Kampf gegen Lungenkrankheiten: Nadel-Roboter fährt autonom durch Lunge
Die autonome Navigation eines Roboters durch eine künstliche Lunge ist geglückt. Die Methode könnte die Behandlung von Lungenkrankheiten verbessern.
(Bild: University of North Carolina)
Wissenschaftlern der University of North Carolina und der Vanderbilt University ist es gelungen, einen Nadel-Roboter durch ein Modell einer lebenden Lunge autonom in Echtzeit navigieren zu lassen. Der Roboter ist in der Lage, Lungengewebe zu durchqueren, ohne es zu beschädigen. Die Technik soll dazu eingesetzt werden, etwa Lungenkrebs zu entdecken und zu bekämpfen, der mit herkömmlichen Instrumenten wie etwa Standard- oder Roboterbronchoskopen nur schwer oder gar nicht erreichbar ist.
Der Roboter ermöglicht es, besonders kleine Zielgebiete in der Lunge zu erreichen und damit die entscheidenden Zentimeter oder gar Millimeter zu überbrücken, sagt Dr. Jason Akulian, einer der beteiligten Wissenschaftler an der Studie "Autonomous medical needle steering in vivo", der in Science Robotics veröffentlicht ist. Entwickelt wurde der Roboter in Zusammenarbeit von Forschenden aus der Medizin, Informatik und dem Ingenieurswesen.
Der Roboter selbst besteht aus mehreren separaten Komponenten. Der Roboter ist aus einer Nickel-Titan-Legierung mittels Laser geätzt worden. Dadurch ist er besonders flexibel und kann so besser durch menschliches Gewebe gleiten. Eine externe mechanische Steuerung sorgt für einen kontrollierten Vorwärts- und Rückwärtsschub, sodass sich der Roboter an gekrümmten Bahnen entlang bewegen und Hindernissen ausweichen kann. Der Roboter kann mit Aufsätzen, wie beispielsweise einem Katheder, versehen werden, um etwa Biopsien durchführen zu können.
Navigation in Echtzeit
Um punktgenau sein Ziel erreichen zu können, muss der Nadel-Roboter zunächst wissen, wie er sich dorthin bewegen kann. Dazu erstellen die Mediziner vorab Scans der Brusthöhle mit einem Computertomografen (CT). Daraus erstellen sie ein 3D-Modell der Atemwege, der Blutgefäße sowie des anvisierten Ziels. Eine Software ermittelt mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI) einen Weg durch das Gewebe. Dabei berücksichtigt die Navigationssoftware wichtige Strukturen, wie etwa große Blutgefäße, die es zu vermeiden gilt, um zum Zielort zu gelangen. Das funktioniert in Echtzeit.
Die Software kann auch Atembewegungen berücksichtigen und damit die Lungenausdehnung und -komprimierung, die beim Atmen entsteht, einkalkulieren. Eine Operation am lebenden, atmenden Menschen sei besonders kompliziert. Akulian sagt, es sei, als würde man versuchen, auf ein bewegliches Ziel zu schießen. Deshalb ist es besonders wichtig, die Bewegungen der Lunge zu berücksichtigen.
Labortests
Die Technik testeten die Forscher an einem Labormodell, das eine lebende Lunge imitiert, also auch die Atmung nachstellt. Der Roboter bewegt sich immer dann vorwärts, wenn nach dem Luftholen der Atem für einen Moment stockt.
"Es gibt noch einige Nuancen in Bezug auf die Fähigkeit des Roboters, Ziele zu erfassen und sie dann tatsächlich effektiv zu erreichen", sagt Akulian. "Wir planen, weiterhin neue autonome Medizinroboter zu entwickeln, die die Stärken der Robotik und der künstlichen Intelligenz kombinieren, um die medizinischen Ergebnisse für Patienten zu verbessern, die mit einer Vielzahl von gesundheitlichen Herausforderungen konfrontiert sind, und gleichzeitig Garantien für die Patientensicherheit zu bieten", ergänzt Ron Alterovitz, der die Studie leitete.
(olb)