Cross-platform integration of robotic intraoperative ultrasound using system-agnostic drop-in probes: technical feasibility and workflow standardization

Technisches Resümee: Plattformübergreifende Integration des robotergestützten intraoperativen Ultraschalls

Problemstellung
Der intraoperative Ultraschall (IOUS) ist ein kritisches Werkzeug für die Echtzeit-Bildführung bei minimalinvasiven Eingriffen, doch seine Integration in robotergestützte Arbeitsabläufe bleibt fragmentiert. Aktuelle Lösungen verlassen sich oft auf proprietäre, plattformspezifische Sonden, was die Skalierbarkeit einschränkt und den Kompetenztransfer zwischen verschiedenen Robotersystemen behindert. Die starren Schäfte traditioneller laparoskopischer Ultraschallsonden schränken die Akquisitionswinkel ein und erschweren die intrakorporeale Manipulation. Während „Drop-in“-Sonden (mit einem flexiblen Kabel und einer Clip-Vorrichtung für Roboter-Greifer) eine Lösung bieten, stellt das Fehlen eines standardisierten, systemagnostischen Workflows über diverse robotergestützte Multi-Port-Architekturen hinweg eine Barriere für die breite Anwendung des robotergestützten intraoperativen Ultraschalls (RIOUS) dar. Es gilt zu ermitteln, ob ein einziger prozeduraler Rahmen erfolgreich auf architektonisch unterschiedliche Multi-Port-Roboterplattformen unter Verwendung von systemagnostischer Hardware angewendet werden kann.

Methodik
Diese technische Machbarkeitsstudie wurde am IRCAD Research and Training Center in Straßburg, Frankreich, in einem nicht-klinischen, experimentellen Setting mit einem abdominalen Ultraschallphantom durchgeführt. Die Studie evaluierte die Reproduzierbarkeit eines standardisierten sechsstufigen RIOUS-Workflows über vier verschiedene Multi-Port-Roboterchirurgiesysteme hinweg:

1. da Vinci Xi (Intuitive Surgical)
2. Hugo™ RAS (Medtronic)
3. Toumai (MicroPort® MedBot™)
4. hinotori™ (Medicaroid Corporation)

Ausrüstung und Protokoll:

• Ultraschallsystem: ARIETTA 750VE (FUJIFILM Healthcare Corporation).
• Sonden: Zwei systemagnostische Drop-in-Linear-Sonden wurden getestet: die L43K (12–2 MHz, 26 mm Fußabdruck) und die L51K (15–3 MHz, 13 mm Fußabdruck). Beide verfügen über flexible Kabel und Clips, die für Standard-Roboter-Greifer konzipiert sind.
• Phantom: Ein validiertes US-3 IOUSFAN Abdominalphantom, das in einem Box-Trainer untergebracht war, um realistische Trokar-Konfigurationen und anatomische Strukturen zu simulieren.
• Workflow: Ein strukturierter sechsstufiger Protokoll wurde identisch auf alle Plattformen angewendet:
  1. Positionierung des Ultraschallgeräts relativ zum Roboterwagen und der Konsole.
  2. Sicherheitsprüfungen vor der Aktivierung (Sondenbefestigung, Kabelführung, Arminterferenz).
  3. Trokar-Konfiguration (unter Verwendung eines zusätzlichen 12-mm-Zusatztrokars).
  4. Sondeninsertion unter direkter endoskopischer Sicht.
  5. Konsolenkonfiguration und Integration der Bildanzeige.
  6. Instrumentenauswahl und Sondenmanipulation mittels Standard-Roboter-Greifern.

Wichtigste Ergebnisse
Die Studie konnte erfolgreich demonstrieren, dass ein standardisierter RIOUS-Workflow auf allen vier evaluierten Plattformen machbar und reproduzierbar ist.

• Hardware-Integration: Beide Drop-in-Sonden wurden auf allen Systemen intrakorporeal eingeführt und manipuliert, ohne dass es zu Sondenablösung, Kabelverwicklung oder Interferenz mit den Roboterarmen kam. Die kleinere L51K-Sonde bot Vorteile in beengten Räumen, während die L43K eine überlegene Bildqualität für größere Strukturen lieferte.
• Bildanzeige: Die Echtzeit-B-Mode-Bildgebung konnte auf jeder Konsole erfolgreich angezeigt werden, wobei sich die Integrationsmodalitäten unterschieden:
  • da Vinci Xi: Nutzte die native TilePro™-Funktion für eine simultane Split-View-Anzeige.
  • Hugo™ RAS: Erforderte einen externen Workflow unter Nutzung des Touch Surgery™ DS1-Ökosystems, um das Signal an einen Monitor neben der Konsole zu übertragen.
  • Toumai: Nutzte die native Picture-in-Picture (PiP)-Funktionalität, um den Ultraschall über die endoskopische Ansicht zu legen.
  • hinotori™: Verwendete eine Split-View- oder Triple-View-Funktionalität über die Verbindung zum Systemturm.
• Instrumentierung: Eine stabile Greif- und Manipulationsfähigkeit wurde mit Standard-Roboterinstrumenten auf allen Plattformen erreicht. Obwohl die spezifischen bevorzugten Greifer je nach System variierten (z. B. Maryland Bipolar Forceps für da Vinci Xi, Cadiere Forceps für Hugo RAS und Toumai, Versatile Grasping Forceps für hinotori), wurden keine signifikanten Unterschiede in der Stabilität des Clip-Griffs zwischen den beiden Sondentypen festgestellt.
• Konsistenz: Die Kernschritte des Verfahrens (Gerätepositionierung, Trokarstrategie, Sondeninsertion) blieben über die Systeme hinweg konsistent, wobei die Unterschiede auf die Raumaufteilung, die Visualisierungsmodalität und die spezifischen Instrumentenpräferenzen beschränkt waren.

Zentrale Beiträge

1. Erste Multi-Plattform-Demonstration: Dies ist die erste technische Demonstration eines RIOUS-Workflows, der über vier architektonisch unterschiedliche Robotersysteme unter identischen experimentellen Bedingungen durchgeführt wurde.
2. Standardisiertes Protokoll: Die Studie etablierte einen reproduzierbaren, plattformagnostischen sechsstufigen Protokoll, der die technischen Spezifika jedes Systems adressiert und gleichzeitig einen gemeinsamen prozeduralen Rahmen beibehält.
3. Systemagnostische Lebensfähigkeit: Die Forschung validiert, dass systemagnostische Drop-in-Sonden den plattformübergreifenden Kompetenztransfer erleichtern können, wodurch der wirtschaftliche und technische Aufwand für die Entwicklung proprietärer Hardware für jeden Roboterhersteller reduziert wird.
4. Bildungsressourcen: Die Studie generierte vier strukturierte, videobasierte Referenzmaterialien, die den vollständigen Workflow für jede Plattform dokumentieren und zur Unterstützung der Chirurgenausbildung sowie der Integration von RIOUS in robotergestützte chirurgische Lehrpläne dienen.

Bedeutung und Ansprüche
Die Arbeit behauptet, dass ein reproduzierbarer, plattformagnostischer RIOUS-Workflow technisch machbar ist, was darauf hindeutet, dass die Kompetenz in der robotergestützten Ultraschallmanipulation über verschiedene Robotersysteme hinweg transferierbar sein könnte, ohne dass völlig separate Lerncurricula erforderlich sind. Dieser Befund adresset eine kritische Lücke im Bereich und verhindert potenziell die Entstehung von „plattformspezifischen Silos“, die die Einführung des intraoperativen Ultraschalls einschränken.

Die Autoren heben hervor, dass diese Arbeit das prozedurale Fundament für zukünftige Anwendungen in der Telesurgery und dem Tele-Mentoring legt, bei denen ein Fernbediener eine Drop-in-Sonde unter Bildführung manipulieren könnte, während ein Primärchirurg operiert. Darüber hinaus postuliert die Studie, dass RIOUS den Mangel an haptischem Feedback in der Roboterchirurgie teilweise kompensieren kann, indem es eine zusätzliche Ebene visueller Informationen zur Gewebecharakterisierung und Läsionslokalisierung bereitstellt.

Die Autoren bleiben hinsichtlich ihrer Ansprüche bescheiden und räumen ein, dass die Studie auf einem Phantommodell beschränkt war und keine Single-Port-Systeme oder formelle telesurgische Simulationen beinhaltete. Sie betonen, dass zwar der prozedurale Rahmen übertragbar ist, die plattformübergreifende Übertragbarkeit der sonografischen Interpretationskompetenz jedoch weiterer formeller Untersuchungen bedarf. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die standardisierte Video-Dokumentation und systemagnostische Hardware einen praktischen Schritt in Richtung einer kollaborativen, bildgestützten robotergestützten Chirurgie darstellen.