Entwicklung einer Systemplattform für die Kollisionskontrolle im Interventionsraum

Im BMBF-geförderten Forschungscampus M²OLIE – Mannheim Molecular Intervention Environment wurde zusammen mit der Siemens Healthineers GmbH im Rahmen einer Dissertation eine CRU – Central Registration Unit als Systemplattform zur Vermeidung von Kollisionen im Interventionsraum entwickelt und evaluiert. Anlass für die Promotion waren Entwicklungsarbeiten für ein Robotersystem für bildgestützte Nadelsonden-Interventionen. Dabei kam neben dem Roboter für die Intervention das ARTIS ZEEGO System von Siemens zum Einsatz, das ebenfalls auf einem robotergeführten Röntgen-C-Bogen beruht. Der parallele Einsatz mehrerer Roboter im Interventionsraum erhöht die Kollisionsgefahr erheblich, sodass heute zahlreiche zeitaufwändige Sicherheitsmaßnahmen ergriffen werden müssen.

Die Gefährdung von Mensch und Material während des Eingriffs und die Verzögerungen durch Sicherheitsmaßnahmen im Operationsverlauf machen den Einsatz von Systemen für den Kollisionsschutz erforderlich. Mit der CRU wurde ein innovatives Konzept entwickelt und erprobt, das differenzierte Strategien zur dynamischen Konfliktvermeidung für unterschiedliche Objektpaarungen ermöglicht. Für die Berechnungen wird ein Digitaler Zwilling eingesetzt, der durch Schnittstellen an die realen Abläufe im Interventionsraum ständig aktualisiert wird.

Klinischer Aspekt

Die Entwicklung von Systemplattformen – und speziell die Entwicklung von Kollisionsvermeidung – besitzt einen indirekten Nutzen für die medizinischen Abläufe oder direkt für den Patienten. Mit dem Trend zu immer kleineren Zugängen und einer zunehmenden Präzision bei Diagnose und Therapie, wächst die Bedeutung von bildgestützten Interventionen in der medizinischen Versorgung. Bildgestützte Interventionen erfordern jedoch einen umfangreichen Technikeinsatz, der mit höheren Investitionen und in der Regel mit einem höheren Aufwand für das OP-Setup sowie einem Bedarf an speziell ausgebildeten Anwendern verbunden ist. Die dadurch entstehenden Kosten verhindern oftmals eine breite Verfügbarkeit dieser modernen medizinischen Ansätze für das Gros der Patienten. Für Anwendungen im Hybriden Interventionsraum sind Kollisionskontrollsysteme eines (von vielen) Systemen, die den Ablauf im Interventionsraum schneller und sicherer machen. Sie besitzen damit eine zwar nur indirekte, aber nicht weniger wichtige Bedeutung für medizinische Abläufe.

Forschungsinhalte

Die Kollisionskontrolle im Interventionsraum unterscheidet sich von den klassischen Industrieanwendungen durch das Fehlen von trennenden Schutzeinrichtungen, da eine räumliche oder mechanische Trennung von Mensch und Maschine während der Intervention nur bedingt möglich ist. Beispielsweise führt ein manueller Eingriff während einer Biopsie in der Regel immer zu einem Eingriff in die Sicherheitszonen. Außerdem werden unterschiedliche Konfliktlösungsstrategien bei einer Kollisionsgefahr zwischen Maschinen oder zwischen Mensch und Maschine erforderlich, die sowohl die zeitlichen Abläufe (schnelle oder langsame Annäherung) als auch die Distanzen betreffen, ab wann eine Gefährdung nicht mehr wahrgenommen wird. Auf Basis einer Analyse der komplexen Konfliktszenarien wurde eine Systemplattform entwickelt, auf der verschiedene Strategien zur Kollisionsvermeidung implementiert wurden. Die Basis bildete ein „Digitaler Zwilling“ des Interventionsraums, der über Schnittstellen zu den Geräten und einem optischen Trackingsystem aktualisiert werden konnte. Auf diese Weise stand eine virtuelle, realitätsnahe Abbildung zur Verfügung, mit der Kollisionsvorgänge wesentlich detaillierter erfasst und Konfliktlösungen ausgelöst werden konnten.

Das Gesamtsystem wurde für ein ausgewähltes, eingeschränktes Szenario einer roboterassistierten Biopsie im Hybriden Interventionsraum implementiert und evaluiert. Das Ergebnis zeigt die Machbarkeit und Leistungsfähigkeit dieses Ansatzes, aber ebenso auch den Aufwand für eine Implementierung im täglichen klinischen Einsatz.

Ergebnisse

Das CRU-System wurde im Rahmen der Promotion installiert und erprobt. Zurzeit finden keine weiteren Entwicklungen statt.