Neue weiche Robotersonde ermöglicht die kontinuierliche Überwachung der Vitalfunktionen des Fötus

Forscher der Northwestern University haben das erste Gerät entwickelt, das die Vitalfunktionen eines Fötus bereits in der Gebärmutter kontinuierlich verfolgen kann – eine Leistung, die bisher nicht möglich war.

Die weiche, flexible Robotersonde könnte die Sicherheit bei fetalen Operationen, bei denen Ärzte einen Fötus vor der Geburt operieren, erheblich verbessern. Derzeit verlassen sich Ärzte hauptsächlich auf intermittierende Messungen der fetalen Herzfrequenz mithilfe von Ultraschallbildern von außerhalb des Körpers der schwangeren Person. Das neue Gerät hingegen kann sanft durch denselben schmalen Port eingeführt werden, der bereits bei fetalen Operationen verwendet wird.

Sobald das Gerät in der Gebärmutter angekommen ist, hält es einen stabilen, sanften Kontakt mit dem Fötus aufrecht, um Herzfrequenz, Herzfrequenzvariabilität, Blutsauerstoffgehalt und Temperatur zuverlässig zu verfolgen. In Studien an einem großen Tiermodell lieferte die Sonde genaue, präzise Messungen auf klinischem Niveau, selbst wenn sich die Gebärmutter und der Fötus während der Operation bewegten. Durch die gleichzeitige Verfolgung mehrerer Vitalfunktionen erhalten Chirurgen ein vollständigeres und früheres Bild der fetalen Belastung und können so schneller eingreifen, falls Komplikationen auftreten.

Die Studie wird am Montag (26. Januar) in der Zeitschrift Nature Biomedical Engineering veröffentlicht. Es handelt sich um die kleinste bisher entwickelte Plattform, die in der Lage ist, Vitalfunktionen genau zu messen.

John A. Rogers, Pionier der Bioelektronik im Nordwesten, leitete die Geräteentwicklung in Zusammenarbeit mit Dr. Aimen Shaaban, einem Fötalchirurgen am Ann & Robert H. Lurie Children’s Hospital in Chicago. Die Arbeit baut auf Rogers‘ wachsendem Angebot an weichen, flexiblen Geräten auf, die zur Überwachung der Gesundheit kleiner, gefährdeter Patienten, einschließlich Frühgeborener, auf der Neugeborenen-Intensivstation (NICU) entwickelt wurden.

„Zuerst wandte sich Dr. Shaaban an unser Labor und fragte, ob wir unsere Systeme zur Überwachung der Vitalfunktionen für Frühgeborene anpassen und sie während der Operation auf Föten anwenden könnten“, sagte Rogers. „Derzeit haben Ärzte nur einen teilweisen Überblick darüber, wie es einem Fötus während der Operation geht. Wir standen vor der Herausforderung, eine Technologie zur Überwachung der Vitalfunktionen während des gesamten chirurgischen Prozesses zu entwickeln, ohne einen invasiven Zugangspunkt zu schaffen oder empfindliches Gewebe zu stören. Unsere flexible haarähnliche Sonde dringt in eine Öffnung ein, die bereits bei minimalinvasiven fetalen Eingriffen verwendet wird, und ermöglicht eine kontinuierliche, umfassende Überwachung ohne zusätzliche Risiken.“

„Die Durchführung einer fetalen Operation mit diesem Sensor bringt wirklich Licht in einen Bereich, der so lange im Dunkeln lag“, sagte Shaaban. „Wenn wir ein Baby nach der Geburt operieren, überwachen wir eine Vielzahl von Parametern, darunter Blutdruck, Sauerstoff- und Kohlendioxidspiegel, Herzfrequenz und Atmung. Aber bei einem Fötus, der empfindlicher ist als ein Baby, sind wir sehr eingeschränkt Der Fötus hat sich seit 40 Jahren nicht verändert. Wir hoffen, dass diese Sonde eine kontinuierliche Multiparameter-Überwachung des Fötus ermöglicht, um das Wohlbefinden des Fötus während des gesamten Eingriffs sicherzustellen und jegliche Instabilität zu vermeiden.

Rogers ist Louis-Simpson- und Kimberly-Querrey-Professor für Materialwissenschaften und -technik, biomedizinische Technik und neurologische Chirurgie an der Northwestern University, wo er an der McCormick School of Engineering und der Feinberg School of Medicine der Northwestern University tätig ist. Er leitet außerdem das Querrey Simpson Institute for Bioelectronics und das Querrey Simpson Institute for Translational Engineering for Advanced Medical Systems. Shaaban ist Kinder- und Fetalchirurg am Lurie Children’s, Professor für Chirurgie und Pädiatrie am Feinberg und Direktor des Chicago Institute for Fetal Health. Rogers und Shaaban leiteten die Studie gemeinsam mit Yonggang Huang, dem Jan- und Marcia-Achenbach-Professor für Maschinenbau an der McCormick University, und Hedan Bai, einem ehemaligen Postdoktoranden aus Rogers‘ Labor und derzeitigen Assistenzprofessor für Materialien an der ETH Zürich.

Die fetale Chirurgie entwickelt sich weiter, während die Überwachung hinterherhinkt

In seltenen, komplexen Fällen führen Chirurgen fetale Operationen durch, um lebensverändernde oder manchmal lebensbedrohliche angeborene Erkrankungen vor der Geburt zu korrigieren. Eine dieser Erkrankungen ist Spina bifida, von der in den USA jedes Jahr Tausende von Babys betroffen sind. Ärzte können auch fetale Operationen durchführen, um schwere Zwerchfellhernien, Harnwegsobstruktionen, fetale Tumoren oder das Twin-to-Twin-Transfusionssyndrom zu behandeln, eine schwere Komplikation, bei der das Blut ungleichmäßig von einem Zwilling zum anderen fließt. Chirurgen führen diese Eingriffe bereits in der 15. Schwangerschaftswoche durch.

Spina bifida ist eine Öffnung in der Wirbelsäule, die das Rückenmark und die Nerven freilegt. Dieser Geburtsfehler führt zu vielen neurologischen Komplikationen, einschließlich Beinlähmung und Hydrozephalus. Eine fetale Operation kann diese Komplikationen reduzieren oder sogar verhindern und die Lebensqualität verbessern.“

Dr. Aimen Shaaban, Fötalchirurg, Ann & Robert H. Lurie Children’s Hospital of Chicago

Im letzten Jahrzehnt sind Chirurgen zunehmend von der offenen fetalen Chirurgie – die einen großen Einschnitt in die Gebärmutter erfordert – zu minimalinvasiven fetoskopischen Verfahren übergegangen, bei denen winzige Instrumente durch enge chirurgische Öffnungen eingeführt werden. Diese weniger invasiven Ansätze verringern zwar die Risiken für die schwangere Patientin, erschweren jedoch auch die Überwachung des Fötus.

Fortschrittliche Technik in einem hauchdünnen Gerät

Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat das Northwestern-Team eine schlanke, fadenartige Sonde aus weichen, flexiblen Materialien entwickelt, die sicher und sanft in der Gebärmutter eingesetzt werden kann. Mit einer Breite, die nur dem Dreifachen des Durchmessers eines einzelnen Haares entspricht, ist die Sonde schlank genug, um durch einen Standardschlauch zu passen, der bereits bei fetoskopischen Eingriffen verwendet wird, ohne dass zusätzliche Einschnitte erforderlich sind.

Sobald sie sich in der Gebärmutter befindet, ermöglichen weiche Roboteraktuatoren dem Chirurgen, die Sonde präzise zu führen und zu positionieren. Um sicherzustellen, dass die Sonde an Ort und Stelle bleibt, entwarf Rogers‘ Team ein winziges, aufblasbares, ballonartiges Kissen. Das eingebaute Kissen dehnt sich sanft aus, um die Sonde in stabilem Kontakt mit dem Fötus zu halten.

Um die Form, Bewegung und Kontaktkräfte der Sonde zu optimieren, arbeiteten Huang und sein ehemaliger Gastdoktorand. Der Student Xiuyuan Li verwendete Computermodelle, um das mechanische Design des Geräts zu steuern.

„Das Gerät muss sanft auf das Gewebe drücken, um die für die Messung von Vitalfunktionen erforderliche Verbindung herzustellen“, sagte Rogers. „Miniaturisierte Ballons, die in die Sonde integriert sind, ermöglichen diese Kopplung auf sanfte, minimalinvasive Weise. Unsere Designs verwenden auch einen ähnlichen Mechanismus, um das Filament zu biegen oder zu drehen, sodass Chirurgen es robotergesteuert an einer gewünschten Stelle positionieren können.“

Das Team integrierte mehrere Miniatursensoren in die Sonde, um gleichzeitig die fetale Herzfrequenz, die Blutsauerstoffsättigung und die Temperatur zu messen. Das Gerät überträgt Daten drahtlos an einen Monitor außerhalb des Körpers und gibt Chirurgen während des gesamten Eingriffs Echtzeit-Feedback.

Sicherheit in Echtzeit

Durch die kontinuierliche, multimodale Überwachung könnte das neue Gerät Chirurgen helfen, früher einzugreifen oder einen Eingriff zu unterbrechen, wenn ein Fötus Anzeichen von Stress zeigt. Es könnte auch dazu beitragen, Eltern und Betreuern bei angstauslösenden Operationen mehr Sicherheit und Seelenfrieden zu geben.

„Wenn eine schwangere Mutter eine fetale Operation benötigt, vertraut sie ihren Ärzten sehr, um sicherzustellen, dass die Operation sicher ist“, sagte Shaaban. „Wenn wir ihr mehr Vertrauen geben könnten, dass es ihrem Baby gut gehen wird, wäre das für alle besser. Alles, was wir tun können, um Operationen sicherer für die Mutter und sicherer für das Baby zu machen, ist ein großer Gewinn.“

Die Studie „Eine filamentartige weiche Robotersonde zur multimodalen Überwachung der fetalen Gesundheit in der Gebärmutter“ wurde vom Querrey-Simpson Institute for Bioelectronics und der Ann & Robert H. Lurie Children’s Hospital Foundation unterstützt. Die Co-Erstautoren des Artikels sind Jianlin Zhou, Mingzheng Wu und Haohui Zhang, alle Postdoktoranden im Rogers-Labor; Dr. Steven Papastefan, Postdoktorand im Shaaban-Labor und Assistenzarzt für Chirurgie an der Northwestern Medicine; und Xiuyuan Li, ein ehemaliger Doktorand in Huangs Labor.

Quellen: