Forscher der University of North Carolina und der Vanderbilt University haben erfolgreich einen Nadel-Roboter entwickelt, der autonom und in Echtzeit durch ein Modell einer lebenden Lunge navigieren kann. Dieser Roboter kann Lungengewebe durchqueren, ohne es zu beschädigen. Diese Technologie soll dazu eingesetzt werden, Lungenkrebs zu entdecken und zu bekämpfen, der mit herkömmlichen Instrumenten wie 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 der Studie "Autonomous medical needle steering in vivo", die in Science Robotics veröffentlicht wurde. Zur Entwicklung des Roboters arbeiteten Mediziner, Informatiker und Ingenieure zusammen.
Der Roboter selbst besteht aus mehreren separaten Komponenten. Er wurde aus einer flexiblen Nickel-Titan-Legierung mit Hilfe eines Lasers geätzt, wodurch er besser durch menschliches Gewebe gleiten kann. Eine externe mechanische Steuerung ermöglicht einen kontrollierten Vorwärts- und Rückwärtsschub, sodass sich der Roboter an gekrümmten Bahnen entlang bewegen und Hindernissen ausweichen kann. Der Roboter kann mit verschiedenen Aufsätzen, wie zum Beispiel einem Katheter, versehen werden, um Biopsien durchführen zu können.
Echtzeit-Navigation
Um das Ziel präzise zu erreichen, muss der Nadel-Roboter zunächst wissen, wie er dorthin kommen kann. Dazu erstellen die Mediziner vorher Scans der Brusthöhle mithilfe eines Computertomografen (CT). Anhand dieser Scans wird ein 3D-Modell der Atemwege, der Blutgefäße und des anvisierten Ziels erstellt. Eine Software, die auf künstlicher Intelligenz (KI) basiert, ermittelt den Weg durch das Gewebe. Dabei berücksichtigt die Navigationssoftware wichtige Strukturen, wie zum Beispiel große Blutgefäße, die es zu umgehen gilt, um das Ziel zu erreichen. Dieser Vorgang erfolgt in Echtzeit.
Die Software kann auch die Atembewegungen berücksichtigen und somit die Lungenausdehnung und -komprimierung, die beim Atmen entstehen, einkalkulieren. Eine Operation an einem lebendigen, atmenden Menschen ist besonders komplex. Akulian erklärt, dass es sei, als würde man versuchen, ein bewegliches Ziel zu treffen. Daher ist es äußerst wichtig, die Bewegungen der Lunge zu berücksichtigen.
Labortests
Die Forscher haben die Technologie an einem Labormodell getestet, das eine lebende Lunge imitiert und auch die Atmung nachstellt. Der Roboter bewegt sich immer dann vorwärts, wenn der Atem nach dem Einatmen für einen Moment aussetzt.
"Es gibt noch einige Feinheiten in Bezug auf die Fähigkeit des Roboters, Ziele zu erfassen und effektiv zu erreichen", sagt Akulian. "Wir planen, weitere autonome medizinische Roboter zu entwickeln, die die Stärken der Robotik und der künstlichen Intelligenz kombinieren, um die medizinischen Ergebnisse für Patienten mit verschiedenen gesundheitlichen Herausforderungen zu verbessern und gleichzeitig die Sicherheit der Patienten zu gewährleisten", ergänzt Ron Alterovitz, der die Studie leitete.
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