Pictures of the Future Herbst 2001
OP der Zukunft – Im Jahr 2015
Eingriffe von Roboterhand
Im Operationssaal der Zukunft
Was heute noch als operativer Eingriff gilt, erscheint künftig vielleicht so "primitiv" wie Knochensägen der Steinzeit. Im Jahr 2015, so die Vision, werden Chirurgen von Cockpit-ähnlichen Steuerzentralen aus Roboterinstrumente millimetergenau durch den Körper navigieren. Bildgebende Verfahren werden die Patienten nahezu transparent erscheinen lassen.
Die Vergrößerung (rechts) zeigt, was Chirurgen der Zukunft im "Magnoviewer" sehen – und am Steuerpult fühlen – werden. Großes Bild: Echtzeitaufnahme des Operationsgebiets mit den Instrumenten des Mikroroboters. Kleiner Kasten links oben: Navigationskarte der Lungen mit der Position des Microbot. Darunter: Aktuelle Gewebeanalyse und Diagnoseunterstützung durch den Computer. Rechts oben: am Vortag durchgeführte Simulation der Operation; darunter: Bildgebende Verfahren zur Einblendung
UCLA Medical Center, 18. Oktober 2015. Die Chirurgin Janis J. Wan schrieb heute an der University of California in Los Angeles Medizingeschichte, als sie mit einem Zellularverfahren die letzten Spuren eines Krebsgeschwürs aus den Lungen eines 47-jährigen Zimmermanns und vierfachen Vaters entfernte. Der Patient Vincent C. Kowalski hatte vorher weder an einem Gesundheitsprogramm teilgenommen noch einen Krebstest machen lassen. Zum ersten Mal wurden für eine Operation ferngesteuerte "Microbots" eingesetzt: millimetergroße, frei bewegliche, aber an einem dünnen Kabel hängende, Roboter. Dr. Wan kombinierte die Microbot-Technologie mit einer neuen Markersubstanz, die Krebszellen für Infrarotsensoren sichtbar macht. "Herr Kowalski hat großes Glück gehabt", so Wan bei der Internet-Pressekonferenz nach dem dreistündigen Eingriff. "Präoperative Tests haben gezeigt, dass sich das Krebsgeschwür nicht über seine Lungen hinaus ausgebreitet hatte. In einem fortgeschrittenen Stadium ist das sehr ungewöhnlich. So wie es jetzt aussieht, hat er sehr gute Chancen auf Heilung."
UCLA Medical Center, 18. Oktober 2015. Die Chirurgin Janis J. Wan schrieb heute an der University of California in Los Angeles Medizingeschichte, als sie mit einem Zellularverfahren die letzten Spuren eines Krebsgeschwürs aus den Lungen eines 47-jährigen Zimmermanns und vierfachen Vaters entfernte. Der Patient Vincent C. Kowalski hatte vorher weder an einem Gesundheitsprogramm teilgenommen noch einen Krebstest machen lassen. Zum ersten Mal wurden für eine Operation ferngesteuerte "Microbots" eingesetzt: millimetergroße, frei bewegliche, aber an einem dünnen Kabel hängende, Roboter. Dr. Wan kombinierte die Microbot-Technologie mit einer neuen Markersubstanz, die Krebszellen für Infrarotsensoren sichtbar macht. "Herr Kowalski hat großes Glück gehabt", so Wan bei der Internet-Pressekonferenz nach dem dreistündigen Eingriff. "Präoperative Tests haben gezeigt, dass sich das Krebsgeschwür nicht über seine Lungen hinaus ausgebreitet hatte. In einem fortgeschrittenen Stadium ist das sehr ungewöhnlich. So wie es jetzt aussieht, hat er sehr gute Chancen auf Heilung."
Noch vor kurzem – um die Jahrtausendwende – starben allein in Nordamerika über 150 000 Menschen pro Jahr an Lungenkrebs. Heutzutage verzeichnen wir dank kostengünstiger präziser Tests sowie den damit verbundenen Theranostik-Maßnahmen nicht einmal 4000 Fälle pro Jahr. Dr. Wan erklärt, dass Vincent Kowalski mit Verdacht auf chronische Bronchitis eingeliefert wurde. Nach einem vom Krankenhaus routinemäßig durchgeführten Enzymtest lautete die Diagnose: Krebs. Dem Patienten wurde ein vor kurzem zugelassenes Kontrastmittel injiziert, das keine Giftstoffe enthält. Kommt das Mittel mit Enzymen von Krebszellen in Kontakt, strahlt es im Infraroten auf einer spezifischen Wellenlänge. Ein Scanner lokalisiert dann alle leuchtenden Punkte auf Millimeter genau.
Bei Kowalski wurden Computertomographie-Aufnahmen (CT) der fünf Lungenbereiche gemacht, in denen Krebszellen entdeckt worden waren. Mit diesen Daten konnten die Ärzte sehr detaillierte dreidimensionale Bilder der betroffenen Bereiche erstellen. Damit wurde die Operation im Vorfeld präzise simuliert, einschließlich der "Wegbeschreibung" für die Microbots.
"Die Krebszellen hatten sich auf die Innen- und Außenwände der Bronchien ausgeweitet, also auf die Hauptluftwege", erläutert Dr. Wan. "Früher wäre es eine echte Herausforderung gewesen, herauszufinden, wie wir diese Stellen mit unseren endoskopischen Instrumenten am besten erreichen. Hier war unser KnowlegeMan-Expertensystem eine große Hilfe: Es überprüfte alle in Frage kommenden Routen und machte uns schon nach wenigen Sekunden mehrere, in jeder Hinsicht ideale Vorschläge."
Um 1030 Uhr heute morgen wurde mit der Operation begonnen. Zunächst verabreichte man dem Patienten ein schwaches Betäubungsmittel, und dann ließ Dr. Wan die Microbots durch seine Luftröhre hindurch an die vorher festgelegte "Startposition" gleiten. Ein Steuerpult neben dem OP diente der Chirurgin als "Arbeitsplatz". Ihre Stirn ruhte auf einem "Magnoviewer", der ihr einen vergrößerten Panoramablick von der Spitze des ersten Microbots verschaffte. "Mit einem Magnoviewer blickt man auf einen winzigen, nur 1 mm breiten Bereich und hat trotzdem das Gefühl, sich in einer riesigen Höhle zu befinden", schwärmt die Ärztin. "Die Microbots verfügen über Lichtstrahler, mit denen ich jedes Detail erkennen kann. Wir nennen das Immersions-Chirurgie."
Zusätzlich kann der operierende Arzt am Magnoviewer per Spracheingabe die Simulation vom Vortag ablaufen lassen, sich den aktuellen Standort der Microbots in den Lungen auf einer Navigationskarte zeigen lassen oder sich Ultraschall-, CT- oder Kernspintomographie-Aufnahmen ansehen. Und er hat sogar die Möglichkeit, über den Microbot Gewebeproben zu nehmen oder Aufnahmen mit Hilfe der KnowlegeMan-Datenbank extrem schnell analysieren zu lassen.
Als Dr. Wan die Sensoren auf den Joysticks des Magnoviewers mit ihren Fingerspitzen berührte, erkannte das System sie sofort, und die Operation konnte beginnen. Die fünf Microbots – einer pro Tumor – navigierten zu ihren Zielorten. Dabei nutzten sie die detaillierten Bildinformationen aus der Simulation und verglichen sie mit den hochaufgelösten Echtzeit-Bildern ihrer Kameras. Zur Visualisierung der Tumoren auf den Außenwänden der Bronchien dienten eingebaute Ultraschallwandler. "Die Microbots kennen ihren Weg genau", sagt Wan. "Trotzdem lasse ich sie vorsichtshalber nicht zur gleichen Zeit starten. Dadurch habe ich bessere Eingriffsmöglichkeiten, wenn etwas schief gehen sollte."
Als die Microbots die Tumoren erreichten, wurde Vincent Kowalski eine frische Injektion der Markersubstanz verabreicht. Wenig später hatten die Krebszellen die Substanz absorbiert und strahlten erneut im infraroten Licht. Um sie sichtbar zu machen, nutzte Janis Wan ein Verfahren namens Augmented Reality (Erweiterte Realität), das die Darstellung ansonsten unsichtbarer Bildinformationen und die Überlagerung von computererzeugten Daten mit Realbildern ermöglicht.
"Dann beginnt der Teil der Operation, der absolute Konzentration erfordert", erklärt die Chirurgin. "Ich ziehe ein Paar haptische Handschuhe an, die wie ganz normale Operationshandschuhe aussehen. Wenn sie aber mit den Steuerstiften für die Microbot-Instrumente in Berührung kommen, geben sie mir das richtige Gefühl dafür, wie viel Druck ich beim Entfernen der Krebszellen ausüben muss."
Janis Wan steuerte jeden Microbot in Richtung Tumor und schnitt die markierten Zellen heraus. "Wesentlich dabei ist", sagt sie, "dass keine streunenden Krebszellen durch die Alveolen in den Blutkreislauf gelangen." Zum einen verhindert dies eine Automatik, die die Bewegungsabläufe beim Schneiden auf die Momente zwischen Ein- und Ausatmen beschränkt. Zum anderen gibt es eine Saugvorrichtung für Krebszellen, die jedesmal genau in den Blutstrom positioniert wird.
Dr. Wan ist überzeugt, dass die UCLA-Ärzte mit dieser Operation "zweifellos einen Meilenstein gesetzt haben". Und schon arbeiten Wan und andere Mediziner weltweit an der nächsten Microbot-Generation, mit der sie submikrometergroße Reparatursysteme für Zellen realisieren wollen. "Wir hoffen", sagt Wan, "dass wir in einigen Jahren Krebszellen so umprogrammieren können, dass sie sich selbst zerstören."
Arthur F. Pease