Fraunhofer IPA und LMU Klinikum präsentieren robotisches Assistenzsystem für die Kindermedizin

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Der Gesundheitszustand von Kindern, die nach einem leichten Schädel-Hirn-
Trauma im Krankenhaus aufgenommen werden, muss engmaschig überwacht
werden. Die beiden Projektpartner haben einen Roboter entwickelt, der das
Personal bei routinemäßigen Prüfungen des Gesundheitszustands dieser
Patientinnen und Patienten unterstützen kann.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA hat
gemeinsam mit dem Dr. von Haunerschen Kinderspital des LMU Klinikums
München ein innovatives robotisches Assistenzsystem umgesetzt, das
medizinischem Personal bei standardisierten Überwachungsaufgaben zur Hand
gehen kann.

Der auf den Namen »Helga« getaufte Roboter befindet sich derzeit im
Testbetrieb im Kinderspital und misst dort ausgewählte Vitalparameter von
Kindern mit leichtem Schädel-Hirn-Trauma (»Gehirnerschütterung«), einer
der häufigsten Ursachen für stationäre Aufenthalte in kinderchirurgischen
Kliniken.

Patientinnen und Patienten verbleiben hierfür 24 bis 48 Stunden auf
Station, wobei Pflegekräfte initial stündlich standardisierte
neurologische Checks bezüglich Pupillenreaktion, Herzfrequenz sowie
verbaler und motorischer Reaktionen durchführen und das Allgemeinbefinden
kontrollieren. Dieser Prozess dauert pro Kind etwa fünf bis zehn Minuten
und bindet bei hoher Patientenzahl signifikante Personalressourcen.
Der umgesetzte Roboter-Prototyp zeigt somit, wie digitale Assistenzsysteme
den zunehmenden Fachkräftemangel im Gesundheitswesen zumindest abmildern
könnten.

Innovative Lösung für hochstandardisierte Prozesse

Am Markt war hierfür noch keine passende Lösung verfügbar. »Wir haben ein
Jahr intensiv daran gearbeitet, ein Assistenzsystem zu entwickeln, das
komplexe medizinische Überwachungsaufgaben sowohl zuverlässig als auch
kindgerecht durchführen kann«, erklärt Birgit Graf, die das Projekt am
Fraunhofer IPA leitet. Die Informatikerin verfügt über mehr als 25 Jahre
Erfahrung in der Entwicklung robotischer Assistenzsysteme für
Gesundheitswesen und Pflege.

Das Besondere an der Entwicklung: Während der »Körper«, also die
Roboterhardware, auf einem handelsüblichen Servierroboter basiert, wurde
der »Kopf« des Systems komplett neu konzipiert. Er besteht aus einem
leistungsfähigen Rechner mit integriertem Touchscreen und verschiedenen
Sensoren, die speziell für medizinische Anwendungen ausgelegt sind. Der
Prototyp ist in der Lage, in einer interaktiven und unterhaltsamen
Anwendung den Schmerzscore, die Pupillenreaktion, Herzfrequenz sowie
verbale und motorische Reaktionen der Patienten nach der »Glasgow Coma
Scale« zu erfassen.

Technische Durchbrüche bei Pupillen- und Vitalparameter-Messung

Die größte technische Herausforderung bestand darin, ein berührungsloses
Messverfahren für die Pupillenreaktion und Herzfrequenz zu entwickeln.
»Das Sensorkonzept für den Pupillentest mussten wir vollständig neu
entwickeln«, betont Winfried Baum, wissenschaftlicher Mitarbeiter am
Fraunhofer IPA, der das Assistenzsystem gemeinsam mit Graf entwickelt hat.
»Besonders anspruchsvoll war es, das System so zu trainieren, dass es auch
bei sehr unterschiedlichen Anatomien der Kinder und variierenden
Lichtverhältnissen zuverlässig funktioniert.«

Das System erfasst mittels einer spezialisierten Kamera-Licht-Einheit die
Pupillenveränderungen auf einen Lichtreiz hin – eine zentrale
neurologische Untersuchung. Zusätzlich prüft der Roboter über interaktive
Elemente auf dem Touchscreen, ob die jungen Patientinnen und Patienten
sprachlich und motorisch unauffällig reagieren können. Sie identifizieren
beispielsweise Tiere auf dem Bildschirm oder bewerten ihr Befinden über
Smileys, wodurch gleichzeitig ihre Bewegungsfähigkeit getestet wird.

Die Entwicklung profitierte dabei auch von vorherigen Arbeiten am
Institut. Dazu gehören die Auswertung von Sensordaten, um sitzende
Personen zu erkennen, sowie das automatische Errechnen einer geeigneten
Position für die Interaktion. In einem Vorgängerprojekt wurde auch die
Fähigkeit, Türen zu erkennen und zu öffnen, für einen Roboter umgesetzt,
denn geschlossene Zimmertüren sind für Roboter aktuell noch eine Barriere.
Diese Fähigkeit soll künftig weiterentwickelt und auf den Roboter der LMU-
Kinderklinik übertragen werden.

Messbarer Mehrwert für Kliniken und Patienten

»Unser Assistenzsystem kann hochstandardisierte Prozesse übernehmen und
ermöglicht es dem Personal, mehr Zeit für andere wichtige medizinische
Aufgaben, den direkten Patientenkontakt und Gespräche mit Angehörigen zu
verwenden«, erläutert Prof. Jan Gödeke, Stellvertretender Direktor der
Kinderchirurgischen Klinik und Initiator des Projekts.
In einer wissenschaftlichen Begleitstudie wird Helga derzeit in der
Interaktion mit insgesamt rund 120 Patienten erprobt[BG1.1]. Dabei werden
die Vitaldaten parallel durch Personal und Roboter erfasst und verglichen.
Zusätzlich werden Kinder, Eltern und medizinisches Fachpersonal zu ihren
Erfahrungen befragt.

Vielfältiges Anwendungspotenzial

Langfristiges Ziel ist es, den Roboter zu einem komplett autonom
agierenden, zertifizierten Medizinprodukt weiterzuentwickeln. Dadurch kann
das Pflegepersonal in seinem Arbeitsalltag signifikant entlastet und somit
mehr Zeit für den direkten Patientenkontakt und Elterngespräche gewonnen
werden. Zudem sollen die Erfassung weiterer Vitalparameter sowie
zusätzliche Interaktionsfunktionen – beispielsweise die Durchführung der
ersten Anamnese bei der Aufnahme bis hin zu Führungen über die Station –
in den Roboter integriert werden. »Die Grundprinzipien – berührungslose
Sensorik, interaktive Patientenführung und zuverlässige Datenerfassung –
sind auf viele standardisierte Prozesse im Gesundheitswesen übertragbar«,
sagt Graf.

Das Fraunhofer IPA sucht nun Partner aus der Medizintechnik, Krankenhäuser
und Roboterhersteller für diese Weiterentwicklung und den Transfer der
Technologie. Die beteiligten Forscherinnen und Forscher konnten mit diesem
Projekt zeigen, dass robotische Assistenzsysteme einen echten Mehrwert im
klinischen Alltag bieten können. Nun möchten sie gemeinsam mit Partnern
weitere Anwendungen erschließen und die Technologie zur Marktreife
bringen.