Kopf-OP: Roboter-Wurm fräst sich um Ecken

Diagnose Innenohrtumor – an einer Operation führt kein Weg vorbei. Das Innenohr ist jedoch nicht gut zugänglich: Es wird von einem Hirnschädelknochen namens Mastoid verdeckt, auch Felsenbein genannt. Zudem durchziehen viele Blutgefäße und Nerven das umliegende Gewebe. Die Ärzte fräsen daher so viel vom Mastoid-Knochen heraus, bis sie jede dieser sensiblen Strukturen aufgespürt haben. Nur so können sie sicherstellen, sie nicht zu schädigen. Meist heißt das allerdings: Die Mediziner müssen den gesamten Knochen entfernen. Das entstandene Loch füllen sie nach der Operation mit Fettgewebe aus dem Bauch.

Operieren durch einen fünf Millimeter breiten Tunnel

Künftig soll diese Operation schonender erfolgen: Dann reicht ein kleines Loch von fünf Millimetern Durchmesser, um den Tumor aus dem Innenohr herauszuschneiden. Möglich macht es der NiLiBoRo, kurz für Nicht-Linearer Bohr-Roboter, den Forscher der Mannheimer Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA entwickeln, gemeinsam mit ihren Kollegen der Technischen Universität Darmstadt, der Universität Aachen und des Universitätsklinikums Düsseldorf.

Zwar gibt es bereits Bohrer, die einen Tunnel in einen Knochen fräsen können – allerdings bahnen sie sich ihren Weg nur schnurgerade in den Knochen hinein. »NiLiBoRo kann erstmals auch um Ecken bohren«, sagt Lennart Karstensen, Wissenschaftler der Projektgruppe. Diese Eigenschaft ist es, die minimalinvasive Operationen von Innenohrtumoren erst ermöglicht.

Denn würde der Tunnel gerade verlaufen, käme er hier und da den Nerven bedenklich nahe. Um sie nicht zu verletzen, dürfte der Durchmesser des Tunnels nicht mehr als ein bis zwei Millimeter betragen. Durch so ein kleines Loch kann man jedoch nicht operieren. NiLiBoRo dagegen ist in der Lage, einen Bogen um empfindliche Stellen zu machen, der Tunnel kann daher fünf Millimeter breit sein. Breit genug also, um die Operation durchzuführen.

Hydraulische Leitungen lassen den Roboter-Wurm vorwärts kriechen

Doch wie schafft der »Wurm« es, sich auf Kurven und um Ecken herum durch den Mastoid-Knochen zu fräsen? »Der Wurm besteht aus einem ›Kopf‹ und einem ›Schwanz‹«, erläutert Karstensen. »Diese beiden Teile sind über einen Faltenbalg flexibel miteinander verbunden.« Der Aufbau erinnert an einen überlangen Linienbus, bei dem der vordere und der hintere Teil durch eine schlauchartige Konstruktion gekoppelt ist, die einer Ziehharmonika ähnelt.

Auf seinem Weg durch den Knochen ist der Roboter über acht bis zwölf hydraulische Leitungen mit der »Außenwelt«, also den Steuerungsgeräten und Pumpen im Operationssaal, verbunden. Diese Leitungen lassen ihn in die richtige Richtung kriechen: Zunächst pumpen sie Hydraulikflüssigkeit in drei Kissen, die sich am hinteren Teil befinden. Die Kissen füllen den Raum zwischen Wurm und Knochen und fixieren den hinteren Mini-Roboter-Teil somit an Ort und Stelle.

Nun strömt die Flüssigkeit in den Balg: Die »Ziehharmonika« entfaltet sich und drückt den Kopf nach vorne. Der Wurm streckt sich quasi und bewegt seinen vorderen Teil dabei weiter in den Knochen hinein. Der Bohrer, der am Kopf befestigt ist, fräst den Weg frei. Jetzt wird der hintere Teil nachgezogen, ähnlich wie bei einem lebendigen Wurm:

Dazu werden die Kissen am vorderen Teil aufgepumpt und halten diesen fest, während die Hydraulikflüssigkeit aus den hinteren Kissen entweicht. Die Leitungen saugen nun auch die Flüssigkeit aus dem Balg. Er zieht sich zusammen und schleppt den hinteren Teil hinter sich her. Stück für Stück arbeitet sich NiLiBoRo auf diese Weise vorwärts. »Die Richtung, in die der Roboter sich bewegen soll, können wir über die Kissen am vorderen Teil einstellen. Soll er zum Beispiel nach links abbiegen, füllen wir das linke Kissen weniger straff als die anderen, der Roboter kippt daraufhin zur linken Seite«, sagt Karstensen.

Im Labor und später im Operationssaal wird der Weg, den NiLiBoRo sich bahnt, haargenau überwacht: Über ein elektromagnetisches Trackingsystem, kurz EMT, das die Kollegen an der Technischen Universität Darmstadt entwickeln. Zudem nimmt ein Computertomograph sporadisch Bilder auf und überprüft die Position.

Einen ersten Prototyp von NiLiBoRo haben die Forscher bereits gebaut. Momentan ist er noch fünfmal größer als die geplante Endversion. Er besteht vorerst nur aus dem vorderen Teil samt Balg, dem Herzstück also. Stück für Stück wollen die Wissenschaftler den Prototyp nun optimieren und erweitern. Steht die komplette Technik, soll NiLiBoRo auf seine endgültige Größe schrumpfen. In zwei Jahren, so hoffen die Forscher, könnten die Ärzte den Miniroboter erstmals testen.

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