Die Zukunft beginnt - mit Chirurgie- und Mikrorobotern in der Medizin 1

2011 wurden in Deutschland 15,37 Millionen Operationen durchgeführt – von nur 154.244 Ärzten. Zur Entlastung arbeiten Forscher und Wissenschaftler seit Jahren an Chirurgie- und Mikrorobotern. Mit Erfolg.
Der Einsatz von Chirurgie- und Mikrorobotern in der Medizin ist ein Trend, der sich bereits seit 1998 zeigt. Damals präsentierten amerikanische Forscher den Da-Vinci-OP-Roboter. Anfänglich für das US-Militär entwickelt, um verletzte Soldaten aus der Distanz zu operieren, stieß man 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.

Bild: Philips

Philips‘ IntelliCap besteht aus zwei Teilen: Dem Medikamentencontainer und einem elektrischen Teil mit W-Lan, Batterie, Sensoren, Pumpe und Mikrocontroller.

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. Dahinter steckt modernste Technik. Für die Bewegung der Arme und Instrumente werden im Da Vinci die DC-Gleichstrommotoren von Maxon Motor eingesetzt. 39 Motoren sorgen so für einen reibungslosen Ablauf. Davon wurden Re-25-Motoren, einige mit, einige ohne Encoder-Feedback, Re-13-Motoren mit einem Planetengetriebe der GP-13-Reihe (180 Nm), magnetische Encoder mit 13 Millimeter Durchmesser sowie RE-35-Motoren verbaut. Die Motoren haben Seltene-Erden-Magnete und eisenlose Rotoren. Durch das spezielle Design besitzen sie außerdem kein magnetisches Rastmoment, was besonders vorteilhaft bei niedrigen Betriebsgeschwindigkeiten ist. Denn so werden eine gezielte und ruhige Instrumentenführung und ein sicherer Stillstand der Arme ermöglicht.

Präzise Fräsarbeiten in kleinsten Dimensionen

Dr. Garnette Sutherland von der University of Calgary

Dr. Garnette Sutherland von der University of Calgary zeigt die Funktionsweise des NeuroArms. Dank Keramikmotoren von Nanomotion ist der Roboter MRT-kompatibel.

Roboter helfen auch beim Einsetzen von mikrochirurgischen Hörgeräteimplantaten. Bei Taubheit oder Schwerhörigkeit wird ein Hörgerät außen am Ohr angebracht, während der Empfänger mit Elektrode direkt in die Hörschnecke implantiert wird. Dafür muss vom Chirurgen jedoch erst ein Zugang  gefräst werden – eine Präzisionsarbeit in kleinsten Dimensionen. Hier kommt der Roboter ins Spiel. Auf der Basis dreidimensionaler Bilddaten bewegt er sich relativ zum Patienten. Mit einer Fräskraft von bis zu 10 N und einer Positionsauflösung an der Fräserspitze von ±0,05 Millimeter bei einer Wiederholgenauigkeit von 0,01 Millimeter ist der Roboter gut gerüstet. Alle fünf Arme sind technisch ähnlich aufgebaut und werden von Getriebeeinheiten der Reihe HDGM-B und Motoren von Harmonic Drive angetrieben. Der Antrieb durch den Wave-Generator erfolgt über einen Zahnriemen. Das Besondere am Wave-Generator ist die elliptische Form. Als angetriebenes Teil verformt dieser über das Kugellager den Flexspline, der mit seiner Außenverzahnung in den Circular Spline mit Innenverzahnung greift. Da der Flexspline zwei Zähne weniger als der Circular Spline hat, vollzieht sich nach einer halben Umdrehung des Wave Generators eine Relativbewegung zwischen Flexspline und Circular Spline um einen Zahn, und nach einer ganzen Umdrehung um zwei Zähne. Bei fixiertem Circular Spline dreht sich der Flexspline als Antriebselement entgegengesetzt zum Antrieb. Die Folge sind Flexibilität, hohe Präzision, Spielfreiheit, Positionier- und Wiederholgenauigkeit sowie eine hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer.

Mehr Präzision auch in der Neurologie

Seit 2007 sorgt der NeuroArm für noch mehr Präzision in der Neurologie. Dr. Garnette Sutherland, der an der Entwicklung beteiligt war, erklärt die Besonderheit: „NeuroArm is  MRT-compatible. So it can operate outside the magnet, or inside.“ Das ist nur aufgrund der Keramikmotoren von Nanomotion möglich. Durch den Einsatz im Magneten kann der Chirurg während des Eingriffs in Echtzeit die Lage der Instrumente, des Gehirns und des Tumors oder Verletzungen im Zusammenhang sehen und seine nächsten Schritte optimieren. Die Keramikmotoren bestehen aus 16 nicht magnetischen Piezo-Ultraschall-Motoren der Baureihe HR 2-1-N-3 mit AB5-Antriebsmodulen. Der H2-Motor ist hochpräzise und vereint in seinem kompakten Design unbegrenzte Hübe mit hoher Auflösung. Der Motor hat einen linearen Rücklauf zur Eingangsspannung und eine Lebensdauer von mehr als 20.000 Stunden. Dabei wird auf die Piezoelektronik gesetzt – das Umwandeln von Druck in Strom und umgekehrt. Die maximale Geschwindigkeit liegt bei 250 nm pro Sekunde. Mit den AB5-Modulen bewegt sich der Roboter gleichmäßig und reibungslos bei allen Geschwindigkeiten. Bei einer Unterbrechung treten die Modulbremsen in Kraft. Das Modul ist leicht zu bedienen und mit allen Systemen kompatibel.

Im Inneren werden Mikroroboter aktiv

Das Kapselendoskop von Olympus und Siemens

Das Kapselendoskop von Olympus und Siemens ist mit zwei Kameras ausgestattet. Dank W-Lan sieht der Arzt die aufgenommenen Bilder in Echtzeit auf einem Monitor.

Neben großen Helfern sollen im Inneren des Körpers künftig kleine Assistenten zum Einsatz kommen. Wissenschaftler tüfteln seit Jahren bereits an pillengroßen Mikrorobotern. Während einige Medikamente an bestimmten Stellen im Körper freisetzen, werden andere zur Endoskopie und künftig auch zu minimalinvasiven Eingriffen eingesetzt. 2008 stellte Philips mit der IntelliCap die erste Generation der medikamentenverabreichenden Roboter vor. Das verschluckbare Labor vereint mehrere Technologien in sich: Eine elektronische Wirkstofffreisetzung, eine einfache Navigation mit Hilfe einer kleinen Batterie, eine Echtzeit-Kommunikation und ein Mikrocomputer als Betriebssystem. Die Kapsel ist 26 Millimeter lang, elf Millimeter breit und besteht aus zwei Teilen: Dem Medikamentencontainer und einem elektrischen Teil. Hier sind Sensoren integriert, die für die richtige Lokalisierung der Medikamentenabgabe ständig den pH-Wert in Speiseröhre, Magen und Darm ermitteln.

Am notwendigen Ort setzt dann eine kleine Pumpe, gesteuert von einem Schrittmotor, die richtige Dosierung ab. Daneben entwickelte Siemens Healthcare mit Olympus Medical System Corporation Neues im Bereich der Magenspiegelung. Das Endoskop in Pillenform ist 31 Millimeter lang und elf Millimeter breit, und wird vom Patienten einfach geschluckt. Dieser wird danach in einen Magneten gefahren. Erst jetzt kann der Arzt mit einem Joystick den Mikroroboter navigieren. Denn durch ein rotierendes Magnetfeld wird der Propeller-Antrieb der Kapsel, inspiriert vom Flagellen-Antrieb eines Bakteriums, in Bewegung gesetzt. Zurzeit die einzige Antriebsmöglichkeit. Denn Elektronik und Antrieb in dem kleinen Format unterzubringen, ist ein großes Problem. 60 Prozent des Platzes nimmt allein die Kamera ein.

Das Kapselendoskop ist 31 Millimeter lang und elf Millimeter breit. Es so groß wie eine Vitaminpille und kann leicht geschluckt werden.

Erste Schritte in der Motor-Miniaturisierung machte die Schweizer Firma Faulhaber. Ihr bürstenloser DC-Mikromotor basiert auf der gleichen Technologie wie die Großen. Das Gehäuse besteht aus einer eisenlosen, selbsttragenden Spule mit Schrägwicklung als Stator und einem zweipoligen NdFeB-Magneten auf durchgehender Welle als Rotor. Die elektronische Kommutierung fördert eine lange Lebensdauer. Die Maße: Durchmesser 1,9 Millimeter, Länge 5,5 Millimeter; zusammen mit dem Getriebe (150 µNm) 9,6 Millimeter. Die Steuerung über ein Sinussignal mit drei analogen Sinuswellen ist für die Laufruhe auch bei niedrigen Drehzahlen und kleinen Trägheitsmomenten verantwortlich.

Kampf gegen den Krebs

Auch in der Krebsbekämpfung wird auf Mikroroboter gesetzt. Für Christian Karnutsch von der Fakultät Elektro- und Informationstechnik an der Hochschule Karlsruhe, der seit Jahren an der Entwicklung von Mikrorobotern arbeitet, ist das sicher: „Die heutigen Voraussetzungen lassen darauf hoffen, dass wir in etwa 20 bis 25 Jahren das erste einsatzfähige Mini-U-Boot zur Krebsbekämpfung in der menschlichen Blutbahn herstellen können.“ Weiterhin forscht das Institut für Robotik und intelligente Systeme der ETH Zürich unter Zoltan Nagy an kleinen Robotern, die sich im Magen des Patienten mit Hilfe von Magneten selber zusammenbauen und so chirurgische Eingriffe tätigen oder Biopsien vornehmen. Der Patient schluckt dafür mehrere „Roboterpillen“, die unterschiedliche Funktionen wie die Steuerung oder mit einer Zange bestückt sind. Bei Tests in einem künstlichen Magen betrug die Erfolgsrate des EU-Projekts Araknes 75 Prozent.

Das bleibt hängen
Die Zukunft gehört den Robotern
Bemerkenswert, was die heutige Technik bereits alles bewerkstelligen kann. Und in welchem Maßstab. Während Chirurgieroboter wie der Da Vinci oder der NeuroArms seit Jahren in der Urologie, Neurologie und Kinderchirurgie neue Maßstäbe setzen, sollen in Zukunft winzige  Mikroroboter im Körperinneren Eingriffe vornehmen. Erste Schritte sind ja bereits mit Robotern in Pillengröße gemacht, die Medikamente an schwer zugänglichen Stellen absondern, wie zum Beispiel im Auge, oder dank kleiner Kameras exakte Bilder aus dem Inneren liefern. Wissenschaftler und Forscher an der ETH Zürich und im EU-Projekt Araknes arbeiten bereits seit einigen Jahren an der Vision von ferngesteuerter OP-Mikroroboter. So sollen sich mehrere Roboter in Pillenform mit Hilfe eines Magneten im Magen des Patienten eigenständig zusammensetzen und Eingriffe vornehmen. Andere sollen wiederum in der Blutbahn Krebszellen im Anfangsstadium zerstören. Laut Prognosen könnte das bereits in den nächsten 20 oder 25 Jahren passieren. Bis dahin ist es noch ein langer Weg – aber durchaus realisierbar.

 

Roboter in der Medizin sind die Zukunft. Nicht nur aufgrund ihrer vielfältigen Einsetzbarkeit in den unterschiedlichsten Bereichen, sondern auch wegen ihrer minimalinvasiven Technik. Denn der Trend geht zu immer kürzeren Krankenhausaufenthalten. Mit den Chirurgierobotern ist das kein Problem: weniger Schmerzen, weniger Wundheilungsstörungen, weniger Narben und weniger Blutverlust. Das sind die Voraussetzungen für eine schnellere Rückkehr in den Alltag.

Autor: Felicitas Heimann, Redaktion