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Text |. Amino-Beobachtung

Wer ist der nächste Leonardo da Vinci? Dies ist möglicherweise das Problem, dem die Medizinbranche die größte Aufmerksamkeit schenkt.

Der Operationsroboter da Vinci ist mit seiner revolutionären Technologie einzigartig und fast zum Synonym für Operationsroboter geworden. Angesichts des breiten Spektrums chirurgischer Anwendungsszenarien und vieler Schwachstellen setzt der Markt jedoch große Hoffnungen in chirurgische Roboter in verschiedenen Szenarien.

Mikrochirurgie-Roboter sind derzeit nicht nur der nächste technologische Höhepunkt, sondern auch das nächste brisante Feld. Nach Jahrzehnten der Erforschung nähert sich dieses Gebiet immer mehr dem Moment der „Singularität“.

Im Februar dieses Jahres erhielt Medical Microinstruments, ein Spitzenunternehmen für Mikrochirurgieroboter im Ausland, eine riesige Finanzierung in Höhe von 110 Millionen US-Dollar.

Im Inland haben Unternehmen wie Angtech Microelectronics und Dishi Medical bereits ihre Pläne dargelegt und erhalten weiterhin finanzielle Unterstützung, um ihre Fortschritte zu beschleunigen. Dishi Medical beispielsweise nutzt die Augenchirurgie als Einstiegspunkt und hat derzeit bestätigende klinische Studien in China durchgeführt.

Wird also im Bereich der mikrochirurgischen Roboter der nächste Leonardo da Vinci geboren?

/ 01/ Herausforderungen, die „Menschen“ nicht lösen können

Im Bereich der Chirurgie ist die Mikrochirurgie zweifellos die technische Hochburg. Unter der sogenannten Mikrochirurgie versteht man den Einsatz optischer Vergrößerungsgeräte und mikrochirurgischer Geräte zur Durchführung komplexer und präziser Operationen in einem sehr kleinen Bereich.

Bei einer klassischen Mikrochirurgie muss der Arzt mit einem Mikroskop Blutgefäße und Nerven untersuchen und finden, die nur einen Millimeter oder sogar ein paar Zehntel Millimeter groß sind, und dann Nähte im Mikrometerbereich und so dünn wie Spinnenseide verwenden, um sie präzise zu reparieren und alle wichtigen Blutgefäße und Nerven vernähen.

Da das Sichtfeld der Mikrochirurgie in der Regel nur 2-3 cm beträgt, kann sich jedes leichte Händeschütteln des Arztes direkt auf den Erfolg oder Misserfolg der Operation auswirken. Daher erfordert dies eine stabile, genaue, präzise und geschickte Technik des Mikrochirurgen.

Dank der Fortschritte bei Mikroskopen und Instrumenten sind Mikrochirurgen heute in der Lage, Supermikrochirurgie durchzuführen, indem sie Blutgefäße mit Durchmessern zwischen 0,3 und 0,8 Millimetern verbinden.

Aufgrund der einzigartigen Vorteile der Mikrochirurgie wird sie häufig in verschiedenen chirurgischen Fachgebieten eingesetzt, darunter in der Augenheilkunde, der Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, der Neurochirurgie, der plastischen Chirurgie und der Urologie.

Trotz rasanter Fortschritte weist die Mikrochirurgie Einschränkungen auf.

Erstens ist die Wahrscheinlichkeit, einen Fehler zu machen, immer noch hoch. Die Mikrochirurgie erfordert höchste Präzision, erlaubt wenig Spielraum für Fehler und selbst die geringste Erschütterung kann unnötigen Schaden anrichten. Theoretisch müssen wir diese Verletzungen vermeiden, aber aufgrund der Komplexität der Operation gibt es immer noch viele Herausforderungen. Klinisch kommt es zu verschiedenen Komplikationen, deren Anteil nicht gering ist. Daten zeigen, dass bei epiretinalen Membranpeeling-Operationen die Häufigkeit von Komplikationen zwischen 2 und 30 % liegt.

Zweitens kann eine langfristige Operation leicht zu mehr Unsicherheit führen. Abhängig vom Zustand des Patienten kann eine mikrochirurgische Operation einige Stunden bis zu mehr als zehn Stunden oder sogar mehr als dreißig Stunden dauern. Deshalb ist jede Operation eine ultimative Herausforderung für das Können und die Ausdauer des Arztes. Darüber hinaus kann dies zu Ermüdung führen und das Risiko unbeabsichtigter Fehler erhöhen.

Drittens ist es auch die größte Einschränkung für die klinische Praxis. Die Ausbildung von Chirurgen ist schwierig und dauert extrem lange. Denn die Mikrochirurgie erfordert vom Chirurgen hohe chirurgische Fähigkeiten und erfordert eine umfassende Ausbildung, bevor der Chirurg solche Operationen klinisch durchführen kann. Es erfordert einerseits das Talent und die Geduld der Ärzte, andererseits aber auch eine langfristige Ausbildung. Ein Mikrochirurg, der eine Replantation eines abgetrennten Fingers durchführen kann (eine typische Technik der Mikrochirurgie), benötigt im Allgemeinen eine dreijährige Ausbildung, und der gesamte Ausbildungszyklus kann mehr als zehn Jahre dauern.

Daher hat die globale medizinische Gemeinschaft unter verschiedenen Einschränkungen die Anwendung der Robotertechnologie in der Mikrochirurgie erforscht und verschiedene mikrochirurgische Robotersysteme (MSR) entwickelt.

Die Hitze wird immer höher. Die Anzahl der von 2000 bis 2022 jedes Jahr veröffentlichten MSR-bezogenen Artikel wurde durch die Suche nach verschiedenen Schlüsselwörtern in Google Scholar ermittelt. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, ist die Zahl der MSR-bezogenen Studien generell im Aufwärtstrend.

Es gibt verschiedene Hinweise darauf, dass das MSR-System einen großen Einfluss auf den Bereich der Mikrochirurgie haben könnte.

/ 02/ Das kontinuierliche Auftauchen von Changemakern

Aufgrund der tiefgreifenden Schwachstellen konzentrieren sich viele Unternehmen auf der ganzen Welt auf dieses Gebiet, und während des Explorationsprozesses sind viele verschiedene technische Ideen entstanden.

Eines davon ist das Handrobotersystem.

Bei handgehaltenen Robotersystemen wird das chirurgische Werkzeug selbst in ein winziges Robotersystem namens „Roboterwerkzeug“ umgewandelt. Chirurgen manipulieren es, um chirurgische Eingriffe durchzuführen. Roboterwerkzeuge bieten Funktionen wie Zitterunterdrückung, Tiefensperre usw. und werden daher auch als „ruhige Hände“ bezeichnet.

„Micron“ ist ein typisches Beispiel. Sein Kern besteht darin, die eigene Bewegung durch einen Handmanipulator zu erfassen und fehlerhafte Bewegungen, wie z. B. Handzittern, gezielt herauszufiltern. Der Roboter erzeugt dann durch aktive Fehlerkompensation eine stabile Bewegung an der Werkzeugspitze. Der Micron-Roboter ist einfach zu bedienen und mit Armen ausgestattet, die echte mikrochirurgische Instrumente halten, die problemlos in Halterungen passen und mit herkömmlichen Operationsmikroskopen kompatibel sind.

Zweitens das ferngesteuerte Robotersystem.

In einem teleoperierten Robotersystem manipuliert der Chirurg das Master-Modul, um das Slave-Modul zu steuern, das die Hände des Chirurgen zur Handhabung der chirurgischen Werkzeuge ersetzt. Das System integriert Bewegungsskalierung und Zitterfilterung über Servoalgorithmen. Darüber hinaus ermöglicht es eine dreidimensionale Wahrnehmung durch die Integration von taktilen Rückmeldungen oder Tiefenerkennungsalgorithmen am Ende chirurgischer Instrumente.

Ein typisches Beispiel ist das „Preceyes Surgical System“, das aus einem Computer, Eingabebewegungssteuerungen, Instrumentenmanipulatoren und einer am Operationstisch montierten Kopfstütze besteht. Das auf optimale Leistung ausgelegte System verfügt über Parallelogrammgestänge und einstellbare Gegengewichte, die für mechanisches RCM, Stromausfallschutz und minimiertes Gelenkdrehmoment sorgen. PSS nutzt dynamische Skalierung, um grobe Bewegungen in präzise vierachsige Bewegungen der Instrumentenspitze umzuwandeln. Darüber hinaus nutzt es OCT-basierte Distanzgrenzen, um unbeabsichtigte Bewegungen zu verhindern, und integriert Tremorfilter, um iatrogene Netzhauttraumata zu reduzieren. Zu den weiteren Funktionen gehören taktile Rückmeldung, automatischer Instrumentenwechsel, akustische Rückmeldung nahe der Netzhaut und ein verbesserter Rückzugsmechanismus für die sofortige Entfernung der Sonde im Falle eines Unfalls. Diese Funktionen erhöhen die Präzision und Sicherheit und verringern das Risiko einer versehentlichen Gewebeschädigung.

Drittens gemeinsam betriebene Robotersysteme.

In einem komanipulierten Robotersystem manipulieren der Chirurg und der Roboter gleichzeitig die chirurgischen Werkzeuge. Der Chirurg manipuliert die chirurgischen Werkzeuge direkt manuell, um die Bewegung zu steuern, und der Roboter spielt eine unterstützende Rolle, indem er das Zittern der Hand zusätzlich ausgleicht und ermöglicht, dass die chirurgischen Werkzeuge über längere Zeiträume immobilisiert werden.

Ein typisches Beispiel ist der Augenchirurgieroboter DiShi Weifeng von DiShi Medical. In diesem chirurgischen System ist die Meisterhand der Arzt und die Sklavenhand der Roboter, der sich entsprechend der Absicht des Arztes bewegt. Der gesamte Injektionsprozess ist in mehrere Schritte unterteilt. Zuerst steuert der Arzt den Roboter-Gimbal für die extraokulare Positionierung, dann für die intraokulare Positionierung und dann steuert er den Griff, um das Ende schrittweise näher an den Bereich der Netzhautläsion zu bringen. Wenn es notwendig ist, Medikamente in die subretinale Position zu injizieren, bleibt der Roboter bewegungslos und menschliche Hände greifen nicht mehr ein, was etwa 3 Minuten dauert. Nehmen Sie als Beispiel die Injektion von 200 Mikrolitern medizinischer Lösung. Während des Vorgangs muss der Arzt nur die Zeit, die Geschwindigkeit und die Flussrate überwachen und dann das Auge evakuieren immer unter der Aufsicht des Arztes, und die Entscheidungsfindung liegt ebenfalls beim Arzt.

Viertens teilweise automatisierte Robotersysteme.

In einem teilautomatisierten Robotersystem werden bestimmte Abläufe oder Verfahrensschritte automatisch vom Roboter durchgeführt. Der Roboter manipuliert und steuert die Bewegung chirurgischer Werkzeuge direkt. Die verarbeiteten Bildinformationen werden dem Roboter als Feedback und Anleitung zur Verfügung gestellt. Gleichzeitig werden visuelle Informationen an den Chirurgen übermittelt, der jederzeit Übersteuerungsbefehle erteilen kann, um teilautomatisierte Operationen zu überwachen.

Ein typisches Beispiel hierfür ist das System „IRISS“. Basierend auf dem „IRISS“-System bedient der Chirurg den Slave-Manipulator aus der Ferne über ein Paar maßgeschneiderter Master-Controller und erhält visuelle Informationen, indem er intraoperatives visuelles 3D-Feedback über einen Head-up-Monitor beobachtet. Darüber hinaus bietet das System Funktionen zur Tremorfilterung und Bewegungsskalierung, um die Steuerungsleistung und Sicherheit in der Roboterchirurgie zu verbessern. Die Leistung von IRISS wurde an isolierten Schweineaugen überprüft, und Chirurgen haben mit IRISS erfolgreich eine Reihe vitreoretinaler Operationen durchgeführt, darunter Kapsulektomie der Vorderlinse, Vitrektomie, Netzhautvenenkanülierung und andere komplexe Operationen.

Obwohl es viele Akteure gibt, die sich mit der Erkundung befassen, befinden sich die meisten Unternehmen objektiv gesehen noch in der Anfangsphase der Erkundung. Daher muss die Explosion in diesem Feld noch auf das Eintreffen des Singularitätsmoments warten.

/ 03/ Warten auf einen einzigartigen Moment

Bevor sich diese technologischen Innovationen durchsetzen können, müssen eine Reihe komplexer Probleme gelöst werden.

Erstens brauchen wir einen interdisziplinären Ansatz, um Probleme in klinischen und technischen Bereichen effektiv zu lösen. Obwohl die logische Positionierung der Funktion sehr klar ist – präzise Positionierung und Jitter-Verhinderung – muss zunächst die entsprechende Hardware entwickelt werden. Dies ist beispielsweise keine leichte Aufgabe. Einige Roboter erfordern möglicherweise Funktionen, die kein vorhandener Roboterarm derart hohe Präzisionsanforderungen erfüllen kann. Daher müssen wir völlig unabhängig von den Grundlagen ausgehen und entwerfen, einschließlich der Konstruktion des Steuerungssystems und der Gestaltung der gesamten mechanischen Struktur.

Gleichzeitig ist der Prozess des Zusammenbaus dieser hochpräzisen Teile, um den Anforderungen des klinischen Einsatzes gerecht zu werden, recht kompliziert. DiShi Medical erwähnte beispielsweise, dass, wenn das linke Auge operiert werden muss, die Maschine auf der linken Seite platziert wird; wenn das rechte Auge operiert werden muss, wird der Prototyp auf der rechten Seite platziert. Im praktischen Einsatz erschweren mobile Roboter die Situation. Die Herausforderung besteht darin, dass sich der Bewegungshub des Roboters um einen Pupillenabstand vergrößert, obwohl er nur wenige Zentimeter beträgt, die Änderung der mechanischen Struktur jedoch zu einer Gewichtsänderung führt und sich auch die entsprechende Belastung des Motors ändert ... Viele Schlüsselkomponenten und Mechanik Strukturen müssen neu gestaltet werden.

Zweitens muss das Design des Roboters den Einsatzbedingungen des Arztes entsprechen. Roboter existieren nicht isoliert voneinander. Ein tiefes Verständnis der Bedürfnisse und Schwachstellen von Ärzten ist ein zentrales Know-how. Daher müssen Unternehmen während des gesamten Entwicklungsprozesses eng mit Chirurgen zusammenarbeiten, um eine effektive Interaktion zu gewährleisten. Gleichzeitig müssen sie jedoch auch eliminiert werden relevante Standards für Medizinprodukte und die Fähigkeit zur kontinuierlichen Iteration.

Selbst wenn die Produktentwicklung erfolgreich ist, wird die spätere Kommerzialisierung viele Probleme mit sich bringen, beispielsweise die Ausbildung von Ärzten. Grundsätzlich können Roboter die Ausbildung zum Arzt verkürzen, beispielsweise von 10 auf 5 Jahre. Es gibt jedoch noch viel zu tun, um das Vertrauen von Ärzten und Patienten zu gewinnen.

Insgesamt ist die Produktleistung mit „1“ bewertet, während Themen wie die Ärzteausbildung mit „0“ bewertet wurden. Derzeit besteht die Kernaufgabe von Mikrochirurgierobotern darin, das „1“-Problem zu lösen, und nur dann können sie qualifiziert werden, über die Anhäufung mehrerer „0“ zu sprechen.