Fortschritte bei der Erfindung der Roboterhand für minimalinvasive Gehirnchirurgie

Eine winzige Roboterhand, die die Neurochirurgie verbessern soll, ist der klinischen Praxis einen Schritt näher gekommen. Das Mikroroboter-Werkzeug wurde von einem Team von Forschern der University of Toronto unter der Leitung von Eric Diller, einem außerordentlichen Professor in der Abteilung für Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen der Fakultät für Angewandte Wissenschaft und Ingenieurwesen, entwickelt. Das von einem elektromagnetischen System betriebene Gerät ermöglicht Chirurgen den Zugang schwer zugängliche Bereiche des Gehirns mit minimaler Invasivität, was eine schnellere Behandlung und Genesung der Patienten verspricht. „Wir entwerfen den Mechanismus, der diese Roboterhand antreibt, die im Grunde wie die Hand eines Chirurgen fungieren wird“, sagt Diller. „Wir verwenden auch Magnetfelder, um diese winzige Hand zu bewegen, was unser einzigartiger Ansatz ist, dies zu erreichen.“ Das Team wird seine neuesten Erkenntnisse später im Frühjahr auf der IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) 2023 vorstellen. Ihr neuer Konferenzbeitrag untersucht die Machbarkeit der neu entwickelten Tools, um sicherzustellen, dass sie für präklinische Studien geeignet sind. „Niemand sonst hat diese drahtlos angetriebenen Magnetwerkzeuge zuvor entwickelt“, sagt Diller. „Wir mussten also die verschiedenen Arten grundlegender Operationselemente kategorisieren, die ein Chirurg durchführen würde, wie z. B. das Ziehen am Gewebe, das Zurückziehen und die Anwendung von Kraft zum Einschneiden in das Gewebe.“ Tumoren – wir können genug Kraft aufbringen, um die notwendigen neurochirurgischen Aufgaben auszuführen.“ Die in der neuen Studie vorgestellten Designs sind eine Erweiterung zweier früherer Arbeiten, die 2021 in Zusammenarbeit mit James Drake, Chefchirurg am Hospital for Sick Children, veröffentlicht wurden ( SickKids) und Professor für Chirurgie an der Temerty-Fakultät für Medizin der U of T. Seitdem hat das Team ein elektromagnetisches Spulensystem im klinischen Maßstab entwickelt, das von Adam Schonewille, Absolvent der U of T Engineering, einem ehemaligen Studenten in Diller's, entworfen und gebaut wurde Labor. Das System hat ein Arbeitsvolumen, das ungefähr der Größe eines erwachsenen menschlichen Kopfes entspricht, wobei sich alle Elektromagnete unter einer flachen Oberfläche befinden – eine Konstruktionsanforderung für Drakes Team bei SickKids, da Chirurgen ungehinderten Zugang zum Patienten benötigen. „Bestehende Operationsroboter nehmen bereits viel Platz im Operationssaal ein, deshalb wollten wir, dass unser System so unauffällig wie möglich ist und dem Magnetfeld dennoch die nötige Stärke verleiht, um die Arbeit zu erledigen“, sagt Cameron Forbrigger, der promoviert hat Er erlangte letztes Jahr seinen Abschluss an der U of T Engineering und ist Hauptautor der neuen Arbeit. „Dieses elektromagnetische System ist ein großer Fortschritt für die Machbarkeit unseres chirurgischen Ansatzes, und wir haben bei internationalen Forschern auf unserem Gebiet großes Interesse daran festgestellt.“ Ein wesentlicher Beitrag von Forbriggers Doktorarbeit bestand darin, zu modellieren, wie das magnetische Design eines Werkzeugs seine Reaktion auf das Magnetfeld beeinflusst. Mithilfe dieses Modells war er in der Lage, Werkzeugkonstruktionen anhand ihrer vorhergesagten Leistung einzustufen. „Dies beschleunigt unseren Designprozess, da wir kein Tool erstellen und testen müssen, um zu wissen, wie es sich verhält“, sagt er. „Dieses Modell ermöglichte es uns auch, eine Steuerungsstrategie zu entwickeln, die automatisch das optimale Magnetfeld berechnet, das erforderlich ist, um das Werkzeug durch eine gewünschte Bewegung zu bewegen.“ Das Team arbeitet auch daran, eine große Herausforderung zu meistern, mit der viele chirurgische Roboter konfrontiert sind: die Erfassung von Echtzeitinformationen über die Position und Ausrichtung des Werkzeugs. Chirurgen, die das Werkzeug verwenden, müssen es über einen Kanal in das Gehirn einführen und wissen, wo es sich befindet. Um dies zu simulieren, nutzt das Forschungsteam „Phantom“-Gehirne aus Gummi und führt das lange, dünne Werkzeug in das Modell ein, das die gleiche Größe und Form wie ein echtes Gehirn hat. Während die Kamera an der Spitze des Werkzeugs einige Standortinformationen liefert, sagt Diller, dass die Rückmeldung aufgrund des schlechten Blickwinkels nicht sehr genau sei. Um diese visuelle Herausforderung zu meistern, entwickelt Doktorand Erik Fredin, der zweite Autor des Konferenzbeitrags, einen Computer-Vision-Algorithmus mithilfe von maschinellem Lernen, was für den Nutzen des Tools von entscheidender Bedeutung ist. Die Ergebnisse der Computer-Vision zeigen, dass sie die Winkel des Werkzeugs erkennen kann, während der Bediener es steuert. Der nächste Schritt in Richtung klinischer Einsatz und Kommerzialisierung wird darin bestehen, das elektromagnetische System und die Werkzeuge für Versuche an lebenden Tieren in das SickKids-Krankenhaus zu verlegen. „Chirurgen können der Wirksamkeit eines neuen chirurgischen Instruments skeptisch gegenüberstehen, bis sie es in einem realistischen Szenario getestet sehen – und das zu Recht“, sagt Forbrigger, der heute Postdoktorand an der ETH Zürich ist. „Wir haben große Anstrengungen unternommen, um die Leistungsfähigkeit der Tools quantitativ zu demonstrieren, aber jetzt sind wir an einem Punkt angelangt, an dem Tiermodelle der nächste entscheidende Schritt in Richtung weiterer Entwicklung sind.“