Mehr Präzision, weniger Strahlen

Roboter hilft beim Positionieren von Interventionsnadeln

| Redakteur: Ira Zahorsky

Das neue Assistenzsystem benötigt lediglich fünf Minuten zum Platzieren der Nadel
Das neue Assistenzsystem benötigt lediglich fünf Minuten zum Platzieren der Nadel (Bild: Fraunhofer IPA)

Um eine Interventionsnadel, beispielsweise für eine Biopsie, optimal zu positionieren, braucht ein Arzt rund 30 Minuten. Mit Roboter-Unterstützung könnte dies künftig in fünf Minuten passieren.

Die Ultraschalluntersuchung zeigt einen Schatten auf der Leber. Ob es ein Tumor ist, kann oftmals nur eine Biopsie beantworten: Dabei entnimmt der Arzt mit einer langen Nadel ein Stück des vermeintlich bösartigen Gewebes und lässt es im Labor untersuchen.

Die Nadel für diese Entnahme präzise zu platzieren, ist jedoch alles andere als einfach. Zum einen gilt es sicherzustellen, dass der Arzt den Tumor erwischt – und nicht gesundes Gewebe einige Millimeter daneben entnimmt. Zum anderen darf die Nadel Adern, Nervenbahnen und Organe wie die Lunge nicht verletzen und durch knochenartige Strukturen wie die Rippen kann sie nicht hindurch. Um einen Überblick zu erhalten, macht der Arzt zunächst eine Computertomographie- Aufnahme. Anhand dieser manövriert er die Nadel an die richtige Stelle.

Die gleiche Herausforderung stellt sich auch bei Therapiearten, bei denen über die Nadel Hitze, Kälte oder hochenergetische Strahlen gezielt in das erkrankte Gewebe geleitet und der Tumor somit zerstört wird.

Präzision des Roboters und Expertise des Arztes

Künftig sollen sich die Nadeln schneller und präziser an Ort und Stelle bringen lassen: Mit einem Roboterarm, den Forscher der Fraunhofer- Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie PAMB des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA und des Fraunhofer-Instituts für Bildgestützte Medizin MEVIS an diese Aufgabe angepasst haben.

„Während wir Menschen uns mit dem Platzieren einer solchen Nadel schwer tun, sind Roboter mit entsprechender Intelligenz dabei kaum zu schlagen“, sagt Andreas Rothfuss, Wissenschaftler am PAMB. Der Roboter sucht den richtigen Weg und positioniert die Nadelführung so, dass weder Patient noch Arzt getroffen oder verletzt werden. Anschließend übernimmt der Arzt wieder und führt die Nadel ins Gewebe ein.

Im OP soll das so vonstattengehen: Zunächst erstellt der Arzt eine computertomographische Aufnahme des Patienten, ebenso wie bisher. Allerdings hält der Roboterarm dabei ein Kalibrierungswerkzeug mit in das Bild. Dieses dient ihm zum Abgleich: Welche Position im Raum muss er einnehmen, um eine bestimmte Stelle im Bild anzufahren? Eine Software aus den Laboren des MEVIS analysiert das Bild und unterstützt den Arzt beim Platzieren der virtuellen Nadel. Die Software zeigt die Nadel im Bild an.

Auch zur Therapie

Führt der Arzt eine Therapie statt einer Biopsie durch – soll die Nadel den Tumor also etwa durch Hitze zerstören – simuliert die Software, wie sich die Wärme im Gewebe ausbreitet. Anschließend muss geklärt werden, wie viele Nadeln an welchen Stellen nötig sind, um den gesamten Tumor abzutöten. Ist diese Frage geklärt, wird das Kalibrierungstool am Roboterarm durch eine Nadelführung ersetzt. Mit dieser fährt der Roboter die errechnete Position an und setzt die Führung im passenden Winkel auf der Haut ab. Die Nadel führt immer der Arzt. Er schiebt die Nadel durch deren Führung, die der Roboter an Ort und Stelle hält, Stück für Stück in das Gewebe.

Geringere Strahlenbelastung

Um zu kontrollieren, ob die tatsächliche Position der Nadel mit der geplanten übereinstimmt, macht der Arzt wie gewohnt Röntgenbilder, während er die Nadel ins Gewebe schiebt. Der Roboter bietet auch hier Vorteile: Bisher musste der Arzt die Nadel festhalten, seine Hand verdeckte daher einen Teil der Aufnahme.

Zum anderen war die Hand des Arztes bei jedem Kontrollbild den Röntgenstrahlen ausgesetzt. Nun hält der Roboter die Nadel mit seiner Führung fest. Auch für den Patienten ist die Strahlenbelastung deutlich geringer: Da der Arzt die Nadel durch die Führung schiebt, kann sie nicht verrutschen. Es sind daher deutlich weniger Kontrollaufnahmen nötig.

Auf der Messe Medica, die vom 14. bis 17. November in Düsseldorf stattfindet, stellen die Forscher ihre Entwicklung vor (Halle 10, Stand G05). Der Roboterarm positioniert die Nadelführung über einer durchsichtigen Plastikbox, die mit „Rippen“ und einem „Tumor“ – eingebettet in ein durchsichtiges Polymer – bestückt ist. Die Besucher können also sehen, wo sich die Nadel befindet. In etwa drei Jahren, so hofft der Forscher, könnte das System auf dem Markt sein.

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