In schwer zugänglichen Bereichen des menschlichen Körpers navigieren und dabei höchste Präzision bewahren: Dieser Herausforderung stellt sich eine neue Generation von Endoskopen mit variabler Steifigkeit, die an der EPFL entwickelt wurde. Sie ebnet den Weg für neue minimalinvasive Eingriffe.
Die Behandlung des Körperinneren ohne grössere Schnitte ist dank Endoskopen alltäglich geworden. Diese langen, mit einer Kamera ausgestatteten Schläuche sind in der Lage, sich in enge Hohlräume zu zwängen, um verschiedene Krankheiten auf minimalinvasive Weise zu diagnostizieren und zu behandeln. Weltweit werden jährlich etwa 190 Millionen solcher Eingriffe durchgeführt. Im Operationssaal ist das ideale Instrument jedoch noch nicht angekommen. Je nach Art des Eingriffs muss die Chirurgin oder der Chirurg zwischen der Präzision und Kraft eines starren Instruments zum Sezieren des Gewebes auf der einen Seite und der Flexibilität zum reibungslosen Navigieren durch die verschlungenen Wege der Anatomie auf der anderen Seite wählen. Minimalinvasive Eingriffe gehen in offene Operationen über, wenn es den Ärzten nicht gelingt, sowohl den Zielbereich zu erreichen als auch eine wirksame Behandlung durchzuführen. Dies gilt insbesondere für Eingriffe wie Sinusoperationen in der HNO (Hals-Nasen-Ohrenheilkunde), bei denen der Zugang sehr begrenzt ist. Um dieses Problem zu lösen, entwickelt ein Start-up-Unternehmen der EPFL, Dexterous Endoscopes, eine neue Generation flexibler Instrumente, die sich im Bruchteil einer Sekunde vollständig verriegeln können, um die Stabilität und Präzision eines starren Werkzeugs zu bieten.
Eine mechanische Kontrolle der Steifigkeit
An der EPFL wurden verschiedene Technologien erforscht, die sich für chirurgische Instrumente eignen und insbesondere aus der flexiblen Robotik abgeleitet wurden. Dazu gehören beispielsweise intelligente Polymere, Metalllegierungen, deren Steifigkeit je nach Temperatur variiert. Oder auch Systeme mit Tausenden von Fasern oder Granulaten, die in ein externes Substrat integriert sind und im Vakuum von einem weichen zu einem steifen Zustand wechseln können. Aufbauend auf diesen Arbeiten haben die Wissenschaftler des Spin-offs des Labors für intelligente Systeme der EPFL einen neuen Ansatz entwickelt, der auf einer Architektur mit mechanischer Segmentierung beruht. Das Endoskop besteht aus einer Reihe miteinander verbundener Segmente, die sich während der Navigation in den Gefässen frei bewegen und durch einen einfachen Druck des Arztes zu einer starren Struktur zusammengeschoben werden können. Auf diese Weise eingefroren, ist die Struktur stabil und wird in der Lage, die für die Dissektion erforderliche Kraft zu übertragen.
"Dieser Ansatz ermöglicht es Ärzten und Ärztinnen, mehrere Ziele während eines Eingriffs effektiv zu erreichen und zu behandeln. Damit stellt er sich einer grossen Herausforderung bei HNO-, urologischen und gastrointestinalen Eingriffen, bei denen in engen und schwer zugänglichen Bereichen operiert werden muss", erklärt Yegor Piskarev, Direktor von Dexterous Endoscopes. "Derzeit ermöglichen bestimmte Arten von Endoskopen mit variabler Steifigkeit eine vorübergehende Erhöhung der Steifigkeit des Schafts, um das Einführen und Platzieren von Instrumenten zu erleichtern. Sie ermöglichen jedoch keine Formverriegelung und bieten nicht das Mass an Kontrolle, das für die Durchführung von Eingriffen mit hoher Präzision erforderlich ist".
In Krankenhäusern in Lausanne, München und London wurden bereits präklinische Tests unter Bedingungen durchgeführt, die realen Eingriffen genau entsprechen. Das Feedback der Chirurginnen und Chirurgen half den Ingenieuren, das Gerät weiterzuentwickeln, um den klinischen Anforderungen besser gerecht zu werden. "In unserem Bereich ist es sehr wichtig, vor der Fertigstellung des Designs eng mit den Anwendern zusammenzuarbeiten, um sicherzustellen, dass das Gerät ihren Bedürfnissen entspricht und sich in der Praxis bewährt, da Änderungen nach dieser Phase sehr kostspielig werden", erklärt Yegor Piskarev.
Während eines Beschleunigungsprogramms aufgefallen
Das junge Unternehmen hat das Interesse mehrerer Schweizer Start-up-Experten geweckt. Während sie gerade die 100’000 Franken erhalten hatte, die ihr in der dritten und letzten Phase des Venture-Kick-Programms zugesagt worden waren, trat sie letztes Jahr dem HSG Start in St. Gallen bei. Dort wurde sie aus über 130 Bewerbungen als einziges Start-up ausgewählt, das eine Investition erhielt. Im Rahmen dieses Beschleunigungsprogramms konnte der Unternehmer mehrere Monate lang eng mit erfahrenen Start-up- und Investitionsexperten zusammenarbeiten. Er hinterfragte und verfeinerte rigoros den Business Case, den Finanzplan und die Gesamtpositionierung des Unternehmens, um sich auf die Gespräche mit den Investoren vorzubereiten.
Das Team von Dexterous Endoscopes hatte ursprünglich geplant, eine Technologie für Herzkatheter zu entwickeln, doch der Markt erwies sich als schwierig. "Das Verfahren zur Markteinführung ist sehr kostspielig und mit vielen regulatorischen Formalitäten verbunden", erklärt Yegor Piskarev. "Ausserdem werden diese medizinischen Eingriffe häufig mithilfe von spezialisierten medizinischen Robotern durchgeführt, was die Grösse des Marktes begrenzt." Nachdem das Team Hunderte von Chirurgen befragt hatte, um die Chancen besser einschätzen zu können, entschied es sich für einen anderen Weg: Endoskope mit variabler Steifigkeit für Eingriffe im HNO-Bereich, bei den Harnwegen und im Gastrointestinaltrakt. "Dies sind grössere Märkte mit ähnlichem ungedecktem klinischen Bedarf, aber mit weniger Hindernissen, die es zu überwinden gilt."
Dexterous Endoscopes plant nun, die behördlichen Genehmigungen in den USA und der Schweiz einzuholen, um sein Gerät auf diesen Märkten in den klinischen Betrieb zu nehmen. Um dies zu erreichen, organisiert das Unternehmen in diesem Jahr eine Kapitalbeschaffung, um die Entwicklung und Zertifizierung des Produkts zu beschleunigen.
