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Ruhig in jeder Lage: Kontron entwickelt Sprachsteuerung für OP-Roboterarm

Anwenderbericht | Aktormed entwickelt und vertreibt Roboterarme für die Chirurgie. Um diesen noch mehr Flexibilität zu verleihen, setzt das Unternehmen mittlerweile auf Sprachsteuerung. Das Problem: Anders als bei der Steuerung mit Joystick reicht ein einfacher Mikrocontroller nicht mehr aus.

Der Soloassist bei einer OP im Einsatz. Bildquelle: © Aktormed

Der Soloassist bei einer OP im Einsatz.

Minimalinvasive Eingriffe werden auch als »Schlüssellochchirurgie« betitelt. Denn bei diesen Eingriffen werden über zwei winzige Schnitte die Instrumente und das Endoskop, eine Minikamera mit dem Durchmesser von 5 bis 10 Millimeter, zum Operationsgebiet geführt. Das Bild wird auf einem externen Monitor wiedergegeben und zeigt dem Chirurgen sein Operationsgebiet an. In der Klinik bedeutet das, dass bei vielen Eingriffen neben dem Chirurgen auch ein zweiter Arzt für die Führung der Kamera bei Operationen anwesend sein muss. Lediglich bei sehr einfachen Operationen reicht es aus, dass ein Arzt die Kamera selbst justiert.

Chirurgie ist nach wie vor Handarbeit

Immer noch wird bei einem Großteil der minimalinvasiven Eingriffe das Endoskop komplett per Hand geführt. In der Praxis hat das gravierende Nachteile, die sich durch die technologische Entwicklung verstärken: Hochauflösende Kameras produzieren Bilder in 4K- oder sogar 8K-Qualität, auch 3D-Aufnahmen sind mittlerweile möglich. Für viele darauf beruhende Anwendungen fehlt dem Menschen jedoch die notwendige ruhige Hand, das bis zu 600 Gramm schwere Endoskop minutenlang ruhig, in unbequemen Positionen zu halten. Kleinste Zitterbewegungen werden bei der vergrößerten Wiedergabe auf hochauflösenden Bildschirmen so verstärkt, dass sie ein präzises Arbeiten eher erschweren statt erleichtern.

Dazu kommt, dass Bewegungen des gesamten Körpers, etwa um einem Kollegen Zugang zum OP-Tisch zu erleichtern, trotz aller Bemühungen ebenfalls die Hand, die das Endoskop hält, in Bewegung versetzen. Zudem erschweren oft Verständigungsprobleme die effektive und präzise Arbeit mit dem Endoskop, wenn zwischen Chirurgen und seinem Kollegen an der Kamera etwa nicht ganz klar ist, wie weit oder in welche Richtung die Kamera bewegt werden soll.

Sprachsteuerung erfordert hohe Rechenleistung

Der von Aktormed entwickelte Roboterarm »Soloassist brachte dabei schon wesentliche Erleichterung: Er kann mit drei Freiheitsgraden flexibel, manuell geführt und in der richtigen Position fixiert werden. So konnte zumindest bei einer fixierten Position bereits mit einem absolut ruhigen Bild gearbeitet werden. Der Joystick vereinfachte zudem die Führung, sodass in manchen Fällen bereits auf einen zweiten, Endoskop-führenden Arzt ganz verzichtet werden konnte. Beim chronischen Chirurgenmangel in vielen Kliniken ein nicht zu unterschätzender Vorteil.

Noch flexibler kann der Roboterarm eingesetzt werden, wenn er direkt auf die Sprachbefehle des Operateurs reagiert. Damit kann der operierende Chirurg die Kamera mit wenigen einfachen Befehlen in die benötigte Richtung lenken und hat beide Hände für den Eingriff frei.  Im Gegensatz zum Joystick benötigt die Spracherkennung und -verarbeitung allerdings deutlich mehr Rechen- und Speicherleistung. Das Unternehmen aus Regensburg hat sich deshalb entschieden, auf einen Industrie-PC zu setzen, der diese Voraussetzung und zugleich die strengen Kriterien für Geräte im Operationssaal erfüllt.

Neben den reinen technischen Merkmalen gab es bei der Entscheidung noch weitere wichtige Faktoren, die es zu erfüllen galt: Da Innovationszyklen in der Medizintechnik lange sind und Beschaffungsvorhaben mehrere Jahre dauern können, muss für die Komponenten des Soloassist eine Langzeitverfügbarkeit von mindesten sieben bis zehn Jahren gegeben sein, wie sie unter anderem Kontron für seine industriellen Boards anbietet. Weiterhin bestand die Notwendigkeit, auf einen USB-Bus auf dem Board zugreifen zu können. 

Industrial Computer Motherboard als Herzstück

Bei dem eingesetzten Motherboard handelt es sich um das Kontron Mini-ITX Board E38 mit Intel Atom Prozessor der E3800 Serie, das über ausreichend Speicherplatz und zahlreiche in der Industrie benötigte Schnittstellen verfügt. Für das Betriebssystem steht ein boot-fähiger Flashspeicher bereit, Anwendungsdaten werden über eine SSD-Storage gespeichert.

Die Ausfallsicherheit garantiert auch die Sicherheit für den Patienten: Der Roboterarm ist gegenüber unkontrollierten Bewegungen über Algorithmen abgesichert. Dadurch ist garantiert, dass das Endoskop den Patienten keinesfalls verletzt.

Die komplette Software für die Sprachsteuerung des »Soloassist II« läuft unter Windows 7 Embedded. Kontron Partner Aaronn ergänzt die Motherboard um seine Services und liefert diese einbaufertig an. Vorher werden sie mit Arbeitsspeicher, einem Lüfter und dem SSD-Speicher ergänzt, dann wird das Software-Image aufgespielt und es finden Funktionstests statt.

Endoskop findet den Weg selbst

Aktormed arbeitet daran, flächendeckend Kliniken auf der ganzen Welt von dem sprachgesteuerten Roboterarm zu überzeugen.  Aber nicht nur das, das Unternehmen arbeitet auch daran, Künstliche Intelligenz einzusetzen. Das Endoskop könnte das zu behandelnde Operationsgebiet, beispielsweise ein Organ, selbstständig finden und sich selbst positionieren. Denkbar ist auch, dass durch Machine Learning bestimmte Operationsverläufe gespeichert werden, und der Roboterarm die entsprechende Neupositionierung des Endoskops selbst vornehmen kann.

 

Autor: Stefan Lobmeier ist Product Manager Motherboards & SBC bei Kontron

Schlagworte: OP-Technik, Minimalinvasive Chirurgie, Roboter, Motherboard

Genannte Firmen: Aktormed, Kontron, Aaaronn

 

Das Herzstück des Roboterarms ist das Mini-ITX Board E38 mit einem Intel Atom Prozessor der E3800 Serie. Bildquelle: © Kontron

Das Herzstück des Roboterarms ist das Mini-ITX Board E38 mit einem Intel Atom Prozessor der E3800 Serie.