Die Integration der Robotik in das Gesundheitswesen hat sich von einem Science-Fiction-Traum zu einer transformativen Realität entwickelt. Medizinroboter helfen heute bei Operationen, Rehabilitation, pharmazeutischer Automatisierung und Diagnostik und revolutionieren die Gesundheitsversorgung. Das Design dieser fortschrittlichen Systeme bringt jedoch zahlreiche technische und rechtliche Herausforderungen mit sich, wodurch innovative Ansätze und neue Technologien wie künstliche Intelligenz (KI) erforderlich werden.

Design von Medizinrobotern

KI spielt eine immer wichtigere Rolle bei der Entwicklung von Medizinrobotern, da sie Echtzeit-Entscheidungen, präzise Bewegungen und adaptive Reaktionen ermöglicht. So verbessert beispielsweise die KI-betriebene maschinelle Bildverarbeitung die chirurgische Präzision, gleichzeitig helfen Machine-Learning-Algorithmen (ML) bei der Optimierung von Steuerungen für Roboter. Mit zunehmender Reife der KI ist diese in der Lage, komplexe Herausforderungen zu bewältigen, wie z. B. die Gewährleistung der sicheren Interaktion von Robotern mit Patienten und Gesundheitsdienstleistern.

Richtlinien und Normen

Medizinroboter müssen strenge Normen für Sicherheit und Betriebsverhalten erfüllen, darunter IEC 80601-2-77 für chirurgische Geräte und ISO 14971 für das Risikomanagement.^[1] Die Entwickler müssen auch die in den jeweiligen Regionen geltenden regulatorischen Anforderungen erfüllen, wie z. B. die Zulassung durch die Food and Drug Administration (FDA) in den USA^[2] oder die Einhaltung der EU-Verordnung über Medizinprodukte (MDR) in Europa.^[3] Durch die frühzeitige Einbeziehung dieser Standards in den Entwicklungsprozess und die Zusammenarbeit mit Sachverständigen kann die Erfüllung der Anforderungen optimiert und kostspielige Neugestaltungen reduziert werden.

In den USA stuft die FDA Medizinroboter je nach Verwendungszweck und Risiken für Patienten in Klassen für Medizinprodukte ein. Die meisten Medizinroboter fallen unter Klasse II oder Klasse III und müssen einem strengen Prüfverfahren unterzogen werden. Geräte der Klasse III erfordern eine Zulassung vor dem Inverkehrbringen (Premarket Approval, PMA), was umfangreiche klinische Prüfungen umfasst, um sicherzustellen, dass sie zuverlässig und sicher funktionieren und gleichzeitig die Behandlungsergebnisse in der Gesundheitsversorgung effektiv verbessern.

Technische Herausforderungen meistern

Die Entwicklung von Medizinrobotern setzt präzise Bauteile wie Sensoren, Encoder und Treiber voraus, um Zuverlässigkeit und Genauigkeit zu gewährleisten. Durch KI verbesserte Erfassungssysteme wie Global-Shutter-Sensoren unterstützen die maschinelle Bildverarbeitung durch die Erfassung präziser Bilder für die Navigation und chirurgische Unterstützung. Magnetische Encoder werden aufgrund ihrer Kosteneffizienz und Langlebigkeit immer beliebter, da sie einen Ausgleich zwischen Leistung und Skalierbarkeit schaffen.

Durchbruch bei Medizinrobotern

Ein Paradebeispiel für modernste Robotik in der Medizin ist der Operationsroboter „da Vinci 5“ der nächsten Generation von Intuitive. Die FDA hat dieses hochmoderne robotergestützte System im vergangenen Jahr zugelassen,^[4] und nach Angaben von Intuitive enthält dieser neue Roboter über 150 Verbesserungen. Dieser medizinische Fortschritt bietet Chirurgen eine verbesserte Genauigkeit und Präzision, eine 3D-Darstellung und Bildverarbeitung der nächsten Generation, eine Force-Feedback-Technologie, mit der die während der Operation auf das Gewebe ausgeübten Kräfte spürbar sind, und eine mehr als 10.000-mal höhere Rechenleistung als der „da Vinci“-Roboter der vorherigen Generation, der bereits bei über 7 Millionen Eingriffen zum Einsatz kam (Abbildung 1).^[5]

Die neuesten Produkte für Ihre neuesten Designs^®

In dieser Woche stellen wir im Rahmen unseres wöchentlichen Blogbeitrags „Neues am Technik-Dienstag“ modernste elektronische Geräte von Renesas Electronics und Broadcom^® vor, mit denen die Innovation in der medizinischen Robotik vorangebracht wird.

Die RZ/T2H von Renesas Electronics ist eine hochleistungsfähige MPU, die für mehrachsige Roboteranwendungen entwickelt wurde. Mit vier Arm^® Cortex^®-A55-Prozessorkernen für die Applikationsverarbeitung und zwei Cortex-R52-Prozessorkernen für die Echtzeitsteuerung sorgt sie für eine präzise und schnelle Motorsteuerung. Mit Time-Sensitive Networking (TSN) und integriertem Ethernet für die Industrie vereinfacht sie die Steuerung von Robotern mit bis zu 9 Achsen und verbessert gleichzeitig das Echtzeit-Betriebsverhalten. Die RZ/T2H eignet sich hervorragend für industrielle und kollaborative Roboter, SPS, Motion-Controller und fahrerlose Transportsysteme/AMRs und bietet die Leistung und Präzision, die für fortgeschrittene Aufgaben der Automatisierung erforderlich sind.

Der inkrementelle magnetische Encoder AEAT-901B von Broadcom bietet eine hochauflösende, berührungslose Winkelerkennung mit 256 bis 10.000 Zyklen pro Umdrehung (CPR) für eine genaue Positionierung und Geschwindigkeitsmessung. Durch die Verwendung von Magneten wird mechanischer Verschleiß vermieden, was für Langlebigkeit und Zuverlässigkeit sorgt. Der Encoder verfügt über drei Kanäle, darunter einen Indexkanal für jede volle 360°-Drehung, wodurch er sich gut für robotergestützte Applikationen eignet. Der AEAT-901B arbeitet in einem weiten Temperaturbereich (-40 °C bis 125 °C) und wird mit 5 V betrieben. Er kann direkt über Kabel angeschlossen werden und ist einfach zu montieren, sodass er sich gut für die Geschwindigkeitserfassung, die Steuerung von Drehbewegungen und andere Aufgaben im Bereich der Automatisierung eignet.

Erkenntnisse

Medizinroboter verändern das Gesundheitswesen und bieten Chirurgen eine beispiellose Präzision und Effizienz. Ihre Entwicklung erfordert jedoch die Überwindung komplexer rechtlicher und technischer Herausforderungen. Durch den Einsatz von KI und die Einhaltung strenger Normen können Entwickler innovative Lösungen auf den Markt bringen, wie der Operationsroboter „da Vinci 5“ der nächsten Generation von Intuitive deutlich zeigt.

Quellen:

[1]https://acta.uni-obuda.hu/Chinzei_95.pdf
[2]https://www.fda.gov/medical-devices/surgery-devices/computer-assisted-surgical-systems
[3]https://eumdr.com/
[4]https://isrg.intuitive.com/news-releases/news-release-details/intuitive-announces-fda-clearance-fifth-generation-robotic/
[5]https://www.intuitive.com/en-us/products-and-services/da-vinci/5