Sensoren machen Operationssäle schlau

Wie können Roboter und Menschen künftig im Operationssaal möglichst effizient zusammenarbeiten? Dieser Frage gehen Forschende der Technischen Universität München (TUM) und des TUM Klinikums im Forschungsprojekt ForNeRo nach. Im Zentrum steht ein Sensorsystem, das Bewegungen von Chirurginnen und Chirurgen analysiert und Daten aus simulierten Operationen mit robotischen Assistenzsystemen sammelt.

Im Experimental-OP des TUM Klinikums in München entsteht dafür ein detailliertes digitales Abbild des Operationssaals. Fünf Tiefenkameras an der Decke erstellen 15 Mal pro Sekunde ein räumliches, digitales Modell des OPs – einen digitalen Zwilling. Ergänzt wird dieses System durch ein Infrarot-Trackingsystem mit zehn Kameras.

Prof. Dirk Wilhelm, Leiter des Lehrstuhls für medizinische Robotik an der TUM sowie Chirurg und Oberarzt an der Klinik und Poliklinik für Chirurgie am TUM Klinikum, trägt bei den Untersuchungen einen Anzug mit Markern an den Gelenken und an einem Stirnband. So lassen sich Bewegungen präzise erfassen. Zusätzlich zeichnen Mikrofone Gespräche des OP-Personals auf und lokalisieren sie genau. Physiologische Daten sollen Hinweise auf das Stresslevel der Beteiligten geben.

Digitaler Zwilling soll Prozesse im OP verbessern

Ziel der Datenerhebung ist es, Prozesse im Operationssaal besser zu verstehen und robotische Assistenzsysteme künftig möglichst ergonomisch und effizient in den OP-Betrieb zu integrieren. Damit soll das Personal entlastet werden, wie aus der Mitteilung hervorgeht.

Das in der Forschungsgruppe für minimal-invasive interdisziplinäre therapeutische Intervention (MITI) von Prof. Wilhelm entwickelte Sensorsystem kommt deutschlandweit erstmals zum Einsatz, um Daten aus einem realen OP-Umfeld zu sammeln. „Diese Daten können im nächsten Schritt auch dem Einsatz von Robotern im OP zugutekommen“, so Prof. Wilhelm. Voraussetzung für die Erhebung im realen Operationssaal ist das Einverständnis der Patientinnen und Patienten sowie aller Beteiligten im OP.

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Redaktion Automation NEXT

Welche Operationen mit Roboterunterstützung getestet wurden

Im Experimental-OP geht es nicht nur um Datenerfassung. Die Forschenden testen auch, wie robotische Assistenten bei Operationen an künstlichen Körpern eingesetzt werden können. Im Rahmen von ForNeRo wurden drei typische chirurgische Eingriffe untersucht: eine Operation der Gallenblase, ein Eingriff am Leistenbruch und eine Teilentfernung des Dickdarms, die sogenannte Sigma-Resektion.

Bei diesen minimal-invasiven Operationen kamen jeweils zwei Roboter zum Einsatz. Der einarmige Roboter „Solo Assist II“ hielt ein Endoskop. Der modulare Chirurgieroboter MIRO des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) wurde unter anderem per Joystick bedient. Mit ihm steuerten die Operierenden in einer Testoperation einen winzigen Greifer, verlegten bei einem Leistenbruch ein Kunststoffnetz und setzten die Naht.

Roboter im OP sollen einfache Aufgaben übernehmen

Die simulierten Eingriffe sollen zeigen, wie Roboter so konfiguriert werden können, dass sie Chirurginnen und Chirurgen bei Schlüsselloch-Operationen entlasten. Max Bergholz vom Lehrstuhl für Ergonomie der TUM erfasst dafür Körperhaltungen und Bewegungen der Menschen im OP. Zusätzlich befragt er sie zu körperlicher und physischer Beanspruchung während einzelner Operationsphasen.

Der ergonomische Blick ist zentral: „Chirurginnen und Chirurgen klagen etwa oft über Rückenprobleme durch lange starre Haltungen und die Herausforderung bei bisherigen Systemen, spiegelverkehrt operieren und damit ständig umdenken zu müssen“, erklärt der Forscher. Sein Ziel ist es, Operateurinnen und Operateuren die Arbeit so leicht wie möglich zu machen.

Beim eingesetzten Chirurgieroboter entfällt dieses Umdenken. Zudem können sich Chirurginnen und Chirurgen präziser der zu operierenden Stelle nähern, weil eine große Bewegung am Joystick im Körper nur wenige Millimeter ausmacht. Anders als beim etablierten Chirurgieroboter DaVinci bleiben sie dabei nahe beim Patienten.

Die Forschungen zeigen, dass ein robotischer Assistent einfache Aufgaben wie das Halten eines Endoskops im OP übernehmen kann. Zugleich entsteht durch den Einsatz keine Mehrbelastung. Für Bergholz ist das ein wichtiger Befund: „Wir können hier untersuchen, wie sich robotische Assistenten nahtlos in den Klinikablauf integrieren lassen.“

Wie KI künftig OP-Prozesse verstehen könnte

Die im OP erhobenen Daten könnten nach Einschätzung von Prof. Dirk Wilhelm künftig auch für Anwendungen der künstlichen Intelligenz relevant werden. Dabei geht es zunächst darum, OP- und Planungsprozesse zu verbessern.

„Daten sind grundlegende Bausteine auch für die Entwicklung von KI-Systemen für den OP. Sie können automatisch erkennen, welche chirurgischen Instrumente genutzt und welche Organe damit operiert werden sollen“, ist Wilhelm überzeugt. Auf dieser Basis könnten KI-Agenten künftig mithelfen zu entscheiden, wann ein robotischer Assistent im OP eingesetzt werden sollte.

Damit verbindet das Projekt ForNeRo Sensortechnik, digitalen Zwilling, Ergonomie und robotische Assistenz. Im Fokus steht nicht der autonome Operationssaal, sondern die Frage, wie Roboter im OP Menschen gezielt unterstützen und bestehende Klinikabläufe sinnvoll ergänzen können.