Robotergestützte Chirurgie, Bild: KIT

Im Projekt OP:Sense steuern Chirugen Roboter, die die Operation durchführen. Bild: KIT

Roboter unterstützen nicht nur die industrielle Produktion, sondern sind auch immer mehr als Helfer im Operationssaal, in der Diagnostik, im Labor oder in Pflegeeinrichtungen zu finden. Es fängt bereits in der Diagnostik an. Einige Serviceroboter sind speziell dafür entwickelt worden, dabei zu helfen Diagnosen zu stellen, Behandlungen zu planen und durchzuführen.
So entwickelte Kuka zusammen mit Siemens eine Roboter-Grundlagentechnologie für den weltweit ersten Angiographie-Roboter. Dieser ist im Siemens-System Artis zeego integriert, das zum Beispiel Blutgefäße sichtbar macht.

Ein Roboter mit sechs Rotationsachsen ermöglicht dem Arzt, den so genannten C-Bogen, ein c-förmiges Röntgengerät, flexibel um den Patienten herum zu positionieren. So kann die Angiographie auch während der Operation eingesetzt werden, da der Patient nicht bewegt werden muss. In Echtzeit erhält der Operateur eine dreidimensionale Karte über die Lage der Gefäße, der eingesetzten Instrumente oder der einzusetzenden Stents bei einem gefäßchirurgischen Eingriff. Artis zeego liefert dabei schnelle qualitativ hochwertige Aufnahmen, die sonst nur Computertomographen erreichen.

In der Chirurgie werden seit mehreren Jahren Roboter eingesetzt, so wie der Da-Vinci-OP-Roboter. Ursprünglich wurde Da Vinci für das US-Militär entwickelt, um verletzte Soldaten aus der Distanz zu operieren. Allerdings stieß man hier schnell an technische Grenzen. Der Einzug der Computertechnik und der dadurch entstandenen laparoskopischen Operation, einer minimalinvasiven Technik mit Endoskopen und Kameras, ebnete den Weg für das Da-Vinci-Surgical-System der Firma Intuitive Surgical.

Seitdem sind weltweit über 300 Systeme häufig in der Urologie im Einsatz. Das Besondere hierbei ist, dass die gesamte Operation von drei Roboterarmen mit speziellen Instrumenten durchgeführt wird. Währenddessen sitzt der Chirurg an einer Kontrollkonsole, an der er unter visueller Kontrolle über einen 3D-Monitor den Roboter steuert. Bei dieser Operationsart gibt es viele Vorteile. Während bei herkömmlichen laparoskopischen Eingriffen der Schnitt für die Instrumente recht groß ausfallen muss, reichen dem Da Vinci Zugänge von weniger als einem Zentimeter Länge. Außerdem sind die Roboterarme dank der sieben Freiheitsgrade wesentlich wendiger als die menschliche Hand. Die Instrumente selbst haben noch sechs Bewegungsfreiheitsgrade plus einer Greifkraft. Natürliches Händezittern und der Pulsschlag des Chirurgen werden dank Software-Algorithmen und speziellen Filtermechanismen unterdrückt – was extrem präzise Schnitte ermöglicht.

Da-Vinci-OP-Roboter, Bild: Intuitve Surgical
Seit Jahren hilft der Da-Vinci-Roboter Chirurgen bei laparoskopischen Operationen. Bild: Intuitve Surgical

Genauigkeit der Systeme

Denn eine der großen Herausforderungen in der robotergestützten Chirurgie ist die Genauigkeit der Systeme. Um diese zu garantieren muss eine ganze Bandbreite der passenden Sensorik zur Überwachung von Patient und Robotersystem eingesetzt werden. Im Forschungsprojekt OP:Sense werden neuartige Methoden für die sichere und präzise Durchführung von robotergestützten Operationen entwickelt. Drei Bestandteile sind hier wesentlich: Leichtbauroboter mit chirurgischen Instrumenten (Aktoren), haptische Schnittstellen zur Kontrolle der Roboter und ein Kontrollsystem zur Überwachung des Bilds in Echtzeit.

Bei Forschungen zu genaueren Robotersystemen kommen zwei Leichtbauroboter von Kuka zum Einsatz. Sie haben jeweils sieben Freiheitsgrade und eine integrierte Drehmomentsensorik. Die Roboter können mit bis zu einem Kilohertz angesteuert werden. Ihre geringe Masse und die optimierten Motoren ermöglichen Bewegungen mit hoher Dynamik und guter Wiederholgenauigkeit. Für die beiden Kuka LBRs werden passende Regler entwickelt, die kartesische Bewegungen in den Gelenkraum umrechnen und entsprechend der maximalen Beschleunigung, Drehmomente und Winkelgeschwindigkeiten limitieren.

OP:Sense erfasst handelnde Personen, Bild: KIT
OP:Sense erfasst und interpretiert die Pose der handelnden Personen und Roboter. Bild KIT

Dank der modernen Leichtbauroboter mit Kraft-Momenten-Sensorik und sieben aktiven Freiheitsgraden, können neue kombinierbare Steuerungskonzepte realisiert werden: Der Chirurg kann den Roboter über haptische Eingabegeräte steuern und kann damit Widerstände unterscheiden. Ist beispielsweise ein Knochen oder Weichgewebe dem Instrument im Weg, fühlt er das. Zusätzlich können virtuelle Grenzen für den Schutz von Risikostrukturen simuliert werden.

Im handgeführten Modus kann der Chirurg die Roboter außerdem direkt per Hand in die gewünschte Position manövrieren. Verschiedene Assistenzsysteme unterstützen ihn dabei, indem sie die einstellbaren Positionen des Roboters und der eingesetzten Instrumente begrenzt. Somit ist eine präzise geführte Bewegung möglich. Daneben können sich die Roboter im autonomen Modus selbst an die vorgegebene Position bewegen. Damit geben sie gegebenenfalls den Arbeitsraum frei für den Chirurgen oder machen einen Wechsel der medizinischen Instrumente möglich.

OP:Sense Time-of-Flight Kameras, Bild: KIT
Zur Erfassung der Szene integriert OP:Sense Time-of-Flight Kameras, ein markerbasiertes Trackingsystem sowie Structured Light Kameras. Bild: KIT

Des Weiteren wird die gesamte Operationsumgebung, das heißt Mensch und alle Objekte, in Echtzeit dreidimensional mit einem optischen Überwachungssystem erfasst. Die virtuelle Szene dient dann als Grundlage für weitere Entwicklungen wie redundante Prüfungen der Roboterpositionen, adaptive Bahnplanung sowie Kollisionsvermeidung. Diese Szenen müssen allerdings vom Robotersystem richtig eingeschätzt und interpretiert werden. Insbesondere in Bezug auf die Menschen und ihre Handlungen: Wie viele Personen sind im Raum? Wo sind sie? Was machen sie gerade? In welcher Phase der Operation führen sie typischerweise welche Gesten aus?

Anhand der abgeleiteten Information werden dem Chirurgen nur aktuell benötigte Informationen eingeblendet oder die Kameraposition wird optimiert. So kann sich der Chirurg uneingeschränkt auf die Operation konzentrieren.

Bei laparoskopischen Operationen fehlt bei herkömmlichen Systemen der räumliche Eindruck. Daher muss die Tiefe ausschließlich anhand monokularer Hinweise wie Größenverhältnisse vom erfahrenen Chirurgen abgeschätzt werden. Hier hilft die Endocam Epic 3D HD der Firma Richard Wolf. Sie erfasst das Operationsfeld mit zwei 3-Chip-HD-Sensoren. Die Darstellung erfolgt dann auf einem autostereoskopischen Bildschirm des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts, der die Augenpositionen des Chirurgen erfasst und ihm anhand derer ein dreidimensionales Bild anzeigt.

Helfer im Krankenhausbetrieb

Doch nicht nur im OP selbst, sondern auch im normalen Krankenhausbetrieb werden Roboter als Helfer eingesetzt. Sie entlasten hier vor allem das Personal in Hinblick auf Transportdienste. So bietet der südkoreanische Hersteller Yujin Robot einen mobilen Serviceroboter für spezialisierte Hol- und  Bring-Dienste in Gesundheits- und Pflegeeinrichtungen. So kann der Roboter zum Beispiel Mahlzeiten automatisiert transportieren. Der Hersteller will den Roboter Gocart schnell in den regulären Betrieb bringen.

Serviceroboter Gocart, Bild: Yujin Robot
Der Hersteller Yujin Robot bietet den mobilen Serviceroboter Gocart für spezialisierte Hol- und Bring-Dienste in Gesundheits- und Pflegeeinrichtungen an. Bild: Yujin Robot

„In der ersten Iterationsphase haben wir das Designkonzept umgesetzt und einen Prototypen entwickelt. Die spannende nächste Phase wird der Testbetrieb vor Ort unter Praxisbedingungen sein", erklärt Marcus Liebhardt, Innovation Team Leader bei Yujin. Motor- und Sensornetzwerk wurde von Synapticon entwickelt. Das Steuerungssystem besteht aus Somanet- Hard und Softwaremodulen, die die Sensordatenverarbeitung, Energieverwaltung und Motorsteuerung regulieren. Dabei wurden im Serviceroboter PSDs, Ultraschall-Entfernungsmesser, ein Gyroskop, ein 3D-Sensor und das d-Slam-System mit mehreren Stereokamera-Boards verarbeitet.

Aber Roboter werden nicht nur als Transportsysteme in Krankenhäusern eingesetzt, sondern sind in japanischen Altenheimen für die Betreuung von Senioren zuständig. Die kleine Roboter-Robbe Paro beruhigt demenzkranke Senioren und entlastet somit das Pflegepersonal. Die Robbe hebt die Arme, spielt Musik und ruft mit kindischer Stimme Sätze wie „Lasst uns im Rhythmus klatschen“. Entwickelt wurde Paro von der japanischen Firma Fuji Soft. Laut Unternehmen ist es das Ziel eine neue Beziehung zwischen Mensch und Computer aufzubauen.

Paro ist mit künstlicher Intelligenz ausgestattet, er kann Menschen an ihrer Stimme erkennen und mit ihnen kommunizieren. Dabei konzentriert sich Japan in den letzten Jahren verstärkt auf Service- und Pflegeroboter. Das hat einen Grund: keine Nation altert so schnell wie Japan. Fehlen Schätzungen zufolge in Deutschland im Jahr 2020 knapp 115.000 Pflegekräfte, sollen es in Japan um 400.000 sein. Diese Lücke wollen die Japaner mit Robotern füllen und die Pflegekräfte in ihrer Arbeit unterstützen. Dabei animiere zum Beispiel Paro alte Menschen dazu, zu kommunizieren oder beim Essen fröhlicher zu sein.

 

Roboterhaustier Robbe Paro, Bild: Wikimedia
Die Roboterrobbe Parlo ist mit künstlicher Intelligenz azsgestattet und kann mit Menschen kommunizieren. Er soll allte Menschen zum Essen motivieren und fröhlicher stimmen. Bild: Wikimedia

Der Pflegebereich stellt die Entwickler vor komplexe Aufgaben, was sie (noch) an die Grenzen des technisch Machbaren stoßen lässt. Zudem gibt es bei den Senioren trotz aller Technikbegeisterung durchaus Vorbehalte gegenüber Robotern. Auch im Pflegeheim macht noch lange nicht jeder mit, wenn „Paro“ zum gemeinsamen Singen auffordert.

Roboter im Haushalt

Aktuell startet ein neues Forschungsprojekt von Bochumer Wissenschaftlern. Sie wollen im Projekt „Robots in Assisted Living Environments“, kurz Radio, herausfinden, wie ein Pflegeroboter konzipiert sein muss, um von Pflegebedürftigen akzeptiert zu werden. Der geplante Roboter soll dabei hören und sehen können, damit er die körperliche Verfassung seines Gegenüber analysieren und in kritischen Situationen Hilfe rufen kann. Die Wissenschaftler entwickeln hierfür Bildverarbeitungsalgorithmen. Langfristiges Ziel des Teams ist es, dass der Roboter „als Gefährte und nicht als Fremdkörper“ wahrgenommen werde. Projektleiter Professor Dr. Michael Hübner dazu: Irgendwann soll er im Haushalt so selbstverständlich sein wie ein Radio.

Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker arbeiten verstärkt daran Roboter als Helfer des Menschen immer weiter auszubauen. Sei es in der Industrie, im Pflegesektro oder bald auch im Haushalt. So ist eine Zukunftvision à la Star Trek, Zurück in die Zukunft oder I, Robot vielleicht bald keine reine Science-Fiction mehr, sondern wird zum normalen Alltag.