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. 2018 Mar 22;97(Suppl 1):S231–S278. doi: 10.1055/s-0043-121791

Robotic Surgery – Who is The Boss?

Patrick J Schuler 1,
PMCID: PMC6541110  PMID: 29905359

Abstract

In the head and neck region, great potential is seen in robot-assisted surgery (RAS). Mainly in cancer surgery, the use of robotic systems seems to be of interest. Until today, two robotic systems (DaVinci® und FLEX®) have gained approval for clinical use in the head and neck region, and multiple other systems are currently in pre-clinical testing. Although, certain groups of patients may benefit from RAS, no unbiased randomized clinical studies are available. Until today, it was not possible to satisfactorily prove any advantage of RAS as compared to standard procedures. The limited clinical benefit and the additional financial burden seem to be the main reasons, why the comprehensive application of RAS has not been realized so far.This review article describes the large variety of clinical applications for RAS in the head and neck region. In addition, the financial and technical challenges, as well as ongoing developments of RAS are highlighted. Special focus is put on risks associated with RAS and current clinical studies. We believe, that RAS will find its way into clinical routine during the next years. Therefore, medical staff will have to increasingly face the technical, scientific and ethical features of RAS.

Key words: robotic, TORS, head and neck cancer, costs, clinical studies

1. Introduction

Robot-assisted surgery (RAS) is increasingly applied in head and neck surgery, however, it is still controversially discussed. The advantages of RAS are that it does not only modify our surgical capacities by improving current surgical methods but also provides new options of surgical approaches 63 . In specialized centers, RAS is regularly performed for surgery of benign and malignant diseases of the oropharynx. In particular in Asian countries, robot-assisted interventions of thyroid gland. This is reflected in the sales numbers of robotic systems as well as the number of cases of RAS that increase worldwide. By optimized visualization and accessibility of the surgery site, RAS allows reduction of the tissue trauma. Additionally, improved esthetic outcomes seem to be possible because in some cases conventional surgery with open incision is no longer needed. Despite all this, RAS could not yet prevail in Europe regarding head and neck surgery. The reasons are the complex handling of the robotic systems and the financial efforts with frequently missing reciprocal financing. But in particular, up to now no real advantage of RAS could be confirmed in comparison to conventional surgical procedures such as transoral laser microlaryngoscopy (TLM).

A robot is a programmable multipurpose tool, which is applied for moving material, workpieces, and special devices. The movement is freely programmable and the robot is suitable for most various tasks 2 . Typically, a robot is used to perform repetitive, tiring activities with high precision and reproducibility. In general, a robot is attributed a high degree of autonomous work, which, however, does not apply for devices used in medicine. The limitations in this context are unsolved technical challenges and existing security concerns.

The robotic systems that are applied today, are computer-assisted surgery tools that at best optimize surgical processes and may increase the accuracy of the intervention. The following review article describes most recent developments of RAS and is divided according to the anatomical regions of the head and neck area. In the following, haptic aspects, risks, and financial features of RAS will be discussed and current clinical studies will be presented.

2. Robotic Systems

The majority of robot-assisted surgeries of the head and neck worldwide is currently performed with the DaVinci system of Intuitive Surgical Company (Sunnyvale, USA) ( Fig. 1 ). In the 1980ies, this company evolved out of the research institute “SRI International”. It is meanwhile well-known that the development had a military background; by means of the robot, rapid surgical interventions should be performed in battlefields without physical presence of the surgeons. In 2003, the company merged with “Computer Motion” that produced the former ZEUS robotic system which was withdrawn later from the market.

Fig. 1.

Fig. 1

Newest versions of the DaVinci system (Intuitive Surgical, USA). a Xi generation with instrument arms that are positioned above the patient. b Prototype of the DaVinci single post system with instruments that can be triangulated.

The current DaVinci system consists of 3 instrument arms that encompass a rigid shank with a flexible end effector. The instruments lose their approval after 15–20 application cycles and are electronically blocked. Imaging is performed via a fourth camera arm that allows 3-dimensional visualization. In contrast to most other systems, the information exchange between the DaVinci robotic system and surgeon occurs only electronically. So the distance between patient and surgeon is variable and in extreme cases it may even amount to several thousand kilometers 111 . The DaVinci robot is mainly applied in gynecology but also in urology, general surgery, and head and neck surgery.

The DaVinci system came on the European market for the first time in 1999. In 2001, it received the FDA approval for abdominal surgery. The research group around Weinstein et al. in Philadelphia, USA, performed early pioneering work regarding the application of the DaVinci system in the head and neck 61 so that in 2009 the device was approved for transoral robot-assisted surgery (TORS) by the Food and Drug Administration (FDA).

The initial DaVinci model was further elaborated in 2006 by 3-dimensional visualization (DaVinci-S) 16 . The 3D visualization led to significant improvement of the surgical outcome and will certainly be the future standard of robot-assisted surgery 184 . While the next Si-generation of the DaVinci system of 2009 was still placed on a vehicle beside the surgery table, the Xi-generation of 2014 has a design locating all instrument arms above the patient ( Fig. 1a ). The new, slightly reduced X-generation obtained the CE approval for the European market in 2017. The X-generation has thinner arms than the Xi-system, but it is fixed on a vehicle such as the Si-system. So the X-system could be sold at a reduced price of about 1 million USD in order to address new target groups. Until now, the DaVinci Single-Port (SP) system did not receive its approval; it is currently tested in the context of clinical studies ( Fig. 1b ).

Beside the DaVinci system, also the FLEX® system (Medrobotics, Raynham, USA) could be established for transoral robot-assisted surgery. The central feature of the FLEX® system is a computer-assisted flexible endoscope, which may adapt to the non-linear anatomy of the pharynx during insertion ( Fig. 2 ). So, basically, even patients may be treated where retroflexion of the cervical spine is not possible. After fixing the endoscope, flexible instruments are inserted via additional channels along the endoscope, with which the surgical intervention in the neck area can be performed 158 . The visualization occurs by means of a HD camera at the tip of the endoscope. The approval study was performed in 4 ENT centers in Europe with a total of 80 patients and led to FDA approval in 2016 for the American market 94 . Thus, beside the DaVinci the FLEX® system is another practically suitable system that is available for head and neck surgery.

Fig. 2.

Fig. 2

FLEX® system (Medrobotics, USA). a The flexible design allows adaptation to the human anatomy. b In the tip of the endoscope, camera and light are integrated. The flexible instruments are inserted via separate channels. c The FLEX® system is approved for interventions at the pharynx and larynx.

3. Oropharynx

The main field of transoral robot-assisted surgery are pathologies of the oropharynx including the tonsils, base of the tongue, and lateral pharyngeal walls ( Fig. 3 ). This is in particular due to the good accessibility but also to the relatively high number of patients who suffer from diseases in these regions. Since the DaVinci system was initially approved for interventions in gynecology and urology, Weinstein et al. could document robot-assisted supraglottic laryngectomy in 3 patients for the first time in 2007 193 . In the same year, a prospective, single-arm phase I study of patients with tonsillar carcinoma was published (T1-2, n=27). The resection margins were sufficient in 25/27 patients, the complications encompassed mucosal bleeding, delirium, unforeseen tracheostomy in the context of OSAS, light trismus, and twang 194 . Some years later, an American multicenter study was published with 192 patients mostly suffering from oropharyngeal cancer 192 . Because of the insufficient visualization, the intervention could not be completed in 15/192 patients (about 7.8%).

Fig. 3.

Fig. 3

The main indications for TORS are tumors of the oropharynx (T1-T2) as displayed in this PET-CT.

Based on those feasibility studies, some centers routinely perform TORS for smaller oropharyngeal carcinomas (T1-T2) 70 . Furthermore, numerous other clinical centers described their experiences with TORS of the oropharynx, including among others German research teams (n=50, n=17) 109 113 , the French TORS consortium (n=169) 8 , a South Korean team (n=27) 103 , and a Belgian multicenter trial (n=86) 121 . The overall survival described in those studies is regularly comparable with the one after primary radiochemotherapy 197 . Since those TORS cases are non-randomized case descriptions, however, a significant bias regarding the patient selection must be assumed.

The increasing TORS-specific knowledge led to an inclusion of the parapharyngeal space into the list possible indications of TORS. So O’Malley et al. performed surgery in a case series of 10 patients with benign tumors of the parapharyngeal space with the DaVinci system 129 . Also Ashad et al. were successful in 3 patients with benign or malignant tumors 7 . However, TORS intervention in this area require detailed knowledge of the parapharyngeal anatomy. In particular the courses of the internal carotid artery and the glossopharyngeal nerve are relevant for the transoral approach as they are described in detail by Wang et al. 185 . Furthermore, the incidence of the pathologies in the parapharyngeal space is low and only part of them can actually be treated surgically.

Patients with obstructive sleep apnea syndrome (OSAS) have a particular significance in this context. Since it is a non-malignant disease with high incidence, the question if the financial efforts justify robot-assisted interventions is passionately discussed over and over again. Tonsillectomy and reduction of the base of tongue can certainly be performed adequately without a robotic system. But the advantages of TORS encompass a less important surgical trauma and more rapid postoperative healing. Without any doubt, as described by Vicini et al., uvulopalatopharyngoplasty (UPPP) is a good possibility with correct indication to reduce the complaints of OSAS patients (n=234) 183 . This statement is supported by observations made by Hoff et al. (n=285) 62 . In cases of successful treatment, Friedman et al. could compute an advantage of TORS compared to alternative surgical methods such as radiofrequency ablation or submucous excision of the base of tongue. However, the morbidity with regard to dysphagia and duration of healing in the TORS group was significantly higher (n=27) 49 . Golbin et al. could reveal that the postoperative sleep endoscopy as part of the indication for decision contributes significantly to the surgery success 58 . In their patient cohort (n=104) it also became obvious that TORS interventions are associated with higher costs and longer hospitalization in comparison to conventional surgery without improving the surgical outcome. Finally, different meta-analyses could confirm the treatment success of TORS also for obese OSAS patients 55 116 . The question still remains unanswered if TORS is superior to alternative surgery methods, which would justify the high financial efforts.

Remarkably few research teams in the literature deal with robot-assisted resections of tumors of the base of tongue. In 2006, O’Malley et al. were the first to describe this procedure in 3 patients 131 . Another case series of 13 patients was published in 2013 by the Italian group around Mercante et al. 119 . Both studies confirmed a good feasibility with favorable functional outcome.

With increasing experience of the surgeons, meanwhile even robot-assisted interventions in the hypopharynx seem to be well feasible. Already in 2013, Park et al. published a retrospective study on hypopharyngeal cancer where TORS (n=30) was compared to open surgery 140 . Taking into account the selection bias, the TORS group revealed better values of the decannulation rate, swallowing, and hospitalization. The 5-year survival rate was similar in both groups 141 . Smaller case series confirm the feasibility of TORS in the hypopharynx (n=5) and especially in the piriform sinus (n=10) 108 187 . The above-mentioned interventions were all performed with the electric resection instruments of the DaVinci system. Exemplarily, Kucur et al. showed in one patient that robot-assisted laser resection is also possible in the hypopharynx 88 . The flexible laser fiber was conducted with the needle holder. Despite those encouraging descriptions, it should be clear that patients for TORS must have an optimal visualization of the hypopharynx and thus they are of course also suitable for transoral laser microsurgery. Another group of pathologies that might represent an extended application of TORS are diverticula of the upper hypopharynx. Patients with a hypopharynx that is difficult to expose might benefit from the use of a flexible robotic system, which was demonstrated in cadaver studies 51 .

One important aspect of the selection of therapeutic options are long-term courses of patient groups. Different research teams could confirm favorable survival rates and good functional results for TORS patients 38 122 . However, surgical and non-surgical treatment protocols that were compared retrospectively with TORS have not been described in detail. Furthermore, the quality of life of TORS patients was satisfactory in the long-term course while adjuvant radio(chemo)therapy generally reduced the quality of life 45 66 .

In the past, a small group of TORS surgeons dealt with robot-assisted surgery of free tissue transplants 40 . Mukhija et al. published a first description in 2009; in 2 patients they could insert radial grafts for pharyngeal reconstruction with robotic assistance 125 . Other research teams followed applying radial, femur, or jejunum grafts 18 31 56 142 . In another case series, also radial transplants were used for defect coverage after TORS, which was, however, performed by conventional suture without robotic assistance 13 . One publication of Song et al. must be emphasized here; they describe the robot-assisted suture of vascular anastomosis using special micro-instruments 167 .

4. Nasopharynx

The nasopharynx is very suitable for robot-assisted surgery because of its anatomical location. The traditional open surgery is complex and can often only be performed via large accesses such as mandibular splitting associated with high morbidity 188 . On the other hand, the nasopharynx can be accessed with suitable instruments by a transnasal as well as transoral approach through existing openings without the need of further skin incisions. Both accesses are discussed in the following, as single access or in combination. There will be overlappings with approaches to the skull base so that the chapter on “Paranasal sinuses and skull base” is mentioned. In 2008, Ozer et al. were the first to describe complete robot-assisted nasopharyngectomy in a cadaver model 137 . The research group chose the transoral approach with the DaVinci system. Visualization was improved by slight head extension in the Trendelenburg position so that the entire nasopharynx could be visualized and also the internal carotid artery could be exposed on both sides. However, a paramedian splitting of the palate was necessary to perform this intervention.

Another laterally performed splitting of the palate with creation of a pedicled soft tissue transplant was described by Tsang et al. 179 . Further opening of the palate leads to a better view of the surgery site, especially in cases of laterally located pathologies. After surgery, the wound can be sutured completely with robotic assistance. Of course, splitting of the palate is not desirable so that other systems for robot-assisted surgery of the nasopharynx were tested. In 2014, Richmon et al. could first describe transoral nasopharyngectomy with the FLEX® system in a cadaver study 147 . Due to the flexible design of the computer-guided endoscope, splitting of the palate can be avoided due to consistent visualization. The same system revealed advantages in the nasopharynx compared to rigid transnasal endoscopy because 2 instruments can be applied at the same time 159 . The descriptions published by Holsinger et al. are very promising. He had the possibility to test the new DaVinci-Single-Port system for nasopharyngeal surgery 180 . Also in this context, the complete nasopharyngectomy could be performed in a cadaver model under visualization of the internal carotid artery and the trigeminal nerve without palate splitting. If the application of a third instrument arm is beneficial in the practice – as described by the authors – remains to be seen.

The merely transnasal, endoscopic access to the nasopharynx has been described several times as “extended endonasal approach” (EEA) for recurrences of nasopharyngeal carcinomas in the context of salvage surgery 29 . Castelnuovo et al. demonstrated in 36 patients that this intervention can be performed by experienced surgeons also in advanced carcinomas. Because of the limited visualization and accessibility of the anatomical structures, this approach is only feasible in selected patients. The possibility to perform navigated biopsy of the nasopharynx by means of a newly developed continuum robot, was described by Wu et al. in a cadaver model in 2017 196 . The system consists of 2 concentric rigid tubes that can be controlled independently. This non-linear approach is comparably atraumatic and could thus be applied possibly even under local anesthesia.

In analogy to robot-assisted skull base surgery, transoral approaches in combination with transantral or transcervical approaches have been described for interventions of the nasopharynx 33 36 . Both approaches allow a good exposure and manipulation of the entire nasopharynx. However, because of the clearly increased access morbidity and missing drilling instruments for an extended transantral approach, those procedures have been described only in cadaver studies.

Regarding surgery of the nasopharynx, the combined transnasal/transoral approach is most developed. In 2012, Dallan et al. performed complete transoral nasopharyngectomy with the DaVinci system 36 . Palatal splitting could be avoided when the camera arm was inserted transnasally. In this context, posterior septum resection turned out to be helpful in order to visualize the entire surgery site. Also the combination of a transoral robot-assisted approach (TORS) with transnasal endoscopic surgery seems to be appropriate. This surgical procedure uses the advantages of both approaches that may complete each other optimally in the nasopharynx. Sreenath et al. could show in 3 clinical cases that these procedures are generally feasible 168 . The treated patients suffered from retropharyngeal metastasis of a thyroid carcinoma, mucosal melanoma of the nasopharynx, and nasopharyngeal synechia after nasal drug abuse.

The group of Wei et al. in Hong Kong disposes of the largest clinical experience with robot-assisted surgery of the nasopharynx. Already in 2010, one patient with recurrent nasopharyngeal cancer could be successfully operated with the DaVinci system 189 . Despite the use of the instruments with the EndoWrist® design that allow extended rotation in the end region, palatal splitting was necessary for the intervention as described above. Two years later, a patient was treated who also presented cancer recurrence at the roof of the nasopharynx 198 . The intervention was performed similarly to the one of Sreenath et al. with a combined transoral, robot-assisted approach and transnasal endoscopic intervention without robotic assistance so that the tumor could be resected en bloc with sufficient security margins.

A case series of 12 patients with recurrent nasopharyngeal cancer was published by Tsang et al. in 2014 181 . The tumor stages included T1-T4, and all patients underwent surgery with the DaVinci system via a transoral approach and palatal splitting. In 11/12 patients, sufficient security margins or a close-margin situation could be achieved. The complications that were described encompassed osteonecrosis of the clivus, persisting palatal fistula, and hypoxic brain damage. In the oncological follow-up, 2/12 patients had local recurrences and one patient revealed distal metastases. According to the authors, the survival rate without adjuvant therapy amounted to 83% after 2 years. So TORS represents a therapeutic option with acceptable response rates especially for local recurrences of nasopharyngeal carcinomas. In addition, the research team discusses the significance of surgical therapy of tumor recurrences in the nasopharynx in comparison to alternative treatment options 190 . However, because of the low incidence of nasopharyngeal cancer in Europe, the authors of a meta-analysis gave only reluctant recommendation for robot-assisted interventions in the nasopharynx 120 .

5. Larynx

The consequent development and progress of TORS led to robot-assisted inventions in the larynx. Multiple publications describe case series of patients with supraglottic pathologies which can be explained by the good accessibility of the epiglottis. However, this stands in no relation to the low incidence of epiglottic carcinomas. In addition, because of their size or the patient’s age they often cannot be accessed by surgical therapy, which can also be seen in the low number in the published case series. Likewise to transoral laser microsurgery (TLM), the rigid instruments of the DaVinci system require a mostly straight access (“straight line of sight”) and in particular in laryngeal surgery, the size of the device leads to mechanical interferences between the instruments. In order to demonstrate the advantages of TORS compared to TLM, randomized clinical studies are necessary that are currently not yet available.

The most important case series contains first descriptions in animal models apart from 3 clinical cases published by Weinstein et al. in 2007 191 193 . The largest patient cohort was provided by the subgroup analysis of the French TORS consortium (n=84) 145 . However, in this study, high rates of insufficient resection margins (52%) and postoperative bleeding (18%) are surprising since they are not in accordance with other publications. Solares et al. could describe the application of a flexible CO 2 laser fiber in the supraglottis 164 . In a non-randomized prospective trial, the Korean group around Kim et al. published significantly better functional results for TORS compared to open partial laryngectomy for supraglottic cancer (n=34), which have to be interpreted with consideration of the selection bias 139 . Further case series were published with similar results 118 135 .

Beside the DaVinci system, also the Flex® system is used for supraglottic interventions. In the context of the European approval study, a total of 16 patients with supraglottic pathologies of the epiglottis, the false vocal folds, and the arytenoids were treated with flexible TORS 94 . Regardless of the system, no effective advantage of TORS compared to standard TLM could be confirmed for supraglottic laryngeal surgery. Here, further development of robot-assisted surgery with special focus on laryngeal surgery is required.

Because of the minimal skin incision, complete transoral robot-assisted laryngectomy (TORS-LE) might reduce the risk of salivary gland fistula which is an advantage in particular in the context of salvage surgery 54 . Possibly, the recommended additional defect covering by means of pedicled pectoralis flaps is no longer needed in cases of salvage surgery 53 . Neck dissection may be performed either in a second session or can be replaced by clinical follow-up 47 . TORS-LE is performed by preparing from caudal into cranial direction via a small tracheostomy skin incision and then completed transorally by means of the robotic system. As described by Lawson et al., the necessary pharyngeal suture can, be performed transorally 95 . In the following time, American, Australian, and Chinese case series were published with smaller numbers of cases that confirmed the clinical feasibility 31 85 163 . Apart from the DaVinci system, also other instruments can be applied for TORS-LE. Fernandez et al. demonstrated the application of an ultrasound scalpel for the transoral part of TORS-LE 48 . In a cadaver model, our research team examined the application of the FLEX® system, whereby the transcervical, non-robotic part of the surgery could be significantly extended 160 .

Although the DaVinci® system has not been developed for being applied in vocal fold surgery, reports in this area are increasingly published. In 2011, Blanco et al. were the first to publish the resection of a T1 larynx carcinoma with a flexible CO 2 fiber 15 . In the following year, Kayhan et al. reported about a case series of 10 patients who underwent robot-assisted chordectomy 74 . Tracheostomy was indicated only in one case and the authors interpreted an advantage of TORS compared to TLM with regard to visualization and accessibility of the surgery site. Similar results were described by Lallemant et al. 93 . Local recurrence was observed in 2/13 patients in the anterior commissure which reveals that this area has to be classified as being critical also with TORS because of the poor exposition. Finally, Wang et al. could describe a case series with glottic laryngeal cancer patients who did not require tracheostomy and who did not develop local recurrences after an average follow-up of 40 months (n=8) 186 .

After specific cadaver studies, clinical interventions on the glottic level could also be performed with the FLEX® system in the context of the approval study 50 94 . Since the FLEX® system has not been conceived primarily for glottic interventions, the visualization failed in 3 of 5 cases and the intervention had to be converted to conventional TLM. A possible solution of this problem might be new and smaller instruments, especially developed for laryngeal surgery and announced for 2018.

6. Paranasal Sinuses and Skull Base

The robot-assisted access to the skull base would enormously extend the surgical possibilities of the partly vulnerable anatomical structures of this region. Because of technical limitations, the application of robotic systems in this field is only limited to cadaver models and individual clinical case descriptions 171 177 . Due to its size, the DaVinci system seems to have a suboptimal structure for an approach to the skull base 155 . So there are several alternative systems that address the particular requirements of this surgery site.

Burgner et al. have developed a continuum robot that is inserted transnasally without further incisions 22 . Because of its design with 3 concentric metal tubes, any given point in a 3-dimensional space can be selected in a non-linear way ( Fig. 4 ). Each metal tube is controlled independently in its extension and rotation via its own monitor. Thus the resection of a pituitary gland tumor seems to be possible in a human skull model. Morimoto et al. suggest a personalized solution where – based on the indication and the according imaging – concentric tubes are produced specifically for each patient 124 . This approach, however, has only been realized for urological patients.

Fig. 4.

Fig. 4

The continuum robot of the faculty of continuum robotics of the Leibniz University of Hannover, Germany, consists of concentric tubes that can be moved independently.

In 2005, the automated surgery of the sphenoid sinus was realized in a cadaver model by the team of Erlangen 20 . For this purpose, a drilling system was mounted to a robot arm with 6 degrees of freedom and coupled to an optic navigation system. The average accuracy of the whole system was 1.5 mm. However, reports on a further development of the systemhave not been published until now.

In the following, 3 support devices for endoscopes will be introduced that permit the application of 2 instruments at the same time. The SOLOASSIST endoscope support (ACTORmed, Regensburg, Germany) has originally been developed for abdominal surgery and is currently adapted in cadaver studies for the requirements of lateral paranasal sinus and skull base surgery ( Fig. 5a ) 86 . The endoscope holder can be controlled directly via a small joystick, which is mounted to the rigid standard instruments. In the published cadaver studies, the most important landmarks at the lateral and frontal skull base could be securely identified.

Fig. 5.

Fig. 5

a The newest version of the SOLOASSIST automated endoscope holder for minimally invasive surgery of the paranasal sinuses (AKTORmed, Regensburg, Germany). b The robotic endoscope support of Medineering (Munich, Germany) has been developed for surgery of the paranasal sinuses and is waiting for clinical approval.

A speech control with 23 single commands was integrated in the alternative AESOP endoscope holder (Computer Motion, Goleta, CA) so that also here 2 instruments could be applied at the same time. In addition, anatomical landmarks could be registered and later visualized again by means of a short commando. Nathan et al. demonstrated an approach to the sella turcica in a human cadaver model by means of the AESOP system 126 . Only shortly afterwards, an additional model was developed for the same system allowing the control of the endoscope via movement of the surgeon’s eyes 4 . The AESOP endoscope holder was integrated as independent part of the ZEUS robot that had received the FDA approval in 2001. AESOP and ZEUS systems are no longer manufactured and distributed. The endoscope device of the Medineering Company (Munich, Germany) is comparatively young; it was specially developed for surgery of the paranasal sinuses and the skull base ( Fig. 5b ). The system consists of a multiple-joint holding arm without own motor as well as a smaller robot unit that is fixed at the end of the holding arm. The robot unit is controlled with the foot via a joystick and disposes of 7 degrees of freedom. First cadaver tests of the paranasal sinuses and the skull base have been successfully performed by our own research team; the approval for the European region is expected to be granted in the near future 51 .

The FLEX® system described above was mainly developed for the use in the oropharynx. In a human cadaver model, our research group could adapt this system for visualization of the paranasal sinuses, the anterior skull base, and the brainstem 161 . However, the miniaturization of the endoscope for the transnasal approach has not yet sufficiently progressed and the resection of bony structures with the existing instruments remains an unmanageable challenge up to now.

Different approaches have been described for the application of the DaVinci system at the skull base that may have specific advantages depending on the surgery site 144 . The combined transnasal/transoral approach is relatively atraumatic because there is no need to place outward access incision ( Fig. 6a ). In the human cadaver model described by Carrau et al., this approach allowed the access to the infratemporal fossa, the clivus region, and the cranio-cervical transition. Furthermore, the research team could resect malignant tumors from the nasopharynx in 2 clinical cases. Hereby, the cranial part of the tumor was resected by means of traditional rigid instruments via a transnasal approach and the caudal part of the tumor was removed by means of TORS 28 . Also the transoral approach was tested in one clinical case consisting of the successful resection of the dens axis with compression syndrome of the basilar artery 101 ( Fig. 6b ). However, the application seems to be limited because of a smaller availability of bone instruments such as for example a drill bit. The combined transnasal/transoral approach also describes a design where the camera of the DaVinci system is inserted through the nose and for the surgery devices the transoral access is chosen. This approach was first described in a human cadaver model which addressed the posterior cranial fossa 136 .

Fig. 6.

Fig. 6

Robot-assisted approaches to the skull base encompass a. a Transnasal in combination with transoral or transantral access. b Merely transoral access. c Transnasal access combined with transcervical procedure. d Transoral access combined with suprahyoidal procedure.

The combined transnasal/transantral approach to the skull base could be demonstrated by Kupferman et al. in a human cadaver model. Also hereby, the visualization of the skull base was achieved by transnasal insertion of the camera of the DaVinci system. The surgery instruments were inserted via the transantral access after midfacial degloving. This approach allowed displaying the medial orbita, the ethmoidal cells, the olfactory fossa, the sphenoid sinus, the pterygopalatine fossa, and the clivus 59 . According to the same research group, the slightly modified transantral/transmaxillary approach is also appropriate for covering skull base defects in the cadaver model 89 .

In the context of the transnasal/transcervical approach, the instruments are inserted via a skin incision at the bilateral jaw angle ( Fig. 6c ). The access is extended by blunt preparation and kept open with a trocar during the intervention. The camera system is inserted transnasally 37 . This approach has a higher invasiveness compared to the transoral approach but in patients with unfavorable dental status or maxillary retrognathia it may be beneficial in order to protect the maxilla. In addition, the surgery instruments are positioned in a better angle which facilitates manipulation at the skull base. This transcervical insertion of the instruments could be combined with transoral camera guidance in order to display the sphenoid sinus, the clivus, the sella, and the pituitary gland in a human cadaver model 130 .

Finally, the team around McCool et al. could demonstrate an approach to the infratemporal fossa via a combined transoral/supryhyoidal access in a human cadaver model 115 . In this context, an instrument arm was placed in the vallecula via a suprahyoidal auxiliary incision ( Fig. 6d ). The camera system and the second instrument arm were inserted transorally. In this way, the cranial nerves IX-XII, the carotid artery, and the jugular vein could be visualized at their entrance into the skull base and manipulated.

In summary, all systems described above are currently not applicable for surgery of the paranasal sinuses and the skull base 177 . The relevant limitations include the missing drill and suction device as well as the extensive diameter of the instruments (>4 mm). Furthermore, the missing haptic feedback at the skull base is a particular disadvantage because of alternating bone and soft part structures.

7. Thyroid

In thyroid surgery, also the transaxillary endoscopic approach is widespread beside open access incision. It was described in particular in specialized centers with large patient cohorts (n=581) 72 . With introduction of the DaVinci® system, robot-assisted thyroid surgery could be performed via a transaxillary approach in a patient with solitary thyroid tumor for the first time in 2005 107 . Especially in Southeast Asia, there is a high demand for robot-assisted thyroid surgery because the visible scar in the jugulum is experienced as extremely annoying. Due to this fact, surgeons from this area dispose of good results in cohorts with thousands of patients 9 99 . But also non-Asian teams use this approach, however, with clearly lower numbers of cases and mostly non-malignant diseases 1 90 92 .

Several South Korean non-randomized studies compare the advantages and disadvantages of different surgical approaches in thyroid surgery. Lee et al. showed in an oncological multicenter study a significantly shorter duration of surgery for total thyroidectomy than for the endoscopically treated comparison group 100 . The combined transaxillary/transpectoral approach, however, does not promise surgical advantages but only an unfavorable cosmetic outcome 165 . The long-term course of postoperative voice complaints was investigated in a non-randomized study by Song et al. According to the authors, in this patient cohort voice problems eventually associated with thyroid surgery recovered more rapidly after robot-assisted surgery than after open surgery 166 . The patients were follow-up over 2 years by means of a questionnaire.

Complications of the transaxillary approach are well documented and include persisting hypocalcemia (1.1%) and permanent paralysis of the recurrent nerve (0.27%). The robot-assisted complications encompassed skin perforations in the access region (0.1%) and positional problems of the upper extremities (0.13%) (n=3,000) 9 . Especially for transaxillary thyroid surgery, a Japanese group developed wound retractors with integrated camera 68 . This facilitates the creation of a subcutaneous access tunnel before applying the DaVinci system.

In cases of cancer patients who have to undergo thyroidectomy as well as neck dissection, both procedures can be performed via the transaxillary approach. Alternatively, the entire intervention is performed via a bilateral retroauricular access which results in a shorter duration of surgery and quicker recovery of the patients, as reported by Terris et al. (n=15) 174 . The advantages of the retroauricular approach, also in the context of thyroid surgery, could be confirmed by later investigations (n=90) 26 44 . Generally, total thyroidectomy and bilateral central neck dissection can be performed via a unilateral retroauricular access incision which is, however, associated with a longer duration of surgery 25 .

The transoral approach to the thyroid was developed by American and South Korean groups with the objective to completely avoid visible scars 149 . The endoscopic sublingual thyroidectomy was first described by Benhidjeb in 2009 11 and adapted in cadaver studies also for robot-assisted surgery 150 . In the context of technical development, the enoral approach was shifted from the sublingual space to the vestibulum and thus the interference of the instrument with the jaw bones could be reduced 150 . However, in the context of this approach, the transient alteration of the mental nerve has to be considered which usually regresses after few weeks 98 153 .

A passionate discussion arose based on a publication of Lee et al. that assigns a better body awareness to patients after robot-assisted thyroid surgery 102 . On one hand it has to be considered that the study was performed in young, non-randomized Asian patients and the observations cannot be easily transferred to other cultures 105 . On the other hand, it is important in particular for cancer patients to weigh the cosmetic appearance against the oncological safety. In this context, a high-quality and detailed meta-analysis published by Chai et al. could identify no disadvantage for robot-assisted surgery with regard to the oncological safety so that the intervention can be confirmed as being safe at least for experienced surgeons with high case numbers 30 .

8. Cervical Soft Parts

In analogy to thyroid surgery, also the development of robot-assisted neck dissection (RAND) is dominated strongly by South Korean research teams. In particular at the Yonsei University of Seoul, RAND interventions are performed by otolaryngologists as well as general surgeons. Also in this context, mainly cosmetic needs are the motor which are not found to this extent in our culture. Currently, 4 different approaches to RAND are described ( Fig. 7 ) 200 ; (I) transaxillary, (II) retroauricular, (III) combined transaxillary and retroauricular, and (IV) transoral.

Fig. 7.

Fig. 7

Robot-assisted neck dissection can be performed via a transoral, a retroauricular, or a transaxillary approach.

In 2010, the transaxillary approach was first described by Kang et al. in 33 patients with thyroid carcinoma and cervical metastasis 73 . The unilateral modified radical neck dissection was performed together with bilateral thyroidectomy. The surgical procedure is described in detail in the mentioned publication. The average number of removed lymph nodes amounted to 6.1±4.4 in the medial and 27.7±11.0 in the lateral compartment. The transaxillary approach seems to be suitable for thyroid cancer, but it is not feasible for head and neck cancer because of the long tunnel to the cranial lymph node stations. In 2012, the alternative retroauricular approach via a modified facelift incision could be first described in a cadaver study by Blanco et al. 14 . Afterwards, in the context of a prospective, non-randomized clinical trial in South Korea, 26 patients with oropharyngeal cancer without cervical metastasis underwent either retroauricular RAND or conventional open surgery (NCT01488669, Table 1 ). Interestingly, the complication rates and the number of removed lymph nodes were equal in both groups 97 . Very similar studies that confirmed the results have been published later for patients with head and neck cancer with and without cervical lymph node metastases (cN0/cN+) 78 106 172 . Not really astonishing was the significantly longer duration of surgery for the RAND group in all studies. However, the duration of surgery in RAND interventions is significantly reduced after respective training. In a publication by Kim et al., 90 head and neck cancer patients underwent RAND performed by only one surgeon 77 . In the group of modified radical neck dissection as well as in the group of supraomohyoidal neck dissection, the duration of surgery could be significantly reduced in the course of the study (298 ->212; 226 ->106 min, respectively).

Table 1 Current clinical studies on robot-assisted surgery of the head and neck (www.clinicaltrials.gov).

Trial number Country Period Status Content Number of patients
Case series
S1 NCT00473564 USA 2007–2015 Completed TORS, case series, DaVinci 36
S2 NCT02262247 USA 2014–2015 Completed TORS, FLEX ® system 80
S3 NCT01095357 USA 2010–2014 Completed TORS, case series, DaVinci 60
S4 NCT01819480 USA 2013–2019 Open TORS, case series, DaVinci 85
S5 NCT02225496 USA 2014–2019 Open TORS, case series, DaVinci 140
S6 NCT01473784 USA 2007–2020 Open TORS, case series, DaVinci 360
S7 NCT02159703 USA 2014–2017 Open Radiation after TORS (HPV+) 60
S8 NCT02072148 USA 2014–2019 Open Radiation after TORS (HPV+) 200
S9 NCT03107182 USA 2017–2020 Open Induction before TORS or RCT 56
S10 NCT02760667 USA 2015–2020 Open Induction before TORS or TLM 20
S11 NCT01187160 USA 2009–2014 Completed Sleep apnea syndrome 75
S12 NCT01107795 USA 2010–2019 Open Sleep apnea syndrome 75
S13 NCT02269020 France 2015–2018 Open Neck dissection 3
S14 NCT02274493 USA 2015–2019 Open Latissimus dorsi muscle graft 15
S15 NCT02743442 France 2016–2017 Open Surgery of the pituitary gland 8
S16 NCT02792322 USA 2016–2018 Open TORS in sitting position 50
S17 NCT02517125 France 2015–2025 Open DaVinci system (Xi) 150
S18 NCT03010813 Hong Kong 2016–2017 Open DaVinci system (SP) 60
S19 NCT01488669 South Korea 2011–2013 Completed Neck dissection 26
Randomized studies
S20 NCT01898494 USA 2013–2023 Open TORS and radiation 377
S21 NCT02002182 USA 2013–2019 Open Vaccination before TORS 30
S22 NCT02292914 Brazil 2014–2017 Open TORS vs. standard surgery 1120
S23 NCT02984410 Europe 2017–2020 Open Radiation vs. surgery (with TORS) 170
S24 NCT01590355 Canada 2012–2021 Open Radiation vs. TORS 68

Due to the positive experience of the surgeons with RAND technique, the indication could be extended to non-oncological patients. In a non-randomized prospective trial, Lee et al. described the possibilities of robot-assisted (n=13) and endoscopic submandibulectomy (n=22) 96 . Both procedures were performed with retroauricular access and took about the same time with 63 and 65 min, respectively. None of the interventions had to be changed to open surgery and the cosmetic outcomes were not significantly different.

As described above, the retroauricular approach for neck dissection is superior to the transaxillary approach in the cranial lymph node compartments. If extended neck dissection in the cranial and caudal compartments is planned, the combination of transaxillary and retroauricular access may be reasonable as described by Kim et al. (n=7) 80 . The combined approach is performed in patients with head and neck cancer as well as in cases of thyroid cancer and takes longer than the conventional open access, however, it has favorable cosmetic results (n=22) 79 . The further development reveals that also bilateral thyroidectomy and modified radical neck dissection may be performed by robot assisted surgery via one single ipsilateral retroauricular access (n=4) 25 . Since the duration of surgery was regularly around 5 h, however, the usefulness and the oncological safety of the procedures have to be questioned. In the European countries, the cosmetic result after oncological surgeries is not valued as high as in Asian cultures. Moreover, in our countries the best possible oncological resection safety is preferred to cosmetic considerations. Thus, robot-assisted thyroid surgery and neck dissection are not routinely offered.

Finally, various groups emphasized the significance of the retropharyngeal lymph nodes of patients with head and neck cancer. In 2013, Byeon et al. showed that transoral neck dissection in the retropharyngeal compartment can be performed safely and effectively (n=5) 24 . Lymph node extirpation was performed in the depth of the wound after resection of tonsillar or hypopharyngeal carcinoma. Although only one or 2 lymph nodes could be resected, 4/5 patients had affected lymph nodes. Later, those results were confirmed by an American research team (n=30) 178 . It is further not clear what the optimal interval between resection of the primary tumor and the indicated neck dissection is. In the context of cancer surgeries by means of TORS, neck dissection requires complex changing of the patient’s position and often even another operating room which is not feasible in many cases. Frenkel et al. showed for the New York region that neck dissection was performed in the same session as TORS-based tumor resection in 76% of the cases between 2008 and 2012. In all other patients, neck dissection was either performed before (4%) or in a second session after tumor surgery (20%).

9. Haptics

Unfortunately, the currently available robotic systems only feed back very limited or no haptic information 182 . The missing haptics, however, can be visually compensated, which leads to a low acceptance of the haptic feedback systems 117 . Especially when robotic systems dispose of 3D imaging, the increased physical effort is generally recognized by deformation of the tissue. In the same way, the rigidness is displayed via missing tissue deformity. On the other hand, the missing haptics may for example lead to the situation that sutures are too loose or threads are torn even by experienced surgeons 12 . It is also assumed that the missing haptics in the context of endovascular robotic interventions lead to an increased risk of vascular damage 6 . Evaluating laparoscopic interventions that had been performed by trainee surgeons, it could be revealed that more than half of the damage was caused by excessive physical efforts 173 . Unfortunately, investigations in the discipline of otolaryngology are missing. Nonetheless, those damages might be avoided by according haptic feedback, at least sometimes. Our research group could show in an ex vivo experiment that also with the DaVinci system pressure and torque on the tissue of the surgery site are multiplied in comparison to conventional rigid and also to flexible instruments ( Fig. 8 ). The participants of this experiment had to resect parts of a silicone pad with different instruments under continuous force measurement. This increased force application on the tissue may lead to a higher risk of damage with increased morbidity of the patients.

Fig. 8.

Fig. 8

In experimental studies, the intraoperative pressure with the robot system is significantly higher than with conventional instruments.

First, there is the question how a robotic system may recognize the tissue properties ( Fig. 9 ). In the simplest case, this occurs via capacitive pressure sensors to which the electrical capacity changes in cases of pressure and an electrical signal are forwarded. In a similar way, the flection of instruments in case of lateral pressure is measured and forwarded 154 . For the DaVinci system, those reflections could be mostly realized. Kim et al. integrated pressure sensors in the inside of DaVinci forceps that can ex vivo measure the pressure in 4 degrees of freedom 76 . In an in vivo animal model, Wottawa et al. could show that already the information on one-dimensional tissue pressure significantly reduces tissue damages 195 . Modern systems combine several sensors in one instrument such as for example capacitive foils and liquids as well as temperature probes in order to increase the information 138 . Generally, the tissue properties can also be measured via the piezoelectric effect or optoelectronic sensors 69 128 . However, those technologies are still under basic development without clinical application.

Fig. 9.

Fig. 9

The robotic system has a sensory component retrieving information about the tissue. Via the haptic interface, the system interacts with the surgeon. The visual component compensates deficits of the robotic system. A virtual barrier can be defined by means of CT/MR imaging.

On the other hand, the measured signals have to be transmitted to the surgeon. Two entities can be differentiated how the human body receives haptic signals. First, proprioceptive signals are perceived, mainly via receptors in the muscles and tendons, that contain information about the position, power, and movement of the body. Second, tactile signals are perceived via skin receptors that process information about pressure, vibration, heat, and pain 132 . In the context of conventional, non-robotic surgery techniques, the surgeons fully exhausts both information sources by intensively palpating the tissue with his fingers. In theory, also the new robotic systems may forward tactile signals to the surgeon. However, complex devices such as electromagnetic needles, temporarily deformable tissue, piezoelectric crystals, pneumatic pumps, or thermal systems are necessary 10 .

Different preclinical designs show that the tactile feedback may significantly reduce the applied forces during a procedure. Hereby it is irrelevant if the signals are transmitted via pneumatic balloon interfaces or via vibration motors 104 138 . But the realization is complex and the interindividual perception differences are manifold. Additionally, strict hygienic requirements have to be observed in the context of cleaning the instruments also for tactile devices which further complicates their regular application. Hence, current efforts are mainly focused on the proprioceptive information whereby – depending on the level of the signal – the surgeon’s movements with the manipulator are slowed down or limited by means of electric motors 132 . Diaz et al. checked if a haptic signal may be sent to the surgeon via an additional pedal 42 . This method could not prevail until now.

Beside the proprioceptive and tactile signals, robotic systems may transmit information over auditive and visual channels ( Fig. 9 ). The research group of Okamura et al. equipped the DaVinci system with an additional sound and image display that shows the applied forces to the surgeon. They could demonstrate that the threads tore more rarely during knotting under visual feedback and the consistency of the forces with the DaVinci system was even better than with the hands 81 146 . Similarly, Ly et al. could reveal the advantages of acoustic feedback when it was coupled with sensory forceps 110 .

An alternative feedback method are virtual barriers that are determined based on preoperative imaging. The barriers mark important anatomical landmarks such as for example the large blood vessels, and the surgeon may not move the instruments beyond those barriers 19 . Similarly to the haptic feedback mechanisms, the instruments are blocked at the virtual barriers by means of electronic motors of the robotic system.

In summary, the advantage of haptic feedback systems could be confirmed several times up to now. The regular application, however, is complicated because of technical, financial, and hygienic challenges 46 .

10. Costs

Because of the additional material efforts, also the financial efforts of robot-assisted surgery are enormous. As the DaVinci system was the only approved system for a long time, detailed cost analyses are only available for this system. According to calculations performed by Dombree et al., the expenses for total laryngectomy in Belgium are about 90% higher (3,581 vs. 6,767 Euro) when robot-assisted surgery is performed 43 . While for robotic surgery the costs of the system itself and the specific instruments are most relevant, those are for conventional interventions the staff-related expenses. According to the authors, a cost equivalence cannot even be achieved when the number of treated patients is maximized and the duration of surgery is minimized. This imbalance of the costs is supported by the fact that the manufacturers of robotic systems always have a monopoly on their surgery instruments which can only be used with the own system 64 . Also in the Japanese health care system, additional expenses for robotic surgery are critically discussed. So a center has to perform at least 300 robot-assisted mediastinoscopies per years in order to achieve the cost equivalence of video-assisted interventions 71 . In Germany, the cost effectiveness could not be confirmed for robot-assisted prostatectomy because of the high material costs 17 . In the USA, the conditions seem to be less significant. According to Byrd et al. the cost effectiveness could be achieved for robot-assisted panendoscopy in cases of CUP (cancer of unknown primary) because a higher probability results to discover the primary tumor 27 . In 206 retrospectively investigated cases, the arising follow-up costs were lower. For patients with obstructive sleep apnea syndrome (n=104) treated by means of TORS, Golbin et al. observed a significant increase of the expenses by an average of 14,708 US$ compared to conventionally treated patients 58 .

Another possibility to check the cost effectiveness of robotic systems is the application of Markov models that try to predict the occurrence of certain events by means of stochastic processes. Also in this context, there is no consensus regarding the cost effectiveness of robotic systems. Almeida et al. describe average savings of 1,366 US$ and an increase of the quality-adapted life years (QALY) of 0.25 for oropharyngeal carcinomas compared to primary radiochemotherapy 39 . According to the authors, the difference in favor of TORS can be further improved by minimizing the rate of adjuvant radiation in the TORS group based on suitable patient selection. A similar study performed by Rodin et al. showed a comparable increase of QALY of 0.63 for patients with oropharyngeal carcinomas in Canada 151 . However, primary radiochemotherapy was clearly less expensive with 123,000 US$ than TORS with 178,000 US$, which includes possible adjuvant therapy. Two other publications with similar study design regarding oropharyngeal carcinomas rather see robotic therapy at a disadvantage. Rudmik et al. showed an increase of the expenses of 4,959 US$ in comparison to primary radiochemotherapy without increase of the QALY 152 . Even more convincing was the financial disadvantage of TORS calculated by Sher et al. who found additional charges of 12,100 US$ without changed QALY 162 . All Markov model studies originate from North America so that mainly the same calculation bases were available.

Richmon et al. could calculate an important cost benefit for TORS patients in the context of a retrospective study with 9,601 patients 148 . The advantage resulted not due to the intervention itself but due to the reduced hospitalization and the reduced number of gastric tubes and tracheostomies in the TORS group. Since it was a non-randomized study, healthier patients were more probably assigned to the TORS group, which falsified the results. In a second similar study performed by Chung et al. with 2,067 patients, this problem was taken into consideration when evaluating the data. Nonetheless, the group that was treated with open surgery had longer hospitalization times, higher costs as well as a higher number of gastric tubes and tracheostomies than the TORS group 34 . The TORS group, however, had a higher risk for dysphagia. In addition it should be considered that the expenses of the intervention also depend on the instruments selected by the surgeon. For example flexible laser fibers are particularly cost intensive and cannot be recycled 64 . According to own calculations, an intervention with the DaVinci system causes additional costs of more than 6,000 Euro. In this calculation, acquisition and maintenance are prorated; in Germany those expenses are not reimbursed via a special payment for new examination and treatment methods (neue Untersuchungs- und Behandlungsmethoden, NUB) 113 . The current acquisition costs for the DaVinci system amount to around 2 million US$ (XI model) and about 150,000 US$ for annual service fees. The acquisition of the FLEX system amounts to currently about 800,000 US$. Depending on the number of robot-assisted surgeries per year, the price is reduced per intervention.

11. Number of Cases

In order to better understand the significance of TORS in the whole field of robotic surgery, the consideration of the system distribution and the interdisciplinary number of cases seems to be reasonable. Reliable numbers can be read in the annual reports of Intuitive Surgical Company 67 . Last year, 3,803 DaVinci systems were installed worldwide. Beside 2,501 systems in the USA, those were further 644 systems in Europe and 476 system in Asia. Further 182 systems were found in other continents such as Africa, South America, and Australia ( Fig. 10a ). Also the current sales figures are dominated by the American hospital market. Regularly, more than half of all sold devices are delivered in the USA ( Fig. 10b ). This imbalanced distribution of the systems is also reflected in the number of performed procedures. Fig. 10c displays the development of the number of cases as of 2011. For the American market, nearly doubling of robot-assisted interventions can be seen in this period. Interestingly, however, a stable level seems to be achieved for the disciplines of gynecology and urology for several years. Thus, the American growth is mainly based on the continuing increase of the number of cases in general surgery, which meanwhile surpassed urological interventions. Further, the relation of the US American market with regard to the world market is very informative. In other countries, also a continuous growth of the number of cases is observed, but they amount to only one third of the numbers in the USA. Even in the USA, the numbers of cases for head and neck surgery are so low that this discipline is not even mentioned in the annual reports of Intuitive Surgical Company. Considering these numbers it seems to be clear that the further development of the DaVinci robot especially for the head and neck is not in the economic focus of the manufacturer.

Fig. 10.

Fig. 10

a Most DaVinci systems are installed in the USA. b The number of annually sold DaVinci systems in the USA is continuously increasing. c Proportionally, particularly in the USA, the number of robot-assisted interventions is increasing as well.

12. Risks

In the literature, every now and again single case reports are published that describe breaking of an instrument arm during robot-assisted intervention 82 . Those publications make clear that the application of robots bears new risks for the patients that have to be discussed during preoperative information. The effective forces of a robotic system are sometimes significant. So the load generated by the endoscope of a DaVinci® system could be measured in vitro with more than 7 kg 52 . However, according to Hockstein et al., fracture of human bones in the head and neck area is not possible with the DaVinci system, as performed deliberately in a cadaver model 61 .

Descriptions of complications in the context of robotic surgeries are generated either by investigating own patient cohorts or by systematically studying databases that contain according entries. A comprehensive review article that retrieved information from the American MAUDE (Manufacturer And User Facility Device Experience) database, was recently published by Alemzadeh et al. 3 . The automatic database research could identify a total of 10,624 robot-associated complications in about 1,745,000 robotic interventions in the USA for all disciplines in the period from 2000 to 2013. This corresponds to a complication rate of about 0.6%. The listed complications encompass among others injury of the patients (n=1,391], death (n=144), and system failure (n=8,061). Over the whole period, the absolute number of complications increased continuously proportionally with the increasing number of robotic interventions. However, the complication rate in 2013 surpassed the mark of 1% in 2013. The rate of injuries and deaths was relatively stable since 2007 with an average of 0.083%.

Interestingly, the number of deaths compared to the absolute number of documented complications was highest for head and neck surgery (19.7%) ( Fig. 11 ). Beside the anatomical complexity of the neck area, also the deviating documentation behavior of the discipline is responsible and elucidates an important disadvantage of database-related evaluations. Furthermore, the calculation of the rate of robot-assisted interventions with lethal outcome was performed in relation to all robot-assisted surgeries. They were 10 times higher for interventions of the disciplines of cardiothoracic surgery and head and neck surgery than in the disciplines of gynecology, urology, and general surgery (0.052 vs. 0.0057%; p<0.001). Over all disciplines, the reasons for deaths occurred in the postoperative period with 75% (64/86); they included sepsis and bleedings and thus were not directly robot-associated. Only 17% of the deaths occurred intraoperatively (15/86) and were caused by accidental damage of organs (5/86), bleedings, pulmonary embolism, or cardiac arrest. Seven cases could not be assigned to a certain time.

Fig. 11.

Fig. 11

Only a small number of all robot-assisted interventions are performed in head and neck surgery and in cardio-thoracic surgery. The relative risk for injury or death in those disciplines, however, is higher.

The majority of all registered complications (88%) is based on failure of the robotic system and could be classified in software and imaging errors (7.4% of all registrations), breaking of device parts into the site (14.7%), sparking (10.5%) as well as unintentional movement of the instruments (10.1%). Summarizing all registrations, the complications led to system reset in 3.1% of the cases to conversion to non-robotic surgery in 7.3%, and to postponing the surgery date in 2.5%.

Injuries and deaths of patients are often caused by a chain of several complications and one single reason cannot be identified. However, according to the MAUDE database, human errors and wrong decisions play a crucial role. The most frequently occurring human errors are listed as follows: insufficient experience in emergency cases, insufficient training with the robotic system, insufficient checkup of the system and the instruments before intervention, insufficient solution of known technical problems, incorrect positioning of the instruments, incorrect configuration of the electro-caustic, incorrect cable connections, wrong coordination of hand and foot movements, incorrect change of the instruments.

In order to avoid the described complications, the following solutions are suggested: (1) simulation environments where the management of complications can be trained satisfactorily under safe conditions; (2) intraoperative real-time feedback to the surgeon via safe surgery pathways and anatomical borders; (3) improved documentation mechanisms that may contribute to the improvement of the system in cases of complications.

Despite all technical risks that are newly appearing with the application of robotic systems, postoperative bleeding remains the most frequent complication of head and neck interventions. In a large patient cohort (n=509), Zenga et al. could document a postoperative bleeding rate of 3% requiring surgical revision 199 . The majority of the patients had the diagnosis of head and neck carcinoma (75%), others had undergone surgery because of non-malignant pathologies of the head and neck. A lower postoperative bleeding rate of 1.7% was observed in a patient cohort that suffered exclusively from obstructive sleep apnea and received resection of the base of tongue (n=243) 183 . Two simultaneously published studies suggest that the ligature of the external carotid artery during TORS interventions cannot reduce the frequency but the intensity of postoperative bleedings 57 87 . This statement can be well understood. More astonishing is the high rate of postoperative bleedings with surgical revision which amounted to 5.5% (n=201) and 7.8% (n=265), respectively, without vascular ligature. Pollei et al. compared the postoperative bleeding rates after TORS and TLM interventions in a retrospective, non-randomized trial (n=906) 143 . Hereby, similar postoperative bleeding rates for TORS (5.9%) and TLM (5.6%) were observed. However, more advanced carcinomas with higher T staging had significantly more often TLM than TORS so that in this study a higher risk of bleedings after TORS could be expected for comparable tumor stages. The same result is concluded in a French retrospective study about patients with oropharyngeal cancer (n=154) that could identify a higher age and anticoagulation therapy as significant risk factors for postoperative bleeding beside TORS 91 . In another single-center retrospective review article, Hay et al. found a reduction of TORS-related complications with increasing experience of the surgery team (n=122) 60 . Severe complications such as aspiration and bleedings could be reduced within a period of 5 years from 33% to 10%.

Although hygienic concerns are more and more in the focus regarding the processing of robotic systems, no scientific publications are available on this topic up to now. With regard to the DaVinci system, especially smaller instruments with a diameter of 5 mm are concerned that might still have tissue remaining between the single parts even after cleaning and sterilization. In order to avoid the complicated cleaning procedures, Medrobotics Company has decided to apply single-use instruments for the FLEX® system that are rather expensive.

13. Clinical Trials

The above-mentioned clinical advantages of robot-assisted surgery in the head and neck region can only be confirmed reasonably by clinical trials. Table 1 summarizes current studies whereby the percentage of prospective randomized trials is remarkably small. The data originate from the publicly accessible NIH database ( www.clinicaltrials.gov ) and do not claim to be complete.

A retrospective multi-arm trial has already been published comparing TORS with open surgery of T1/T2 malignomas of the oropharynx (S1, NCT00473564, n=36) 41 . Several aspects have been investigated such as the duration of hospitalization as well as the duration of tracheostoma and gastric tube. TORS always showed better results, because of the retrospective study design, however, a bias in favor of TORS regarding the patient selection has to be considered. Another publication deals with the prospective single-arm approval study for the mentioned FLEX® system of Medrobotics Company (S2, NCT02262247, n=80) 94 . In this predominantly non-oncological patient cohort, the safe and effective application of the system in the pharynx and the supraglottis could be confirmed. Two other trials examine the feasibility of TORS interventions in the pharynx and the larynx. Beside the feasibility, also the effectiveness and the quality of life in the long-term course are evaluated. The recruiting phase of the first phase-I trial is already completed, however, the data are not yet published (S3, NCT01059357, n=60). The second phase-I trial is currently open (S4, NCT01819480, n=85). Another American single-center, single-arm study evaluates also swallowing and speaking abilities after TORS beside the oncological outcome of patients with oropharyngeal cancer (S5, NCT02225496, n=140). The most extensive, non-randomized single-arm study on TORS comes from the USA and encompasses patients with malignant and benign pathologies for confirmation of the feasibility of TORS (S6, NCT01473784, n=360).

Currently, 2 single-arm trials from the USA investigate the particular growth behavior of HPV+ tumors. Lin et al. examine for patients treated with TORS if the site of the primary tumor can be spared in the context of adjuvant radiation without risking a reduction of the survival (S7, NCT02159703, n=60). The SIRS study evaluates the possibility to de-escalate adjuvant therapy of HPV+ patients treated with TORS. If the primary tumor could be completely resected and if not more than 2 tumor-infiltrated lymph nodes are found, adjuvant radiation is not performed but regular PET-CT controls (S8, NCT02072148, n=200).

The significance of induction chemotherapy with cisplatin, paclitaxel and nivolumab is investigated by Siewert et al. in the OPTIMA-II trial (S9, NCT0310107182, n=56). In cases of sufficient tumor response, robot-assisted tumor excision is performed after the induction phase. All other patients receive combined radiochemotherapy. A similar concept is provided by the study of Sadeghi et al. where induction chemotherapy with cisplatin and doxetacel is performed (S10, NCT02760667, n=20). The subsequent tumor therapy either consists of TORS or transoral laser microsurgery.

In patients with obstructive sleep apnea syndrome (OSAS), an already published single-arm phase-I trial could show that the combination of robot-assisted reduction of the base of tongue and uvulopalatopharyngoplasty (UPPP) may be clinically beneficial also for pre-treated patients (S11, NCT01187160, n=75) 175 . A similar study on TORS for OSAS patients is currently in the recruiting phase (S12, NCT01107795, n=75).

A series of clinical single-arm studies tries to find new indication fields for TORS. Because of the innovative approaches, the numbers of patients in those pilot studies are very limited. So a very small French study evaluates the transaxillary approach to neck dissection (levels II-IV) which seems to be cosmetically beneficial because of the missing cervical scar (S13, NCT02269020, n=3). The free muscle graft of the latissimus dorsi muscle is often used in reconstructive surgery. The robot-assisted lifting of the muscle transplant is evaluated in a single-center pilot study (S14, NCT02274493, n=15). The access to the pituitary gland via the sella turcica by means of TORS has been published by a French research group in a cadaver study 32 . The subsequent clinical trial that should demonstrate the access to the sella turcica with the manipulator arms of a DaVinci SI®, is in the recruiting phase (S15, NCT02743442, n=8). In the context of a pilot study, Moore et al. evaluated the possibility to perform TORS in sitting position (S16, NCT02792322, n=50). The authors expected an improved visualization of the surgery site and thus shorter durations of the interventions as it had already been performed in 2 patients 123 . The further technical development of the DaVinci® system was evaluated in 2 independent studies. A French research team examined the advantages of the DaVinci® Xi in a single-arm phase-I study for TORS (S17, NCT02517125, n=150). Simon et al. are testing an innovative single-port system for the application for TORS but also for colorectal and urological indications (S18, NCT03010813, n=60). According to reports on the internet bloc www.surgrob.blogspot.com , Intuitive Surgical Company has produced 10 prototypes of the DaVinci SP® (single port) that are currently tested in the clinical use. So the last-mentioned study might possibly deal with one of these prototypes.

The non-randomized study on neck dissection in cases of cN0 from South Korea has already been published. It compares the modified robot-assisted face-lift approach with conventional open access (S19, NCT01488669, n=26). The duration of surgery was about twice as long as in the TORS group (78 vs. 158 min). The average number of the resected lymph nodes, however, was comparable (20 vs. 22) and the cosmetic outcome in the TORS group was better 97 .

Without any doubt, those numerous published case series and non-randomized pilot studies are of certain importance for the technical progress and extension of the surgical approaches. But scientifically more important are certainly the following prospective randomized clinical trials. The mostly higher efforts of organization and the clearly complex patient recruiting must not be underestimated. The interventional phase-II study performed by Ferris et al. investigates the de-escalation of adjuvant radiation in HPV+ patients after surgical tumor excision by means of TORS (S20, NCT01898494, n=377). The intensity-modulated radiation therapy (IMRT) is randomized after surgery between the standard dose (60 Gy) and a reduced dose (50 Gy) 65 . The combination of TORS with neo-adjuvant immunotherapy by means of tumor vaccination is evaluated by the research team of Sikora et al. (S21, NCT02002182, n=30). The intravenous active vaccination is performed with genetically modified listeria expressing the HPV-specific oncoprotein E7 35 . After vaccination, all included patients receive TORS-based tumor extirpation. While the 2 first-mentioned studies randomize adjuvant therapy before or after TORS, the following trials are specially designed to compare the application of TORS with standard therapy.

The extremely extensive randomized phase-III study from Brazil compares robot-assisted surgery with the standard procedure for different tumor entities from all disciplines (S22, NCT02292914, n=1,120). The European approach of the EORTC (European Organisation for Research and Treatment of Cancer) does not differentiate between the various surgical procedures such as TORS or TLM when they are compared in a randomized way with conservative radiation therapy (S23, NCT02984410, n=170). Patients with early oropharyngeal carcinomas are included (T1, T2) who qualify for surgical and conservative therapy procedures. The same approach is pursued by the Canadian ORATOR trial, also for early oropharyngeal carcinomas (S24, NCT01590355, n=68). However, hereby TORS is planned as the only surgical option 127 . In the next years, these studies promise to provide highly interesting results regarding surgical approaches including TORS compared to conservative treatment methods.

Finally, a trial is described that evaluates the quality of life in relation with TORS. Gross et al. compared the activity of patients after TORS or conservative tumor therapy in a non-randomized prospective trial (S25, NCT02663583, n=44). The patients’ activity is measured by means of an electronic bracelet that registers the patients’ movements.

14. New Technologies

It is well known that the potential of robot-assisted surgery is enormous. However, since the high expectations could not yet be fulfilled, the success of robot-assisted surgery depends on continuous development and specialization. In the following paragraphs the technical developments are presented that are not yet implemented in clinical routine but that might influence surgery in the near future.

Beside the approved robotic systems of DaVinci® and FLEX®, numerous other systems exist that are currently in the preclinical testing phase. In the context of an EU-sponsored research project, the MicroRALP system was developed 114 . This partly flexible endoscope is inserted transorally and allows 3D visualization of the vocal folds. Via an interactive screen, the surgeons determines the margins of the resection which is then performed semi-automatically by the integrated laser beam. Further information can be retrieved on the internet site ( www.microralp.eu ). Up to now, the system could be tested in cadaver experiments and will currently be further developed.

In the past, the team around Olds et al. developed a flexible endoscope that can be controlled via a joystick with only one hand 134 . This Robo-ELF system was specifically developed for laryngeal surgery and allows surgeons to use an additional instrument with the other hand 133 . Robo-ELF was tested in cadaver experiments, currently no information about the further development is available.

A single-port system named “SPORT” of Titan Medical® Company has already been tested successfully for abdominal surgery in animals. According scientific publications, however, are not available. Beside 2 flexible arms, the system disposes of a flexible camera head and reminds so of the newest single-port version of the DaVinci system. After insertion, all 3 arms can be triangulated in order to achieve an efficient working position ( Fig. 12a/b ). It might be possible that this design also has benefits for head and neck surgery if the size of the instruments is adapted.

Fig. 12.

Fig. 12

a+b The robotic SPORT system (Titan Medical) is very similar to the DaVinci Single-Port system regarding design and technology. c Continuum robots may allow new fields of indication due to their innovative technology.

Further, the open research platform is interesting that has been designed in the USA. This platform consists of DaVinci components that have served their time and provides unlimited access via a Linux software to the entire software and electronics 75 . Currently at least 11 platforms are installed in different locations.

Continuum robots consist of several concentric tubes that are nested together 21 . Each tube can be moved independently with electric motors whereby a 3-dimensional space is completely covered ( Fig. 12c ). The logistic mental work on how the tubes have to be positioned is performed by a computer. This model is completely different from all other robotic systems and might be interesting especially for surgery of the paranasal sinuses and the skull base due to it non-linear design. Several research groups deal with the development of continuum robots, among them Wu et al. and Burgner-Kahrs et al. who also work on the challenges of otolaryngology 23 196 .

Also in robot-assisted surgery, the application of lasers for tissue resection is desirable. However, the permanent focus of the laser beam by means of robotic instruments is a problem that has not yet been solved 170 . Furthermore, the expenses for flexible laser fibers must be added that do not incur in cases of classic microscopic laser resection 64 . Typically, CO 2 lasers are used for resection in head and neck surgery 112 . Alternative laser sources such as Erbium-YAG laser show qualitatively better cutting properties in experimental approaches and better focusing options 169 . Thus, laser sources are possibly more suitable for the application in robot-assisted surgery.

Another source of information for the surgeon may be endosonography, especially in the context of laser surgery 84 . For this purpose, a special ultrasound head is inserted into the water-filled larynx in order to identify additional anatomical details.

In particular due to electronically transmitted imaging, robot-assisted surgery provides new possibilities for implementing software that may support the surgeon with his work. The advantages of “narrow band imaging” are well known for the early detection of premalignancies or the better differentiation of malignant structures 83 . Furthermore, there are additional technologies such as the high-frequency imaging and optic coherence tomography 176 . In the above-mentioned MicroRALP project, multiple software solutions have been implemented. They allow for example the automatic tracking of mobile tissue structures (soft tissue tracking) 157 , methods for surface reconstruction 156 , or the automatic instrument recognition by the robotic system 5 . All those methods might open the way to routine application of robot-assisted surgery.

Finally, also geographic distances can be overcome and robot-assisted surgery might be performed over large distances. In an animal model, already a gallbladder could be removed. The surgeon was in New York and the patient was more than 7,000 km away in Strasburg 111 .

15. Conclusion

Increasing numbers of cases and the extension of the indications show the high potential of RAS technology in the head and neck. Some patient groups will certainly benefit in the future. Specialized centers already apply robotic systems routinely for interventions in the oropharynx or the thyroid. However, the application of RAS remains merely experimental in the context of the skull base and the paranasal sinuses. Despite all progress, the proof of an advantage of RAS compared to conventional surgery methods such as transoral laser microsurgery could not be provided. In addition, the financial efforts and the complex handling of the robotic systems are the major challenges for a comprehensive implementation of robot-assisted surgery in clinical routine. Further randomized clinical trials will help to further clarify the advantages and disadvantages of this interesting technology.

Special instruments and also alternative RAS systems are desired for the increasing number of possible RAS indications. Even a combination with other technical developments such as for example hyperspectral imaging, visual haptics, or automated resection mechanisms seems to be possible.

In summary, RAS may complete the current conventional surgery methods in the future without replacing them. Technical, scientific, and ethical conflicts will increasingly influence the work of current generations of head and neck surgeons.

Footnotes

Interessenkonflikt Der Autor hat keine finanzielle Unterstützung für die Autorenschaft oder Publikation dieses Artikels erhalten. Die Arbeitsgruppe des Autors hat Kadaverstudien in den Räumlichkeiten der Firma Medrobotics (USA) durchgeführt, für welche die Reisekosten übernommen worden sind, und hat an der klinischen Zulassungsstudie der Firma Medrobotics (NCT02262247) teilgenommen. Während der Studie wurde ein Unkostenbeitrag pro Fall an die Firma bezahlt. Weiterhin hat die Arbeitsgruppe des Autors Kadaverstudien durchgeführt, welche von der Firma Medineering (München) finanziell unterstützt worden sind.

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Robotische Chirurgie – operiert der Roboter?

Zusammenfassung

Der Roboter-assistierten Chirurgie (RAC) im Kopf-Hals-Bereich wird ein großes Potenzial zugeschrieben. Vor allem in der operativen Onkologie wird der Einsatz von Roboter-Systemen als besonders interessant erachtet. Bislang sind 2 Gerätetypen (DaVinci ® und FLEX ® ) für die klinische Anwendung im Kopf-Hals-Bereich zugelassen, und multiple weitere Systeme befinden sich in der präklinischen Erprobungsphase. Auch wenn prinzipiell bestimmte Patientengruppen von der RAC profitieren könnten, finden sich keine systematischen randomisierten Studien. Ein möglicher Vorteil der RAC gegenüber den bisherigen Standardverfahren kann daher bisher nicht nachgewiesen werden. Der begrenzte klinische Nutzen und die finanzielle Zusatzbelastung scheinen aktuell der Hauptgrund zu sein, warum der flächendeckende Einsatz der RAC bislang ausgeblieben ist. Diese Übersichtsarbeit beschreibt die verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten der RAC im Kopf-Hals-Bereich. Außerdem werden die finanziellen und technischen Herausforderungen, sowie anstehende Weiterentwicklungen der RAC beleuchtet. Besonderes Augenmerk wird auf spezielle Risiken der Roboter-Chirurgie und aktuell laufende klinische Studien gelegt. Mittelfristig wird davon ausgegangen, dass die RAC Einzug in die klinische Routine erhalten wird und sich das medizinische Personal zunehmend mit den technischen, wissenschaftlichen und auch ethischen Besonderheiten auseinandersetzen muss.

Schlüsselwörter: Robotik, TORS, Kopf-Hals-Tumor, Haptik, Kosten, Studien

1. Einleitung

Die Roboter-assistierte Chirurgie (RAC) hält zunehmend Einzug in die Kopf-Hals-Chirurgie, ist aber noch vielfach umstritten. Die Vorteile der RAC liegen darin, dass sie unsere operativen Fähigkeiten nicht nur durch Verbesserung unserer traditionellen chirurgischen Methoden verändert, sondern auch die Möglichkeit neuer operativer Zugänge bietet 63 . An fokussierten Zentren wird die RAC regelmäßig für gutartige und maligne Erkrankungen im Oropharynx eingesetzt. Besonders im asiatischen Raum werden auch immer öfter Roboter-assistierte Eingriffe an der Schilddrüse durchgeführt. Dies spiegelt sich sowohl in der Anzahl der verkauften Roboter-Systeme als auch in den Fallzahlen für RAC wider, welche weltweit zunehmen. Die RAC bietet eine optimierte Visualisierung und Erreichbarkeit des Operationsgebiets, wodurch das Gewebetrauma reduziert werden kann. Zusätzlich erscheinen verbesserte ästhetische Resultate möglich, da in einigen Fällen auf eine konventionelle Operation mit offener Schnittführung verzichtet werden kann. Trotz allem hat sich die RAC in Europa auch im Kopf-Hals-Bereich noch nicht vollständig durchgesetzt. Die Gründe hierfür liegen in der aufwändigen Handhabung der Roboter-Systeme und dem finanziellen Mehraufwand bei häufig fehlender Gegenfinanzierung. Vor allem aber zeigt sich bislang klinisch kein sicherer Vorteil der RAC gegenüber konventionellen Operationsverfahren wie der transoralen Lasermikrolaryngoskopie (TLM).

Ein Roboter ist ein programmierbares Mehrzweckwerkzeug, welches für das Bewegen von Material, Werkstücken und Spezialgeräten eingesetzt wird. Der Bewegungsablauf ist frei programmierbar, und der Roboter ist daher für verschiedenste Aufgaben einsetzbar 2 . Üblicherweise wird ein Roboter verwendet, um sich wiederholende, ermüdende Tätigkeiten mit hoher Präzision und Reproduzierbarkeit zu übernehmen. Im Allgemeinen wird einem Roboter daher ein hohes Maß an autonomer Tätigkeit zugeschrieben, was auf die in der Medizin eingesetzten Geräte allerdings meistens nicht zutrifft. Die Einschränkungen hierfür sind in ungelösten technischen Herausforderungen und vorliegenden Sicherheitsbedenken zu finden.

Die heute eingesetzten Roboter-Systeme sind Computer-gestützte Operationswerkzeuge, welche im besten Fall die Operationsabläufe optimieren und die Genauigkeit des Eingriffs erhöhen können. Die folgende Übersichtsarbeit beschreibt die neuesten Entwicklungen der RAC und ist nach anatomischen Unterregionen des Kopf-Hals-Bereiches unterteilt. Im Weiteren werden die haptischen Aspekte, die Risiken und die finanzielle Komponente der RAC diskutiert, sowie aktuell laufende klinische Studien vorgestellt.

2. Roboter-Systeme

Der Großteil der weltweit durchgeführten Roboter-assistierten Operationen im Kopf-Hals-Bereich wird aktuell mit dem DaVinci-System der Firma Intuitive Surgical (Sunnyvale, USA) durchgeführt ( Abb. 1 ). Die Firma ist in den 80er-Jahren aus dem Forschungsinstitut ,SRI International‘ hervorgegangen. Hinlänglich bekannt ist der militärische Hintergrund der Entwicklung, bei dem mithilfe des Roboters rasche operative Eingriffe im Schlachtfeld ohne direkte Anwesenheit des Operateurs durchgeführt werden sollten. Im Jahr 2003 erfolgte die Vereinigung mit ,Computer Motion‘, dem Hersteller des früheren ZEUS-Roboter-Systems, welches später vom Markt genommen wurde.

Abb. 1.

Abb. 1

Die neuesten Versionen des DaVinci-Systems (Intuitive Surgical, USA). a Die Xi-Generation mit Instrumentenarmen, welche über dem Patienten positioniert werden. b Prototyp des DaVinci-SinglePort Systems mit triangulierbaren Instrumenten. Copyright: 2017 Intuitive Surgical, Inc.

Das aktuelle DaVinci-System besteht aus 3 Instrumentenarmen, die einen starren Schaft und einen beweglichen Endeffektor besitzen. Die Instrumente verlieren nach 15–20 Verwendungszyklen ihre Zulassung und werden elektronisch verriegelt. Die Bildgebung erfolgt über einen vierten Kameraarm, der eine 3-dimensionale Visualisierung ermöglicht. Im Gegensatz zu den meisten anderen Systemen erfolgt der Informationsaustausch zwischen dem Roboter-System und dem Operateur beim DaVinci-System rein elektronisch. Somit ist der Abstand zwischen Patient und Operateur variabel und kann im Extremfall mehrere tausend Kilometer betragen 111 . Der DaVinci-Roboter wird hauptsächlich im gynäkologischen Fachbereich eingesetzt, aber unter anderem auch in der Urologie, Allgemeinchirurgie und Kopf-Hals-Chirurgie.

Das DaVinci-System kam 1999 erstmals in Europa auf den Markt und erhielt 2001 zunächst die FDA-Zulassung für die Abdominalchirurgie. Die Arbeitsgruppe um Weinstein et al. in Philadelphia/USA leistete frühe Pionierarbeit zur Anwendung des DaVinci-Systems im Kopf-Hals-Bereich 61 , woraufhin 2009 die Zulassung der ,food and drug administration‘ (FDA) für die transorale Roboter-assistierte Chirurgie (TORS) erfolgte.

Das initiale DaVinci-Modell wurde 2006 durch eine 3-dimensionale Visualisierung verfeinert (DaVinci-S) 16 . Die 3D-Visualisierung führt zu einer signifikanten Verbesserung des Operationsresultats und wird in der Roboter-assistierten Chirurgie in naher Zukunft wohl Standard sein 184 . Während die nächste Si-Generation des DaVinci-Systems von 2009 noch auf einem Wagen neben dem Operationstisch geparkt wird, hat die Xi-Generation von 2014 eine Konstruktion, bei der die Instrumentenarme vollständig über dem Patienten lokalisiert sind ( Abb. 1a ). Die neue, leicht reduzierte X-Generation hat 2017 die CE-Zulassung für den europäischen Markt erhalten. Die X-Generation hat zwar die dünneren Arme des Xi-Systems, ist aber auf einem Beistellwagen wie beim Si-System fixiert. So kann das X-System mit einem reduzierten Verkaufspreis von ca. 1 Millionen USD auf den Markt gebracht werden, um neue Zielgruppen anzusprechen. Noch keine Zulassung hat das DaVinci-SinglePort (SP)-System erhalten, welches sich aktuell im Rahmen von klinischen Studien in der Erprobung befindet ( Abb. 1b ).

Neben dem DaVinci-System hat sich nun auch das FLEX ® -System (Medrobotics, Raynham, USA) für die transorale Roboter-assistierte Chirurgie etablieren können. Die zentrale Komponente des FLEX ® -System ist ein Computer-gesteuertes flexibles Endoskop, welches sich beim Einführen der nicht-linearen Anatomie des Pharynx angleichen kann ( Abb. 2 ). Somit können prinzipiell auch Patienten behandelt werden, bei denen keine Retroflexion der Halswirbelsäule möglich ist. Nach Arretieren des Endoskops werden anschließend flexible Instrumente durch zusätzliche Arbeitskanäle entlang des Endoskops eingeführt, mit denen der operative Eingriff im Halsbereich durchgeführt werden kann 158 . Die Visualisierung erfolgt über eine HD-Kamera an der Spitze des Endoskops. Die Zulassungsstudie erfolgte an 4 HNO-Zentren in Europa mit insgesamt 80 Patienten und führte 2016 zur Zulassung durch die FDA für den amerikanischen Markt 94 . Somit steht mit dem FLEX ® -System neben dem DaVinci ein weiteres praxistaugliches chirurgisches Assistenzsystem für die Kopf-Hals-Chirurgie zur Verfügung.

Abb. 2.

Abb. 2

Das FLEX ® System (Medrobotics, USA). a Der flexible Aufbau ermöglicht die Anpassung an die menschliche Anatomie. b In der Spitze des Endoskops sind die Kamera und die Lichtquellen integriert. Die flexiblen Instrumente werden über separate Kanäle eingeführt. c Das FLEX ® System hat die Zulassung für Eingriffe am Pharynx und Larynx erhalten.

3. Oropharynx

Das Kerngebiet der transoralen Roboter-assistierten Chirurgie liegt in den Pathologien des Oropharynx inklusive der Tonsillen, des Zungengrundes, sowie der Pharynx-Seitenwände ( Abb. 3 ). Dies ist v. a. in der guten Erreichbarkeit aber auch an der relativ hohen Patientenzahl, welche Erkrankungen in dieser Region aufweisen, begründet. Nachdem das DaVinci-System im Vorfeld für Eingriffe in der Gynäkologie und Urologie zugelassen worden war, konnten Weinstein et al. 2007 erstmals bei 3 Patienten eine Roboter-assistierte supraglottische Laryngektomie dokumentieren 193 . Im selben Jahr erfolgte die Publikation einer prospektiven, einarmigen Phase I Studie bei Patienten mit Tonsillen-Karzinom (T1-2, n=27). Die Resektionsränder waren bei 25/27 Patienten ausreichend, die Komplikationen beinhalteten Schleimhautblutung, Delirium, ungeplante Tracheostomie bei OSAS, leichter Trismus und Näseln 194 . Einige Jahre später folgte die Publikation einer amerikanischen Multicenterstudie mit 192 Patienten, hauptsächlich mit Oropharynx-Karzinomen 192 .

Abb. 3.

Abb. 3

Die Hauptindikation für TORS sind Tumoren des Oropharynx (T1-2) wie in diesem PET-CT dargestellt. Copyright: Schuler PJ.

Aufgrund der unzureichenden Einstellbarkeit konnte der Eingriff allerdings in 15/192 Patienten (~7,8%) nicht vollständig durchgeführt werden.

Basierend auf diesen Machbarkeitsstudien werden heute kleinere Oropharynx-Karzinome (T1–T2) an einigen Zentren routinemäßig mit TORS behandelt 70 . Außerdem konnte seitdem eine Reihe von weiteren klinischen Zentren ihre Erfahrungen mit TORS im Oropharynx beschreiben. Hierzu zählen unter anderem deutsche Arbeitsgruppen (n=50, n=17) 109 113 , das französische TORS-Konsortium (n=169) 8 , eine südkoreanische Arbeitsgruppe (n=27) 103 und eine belgische Multicenterstudie (n=86) 121 . Das Gesamtüberleben in diesen Studien ist regelmäßig vergleichbar mit dem nach primärer Radiochemotherapie 197 . Da es sich bei den TORS-Fällen jeweils um nicht-randomisierte Fallbeschreibungen handelt, muss allerdings von einem deutlichen Bias bei der Patientenselektion ausgegangen werden.

Mit Zunahme der TORS-spezifischen Kenntnisse wurde auch der Parapharyngeal-Raum in die Liste der möglichen Indikation für TORS aufgenommen. So konnten O’Malley et al. eine Fallserie von 10 Patienten mit benignen Tumoren des Parapharyngeal-Raums erfolgreich mit dem DaVinci-System operieren 129 . Ebenso war dies Arshad et al. in 3 Patienten mit benignen oder malignen Tumoren gelungen 7 . Allerdings setzt der TORS-Eingriff in dieser Region eine detaillierte Kenntnis der parapharyngealen Anatomie voraus. Besonders der Verlauf der A. carotis interna und des Nervus glossopharyngeus ist bei transoraler Sichtweise von Bedeutung und wird von Wang et al. im Detail beschrieben 185 . Weiterhin ist die Inzidenz der Pathologien im parapharyngealen Raum gering und nur ein Teil davon kann tatsächlich chirurgisch therapiert werden.

Eine besondere Position nehmen Patienten mit obstruktivem Schlafapnoe-Syndrom (OSAS) ein. Da es sich hierbei um eine nicht-maligne Erkrankung mit hoher Inzidenz handelt, wird die Frage, ob sich der finanzielle Aufwand eines Roboter-assistierten Eingriffs rechtfertigen lässt, immer wieder leidenschaftlich diskutiert. Eine Tonsillektomie und Zungengrund-Reduktion kann sicherlich auch ohne Roboter-System adäquat durchgeführt werden. Die Vorteile von TORS werden hingegen mit einem verminderten Operationstrauma und schnellerer postoperativer Heilungsphase angegeben. Ohne Zweifel ist, wie von Vicini et al. beschrieben, die Uvulopalatopharyngoplastik (UPPP) bei korrekter Indikation eine gute Möglichkeit, um die Beschwerden der OSAS-Patienten zu reduzieren (n=234) 183 . Diese Erkenntnis wird durch die Beobachtungen von Hoff et al. unterstützt (n=285) 62 . Friedman et al. konnten beim Behandlungserfolg einen Vorteil von TORS gegenüber alternativen Operationsmethoden wie Radiofrequenz-Ablation oder submuköse Exzision des Zungengrundes errechnen. Allerdings war die Morbidität in Bezug auf Dysphagie und Heilungsdauer in der TORS-Gruppe signifikant erhöht (n=27) 49 . Golbin et al. konnten aufzeigen, dass die präoperative Schlafendoskopie als Teil der Indikationsentscheidung wesentlich zum Operationserfolg beiträgt 58 . In ihrem Patientenkollektiv (n=104) zeigte sich aber auch, dass TORS-Eingriffe im Vergleich zu konventionellen Operationen einen erhöhten Kostenaufwand und längere Krankenhausliegezeiten verursachen, ohne dass das operative Ergebnis verbessert werden konnte. Abschließend konnten verschiedene Meta-Analysen den Behandlungserfolg von TORS bei OSAS auch bei übergewichtigen Patienten bestätigen 55 116 . Die Frage, ob TORS gegenüber alternativen Operationsmethoden einen Vorteil erbringt, welcher den hohen finanziellen Mehraufwand rechtfertigt, bleibt aber weiterhin unbeantwortet.

Auffallend wenige Arbeitsgruppen haben sich in der Literatur mit der Roboter-assistierten Resektion von Zungengrund-Tumoren beschäftigt. Die Erstbeschreibung erfolgte durch O’Malley et al. 2006 bei 3 Patienten 131 . Eine weitere Fallserie mit 13 Patienten wurde 2013 durch die italienische Arbeitsgruppe um Mercante et al. publiziert 119 . Beide Studien bescheinigten eine gute Durchführbarkeit mit günstigen funktionellen Ergebnissen.

Mit zunehmender Erfahrung der Operateure erscheinen nun auch Roboter-assistierte Eingriffe am Hypopharynx sicher durchführbar. Park et al. publizierten schon 2013 eine retrospektive Studie zum Hypopharynx-Karzinom, in der TORS (n=30) mit offener Chirurgie verglichen wurde 140 . Unter Berücksichtigung der Selektionsbias zeigte die TORS-Gruppe bessere Werte für die Dekanülierungsrate, Schluckvermögen und Krankenhausliegezeit. Die 5-Jahres-Überlebensrate war für beide Gruppen vergleichbar 141 . Kleinere Fallserien bestätigen die Durchführbarkeit von TORS im Hypopharynx (n=5) und speziell im Sinus piriformis (n=10) 108 187 . Die oben beschriebenen Eingriffe wurden jeweils mit den elektrischen Resektionsinstrumenten des DaVinci-Systems durchgeführt. Kucur et al. zeigten beispielhaft an einem Patienten, dass auch im Hypopharynx eine Roboter-assistierte Laserresektion möglich ist 88 . Die flexible Laserfaser wurde hierbei mit dem Nadelhalter geführt. Trotz dieser ermutigenden Beschreibungen, sollte klar bleiben, dass die Patienten für TORS eine optimale Einstellbarkeit des Hypopharynx haben müssen und somit selbstverständlich auch einer transoralen Lasermikrochirurgie zugänglich sind. Eine weitere Patientengruppe, welche potentiell eine Anwendungserweiterung für TORS darstellt, sind die Divertikel im oberen Hypopharynx. Bei Anwendung eines flexiblen Roboter-Systems könnten sich hier Vorteile bei schlecht einstellbaren Patienten ergeben, was bisher in Kadaverstudien demonstriert worden ist 51 .

Ein wichtiger Aspekt bei der Auswahl der Therapieoptionen sind die Langzeitverläufe der Patientengruppen. Verschiedene Arbeitsgruppen konnten den TORS-Patienten günstige Überlebensraten und gute funktionelle Ergebnisse bescheinigen 38 122 . Allerdings sind die chirurgischen und nicht-chirurgischen Behandlungsprotokolle mit denen TORS retrospektiv verglichen wurde, nicht näher beschrieben worden. Ebenso war die Lebensqualität der TORS-Patienten im Langzeitverlauf zufriedenstellend, während eine eventuelle adjuvante Radio-(chemo)-Therapie die Lebensqualität tendenziell reduzierte 45 66 .

Eine kleine Gruppe an TORS-Operateuren hat sich in der Vergangenheit mit der Roboter-assistierten Chirurgie von freien Gewebstransplantaten beschäftigt 40 . Die Erstbeschreibung erfolgte 2009 durch Mukhija et al., welche in 2 Patienten ein Radialis-Transplantat Roboter-assistiert zur Pharynx-Rekonstruktion einnähen konnten 125 . Weitere Arbeitsgruppen folgten unter Verwendung von Radialis-, Oberschenkel- oder Jejunum-Transplantaten 18 31 56 142 . In einer weiteren Fallserie wurde ebenfalls ein Radialis-Transplantat zur Defektdeckung nach TORS verwendet, welches aber konventionell ohne Roboter-Assistenz eingenäht wurde 13 . Hervorzuheben ist die Publikation von Song et al., in der die Roboter-assistierte Naht einer Gefäßanastomose unter Verwendung spezieller Mikroinstrumente beschrieben wird 167 .

4. Nasopharynx

Der Nasopharynx bietet sich aufgrund seiner anatomischen Lage potentiell sehr gut für die Roboter-assistierte Chirurgie an. Die traditionelle, offene Chirurgie ist aufwendig und oft nur durch große Zugangswege, wie die Unterkieferspaltung mit entsprechender Morbidität erreichbar 188 . Auf der anderen Seite ist der Nasopharynx mit geeigneten Instrumenten sowohl transnasal als auch transoral durch existierende Körperöffnungen erreichbar, ohne dass weitere Hautinzisionen notwendig werden. Beide Zugänge werden in alleiniger Anwendung oder in deren Kombination im Folgenden diskutiert. Hierbei ergeben sich immer wieder Überschneidungen mit den Zugängen zur Schädelbasis, so dass zusätzlich auf das folgende Kapitel „Nasennebenhöhlen und Schädelbasis“ verwiesen wird. Eine vollständige Roboter-assistierte Nasopharyngektomie wurde erstmalig 2008 durch Ozer et al. im Kadavermodell beschrieben 137 . Die Arbeitsgruppe wählte hierfür den alleinigen transoralen Zugangsweg mit dem DaVinci-System. Die Visualisierung wurde durch eine leichte Kopf-Extension in der Trendelenburg-Position nochmals verbessert, wodurch der gesamte Nasopharynx eingesehen wurde und auch die A. carotis interna bds. unter Sicht präpariert werden konnte. Allerdings war für den Eingriff eine paramediane Gaumenspaltung notwendig.

Eine weiter lateral durchgeführte Gaumenspaltung mit Bildung eines gestielten Weichteiltransplantates wurde durch Tsang et al. beschrieben 179 . Durch die weitere Eröffnung des Gaumens ergibt sich eine bessere Übersicht des Operationsgebiets besonders bei lateral gelegenen Pathologien. Die Wunde kann nach Abschluss der Operation vollständig mit dem Roboter vernäht werden. Die Gaumenspaltung an sich ist nicht wünschenswert, weshalb weitere Systeme für die Roboter-assistierte Chirurgie am Nasopharynx getestet wurden. So konnten Richmon et al. 2014 erstmalig die transorale Nasopharyngektomie mit dem FLEX ® -System in einer Kadaverstudie beschreiben 147 . Aufgrund der flexiblen Bauweise des computer-gesteuerten Endoskops kann bei gleichbleibender Visualisierung auf die Gaumenspaltung verzichtet werden. Ebenso zeigte das selbe System im Vergleich mit der starren transnasalen Endoskopie Vorteile im Nasopharynx, da 2 Instrumente zeitgleich zum Einsatz kommen 159 . Vielversprechend ist die Beschreibung von Holsinger et al., welche die Möglichkeit hatten, das neue DaVinci-SinglePort System für die Nasopharynx-Chirurgie zu testen 180 . Auch hier konnte im Kadavermodell die vollständige Nasopharyngektomie mit Darstellung der A. carotis interna und des Trigeminus-Nervens ohne Gaumenspaltung durchgeführt werden. Ob der Einsatz eines dritten Instrumentenarms, wie von den Autoren beschrieben, in der Praxis von Vorteil ist, bleibt abzuwarten.

Der rein transnasale, endoskopische Zugang zum Nasopharynx ist besonders für Rezidive von Nasopharynx-Karzinomen im Rahmen der Salvage-Chirurgie mehrfach als „extended endonasal approach“ (EEA) beschrieben worden 29 . Wie von Castelnuovo et al. an 36 Patienten demonstriert, ist dieser Eingriff durch erfahrene Chirurgen durchaus auch bei fortgeschrittenen Karzinomen durchführbar. Aufgrund der eingeschränkten Visualisierung und Erreichbarkeit von anatomischen Strukturen, ist dieser Zugang bisher aber nur für ausgewählte Patienten praktikabel. Die Möglichkeit, eine navigierte Biopsie des Nasopharynx mithilfe eines neuartigen Kontinuums-Roboters durchzuführen, ist 2017 von Wu et al. in einem Kadavermodell beschrieben worden 196 . Das System besteht aus 2 konzentrischen, starren Röhren, welche unabhängig voneinander gesteuert werden können. Dieser nicht-lineare Zugang ist vergleichsweise atraumatisch und könnte somit potentiell auch unter Lokalanästhesie zum Einsatz kommen.

Analog zur Roboter-assistierten Schädelbasis-Chirurgie sind auch für Eingriffe am Nasopharynx transorale Zugänge in Kombination mit transantralen oder transzervikalen Zugängen beschrieben worden 33 36 . Beide Zugänge ermöglichen eine gute Visualisierung und Manipulation des gesamten Nasopharynx. Aufgrund der deutlich erhöhten Zugangsmorbidität und den fehlenden Bohrinstrumenten beim erweiterten transantralen Zugang sind diese Prozeduren allerdings bisher ausschließlich in Kadaverstudien beschrieben worden.

In der Chirurgie des Nasopharynx ist der kombinierte transnasale/transorale Zugang in der Entwicklung am weitesten fortgeschritten. So führten Dallan et al. 2012 eine vollständige transorale Nasopharyngektomie mit dem DaVinci-System durch 36 . Auf eine Gaumenspaltung konnte verzichtet werden, wenn der Kamera-Arm transnasal eingeführt wurde. Hierfür zeigte sich eine posteriore Septumresektion als hilfreich, um die Visualisierung des gesamten Operationsgebiets zu optimieren. Sinnvoll erscheint auch die Kombination des transoralen Roboter-assistierten Zugangs (TORS) mit der transnasalen endoskopischen Operation. Diese Operationsweise nutzt die Vorteile beider Zugänge, welches sich im Nasopharynx optimal ergänzen können. So konnten Sreenath et al. an drei klinischen Fällen demonstrieren, dass dieses Verfahren prinzipiell durchführbar ist 168 . Die behandelten Patienten litten unter einer retropharyngealen Metastase eines Schilddrüsen-Karzinoms, einem Schleimhautmelanom des Nasopharynx und einer nasopharyngealen Synechie nach nasalem Drogenabusus.

Die Arbeitsgruppe von Wei et al. in Hong Kong besitzt die weitaus größte klinische Erfahrung mit Roboter-assistierten Operationen im Nasopharynx. Bereits 2010 konnte ein Patient mit Rezidiv eines Nasopharynx-Karzinoms transoral mit dem DaVinci-System erfolgreich operiert werden 189 . Trotz Anwendung der Instrumente mit EndoWrist ® -Design, welche eine erweiterte Rotation im Endbereich erlauben, war wie oben beschrieben für den Eingriff eine Gaumenspaltung notwendig. 2 Jahre später erfolgte die Behandlung eines Patienten, welcher ebenfalls ein Karzinom-Rezidiv am Dach des Nasopharynx präsentierte 198 . Der Eingriff erfolgte ähnlich wie bei Sreenath et al. mit einem kombinierten transoralen Roboter-assistierten und einem transnasalen endoskopischen Eingriff ohne Roboter-Assistenz, so dass der Tumor en bloc mit ausreichendem Sicherheitsabstand entfernt werden konnte.

Eine Fallserie von 12 Patienten mit Rezidiv eines Nasopharynx-Karzinoms wurde schließlich 2014 von Tsang et al. publiziert 181 . Das Tumorstadium umfasste T1–T4, und alle Patienten wurden über einen transoralen Zugang und Gaumenspaltung mit dem DaVinci-System operiert. Bei 11/12 Patienten wurde ein ausreichender Sicherheitsabstand oder eine close-margin Situation erreicht. Die beschriebenen Komplikationen umfassten eine Osteonekrose des Clivus, eine persistierende Gaumen-Fistel und einen hypoxischen Hirnschaden. In der onkologischen Nachsorge zeigten 2/12 Patienten ein Lokalrezidiv und ein Patient distale Metastasen. Nach Angaben der Autoren lag die Überlebensrate ohne adjuvante Therapie nach 2 Jahren bei 83%. So stellt TORS besonders bei Lokalrezidiven eines Nasopharynx-Karzinoms durchaus eine therapeutische Option mit akzeptablen Ansprechraten dar. Die Arbeitsgruppe diskutiert darüber hinaus den Stellenwert der chirurgischen Therapie bei Tumor-Rezidiven im Nasopharynx im Vergleich zu alternativen Behandlungsoptionen 190 . Für den europäischen Raum wurde aufgrund der geringeren Inzidenz des Nasopharynx-Karzinoms allerdings in einer Meta-Analyse noch eine zurückhaltende Empfehlung für Roboter-assistierte Eingriffe am Nasopharynx gegeben 120 .

5. Larynx

Die konsequente Weiterentwicklung von TORS mündet in den Roboter-assistierten Eingriffen am Larynx. Multiple Publikationen beschreiben Fallserien von Patienten mit supraglottischen Pathologien, was durch die gute Erreichbarkeit der Epiglottis zu erklären ist. Dies steht allerdings in keiner Relation zu der niedrigen Inzidenz von Epiglottis-Karzinomen. Zusätzlich sind diese oft aufgrund der Ausdehnung oder des Patientenalters einer operativen Therapie nicht weiter zugänglich, was sich auch in der niedrigen Fallzahl in den publizierten Fallserien widerspiegelt. Ebenso wie die Transorale Laser-Mikrochirurgie (TLM) benötigen die starren Instrumente des DaVinci-Systems auch einen weitgehend geradlinigen Zugangsweg (,straight line of sight‘), und die Größe des Gerätes führt besonders bei der Larynxchirurgie häufiger zu mechanischen Interferenzen zwischen den Instrumenten. Um die Vorteile von TORS gegenüber der TLM aufzuzeigen, wären auch hier randomisierte klinische Studien notwendig, welche zum aktuellen Zeitpunkt noch nicht vorliegen.

Die wichtigsten Fallserien beinhalten die Erstbeschreibung im Tiermodell und von 3 klinischen Fällen 2007 durch Weinstein et al. 191 193 . Das größte Patientenkollektiv liefert die Subgruppenanalyse des französischen TORS-Konsortiums (n=84) 145 . In dieser Studie sind allerdings die hohen Quoten an unzureichenden Resektionsrändern (52%) und an Nachblutungen (18%) überraschend, welche sich nicht mit den Daten anderer Publikationen decken. Solares et al. konnten den Einsatz einer flexiblen CO 2 -Laserfaser an der Supraglottis beschreiben 164 . Die koreanische Arbeitsgruppe um Kim et al. publizierte deutlich bessere funktionelle Ergebnisse für TORS als für die offene Kehlkopf-Teilresektion bei supraglottischen Karzinomen in einer nicht-randomisierten, prospektiven Studie (n=34), welche unter Rücksicht auf die Selektionsbias interpretiert werden müssen 139 . Weitere Fallserien wurden mit ähnlichen Erkenntnissen publiziert 118 135 .

Neben dem DaVinci-System wird auch das FLEX ® -System für Eingriffe an der Supraglottis eingesetzt. So wurden im Rahmen der europäischen Zulassungsstudie insgesamt 16 Patienten mit supraglottischen Pathologien an der Epiglottis, den Taschenfalten und den Stellknorpeln mit flexibler TORS behandelt 94 . Unabhängig vom System ergibt sich aber bisher kein effektiver Vorteil von TORS gegenüber der in Europa standardmäßig eingesetzten TLM für die supraglottische Larynx-Chirurgie. Hier ist eine speziell auf die Larynx-Chirurgie abgestimmte Weiterentwicklung der RAC notwendig.

Eine vollständige ,transorale Roboter-assistierte Laryngektomie‘ (TORS-LE) könnte aufgrund seiner minimalen Hautinzision das Risiko einer Speichelfistel reduzieren, was besonders bei Salvage-Operationen von Vorteil sein kann 54 . Möglicherweise kann so die empfohlene zusätzliche Defektdeckung mittels gestieltem Pectoralis-Lappen bei Salvage-Laryngektomie überflüssig werden 53 . Die Neck dissection kann entweder 2-zeitig durchgeführt oder durch klinische Kontrollen ersetzt werden 47 . Die TORS-LE wird von kaudal über einen kleinen Tracheostomie-Hautschnitt nach kranial präpariert und anschließend von transoral mittels Roboter-System vervollständigt. Die notwendige Pharynx-Naht kann, wie von Lawson et al. beschrieben, ebenfalls von transoral durchgeführt werden 95 . Anschließend folgten amerikanische, australische und chinesische Fallserien mit kleinerer Fallzahl, welche die Durchführbarkeit im klinischen Bereich bestätigten 31 85 163 . Für die TORS-LE können außer dem DaVinci-System auch weitere Instrumente verwendet werden. So demonstrierten Fernandez et al. den Einsatz eines Ultraschall-Skalpells für den transoralen Teil der TORS-LE 48 . Unsere Arbeitsgruppe konnte in einem Kadavermodell die Verwendung des FLEX ® -Systems untersuchen, wobei der transzervikal nicht-robotisch durchgeführte Anteil der Operation deutlich ausgeweitet werden kann 160 .

Obwohl das DaVinci ® -System nicht für den Einsatz an den Stimmlippen entwickelt wurde, häufen sich die Erfahrungsberichte in diesem Bereich. So konnten Blanco et al. 2011 erstmals die Resektion eines T1-Larynx-Karzinoms mit einer flexiblen CO 2 -Faser publizieren 15 . Im folgenden Jahr berichteten Kayhan et al. über eine Fallserie mit 10 Patienten, bei denen eine Roboter-assistierte Chordektomie durchgeführt wurde 74 . Eine Tracheostomie war nur in einem Fall indiziert, und die Autoren sahen einen Vorteil von TORS gegenüber TLM in Bezug auf Visualisierung und Zugang zum Operationsgebiet. Ähnliche Ergebnisse wurden durch Lallemant et al. beschrieben 93 . Ein Lokalrezidiv wurde bei 2/13 Patienten in der vorderen Kommissur festgestellt, was zeigt, dass auch bei TORS dieser Bereich aufgrund seiner schlechten Exposition als besonders kritisch einzustufen ist. Schließlich konnten Wang et al. eine Fallserie mit glottischen Larynx-Karzinomen beschreiben, welche keine Tracheostomie benötigten und bei einer durchschnittlichen Nachbeobachtungszeit von 40 Monaten kein Lokalrezidiv entwickelt haben (n=8) 186 .

Nach entsprechenden Kadaverstudien konnten klinische Eingriffe auf Glottis-Ebene auch mit dem FLEX ® -System im Rahmen der Zulassungsstudie durchgeführt werden 50 94 . Da das FLEX ® -System aber nicht primär für Glottis-Eingriffe konstruiert worden ist, war die Visualisierung in 3 von 5 Fällen frustran, und der Eingriff musste zu einer konventionellen TLM konvertiert werden. Abhilfe könnten neue, kleinere Instrumente schaffen, welche speziell für die Larynx-Chirurgie entwickelt werden und für 2018 angekündigt sind.

6. Nasennebenhöhlen und Schädelbasis

Der Roboter-assistierte Zugang zur Schädelbasis würde die operativen Möglichkeiten an den teils vulnerablen anatomischen Strukturen deutlich erweitern. Aufgrund der technischen Limitationen ist der Einsatz von Roboter-Systemen in diesem Bereich allerdings bisher auf Kadavermodelle und klinische Einzelfallbeschreibungen beschränkt 171 177 . Das DaVinci-System erscheint aufgrund seiner Größe nicht die optimale Struktur für den Zugang zur Schädelbasis zu besitzen 155 . Daher existieren mehrere alternative Systeme, welche die speziellen Anforderungen für dieses Operationsgebiet adressieren.

Burgner et al. haben einen Kontinuums-Roboter entwickelt, der transnasal ohne weitere Hilfsschnitte eingeführt wird 22 . Aufgrund seiner Bauweise mit 3 konzentrischen Metallrohren kann über einen Joystick jeder beliebige Punkt in einem 3-dimensionalen Raum nicht-linear angesteuert werden ( Abb. 4 ). Jedes Metallrohr wird über einen eigenen Motor unabhängig in seiner Extension und Rotation gesteuert. Die Entfernung eines Hypophysen-Tumors erschien so in einem humanen Schädelmodell durchführbar. Morimoto et al. schlagen eine personalisierte Lösung vor, bei der basierend auf der Fragestellung und entsprechender Bildgebung Patienten-spezifische konzentrische Rohre hergestellt werden 124 . Dieser Ansatz wurde allerdings zunächst nur für urologische Patienten ausgeführt.

Abb. 4.

Abb. 4

Der Kontinuums-Roboter des Lehrstuhls für Kontinuums-Robotik an der Leibniz Universität Hannover besteht aus konzentrischen Röhren, welche unabhängig voneinander bewegt werden können.

Die vollautomatische Keilbeinhöhlen-Operation wurde 2005 von der Erlanger Arbeitsgruppe in einem Kadavermodell realisiert 20 . Hierfür wurde ein Bohrsystem auf einen Roboter-Arm mit sechs Freiheitsgraden montiert und mit einem optischen Navigationssystem gekoppelt. Die durchschnittliche Genauigkeit des gesamten Systems lag bei 1,5 mm. Über eine Weiterentwicklung des Systems ist allerdings bisher nicht berichtet worden.

Im Folgenden werden 3 Endoskop-Halter vorgestellt, welche dem Operateur den gleichzeitigen Einsatz von 2 Instrumenten ermöglichen. Der SOLOASSIST Endoskop-Halter (AKTORmed, Regensburg) ist ursprünglich für die Abdominalchirurgie entwickelt worden und wird nun in Kadaverstudien für die Anforderungen der lateralen Nasennebenhöhlen- und Schädelbasischirurgie adaptiert ( Abb. 5a ) 86 . Der Endoskop-Halter kann direkt über einen kleinen Joystick gesteuert werden, welcher an die starren Standard-Instrumente montiert wird. In den publizierten Kadaverstudien konnten die wichtigsten Landmarken an der lateralen und frontalen Schädelbasis sicher identifiziert werden.

Abb. 5.

Abb. 5

a Die neueste Version des SOLOASSIST automatisierten Endoskophalters für minimalinvasive Nasennebenhöhlen-Chirurgie (AKTORmed, Regensburg). b Der robotische Endoskophalter von Medineering (München) ist für die Nasennebenhöhlen-Chirurgie entwickelt worden und steht kurz vor der klinischen Zulassung.

Eine Sprachkontrollfunktion mit 23 Einzelbefehlen war in dem alternativen AESOP Endoskop-Halter (Computer Motion, Goleta, CA) integriert, so dass auch hier 2 Instrumente gleichzeitig eingesetzt werden konnten. Zusätzlich konnten anatomische Landmarken gespeichert und später durch ein kurzes Kommando erneut visualisiert werden. Nathan et al. demonstrierten mithilfe des AESOP Systems den Zugang zur Sella turcia in einem humanen Kadavermodell 126 . Für das selbe System wurde kurze Zeit später ein zusätzliches Modul entwickelt, mit dem das Endoskop über die Pupillenbewegung des Operateurs gesteuert werden konnte 4 . Der AESOP Endoskop-Halter war als eigenständiger Baustein in den ZEUS-Roboter integriert, welcher die FDA-Zulassung 2001 erhalten hatte. Das AESOP- und ZEUS-System werden nicht mehr hergestellt und vertrieben. Vergleichsweise jung ist der Endoskop-Halter der Firma Medineering (München), welcher speziell für die Nasennebenhöhlen- und Schädelbasischirurgie entwickelt wird ( Abb. 5b ). Das System besteht aus einem mehrgelenkigen Haltearm ohne eigenen Antrieb sowie aus einer kleineren Robotereinheit, welche am Ende des Haltearms befestigt wird. Die Robotereinheit wird über einen Fuß-Joystick bewegt und verfügt über sieben Freiheitsgrade. Erste Kadavertests an den Nasennebenhöhlen und der Schädelbasis sind durch unsere Arbeitsgruppe erfolgreich durchgeführt worden, und die Zulassung für den europäischen Raum wird in Kürze erwartet 51 .

Das oben beschriebene FLEX ® -System wurde hauptsächlich für den Einsatz im Oropharynx entwickelt. In einem humanen Kadavermodell konnte unsere Arbeitsgruppe das System für die Visualisierung der Nasennebenhöhlen, der vorderen Schädelbasis und des Hirnstamms adaptieren 161 . Allerdings ist die Miniaturisierung des Endoskops für einen transnasalen Zugang bisher noch nicht ausreichend fortgeschritten, und die Resektion der knöchernen Strukturen mit den vorhandenen Instrumenten bleibt eine bisher unüberwindbare Herausforderung.

Für den Einsatz des DaVinci-Systems an der Schädelbasis sind verschiedene Zugänge beschrieben worden, welche je nach Operationsgebiet spezifische Vorteile haben können 144 . Der kombinierte transnasale/transorale Zugang ist zunächst relativ atraumatisch, da keine äußeren Zugangsschnitte angelegt werden müssen ( Abb. 6a ). In dem humanen Kadavermodell von Carrau et al. konnte über diesen Zugang die Fossa infratemporalis, die Clivusregion und der kraniozervikale Übergang dargestellt werden. Ebenso konnte die Arbeitsgruppe in 2 klinischen Fällen einen malignen Tumor aus dem Nasopharynx resezieren. Hierbei wurde der kranielle Anteil des Tumors mittels herkömmlichen starren Instrumenten über einen transnasalen Zugang und der kaudale Tumoranteil mittels TORS reseziert 28 . Ebenso wurde der transorale Zugang in einem klinischen Fall getestet, in dem die Resektion des Dens axis bei Kompressionssyndrom der Arteria basilaris erfolgreich durchgeführt wurde 101 ( Abb. 6b ). Allerdings scheint hier der Einsatzbereich durch die geringe Auswahl der verfügbaren Knocheninstrumente, wie z. B. ein Bohrer, limitiert zu sein. Der kombinierte transnasale/transorale Zugang beschreibt auch einen Aufbau, bei dem die Kamera des DaVinci-Systems transnasal eingeführt wird und für die Arbeitsinstrumente der transorale Zugang gewählt wird. Erstmals beschrieben wurde dieser Zugang in einem humanen Kadavermodell, welcher die hintere Schädelgrube adressierte 136 .

Abb. 6.

Abb. 6

Die Roboter-assistierten Zugänge zur Schädelbasis umfassen a transnasal in Kombination mit transoral oder transantral; b rein transoral; c transnasal in Kombination mit transzervikal; und d transoral in Kombination mit suprahyoidal. Copyright: Schuler PJ.

Den kombinierten transnasalen/transantralen Zugangsweg zur Schädelbasis konnten Kupferman et al. in einem humanen Kadavermodell demonstrieren. Auch hier erfolgte die Visualisierung der Schädelbasis über die transnasal platzierte Kamera des DaVinci-Systems. Die Arbeitsinstrumente werden über den transantralen Zugang nach midfacial degloving eingeführt. Über diesen Zugang konnten die mediale Orbita, die Siebbeinzellen, die Riechrinne, die Keilbeinhöhle, die Fossa pterygopalatina und der Clivus dargestellt werden 59 . Der leicht modifizierte transantrale/transmaxilläre Zugang ist laut derselben Arbeitsgruppe auch ausreichend zur Defektdeckung an der Schädelbasis im Kadavermodell 89 .

Beim transnasalen/transzervikalen Zugang werden die Instrumente über einen Hautschnitt am beidseitigen Kieferwinkel eingeführt ( Abb. 6c ). Der Zugang wird mit stumpfer Präparation erweitert und während des Eingriffs mit einem Trokar offengehalten. Das Kamera-System wird transnasal eingeführt 37 . Dieser Zugang hat zwar eine höhere Invasivität als der transorale Zugang, kann aber bei Patienten mit ungünstigem Zahnstatus oder maxillärer Retrognathie vorteilhaft sein, um den Oberkiefer zu schützen. Zusätzlich stehen die Arbeitsinstrumente so in einem verbesserten Winkel zueinander, was die Manipulation der Schädelbasis erleichtert. Ebenso kann dieser transzervikale Zugang der Instrumente mit einer transoralen Kameraführung kombiniert werden, um die Darstellung der Keilbeinhöhle, des Clivus, der Sella und der Hypophyse in einem humanen Kadavermodell zu erreichen 130 .

Abschließend konnte die Arbeitsgruppe um McCool et al. den Zugang zur Fossa infratemporalis über einen kombinierten transoralen/suprahyoidalen Zugang im humanen Kadavermodell demonstrieren 115 . Hierfür wurde ein Instrumentenarm über einen suprahyoidalen Hilfsschnitt zunächst in der Vallecula platziert ( Abb. 6d ). Das Kamera-System und der zweite Instrumentenarm wurden transoral eingeführt. So konnten die Hirnnerven IX–XII, die Arteria carotis und die Vena jugularis an ihrem Eintritt in die Schädelbasis detailliert dargestellt und manipuliert werden.

Zusammenfassend ist die klinische Anwendung aller oben beschriebenen Systeme für die Nasennebenhöhlen- und Schädelbasischirurgie bisher nicht praktikabel 177 . Die maßgeblichen Limitierungen umfassen das Fehlen eines Bohrers und einer Absaugvorrichtung sowie der extensive Durchmesser der Arbeitsinstrumente (> 4 mm). Außerdem ist das fehlende haptische Feedback an der Schädelbasis aufgrund der wechselnden Knochen- und Weichteilstrukturen von besonderem Nachteil.

7. Schilddrüse

In der Schilddrüsen-Chirurgie ist neben dem offenen Zugangsschnitt auch der transaxilläre, endoskopische Zugang weit verbreitet, der besonders in fokussierten Zentren an großen Patientenkollektiven beschrieben worden ist (n=581) 72 . Mit Einführung des DaVinci ® -Systems konnte 2005 auch erstmals die Roboter-assistierte Schilddrüsen-Operation über einen transaxillären Zugang bei einem Patienten mit solitärem Schilddrüsen-Knoten durchgeführt werden 107 . Besonders in der Region Südostasien besteht eine große Nachfrage für die Roboter-assistierte Schilddrüsen-Operation, da die offen sichtbare Narbe im Jugulum dort als extrem störend empfunden wird. Dementsprechend können die Operateure aus dieser Region auch gute Ergebnisse in Kohorten mit tausenden von Patienten aufweisen 9 99 . Aber auch nicht-asiatische Arbeitsgruppen verwenden diesen Zugang in deutlich geringeren Fallzahlen mit überwiegend nicht-malignen Erkrankungen 1 90 92 .

Mehrere südkoreanische nicht-randomisierte Studien vergleichen die Vor- und Nachteile verschiedener chirurgischer Zugänge in der Schilddrüsenchirurgie. Lee et al. zeigten in einer onkologischen Multicenter-Studie für die Roboter-assistierte Gruppe eine signifikant kürzere Operationszeit bei totaler Thyroidektomie als für die endoskopisch operierte Vergleichsgruppe 100 . Der kombinierte transaxilläre/transpectorale Zugang verspricht allerdings keine operativen Vorteile, sondern nur ein nachteiliges kosmetisches Resultat 165 . Der Langzeitverlauf von postoperativen Stimmbeschwerden wurde von Song et al. in einer nicht-randomisierten Studie untersucht. In diesem Patientenkollektiv erholten sich eventuelle Stimmbeschwerden nach Schilddrüsenchirurgie nach Angaben der Operateure in der Roboter-assistierten Gruppe schneller als nach offener Chirurgie 166 . Die Patienten wurden hierfür über einen Zeitraum von 2 Jahren mittels Fragebogen untersucht.

Die Komplikationen des transaxillären Zugangs sind gut dokumentiert und beinhalten unter anderem persistierende Hypokalziämie (1,1%) und dauerhafte Rekurrensparese (0,27%). Die Roboter-assoziierten Komplikationen waren Hautperforationen im Zugangsbereich (0,1%) und Lagerungsschäden der oberen Extremität (0,13%) (n=3,000) 9 . Speziell für die transaxilläre Schilddrüsen-Chirurgie wurde von einer japanischen Arbeitsgruppe ein Wundsperrer mit integrierter Kamera entwickelt 68 . Dieser erleichtert die Anlage des subkutanen Zugangstunnels, bevor das DaVinci-System angelegt wird.

Bei Karzinom-Patienten, welche sowohl eine Thyroidektomie als auch eine Neck dissection benötigen, können beide Prozeduren über den transaxillären Zugang durchgeführt werden. Alternativ wird der gesamte Eingriff über einen beidseitigen retroaurikulären Zugang durchgeführt, was laut Terris et al. in einer kürzeren Operationszeit und schnelleren Erholung der Patienten resultiert (n=15) 174 . Die Vorteile des retroaurikulären Zugangs auch für die Schilddrüsen-Chirurgie konnten später durch weitere Untersuchungen bestätigt werden (n=90) 26 44 . Prinzipiell ist die totale Thyroidektomie und beidseitige zentrale Neck dissection über einen einseitigen retroaurikulären Zugangsschnitt durchführbar, was dann aber mit einer deutlich längeren Operationszeit verbunden ist 25 .

Der transorale Zugangsweg zur Schilddrüse wurde von amerikanischen und südkoreanischen Arbeitsgruppen mit dem Ziel entwickelt, vollständig auf sichtbare Hautnarben verzichten zu können 149 . Die endoskopische sublinguale Thyroidektomie wurde erstmals durch Benhidjeb 2009 beschrieben 11 und in Kadaverstudien auch für die Roboter-assistierte Chirurgie adaptiert 150 . Im Rahmen der technischen Weiterentwicklung wurde der enorale Zugang vom sublingualen Raum in das Vestibulum verlegt und hierdurch die Interferenz der Instrumente mit den Kieferknochen deutlich reduziert 150 . Bei diesem Zugang muss allerdings die transiente Alteration des Nervus mentalis berücksichtigt werden, welche sich im Normalfall nach wenigen Wochen zurückbildet 98 153 .

Eine angeregte Diskussion wurde durch eine Publikation von Lee et al. entfacht, welche Patienten nach Roboter-assistierter Schilddrüsen-Chirurgie ein verbessertes Körperbewusstsein zuschreibt 102 . Auf der einen Seite muss berücksichtigt werden, dass die Studie in einer jungen, nicht-randomisierten asiatischen Patientengruppe durchgeführt wurde und die Beobachtungen nur bedingt auf andere Kulturkreise übertragbar sind 105 . Auf der anderen Seite ist besonders bei Karzinom-Patienten abzuwägen, welchen Stellenwert die kosmetische Erscheinung gegenüber der onkologischen Sicherheit während des Eingriffs einnehmen darf. Hierzu konnte die qualitativ hochwertige und detaillierte Meta-Analyse von Chai et al. in Bezug auf die onkologische Sicherheit keinen Nachteil für die Roboter-assistierte Chirurgie identifizieren, so dass der Eingriff zumindest für erfahrene Operateure mit hohen Fallzahlen als sicher angesehen werden kann 30 .

8. Halsweichteile

Ebenso wie bei der Schilddrüsen-Chirurgie wird auch die Entwicklung der Roboter-assistierten Neck dissection (RAND) stark von den südkoreanischen Arbeitsgruppen dominiert. Besonders an der Yonsei Universität in Seoul werden RAND-Eingriffe sowohl von den Kollegen der HNO als auch der Chirurgie durchgeführt. Auch hier sind hauptsächlich kosmetische Bedürfnisse die treibende Kraft, welche sich in unseren Kulturkreisen nicht widerspiegeln. Aktuell werden 4 verschiedene Zugänge zur RAND beschrieben ( Abb. 7 ) 200 ; (I) transaxillär, (II) retroaurikulär, (III) der kombinierte transaxilläre und retroaurikuläre TARA-Zugang, sowie (IV) transoral.

Abb. 7.

Abb. 7

Die Roboter-assistierte Neck dissection ist über einen transoralen, retroaurikulären oder transaxillären Zugangsweg durchführbar Copyright: Schuler PJ.

Der transaxilläre Zugang wurde erstmals durch Kang et al. 2010 in 33 Patienten mit Schilddrüsenkarzinom und zervikaler Metastasierung beschrieben 73 . Die unilaterale modifiziert-radikale Neck dissection wurde gemeinsam mit der beidseitigen Thyroidektomie durchgeführt. Das operative Vorgehen ist in der oben genannten Publikation detailliert beschrieben. Die durchschnittliche Anzahl der entfernten Lymphknoten war 6,1±4,4 im medialen und 27,7±11,0 im lateralen Kompartment. Der transaxilläre Zugangsweg bietet sich bei Schilddrüsenkarzinomen an, ist aber bei Kopf-Hals-Karzinomen aufgrund des langen Tunnels zu den kraniellen Lymphknotenstationen nicht praktikabel. Der alternative retroaurikuläre Zugang über einen modifizierten Facelift-Schnitt konnte erstmals durch Blanco et al. 2012 in einer Kadaverstudie beschrieben werden 14 . Anschließend wurden im Rahmen einer prospektiven, nicht-randomisierten klinischen Studie in Südkorea 26 Patienten mit Oropharynx-Karzinom ohne zervikale Metastasierung entweder der retroaurikulären RAND oder der konventionellen, offenen Chirurgie zugeteilt (NCT01488669, Tab. 1 ). Interessanterweise waren die Komplikationsraten und die Anzahl der entfernten Lymphknoten in beiden Gruppen gleich 97 . Sehr ähnliche Studien, welche diese Ergebnisse bestätigen, sind später für Patienten mit Kopf-Hals-Karzinom mit und ohne zervikale Lymphknoten-Metastasen (cN0/cN+) publiziert worden 78 106 172 . Wenig überraschend war die signifikant verlängerte Operationszeit für die RAND-Gruppe in allen Studien. Allerdings wird die Operationszeit bei RAND-Eingriffen durch entsprechendes Training deutlich reduziert. In der Publikation von Kim et al. wurden 90 Kopf-Hals-Karzinom-Patienten durch einen einzigen Operateur mittels RAND operiert 77 . Sowohl in der Gruppe der modifiziert radikalen Neck dissection als auch bei der supraomohyoidalen Neck dissection konnte die Operationszeit im Verlauf der Studie signifikant reduziert werden (298 -> 212; 226 -> 106 Min).

Tab. 1 Aktuelle klinische Studien zur Roboter-assistierten Chirurgie im Kopf-Hals-Bereich (www.clinicaltrials.gov).

Studien-# Land Zeitraum Status Inhalt Patientenzahl
Fallserien
S1 NCT00473564 USA 2007–2015 geschlossen TORS, Fallserie, DaVinci 36
S2 NCT02262247 USA 2014–2015 geschlossen TORS, FLEX ® -System 80
S3 NCT01059357 USA 2010–2014 geschlossen TORS, Fallserie, DaVinci 60
S4 NCT01819480 USA 2013–2019 offen TORS, Fallserie, DaVinci 85
S5 NCT02225496 USA 2014–2019 offen TORS, Fallserie, DaVinci 140
S6 NCT01473784 USA 2007–2020 offen TORS, Fallserie, DaVinci 360
S7 NCT02159703 USA 2014–2017 offen Radiatio nach TORS (HPV+) 60
S8 NCT02072148 USA 2014–2019 offen Radiatio nach TORS (HPV+) 200
S9 NCT03107182 USA 2017–2020 offen Induktion vor TORS oder RCT 56
S10 NCT02760667 USA 2015–2020 offen Induktion vor TORS oder TLM 20
S11 NCT01187160 USA 2009–2014 geschlossen Schlafapnoe-Syndrom 75
S12 NCT01107795 USA 2010–2019 offen Schlafapnoe-Syndrom 75
S13 NCT02269020 Frankreich 2015–2018 offen Neck dissection 3
S14 NCT02274493 USA 2015–2019 offen Latissimus Transplantat 15
S15 NCT02743442 Frankreich 2016–2017 offen Hypophysen-OP 8
S16 NCT02792322 USA 2016–2018 offen TORS in sitzender Position 50
S17 NCT02517125 Frankreich 2015–2025 offen DaVinci System (Xi) 150
S18 NCT03010813 Hong Kong 2016–2017 offen DaVinci System (SP) 60
S19 NCT01488669 Südkorea 2011–2013 geschlossen Neck dissection 26
Randomisierte Studien
S20 NCT01898494 USA 2013–2023 offen TORS und Radiatio 377
S21 NCT02002182 USA 2013–2019 offen Vakzinierung vor TORS 30
S22 NCT02292914 Brasilien 2014–2017 offen TORS vs. Standard Chirurgie 1120
S23 NCT02984410 Europa 2017–2020 offen Radiatio vs. Chirurgie (mit TORS) 170
S24 NCT01590355 Kanada 2012–2021 offen Radiatio vs. TORS 68

Durch die positiven Erfahrungen der Operateure mit der RAND-Technik konnte die Indikation auch auf nicht-onkologische Patienten erweitert werden. So zeigten Lee et al. in einer nicht-randomisierten, prospektiven Studie die Möglichkeiten der Roboter-assistierten (n=13) und der endoskopischen Submandibulektomie (n=22) auf 96 . Beide Verfahren erfolgten mit retroaurikulärem Zugangsschnitt und dauerten mit 63 bzw. 65 Min in etwa gleich lang. Kein Eingriff musste in einen offenen Zugang konvertiert werden und die kosmetischen Ergebnisse zeigten keinen signifikanten Unterschied.

Wie oben beschrieben ist der retroaurikuläre Zugang dem transaxillären Zugang bei der Neck dissection in den kranialen Lymphknoten-Kompartimenten überlegen. Ist eine ausgedehnte Neck dissection in den kranialen und kaudalen Kompartimenten geplant, so kann, wie von Kim et al. beschrieben, die Kombination aus transaxillärem und retroaurikulärem Zugang sinnvoll sein (n=7) 80 . Der kombinierte Zugang wird sowohl bei Patienten mit Kopf-Hals-Karzinom als auch bei Schilddrüsen-Karzinomen durchgeführt und dauert länger als der konventionelle, offene Zugang, produziert dafür aber vorteilhafte kosmetische Ergebnisse (n=22) 79 . Die weitere Entwicklung zeigt, dass auch die beidseitige Thyroidektomie und modifiziert-radikale Neck dissection über einen einzigen ipsilateralen retroaurikulären Zugangsschnitt Roboter-assistiert durchgeführt werden kann (n=4) 25 . Da die Operationsdauer regelmäßig bei über 5 Stunden lag, muss allerdings die Sinnhaftigkeit und besonders die onkologische Sicherheit der Prozedur in Frage gestellt werden. Im europäischen Raum wird das kosmetische Ergebnis besonders nach onkologisch motivierter Operation nicht ähnlich hoch bewertet, wie in asiatischen Kulturkreisen. Viel mehr werden in unserem Raum die bestmöglichen onkologischen Resektionsgrenzen gegenüber kosmetischen Bedenken bevorzugt. Daher werden die Roboter-assistierte Schilddrüsen-Operation und Neck dissection nicht regelmäßig angeboten.

Abschließend wurde durch verschiedene Arbeitsgruppen die Bedeutung der retropharyngealen Lymphknotengruppe bei Patienten mit Kopf-Hals-Karzinom hervorgehoben. Byeon et al. zeigten 2013, dass die transorale Neck dissection im retropharyngealen Kompartiment sicher und effektiv durchgeführt werden kann (n=5) 24 . Die Lymphknoten-Exstirpation erfolgte jeweils in der Tiefe des Wundbetts nach Resektion eines Tonsillen- oder Hypopharynx-Karzinoms. Obwohl jeweils nur einer oder 2 Lymphknoten reseziert werden konnten, zeigten 4/5 Patienten einen Tumorbefall dieser Lymphknoten. Später wurden diese Ergebnisse durch eine amerikanische Arbeitsgruppe bestätigt (n=30) 178 . Weiterhin unklar ist der ideale zeitliche Abstand zwischen Resektion des Primärtumors und indizierter Neck dissection. Bei Tumoroperationen mittels TORS ist für die Neck dissection eine aufwendige Umlagerung des Patienten und oft auch ein Wechsel des Operationsraums notwendig, was in vielen Fällen bisher nicht praktikabel ist. Frenkel et al. zeigten nun für den Raum New York im Zeitraum 2008–2012, dass die Neck dissection in 76% der Fälle zeitgleich mit der TORS-basierten Tumorresektion durchgeführt wurde. Bei allen anderen Patienten erfolgte die Neck dissection entweder im Vorfeld (4%) oder 2-zeitig nach der Tumoroperation (20%).

9. Haptik

Die aktuellen Robotersysteme haben den Nachteil, dass sie keine oder nur sehr begrenzt haptische Information an den Operateur weiterleiten können 182 . Die fehlende Haptik kann aber oft durch die visuelle Kompensation sehr gut ausgeglichen werden, was zu einer niedrigen Akzeptanz der haptischen Feedback-Systeme führt 117 . Besonders wenn das Roboter-System eine 3D-Bildgebung besitzt, ist die erhöhte Kraftaufwendung im Allgemeinen durch die Deformation des Gewebes erkennbar. Ebenso wird die Steifigkeit durch eine ausbleibende Gewebedeformation angezeigt. Auf der anderen Seite kann die fehlende Haptik z. B. dazu führen, dass Knoten während eines Eingriffs zu locker sitzen oder Fäden auch von erfahrenen Operateuren abgerissen werden 12 . Auch wird vermutet, dass die fehlende Haptik bei endovaskulären Roboter-Eingriffen zu einem erhöhten Risiko einer Gefäßverletzung führt 6 . Bei der Auswertung von laparoskopischen Eingriffen, welche durch angehende Chirurgen durchgeführt worden waren, konnte gezeigt werden, dass über die Hälfte aller Fehler durch überschießende Kraftanwendung verursacht wurde 173 . Leider fehlen entsprechende Untersuchungen im HNO-Bereich. Trotzdem könnten diese Fehler durch entsprechendes haptisches Feedback zumindest teilweise verhindert werden. Unsere Arbeitsgruppe konnte in einem ex vivo Experiment zeigen, dass auch mit dem DaVinci-System der Druck und das Drehmoment auf das Gewebe im Operationsbereich mehrfach erhöht ist im Vergleich zu konventionellen starren Instrumenten und auch zu gebogenen Instrumenten ( Abb. 8 ). Die Probanden des Experiments mussten mit verschiedenen Instrumenten Teile eines Silikonkissens unter kontinuierlicher Kraftmessung resezieren. Diese verstärkte Krafteinwirkung auf das Gewebe kann eine erhöhte Verletzungsgefahr mit erhöhter Morbidität des Patienten bewirken.

Abb. 8.

Abb. 8

In experimentellen Studien ist die intraoperative Druckentwicklung mit dem Roboter-System signifikant höher als mit konventionellen Instrumenten. Copyright: Schuler PJ.

Zunächst besteht die Frage, wie das Roboter-System die Charaktereigenschaften des Gewebes aufnehmen kann ( Abb. 9 ). Im einfachsten Fall geschieht dies über kapazitive Drucksensoren, in denen sich bei Druckeinwirkung die elektrische Kapazität verändert und ein elektrisches Signal weitergeleitet wird. Auf ähnliche Weise wird die Verbiegung von Instrumenten bei seitlichem Druck gemessen und signalisiert 154 . Für das DaVinci-System konnten diese Überlegungen schon relativ weit umgesetzt werden. Kim et al. haben Drucksensoren in die Innenseite einer DaVinci-Pinzette integriert, über welche ex vivo die Druckeinwirkung in 4 Freiheitsgraden gemessen werden kann 76 . In einem in vivo Tiermodell konnten Wottawa et al. zeigen, dass schon die Übermittlung des eindimensionalen Gewebedrucks an den Operateur die Gewebeschädigung signifikant reduziert 195 . Moderne Systeme kombinieren mehrere Sensoren in einem Instrument, wie z. B. kapazitive Folien und Flüssigkeiten, sowie Temperatursonden, um den Informationsgehalt zu erhöhen 138 . Prinzipiell können die Gewebeeigenschaften auch über den piezoelektrischen Effekt oder optoelektronische Sensoren gemessen werden 69 128 . Allerdings befinden sich diese Technologien noch in der Grundlagenentwicklung ohne klinische Anwendung.

Abb. 9.

Abb. 9

Das Roboter-System hat eine sensorische Komponente mit der Informationen über das Gewebe gewonnen werden. Über das haptische Interface interagiert das System mit dem Operateur. Die visuelle Kompensation kann Defizite des Roboter-Systems teilweise ausgleichen. Eine virtuelle Barriere kann mithilfe einer CT/MRT-Bildgebung festgelegt werden. Copyright: Schuler PJ.

Auf der anderen Seite müssen die gemessenen Signale an den Operateur weitergeleitet werden. Bei genauerer Betrachtung können hierbei 2 verschiedene Entitäten unterschieden werden, wie der menschliche Körper haptische Signale empfangen kann. Zum einen werden propriozeptive Signale wahrgenommen, welche hauptsächlich über Rezeptoren in den Muskeln und Sehnen aufgenommen werden und Information über die Lage, Kraft und Bewegung des Körpers beinhalten. Auf der anderen Seite werden taktile Signale über die Hautrezeptoren aufgenommen, welche Informationen über Druck, Vibration, Wärme und Schmerz verarbeiten 132 . Bei den konventionellen nicht-robotischen Operationstechniken schöpft der Operateur mithilfe seiner Finger beide Informationskanäle vollständig aus, indem er das Gewebe ausgiebig palpiert. Auch die neuen Roboter-Systeme können in der Theorie taktile Signale an den Operateur weiterleiten. Hierzu sind allerdings komplizierte Apparaturen, wie elektromagnetische Nadeln, temporär verformbare Gewebe, piezoelektrische Kristalle, pneumatische Pumpen oder Wärmesysteme notwendig 10 .

Verschiedene präklinische Aufbauten zeigen, dass das taktile Feedback die applizierten Kräfte während einer Prozedur deutlich reduzieren kann. Hierbei ist es unerheblich, ob die Signale mittels pneumatischem Ballon-Interface oder mittels Vibrationsmotor übermittelt werden 104 138 . Aber die Umsetzung ist aufwendig, und die interindividuellen Unterschiede in der Wahrnehmung sind sehr unterschiedlich ausgeprägt. Zusätzlich gelten die strengen hygienischen Anforderungen bei der Reinigung der Instrumente auch für die taktilen Apparate, was den regelmäßigen Einsatz nochmals erschwert. Daher beschränken sich aktuelle Bemühungen hauptsächlich auf den propriozeptiven Informationskanal, wobei je nach Stärke des Signals die Bewegungen des Operateurs am Manipulator mithilfe von elektrischen Motoren gebremst oder eingeschränkt werden 132 . Diaz et al. prüften den Ansatz, ob ein haptisches Signal über ein zusätzliches Fußpedal an den Operateur gesendet werden kann 42 . Allerdings hat sich auch diese Methode bislang nicht durchsetzen können.

Neben den propriozeptiven und taktilen Signalen können Roboter-Systeme Informationen auch über auditive und visuelle Sinneskanäle an den Operateur übertragen ( Abb. 9 ). Die Arbeitsgruppe von Okamura et al. rüstete ein DaVinci-System mit einer zusätzlichen Ton- und Bildanzeige aus, welche dem Operateur die applizierten Kräfte übermittelte. So konnten sie zeigen, dass die Fäden beim Knoten mit visuellem Feedback seltener rissen und die Konsistenz der Kräfte mit dem DaVinci-System sogar besser als mit der Hand war 81 146 . Ebenso konnten Ly et al. die Vorteile des akustischen Feedbacks darstellen, wenn es mit einer sensorischen Pinzette gekoppelt wurde 110 .

Eine alternative Feedback-Methode sind virtuelle Barrieren, welche anhand von präoperativ erstellten Bildgebungen festgelegt werden. Die Barrieren markieren wichtige anatomische Landmarken, wie z. B. große Blutgefäße, und der Operateur kann seine Instrumente nicht über diese Grenzen hinwegbewegen 19 . Ähnlich wie bei den haptischen Feedback-Mechanismen werden die Instrumente an den virtuellen Barrieren mithilfe der elektronischen Motoren des Roboter-Systems blockiert.

Zusammenfassend ist der Vorteil der haptischen Feedback-Systeme zum heutigen Zeitpunkt vielfach nachgewiesen worden. Der regelmäßige Einsatz wird aber erschwert durch die technischen, finanziellen und hygienischen Herausforderungen 46 .

10. Kosten

Aufgrund des materiellen Mehraufwandes ist der finanzielle Mehraufwand bei roboterunterstützten Operationen erheblich. Da das DaVinci-System lange das einzige zugelassene System war, liegen bisher nur hier detaillierte Kostenanalysen vor. Nach Berechnungen von Dombree et al. liegen die Kosten für eine totale Laryngektomie in Belgien um ca. 90% höher (3,581 vs. 6,767 Euro), wenn eine Roboter-assistierte Operation durchgeführt wird 43 . Während bei den Roboter-Operationen die Kosten für das System und die spezifischen Instrumente am meisten ins Gewicht fallen, sind dies bei den konventionellen Eingriffen die Personalkosten. Eine Kostenäquivalenz kann laut den Autoren auch dann nicht erreicht werden, wenn für die Berechnung die Anzahl der operierten Patienten maximiert und die Operationsdauer minimiert wird. Unterstützt wird diese Ungleichheit der Kosten dadurch, dass die Hersteller der Robotersysteme grundsätzlich ein Monopol für die Operationsinstrumente haben, welche jeweils nur mit dem eigenen System verwendet werden können 64 . Auch im japanischen Krankenkassensystem werden die zusätzlichen Ausgaben der Roboter-Chirurgie kritisch gesehen. So muss ein Zentrum jährlich mindestens 300 Roboter-assistierte Mediastinoskopien durchführen, damit die Kostenäquivalenz gegenüber den Video-assistierten Eingriffen erreicht werden kann 71 . Ebenso konnte in Deutschland für die Roboter-assistierte Prostatektomie aufgrund der hohen Materialkosten keine Kosteneffektiviät nachgewiesen werden 17 . In den USA scheinen die Verhältnisse weniger deutlich zu sein. So konnte laut Byrd et al. für die Roboter-assistierte Panendoskopie bei ,Cancer of unknown Primary‘ (CUP) die Kosteneffektivität erreicht werden, da sich hierdurch eine höhere Wahrscheinlichkeit ergibt, den Primarius zu finden 27 . In den 206 retrospektiv untersuchten Patienten waren die anfallenden Folgekosten entsprechend geringer. Für Patienten mit obstruktivem Schlafapnoe-Syndrom (n=104) konnten Golbin et al. im Vergleich zu konventionell operierten Patienten aber eine deutliche Zunahme der Kosten um durchschnittlich 14708 USD feststellen, wenn die Patienten mit TORS operiert wurden 58 .

Eine weitere Möglichkeit, um die Kosteneffektivität von Roboter-Systemen zu überprüfen, ist die Anwendung von Markov-Modellen, welche versuchen über stochastische Prozesse das Eintreffen von bestimmten Ereignissen vorherzusagen. Auch hier besteht Uneinigkeit über die Kosteneffektivität von Roboter-Systemen. So beschreiben Almeida et al. eine durchschnittliche Kosteneinsparung von 1366 USD und eine Zunahme der qualitätsadaptierten Lebensjahre (QALY) um 0,25 für Oropharynx-Karzinome im Vergleich zu primärer Radiochemotherapie 39 . Die Differenz zugunsten von TORS kann laut den Autoren weiter verbessert werden, wenn die Rate der adjuvanten Radiatio in der TORS Gruppe durch sinnvolle Patientenselektion minimiert wird. Eine ähnliche Studie von Rodin et al. zeigte eine vergleichbare Zunahme der QALY um 0,63 für Patienten mit Oropharynx-Karzinome in Kanada 151 . Allerdings war die primäre Radiochemotherapie mit 123000 USD deutlich günstiger als die TORS-Therapie mit 178000 USD, welche eine eventuelle adjuvante Therapie miteinschließt. Zwei weitere Publikationen mit ähnlichem Studienaufbau für Oropharynx-Karzinome sehen die Roboter-Therapie eher im Nachteil. So zeigten Rudmik et al. eine Erhöhung der Kosten um 4959 USD im Vergleich zur primären Radiochemotherapie ohne Zunahme der QALY 152 . Noch deutlicher fiel der finanzielle Nachteil für TORS-Eingriffe in den Berechnungen von Sher et al. aus, welche die Mehrbelastung mit 12100 USD bezifferten ohne eine Veränderung der QALY zu sehen 162 . Alle Markov-Model Studien stammen aus dem nordamerikanischen Raum, sodass im Wesentlichen die gleichen Berechnungsgrundlagen vorlagen.

Ein großer Kostenvorteil für TORS-Patienten wurde in einer retrospektiven Studie von Richmon et al. mit 9601 Patienten errechnet 148 . Der Kostenvorteil entstand hierbei nicht durch den Eingriff selbst, sondern durch die verkürzte Krankenhausliegezeit und die verringerte Anzahl von Magensonden und Tracheostomien in der TORS-Gruppe. Da es sich um eine nicht-randomisierte Studie handelte, wurden gesündere Patienten möglicherweise mit einer höheren Wahrscheinlichkeit der TORS-Gruppe zugeteilt, was die Ergebnisse verfälschen kann. In einer zweiten, ähnlichen Studie von Chung et al. mit 2067 Patienten wurde dieses Problem bei der Auswertung der Daten berücksichtigt. Trotzdem zeigte die Gruppe, welche mit offener Chirurgie behandelt wurde, eine längere Liegezeit, höhere Kosten, sowie eine höhere Anzahl von Magensonden und Tracheostomien als die TORS-Gruppe 34 . Die TORS-Gruppe zeigte hingegen ein höheres Risiko für Dysphagie. Zusätzlich sollte berücksichtigt werden, dass die Kosten des Eingriffs auch von der Wahl der Instrumente durch den Operateur beeinflusst werden. So sind z. B. flexible Laserfasern besonders kostenintensiv und können nicht wiederaufbereitet werden 64 . Laut eigener Berechnungen, entstehen bei einem Eingriff mit dem DaVinci-System zusätzliche Kosten von über 6000 Euro. Anschaffungs- und Wartungsgebühren sind in diesen Kosten anteilsmäßig berücksichtigt und werden in Deutschland bisher nicht über ein spezielles Entgelt für ,neue Untersuchungs- und Behandlungsmethoden‘ (NUB) rückerstattet 113 . Die aktuellen Anschaffungskosten für das DaVinci-System liegen bei ca. 2 Millionen USD (Xi Model) und ca. 150000 USD jährliche Wartungsgebühr. Die Anschaffung des Flex-Systems kostet aktuell ca. 800000 USD. Je nach Anzahl der jährlich durchgeführten Roboter-gestützten Operationen lässt sich der Preis pro Eingriff entsprechend senken.

11. Fallzahlen

Um die Bedeutung von TORS in das gesamte Umfeld der Roboter-Chirurgie besser einordnen zu können, erscheint die Betrachtung der Systemverteilung und der fächerübergreifenden Fallzahlen sinnvoll. Zuverlässige Zahlen können den Jahresberichten der Firma Intuitive Surgical entnommen werden 67 . Letztes Jahr waren weltweit 3803 DaVinci-Systeme installiert. Neben den 2501 Systemen in den USA waren weitere 644 Systeme in Europa und 476 Systeme in Asien installiert. 182 weitere Systeme entfallen auf andere Kontinente wie Afrika, Südamerika und Australien ( Abb. 10a ). Ebenso sind die aktuellen Verkaufszahlen stark vom amerikanischen Krankenhausmarkt dominiert. So werden regelmäßig über die Hälfte aller verkauften Systeme in die USA geliefert ( Abb. 10b ). Diese ungleiche Verteilung der Systeme spiegelt sich auch in der Anzahl der durchgeführten Prozeduren wider. Abb. 10c zeigt die Entwicklung der Fallzahlen für den Zeitraum ab 2011. Für den amerikanischen Markt zeigt sich in diesem Zeitraum nahezu eine Verdopplung der Roboter-assistierten Eingriffe. Interessanterweise scheint aber für die Fachgebiete Gynäkologie und Urologie seit mehreren Jahren ein stabiles Plateau erreicht zu sein. Das amerikanische Wachstum basiert somit hauptsächlich auf der anhaltenden Zunahme der Fallzahlen in der Allgemeinchirurgie, welche mittlerweile die urologischen Eingriffe deutlich übertreffen. Auch ist das Verhältnis des amerikanischen Marktes zum übrigen Weltmarkt sehr aufschlussreich. Zwar zeigt sich in den anderen Ländern auch ein stetiges Wachstum der Fallzahlen. Diese liegen aber insgesamt bei nur etwa einem Drittel der amerikanischen Eingriffe. Die Fallzahlen für die Kopf-Hals-Chirurgie sind selbst in den USA so gering, dass dieses Fachgebiet in den Jahresberichten von Intuitive Surgical keine Beachtung finden. Unter Betrachtung dieser Zahlen scheint es verständlich, dass die Weiterentwicklung des DaVinci-Roboters speziell für Kopf-Hals-Eingriffe nicht im wirtschaftlichen Fokus des Herstellers liegt.

Abb. 10.

Abb. 10

a Die meisten DaVinci-Systeme sind in den USA installiert. b Ebenso steigt die Zahl der jährlich verkauften DaVinci-Systeme in den USA weiterhin an. c Korrelierend dazu nimmt besonders in den USA die Anzahl der Roboter-assistierten operativen Eingriffe weiter zu. Copyright: Schuler PJ .

12. Risiken

In der Literatur erscheinen immer wieder einzelne Fallberichte, in denen der Bruch eines Instrumentenarms während eines Roboter-assistierten Eingriffs beschrieben wird 82 . Diese Publikationen verdeutlichen, dass der Einsatz von Robotern neue Risiken für den Patienten birgt, welche in dem präoperativen Aufklärungsgespräch diskutiert werden müssen. Die einwirkenden Kräfte eines Roboter-Systems sind z. T. erheblich. So konnte die Auflast, welche durch das Endoskop eines DaVinci ® Systems generiert werden kann, in einer in vitro Messung auf über 7kg beziffert werden 52 . Allerdings ist die Fraktur von menschlichen Knochen im Kopf-Hals-Bereich mit dem DaVinci-System laut Hockstein et al. auch mit Absicht im Kadaverversuch nicht möglich 61 .

Beschreibungen von Komplikationen im Zusammenhang mit Roboter-Operationen werden entweder mittels Durchsicht der eigenen Patienten-Kohorten oder durch das systematische Aufarbeiten von Datenbanken generiert, welche entsprechende Einträge vorhalten. Eine ausführliche Übersichtsarbeit, die ihre Informationen aus der amerikanischen MAUDE (Manufacturer and User Facility Device Experience) Datenbank erhält, wurde kürzlich von Alemzadeh et al. publiziert 3 . Die automatische Datenbank-Recherche konnte für den Zeitraum von 2000 bis 2013 insgesamt 10624 Roboter-assoziierte Komplikationen bei ca. 1745000 Roboter-Eingriffen in den USA für alle Fachrichtungen identifizieren. Somit ergab sich eine Komplikationsquote von ca. 0.6%. Die aufgelisteten Komplikationen beinhalteten unter anderem Verletzungen des Patienten (n=1391), Todesfälle (n=144) und Systemfehler (n=8061). Über den untersuchten Zeitraum gesehen stieg die absolute Zahl der Komplikationen in Einklang mit der steigenden Anzahl der Roboter-Eingriffe kontinuierlich an. Allerdings überschritt auch die Komplikationsquote im Jahr 2013 erstmals die Marke von 1%. Die Quote der Verletzungen und Todesfälle zeigte sich seit 2007 mit durchschnittlich 0.083% relativ stabil.

Interessanterweise war die Anzahl der Todesfälle verglichen mit der absoluten Anzahl von dokumentierten Komplikationen gerade für die Kopf-Hals-Chirurgie mit Abstand am höchsten drei (19,7%, Abb. 11 ). Dies ist wohl neben der anatomischen Komplexität des Halsbereichs auch dem abweichenden Dokumentationsverhalten unserer Fachrichtung geschuldet und beleuchtet einen wesentlichen Nachteil der Datenbank-basierten Auswertung. Weiterhin erfolgte die Berechnung der Quote von Roboter-Eingriffen mit tödlichem Ausgang im Verhältnis zu allen Roboter-assistierten Operationen. Diese war für Eingriffe in den Fachbereichen Herz-Thorax-Chirurgie und Kopf-Hals-Chirurgie 10-mal höher als in den Fachbereichen Gynäkologie, Urologie und Allgemeinchirurgie (0,052% vs. 0,0057%; p<0,001). Die Ursachen für die Todesfälle lagen fachübergreifend zu 75% (64/86) im postoperativen Zeitraum, beinhalteten Sepsis und Blutungen und waren somit nicht direkt Roboter-assoziiert. Nur 17% der Todesfälle traten intraoperativ auf (15/86) und waren durch die unbeabsichtigte Verletzung von Organen (5/86), Blutung, Lungenembolie oder Herzstillstand verursacht. Sieben weitere Fälle konnten zeitlich nicht zugeordnet werden.

Abb. 11.

Abb. 11

Nur ein kleiner Anteil aller Roboter-assistierten Eingriffe wird in der Kopf-Hals- Chirurgie und Herz-Thorax-Chirurgie durchgeführt. Das relative Risiko für Verletzungen oder Todesfälle ist in diesen Disziplinen allerdings erhöht. Copyright: Schuler PJ.

Ein Großteil (88%) aller gemeldeten Komplikationen basierte auf Fehlern des Roboter-Systems und konnte unterteilt werden in Software-Fehler und Bildgebungsfehler (7,4% aller Meldungen), Abbrechen von Geräteteilen in den Situs (14,7%), Funkenschlag (10,5%) sowie unbeabsichtigte Instrumentenbewegung (10,1%). In Zusammenschau aller Meldungen führten die Komplikationen in 3,1% zum System-Neustart, in 7,3% zur Umwandlung in eine nicht-robotische Operation und in 2,5% zu einer Verlegung des Operationstermins.

Verletzungen und Todesfälle von Patienten haben oft ihre Ursache in einer Verkettung von mehreren Komplikationen, und ein einzelner Grund kann oft nicht identifiziert werden. Menschliches Fehlverhalten und Fehlentscheidungen spielen allerdings laut MAUDE-Datenbank eine entscheidende Rolle. Die häufigsten menschlichen Fehler werden wie folgt aufgelistet: Unzureichende Erfahrung in der Notfallbehandlung, unzureichendes Training am eingesetzten Roboter-System, unzureichende Überprüfung des Systems und der Instrumente vor dem Eingriff, unzureichende Lösung von bekannten technischen Problemen, inkorrektes Platzieren der Instrumente, inkorrekte Einstellung der Elektrokaustik, inkorrekte Kabelverbindungen, falsche Koordination von Hand- und Fußbewegungen, inkorrekter Wechsel der Instrumente.

Um die beschriebenen Komplikationen zu vermeiden, werden folgende Lösungsvorschläge angeboten: (1) Simulations-Umgebungen, in denen der Umgang mit Komplikationen ausreichend in einer sicheren Umgebung trainiert werden kann; (2) Intraoperative Echtzeit-Rückmeldung an den Operateur über sichere Operationspfade und anatomische Grenzen; (3) Verbesserte Dokumentationsmechanismen, welche im Falle von Komplikationen zur anschließenden Verbesserung des Systems beitragen können.

Trotz aller technischen Risiken, welche mit dem Einsatz von Roboter-Systemen neu auftreten, bleibt die postoperative Blutung die häufigste Komplikation bei Eingriffen im Kopf-Hals-Bereich. So konnte Zenga et al. in einem großen Patientenkollektiv (n=509) eine Nachblutungsrate von 3% dokumentieren, welche einer operativen Revision bedurfte 199 . Die Mehrheit der Patienten hatte die Diagnose eines Kopf-Hals-Karzinoms (75%), andere waren aufgrund von nicht-malignen Pathologien im Kopf-Hals-Bereich operiert worden. Eine niedrigere Nachblutungsrate von 1,7% zeigte sich in einem Kollektiv von Patienten, welche ausschließlich an obstruktiver Schlafapnoe litten und eine Zungengrundresektion erhalten hatten (n=243) 183 . Zwei simultan publizierte Studien suggerieren, dass die Unterbindung der A. carotis externa bei TORS-Eingriffen nicht die Häufigkeit, aber die Intensität der postoperativen Nachblutung reduzieren kann 57 87 . Diese Aussage ist gut nachvollziehbar. Viel überraschender ist aber die hohe Nachblutungsrate mit operativer Revision, welche ohne Gefäßunterbindung bei jeweils 5,5% (n=201) und 7,8% (n=265) lag. Pollei et al. haben die Nachblutungsrate bei TORS-Eingriffen und TLM-Eingriffen in einer retrospektiven, nicht-randomisierten Studie verglichen (n=906) 143 . Hierbei zeigten sich ähnliche Nachblutungsraten für TORS (5,9%) und TLM (5,6%). Allerdings wurden größere Karzinome mit höherem T-Stadium signifikant öfter mit TLM als mit TORS operiert, sodass in dieser Studie von einem höheren Blutungsrisiko für TORS in vergleichbaren Tumorstadien ausgegangen werden muss. Zu demselben Ergebnis kommt eine französische, retrospektive Studie in Patienten mit Oropharynx-Karzinom (n=514), welche neben TORS ein höheres Alter und eine antikoagulative Therapie als signifikante Risikofaktoren für eine postoperative Nachblutung identifizieren konnten 91 . In einer weiteren monozentrischen, retrospektiven Übersichtsarbeit konnten Hay et al. eine Reduktion der TORS-assoziierten Komplikationen mit zunehmender Erfahrung des Operationsteams feststellen (n=122) 60 . So wurden die schweren Komplikationen, wie Aspiration und Blutungen, über einen Zeitraum von 5 Jahren von 33% auf 10% reduziert.

Obwohl die hygienischen Bedenken bei der Aufbereitung der Roboter-Systeme weiter in den Fokus kommen, existieren hierzu bisher keine wissenschaftlichen Publikationen. Bei dem DaVinci-System sind besonders die kleineren Instrumente mit 5 mm Durchmesser betroffen, welche nach der Reinigung und Sterilisation nach Standardprotokoll weiter Gewebereste zwischen den Bauteilen aufweisen können. Um die aufwändigen Reinigungsverfahren zu umgehen, hat sich die Firma Medrobotics beim FLEX ® -System entschieden, Einmal-Instrumente zu verwenden, welche entsprechend teurer sind.

13. Klinische Studien

Die oben beschriebenen klinischen Vorteile der Roboter-assistierten Chirurgie im Kopf-Hals-Bereich können nur mittels klinischer Studien sinnvoll bestätigt werden. In Tab. 1 sind die aktuellen Studien aufgelistet, wobei der geringe Anteil an prospektiv randomisierten Studien auffällig ist. Die Daten entstammen der öffentlich zugänglichen NIH-Datenbank (www.clinicaltrials.gov) und erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Bereits publiziert ist eine retrospektive, mehrarmige Studie in der TORS mit offener Chirurgie bei T1/T2 Malignomen des Oropharynx verglichen wird (S1, NCT00473564, n=36) 41 . Untersucht wurde hierbei die Länge des Krankenhausaufenthaltes, sowie die Dauer der Versorgung mit Tracheostoma und Ernährungssonde. TORS zeigte jeweils die besseren Ergebnisse, wobei aufgrund des retrospektiven Studienaufbaus von einem Bias zugunsten von TORS bei der Patientenselektion ausgegangen werden muss. Ebenso publiziert ist die prospektive, einarmige Zulassungsstudie für das oben beschriebene Flex ® -System der Firma Medrobotics (S2, NCT02262247, n=80) 94 . In dieser mehrheitlich nicht-onkologischen Patientenkohorte konnte der sichere und effektive Einsatz des Systems im Pharynx und der Supraglottis nachgewiesen werden. Zwei weitere Studien untersuchen die Durchführbarkeit von TORS-Eingriffen im Pharynx und Larynx. Neben der Durchführbarkeit werden auch die Effektivität und die Lebensqualität im Langzeitverlauf ausgewertet. Die Rekrutierungsphase der ersten Phase I Studie ist bereits abgeschlossen, die Daten sind allerdings noch nicht publiziert (S3, NCT01059357, n=60). Die zweite Phase I Studie ist aktuell geöffnet (S4, NCT01819480, n=85). Eine weitere amerikanische, monozentrische, einarmige Studie untersucht neben dem onkologischen Resultat in Patienten mit Oropharynx-Karzinom auch die Schluck- und Sprechfähigkeit nach TORS (S5, NCT02225496, n=140). Die größte, nicht-randomisierte, einarmige Studie zu TORS stammt ebenso aus den USA und umfasst Patienten mit malignen und benignen Pathologien zum Nachweis der Durchführbarkeit von TORS (S6, NCT01473784, n=360).

Mit dem besonderen Wachstumsverhalten von HPV + Tumoren beschäftigen sich 2 aktuell laufende einarmige Studien aus den USA. In TORS-behandelten Patienten untersuchen Lin et al., ob die Region des Primärtumors bei der adjuvanten Radiatio ausgespart werden kann ohne eine Reduktion des Überlebens zu riskieren (S7, NCT02159703, n=60). Die SIRS-Studie evaluiert die Möglichkeit zur De-Eskalation der adjuvanten Therapie in TORS-behandelten, HPV+ Patienten. Konnte der Primärtumor operativ vollständig entfernt werden und liegen nicht mehr als 2 tumorinfiltrierte Lymphknoten vor, so wird auf die adjuvante Radiatio zunächst verzichtet und die Kontrolle mittels PET-CT durchgeführt (S8, NCT02072148, n=200).

Den Stellenwert der Induktions-Chemotherapie mit Cisplatin, Paclitaxel und Nivolumab untersucht die OPTIMA-II Studie von Siewert et al. (S9, NCT03107182, n=56). Bei ausreichendem Ansprechen des Tumors erfolgt nach der Induktionsphase die Roboter-assistierte Tumorexzision. Alle anderen Patienten erhalten eine kombinierte Radiochemotherapie. Ein ähnliches Konzept bietet die Studie von Sadeghi et al., bei der die Induktionschemotherapie mit Cisplatin und Doxetacel durchgeführt wird (S10, NCT02760667, n=20). Die anschließende Tumortherapie wird entweder mittels TORS oder mit transoraler Laser-Mikrochirurgie durchgeführt.

In Patienten mit obstruktivem Schlafapnoesyndrom (OSAS) konnte eine bereits publizierte einarmige Phase I Studie zeigen, dass die Kombination aus Roboter-assistierter Zungengrundreduktion und Uvulopalatopharyngoplastik (UPPP) auch für bereits vor-operierte Patienten einen klinischen Vorteil bringen kann (S11, NCT01187160, n=75) 175 . Eine ähnliche Studie zur TORS-Therapie bei OSAS-Patienten befindet sich aktuell in der Rekrutierungsphase (S12, NCT01107795, n=75).

Eine Serie von einarmigen klinischen Studien versucht, neue Indikationsfelder für TORS zu erschließen. Aufgrund der jeweils neuartigen Ansätze sind die Patientenzahlen in diesen Pilotstudien sehr limitiert. So wird in einer sehr kleinen französischen Studie der transaxilläre Zugang zur Neck dissection (Level II–IV) untersucht, welcher aufgrund der fehlenden zervikalen Narbe kosmetisch vorteilhaft erscheint (S13, NCT02269020, n=3). Das freie Muskeltransplantat des M. latissimus dorsi wird oft in der rekonstruktiven Chirurgie verwendet. Das Roboter-gestützte Heben des Muskeltransplantats wird in einer monozentrischen Pilotstudie evaluiert (S14, NCT02274493, n=15). Der Zugang zur Hypophyse über die Sella turcica mittels TORS ist von einer französischen Arbeitsgruppe in einer Kadaverstudie publiziert worden 32 . Die anschließende klinische Studie, in welcher der Zugang zur Sella turcica mit den Manipulator-Armen eines DaVinci Si ® demonstriert werden soll, befindet sich in der Rekrutierungsphase (S15, NCT02743442, n=8). Moore et al. untersuchen im Rahmen einer Pilotstudie die Möglichkeit, TORS-Eingriffe in sitzender Position durchzuführen (S16, NCT02792322, n=50). Die Autoren versprechen sich hierdurch eine verbesserte Visualisierung des Operationsgebiets und somit eine kürzere Operationsdauer, wie bereits in 2 Patienten durchgeführt 123 . Die technischen Weiterentwicklungen des DaVinci ® Systems werden in 2 unabhängigen Studien evaluiert. Eine französische Gruppe untersucht die Vorteile des DaVinci ® Xi in einer einarmigen Phase I Studie für TORS (S17, NCT02517125, n=150). Simon et al. testen ein neuartiges Single Port System für den Einsatz bei TORS, aber auch bei kolorektalen und urologischen Indikationen (S18, NCT03010813, n=60). Laut Berichten des Internet-Blogs „www.surgrob.blogspot.com“ hat Intuitive Surgical 10 Prototypen des DaVinci SP ® (single port) produziert, welche aktuell im klinischen Einsatz getestet werden. Bei letztgenannter Studie könnte es sich daher um einen dieser Prototypen handeln.

Bereits publiziert ist die nicht-randomisierte südkoreanische Studie zur Neck dissection bei cN0, welche den modifizierten Roboter-assistierten face-lift Zugang mit dem konventionellen offenen Zugang vergleicht (S19, NCT01488669, n=26). Die Operationsdauer war in der TORS-Gruppe etwa doppelt so lang (78 vs. 158 min). Die Anzahl der durchschnittlich entnommenen Lymphknoten war allerdings vergleichbar (20 vs. 22), und das kosmetische Resultat in der TORS-Gruppe besser 97 .

Unzweifelhaft sind die vielen publizierten Fallserien und nicht-randomisierten Pilotstudien von gewisser Bedeutung für die technische Weiterentwicklung und Erweiterung der operativen Ansätze. Wissenschaftlich besonders aussagekräftig sind aber mit Sicherheit die folgenden prospektiven, randomisierten klinischen Studien. Der vielfach höhere Organisationsaufwand und die deutlich erschwerte Patientenrekrutierung dürfen hierbei nicht unterschätzt werden. Die interventionelle Phase-II Studie von Ferris et al. erprobt die Deeskalation der adjuvanten Radiatio in HPV+ Patienten nach operativer Tumorexzision mittels TORS (S20, NCT01898494, n=377). Die Intensitätsmodulierte Radiatio (IMRT) wird nach der Operation zwischen der Standard-Dosis (60 Gy) und einer erniedrigten Dosis (50 Gy) randomisiert 65 . Die Kombination von TORS mit einer neo-adjuvanten Immuntherapie mittels Tumor-Vakzinierung wird in der Arbeitsgruppe von Sikora et al. evaluiert (S21, NCT02002182, n=30). Die intravenöse Lebend-Impfung wird mit genetisch modifizierten Listerien durchgeführt, welche das HPV-spezifische Onkoprotein E7 exprimieren 35 . Nach der Impfung erhalten alle eingeschlossenen Patienten eine TORS-basierte Tumorexstirpation. Während die beiden erstgenannten Studien die adjuvante Therapie vor oder nach TORS randomisieren, sind die folgenden Studien speziell dafür ausgelegt, den Einsatz von TORS gegenüber der Standardtherapie zu vergleichen.

Eine extrem große brasilianische randomisierte Phase-III Studie vergleicht die Roboter-assistierte Operation mit der Standard-Operation für verschiedene Tumorentitäten aus allen Fachbereichen (S22, NCT02292914, n=1120). Der gemeinsame europäische Ansatz der EORTC (European Organisation for Reseach an Treatment of Cancer) unterscheidet nicht zwischen den verschiedenen operativen Verfahren, wie TORS oder TLM, wenn diese mit der konservativen Therapie mittels Radiatio randomisiert verglichen werden (S23, NCT02984410, n=170). Eingeschlossen werden Patienten mit frühem Oropharynx-Karzinom (T1, T2), welche sich für chirurgische und konservative Therapieverfahren qualifizieren. Den selben Ansatz verfolgt die kanadische ORATOR-Studie ebenfalls beim frühen Oropharynx-Karzinom (S24, NCT01590355, n=68). Allerdings ist hier TORS als alleinige operative Option vorgesehen 127 . Diese Studien versprechen in den nächsten Jahren höchst interessante Resultate, was den Vergleich von operativen Ansätzen inklusive TORS mit konservativen Therapiemethoden betrifft.

Abschließend wird eine Studie beschrieben, welche die Lebensqualität im Zusammenhang mit TORS-Therapie evaluiert. Gross et al. vergleichen in einer nicht-randomisierten, prospektiven Studie den Aktivitätsgrad von Patienten nach TORS oder nach konservativer Tumortherapie (S25, NCT02663583, n=44). Die Aktivität des Patienten wird mithilfe eines elektronischen Armbandes gemessen, welches die Bewegungen des Patienten aufzeichnet.

14. Neue Technologien

Bekannterweise ist das Potenzial der Roboter-assistierten Chirurgie enorm. Da aber gleichzeitig die hohen Erwartungen bisher noch nicht erfüllt werden konnten, lebt die Roboter-assistierte Chirurgie von der ständigen Weiterentwicklung und Spezialisierung. Im folgenden Abschnitt werden technische Weiterentwicklungen präsentiert, welche noch nicht in der klinischen Routine präsent sind, die Chirurgie in naher Zukunft möglicherweise aber mitgestalten werden.

Neben den zugelassenen Roboter-Systemen DaVinci ® und FLEX ® existieren zahlreiche weitere Systeme, welche sich aktuell in der präklinischen Erprobungsphase befinden. Im Rahmen eines EU-gesponsorten Forschungsprojektes wurde das MicroRALP-System entwickelt 114 . Dieses teilflexible Endoskop wird transoral eingeführt und ermöglicht eine 3D-Visualisierung der Stimmlippen. Über einen interaktiven Bildschirm gibt der Operateur die Grenzen für die Resektion vor, welche anschließend halbautomatisch durch den integrierten Laserstrahl durchgeführt wird. Weitere Informationen finden sich auf der Projektseite im Internet unter www.microralp.eu. Das System konnte bisher in Kadaverexperimenten getestet werden und befindet sich zur Zeit in der Weiterentwicklung.

Die Arbeitsgruppe um Olds et al. hat in der Vergangenheit ein flexibles Endoskop entwickelt, welches einhändig über eine Joystick gesteuert werden kann 134 . Dieses Robo-ELF System wurde speziell für die Larynxchirurgie entwickelt und gibt dem Operateur die Möglichkeit mit der freien Hand ein zusätzliches Instrument zu bedienen 133 . Robo-ELF wurde bisher in Kadaverexperimenten getestet, über die Weiterentwicklung existieren aktuell keine Informationen.

Ein Single-Port-System mit dem Namen ,SPORT‘ der Firma Titan Medical ® ist bereits erfolgreich für die Abdominalchirurgie in lebenden Tieren getestet worden. Entsprechende wissenschaftliche Publikationen liegen allerdings nicht vor. Neben 2 flexiblen Armen besitzt das System einen flexiblen Kamerakopf und erinnert somit an die neueste Single-Port-Version des DaVinci-Systems. Alle 3 Arme können nach Einführen in den Körper trianguliert werden, um eine effiziente Arbeitshaltung zu erreichen ( Abb. 12a/b ). Es ist durchaus denkbar, dass diese Konstruktion auch Vorteile für die Kopf-Hals-Chirurgie bringt, wenn die Ausmaße der Instrumente entsprechend angepasst werden.

Abb. 12.

Abb. 12

a+b Das robotische SPORT-System (Titan Medical) ist im Aufbau und in der Technologie dem DaVinci-Single Port System sehr ähnlich. c Kontinuums-Roboter können aufgrund ihrer neuartigen Technologie neue Indikationen erschließen.

Interessant ist auch die offene Forschungsplattform, welche in USA konstruiert worden ist. Die Plattform besteht aus Komponenten ausgedienter DaVinci-Systeme und bietet über eine Linux-Software unbegrenzt Zugang zu der gesamten Software und Elektronik 75 . Aktuell sind mindestens 11 Plattformen an verschiedenen Standorten installiert.

Kontinuums-Roboter bestehen aus mehreren konzentrischen Röhren, welche ineinander verschachtelt werden 21 . Jede Röhre kann mit elektrischen Motoren unabhängig voneinander bewegt werden, womit ein 3-dimensionaler Raum vollständig abgedeckt wird ( Abb. 12c ). Die logistische Denkarbeit, wie die Röhren zu einander stehen müssen, wird von einem Rechner übernommen. Dieses Bewegungsmodell unterscheidet sich vollständig von den bisherigen Roboter-Systemen und könnte dank seiner nicht-linearen Bauweise besonders für die Nasennebenhöhlen- und Schädelbasischirurgie von Interesse sein. Mehrere Arbeitsgruppen befassen sich mit der Entwicklung von Kontinuums-Robotern, wobei sich Wu et al. und Burgner-Kahrs et al. auch mit den Herausforderungen im HNO-Bereich beschäftigen 23 196 .

Auch in der Roboter-assistierten Chirurgie ist der Einsatz von Lasern zur Geweberesektion wünschenswert. Allerdings ist die dauerhafte Fokussierung des Laserstrahls mithilfe der Roboterinstrumente eine bisher ungelöste Herausforderung 170 . Zusätzlich fallen die Kosten für eine flexible Laserfaser zusätzlich ins Gewicht, welche bei der klassischen mikroskopischen Laserresektion nicht auftreten 64 . Üblicherweise werden in der Kopf-Hals-Chirurgie CO 2 -Laser für die Resektion verwendet 112 . Alternative Laserquellen, wie der Erbium-YAG-Laser zeigen in experimentellen Ansätzen qualitativ bessere Schneide-Eigenschaften und bessere Möglichkeiten zur Fokussierung 169 . Somit sind diese Laserquellen möglicherweise besser geeignet für den Einsatz in der Roboter-assistierten Chirurgie.

Eine weitere Informationsquelle für den Operateur kann speziell in der Larynxchirurgie die Endosonografie dienen 84 . Hierfür wird ein spezieller Ultraschallkopf in den mit Wasser gefüllten Larynx eingeführt, um zusätzliche anatomische Details zu erkennen.

Die Roboter-assistierte Chirurgie bietet besonders aufgrund der elektronisch transportierten Bildgebung neue Möglichkeiten zum Einsatz von Software, welche den Operateur in seiner Arbeit unterstützt. Allgemein bekannt sind die Vorteile des ,narrow band imaging‘ für die frühzeitige Erkennung von Präkanzerosen oder die bessere Abgrenzung von malignen Strukturen 83 . Darüber hinaus bestehen aber zusätzliche Technologien, wie die Hochfrequenz-Bildgebung und optische Kohärenztomografie 176 . In dem oben genannten MicroRALP-Projekt sind multiple Software-Lösungen zum Einsatz gekommen. Diese ermöglichen z. B. die automatische Verfolgung von beweglichen Gewebestrukturen (soft tissue tracking) 157 , Methoden zur Oberflächenrekonstruktion 156 oder die automatische Instrumentenerkennung durch das Roboter-System 5 . All diesen Methoden könnte die Roboter-assistierte Chirurgie den Weg in die routinemäßige Anwendung eröffnen.

Abschließend werden auch geografische Distanzen überwunden und Roboter-assistierte Operationen können über große Entfernungen hinweg durchgeführt werden. So konnte im Tiermodell schon eine Gallenblasen-Resektion durchgeführt werden, bei welcher sich der Operateur in New York und der Patient im 7000 Kilometer entfernten Straßburg befand 111 .

15. Schlussfolgerung

Mit steigenden Fallzahlen und der Erweiterung der Indikationen wird das Potenzial der RAC-Technologie im Kopf-Hals-Bereich deutlich. Mit Sicherheit werden einige Patientengruppen in Zukunft davon profitieren können. Einige fokussierte Zentren verwenden Roboter-Systeme schon heute regelmäßig für Eingriffe im Oropharynx-Bereich oder an der Schilddrüse. Rein experimentell verbleibt aktuell die Anwendung der RAC an der Schädelbasis und den Nasennebenhöhlen. Trotz aller Fortschritte ist der sichere Nachweis eines Vorteils der RAC gegenüber den konventionellen Operationsmethoden wie transorale Lasermikrochirurgie bisher nicht erbracht worden. Zusätzlich stellen sicherlich der finanzielle Mehraufwand und die weiterhin aufwändige Handhabung der Roboter-Systeme die größten Hürden für einen flächendeckenden Einsatz der RAC in der klinischen Routine dar. Weitere randomisierte klinische Studien können helfen, um die Vor- und Nachteile dieser spannenden Technologie weiter zu beleuchten.

Wünschenswert sind außerdem spezielle Instrumente und auch alternative RAC-Systeme für die wachsende Anzahl an möglichen RAC-Indikationen. Ebenso ist eine Kombination mit anderen technischen Weiterentwicklungen, wie z. B. hyperspektrale Bildgebung, visuelle Haptik oder automatisierte Resektionsmechanismen, möglich.

Zusammenfassend kann die RAC die bisherigen konventionellen Operationsmethoden in Zukunft sinnvoll ergänzen ohne diese vollständig abzulösen. Technische, wissenschaftliche und ethische Konflikte werden daher die Arbeit der aktuellen Generation von Kopf-Hals-Chirurgen im zunehmenden Maße beeinflussen.


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