Neue Forschungsergebnisse könnten erhebliche Auswirkungen auf die minimalinvasive, robotergestützte Gehirnchirurgie haben
Die frühe Forschung testete die Einführung und Sicherheit des neuen implantierbaren Katheterdesigns bei zwei Schafen, um sein Potenzial für den Einsatz bei der Diagnose und Behandlung von Krankheiten im Gehirn zu ermitteln.
Wenn sich die Plattform als wirksam und sicher für den Einsatz am Menschen erweist, könnte sie die Diagnose und Behandlung von Krankheiten in den tiefen, empfindlichen Bereichen des Gehirns vereinfachen und die mit der Diagnose und Behandlung verbundenen Risiken verringern.
Es könnte Chirurgen helfen, tiefer in das Gehirn zu blicken, um Krankheiten zu diagnostizieren, Behandlungen wie Medikamente und Laserablation präziser auf Tumore anzuwenden und Elektroden für die Tiefenhirnstimulation bei Erkrankungen wie Parkinson und Epilepsie besser einzusetzen.
Der leitende Autor Professor Ferdinando Rodriguez y Baena von der Imperial-Abteilung für Maschinenbau leitete die europäischen Bemühungen und sagte: „Das Gehirn ist ein fragiles, komplexes Netz dicht gepackter Nervenzellen, von denen jede ihre Rolle spielt.“ Wenn eine Krankheit auftritt, möchten wir in der Lage sein, in dieser empfindlichen Umgebung zu navigieren und genau auf diese Bereiche abzuzielen, ohne gesunde Zellen zu schädigen.
„Unsere neue präzise, minimalinvasive Plattform verbessert die derzeit verfügbare Technologie und könnte unsere Fähigkeit verbessern, Krankheiten bei Menschen sicher und effektiv zu diagnostizieren und zu behandeln, wenn sie sich als sicher und wirksam erweist.“
Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Projekts Enhanced Delivery Ecosystem for Neurosurgery in 2020 (EDEN2020) entwickelt und in PLOS ONE veröffentlicht.
Stealth-Operation
Die Plattform stellt eine Verbesserung der bestehenden minimalinvasiven oder „Schlüsselloch“-Chirurgie dar, bei der Chirurgen winzige Kameras und Katheter durch kleine Einschnitte im Körper einsetzen.
Es umfasst einen weichen, flexiblen Katheter, um eine Schädigung des Gehirngewebes während der Behandlung zu vermeiden, und einen mit künstlicher Intelligenz (KI) ausgestatteten Roboterarm, der Chirurgen dabei hilft, den Katheter durch das Gehirngewebe zu navigieren.
Inspiriert von den Organen, die Schlupfwespen nutzen, um heimlich Eier in Baumrinde zu legen, besteht der Katheter aus vier ineinandergreifenden Segmenten, die übereinander gleiten, um eine flexible Navigation zu ermöglichen.
Es ist mit einer Roboterplattform verbunden, die menschliche Eingaben und maschinelles Lernen kombiniert, um den Katheter sorgfältig an die Krankheitsstelle zu steuern. Anschließend führen Chirurgen optische Fasern über den Katheter ein, sodass sie die Spitze per Joystick-Steuerung sehen und entlang des Gehirngewebes navigieren können.
Die KI-Plattform lernt aus den Eingaben und Kontaktkräften des Chirurgen im Gehirngewebe, um den Katheter punktgenau zu führen.
Im Vergleich zu herkömmlichen „offenen“ Operationstechniken könnte der neue Ansatz letztendlich dazu beitragen, Gewebeschäden während der Operation zu reduzieren und die Genesungszeiten des Patienten sowie die Länge der postoperativen Krankenhausaufenthalte zu verkürzen.
Bei der Durchführung minimalinvasiver Operationen am Gehirn verwenden Chirurgen tief eindringende Katheter, um Krankheiten zu diagnostizieren und zu behandeln. Derzeit verwendete Katheter sind jedoch starr und lassen sich ohne die Hilfe robotischer Navigationswerkzeuge nur schwer präzise platzieren. Aufgrund der Inflexibilität der Katheter in Kombination mit der komplizierten, empfindlichen Struktur des Gehirns kann es schwierig sein, Katheter präzise zu platzieren, was bei dieser Art von Operation Risiken mit sich bringt.
Um ihre Plattform zu testen, setzten die Forscher den Katheter im Gehirn zweier lebender Schafe auf dem Veterinärmedizinischen Campus der Universität Mailand ein. Den Schafen wurde eine Schmerzlinderung verabreicht und sie wurden eine Woche lang 24 Stunden am Tag auf Anzeichen von Schmerzen oder Leiden überwacht, bevor sie eingeschläfert wurden, damit die Forscher die strukturellen Auswirkungen des Katheters auf das Gehirngewebe untersuchen konnten.
Sie fanden keine Anzeichen von Leiden, Gewebeschäden oder Infektionen nach der Katheterimplantation.
Unsere Analyse ergab, dass wir diese neuen Katheter sicher implantiert haben, ohne Schäden, Infektionen oder Leiden. Wenn wir beim Menschen ebenso vielversprechende Ergebnisse erzielen, hoffen wir, dass wir diese Plattform innerhalb von vier Jahren in der Klinik sehen können.
Unsere Ergebnisse könnten erhebliche Auswirkungen auf minimalinvasive, robotergestützte Gehirnoperationen haben. Wir hoffen, dass es dazu beitragen wird, die Sicherheit und Wirksamkeit aktueller neurochirurgischer Verfahren zu verbessern, bei denen ein präziser Einsatz von Behandlungs- und Diagnosesystemen erforderlich ist, beispielsweise im Zusammenhang mit der lokalisierten Gentherapie.“
Dr. Riccardo Secoli, Hauptautor, Abteilung für Maschinenbau von Imperial
Professor Lorenzo Bello, Co-Autor der Studie von der Universität Mailand, sagte: „Eine der wichtigsten Einschränkungen des aktuellen MIS besteht darin, dass man gezwungen ist, durch ein Bohrloch im Schädel zu einer tief liegenden Stelle zu gelangen.“ eine geradlinige Flugbahn. Die Einschränkung des starren Katheters liegt in seiner Genauigkeit innerhalb der sich bewegenden Gewebe des Gehirns und in der Gewebeverformung, die er verursachen kann. Wir haben jetzt herausgefunden, dass unser steuerbarer Katheter die meisten dieser Einschränkungen überwinden kann.“
Diese Studie wurde durch das EU-Programm Horizon 2020 finanziert.
Quelle:
Referenz:
Secoli, R., et al. (2022) Modulare Roboterplattform für Präzisionsneurochirurgie mit einer bioinspirierten Nadel: Systemübersicht und erster In-vivo-Einsatz. PLUS EINS. doi.org/10.1371/journal.pone.0275686.
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