Met joystick bediende robot kan chirurgen helpen om beroerte op afstand te behandelen

MIT-ingenieurs hebben een telerobotsysteem ontwikkeld om chirurgen te helpen snel en op afstand patiënten met een beroerte of aneurysma te behandelen. Met een aangepaste joystick kunnen chirurgen in het ene ziekenhuis een robotarm op een andere locatie besturen om een ​​patiënt veilig te opereren gedurende een kritieke tijdsperiode die het leven van de patiënt kan redden en zijn hersenfunctie kan behouden.

Het robotsysteem, waarvan de beweging wordt bestuurd door magneten, is ontworpen om op afstand te helpen bij endovasculaire interventie - een procedure die in noodsituaties wordt uitgevoerd om beroertes veroorzaakt door een bloedstolsel te behandelen. Dergelijke ingrepen vereisen normaal gesproken dat een chirurg handmatig een dunne draad naar het stolsel leidt, waar het de blokkade fysiek kan verwijderen of medicijnen kan toedienen om het te doorbreken.

Een beperking van dergelijke procedures is de toegankelijkheid:neurovasculaire chirurgen zijn vaak gevestigd in grote medische instellingen die moeilijk te bereiken zijn voor patiënten in afgelegen gebieden, vooral tijdens het "gouden uur" - de kritieke periode na het begin van een beroerte, waarin de behandeling moet worden toegediend om eventuele schade aan de hersenen te minimaliseren.

Het MIT-team voorziet dat het robotsysteem in kleinere ziekenhuizen kan worden geïnstalleerd en op afstand wordt geleid door getrainde chirurgen in grotere medische centra. Het systeem omvat een robotarm van medische kwaliteit met een magneet aan de pols. Met een joystick en live-beeldvorming kan een operator de oriëntatie van de magneet aanpassen en de arm manipuleren om een ​​zachte en dunne magnetische draad door slagaders en bloedvaten te leiden.

De onderzoekers demonstreerden het systeem in een "fantoom", een transparant model met bloedvaten die complexe slagaders van de hersenen repliceren. Met slechts een uur training waren neurochirurgen in staat om de arm van de robot op afstand te besturen om een ​​draad door een doolhof van bloedvaten te leiden om de doellocaties in het model te bereiken.

“We stellen ons voor dat, in plaats van een patiënt van een plattelandsgebied naar een grote stad te vervoeren, ze naar een plaatselijk ziekenhuis zouden kunnen gaan waar verpleegkundigen dit systeem zouden kunnen opzetten. Een neurochirurg in een groot medisch centrum zou live beeldvorming van de patiënt kunnen bekijken en de robot kunnen gebruiken om in dat gouden uur te opereren. Dat is onze toekomstdroom", zegt Xuanhe Zhao, hoogleraar Werktuigbouwkunde en Civiele en Milieutechniek aan het MIT. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Science Robotics .

Endovasculaire chirurgie is een gespecialiseerde, minimaal invasieve procedure waarbij een dunne medische draad voorzichtig door de slagaders en bloedvaten van het lichaam naar een doellocatie wordt gedraaid en geleid, op een manier die beschadiging van de vaatwanden voorkomt. De procedure vereist doorgaans jarenlange training voor een chirurg om onder de knie te krijgen.

Robotsystemen worden onderzocht als ondersteunende technologieën bij endovasculaire chirurgie. Bij deze systemen zijn voornamelijk motoraandrijvingen betrokken die een draad voortbewegen en terugtrekken terwijl deze door het vaatstelsel van het lichaam wordt gedraaid.

"Maar het is een uitdaging om een ​​robot te draaien met hetzelfde niveau van verfijning [als een chirurg]", zegt hoofdauteur Yoonho Kim. "Ons systeem is gebaseerd op een fundamenteel ander mechanisme."

Het nieuwe systeem van het team bouwt voort op werk uit 2019, waarin ze demonstreerden een magnetisch gestuurde draad door een levensgroot siliconenmodel van de bloedvaten van de hersenen te sturen. Dat deden ze destijds met een handmagneet, ongeveer zo groot als een soepblik, die ze handmatig manipuleerden.

Sindsdien hebben ze de magneet bevestigd aan het uiteinde van een robotarm van medische kwaliteit, die kan worden bestuurd met een kleine joystickknop op een muis. Door de joystick te kantelen, kunnen onderzoekers de magneet kantelen in een richting die een magnetische draad kan volgen. Knoppen op de muis besturen een reeks gemotoriseerde lineaire aandrijvingen, die de draad vooruit- en terugtrekken om deze vooruit en achteruit te laten bewegen.

De draad is zo dun en flexibel als een conventionele neurovasculaire voerdraad, met een zachte, magnetisch responsieve tip die volgt en buigt in de richting van een magnetisch veld.

Het team testte het robotsysteem in het Catheter Lab van het Massachusetts General Hospital - een operatiekamer met standaard medische beeldvormingsapparatuur die wordt gebruikt bij endovasculaire procedures. De onderzoekers installeerden de robotarm in het lab, samen met een levensgroot siliconenmodel van bloedvaten. Ze zetten de joystick, samen met een monitor die een live video van het model weergeeft, in een controlekamer. Van daaruit bekeek een operator de video terwijl hij de joystick gebruikte om de draad op afstand door de schepen te sturen.

Het team heeft een groep neurochirurgen getraind om het robotsysteem te gebruiken. Na slechts één uur training was elke chirurg in staat om het systeem met succes te bedienen om de draad door complexe bloedvaten te leiden die moeilijk te navigeren zijn met een handmatige voerdraad.

Het team gebruikte het robotsysteem ook om gesimuleerde stolsels op moeilijk bereikbare plaatsen in het model te verwijderen. Ze stuurden de voerdraad door vaten, en rond scherpe hoeken en bochten, om gebieden te bereiken waar de onderzoekers stolsels simuleerden. Nadat ze de draad naar het stolsel hadden geleid, gingen de chirurgen verder met standaard endovasculaire methoden om een ​​microkatheter langs de draad naar de plaats van het stolsel te leiden. Ze trokken de draad terug en lieten de katheter achter, die ze vervolgens aanbrachten om het stolsel met succes te verwijderen.

"Het primaire doel van de magnetische voerdraad is om snel en veilig op de doellocatie te komen, zodat standaardapparaten zoals microkatheters kunnen worden gebruikt om therapieën toe te dienen," zei Kim. "Ons systeem is als een padvinder."

Hij hoopt dat het telebediende systeem meer patiënten kan helpen een tijdkritische behandeling te krijgen. Hij ziet ook voordelen voor chirurgen, die dergelijke vasculaire procedures doorgaans uitvoeren in dezelfde kamer als de patiënt, terwijl ze worden blootgesteld aan straling van röntgenbeeldvorming.

"De neurochirurgen kunnen de robot in een andere kamer of zelfs in een andere stad bedienen zonder herhaalde blootstelling aan röntgenstralen", zegt Zhao. "We zijn echt enthousiast over de potentiële impact van deze technologie op de wereldwijde gezondheid, aangezien beroerte een van de belangrijkste doodsoorzaken en langdurige invaliditeit is."