Die Robotik gehört zu den tragenden Säulen der Automatisierung. Wird sie mit einer visuellen künstlichen Intelligenz (KI) kombiniert, lässt sich ein höherer Grad der Autonomie erreichen. Der Einsatz robotischer Automatisierung im Gesundheitswesen hilft dabei, die Zahl der Behandlungsfehler zu verringern und die Diagnosefähigkeiten zu verbessern.
Die Robotik gehört zu den tragenden Säulen der Automatisierung. Wird sie mit einer visuellen künstlichen Intelligenz (KI) kombiniert, lässt sich ein höherer Grad der Autonomie erreichen. Der Einsatz robotischer Automatisierung im Gesundheitswesen hilft dabei, die Zahl der Behandlungsfehler zu verringern und die Diagnosefähigkeiten zu verbessern.
Im Gesundheitswesen sind medizinische Roboter auf dem Vormarsch, denn sie entlasten die Ärzteschaft, die dann optimal zum Wohle der Patienten agieren kann. Im Rahmen der Entwicklungen im Bereich der KI wurden auch medizinische Roboter genauer betrachtet. Schon bald könnten sie Alltag in der Pflege und Behandlung sein. Mittels Robotik können medizinische Gerätschaften präzise gesteuert werden, sodass Chirurgen zielgenauer denn je arbeiten können. Anders als der Mensch ermüden Roboter auch nicht.
Robotik in der Medizinbranche
Für jede Disziplin in der Medizin gibt es einen speziell konstruierten Roboter: Chirurgie, Urologie, Orthopädie mit Schwerpunkt Wirbelsäule usw. Die entsprechenden Roboter sind flexibel und für eine Vielzahl von Aufgaben programmierbar. Es gibt die folgenden Arten von Robotern in der Medizinbranche:
Operationsroboter
Bei Operationen, vor allem an lebenswichtigen Organen wie Hirn, Herz, Leber und Lungen, müssen die scharfen Werkzeuge besonders sorgsam eingesetzt werden. Operationsroboter wurden für minimal invasive Eingriffe entwickelt und ermöglichen die exakte Steuerung chirurgischer Instrumente auf engstem Raum. Diese Fähigkeit besitzt kein Mensch. Da es hier um Menschenleben geht, darf nicht der geringste Fehler passieren. Entsprechend strikt müssen diese Roboter getestet werden. Ein bekanntes Beispiel für Operationsroboter ist das Da-Vinci-System. Es ist nicht gezielt für eine Art von OP gedacht, sondern kann unzählige urologische, bariatrische und gynäkologische Eingriffe übernehmen.
Exoskelette
Nach der Chirurgie kommt die Genesung. Auch dabei können Roboter helfen, zum Beispiel in Form externer „Knochen und Muskeln“. Diese Roboter verändern die Heilungsphase, in der intensiver Physiotherapiesitzungen erforderlich sind. Sie helfen dem Körper dabei, normale Bewegungen neu zu erlernen. Exoskelette unterstützen Patienten körperlich, aber sie fördern auch das Selbstvertrauen, was die Genesung beschleunigt.
Hygieneroboter
Im Gesundheitssystem sind Hygiene und Reinheit extrem wichtig, zum Beispiel in Krankenhäusern. Seit Beginn der Coronapandemie wurden in vielen Ländern bestehende Technologien wie Robotik und KI genutzt, um die Verbreitung des Virus einzudämmen. Hygieneroboter mit UV-Desinfektionsfunktion wurden in vielen Quarantäneeinrichtungen eingesetzt. Diese Art Roboter lässt sich einfach mit Sichtsensoren automatisieren. Kein Wunder, dass der Markt für Hygieneroboter zu den am schnellsten wachsenden Segmenten der Robotik gehört.
Wie Roboter die Umgebung mit optischen Sensoren erfassen
Die meisten bisherigen Medizinroboter werden entweder manuell gesteuert oder unterstützen Chirurgen bei ihren Aufgaben. Sie sind somit blinde Maschinen, die ihrer Programmierung ohne jedes Bewusstsein für ihre Umgebung folgen. In der Industrie 4.0 hält Vision-Robotik in immer mehr Systeme Einzug und führt zu einem neuen Grad an Präzision und Genauigkeit bei intelligenten, automatisierten Prozessen.
Es gibt heute mehrere medizinische Bildgebungssysteme, darunter die nuklearmedizinische Bildgebung, die Bildgebung mittels Gamma- und Betastrahlen oder die Fluoreszenzbildgebung. Sie alle werden in erster Linie in der Diagnostik eingesetzt. Für Roboter spielt vor allem der Bereich der molekularen Bildgebung eine Rolle. Einfach ausgedrückt ist die molekulare Bildgebung „die Möglichkeit, die Funktion biologischer und Zellprozesse in einem lebenden Organismus zu visualisieren und quantitativ zu messen.“ Hierzu werden aktuell Techniken wie SPECT und PET verwendet. Diese Techniken sind das Sprungbrett für die anfänglichen, autonomen Scans in der Roboterchirurgie. Die Aufnahmen werden dann an ein KI-System übertragen, das eine autonome Segmentierung der gefährdeten Organe durchführt. Die Ergebnisse der molekularen Bildgebung lassen sich mit CT- oder MR-Aufnahmen kombinieren, um die KI-Resultate nochmals zu verbessern. Die finale Ausgabe dient als Grundlage für eine bildgeführte Operation, meist mithilfe der Robotik.
In einer kürzlich durchgeführten Studie hat eine Gruppe von Chirurgen einen vollständig autonomen, weichteiligen Eingriff mit dem STAR-System (Smart Tissue Autonomous Robot) durchgeführt. Der Roboter konnte dabei eine Enteroanastomose vornehmen, bei der ein durchtrennter Teil des Darms wieder vereinigt wird. STAR ist mit einem 3D-Nahinfrarot-Visionsystem auf Fluoreszenzbasis, Kraftgebern und gesteuerten chirurgischen Werkzeugen ausgestattet. Anhand der Sensordaten folgt der Roboter seinem Plan, der jedoch bei Bewegungen des Gewebes dynamisch angepasst wird.
Laut der Studie schnitt das System besser ab als eine fachkundige Chirurgen, die denselben Eingriff vornahmen. Dieser Durchbruch auf dem Gebiet der Roboterchirurgie beweist, dass autonome Medizinroboter nicht länger ein ferner Traum sind, sondern schon bald Alltag in den OP-Sälen weltweit sein könnten.
Kontaktlose Überwachung von Vitalzeichen mit 4D-Radarbildgebung
Bei jedem medizinischen Problem erfolgt zuerst eine Diagnose, auf deren Grundlage die Art der Behandlung bestimmt wird. Vitalzeichen wie Herzfrequenz, Atemfrequenz und Temperatur werden erfasst und auf mögliche Symptome hin untersucht. Das israelische Unternehmen Vayyar hat einen Sensor zur 4D-Radarbildgebung entwickelt, der diese Parameter kontaktlos ermitteln kann. Wird der Sensor mit einer KI kombiniert, lassen sich damit frühe Anzeichen von Covid-19-Symptomen erkennen. Ein solches System lässt sich auf einem Roboter montieren, um eine schnelle, kontaktlose Überwachung von Patienten zu ermöglichen und die Daten direkt vor Ort zu untersuchen.
Die Zukunft autonomer Medizinroboter
Das exponentielle Wachstum der KI hilft dabei, eine vollständige Autonomie bei Technologien für die Präzisionschirurgie zu erreichen. Bisher werden nur bei wenigen Eingriffen intelligente Maschinen eingesetzt, beispielsweise für künstliche Kniegelenke, Lasik-Augenchirurgie und Haartransplantationen. Diese Maschinen arbeiten autonom und sind bereits weit verbreitet. Das liegt natürlich an der eingeschränkten Mobilität des „Arbeitsumfeldes“, denn Kopf und Knochen lassen sich in einer bestimmten Position fixieren. Bei Operationen am Weichgewebe sieht die Sache ganz anders aus. Die Erfassung und Behandlung sich kontinuierlich bewegenden Gewebes steht im Blickpunkt der Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen.
Betrachtet man das Feld aus der Ferne, ist vollständige, kommerziell nutzbare Autonomie in der Medizin noch Zukunftsmusik. Die heutigen Technologien sind nach wie vor auf den Menschen angewiesen. Sie wurden nicht unter den Gesichtspunkten maximaler Sicherheit entwickelt. Wer weiß, vielleicht gibt es in ein paar Jahren den ersten wirklich vollständig automatisierten Medizinroboter?