Der Monitor präsentiert ihm ein hochauflösendes SD-Videobild des Operationssitus in zehnfacher Vergrößerung, weshalb selbst kleinste Blutungen bereits beunruhigend aussehen.
Die Bewegungen des Operateurs an den Instrumentengriffen werden über Bewegungssensoren wahrgenommen und Prozessor-gesteuert verzögerungsfrei auf drei Manipulatoren übertragen. Ein zentraler Arm führt das Videoskop, während zwei seitliche Arme je ein auswechselbares endoskopisches Instrument (Endeffektoren) führen. Diese Endeffektoren erlauben dank eines miniaturisierten mechanischen „Handgelenks“ sechs Bewegungsfreiheitsgrade (konventionelle endoskopische Instrumente verfügen über nur vier Bewegungsgrade), sodass auch komplexe Bewegungsmuster – wie die Gefäßpräparation oder das Nähen einer Koronaranastomose – im Thorax möglich sind.
Gleichzeitig verhindert ein Tremor-Filter die Übertragung unerwünschter Begleitbewegungen. Das normale Zittern der menschlichen Hand wird einfach „gelöscht“. „Dadurch wird eine hohe Präzision erreicht,“ betont Falk. Ein wesentlicher Nachteil der endoskopischen Roboterchirurgie ist jedoch, dass man ohne jeglichen Tastsinn – und damit ohne Kraftrückkopplung – operiert. Der Chirurg ist daher gezwungen, neue manuelle Fertigkeiten zu entwickeln.
Eine Umstellung sowohl für den Chirurgen als auch für den Anästhesisten bedeutet es auch, dass bei minimal-invasiven Operationen die direkte Beurteilbarkeit der Herzfunktion stark eingeschränkt ist. „Wir mussten daher lernen, andere Informationsquellen als die direkte Sicht zu nutzen, um die Operationsstrategie während des Eingriffs zu steuern, das Ergebnis der Operation zu überprüfen und technische Fehler schnell zu erkennen. Besonders hilfreich ist in diesem Zusammenhang die transösophageale Echokardiographie“, erklärt Diegeler. „Sie sollte bei einer Operation am Herzen mit limitiertem Zugang nicht fehlen.“
Inzwischen ist der Patient über die Leistengefäße an die Herz-Lungen-Maschine (Port Access) angeschlossen worden. Am stillgelegten Herzen erfolgt schließlich Roboter-gestützt endoskopisch die Arteriotomie und der Anschluss der Arteria mammaria an den Ramus interventricularis anterior.
Anfang des Jahres wurde in Leipzig die erste komplette endoskopische Bypass-Operation am schlagenden Herzen durchgeführt, indem man den Operationsbereich mit einem endoskopischen Stabilisator ruhig gestellt hatte. Doch auch in diesem Bereich arbeitet man bereits an Verbesserungen, die unter dem Begriff „virtuelle Immobilisation“ subsumiert werden: Hierbei wird dem Operateur auf dem Monitor durch eine herzsynchronisierte Mitbewegung des Systems ein ruhendes Bild des schlagenden Herzens präsentiert.
Mitralklappen-Rekonstruktion
Minimal-invasive und Roboter-gestützte Herzoperationen sind aber nicht nur auf das Perikard (Perikardfensterung), die Koronarien und Vorhofseptumdefekt beschränkt: Die Herzchirurgen dringen mit dieser Technik sogar bis zur Mitralklappe vor, wobei hier vor allem die Rekonstruktion einer defekten Klappe von Bedeutung ist. „Da der Telemanipulator ein Instrument für Feinstarbeiten ist, bringt sein Einsatz beim Klappenersatz derzeit keine Vorteile“, erklärt Mohr.
Die Rekonstruktion einer defekten Mitralklappe per Roboter wird über eine vier bis fünf Zentimeter große Inzision im vierten rechten Interkostalraum durchgeführt. Dazu wird das 3D-Videoskop über einen zusätzlichen Port im zweiten Interkostalraum eingeführt. Nach manueller Eröffnung des linken Vorhofes wird das Videoskop über die Minithorakotomie positioniert, die beiden Instrumentenarme über zwei laterale Ports im Vorhof plaziert. Das Herausschneiden von defekten Klappenanteilen, die Klappenrekonstruktion sowie das Einnähen von Mitralklappenringen wird telemetrisch von der Konsole aus durchgeführt.
Zunehmende Verbreitung bei diesem Eingriff findet ein sprachgesteuerter Roboterarm (Automated Endoscope System for Optimal Positioning –
AESOP). Hierbei steuert der Operateur über ein Mikrophon die Positionierung des Videoskops mit Ein- oder Zwei-Wort-Kommandos, wobei die Bewegungen inkrementell oder kontinuierlich sein können. Dies hat zur Folge, dass der Operateur völlig allein – also ohne Begleitpersonal – operieren kann („Solochirurgie“).
Basierend auf den Erfahrungen und der Unterstützung vom Herzzentrum Leipzig gelang Prof. Rüdiger Lange und seinem Team vom Deutschen Herzzentrum München vor wenigen Tagen die erste vollendoskopische Mitralklappen-Rekonstruktion. Möglich wurde der Eingriff durch die Entwicklung eines flexiblen Retraktionssystems für den linken Vorhof, das durch den Arbeitskanal eingeführt und nach Verschluss des Vorhofes wieder entfernt werden kann. Dadurch entfällt die Thorakotomie.
Bewertung
In der Anfangsphase der minimal-invasiven Herzchirurgie ließen eine erhöhte Anzahl an Komplikationen und längerer Operationszeiten – verglichen mit konventionellen Methoden – Zweifel an der Zukunftsfähigkeit dieser Techniken aufkommen. Diese waren sowohl durch eine „Lernkurve“ des Chirurgen als auch durch eine anfänglich noch nicht ausgereifte Technik (einschließlich der Instrumente) bedingt. „Durch konsequente Modifikation und Vereinfachung der chirurgischen Techniken, Weiterentwicklung des Instrumentariums sowie letztendlich auch durch den Einsatz von Robotern sind die heutigen Operationsergebnisse und Operationszeiten mit denen der konventionellen Methoden vergleichbar – in Teilbereichen sind sie diesen sogar überlegen“, resümiert Mohr.
Mithilfe von Kernspin- und Computertomografie sowie dreidimensionalem Ultraschall wird man demnächst ein Millimeter genaues Bild des Herzens erstellen, um kardiochirurgische Operationen individuell für jede Situation des Patienten planen zu können.
Das Konzept der Telechirurgie mit einem vom Operationsgebiet räumlich getrennten Chirurgen wird bei entsprechenden Voraussetzungen der Datenübertragung auch Fernoperationen ermöglichen. So plant das Herzzentrum Dresden die weltweit erste Fernoperation, bei der ein US-Chirurg der Universitätsklinik Columbus operieren wird.
Telemanipulatorsysteme besitzen außerdem ein enormes Potenzial zur Verbesserung der chirurgischen Ausbildung. So ist es vorstellbar, dass über die Kopplung zweier Konsolen die endoskopische Operationstechnik unter Anleitung eines erfahrenen Operateurs, der im Bedarfsfall die Operation sofort übernehmen kann, optimal erlernt werden kann.
„Für eine ausgewählte Gruppe von Patienten wird die Roboter-Chirurgie in naher Zukunft verfügbar sein, nicht jedoch für große Patientenzahlen“, so Damiano. Und Mohr resümiert: „Wir haben bis jetzt mehr als 150 Patienten per Roboter sicher operiert; dennoch findet im Hintergrund immer noch eine experimentelle Auseinandersetzung mit diesem Verfahren statt, weil wir gemerkt haben, dass nicht alles ganz so einfach geht, wie man anfangs erhofft hatte.“ Dr. med. Vera Zylka-Menhorn

Ferngesteuerte Operationen ohne Tastsinn sind für Prof. Friedrich Wilhelm Mohr inzwischen Routine geworden. Foto: dpa

Roboteroperation in einem scheinbaren Wirrwarr von Technik, Kabeln, Instrumentarium und Plastikplanen Foto: vision photos/Axel Kull

Aufbau des computerunterstützten Telemanipulationssystems Skizze: Herzzentrum Leipzig

Statistik aus dem Herzzentrum Leipzig
Komplette endoskopische Bypassoperation mit der A. mammaria zum LAD:
- 31 Operationen mit Herz-Lungen-Maschine unter Verwendung des Port Access-Systems
- 5 Operationen am schlagenden Herzen unter Verwendung eines endoskopischen Stabilisators
- Operationszeiten 200 bis 340 Minuten

Endoskopische Präparation der linken beziehungsweise beider Aa. mammariae mit dem Telemanipulator, dann Umstieg auf eine Minithorakotomie und anschließend Fortführung der Operation als MIDCAB-Operation:
- 94 Patienten
- Zeit für die endoskopische Gefäßpräparation:
30 bis 60 Minuten
- Durchgängigkeitsrate 96,3 %

Mitralklappen-Rekonstruktion:
- 20 Patienten

Perikardfensterung:
- 2 Patienten

Komplikationen:
- 3 Patienten verstorben ohne Zusammenhang mit der endoskopischen Technik
- 6 Patienten mit postoperativen Problemen am Bypass (2 dieser Bypässe mussten operativ revidiert werden, 3 Patienten erhielten später eine Ballondilatation)

Minimal-invasive
Mitralklappen-Operationen:
- Insgesamt: 246 Patienten
- Mit dem Heartport-System: 205 Patienten
- Mit der Chitwood-Technik (endoskopische Technik der Aortenausklemmung): 41 Patienten
- Operationszeit: 150 bis 180 Minuten
- Komplikationen: Konversion zu Sternotomie
2 %, Mortalität 4,3 % (letzte 100 Patienten: 2,4 %), Revisionsoperationen: 1,7 %.

Kardiochirurgische Zentren, die mit Robotersystemen arbeiten oder diese erproben werden:
Deutschland: Herzzentrum Leipzig, Herzzentrum Dresden, Deutsches Herzzentrum München, Klinikum München-Großhadern, Universitätsklinikum Frankfurt, Deutsches Herzzentrum Berlin, Universitätsklinikum Münster
Ausland: Paris, Mailand, Utrecht ( zusammen mit den Allgemeinchirurgen), Brüssel, Ohio, Greenville, New York und Durham

Schematische Darstellung (links) und Originalvideobild (rechts) der Bypassanastomose zwischen der Arteria mammaria interna und dem Ramus interventricularis anterior Foto: Herzzentrum Leipzig

Minimal-invasive
Herzchirurgie in Deutschland:
- von 81 herzchirurgischen Zentren betreiben 62 minimal-invasive Chirurgie

- von über 4 000 Eingriffen pro Jahr werden die Hälfte in drei Zentren ausgeführt

- der Anteil der minimal-invasiven Eingriffe variiert von Klinik zu Klinik zwischen 5 und 30 Prozent

- die Mehrzahl der Teams konzentriert sich auf die Koronarchirurgie

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