Robot Assisted Surgery

Robot Assisted Surgery

Kurzfassung

Dieses Paper befaßt sich mit dem Einsatz von Robotern in der Chirurgie. Es werden die Vor- und Nachteile sowie der technische Hintergrund erläutert. Weiters wird ein Forschungsprojekt vorgestellt, welches eine neue Anwendung im Bereich der Telerobotik darstellt: Roboterunterstützte Chirurgie mit Satelliten und Glasfaser Netzwerken für den Datenaustausch

EINFÜHRUNG IN DIE MINIMALINVASIVE CHIRURGIE

Minimalinvasive Chirurgie beinhaltet verschiedene Techniken, die die interne Anatomie des Menschen mittels kleinen Öffnungen oder Einschnitten erreichen. Dadurch wird eine Traumatisierung des übrigen Gewebes weitgehend reduziert. Experten schätzen, daß minimalinvasive Techniken für 75% der Operationen im Bauch- und Brustbereich verwendet werden können, wodurch die traditionelle Chirurgie an zweite Stelle gerückt werden könnte.

Minimalinvasiv chirurgische Techniken revolutionieren das Operieren in den Bereichen: Endoskopie, Laparoskopie (auf die später noch eingegangen wird) sowie orthopedische und Lungenchirurgie.

1.1. Funktionsweise

Bei diesen Vorgehensweisen wird durch eine punktuelle Korperöffnung eine schlanke Sonde eingeführt. Über ein sogenanntes Videoskop mit einer Minikamera wird ein Bild nach außen geliefert, das der Chirurg über einen Bildschirm sehen kann. (Anmerkung: Der Bildschirm ist in Darstellung in Abb.1 weggelassen worden). In das Bauchinneren wird CO² zugeführt, um Arbeitsraum und Sicht zu schaffen. Über zusätzliche punktuelle Öffnungen können Werkzeuge wie Greifer, Klammern und elektrische Schneidegeräte eingeführt werden.

Dazu werden spezielle Röhren benötigt, über die die Instrumente ins Innere geführt werden. Dadurch sind die Werkzeuge allerdings in ihrer Bewegungsfreiheit eingeschränkt. Sie haben nur vier verschiedene Bewegungsstufen:

drehen

heben und senken

zugreifen

ziehen und schieben.

1.2. Laparoskopische Chirurgie

Minimalinvasive Chirurgie in der laparoskopischen Chirurgie bedeutet, daß die etablierten Methoden verwendet werden, jedoch mit nur minimaler Eröffnung der Bauchdecke und geringst möglicher Manipulation in der Bauchhöhle. Es wird mit einer Videokamera und mikrochirurgischen Operationswerkzeug vorgegangen. Zusätzlich wird ein hochmodernes Ultraschallpräparationsgerät verwendet. Es sind praktisch alle Bauchoperationen auf diese Weise durchführbar wie auch zum Beispiel Operationen bei Hiatushernie (Zwerchfellbruch), Operationen bei krankhafter Fettsucht, Dickdarmoparationen u.v.m..

1.3. Endoskopie

Die Endoskopie ist ein modernes Verfahren um v.a. Magen und Dickdarm mittels Spiegelung genau abklären zu können. Es können auch kleine Eingriffe endoskopisch durchgeführt werden, die zukünftige, größere Operationen vermeiden können.

1.4. Vorteile

Bei der traditionellen Methode muß ein entsprechender Schnitt an der Körperoberfläche durchgeführt werden, um die betreffenden Organe und Gewebe freizulegen. Im Gegensatz dazu sind bei der minimalinvasiven Chirurgie nur punktuelle Öffnungen nötig, die einen Durchmesser von ca. 10 mm haben. Somit handelt es nicht um größere Wunden wie bei einem Skalpellschnitt, wodurch sich Gewebetraumata erheblich reduzieren lassen. Das drückt sich beim Patienten in einer geringeren postoperativen Schmerzempfindung aus, sowie weniger Folgeerkrankungen, wie z.B. Lungenentzündung, Thrombosen oder Infektionen. Die Patienten profitieren also nicht nur aus kosmetischen Gründen von diesen Operationsverfahren (minimale Narbenbildung), sondern vor allem durch die raschere Erholung nach der Operation, wodurch eine Verkürzung des Spitalsaufenthalts möglich wird. Nichtzuletzt können auch Risiken und Kosten verringert werden.

1.5. Probleme

Seitens der Arzte wird es derzeit noch als schwierig empfunden, mit dieser Technik Vorgänge durchzuführen, die Genauigkeit und feine Bewegungen erfordern. Schwer durchzuführen sind beispielsweise:

Operationen am Magen-Darm-Trakt, die genaueste zweihändige Bearbeitung erfordern.

Das Lokalisieren, Reinigen und Schließen von traumatisierten Wunden, die beispielsweise von Metallobjekten im Bauchbereich hervorgerufen wurden.

1.5.1 Technische Beschränkungen

Gegenwärtige Instrumente wie Nadelhalter, Greifer usw. übertragen die Bewegungen der Hand des Chirurgen über eine passive Mechanik. Derzeit sind nur vier verschiedene Bewegungsformen möglich (siehe Kap.1.1. Funktionsweise), somit kann der Chirurg zwar Punkte im dreidimensionalen Raum erreichen, er kann jedoch die Bewegung nicht vollständig kontrollieren. Das wäre kein Hindernis für einfache Aufgaben, aber komplexere Aufgaben wie z.B. Nähen oder einen Knoten machen werden zu einer schwierigen Herausforderung. Außerdem ist die Perspektive, die sich durch die Minikamera dem Chrirurgen auf dem Monitor zeigt, etwas anders als von den Achsen aus, auf dem sich die gesteuerten Instrumente befinden. Hier müssen die Mensch-Maschine-Schnittstellen noch weiter ausgefeilt werden. Dadurch, daß der Chirurg nicht wirklich seine Hände benutzen kann, geht ihm ein Sinn verloren: Er kann das Gewebe und die Organe, an denen er arbeitet, nicht fühlen, was die Arbeit weiters erschwert. Jedoch wird bereits an entsprechenden Eingabegeräten gearbeitet, die dem Chirurgen ein Feedback über Strukturen und Krafteinwirkungen zu geben vermögen. Viele Arzte sind bei dem Versuch gescheitert, schwierigere Prozeduren mit dieser Technik zu erlernen, Grund sind die angesprochenen Schwierigkeiten mit der Benutzerschnittstelle. Die Handhabung muß also erst erlernt und geübt werden. Training an Versuchstieren ist möglich, wäre jedoch auf Dauer mit hohen Kosten verbunden und ethisch nicht vertretbar. Entsprechende Simulatoren sind ebenfalls noch nicht ausgereift, da es schwierig ist, menschliches Gewebe nachzubilden.

Somit bleibt es derzeit nur den besten Arzten vorbehalten, die Technik der minimalinvasiven Chirurgie für komplexere Aufgaben einzusetzen.

1.6 Beispiele des Einsatzes von minimalinvasiven Techniken heute

1.6.1 Anwendung in der Kinderklinik München

In dieser Klinik werden laparoskopische Techniken für folgende Fälle routinemäßig eingesetzt:

Unklare Bauchschmerzen (- diagnostische Laparoskopie)

Akute Blinddarmentzündung (- laparoskopische Appendektomie)

Gallenblasenentfernung (- laparoskopische Cholezystektomie)

Fehlbildungen an den Ovarien (- laparoskopische Tumorentfernung)

Fehllage des Hodens im Bauchraum (- laparoskopische Hodenmobilisation)

Varikozele (- laparoskopische Venenligatur)

Fehlbildungen bzw. Tumore an der Lunge (- thorakoskopische Resektionen)

Fehlbildungen im Bereich des Gehirnes (- ventriculoskopische Zystenfensterungen)

1.6.2. Anwendung im Wilheminenspital Wien, 2. Chirurgie

In diesem Krankenhaus wird auch ein Eingriff zur Heilung krankhafter Fettsucht laparoskopisch durchgeführt:

Die moderne Chirurgie bietet einen Eingriff der um den Mageneingang, knapp nach der Speiseröhre ein Band plaziert, welches so den Magen in zwei Bereiche teilt:

Der aktiven Magen nimmt weiterhin Nahrung auf. Dieser Teil wird durch das Band auf Marillengröße begrenzt.

Der passive Magen, der die untere Hälfte darstellt, leitet die verdaute Nahrung nur mehr weiter, stellt jetzt also nur mehr eine Verlängerung des Dünndarms dar.

Das Band funktioniert wie ein kleiner Blutdruckmesser und kann über ein Depot in der Haut mehr oder weniger aufgeblasen werden. So kann die Nahrungsaufnahme im Einvernehmen mit dem Patienten reguliert werden.

Als Begründung für derartige Operationen werden Ergebnisse von Langzeitstudien angegeben, die zeigen, daß die Mehrzahl der Patienten nach allen Formen der Gewichtsreduktion ihr Gewicht auf Dauer nicht halten können.

1.7. Ausblick auf Verbesserungen und Erweiterungen des Systems

Fortgeschrittene Fertigun gtechniken werden roboterähnliche Instrumente ermöglichen, die mit Kräfte- und Gefühlssensoren ausgestattet werden. Um die Gefahr einer Infektion durch die Instrumente zu vermindern, werden die Teile, die sich im Körperinneren bewegen, als Wegwerfgeräte konzipiert. Vorraussetzungen für den chirurgischen Arbeitsplatz der Zukunft sind verbesserte Hardware zur Visualisierung und Durchführung von komplexen Berechnungen. Zur Verbesserung der Benutzerschnittstelle können neuartige Eingabegeräte wie Virtual Reality Helme genutzt werden.

1.7.1. Telechirurgie

Mit der sogenannten Telechirurgie (engl. Telesurgery) wird es möglich, daß sich der Arzt selbst ganz wo anders befindet, als wo die Operation tatsächlich stattfindet. Dies macht Sinn, wenn z.B. ein Spezialist für ein bestimmtes Gebiet gefragt ist, der seinen Arbeitsplatz ganz woanders hat. Ein anderes Einsatzgebiet für Telechirurgie wäre ein Kriegsschauplatz: Die Chirurgen könnten abseits von der Front dringende Operationen durchführen, am Operationsort wären noch zwei technische Assistenten für Notfälle zuständig. Einige Studien, wie auch von Colonel Satava der US Army Medical Corps während des Golfkrieges, haben gezeigt, daß es mittels Telechirurgie möglich ist, die Folgen von Kriegsverletzungen zu vermindern.

Diese Technologie und Wissenschaft wird auch große Errungenschaften für die zivile Medizin darstellen, ebenso für Astronauten, Minenarbeiter, Feuerwehrmänner, also Leute, die in Gefahrenbereichen arbeiten.

In den nachfolgenden Kapiteln wird auf den technischen Hintergrund der Telechirurgie anhand eines konkreten Forschungsprojektes genauer eingegangen.

FORSCHUNGSPROJEKT TELECHIRURGIE

2.1. Einführung

Es handelt sich hier um das erste Experiment in roboterunterstützter Chirurgie, ausgeführt zwischen dem NASA Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California, und dem Telerobotics Laboratory of the Politecnico di Milano, am 7. Juli 1993. Ein italienischer Roboter im Telerobotics Laboratory wird ferngesteuert von einem italienischen Chirurg in den USA. Die Aufgabe des Roboters ist es, einen chirurgischen Eingriff an einem Modell vorzunehmen. Die Übertragung wird durch Satellitenübertragung mit 3 Übertragungsstationen ermöglicht: einer in Italien, einer in der Nähe von New York und einer in Pasadena. Außerdem kommen noch 2 geostationäre Satelliten hinzu: der erste über dem Atlantik und der zweite über den USA. Der Leitungsweg der Signale berträgt 150 000 km in jede Richtung, und die zwei Zentren sind 10 000 km entfernt.

2.2. Projektkonzepte

Das Projekt, auch CIAO (Co-operation, Integration, and Aid for Operations) genannt, ist für die Anwendung von  "Tele - Chirurgischen" Eingriffen entwickelt. Der ausführende Chirurg führt Kamera und Instrumente in den Unterleib des Patienten ein, ohne größere Einschnitte zu verursachen. Somit kann er Bilder des Unterleibs sehen, die durch die Kamera übermittelt, und am Monitor dargestellt werden. Der Chirurg operiert den Patienten, ohne diesen wirklich zu sehen, man spricht von einer Virtual Reality Operation. Dazu kommt der Effekt der Zeitverzögerung, was auf die große Entfernung zwischen Patient und Chirurg zurückzuführen ist, und eine wahrnehmbare Übertragungsverzögerung zur Folge hat. Das CIAO Projekt ist bestimmt für eine zuverlässige und sehr präzise Chirurgie. Durch die exakte Steuerung kann der Roboter Schnitte einer gewünschten Länge und Tiefe vornehmen. Außerdem ist die manuelle Ausführung von präzisen Eingriffen unvoreingenommen von den manuellen Fähigkeiten des Chirurgen, da man die technische Leistung dem Roboter, der vom Chirurg gesteuert wird, anvertraut. Weiters bietet sich die Möglichkeit von sogenannten mobilen Stationen an, wie Krankenwagen, Transportwagen.., die via Satellit verbunden sind und für Notfälle, aber auch für vorbeugende Eingriffe über größere Distanzen, fern von der zentralen Station, bereitstehen.

2.3. Beschreibung des Systems

Das CIAO Projekt entwickelte die Vereinigung zwischen der operativen Steuerung des Roboter - "Chirurg" und einer Software, auf einem ferngesteuerten Computer, verbunden

durch Satelliten und Glasfasernetz. Das Robotersystem beinhaltet einen Operationsplatz,

ausgerüstet mit einem Roboter, dem Steuerungscomputer, dem Datenverarbeitungscomputer,

und dem Gesamtsteuerungscomputer. Außerdem gibt es eine entfernte Station, in welcher der Chirurg die Operation, unter Verwendung von Tastatur, Maus, oder "Virtual Reality - Handschuhen" durchführt. Die Kommandos werden dem Computer vermittelt, der wiederum

die Operationsdaten an den Operationsplatz überträgt, wo der Roboter die Befehle durchführt.

In der Chirurgiestation befinden sich 5 Kameras. 2 Schwarz/Weiß Kameras liefern die Daten

des Körpers des Patienten, eine Kamera blickt von oben auf den Chirurg. Die vierte Kamera

ist ausgerüstet mit automatischen Zoom, durch Software aktiviert, und zeigt den Arbeitsbereich des Roboters, während die fünfte Kamera das Innere des Körpers des Patienten

zeigt. Die Überwachungsstation ist ausgestattet mit einem Computer und einem Monitor, der

die Bilder der entfernten Chirurgiestation darstellt.

2.3.1. Chirurgische Hardware

Der Roboter ist mit einer Sonde und einem Sensor ausgerüstet, mit denen die Kraft, welche auf den Körper des Patienten wirkt, mit einer Genauigkeit von 0.05 Newton, gemessen wird.

Die Daten werden an die chirurgische Station, an den entfernten Chirurg und an den Computer, der für die Datenverarbeitung zuständig ist und im Zentrum der Station aufgestellt ist, weitergeleitet. Der Roboter ist außerdem mit einer Scanner - Sonde ausgestattet, um Bilder vom Inneren des Körpers des Patienten zu liefern. Er besitzt spezielle Vorrichtungen, um Skalpell, Sonden, und andere Instrumente zu führen. Instrumente können manuell oder automatisch gewechselt werden.

2.3.2. Elektronik, Mechanik und Kommunikation

Die grundlegende Idee des Projekts ist es, eine Station, bestehend aus einem PC und einem Roboter, welcher mit einer ferngesteuerten Software ausgestattet ist, zu konstruieren.

Die Software soll die Interaktion mit anderen ähnlichen, entfernten Stationen über verschiedene Kommunikationsebenen (Satelliten, ISDN Netzwerk, mobile Netzwerke) ermöglichen.

2.3.3. Elektronische Software

Die Software wurde in einer Windows Umgebung entwickelt. Die Visual Basic Entwicklungsumgebung wird als Benutzerschnittstelle verwendet, zur Steuerung der Karten und für kritischere Funktionen wird hingegen die Programmiersprache C ++ verwendet.

Der Bildschirm des PC zeigt Bilder des Roboters und die verfügbaren Instrumente.

Die Maus dient der Eingabe von Kommandos, durch Selektion von virtuellen Tasten auf

dem Monitor oder durch "Drag and Drop".

2.3.4. Der Roboter

Der verwendete Roboter hat folgende Charakteristik:

eine höhere Programmiersprache

eine Karte zur Bedienung der digitalen Signale

die Möglichkeit der Fernprogrammierung über die serielle Schnittstelle

die Fähigkeit für sicherheitsgerichtete Steuerung in Echtzeit

2.3.5. Roboter Software

Die Fernsteuerungssoftware in AML2, verwendet die ADE Entwicklungsumgebung,

die typisch für IBM und Seiko Roboter ist.

Das Programm hat folgende Fernsteuerungsfunktionen

Dekodierung von Kommandos: Jeder am seriellen Port empfangene String wird gelesen, dekodiert und auf die syntaktische Korrektheit überprüft.

Ausführung des Kommandos: Nachdem die Dekodierung abgeschlossen ist,

wird das Kommando ausgeführt.

Ausführung komplexer Kommandos: Einschnitte, Biopsie.

2.4. Daten - und Bildübertragungssystem

Die Datenübertragung verwendet mehrere parallele Kanäle, von denen jeder eine

spezielle Aufgabe leistet.

für dokumentierte Aufzeichnungen des Experiments, dient das Internet als Kommunikationssystem für elektronische Mail.

Das Telefon wird für mündliche Kommunikation verwendet.

Das Telefonnetz via Modem dient zur Ausführung des Programms in der

Chirurgiestation in Italien und den USA, um die Kommandos an den Roboter

zu übermitteln.

Das Satellitensystem dient der Überbrückung der Distanz zwischen Milan und

Pasadena.

Aspekt der Zeitverzögerung

Zeitverzögerung ist ein wesentlicher Faktor in der Datenfernübertragung, sowohl

über Satellit, als auch über Glasfasernetz. Die Zeitverzögerung hängt von der   Geschwindigkeit des Lichts, der Schwingungsweite, und der Distanz zwischen Ausgangs - und Zielpunkt ab. Die Übertragungsverzögerung beträgt bei der Satellitenübertragung Sekunden, für eine Länge von 150 000 km und einer Entfernung von 35 000 km von der Erde. Es ist physikalisch unmöglich diese Verzögerung zu umgehen.

LITERATUR

http://www.medscape.com

http://www.southindia.com/article1.htm

http://ranier.hq.nasa.gov/telerobotics_page/technologies/0903.html

WWW-Quellen: http://www.dieChirurgie.at

http://www.kinderklinik.de/page4.htm