Intelligente OP-Robotik mit Scharfblick und Gefühl

Ein interdisziplinäres Projektteam an Universitätsklinikum Jena, Friedrich-Schiller-Universität Jena und Technischer Universität Ilmenau startet die Entwicklung eines sensorbasierten Unterstützungssystems, das Chirurgen bei Tumoroperationen Gewebegrenzen kontinuierlich optisch darstellen und haptisch vermitteln kann. Die Carl-Zeiss-Stiftung fördert das Vorhaben in ihrem „CZS Durchbrüche“-Programm sechs Jahre lang mit insgesamt fünf Millionen Euro.

Die operative Entfernung von Tumoren ist eine der Säulen der Krebstherapie. Für die Planung des Eingriffs vermitteln gut etablierte Bildgebungsverfahren die genaue Lage und Größe des Tumors. Ziel der Operation ist es dann, das Krebsgewebe vollständig zu entfernen – unter größtmöglicher Schonung des umliegenden gesunden Gewebes. Dabei unterstützen endoskopische und mikroskopische Abbildungen des Operationsgebietes oder auch Roboter- und Navigationssysteme die Erfahrung der Chirurginnen und Chirurgen. Doch es kommt vor, dass Tumoren nicht komplett ausgeräumt werden, weil auf diese Weise die Gewebegrenzen nicht eindeutig dargestellt werden. Ein interdisziplinäres Projektteam an Universitätsklinikum Jena, Friedrich-Schiller-Universität Jena und Technischer Universität Ilmenau will deshalb ein sensorbasiertes Unterstützungssystem für die Tumorchirurgie entwickeln, das diese Grenzen kontinuierlich abbilden und haptisch vermitteln kann. Die Carl-Zeiss-Stiftung fördert das Vorhaben in ihrem „CZS Durchbrüche“-Programm sechs Jahre lang mit insgesamt fünf Millionen Euro. 

Sensorisierte Chirurgie

„Unser Ziel ist eine sensorisierte Chirurgie“, sagt Prof. Dr. Orlando Guntinas-Lichius, Direktor der Klinik für HNO-Heilkunde am Universitätsklinikum Jena und Koordinator des Projektteams. „Wir wollen multimodal mit optischer und biomechanischer Sensorik die Gewebeeigenschaften erfassen, KI-basiert in Echtzeit auswerten und diese Informationen über ein ausgefeiltes Bediensystem so an den Operateur weitergeben, dass er die Tumorgrenze sehen und fühlen und sein chirurgisches Vorgehen in gewohnter Weise daran ausrichten kann.“ Das so knapp zusammengefasste Entwicklungsprogramm basiert auf jahrelangen Vorarbeiten der Projektpartner und bindet auch neue Fachdisziplinen ein. 

Mit den Biophotonikspezialisten der Jenaer Universität testen die Jenaer Mediziner bereits die intraoperative Darstellung von Krebsgewebe auf der Basis spektroskopischer und anderer optischer Analyseverfahren. Daran beteiligt ist auch die Arbeitsgruppe Digitale Bildverarbeitung der Jenaer Uni, die für die Datenauswertung maschinelle Lernalgorithmen entwickelt. Neu hinzu kommt das Forschungsteam Visualisierung, ebenfalls von der Informatik der Uni Jena. Es ist darauf spezialisiert, große Datenmengen, insbesondere aus dem medizinischen Bereich, in Virtual-Reality-Umgebungen darzustellen. In diese fließen auch Daten zu den biomechanischen Eigenschaften des Tumors ein.

Das ist das Thema der Biomechatronikexperten von der TU Ilmenau. Sie beschäftigen sich z. B. mit der Festigkeit des Gewebes, wie Chirurgen diese wahrnehmen und wie dieser Aspekt in das entstehende Unterstützungssystem integriert werden kann. Die ebenfalls an dem Entwicklungsvorhaben beteiligten Neurochirurgen des Jenaer Uniklinikums können auf die Haptik nicht verzichten. Sie spielt eine wichtige Rolle bei der operativen Entscheidungsfindung, weil Hirntumore oft etwas fester sind als gesundes Hirngewebe. Das ist ein Grund dafür, dass sich in diesem Bereich Operationsunterstützungssysteme nur schwer etablieren.

Weitere Präzisierung der Tumoroperationen

„Chirurgische Schnitte können mit einer Genauigkeit von einem halben Millimeter ausgeführt werden“, so Prof. Guntinas-Lichius. „Wir wollen mit unserem OP-Unterstützungssystem dazu beitragen, dass sie genau an der Tumorgrenze geführt werden. Das Konzept der sensorisierten Chirurgie könnte einen wichtigen Schritt zur weiteren Präzisierung der Tumoroperationen mit besseren Überlebenschancen und maximaler Schonung gesunden Gewebes bedeuten.“