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Roboter am Gehirn

CALGARY – Die Einführung der Elektrokaustik durch Harvey Cushing und William Bovie im Jahr 1926 (in der mithilfe von hochfrequentem Strom Blutgefäße versiegelt oder Schnitte gemacht werden) hat die Neurochirurgie verwandelt. Angesichts der Präzision, die zur Operation an einem empfindlichen Organ wie dem Gehirn erforderlich ist, trieb die Verbindung mechanischer Technologien mit chirurgischer Kunst die Entwicklung in diesem Feld voran.

Fortschritte in der Neurochirurgie streben immer Minimalisierung an. Wie in jedem anderen Bereich der Chirurgie gilt: Je weniger die Prozedur in den Körper eingreift, desto weniger wahrscheinlicher ist es, dass sie die Lebensqualität des Patienten beeinträchtigt, und desto eher kann der Patient seine normalen Aktivitäten wieder aufnehmen.

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Bei empfindlichen neurologischen Eingriffen gilt dieser Grundsatz in besonderem Maße. Aufgaben wie die Verschiebung kleiner Blutgefäße mit nur ein bis zwei Millimetern Durchmesser oder die Entfernung eines Gehirntumors ohne Beschädigung des umliegenden Gewebes erfordern Technologien, die wie das Operationsmikroskop oder multimodale Abbildungswerkzeuge die Fähigkeiten der Chirurgen ergänzen und erweitern.

Ein weiterer Schritt wäre es, einem vom Menschen kontrollierten Roboter Zugang zum Gehirn zu geben. Roboter können wiederholte Aufgaben präziser und genauer durchführen als Menschen, ohne dabei zu ermüden. Und sie können regelmäßig aktualisiert werden, um neue Funktionen zu erfüllen.

Was Robotern fehlt, ist die Ausführungskapazität des menschlichen Gehirns. Angesichts dessen, dass die Verarbeitung der – und die angemessene Reaktion auf die – ungeheure Menge von Variablen, die während der Operation auftreten können, eine enorme Computerleistung erfordert, versuchen chirurgische Roboter, menschliche Erfahrung und Entscheidungsfindungsfähigkeiten mit mechanischer Präzision zu verbinden.

Ein Beispiel für solch eine Verbindung ist der neuroArm, den mein Forschungsteam an der Universität von Calgary gemeinsam mit Ingenieuren von MacDonald, Dettwiler und Partnern entwickelt hat. Der neuroArm besitzt tatsächlich zwei Arme, die verschiedene Operationswerkzeuge halten können, während sie durch einen Chirurgen über einen externen Arbeitsplatzrechner bedient werden.

Der Rechner stellt eine große Menge Daten bereit – darunter Magnetresonanzbilder (MRI), ein dreidimensionales Abbild des Operationsbereichs, akustische Informationen und quantifizierbare haptische (oder taktile) Rückmeldungen aus der Interaktion zwischen den Werkzeugen und dem Gewebe. Dies ermöglicht dem Chirurgen die Erfahrung der Operation über den Gesichts-, Gehör- und Berührungssinn. Da das menschliche Gehirn Entscheidungen aufgrund von Sinneseindrücken und -erfahrungen trifft, sind für den Chirurgen solche Daten wichtig, um während der Operation die besten Maßnahmen ergreifen zu können.

Technologien wie MRI können zur Planung der Operation, zur Resektionskontrolle und zur Qualitätssicherung hilfreich sein. Magnetresonanzkompatible Roboter stellen Echtzeitbilder bereit. Sie liefern Informationen über anatomische Strukturen und Veränderungen im Gehirn im Vergleich zur chirurgischen Pathologie und minimieren so das Risiko.

Da der Roboter die MRIs empfängt und haptische Rückmeldung vermittelt, können vor der Operation elektronische Wege oder operative Korridore sowie Tabubereiche festgelegt werden. Der Einsatz der Werkzeuge kann dann nur innerhalb des voreingestellten Korridors stattfinden, was die unbeabsichtigte Verletzung des Gehirns verhindert.

Darüber hinaus haben robotergestützte Operationen das Potenzial, über den Bereich der ununterstützten menschlichen Fähigkeiten hinauszugehen. Bewegungsskalierung – durch die der Roboterarm die genauen Bewegungen der Hand des Chirurgen nachahmt, aber auf einem viel kleineren Raum – ermöglicht es Chirurgen, Gewebe zu manipulieren, das für die Erkennung mit dem bloßen Auge zu klein ist. Mit der Entwicklung kleinerer mikrochirurgischer Werkzeuge und Hochleistungskameras und -monitoren könnten Operationen auf zellularer Ebene möglich werden.

Ein weiterer Bereich mit wichtigen Auswirkungen auf die Neurochirurgie ist die virtuelle Realität. Aufbauend auf Simulationstechniken können Chirurgen damit in einer digitalen Umgebung Vorgänge einüben, darunter auch solche mit Operationsrobotern. Die Fähigkeit, komplexe Fälle planen und seltene Vorgänge vor der Ausführung am Patienten üben zu können, wird zweifellos zu gesteigerter chirurgischer Leistung und verbesserten medizinischen Ergebnissen führen.

Virtuelle Realität kann auch die chirurgische Ausbildung verbessern, indem sie Studenten einen größeren Erfahrungsbereich und bessere Quantifizierbarkeit ihrer Leistung bietet. Manuell operierende Chirurgen wissen nur durch ihr Gefühl, wieviel Kraft sie ausüben müssen. Ein chirurgischer Simulator dagegen kann diese Kraft messen und anzeigen, ob ein Student zu viel oder zu wenig Druck ausübt.

Darüber hinaus können Ausbilder kontrollierte Szenarien programmieren, um festzustellen, wie Schüler mit herausfordernden Bedingungen umgehen. Durch die Möglichkeit, Operationen ohne Risiko oder zusätzliche Kosten zurücksetzen und neu beginnen zu können, wird die neurochirurgische Ausbildung deutlich verbessert. Denn letztlich ist es die Praxis, die zur Perfektion führt.

Sicherlich ist die virtuelle Realität eine relativ junge Technologie. Angesichts der Tatsache, dass realistische neurochirurgische Simulationen mit ihren großen Mengen von Variablen und möglichen Ergebnissen besonders schwer zu entwickeln sind, wird sie in diesem Bereich noch nicht umfassend angewendet. Aber die Technik der Operationssimulation macht parallel zur Computerentwicklung rapide Fortschritte. Im Zuge dessen, dass diese Simulationen realistischer werden, erhöht sich auch ihr Wert für die Ausbildung.

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Die Verschmelzung menschlicher Operationserfahrung mit Maschinen und Computertechnik treibt den Fortschritt in der Neurochirurgie voran. Operationen mithilfe von Robotern sind dabei ein wichtiges Beispiel für den Nutzen der Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine. Fügen wir dieser Gleichung noch etwas virtuelle Realität hinzu, und die Zukunft der Neurochirurgie nimmt Form an – eine Zukunft, in der diese Disziplin neue Ebenen von Qualität erreicht.

Aus dem Englischen von Harald Eckhoff