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Projektbeispiel: CASCADE

Mit dem Schlangenroboter in der Aorta

Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind die häufigste Todesursache in der Schweiz. Im Rahmen eines EU-Forschungsprojektes arbeitet die ZHAW School of Engineering gemeinsam mit mehreren Unternehmen und Universitäten daran, die Risiken bei Diagnose und Behandlung dieser Erkrankungen zu vermindern. Ein robotergesteuerter Katheter spielt dabei die Hauptrolle.

Die Entwicklung von Robotern für die medizinische Anwendung im menschlichen Herz-Kreislauf-System stellt die Forschung vor eine besondere Herausforderung. Denn robotergesteuerte Katheter bewegen sich in einem komplexen, empfindlichen, verformbaren und höchst dynamischen Umfeld, das in Bezug auf Bewegungsfreiraum und Visualisierung nur begrenzte Möglichkeiten bietet. Im EU-geförderten Projekt CASCADE (Cognitive Autonomous Catheter Operating in Dynamic Environments) entwickelt die ZHAW School of Engineering in einem internationalen Konsortium ein Steuerungssystem für einen schlangenähnlichen Roboter, der diese Herausforderung meistern soll.

«Dieser mit Robotik und Sensorik ausgestattete Katheter kann bei minimal-invasiven, sogenannten Schlüsselloch-Operationen eingesetzt werden.»

Dr. Dejan Šeatović, Projektleiter, Institut für Mechatronische Systeme (IMS) 

Navigation durch die Aorta

«Dieser mit Robotik und Sensorik ausgestattete Katheter kann bei minimal-invasiven, sogenannten Schlüsselloch-Operationen eingesetzt werden», erklärt Dr. Dejan Šeatović, der das Projekt seitens der ZHAW am Institut für Mechatronische Systeme (IMS) leitet. Hauptaufgabe des IMS ist die Entwicklung einer Software-Umgebung, die alle Teilkomponenten in einem Gesamtsystem zusammenführt. Bei diesen Komponenten handelt es sich beispielsweise um Hardware-Treiber, Datenverarbeitungsmodule oder Visualisierungstools. Eine wesentliche Anforderung an das System ist dabei der modulare Aufbau, um die Systemstabilität zu gewährleisten. Die einzelnen Module laufen auf dem CASCADE-Steuercomputer als separate Prozesse – der Ausfall eines einzelnen Moduls beeinträchtigt damit nur gewisse Funktionen, führt aber nicht zu einem Absturz des Gesamtsystems. 

Ständige Kontrolle dank Visualisierung

Die Software-Umgebung soll sowohl für Entwickler und Wissenschaftler als auch Endnutzer einfach zu verwenden sein. Das System ist so gestaltet, dass je nach zukünftigen Anforderungen auch Erweiterungen einfach und schnell erstellt werden können. Neben der technischen Umsetzung des Katheters treibt Dejan Šeatović vor allem die Entwicklung einer grafischen Benutzeroberfläche voran. Diese soll dem operierenden Chirurgen eine umfassende Visualisierung der Eingriffsumgebung bieten und durch ständige Kontrolle des Katheters auch direkte Eingriffe in den Operationsvorgang erlauben. 

«Mit der präzisen und umfassenden dreidimensionalen Visualisierung des Eingriffs schaffen wir zusammen mit unseren Partnern eine wichtige technische Neuerung. Wir ermöglichen erstmals eine detaillierte Kontrolle über Position, Orientation und Form des Katheters in der Aorta, ohne den Patienten einer ionisierenden Strahlung auszusetzen.» 

Dr. Dejan Šeatović, Projektleiter, Institut für Mechatronische Systeme (IMS) 

Erhöhte Patientensicherheit

Ein wesentlicher Vorteil des neuen Systems ist die erhöhte Patientensicherheit durch automatisierte Prozeduren und durch Reduktion der Strahlenbelastung. Vor der Operation erfasste Daten aus der Magnetresonanztomographie lassen sich mit Sensordaten während der Operation verknüpfen und ermöglichen so eine dreidimensionale Modellierung der Eingriffsumgebung – ganz ohne Röntgenstrahlen. Die Funktionalität des neu entwickelten Katheters soll am Ende des Projekts durch die automatisierte Implantation einer Herzklappe mittels Katheter in einer Testumgebung demonstriert werden. Eigens zu diesem Zweck entwickelten die Forschenden eine realistische Testumgebung bestehend aus einer künstlichen, silikonartigen Aorta mit Herzkammer. Der Projektabschluss erfolgt erst 2016, dennoch zieht Dejan Šeatović ein positives Zwischenfazit: «Mit der präzisen und umfassenden dreidimensionalen Visualisierung des Eingriffs schaffen wir zusammen mit unseren Partnern eine wichtige technische Neuerung. Wir ermöglichen erstmals eine detaillierte Kontrolle über Position, Orientation und Form des Katheters in der Aorta, ohne den Patienten einer ionisierenden Strahlung auszusetzen.»