KI-gesteuerte Robotikkatheter für Herzoperationen
Herz-Kreislauf-Erkrankungen stellen weltweit eine große Bedrohung dar, und sie verursachen Jahr für Jahr rund 11 % der EU-Gesundheitsausgaben. In vielen Fällen erfordert die Behandlung Operationen, die Komplikationen mit sich bringen können. Minimalinvasive chirurgische Eingriffe mit kathetergestützten Verfahren befinden sich auf dem Vormarsch. „Mit Transkathetertechnologien wird das Ziel verfolgt, kranke Herzstrukturen durch implantierbare Vorrichtungen zu reparieren oder zu ersetzen, die im Inneren des Herzens positioniert werden“, erklärt Emiliano Votta, außerordentlicher Professor für biomedizinische Technik am Polytechnikum Mailand. Mit diesen Technologien werden einige der Risiken der Standardchirurgie vermieden, jedoch können sie komplex sein und daher manchmal misslingen. Da die Erfahrung der Operierenden von entscheidender Bedeutung ist, stehen den Erkrankten nur in begrenztem Umfang Transkathetereingriffe zur Verfügung, und auch die Röntgenstrahlen können unnötige Gefahren für die Patientinnen und Patienten bedeuten. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts ARTERY entwickelten Forschende nun neue Robotikkatheter, die mithilfe von KI-Algorithmen gesteuert werden. Diese Katheter finden ihren Weg zum Ziel automatisch auf der Grundlage der Eingaben der bedienenden Fachkraft, die das Herz visualisieren und den Katheter über eine holografische Schnittstelle überwachen kann, ohne dass Röntgenaufnahmen erforderlich sind.
Holografische Schnittstelle des Herzens
Das ARTERY-Team hat einen Konzeptnachweis für eine Robotikplattform mit „geteilter Autonomie“ entwickelt, bei der automatische Katheter von menschlichem Bedienpersonal geführt werden, falls eine Intervention erforderlich ist. Ein Roboter führt eine echokardiografische Sonde durch die Speiseröhre, wobei die Sonde ein Katheter ist, dessen Spitze echokardiografische Bilder des Herzens aufnimmt. In der Zwischenzeit werden weitere Katheter von einem anderen Roboter gesteuert, um die Vorrichtung im Herzen zu platzieren. Die transösophageale Sonde und die anderen Katheter sind mit Sensoren ausgestattet, anhand derer ihre Position und Form im 3D-Raum rekonstruiert werden. Die Hauptbedienperson kann sich die relevanten Informationen anzeigen lassen und mit den Robotern anhand von Hologrammen interagieren. Wenn der Katheter das Herz erreicht, kann die bedienenden Person das Hologramm der intrakardialen 3D-Umgebung mithilfe der echokardiografischen Bilder sehen. Der Katheter und die relevanten anatomischen Orientierungspunkte werden auf automatische Weise von einem KI-Modell erkannt. Auf der Grundlage dieser Informationen kann die Bedienperson leicht das mit dem Katheter zu erreichende Ziel definieren. Ein weiteres KI-Modell ermittelt den optimalen Katheterpfad, der von den Robotern in die Realität umgesetzt wird.
Versuchsaufbauten
Alle zum Projekt ARTERY zugehörigen Tests wurden in einem Labor durchgeführt, sodass das Team äußerst realistische Versuchsaufbauten erarbeiten konnte, einschließlich verformbarer Nachbildungen der relevanten Gewebe: Blutgefäße, Herzstrukturen und Speiseröhre. Im weiteren Verlauf des Projekts wurden die verschiedenen Technologien bis hin zu Versuchen mit dem vollständigen Robotiksystem integriert und erprobt. Anschließend führte das Team zwei Testreihen in einem echten Operationssaal durch, um zu verstehen, wie die Plattform zu konfigurieren ist.
Wichtige technologische Fortschritte
Im Rahmen des Projekts wurden sowohl bei der Hardware als auch bei der Software etliche bemerkenswerte Fortschritte erzielt. Auf der Hardwareseite betraf dies die Entwicklung und Patentierung einer neuen Generation von Sensoren, die Entwicklung eines Prototyps eines brandneuen Katheters und eines Robotikantriebs für die echokardiografische Sonde, der von Klinikpersonal positiv bewertet wurde. „Diese Sache hat sich auch als eigenständige Technologie als sehr nützlich erwiesen, da die physische Arbeitsbelastung verringert wird und die Sonde fernsteuerbar ist und somit eine Röntgenexposition vermieden werden kann“, erläutert Votta. Seitens der Software wurden neue Algorithmen zur automatischen Analyse echokardiografischer Bilder entwickelt. „Diese könnten auch außerhalb der ARTERY-Robotikplattform nützlich sein, zum Beispiel zur Unterstützung der Diagnose und Planung von Eingriffen“, fügt Votta hinzu.
Entwicklung hin zu klinischen Versuchen
Die Forschenden evaluieren nun die Umsetzung einiger ihrer neuen Technologien in reale Produktprototypen und beantragen weitere Finanzmittel über das Finanzierungsinstrument des Europäischen Innovationsrats (EIC).
Schlüsselbegriffe
ARTERY, Katheter, Herz, Chirurgie, KI, Algorithmus, Roboter, automatisch