Technische Universität München
Sensoren in Operationssälen: Wie Roboter zu OP-Assistenten werden
TECHNISCHE UNIVERSITÄT MÜNCHEN
PRESSEMITTEILUNG
Sensoren machen Operationssäle schlau
Wie Roboter zu OP-Assistenten werden
- In einem mit Sensoren ausgestatteten Experimental-OP testen Forschende im TUM Klinikum den Einsatz von Robotern.
- Ziel ist es mittelfristig, die Chirurginnen und Chirurgen im OP zu entlasten.
- Künftig sollen die komplexen Daten aus dem OP auch für Anwendungen der künstlichen Intelligenz genutzt werden.
Wie können Roboter und Menschen in Zukunft bestmöglich im OP zusammenarbeiten? Das haben Forschende der Technischen Universität München (TUM) und des TUM Klinikums im Forschungsprojekt ForNeRo untersucht. Mit einem Sensorsystem haben sie dafür die Bewegungen von Chirurginnen und Chirurgen bei Operationen analysiert und Daten aus simulierten OPs mit Assistenzrobotern gesammelt.
An der Decke des Experimental-OPs im TUM Klinikum in München befinden sich fünf Tiefenkameras. Sie erstellen fünfzehn Mal pro Sekunde ein räumliches, digitales Abbild des OPs – einen digitalen Zwilling. Mitten drin, am OP-Tisch, steht Prof. Dirk Wilhelm, Leiter des Lehrstuhls für medizinische Robotik an der TUM sowie Chirurg und Oberarzt an der Klinik und Poliklinik für Chirurgie am TUM Klinikum. Er trägt einen Anzug mit Markern an den Gelenken und an einem Stirnband, die über ein Infrarot-Trackingsystem mit zehn Kameras lokalisiert werden. Über Mikrofone werden zudem die Gespräche des OP-Personals im Operationssaal aufgezeichnet und präzise lokalisiert. Hinzu kommen physiologische Daten des Personals, um deren Stresslevel zu ermitteln.
Ziel dieser Sensordaten und des digitalen Zwillings des OPs ist es, Prozesse zu verbessern, in Zukunft robotische Assistenzsysteme möglichst effizient und ergonomisch in den OP-Betrieb zu integrieren und damit das Personal zu entlasten. Das in der Forschungsgruppe für minimal-invasive interdisziplinäre therapeutische Intervention (MITI) von Prof. Wilhelm entwickelte Sensorsystem [EA1] kommt nun deutschlandweit erstmals zum Einsatz, um Daten aus einem realen OP-Umfeld zu sammeln. „Diese Daten können im nächsten Schritt auch dem Einsatz von Robotern im OP zugutekommen“, sagt Prof. Wilhelm. Voraussetzung für die Erhebung der Daten im realen Operationssaal ist das Einverständnis der Patientinnen und Patienten und aller Beteiligten im OP.
Roboter-Testlauf für typische Operationen
Damit Roboter künftig im OP assistieren können, brauchen sie mehr als Daten. Deshalb geht es im Experimental-OP nicht „nur“ darum, Daten zu sammeln, sondern auch, Roboter-unterstützte Operationen an künstlichen Körpern durchzuführen – also die Zusammenarbeit mit robotischen Assistenten zu testen. Im Rahmen des Forschungsprojektes ForNeRo untersuchten die Forschenden drei typische chirurgische Eingriffe (Operation der Gallenblase, des Leistenbruchs und Teilentfernung des Dickdarms, die sogenannte Sigma-Resektion). Bei den minimal-invasiven Operationen kamen jeweils zwei Roboter zum Einsatz: ein „Solo Assist II“ genannter einarmiger Roboter, dessen Aufgabe es war, ein Endoskop zu halten, sowie MIRO, ein modularer Chirurgieroboter des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), den Operierende unter anderem mit Hilfe eines Joysticks bedienen können. Mit ihm steuern sie in einer Testoperation einen winzigen Greifer, verlegen im Falle eines Leistenbruchs ein Kunststoffnetz und setzen die Naht.
Ein Roboter kann einfache Aufgaben übernehmen
Ziel der simulierten OPs ist es, Roboter so zu konfigurieren, dass sie die Chirurgin oder den Chirurgen in Zukunft bei Schlüsselloch-OPs entlasten. Um das zu evaluieren, erfasst Max Bergholz vom Lehrstuhl für Ergonomie der TUM bei den Operationen an künstlichen Körpern und im Sensoren-OP die Körperhaltungen und Bewegungen der Menschen im OP. Zudem befragt er diese zu ihrer körperlichen und physischen Beanspruchung während der einzelnen OP-Phasen. „Chirurginnen und Chirurgen klagen etwa oft über Rückenprobleme durch lange starre Haltungen und die Herausforderung bei bisherigen Systemen, spiegelverkehrt operieren und damit ständig umdenken zu müssen“, sagt der Forscher. Sein erklärtes Ziel ist es, Operateurinnen und Operateuren ihre Arbeit so leicht wie möglich zu machen.
Das Umdenken fällt bei dem Chirurgieroboter weg. Zudem können Chirurginnen und Chirurgen sich nun noch präziser der zu operierenden Stelle nähern, da eine große Bewegung am Joystick nur wenige Millimeter im Körper ausmacht. Gleichzeitig bleiben sie anders als bei dem etablierten Chirurgieroboter DaVinci nahe beim Patienten. Die Forschungen haben gezeigt, dass ein robotischer Assistent einfache Aufgaben wie etwa ein Endoskop halten, im OP übernehmen kann und durch deren Einsatz keine Mehrbelastung entsteht. Für Bergholz ein Erfolg: „Wir können hier untersuchen, wie sich robotische Assistenten nahtlos in den Klinikablauf integrieren lassen.“
KI soll künftig Prozesse im OP verstehen
In der Zukunft kann sich TUM-Professor Dirk Wilhelm vorstellen, die komplexen Daten aus dem OP auch für Anwendungen der künstlichen Intelligenz zu nutzen. „Daten sind grundlegende Bausteine auch für die Entwicklung von KI-Systemen für den OP. Sie können automatisch erkennen, welche chirurgischen Instrumente genutzt und welche Organe damit operiert werden sollen“, ist Wilhelm überzeugt. So will er zunächst OP- und Planungsprozesse verbessern, bevor KI-Agenten mithelfen zu entscheiden, wann ein robotischer Assistent zum Einsatz kommen sollte.
Weitere Informationen
Im „Forschungsverbund - Nahtlose und ergonomische Integration der Robotik in den klinischen Arbeitsablauf“, kurz ForNeRo, untersuchen Forschende unter anderem der Technischen Universität München, des TUM Klinikums und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) seit September 2023 die Einführung von Roboterassistenzsystemen (RAS) in klinischen Prozessen. Die Bayerische Transformations- und Forschungsstiftung fördert das Projekt mit knapp als zwei Millionen Euro. Das Projekt endet im November 2026. Weitere Informationen https://fornero.ed.tum.de/
Zusatzinformationen für Redaktionen:
Fotos zum Download: https://mediatum.ub.tum.de/1854913
Video: https://youtu.be/iksmUNrDj_k
Wissenschaftlicher Kontakt:
Prof. Dirk Wilhelm
Lehrstuhl für medizinische Robotik, TUM
Chirurg und Geschäftsführender Oberarzt der Klinik und Poliklinik für Chirurgie, TUM Klinikum
dirk.wilhelm@tum.de
Kontakt im TUM Corporate Communications Center:
Andreas Schmitz
0162-27 46 193
Die Technische Universität München (TUM) ist mit rund 700 Professuren, 52.000 Studierenden und 13.000 Mitarbeitenden eine der weltweit stärksten Universitäten in Forschung, Lehre und Innovation. Ihr Fächerspektrum umfasst Informatik, Ingenieur-, Natur- und Lebenswissenschaften, Medizin sowie Wirtschafts- und Sozialwissenschaften. Sie handelt als unternehmerische Universität und sieht sich als Tauschplatz des Wissens, offen für die Gesellschaft. An der TUM werden jährlich rund 100 Start-ups gegründet, im Hightech-Ökosystem München ist sie eine zentrale Akteurin. Weltweit ist sie mit dem Campus TUM Asia in Singapur sowie Büros in Brüssel, Mumbai, Peking, San Francisco, São Paulo und Shenzhen vertreten. An der TUM haben Nobelpreisträger und Erfinderinnen und Erfinder wie Rudolf Diesel, Carl von Linde und Rudolf Mößbauer geforscht. 2006, 2012, 2019 und 2026 wurde sie als Exzellenzuniversität ausgezeichnet. In internationalen Rankings wird sie regelmäßig als beste Universität in der Europäischen Union genannt.