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Forscher zeigen, dass Operationsroboter Aufgaben per Video lernen können

Stand: 12.01.2025, 06:19 Uhr

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Bei Operationen stehen heute schon manchmal Roboter mit am OP-Tisch. Eine neue Studie zeigt nun, dass Operationsroboter von Videos lernen können.

Sie erhalten keine Obstkuchen oder Weihnachtskarten von dankbaren Patienten, aber seit Jahrzehnten helfen Roboter Ärzten bei Gallenblasenentfernungen, Hysterektomien, Hernienreparaturen, Prostataoperationen und vielem mehr. Während die Patienten bewusstlos auf dem Operationstisch liegen, arbeiten Roboterarme und Greifer in bestimmten Phasen dieser Verfahren an ihren Körpern – alles gesteuert von Ärzten, die joystickähnliche Steuerungen verwenden, ein Verfahren, das das Zittern der menschlichen Hand minimiert.

Ein Forscherteam der Johns Hopkins University und der Stanford University hat nun einen bedeutenden Fortschritt gemeldet: Sie haben Roboter mit Videos trainiert, um chirurgische Aufgaben mit der Geschicklichkeit menschlicher Ärzte auszuführen.

Die Roboter lernten, selbstständig Nadeln zu handhaben, Knoten zu binden und Wunden zu nähen. Darüber hinaus gingen die trainierten Roboter über die reine Nachahmung hinaus und korrigierten ihre eigenen Fehler, ohne dass es ihnen gesagt wurde – zum Beispiel, indem sie eine heruntergefallene Nadel aufhoben. Die Wissenschaftler haben bereits mit der nächsten Phase der Arbeit begonnen: der Kombination all dieser verschiedenen Fähigkeiten in vollständigen Operationen, die an Tierkadavern durchgeführt werden.

Autonome Roboter könnten den Chirurgen-Mangel beheben

Eine neue Generation autonomerer Roboter könnte dazu beitragen, den gravierenden Mangel an Chirurgen in den Vereinigten Staaten zu beheben, so die Forscher. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich auf der Konferenz Conference on Robot Learning in München vorgestellt und kommen fast vier Jahrzehnte, nachdem PUMA 560 1985 als erster Roboter bei einer Gehirnbiopsie assistiert hatte.

Die neue Arbeit wird derzeit für die Veröffentlichung in einer Fachzeitschrift geprüft. Und die nächste Generation von Operationsrobotern muss ihre Sicherheit und Wirksamkeit in klinischen Studien unter Beweis stellen und von der Food and Drug Administration zugelassen werden, bevor sie in Krankenhäusern zum Einsatz kommen können.

Während einige Studien gezeigt haben, dass robotergestützte Operationen für das gesamte Gesundheitssystem teurer sein können, ohne dass sie wesentlich besser sind als herkömmliche Operationen, kam ein Artikel aus dem Jahr 2023 im AMA Journal of Ethics zu dem Schluss, dass Chirurgen mit der Zeit immer mehr Erfahrung im Umgang mit den Robotern sammeln, was zu Verbesserungen führt.

Alternde Bevölkerung und stagnierende Zahl an Medizinstudenten in den UA

Dennoch preisen Wissenschaftler und Ärzte bereits die Zuverlässigkeit, das Können und die zunehmende Autonomie von Operationsrobotern als wichtigen Schritt zur Bewältigung einer potenziellen Krise an. Die Kombination aus einer alternden Bevölkerung, die mehr Operationen benötigt, und einer stagnierenden Zahl an Medizinstudenten, die die Vereinigten Staaten auf einen Mangel von 10.000 bis 20.000 Chirurgen bis 2036 zusteuern lässt, so ein Bericht der American Association of Medical Colleges in diesem Jahr.

„Bei unserer Arbeit versuchen wir nicht, den Chirurgen zu ersetzen. Wir wollen es dem Chirurgen nur einfacher machen“, sagte Axel Krieger, außerordentlicher Professor an der Johns Hopkins Whiting School of Engineering, der die Forschung beaufsichtigte. „Stellen Sie sich vor, wollen Sie einen müden Chirurgen, bei dem Sie der letzte Patient des Tages sind und der Chirurg völlig erschöpft ist? Oder wollen Sie einen Roboter, der einen Teil der Operation übernimmt und dem Chirurgen wirklich hilft?“ Im Jahr 2020 wurden in den USA etwa 876.000 robotergestützte Operationen gemeldet.

Die von Krieger und seinen Kollegen verwendeten Roboter wurden aus Forschungskits hergestellt, die von dem Medizintechnikunternehmen Intuitive bereitgestellt wurden. Ji Woong „Brian“ Kim, ein Postdoktorand, der mit Krieger zusammenarbeitet, sagte, das Team habe bereits ein System entwickelt, „bei dem man mit dem Roboter sprechen kann, wie mit einem Assistenzarzt in der Chirurgie. Man kann Dinge sagen wie: ‚Führe diese Aufgabe aus.‘ Man kann auch Dinge sagen wie: ‚Nach links bewegen‘ und ‚Nach rechts bewegen‘.“

Es sind noch viele Schritte erforderlich, bis Roboter selbstständig arbeiten können

„Ich dachte, sie wären noch ein paar Jahre von dem entfernt, was sie hier demonstriert haben“, sagte Dipen J. Parekh, Direktor für Roboterchirurgie an der Miller School of Medicine der Universität von Miami, der nicht an der Forschung beteiligt war. Er betonte jedoch, dass noch viele Schritte erforderlich seien, bevor Roboter in der Lage seien, chirurgische Eingriffe selbstständig durchzuführen. „Es steht so viel auf dem Spiel“, sagte er, „denn es geht um Leben und Tod.“ Die Anatomie jedes Patienten ist anders, ebenso wie die Art und Weise, wie sich eine Krankheit bei Patienten verhält.

„Ich schaue mir [die Bilder von] CT-Scans und MRTs an und führe dann die Operation durch“, indem er Roboterarme steuert, sagte Parekh. „Wenn man möchte, dass der Roboter die Operation selbst durchführt, muss er die gesamte Bildgebung verstehen, also wissen, wie man CT-Scans und MRTs liest.“ Darüber hinaus müssen Roboter lernen, wie man Schlüsselloch- oder laparoskopische Operationen durchführt, bei denen nur sehr kleine Einschnitte erforderlich sind.

Wenn man Robotern beibringt, durch Nachahmung von Handlungen auf einem Video zu lernen, sollte es nach Ansicht der Forscher weniger notwendig sein, sie für jede einzelne Bewegung zu programmieren, die für einen medizinischen Eingriff erforderlich ist. Die Trainingsmethode des Teams ähnelte dem Ansatz, der bei ChatGPT verwendet wurde, nur dass statt mit Wörtern zu arbeiten, eine Sprache verwendet wurde, die die Position des Robotergreifers und die Richtung, in die er zeigt, beschreibt.

Roboter konnten chirurgische Aufgaben in einer anderen Umgebung ausführen

Die Forscher bauten ihr Trainingsmodell mithilfe von Videobändern von Robotern auf, die chirurgische Eingriffe an Übungs-Nahtkissen durchführten. Jedes Bild in der Videosequenz ist eine Anordnung von Pixeln, die in Zahlen ausgedrückt werden können. Einfach ausgedrückt nimmt das Modell Zahlen, die Bilder darstellen, und wandelt sie in einen anderen Satz von Zahlen um, die verschiedene Roboteraktionen darstellen.

Nach dem Training der Roboter erstellten die Forscher eine Reihe separater Videos, die zeigten, dass die Roboter die chirurgischen Aufgaben in einer anderen Umgebung – in Schweine- und Hühnerfleisch – ausführen konnten. „Ich fand das sehr spannend. Das ist der Beginn einer neuen Ära“, sagte Amer Zureikat, der nicht an der Studie beteiligt war, aber als Direktor für Roboterchirurgie am University of Pittsburgh Medical Center tätig ist.

Zureikat wies auch darauf hin, dass die Arbeit, obwohl sie „ein bedeutender erster Schritt“ sei, noch zahlreiche Hürden überwinden müsse. „Die meisten davon sind logistische Probleme, die mit der Zeit behoben werden sollten, wenn sich die künstliche Intelligenz verbessert.“

Wer trägt die Verantwortung für Fehler, die Roboter machen?

Wissenschaftler und Ärzte müssen herausfinden, wie sie mit häufigen Herausforderungen bei Operationen umgehen können, wie z. B. Blutungen und falsch platzierte Nähte. „Wenn ein Fehler passiert, wer trägt dann die Verantwortung?“, fragte Zureikat. „Ist es der Arzt? Ist es der KI-Entwickler? Ist es die Krankenhauseinrichtung? Ist es der Roboterhersteller?“

Auch der Datenschutz wird sich wahrscheinlich als großes Problem herausstellen. Die auf der Münchner Konferenz besprochenen Roboter wurden nicht anhand von Videobändern tatsächlicher Operationen trainiert. Sie müssen jedoch anhand von Videobändern realer Operationen trainiert werden, wenn Roboter so weit fortgeschritten sein sollen, dass sie sicher selbstständig operieren können. Das bedeutet, dass die Patienten ihre Erlaubnis erteilen müssen, dass ihre Operationsvideos für die Entwicklung von Robotersystemen verwendet werden dürfen.

Zureikat sagte, dass Fortschritte bei der Nutzung von robotergestützter Chirurgie wahrscheinlich weitere Fragen aufwerfen werden: „Werden Patienten gleichberechtigten Zugang zu dieser Technologie erhalten?“ und „Werden sich Chirurgen so sehr auf Roboter verlassen, dass sie weniger geübt darin sind, Operationen ohne sie durchzuführen?“

Wir testen zurzeit maschinelle Übersetzungen. Dieser Artikel wurde aus dem Englischen automatisiert ins Deutsche übersetzt.

Dieser Artikel war zuerst am 30. Dezember 2024 in englischer Sprache bei der „ Washingtonpost.com“ erschienen – im Zuge einer Kooperation steht er nun in Übersetzung auch den Lesern der IPPEN.MEDIA-Portale zur Verfügung.