Een nieuw ontwikkelde chirurgische robot bleek in staat de galblaas van een (dood) varken chirurgisch te verwijderen zonder assistentie van menselijke chirurgen. Het systeem leerde de handelingen door het ‘bekijken’ van video’s van operaties en gerichte terugkoppeling (van menselijke chirurgen) tijdens oefenoperaties. Hierdoor kon de robotchirurg zijn vaardigheden ontwikkelen die vergelijkbaar zijn met die van een jonge arts. De chirurgische robot kan nu zelfstandig opereren en reageert zelfverzekerd, zelfs op onverwachte complicaties tijdens de operatie, aldus het persbericht.
De oorspronkelijke robot is ontwikkeld door onderzoekers onder leiding van Axel Krieger van de Johns Hopkinsuniversiteit in Baltimore, maar vereiste nog steeds speciale markeringen in het te opereren weefsel. Hij (zij?) werkte alleen in een strikt gecontroleerde omgeving en volgde een strikt, vooraf gedefinieerd chirurgisch plan. De robot was mechanisch nauwkeurig en werkte zorgvuldig, maar kon geen wijzigingen in de geplande ingreep doorvoeren.
De onderzoekers hebben nu een nieuwe robot ontwikkeld: de Surgical Robot Transformer-Hierarchy (SRT-H). Die werkt met kunstmatige intelligentie en kan daardoor interactief leren. In tegenstelling tot zijn voorganger past hij zich flexibel aan de situatie aan tijdens chirurgische ingrepen. Hij (zegt het persbericht) herkent individuele anatomische kenmerken, neemt spontane beslissingen en corrigeert zichzelf als de zaken niet gaan zoals verwacht.
In totaal testten medeonderzoeker Ji Woong Kim en zijn collega’s de robot in acht verschillende startposities en chirurgische omstandigheden. De modellen – bestaande uit de galblaas en het omliggende weefsel – waren anatomisch niet uniform en elk model zag er anders uit door de toevoeging van bloedachtige kleurstoffen. Dit simuleert noodsituaties die zich tijdens een operatie kunnen voordoen.
Zelfs in deze situaties presteerde de robot echter feilloos, paste zijn bewegingen aan de veranderende omstandigheden aan en corrigeerde zijn fouten zelf, zo melden de onderzoekers. Hoewel de robot gemiddeld ongeveer vijf minuten nodig had om de operatie te voltooien, langer dan een menselijke chirurg, waren de resultaten vergelijkbaar met die van een ervaren chirurg. “Dit toont aan dat robots fundamenteel zelfstandig complexe chirurgische ingrepen kunnen uitvoeren”, aldus Krieger.
Binnenkort in de ok?
Volgens de onderzoekers toont hun prototype aan dat autonome robots binnenkort in operatiekamers van ziekenhuizen kunnen werken. “Ons werk laat zien dat AI-modellen betrouwbaar genoeg kunnen worden gemaakt om chirurgische autonomie mogelijk te maken – iets dat ooit ver weg leek, maar nu aantoonbaar praktisch is”, zegt Kim.
De onderzoekers instrueren en testen het SRT-H-systeem momenteel voor andere soorten operaties om de mogelijkheden ervan uit te breiden. Het doel op lange termijn is om in de toekomst een volledig autonome operatie op echte mensen uit te voeren.
Een obstakel bij de ontwikkeling van dergelijke chirurgische robots is echter het instructiemateriaal, schrijft Michael Yip van de Universiteit van Californië, San Diego, in een begeleidend artikel. Vanwege zorgen over gegevensbescherming zijn er momenteel nauwelijks video’s van echte operaties op menselijke patiënten beschikbaar voor het instrueren van ki-systemen. Handmatig bewerkte video’s en modellen of simulaties, zoals in dit geval, zouden mogelijk een oplossing kunnen bieden.
Bron: scinexx.de
KI-Roboter operiert Gallenblase ohne menschliche Hilfe
Chirurgische Roboter können auch komplexe Aufgaben autonom durchführen
Lernfähiger KI-Chirurg: Ein neu entwickelter OP-Roboter kann eine Gallenblase ganz ohne Hilfe von menschlichen Chirurgen operativ entfernen. Gelernt hat das KI-System dies durch Videos von Operationen und gezieltes Feedback bei Probe-OPs. Dadurch entwickelte der Roboterchirurg seine Fähigkeiten ähnlich weiter wie ein junger Arzt. Inzwischen kann der neuartige OP-Roboter selbstständig operieren und reagiert auch bei unerwarteten Komplikationen während der OP souverän.
Die Forschung auf dem Feld der Medizinrobotik hat in den vergangenen Jahren große Fortschritte gemacht. Operationen mit Assistenz-Robotern werden bereits täglich tausendfach durchgeführt. Viele dieser Operationshelfer können auch bereits autonom im Körper navigieren. So operierte beispielsweise ein Roboter im Jahr 2022 erstmals selbstständig ein lebendes Tier – eine laparoskopische Operation an einem Schwein.
Dieser von einem Team um Axel Krieger von der Johns Hopkins University in Baltimore entwickelte Smart Tissue Autonomous Robot (STAR) benötigte jedoch noch spezielle Markierungen im zu operierenden Gewebe, arbeitete nur in einer streng kontrollierten Umgebung und folgte einem starren, vorgegebenen Operationsplan. Der Roboter war mechanisch präzise und arbeitete sorgfältig, konnte aber nicht auf Änderungen an der geplanten Vorgehensweise eingehen.
Roboter lernt Gallenblasen-Entfernung
Jetzt haben Forschende um Krieger und seinen Kollegen Ji Woong „Brian“ Kim einen neuen Roboter entwickelt: den Surgical Robot Transformer-Hierarchy (SRT-H). Dieser basiert auf einer künstlichen Intelligenz und kann daher ähnlich wie ChatGPT interaktiv lernen. Dadurch passt er sich im Gegensatz zu seinem Vorgänger bei chirurgischen Eingriffen flexibel an die Situation an: Er erkennt individuelle anatomische Merkmale, trifft spontan Entscheidungen und korrigiert sich selbst, wenn die Dinge nicht wie erwartet laufen.
Trainiert wurde dieser KI-gestützte OP-Roboter zunächst mit Videos von Operationen. Die OPs hatten Chirurgen der Johns Hopkins University extra zu diesem Zweck an 34 Schweineleichen durchgeführt, über Kameras an ihren Handgelenken aufgezeichnet und nachfolgend mit Bildunterschriften versehen, die die Vorgehensweise beschreiben. Der Roboter lernte aus diesem umfassenden Videomaterial drei grundlegende kurze chirurgische Aufgaben auszuführen: das Führen einer Nadel, das Anheben von Körpergewebe und das Nähen.
Anschließend lernte er bei von Sprachbefehlen begleiteten Experimenten an lebensechten Modellen, eine Gallenblase chirurgisch zu entfernen – eine minutenlange komplexe Abfolge von 17 Einzelaufgaben. Der Roboter lernte, bestimmte Blutgefäße und den Gallenblasengang zu identifizieren und präzise zu greifen, Clips strategisch zu platzieren und Gewebeteile mit einer Schere abzutrennen. Durch Feedback wie „bewege den linken Arm ein wenig nach links“ wurde er dabei immer besser und konnte die Operation schließlich mit hundertprozentiger Genauigkeit durchführen, wie das Team berichtet.
Roboter-Chirurg passt sich an unerwartete Abläufe an
Insgesamt testeten Kim und seine Kollegen den Roboter unter acht verschiedenen Ausgangspositionen und OP-Bedingungen. Dabei waren die Modelle – bestehend aus Gallenblase und dem umliegenden Gewebe – anatomisch nicht einheitlich und sahen durch hinzugefügte blutähnliche Farbstoffe jeweils anders aus. Das simuliert Notfälle, wie sie bei einer Operation vorkommen können.
Doch auch in diesen Situationen arbeitete der Roboter einwandfrei, passte seine Bewegungen an die veränderten Bedingungen an und korrigierte seine Fehler selbst, wie die Forschenden berichten. Obwohl der Roboter für die OP durchschnittlich rund fünf Minuten und damit länger brauchte als ein menschlicher Chirurg, waren seine Ergebnisse vergleichbar mit denen eines erfahrenen Chirurgen. „Dies zeigt, dass Roboter grundsätzlich komplexe chirurgische Eingriffe selbstständig durchführen können“, sagt Krieger.
Stehen bald KI-Roboter im OP?
Das Team schließt daraus, dass ein KI-Roboter auf ähnliche Weise zum fähigen Chirurgen ausgebildet werden kann wie ein junger Assistenzarzt: durch Vorführung und Nachahmung. Das neue System vereint dadurch die mechanische Präzision eines Roboters mit dem Verständnis und Anpassungsfähigkeit eines Menschen, wie das Team erklärt.
„Dieser Fortschritt führt uns von Robotern, die spezifische chirurgische Aufgaben ausführen können, zu Robotern, die chirurgische Eingriffe wirklich verstehen“, sagt Krieger. „Dies ist ein entscheidender Unterschied, der uns klinisch tragfähigen autonomen chirurgischen Systemen, die in der chaotischen, unvorhersehbaren Realität der tatsächlichen Patientenversorgung funktionieren können, deutlich näher bringt.“
Nach Ansicht der Forschenden belegt ihr Prototyp, dass künftig selbstständige Roboter in den OP-Sälen der Krankenhäuser arbeiten könnten. „Unsere Arbeit zeigt, dass KI-Modelle zuverlässig genug gemacht werden können, um chirurgische Autonomie zu ermöglichen – etwas, das einst weit entfernt schien, jetzt aber nachweislich praktikabel ist“, sagt Kim.
Training für weitere OP-Arten
Das Team trainiert und testet das SRT-H-System nun für weitere Arten von Operationen, um seine Fähigkeiten zu erweitern. Langfristiges Ziel ist es, künftig eine vollständig autonome Operation auch an echten Menschen durchzuführen.
Eine Hürde bei der Entwicklung von solchen chirurgischen Robotern ist jedoch bislang noch das Trainingsmaterial, schreibt Michael Yip von der University of California in San Diego in einem begleitenden Artikel. Aus Datenschutzgründen stehen bislang kaum Videos von echten Operationen an menschlichen Patienten zur Verfügung, mit denen die KI-Systeme trainiert werden könnten. Abhilfe könnten möglicherweise wie in diesem Fall manuell gelabelte Videos und Modelle oder Simulationen liefern. (Science Robotics, doi: 10.1126/scirobotics.adt5254 / doi: 10.1126/scirobotics.adt0684)
Quellen: American Association for the Advancement of Science (AAAS), Johns Hopkins University