Ein Roboter hilft bei riskanten Zwillingsschwangerschaften

Bei Zwillingsschwangerschaften mit gemeinsamer Plazenta kann ein gestörter Blutfluss beide Föten gefährden. Forschende haben dafür ein magnetisch steuerbares Endoskop entwickelt, das betroffene Gefäße besser erreichen soll.

In der Schweiz kommen jährlich rund 2.400 Kinder als Zwillinge zur Welt. Wenn sich die Föten eine Plazenta teilen, sind sie über Blutgefäße miteinander verbunden. Gerät der Blutkreislauf aus dem Gleichgewicht, kann dies für beide lebensgefährlich werden, da zu viel Blut von einem Fötus zum anderen fließt. Das sogenannte „fetofetale Transfusionssyndrom“ (FFTS) betrifft in der Schweiz etwa zwanzig bis dreißig Frauen pro Jahr. Die einzige wirksame Behandlung ist eine hochkomplexe Operation, die weltweit nur von wenigen Spezialistinnen und Spezialisten durchgeführt wird.

Forschende der ETH Zürich sowie Ärztinnen und Ärzte der Universität Zürich haben sich zum Ziel gesetzt, diese Operation zu erleichtern und ihre Erfolgsrate zu erhöhen. Heute verwenden Chirurginnen und Chirurgen dafür ein Fetoskop, ein feines Endoskop für Eingriffe bei Schwangeren. Es enthält eine kleine Kamera und einen Kanal, durch den eine dünne Faser das Laserlicht bis zu den Blutgefäßen auf der Plazenta bringt. Damit verschließen die Chirurginnen und Chirurgen jene Gefäße in der Plazenta, die die beiden Föten verbinden.

Die heute verwendeten Fetoskope sind jedoch starr. Je nachdem, wo die Plazenta liegt, kann es deshalb extrem schwierig sein, alle betroffenen Blutgefässe zu erreichen und mit dem Laser zu verschließen.

Magnetische Steuerung für mehr Beweglichkeit

Die Forschenden und Ärztinnen sowie Ärzte entwickelten deshalb ein flexibles Fetoskop mit nur 3,2 Millimeter Durchmesser, dessen Spitze Magnete enthält. Drei große Elektromagnete außerhalb des Körpers der Patientin erzeugen ein steuerbares Magnetfeld und können damit die Spitze des Fetoskops biegen.

Das Prinzip ähnelt dem einer Kompassnadel: So wie sich diese am Erdmagnetfeld ausrichtet, folgen die Magnete in der Spitze des Fetoskops dem von außen erzeugten Magnetfeld. Verändert das magnetische Navigationssystem dessen Richtung, bewegt sich auch die Spitze des Instruments. „Wir erreichten eine Biegung von bis zu 173 Grad. Damit können wir auch schwer zugängliche Gefäße problemlos erreichen“, erklärt Michelle Mattille, Postdoktorandin und Erstautorin des in der Fachzeitschrift „Science Robotics“ veröffentlichten Artikels, der die neue Roboterplattform vorstellt.

Navigation mit Panoramaansicht

Ein zweiter wichtiger Bestandteil der Roboterplattform ist die Panoramaansicht. Bei minimalinvasiven Eingriffen sehen Chirurginnen und Chirurgen durch das Endoskop jeweils nur einen kleinen Ausschnitt der Umgebung. Sie müssen sich deshalb einprägen, welche Gefäße sie bereits gesehen haben und wie diese verlaufen. Das erfordert viel Erfahrung und Konzentration.

Das neue System fügt die einzelnen Endoskopbilder in Echtzeit zu einem Panoramabild zusammen. Auf dieser zweidimensionalen Karte kann die operierende Person nun ein Ziel anwählen. Das Fetoskop navigiert anschließend automatisch dorthin. Die Ärztinnen und Ärzte können aber jederzeit die Kontrolle übernehmen und das Fetoskop manuell mit einem PlayStation Gamecontroller steuern. Eine Software übersetzt dann die gewünschte Bewegung im Kamerabild in die entsprechende Veränderung des Magnetfelds.

Wie stark sich der Eingriff mit der robotischen Plattform von der konventionellen Operation beim Lasern unterscheidet, überraschte Mattille. „Selbst die sehr ruhige Hand einer erfahrenen Chirurgin bewegt das Fetoskop leicht. Unsere Roboterplattform hingegen stabilisiert die Spitze und hält sie deutlich ruhiger an der gewünschten Stelle, um die Gefäße präzise zu verschließen“, berichtet die Forscherin.

Im Experiment trafen die Teilnehmenden simulierte Punktziele mit dem Robotersystem viel genauer. „Mit dem Robotersystem betrug die Abweichung typischerweise 140 Mikrometer, das heißt, es ist mehr als vier Mal präziser als konventionelle Vergleichsinstrumente“, so Mattille.

Bewährungsprobe ausserhalb des Labors

Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur klinischen Anwendung der Roboterplattform war ein Versuch an einem trächtigen Schaf. „Auf das ungefähr dreistündige Experiment im Tierversuch bereiteten wir uns ein Jahr lang vor. Es ist uns als erster Gruppe gelungen, die wesentlichen Schritte des Eingriffs erfolgreich nachzubilden“, berichtet Mattille.

Nach den erfolgreichen Tests will das Team die Plattform nun für den Einsatz am Menschen weiterentwickeln. Dazu müssen die Forschenden vor allem die Sicherheit weiter prüfen und die Algorithmen zu einem robusten System für den klinischen Einsatz ausbauen. Gleichzeitig entwickeln sie weitere Assistenzfunktionen, die Chirurginnen und Chirurgen während des Eingriffs gezielt unterstützen sollen.

Auch für andere Eingriffe denkbar

Die Technologie könnte künftig auch außerhalb der fetalen Chirurgie eingesetzt werden. Denkbar wäre etwa, die Navigation bei Magen- und Blasenspiegelungen zu unterstützen und dabei die untersuchten Bereiche zu kartieren. So ließen sich auch Veränderungen im Zeitverlauf präzise nachverfolgen. „Die Anforderungen sind dort jedoch etwas anders“, sagt Mattille. „Statt einer relativ flachen Oberfläche wie bei der Plazenta muss ein dreidimensionaler Hohlraum erfasst werden.“