Der medizinische Ultraschall ist das mit Abstand am häufigsten eingesetzte bildgebende Verfahren in der Routinediagnostik. Im Gegensatz zu röntgen-basierten Verfahren ist die Ultraschall-Bildgebung frei von schädlicher ionisierender Strahlung und im Vergleich zur Computer- und Magnetresonanz-Tomographie (CT, MRT) günstig und platzsparend. Keine andere Art der Bildgebung erlaubt es, ganze Volumina in Echtzeit ohne zeitraubende Rekonstruktion aufzunehmen und sie über einen längeren Zeitraum kontinuierlich zu erfassen.
Bislang konnte das Potenzial der Ultraschall-Diagnostik jedoch nicht voll ausgeschöpft werden, da ihr Einsatz ein hohes Maß an Erfahrung erfordert und die Qualität stark von den Fertigkeiten des durchführenden Arztes oder der Ärztin abhängt. Eine Begutachtung der Bilddaten nach der Aufnahme, wie es bei CT oder MRT üblich ist, war bei Ultraschall nahezu unmöglich. Gleichzeitig basieren allerdings viele Untersuchungen auf immer wiederkehrenden Routine-Handgriffen und Standardansichten.
Assistenzsystem: Vorteile für die Medizin
Für die Automatisierung von Prozessen, wie sie in der Industrie schon häufig erfolgt ist, spricht die höhere Reproduzierbarkeit, die bessere Qualität der Ergebnisse sowie die Tatsache, dass Menschen von monotonen Arbeitsabläufen entlastet werden können. Diese Vorteile hatten Wissenschaftler des Instituts für Robotik und Kognitive Systeme an der Universität zu Lübeck nun gemeinsam mit dem Systemintegrator Boll Automation GmbH in einem Projekt im Blick: Die automatisierte Aufnahme volumetrischer Ultraschalldaten sollte diese Vorteile auch für das medizinische Umfeld nutzbar machen.
Das zu entwickelnde System soll als Assistenzsystem dienen, um die oder den Untersuchenden bei der Aufnahme diagnostischer Daten oder bei der Durchführung bildgestützter Eingriffe zu unterstützen. Da sich das Unternehmen Boll Automation auf die Mensch-Roboter-Kollaboration spezialisiert hat und die Mitarbeiter auf diesem Gebiet über viel Erfahrung verfügen, war eine gute technische Grundlage gegeben. Die Lübecker Forscher brachten ihre Expertise auf den Gebieten der medizinischen Robotik und Bildverarbeitung ein.
Mit dem Roboter wird die
Datenerfassung reproduzierbar
Die Robotik-Komponente sollte die Datenerfassung reproduzierbar und stabil machen, um eine Untersuchung auch über einen längeren Zeitraum durchführen zu können. Gleichzeitig sollten Quantifizierung und Vergleichbarkeit der Daten verbessert werden. Die High-End-Ultraschallstation mit Matrix-Schallkopf ermöglicht es, über 10 Volumen pro Sekunde aufzunehmen. Übliche Probleme, wie das Auffinden der richtigen Bildebene oder die Schallkopfnachführung bei Bewegung des Ziels aus der Ultraschallebene hinaus, existieren damit nicht, da beliebige Schnittansichten nachträglich erzeugt werden können. Der kraftsensitive Roboterarm verfügt über sieben Achsen und Kollisionsvermeidung, um den Schallkopf am Patienten zu positionieren. Mit ihm kann ein Zielgebiet vollautomatisch angesteuert und mit gleichbleibender Kraft und Bildqualität dargestellt werden. Darüber hinaus ist eine manuelle Führung des Roboters möglich.
Bei Folgeuntersuchungen lässt sich die Zielregion anhand der durchgeführten Roboterbewegungen leichter wieder auffinden. Auch das Errechnen eines zusammengefügten Gesamtvolumens und nicht zuletzt die nachgelagerte Diagnostik sind dadurch machbar.
Robotische Komponenten in kommerziellen Systemen
Nur wenige kommerzielle Systeme kombinieren bislang robotische Komponenten mit Echtzeit-Ultraschall-Bildgebung. Eines der bekanntesten Systeme ist der Da-Vinci-Roboter von Intuitive Surgical Inc. für die minimal-invasive Chirurgie. Der Arzt bedient hier per Fernsteuerung einen Roboter, der unter anderem 2D-Ultraschallsonden positionieren kann. Die Schallkopfführung liegt dabei allerdings stets in der Hand des Arztes und unterscheidet sich damit kaum von der konventionellen Ultraschall-Bildgebung.
Die Einsatzszenarien der neuen Ultraschall-Roboter-Entwicklung aus Lübeck und Kleinwallstadt sind indes außerordentlich vielfältig und reichen von der diagnostischen Datenerfassung bis hin zu automatisierten Eingriffen mit gleichzeitiger Ultraschallüberwachung.
In der Kardiologie oder der inneren Medizin finden im Takt von 15 min täglich Hunderte von Ultraschalluntersuchungen mit Vor-Ort-Diagnose durch den durchführenden Arzt statt. Gleichzeitig können weitreichende Screening-Programme, wie beispielsweise eine regelmäßige Untersuchung der Bauchaorta ab 65 Jahren, aufgrund von Personalmangel und alternder Bevölkerung eventuell nicht oder nur unzureichend durchgeführt werden. Durch Einsatz des robotischen Ultraschallsystems wird eine nachträgliche, von der Aufnahme unabhängige Diagnostik ermöglicht, das heißt Datenerfassung und Analyse werden zeitlich und räumlich erstmals trennbar. Die Automatisierung der Datenerfassung könnte so eine effizientere Nutzung der ärztlichen Expertise und der klinischen Ressourcen gewährleisten.
Roboter ermöglicht Langzeituntersuchungen
Die stabile Erfassung von Bilddaten über einen längeren Zeitraum – also Langzeituntersuchungen – werden durch die adaptive robotische Schallkopfführung erstmals möglich, da diese auch in Abwesenheit der Untersuchenden erfolgen kann. Damit können neuartige, funktionelle Parameter langfristig erhoben, ausgewertet und verglichen werden, während Zeit und damit Personalkosten eingespart werden. Darüber hinaus werden Langzeitstudien von Gewebewachstum und -veränderungen durch die bessere Vergleichbarkeit von robotisch aufgezeichneten Ultraschalldaten unterstützt.
Schließlich kann das System die Therapie unterstützen. Zahlreiche Interventionen können durch Echtzeit-Überwachung der Zielposition in ihrer Genauigkeit verbessert werden. Beispiele hierfür sind die extrakorporale Nierensteinzertrümmerung (ESWL), Biopsie-Entnahmen oder Tumorbehandlungen. Hauptvorteil des robotischen Systems ist hier die ermüdungsfreie, stabile Schallkopfpositionierung bei gleichzeitiger Anpassungsfähigkeit im Falle von auftretenden Bewegungen. Bei der Strahlentherapie wird eine automatische Lösung zum schnellen Auffinden und zur kontinuierlichen Überwachung des Tumors sogar zwingend benötigt, da aufgrund der hohen Strahlenbelastung während der Behandlung kein Ultraschallarzt anwesend sein kann.
Assistenzsystem – derzeit in der Entwicklung
Das robotergestützte Ultraschallsystem befindet sich zurzeit noch in der Entwicklung. Es handelt sich um eine Geräteplattform, die für unterschiedlichste Anwendungsszenarien angepasst und spezialisiert werden kann. In Zusammenarbeit mit Ärzten verschiedener Fachbereiche sollen diese nun in Forschungsprojekten umgesetzt werden.
Das robotergestützte Ultraschallsystem befindet sich zurzeit noch in der Entwicklung. Es handelt sich um eine Geräteplattform, die für unterschiedlichste Anwendungsszenarien angepasst und spezialisiert werden kann. In Zusammenarbeit mit Ärzten verschiedener Fachbereiche sollen diese nun in Forschungsprojekten umgesetzt werden.
Weitere Informationen
Gefördert wird das Projekt durch die AiF Projekt GmbH, Projektträger des BMWi und unterstützt durch das Ministerium für Wirtschaft, Arbeit, Verkehr und Technologie des Landes Schleswig-Holstein.
