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KIT und Universitätsklinikum Heidelberg entwickeln selbstlernendes Endoskopsystem

KIT und Universitätsklinikum Heidelberg entwickeln selbstlernendes Endoskopsystem
Autor:

Sarah Werner, Sandra Wiebe, Margarete Lehné

Quelle:

KIT Presse

Datum: 29.07.2015

Zielgenau lenkt der Chirurg seine kleinen Klemm- und Schneidewerkzeuge zu der Gallenblase, die er dem Patienten entfernen muss. Dabei schaut er nicht etwa direkt auf den OP-Tisch, sondern auf einen Bildschirm, der neben ihm steht: Was unter der Haut passiert, zeigt ihm ein Endoskop, eine schlauchförmige Kamera, die ein OP-Assistent lenkt. Durch diese kann der Arzt das Innere des Patienten und seine endoskopischen Instrumente, die er über paar kleinere Einschnitte in der Haut eingeführt hat, sehen. „Bei diesen minimal-invasiven Eingriffen, auch „Schlüssellochchirurgie“ genannt, ist der Chirurg darauf angewiesen, dass ihm der Assistent immer eine geeignete Sicht ermöglicht, da er nicht gleichzeitig Werkzeug und Kamera selbst führen kann“, wie Philip Nicolai vom Institut für Anthropomatik und Robotik (IAR) am KIT sagt. Sein Kollege Andreas Bihlmaier ergänzt: „Die richtige Position des Endoskops hängt von der aktuellen chirurgischen Aufgabe und der individuellen Arbeitsweise des Chirurgen ab.“ Das IAR hat zusammen mit dem Universitätsklinikum Heidelberg ein Kamerasystem erforscht, das sich bei jedem Eingriff direkt auf Arzt und Art der OP einstellt: Im Sonderforschungsbereich „Wissens- und modellbasierte Chirurgie“ der Deutschen Forschungsgemeinschaft haben sie einen Endoskop-Roboter mit einem selbstlernenden Kamerasystem entwickelt. Der weiße, mehrgliedrige Roboterarm hat an seiner „Hand“ ein Endoskop, das die OP-Instrumente des Chirurgen erkennen und die Position der Kamera entsprechend ausrichten kann. Um zu wissen, welchen Bildausschnitt er dem Arzt zeigen muss, hat der Roboterassistent beobachtet, wie menschliche Assistenten bei verschiedenen Eingriffen die Kamera führen. „So hat er das nötige chirurgische Know-how erlernt, um die aktuelle Situation zu erkennen, zu deuten und eine passende Handlung auszuführen“, so Bihlmaier. Bei jedem Eingriff lernt der Roboter selbstständig dazu. Die Wissenschaftler aus Karlsruhe und Heidelberg wollen das System weiterentwickeln, um es etwa in der Herzklappenchirurgie oder bei der Entfernung von Tumoren einzusetzen. Beim 'Hamlyn Symposium on Medical Robotics' im Juni 2015 gewannen sie damit den Preis für die beste Live-Demonstration. Veranstalter war das Hamlyn Center, ein Forschungszentrum des Imperial College in London, das zu den weltweit angesehensten Universitäten zählt. Eine internationale Fachjury zeichnete neben einem Gesamtsieger Beiträge zur Medizinrobotik in den Kategorien Design, Anwendung, Live-Demonstration und Innovation aus.

Hintergrund: Medizintechnik am KIT: Drei Beispiele

Am KIT befassen sich verschiedene Institute damit, wie computerbasierte Systeme den Menschen in der Medizin unterstützen können. Das IAR hat zum Beispiel mit „OP:Sense“ ein System für robotergestützte Chirurgie entwickelt: Auf einem Monitor sieht der Arzt das Innere des Patienten und kann über haptische Geräte an einer Konsole zwei Roboterarme steuern, die seine Bewegungen feiner und ohne zittern am OP-Tisch direkt umsetzen. Mehrere 3D-Kameras im OP-Saal erfassen zusätzlich die Aktivitäten des OP-Personals, um das Robotersystem jederzeit optimal zu konfigurieren.
Das Institut für Angewandte Informatik und Automatisierungstechnik erforscht zusammen mit der Universitätsaugenklinik in Rostock ein Implantat fürs Auge, das den altersbedingten Verlust der Fähigkeit, unterschiedlich weit entfernte Gegenstände scharf abzubilden (Akkommodation), ausgleichen kann. Das intelligente Implantat soll hinter die Iris ins Auge eingesetzt werden und dort den Akkommodationsbedarf errechnen und das Bild scharf stellen. Das IAI hat zudem einen adaptiven Nervenstecker entwickelt, der es ermöglichen könnte, Verletzungen des peripheren und zentralen Nervensystems zu behandeln.
Die Nachwuchsgruppe „Chirurgische Assistenzsysteme“ des Instituts für Anthropomatik und Robotik hat ein Echtzeitverfahren entwickelt, das Organe während minimal-invasiven Operationen als dreidimensionale Modelle abbildet: Verformt sich weiches Gewebe, etwa beim Atmen oder Ansetzen des Skalpells, verändert sich Modell dementsprechend. So kann der Chirurg direkt sehen, wie sich beispielsweise ein verdeckter Tumor verschoben hat. Getestet habe die Wissenschaftler das Verfahren an einer wirklichkeitsnahen Phantomleber.

Entsalzungsanlage für Trinkwasser 

Gerade im Nahen Osten stellt die Meerwasserentsalzung die Hauptquelle der Trinkwassergewinnung dar, derzeitige Anlagen nutzen dafür fossile Energieträger. Eine effiziente und umweltschonende Alternative könnte eine solarbetriebene Entsalzungsanlage sein, mit der sich Jana Stengler vom Institut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik des KIT beschäftigt. „Mit dieser soll sowohl Trinkwasser, als auch Energie gewonnen werden, sodass sie sich eigenständig betreiben lässt“, sagt Stengler. Sie lasse sich außerdem dezentral und flexibel bei geringen Investitionskosten einsetzen und eigne sich damit besonders für Länder mit schlechter Infrastruktur. Ihr Konzept zur Trinkwassergewinnung basiert auf der Entspannungsverdampfung: „Dazu nutzen wir einen unter Atmosphärendruck stehenden Behälter, der mit Flüssigkeit gefüllt ist. Senkt man dann den Druck in den Unterdruckbereich ab, entsteht Dampf. Der Effekt lässt sich mit dem Öffnen einer Flasche Mineralwasser vergleichen“, erklärt Stengler. Das Salz bleibt dabei im Behälter zurück, der Dampf ist salzfrei und steht nach dem Kondensieren als Trinkwasser zur Verfügung. Die Chemieingenieurin baute eine Versuchsanlage auf, in der sie vor allem bei schlagartiger Verdampfung von Wasser die Tropfenbildung und Tropfenabscheidung untersuchte. „Aus den Messergebnissen ließen sich Regeln zur Auslegung von Verdampfern für kommerzielle Entsalzungsanlagen ableiten“, sagt sie. Im August 2015 soll in Bad Salzuflen in NRW eine Pilotanlage in Betrieb gehen. Jana Stengler erhielt für ihr Projekt im Juli 2015 den Sparkassen-Umwelt-Preis.

Studienberatung für Abiturientinnen und Abiturienten am KIT

„Welche Studiengänge gibt es am KIT und welcher ist der richtige für mich?“ – Um den Abiturientinnen und Abiturienten einen Überblick über mögliche Studienfächer am KIT zu geben, bietet das Zentrum für Information und Beratung (zib) bis September Informationsveranstaltungen zu folgenden Fachrichtungen an: Geisteswissenschaften, Architektur und Bauingenieur, Biowissenschaften und Chemie, Ingenieurwissenschaften, Wirtschaftsingenieurwesen und alles rund ums Lehramtsstudium. Dabei können sich die Abiturienten über Studiengangprofile, Zulassungsvoraussetzungen sowie Berufsmöglichkeiten erkundigen und den Studienberaterinnen und -beratern Fragen stellen. Das ausführliche Programm, die genauen Termine und weitere Informationen finden Sie unter: http://www.sle.kit.edu/vorstudium/veranstaltungskalender.php. Interessierte sollten sich online über diese Webseite, unter der Telefonnummer 0721/608-44930 oder per E-Mail info@zib.kit.edu anmelden.