ArchivDeutsches Ärzteblatt44/2001Robotik – Ein Evolutionssprung in der operativen Medizin?

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Robotik – Ein Evolutionssprung in der operativen Medizin?

Dtsch Arztebl 2001; 98(44): A-2879 / B-2447 / C-2291

Federspil, Philipp A.; Stallkamp, Jan; Plinkert, Peter K.

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LNSLNS Zusammenfassung
Roboter haben die industriellen Produktionsmethoden revolutioniert. Sie haben jedoch auch in der operativen Medizin Einzug gehalten. Manipulatoren werden beispielsweise in der laparoskopischen Chirurgie und in der Herz-Thorax-Chirurgie eingesetzt. Aufgrund ihrer Präzision, fehlenden Ermüdung und Schnelligkeit, werden Roboter in der Orthopädie und Unfallchirurgie bereits verwendet. Sie besitzen jedoch auch ein großes Anwendungspotenzial in anderen operativen Fachdisziplinen, wie beispielsweise der Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde. Bei entsprechender Weiterentwicklung der Systeme und Einbindung in die Routine, wird die Robotik einen Evolutionssprung in der operativen Medizin bedeuten.

Schlüsselwörter: Roboter, Manipulator, computergestützte Therapie, chirurgische Therapie, Navigation

Summary
Robotics – A Step Forward in Evolution of Operative Medicine?
Robots have led to a revolution in industrial production methods. They also entered many aspects of operative medicine. Manipulators are used in laparoscopic and cardiothoracic surgery. Due to their precision, tirelessness and rapidity, robots are used in orthopaedic and trauma surgery. However, they have a great potential for applications in other operative specialities, such as ear, nose and throat surgery as well as head and neck surgery. When robotic systems are further developed and integrated routinely into surgery, they will represent a step forward in the evolution of operative medicine.

Key words: robot, manipulator, computer-aided therapy, surgery, navigation


Roboter haben bereits in viele Bereiche des Arbeitslebens Einzug gehalten, obwohl ihr Image teilweise negativ geprägt ist. Dass ihr Einsatzfeld dennoch weiter zunimmt, verdanken sie ihren Eigenschaften wie Genauigkeit, fehlende Ermüdung und Schnelligkeit. Diese Charakteristika haben zu einer wachsenden Akzeptanz von Robotern für unterschiedliche Aufgaben in der Medizin geführt. Die moderne Medizinrobotik ist über den Status einer nackten Vision längst hinausgewachsen, wie zahlreiche Installationen von Robotern besonders in deutschen Kliniken zeigen.
Im Jahr 1997 wurde am Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA) in Stuttgart mit der Entwicklung eines Präzisionsroboters (Abbildung 1a) für die Neuroendoskopie begonnen (32). Im Rahmen der Entwicklungsarbeiten wurden von der Arbeitsgruppe der HNO-Universitätsklinik Tübingen beziehungsweise Homburg/Saar (UKH) und des Fraunhofer IPA als vorbereitende Maßnahme für die roboterassistierte Schädelbasischirurgie eine Reihe von Experimenten
im Anatomischen Institut durchgeführt (Abbildung 1b, c). Diese Untersuchungen bilden die Basis für die derzeitigen Forschungsarbeiten zur gemeinsamen Umsetzung einer Reihe von Konzepten für die Anwendung der Robotertechnologie auf dem Fachgebiet der HNO-Heilkunde (21, 23, 27).
Was ist ein Operationsroboter?
Das Wort „Roboter“ leitet sich vom tschechischen Wort „robota“ mit der Bedeutung Fronarbeit ab. Der Begriff wurde 1921 von Karel CÚapek für einen rastlos arbeitenden „künstlichen Menschen“ geschaffen. In CÚapeks Drama „R.U.R.“ (Rossum’s Universal Robots) sind die darin vorkommenden Roboter mechanische Gestalten, die, in großer Stückzahl produziert, den Menschen von stumpfsinniger Fabrikarbeit entlasten sollten (28). Seitdem werden unter Robotern im allgemeinen Sprachgebrauch anthropomorphe Maschinen verstanden, die in zahllosen Büchern, Erzählungen und Spielfilmen, angefangen vom Roboter „Futura“ in Fritz Langs Film Metropolis (Abbildung 2) bis zu den sympathischen Erscheinungen von „C3PO“ und „R2D2“ aus „Krieg der Sterne“, die Phantasie der Menschen anregen. Obwohl sich die Forschung weiterhin mit der Entwicklung mechanisch-elektronischer Wesen mit möglichst menschenähnlichen Eigenschaften auseinandersetzt, liest sich die industrielle Definition von einem Roboter wesentlich nüchterner:
„Ein Roboter ist ein automatisch gesteuerter frei programmierbarer Mehrzweckmanipulator, der in drei oder mehr Achsen programmierbar ist und (...) entweder an einem festen Ort oder beweglich angeordnet sein kann“ (ISO 8373:1996).
Eine wesentliche Bedeutung besonders in Hinblick auf medizinische Anwendungen kommt den Manipulatoren zu. Das Europäische Komitee für Normierung (CEN) definiert folgendermaßen (ISO 8373:1996):
Ein Manipulator ist eine ... „Maschine, deren Mechanismus aus einer Folge von Komponenten besteht, durch Gelenke oder gegeneinander verschieblich verbunden, mit dem Zweck, Gegenstände (Werkstücke oder Werkzeuge) zu greifen und/oder zu bewegen, normalerweise mit mehreren Freiheitsgraden“.
Es handelt sich bei den Manipulatoren per definitionem nicht um Roboter. In der modernen Medizintechnik übernimmt der Roboter oder Manipulator die Aufgabe eines Assistenzsystems oder eines Hilfsmittels für die Durchführung des Eingriffs. Tatsächlich sind weltweit bereits über 500 Robotersysteme, zumeist Manipulatoren, im Einsatz. Der „Eiserne Chirurg“ gilt bisher jedoch technisch als nicht realisierbar – und ist auch nicht wünschenswert.
Manipulatoren in der operativen Medizin
Allgemein wird häufig nicht zwischen Robotern und Manipulatoren gemäß der Definition unterschieden. In der Medizin sind Manipulatoren überall dort anzutreffen, wo die menschliche Wahrnehmung und Flexibilität nicht durch künstliche Sensoren und ein Computerprogramm ersetzt werden kann. In der Regel arbeiten Manipulatoren nach dem Master-Slave-Prinzip oder als einfaches Trägersystem (5, 10, 20). Sie stehen zu jedem Zeitpunkt unter der Kontrolle des Operateurs. Ein Tremorfilter verhindert die Übertragung unerwünschter Begleitbewegungen. Das natürliche Zittern der menschlichen Hand wird dabei elektronisch herausgefiltert. Durch die computergestützte Übertragung können die Bewegungen in einem beliebigen Verhältnis auf die endoskopischen Instrumente übersetzt werden („Skalierung“), sodass mikrochirurgische Eingriffe mit noch höherer Präzision ausgeführt werden können. Gegenwärtig werden zwei Manipulator-Systeme auf dem Markt angeboten, die bereits in der klinischen Routine eingesetzt werden: Es handelt sich dabei um das System Zeus (Abbildung 3) der Firma ComputerMotion (Goleta, USA) und das System da Vinci (Abbildung 4) der Firma Intuitive Surgical (Mountain View, CA, USA). Ihr Einsatzgebiet liegt in der laparoskopischen Chirurgie (Viszeralchirurgie, Gynäkologie, Urologie [6]) und der minimalinvasiven Herz-Thorax-Chirurgie (15, 16). Im Deutschen Ärzteblatt wurde bereits über robotergestützte Eingriffe am Herzzentrum Leipzig berichtet (35).
Durch die Fernübertragung ist es prinzipiell gleichgültig, ob der Operateur unmittelbar im Operationssaal vor Ort oder aber weit davon entfernt ist. Eine solche Anwendung wird auch Telechirurgie genannt (24, 25, 26).
Eine einfache Form des Master-Slave-Prinzips stellen Trägersysteme dar, die beispielsweise für die mechanische Führung von Endoskopen eingesetzt werden. Der meistverkaufte Manipulator überhaupt ist das AESOP-System (Automated Endoscopic System for Optimal Positioning) von ComputerMotion (Goleta, USA). Der Roboterarm hat sechs Freiheitsgrade. Gesteuert wird AESOP über ein Spracheingabesystem.
Heute besteht auch die Möglichkeit, das Operationsmikroskop mithilfe eines integrierten Manipulators über ein Navigationssystem zu steuern, das heißt das Mikroskop wird vom integrierten Manipulator, wie beispielsweise dem MKM-System der Firma Carl Zeiss, an die gewünschte Position geführt.
Roboter in der operativen Medizin
Alle bekannten Systeme übernehmen im Verlauf der Operation nur einen begrenzten Teil der Aufgaben (4). Für diesen Vorgang sind diese Systeme frei programmierbar.
Obwohl der erste Einsatz eines Operationsroboters („Puma 560“) am Menschen 1991 eine transurethrale Prostataresektion war (7), liegt die Domäne der Operationsroboter heute in Fräsarbeiten an knöchernen Strukturen. Bei Weichteileingriffen kommt es stets zu unvorhersehbaren Veränderungen durch Verschiebung von Gewebe. Im Skelettsystem können Fräsarbeiten des Roboters berechnend ausgeführt werden.
An einem präoperativen erhobenen CT-Bilddatensatz kann die Operationsplanung vorgenommen werden. Ein solches Planungssystem, beispielsweise Orthodoc, liest die CT-Daten ein und stellt sie als 3-D-Bilder auf dem Grafikmonitor dar. Auf dem Bildschirm kann damit beispielsweise eine Hüftendoprothese aus einer Implantat-Datenbank (computerunterstütztes Design, CAD) ausgewählt und positioniert werden.
Vor Beginn der Operation ist die Herstellung und Erhaltung eines räumlichen Bezugs zwischen Roboter, Patienten und virtuellen Planungsdaten erforderlich (Referenzierung). Diese geschieht zum Beispiel durch das Vermessen von Markern mit einem robotergetragenen Instrument oder einem Positionsmesssystem. Diese Marker können kleine Knochenschrauben oder kleine Scheiben sein, die auf die Haut aufgeklebt werden. Seit kurzem können auch anatomische Landmarken genutzt werden, sodass keine Knochenschrauben mehr eingesetzt werden müssen (Pinless-Verfahren) (2). Hierbei werden intraoperativ 20 bis 30 Punkte auf der Knochenoberfläche berührt, und daraus wird ein Oberflächenmodell berechnet, das mit dem präoperativen Modell in räumliche Übereinstimmung gebracht wird.
Verschiedene Navigationssysteme werden bereits in den operativen Fächern mit und ohne Roboter eingesetzt (34). Innerhalb der HNO-Heilkunde liegt ihr Hauptanwendungsgebiet bisher in der Nasennebenhöhlenchirurgie, sie werden jedoch auch zunehmend an der lateralen Schädelbasis eingesetzt (9, 11, 12). Ein Nachteil besteht jedoch heute noch darin, dass intraoperativ nicht zu erkennen ist, welcher Anteil der knöchernen Strukturen bereits entfernt wurde. Sobald intraoperativ ein Fehler auftritt, wird die Navigation in der Regel abgebrochen, weil das Datenmaterial seine Integrität verliert und mit bisherigen Mitteln nur mit hohem Aufwand (intraoperatives MR/CT) aktualisiert werden kann. Neue Lösungen für dieses Problem wie endoskopische 3-D-Laserscanner (IPA) (29) und taktile Sensoren, die anhand der Resonanzfrequenz verschiedene Gewebe akkurat differenzieren können (22, 23) oder die intraoperative Bildgebung mittels 3-D-Ultraschall, befinden sich in der Entwicklung.
Robodoc
Am 7. November 1992 wurde erstmals ein Knocheneingriff beim Menschen mit einem Roboter durchgeführt. Es handelte sich dabei um einen Roboter des japanischen Herstellers Sanko-Seiki, der von der Firma Integrated Surgical Systems (Davis, Kalifornien) unter dem Namen Robodoc (Abbildung 5) vertrieben wurde (2, 18, 30). Nach Herstellerangaben sind weltweit derzeit 40 Robodoc-Systeme im Einsatz und davon etwa 30 alleine in Deutschland. Während das System in Deutschland bereits zugelassen ist, liegt die Genehmigung durch die US-amerikanische Zulassungsbehörde FDA für die USA noch nicht vor.
Caspar
Das System Caspar (Computer Assisted Surgical Planning and Robotics, (Abbildung 6) der Firma ortoMAQUET jetzt URS orto, basiert auf einem Stäubli-Industrieroboter. 40 000 Roboter dieser Art arbeiten auf der ganzen Welt – zum Beispiel in der Chipfertigung. Der Roboter besitzt sechs Gelenke, die ihm die Freiheitsgrade des menschlichen Armes verleihen. Auch dieses System verfügt über eine eigene 3-D-Planungsstation. Die Präzision der Planung liegt ebenfalls im Bereich von Zehntelmillimetern (19).
Evolution 1
Evolution 1 (Abbildung 1b) ist ein Hexapod-Roboter (31, 32, 33) der Firma URS (Universal Robot Systems, Schwerin). Die Parallelkinematik des Hexapod mit sechs Freiheitsgraden hat sich in der Industrie bei Anwendungen, bei denen es auf Steifigkeit, Traglast und Präzision ankommt, bewährt. Der Hexapod-Roboter ist lediglich 50 cm hoch; er ist also wesentlich kleiner als andere Industrieroboter. Bei einer Traglast bis zu 25 kg wird dennoch eine Präzision von unter 100 mm erreicht. Die Wiederholungsgenauigkeit liegt unter 10 mm. Mit dem System wurden von der Arbeitsgruppe der Autoren bereits Versuche zur roboterassistierten Mastoidektomie und Cochleaimplantation (Abbildung 1c) durchgeführt.
Otto
Im Surgical Robotics Lab der Charité wird ein geführtes Robotersystem Otto auf der Basis des SurgiScope (joyumarie) erarbeitet, das bereits bei der Implantation von Kathetern zur Brachytherapie und der Implantation von Titanschrauben für die chirurgische Epithetik erprobt wurde (13, 14). Dabei wird die eigentliche Bohrarbeit vom Chirurgen ausgeführt, der Roboter speichert jedoch Position und Achse der Instrumente.
Es handelt sich hierbei um ein Unterstützungssystem, das Operationsinstrumente trägt, leitet und bewegt, ohne eigenständig invasive Maßnahmen durchzuführen. Der Roboter kann zum Beispiel den Bewegungsspielraum, der dem Chirurgen zur Verfügung steht, in gewünschter Weise einschränken.
Nutzen von Operationsrobotern
Roboter bieten für die operative Medizin eine Reihe von Vorteilen: Sie zeichnen sich durch eine konstante Arbeitsleistung aus, ihr Verhalten ist unabhängig von mentalen Einflüssen reproduzierbar und protokollierbar, sie führen Bewegungen mit sehr hoher räumlicher und zeitlicher Präzision aus und können aus der Ferne bedient werden. Daraus ergibt sich ein großes medizinisches Nutzungspotenzial für die operative Medizin.
Verbesserung der Qualität
Aufgrund der sehr hohen Präzision lässt sich beispielsweise die Femurkavität für Hüftprothesen von einem Roboter mit einer Passgenauigkeit von über 90 Prozent ausfräsen. Diese Eigenschaft kann auch für andere Implantate, wie Cochleaimplantate oder implantierbare Hörgeräte ausgenutzt werden. Da der Roboter eine gleichbleibende Leistung erbringt, können Fehler während der Operation – aber nicht während des Planungsvorgangs – vermieden werden.
Assistenzfunktionen
Eine konzentrationszehrende und ermüdende Tätigkeit, wie das Halten und Nachführen eines Endoskops, die oft in belastender Körperhaltung ausgeführt werden muss, kann von robotischen Systemen übernommen werden. Darüber hinaus wird eine unbeabsichtigte Rotation des Endoskops vermieden, die zu einem Abkippen des wahrgenommenen Horizonts führen würde, sodass Orientierungsschwierigkeiten und Fehlpositionierungen resultieren können (17).
Manipulatorsysteme wären analog zur laparoskopischen Chirurgie theoretisch für endonasale Eingriffe im Nasennebenhöhlensystem denkbar. Aus Sicherheitsgründen ist eine multisensorische Rückkopplung (vibrotaktiler Sensor, Temperatur, Navigation, et cetera) erforderlich. Dennoch ist die endonasale Nasennebenhöhlenoperation bei entsprechender Weiterentwicklung von steuerbaren Instrumenten (5, 21) und einer Sensorik, die online ein 3-D-Scan der Nasenhaupthöhle liefert, eine Vision zukünftiger robotergestützter minimalinvasiver Eingriffe.
An der Universität Bristol befindet sich ein Mikrobohrsystem für die Stapedektomie im Experimentierstadium (1, 3). Das System misst ständig Drehmoment und Bohrervorschub, sodass aus diesen Daten der Durchbruch der Fußplatte detektiert werden kann. Gleichzeitig ist der Bohrervorschub begrenzt, um die Innenohrstrukturen nicht zu verletzen.
Durchführung von Operationen, die manuell nicht möglich sind
Bestimmte operative Eingriffe in Mikrostrukturen, wie zum Beispiel die Anlage eines Mikrosystems zur Applikation von Medikamenten oder Wachstumsfaktoren in das Innenohr, wären mit Roboterunterstützung denkbar. Eine andere bestechende Möglichkeit wäre eine Raumforderung der Schädelbasis nicht über den üblichen, großen Zugangsweg, sondern minimalinvasiv endoskopisch über einen sehr kleinen, möglicherweise sogar gewunden Bohrkanal zu entfernen, der vom Roboter mit entsprechendem Navigationssystem nach vorheriger virtueller Operationsplanung und -simulation angelegt wird. Miniaturisierte autonome Robotersysteme könnten Eingriffe im Gastrointestinaltrakt durchführen (8).
Reduktion der Operationszeit
Ein Anwendungsziel von Robotern in der operativen Medizin ist die Verkürzung von Operationszeiten und damit der Belastung des Patienten durch die schnellere Ausführung eines Operationsschrittes, wie beispielsweise dem Ausfräsen einer knöchernen Kavität. Leider benötigt die Installation des Systems heute noch eine gewisse Mehrzeit, sodass die gesamte Operationszeit bei einem Ersteingriff im gegenwärtigen Stadium verlängert wird. Der Zeitbedarf für den Systemaufbau kann jedoch bei zunehmender Erfahrung minimiert werden. Bei Revisionseingriffen ist die Operationszeit dagegen mit dem Roboter verkürzt (2). Außerdem sind die technischen Möglichkeiten für eine schnellere Referenzierung der Robotersysteme, beispielsweise durch automatische oszillierende Laserabtastung, noch nicht ausgeschöpft.
Schlussfolgerungen und Ausblick
Der Einsatz von Robotern und Manipulatoren ist nicht nur über das Stadium der Vision hinausgewachsen, sondern der medizinische Erfolg dieser Technologie scheint in greifbare Nähe gerückt. Allerdings ist der nächste Schritt mit einem weiteren Entwicklungsaufwand verbunden.

zZitierweise dieses Beitrags:
Dt Ärztebl 2001; 98: A 2879–2884 [Heft 44]

Die Zahlen in Klammern beziehen sich auf das Literaturverzeichnis, das über den Sonderdruck beim Verfasser und über das Internet (www.aerzteblatt.de) erhältlich ist.

Anschrift für die Verfasser:
Prof. Dr. med. Peter K. Plinkert
Klinik und Poliklinik für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde
Universitätskliniken des Saarlandes
Kirrberger Straße
66421 Homburg/Saar
E-Mail: hnoppli@uniklinik-saarland.de
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Abbildung 1: a) Prototyp eines Hexapod-Roboters zur Neuroendoskopie, b) Evolution 1 bei Manipulationen an der Schädelbasis, c) Fräsversuch mit dem Hexapod-Roboter am menschlichen Felsenbein mit freundlicher Genehmigung von URS, Schwerin
Abbildung 1: a) Prototyp eines Hexapod-Roboters zur Neuroendoskopie, b) Evolution 1 bei Manipulationen an der Schädelbasis, c) Fräsversuch mit dem Hexapod-Roboter am menschlichen Felsenbein mit freundlicher Genehmigung von URS, Schwerin
Abbildung 1
Abbildung 1: a) Prototyp eines Hexapod-Roboters zur Neuroendoskopie, b) Evolution 1 bei Manipulationen an der Schädelbasis, c) Fräsversuch mit dem Hexapod-Roboter am menschlichen Felsenbein mit freundlicher Genehmigung von URS, Schwerin
Abbildung 2: „Futura“ aus Fritz Langs Film „Metropolis“ (Ufa) mit freundlicher Genehmigung der Friedrich-Wilhelm-Murnau-Stiftung, Berlin
Abbildung 2: „Futura“ aus Fritz Langs Film „Metropolis“ (Ufa) mit freundlicher Genehmigung der Friedrich-Wilhelm-Murnau-Stiftung, Berlin
Abbildung 2
Abbildung 2: „Futura“ aus Fritz Langs Film „Metropolis“ (Ufa) mit freundlicher Genehmigung der Friedrich-Wilhelm-Murnau-Stiftung, Berlin
Abbildung 3: Manipulatorsystem Zeus: Positionierung der Effektorarme mit freundlicher Genehmigung von C omputerMotion (Photos by Bobbi Bennett) Santa Barbara, CA, USA
Abbildung 3: Manipulatorsystem Zeus: Positionierung der Effektorarme mit freundlicher Genehmigung von C omputerMotion (Photos by Bobbi Bennett) Santa Barbara, CA, USA
Abbildung 3
Abbildung 3: Manipulatorsystem Zeus: Positionierung der Effektorarme mit freundlicher Genehmigung von C omputerMotion (Photos by Bobbi Bennett) Santa Barbara, CA, USA
Abbildung 4: Manipulatorsystem Da Vinci: Im Vordergrund sitzt der Operateur an der Bedienkonsole. Im Hintergrund sind Effektorarme sichtbar. mit freundlicher Genehmigung von Intuitive Surgical, Mountain View, CA, USA
Abbildung 4: Manipulatorsystem Da Vinci: Im Vordergrund sitzt der Operateur an der Bedienkonsole. Im Hintergrund sind Effektorarme sichtbar. mit freundlicher Genehmigung von Intuitive Surgical, Mountain View, CA, USA
Abbildung 4
Abbildung 4: Manipulatorsystem Da Vinci: Im Vordergrund sitzt der Operateur an der Bedienkonsole. Im Hintergrund sind Effektorarme sichtbar. mit freundlicher Genehmigung von Intuitive Surgical, Mountain View, CA, USA
Abbildung 5: Operationsrobotor Robodoc mit freundlicher Genehmigung von Integrated Surgical Systems, Davis, CA, USA
Abbildung 5: Operationsrobotor Robodoc mit freundlicher Genehmigung von Integrated Surgical Systems, Davis, CA, USA
Abbildung 5
Abbildung 5: Operationsrobotor Robodoc mit freundlicher Genehmigung von Integrated Surgical Systems, Davis, CA, USA
Abbildung 6: Operationsrobotor Caspar: Demonstration einer hochpräzisen Fräsung an einem rohen Ei. mit freundlicher Genehmigung von ortoMaquet/URS orto, Rastatt
Abbildung 6: Operationsrobotor Caspar: Demonstration einer hochpräzisen Fräsung an einem rohen Ei. mit freundlicher Genehmigung von ortoMaquet/URS orto, Rastatt
Abbildung 6
Abbildung 6: Operationsrobotor Caspar: Demonstration einer hochpräzisen Fräsung an einem rohen Ei. mit freundlicher Genehmigung von ortoMaquet/URS orto, Rastatt
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