Schere, Tupfer, Hightech

Der Eindruck täuscht. Professor Jürgen Weitz, der Mann an der Konsole, hat alles im Griff: Mit seiner Arbeit an den Joysticks sichert er den Erfolg einer Krebsoperation – und die Tatsache, dass er dem Patienten den Rücken zukehrt, kann zwar Laien auf eine falsche Fährte führen, beeinträchtigt die Operation aber keinesfalls. „Bitte mal absaugen!“, sagt er dann laut, und eine Ärztin am Operationstisch reagiert. Spätestens jetzt wird klar: Hier geht es um ein Menschenleben und nicht um ein banales Videospiel.

Das Roboter-System setzt Befehle des Chirurgen um.

Im OP-Saal gelten besondere Regeln, denn es handelt sich hier um eine robotergestützte Operation. Jürgen Weitz ist Direktor der Klinik für Viszeral-, Thorax- und Gefäßchirurgie des Universitätsklinikums Carl Gustav Carus Dresden und räumt gleich mit einem in der Öffentlichkeit weit verbreiteten Missverständnis auf: „Der sogenannte Roboter ist eigentlich ein Telemanipulator, er macht hier nichts selbstständig, sondern setzt einzig die Bewegungen des Chirurgen um.“ Was Weitz für seine Arbeit bei der Operation sehen muss, wird ihm in erstklassiger Qualität auf dem Bildschirm der Konsole gezeigt – die Entfernung zum Operationstisch bleibt dabei ohne Bedeutung.

Der Patient liegt an diesem Vormittag bereits in Vollnarkose auf dem Tisch. Die Diagnose: ein Tumor im Bereich der Gallenwege, der entfernt werden muss. Zu sehen ist nur der Bauch, der Rest des Körpers ist mit grünen OP-Tüchern bedeckt. Vier von einem etwa zwei Meter hohen Stativ getragene Roboterarme hängen wie eine Krake über dem Mann. Diese Krake wird während der Operation Befehle erhalten und reibungslos funktionieren. Die Roboterarme sind in eine durchsichtige, sterile und präzise angepasste Plastikfolie eingepackt – eine unerlässliche Vorsichtsmaßnahme aus Gründen der Hygiene. Nach dem Eingriff bei der Reinigung des OP-Saals wird die Folie wieder entfernt. Auf die Beweglichkeit des Geräts und die Arbeit des Operationsteams hat sie keinen Einfluss.

Eine Kamera überträgt Bilder aus der Bauchhöhle.

Das Operationssystem, mit dem hier gearbeitet wird, heißt Da Vinci. Es besteht aus drei Komponenten: einer Konsole, die vom Operateur bedient wird, einer zentralen Recheneinheit und einem mehrarmigen Operationsturm. Mehrere Bildschirme stellen sicher, dass alle Menschen im OP immer einen identischen Blick auf das Operationsgebiet haben. Sechs bis acht Stunden soll die Tumor-Operation voraussichtlich dauern. „Die Zeit spielt aber keine Rolle“, stellt Weitz klar, „im Fokus steht für uns immer, dem Patienten so viel Lebensqualität wie möglich zu erhalten oder zurückzugeben.“

Operationen mit dem Da-Vinci-System sind minimalinvasive Eingriffe. Die OP erfolgt also nicht offen über einen großen Hautschnitt. Vielmehr führen die Operateure durch vier, je etwa zehn Millimeter lange Schnitte zunächst Hülsen, sogenannte Trokare, in die Bauchhöhle des Patienten ein. Über drei dieser Trokare gelangen dann Instrumente ins Operationsgebiet. Die Messer, Scheren, Pinzetten oder Greifzangen lassen sich in jede erdenkliche Richtung bewegen. Der vierte Arm hat eine andere Aufgabe. Er führt eine hochauflösende 3-D-Kamera, die Bilder aus der Bauchhöhle des Patienten an die Steuerkonsole des Chirurgen überträgt.

Zusammenarbeit in einem eingespielten Team.

„Robotergestützte Operationen können nur erfolgreich sein, wenn ein eingespieltes Team reibungslos funktioniert“, stellt Weitz klar. Zu seinem Team gehört eine Narkoseärztin mit Assistentin. Darüber hinaus hat eine für den OP-Tisch zuständige Assistentin immer den Überblick über die große Zahl der Instrumente, die sie auf Ansage der Ärztin Dr. Olga Radulova-Mauersberger anreicht. Das Auswechseln der Instrumente ist nicht die einzige Aufgabe, die die Ärztin zu bewältigen hat. Sie ist mit einem zusätzlichen Trokar ausgestattet, um den Operateur bei Bedarf zu unterstützen, etwa beim Absaugen von Blut oder auch beim Assistieren mit einer Greifzange.
 
Die Ärztin arbeitet allerdings unter anderen Bedingungen als der Operateur. Sie hat nur einen zweidimensionalen Blick auf den Operationsbereich. Ihre Instrumente, die auch in der Standard-Endoskopie eingesetzt werden, sind weniger flexibel als die Instrumente des Da-Vinci-Systems. Letztere haben kleine Gelenke und sind extrem beweglich. Dem Chirurgen eröffnen sie damit Steuermöglichkeiten, die den Bewegungsumfang des Handgelenks deutlich übersteigen.

Feinste Strukturen sichtbar gemacht.

Die Operation ist in vollem Gange. Weitz umschließt mit seinen Fingern Edelstahlstifte und Schlaufen, mit denen er durch virtuoses Auf und Ab, Rechts und Links der Arme sowie mit Drehbewegungen der Hände und Finger die OP-Instrumente bedient. Er arbeitet auch mit seinen Füßen. Über die Pedale an der Konsole verödet er kleine Blutgefäße mit Hochfrequenzstrom. Zudem kann er damit zwischen einzelnen Instrumenten wechseln und die Kamera genau nach seinen Wünschen steuern.

Beim Blick auf seinen Bildschirm sieht Weitz ein bis zu zehnfach vergrößertes dreidimensionales Bild in hoher Auflösung, das auch feinste Strukturen von Nerven und Gefäßen scharf abbildet. Jedes noch so kleine Blutgefäß ist wegen der enormen Vergrößerung und Bildauflösung glasklar zu sehen. Weitz kann Gewebestrukturen erkennen, die bei einer offenen Operation kaum auszumachen wären. Präzise und souverän sieht das aus. Der Chirurg hat bereits über 300 dieser Operationen mit dem Da-Vinci-System vorgenommen. Mit der Ärztin am OP-Tisch stimmt er sich immer wieder ab: „Bitte die Kamera reinigen.“ Oder: „Bitte den Lymphknoten hochziehen.“ Und Weitz vergisst auch nicht, ein positives Feedback zu geben: „Prima, das passt so“.

Erfahrung ersetzt haptisches Feedback.

„Die Operation ist nicht ganz unkompliziert, weil der Tumor sehr klein ist“, erläutert Weitz. Arterien, die die Leber versorgen, laufen am Tumor vorbei – jeder Fehler kann fatale Folgen haben. Das Da-Vinci-System wird nur in besonders komplexen Fällen eingesetzt, wenn herkömmliche, minimal-invasive Operationstechniken an ihre Grenzen stoßen. Ziel der Arbeit ist es, Tumorgewebe auch bei schwierigen Konstellationen komplett zu entfernen und dabei das gesunde Gewebe in höchstmöglichem Maß zu schonen.

Millimeter für Millimeter arbeitet sich der Chirurg vorsichtig bis zur Leber vor. Es fließt kaum Blut. Geplatzte Gefäße werden per Druck auf eines der Fußpedale an der Konsole elektrisch verschweißt. „Ich kann das System so einstellen, dass aus einer einen Zentimeter weiten Handbewegung von mir eine Millimeter-Bewegung des Roboterinstruments wird“, erläutert Weitz. Gefragt ist Präzision, und die Geräte arbeiten zuverlässig. Und dennoch bleibt für die Zukunft Handlungsbedarf: Ein haptisches Feedback kann das Da-Vinci-System bisher nicht geben: „Wir haben kein Gefühl, wenn das Instrument ansetzt“, erklärt Weitz. Er setzt auf seine reichlich vorhandene Erfahrung, um dieses Defizit zu kompensieren, lässt aber keinen Zweifel, dass das System weiter optimiert werden muss.

Schonende Technik bei komplizierten Eingriffen.

Vor vielen Jahren hat Jürgen Weitz bei seiner Arbeit in einem Krebszentrum in New York erstmals Erfahrungen mit roboterassistierten OP-Systemen gemacht. Aus seiner Sicht haben sie viele Qualitäten: Sie werden nicht müde, kennen keinen Hunger, sind niemals nervös und führen alle Befehle des Arztes ohne Zittern aus – nach Stunden hochkonzentrierter Arbeit sei diese Eigenschaft nicht zu unterschätzen, sagt der Chirurg.

Aber welche Vorteile hat das System darüber hinaus? Mediziner, die den Da Vinci nutzen, kommen zu ähnlichen Bewertungen: Mit robotergestützten Operationen sind demnach Eingriffe mit geringerem Blutverlust, kürzeren Krankenhausaufenthalten sowie einer schnelleren Genesung und Rückkehr in den Alltag möglich. Die gute Sicht und die präzise Instrumentenbedienung ermöglichen nicht nur ein blutungsarmes und wenig traumatisierendes Operieren, sondern erlauben dem erfahrenen Chirurgen, auch schwere und komplexe Eingriffe mit einer schonenden Technik durchzuführen. Darüber hinaus hat die Ergonomie für den Arzt an der Konsole positive Auswirkungen. Er kann bei seiner Arbeit sitzen, vermeidet somit eine frühe Erschöpfung. Kopf und Hände werden durch die Konsole gestützt, die Wirbelsäule und Armmuskulatur werden entlastet.

Schulung an der Übungskonsole.

Seit der Einführung des OP-Roboters hat sich das Spektrum der Operationen auch in Dresden kontinuierlich erweitert. Die Arbeit mit dem ersten Da Vinci im Uniklinikum begann 2006. Seitdem hat das Klinikum mehrere Nachfolgemodelle angeschafft, zuletzt vor einigen Monaten in der Urologie. Das System kostet bis zu 2,5 Millionen Euro. Mit der multidisziplinären Anwendung mehrerer Fachabteilungen gelingt eine Senkung der Fixkosten.

Wer den Da Vinci souverän beherrschen will, muss sich professionell schulen lassen. Im OP stehen deshalb zwei identische Konsolen. Ärzte in der Lernphase verfolgen die Arbeit im Detail an der zweiten Konsole, können aber durchaus auch selbst in den Operationsprozess eingreifen. Dazu hat Bauchraum-Chirurg Weitz die Möglichkeit, die Kontrolle über jeden der drei Greifarme individuell per Knopfdruck abzugeben, aber auch jederzeit wieder zurückzuholen. Die Schüler an der Übungskonsole haben mit diesem System die Chance, weniger komplizierte OP-Schritte unter Aufsicht selbst zu bewältigen. Sie gewinnen dabei zunehmend an Sicherheit. „Das ist ein Konzept, das sich bewährt hat“, sagt Weitz.

Aus dem Militär in die zivile Anwendung.

Die Idee für die Entwicklung von durch Roboter unterstützten Operationssystemen entstand vor mehr als 30 Jahren in der US-Army. Ist es möglich, Schwerverletzte in Kriegsgebieten über große Entfernungen zu operieren und sie vor dem Verbluten im Feldlazarett zu retten? Die Herausforderung für Medizintechniker war groß: Weit entfernt von US-amerikanischen Spezialkliniken sollten mit Hilfe der Telechirurgie Soldaten an der Front medizinisch versorgt werden. Überlegt wurde sogar, diese Operationen bei Bedarf auch für Astronauten im Weltraum anzubieten. In der Anfangsphase kam es dann tatsächlich zu Operationen, bei denen sich der Patient auf der einen und der Chirurg auf der anderen Seite des Atlantiks befanden. Die Befehlswege erwiesen sich aber als zu lang. Am Ende wurde das Projekt als untauglich für militärische Anwendungen eingestuft.
 
Der Siegeszug in der zivilen Anwendung allerdings sollte nicht zu stoppen sein. Für eine nichtmilitärische Nutzung der entstandenen Prototypen wurde 1995 die Firma Intuitive Surgical® gegründet. 1999 hat sie das erste Da-Vinci-System vorgestellt. Nach Angaben von Intuitive Surgicals wurde das System weltweit inzwischen bei mehr als zehn Millionen Operationen eingesetzt, 60.000 Operateurinnen und Operateure erhielten eine Ausbildung. Das Unternehmen galt lange als Monopolist. Doch die Zeiten ändern sich: Auf dem Markt für robotisch assistierte laparoskopische (die Bauchspiegelung nutzende) Operationssysteme gibt es inzwischen mehrere Konkurrenten. Vieles deutet darauf hin, dass sich der Wettbewerb verschärfen wird.

Fundament für ambitionierte Forschungsvorhaben.

In Dresden wird nicht nur mit Blick auf die Optionen der Robotersysteme geforscht. Das Universitätsklinikum Carl Gustav Carus sieht sich gerüstet mit einer leistungsfähigen Infrastruktur, die den Herausforderungen der Medizin von morgen gerecht werden soll. Hier gibt es 17 modern eingerichtete Operationssäle und eine chirurgische Notaufnahme. Sechs dieser OP-Säle sind mit digitalen OP-Lösungen ausgestattet. Die Klinik hat damit ein Fundament für ambitionierte Forschungsvorhaben an der Schnittstelle zwischen Chirurgie und Digitalisierung errichtet. Und die Voraussetzungen sind optimal. Auf dem Uniklinik-Campus haben in den vergangenen Jahren das „Nationale Centrum für Tumorerkrankungen“ (NCT) und das „Else-Kröner-Fresenius-Zentrum für digitale Gesundheit“ (EKFZ) ihre Arbeit in neuen Gebäuden aufgenommen. Wie kann Künstliche Intelligenz Chirurgen bei komplizierten Eingriffen unterstützen? Wie kann mit computerbasierten Assistenzsystemen das Risiko für Komplikationen bei Tumor-Operationen gesenkt und wie können Arbeitsabläufe im Operationssaal einfacher und sicherer gestaltet werden? Darauf wollen NCT- und EKFZ-Wissenschaftler eine Antwort geben.

Methoden interdisziplinär weiterentwickeln.

Im NCT ist ein Experimental-OP eingerichtet worden. Er verfügt über eine moderne Ausstattung für die Entwicklung innovativer chirurgischer Konzepte und Methoden. Professorin Stefanie Speidel ist Informatikerin und entwickelt in der Abteilung für Translationale Chirurgische Onkologie am NCT mit ihrem Team Assistenzsysteme, die den Chirurgen sicher und ohne Umwege zum Tumor führen sollen. Benötigt werden diese Hilfen insbesondere bei minimalinvasiven Operationen und speziell auch bei der Arbeit mit dem Da Vinci im Operationssaal.

Die Assistenzsysteme sollen die genaue Lage des Tumors berechnen und Chirurgen durch den Eingriff navigieren. Ein neuronales Netz steuert in diesem System Roboter, die anhand von OP-Videos erlernen, welche OP-Schritte und Ereignisse die Nutzung welcher Instrumente erfordern. Greift der Chirurg beispielsweise zu einem scharfen Instrument, soll das System die Absicht erkennen, weiter zum Tumor vorzudringen, und zusätzlich die optimale Schnittführung und die genaue Lage des Tumors anzeigen. „Es ist wichtig, dass nicht nur Informatiker, sondern auch Chirurgen selbst an der Entwicklung neuer Technologien beteiligt sind, denn sie sind es, die die Systeme später einsetzen“, sagt Speidel.

Komplikationen vorhersagen.

Für robotergestützte Operationen am Enddarm entwickeln die Forscherinnen und Forscher aktuell ein System, das auf den Kamerabildern aus dem Bauchraum des Patienten wichtige Strukturen anzeigt. „Wir wollen den Operateuren die Informationen in Echtzeit geben, und das ist eine große Herausforderung. Im Hintergrund laufen komplexe Rechenprozesse ab, es geht da um Millisekunden“, erläutert die Ärztin Dr. Fiona Kolbinger, die dieses Projekt begleitet.

In mehr als 25.000 Einzelbildern aus Operationen sind händisch die optimale Schnittlinie und zu schonende Nerven eingezeichnet worden. Auf dieser Grundlage lernt die Software, während der Operation verschiedene Phasen zu erkennen und für Chirurgen relevante Informationen einzublenden. „Diese Hilfestellungen sind gerade für Tumoroperationen am Enddarm von großer Relevanz, denn hier entscheiden nur wenige Millimeter darüber, ob für die Kontinenz und Potenz wichtige Nerven erhalten werden können“, erläutert Jürgen Weitz.

Im Projekt „SurgOmics“, unterstützt vom Bundesgesundheitsministerium, entwickeln Wissenschaftler eine Methode der Künstlichen Intelligenz, die lebensbedrohliche Komplikationen vorhersehen soll – auch hier mit einer Datenanalyse in Echtzeit. „Trainiert wird das System mit einer Vielzahl an präoperativen Computertomografie-Bildern, Informationen zu Vorerkrankungen von Patienten, OP-Videos aus dem Bauchraum und Angaben zu aufgetretenen Komplikationen“, erklärt Stefanie Speidel. In Form einer App soll die Software künftig Ärztinnen und Ärzten sowie Pflegekräfte in allen Phasen der Behandlung alarmieren, wenn Komplikationen zu befürchten sind. „Apps sind in unserem Alltag längst selbstverständlich. Jetzt ist es an der Zeit, sie auch bei der Arbeit im OP zu nutzen“, sagt Speidel.

Intelligente Systeme als helfende Hände.

Jürgen Weitz betont: „Es geht bei unserer Arbeit nicht darum, den Chirurgen durch einen Roboter oder andere Assistenzen zu ersetzen. Die intelligenten Systeme sollen lediglich eine helfende Hand sein und den Arzt und das OP-Team entlasten.“ Das sehen auch viele seiner Kollegen so, die selbst mit roboterassistierten Systemen arbeiten.

Medizinische Laien aber wollen oft mehr wissen: Kommt irgendwann vielleicht doch der Roboter, der im OP Entscheidungen trifft und mutterseelenallein operiert – emotionslos, frei von jeglicher Empathie, allenfalls noch kontrolliert von einem Arzt, der im Zweifel auf einen roten Aus-Knopf drücken kann? Dies dürfte eine der Fragen sein, die die weitere Entwicklung von robotergestützten Operationen begleiten wird.
 
Aber es geht um mehr: Der Einsatz von Systemen der Künstlichen Intelligenz wird in vielen gesellschaftlichen Bereichen an Bedeutung gewinnen und dürfte auch das Verständnis von Gesundheit verändern. Eine Entwicklung, die viele Chancen bietet, aber auch voller Risiken steckt. Fiona Kolbinger lässt keinen Zweifel: „Entscheidend ist, dass wir schon heute diesen Prozess aktiv mitgestalten können.“