Mechatronic Assistance System for High-Precision Cranial Surgery
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes wurde ein kopffixierter Hexapod als Assistenzsystems für die minimalinvasive Cochleaimplantat-Chirurgie untersucht. Dieser zeichnet sich dadurch aus, dass die Verbindungselemente der kinematischen Struktur in Form von magnetischen Kugelgelenken ausgeführt sind. Das Konzept ermöglicht dem Chirurgen die Wahl geeigneter Positionen für die Fixierung des Systems am Kopf unter Berücksichtigung einer hinreichenden Knochendicke an den jeweiligen Positionen. Durch dieses Konzept wurde eine stabile Fixierung am Kopf des Patienten sowie ein einfaches Ablösen des Hexapods möglich. Das Projekt beinhaltet im Wesentlichen konstruktive und experimentelle Untersuchungen sowie eine Softwareentwicklung für die Planung der minimalinvasiven Bohrtraktorien, die von der Schädeloberfläche bis zum Innenohr ausgeführt werden. Die konstruktiven und experimentellen Forschungsarbeiten beinhalten die Untersuchung relevanter Systemeigenschaften, wie beispielsweise das Verankerungskonzepts am Schädel, die mechanische Charakterisierung von Knochenankern unter Last sowie deren Lokalisationsgenauigkeit in Computertomographiedaten, auf denen die Eingriffsplanung basiert. Die benutzerfreundliche Software für die Eingriffsplanung beinhaltet u.a. eine Möglichkeit zum hochgenauen Auffinden der Knochenanker und die Einblendung von (semi-)automatisch segmentierten Strukturen wie der Cochlea oder dem Gesichtsnerv. Weiterhin wurden Zugversuchen mit den Knochenankern in Kunstknochen und an humanen Knochenproben durchgeführt sowie verschiedene Aspekte des Bohrprozesses untersucht. Eine Analyse verschiedener Bohrstrategien im Hinblick auf die erreichbare Genauigkeit sowie eine Abschätzung des jeweils induzierten Wärmeeintrags wurden durchgeführt. Aufbauend auf diesen experimentellen Untersuchungen erfolgte die aufgabenoptimale Dimensionierung des parallelkinematischen Assistenzsystems. Ein zu diesem Zweck entwickelte Verfahren ermöglichte erstmals eine Berücksichtigung von patientenspezifisch variierenden Eingangsdaten sowie von Redundanz und Rekonfigurierbarkeit der Roboterstruktur. Es entstanden mehrere Phantome zur Testung von verschiedenen Eigenschaften des Hexapods sowie eine Testung des Gesamtsystems am humanen Felsenbein. Im Rahmen der experimentellen Evaluation des Assistenzsystems an einem technischen Versuchsstand wurde eine erreichbare Genauigkeit von (0,21 ± 0,06) mm am Eintrittspunkt und von (0,36 ± 0,12) mm am Zielpunkt einer Bohrtrajektorie ermittelt. Vor dem Hintergrund einer häufig geforderten Genauigkeit von 0,5 mm zeigen die erzielten Ergebnisse die zukunftsweisenden Möglichkeiten dieses Forschungsansatzes. Leider konnten diese Ergebnisse bislang nicht am humanen Felsenbein oder Patienten reproduziert werden, was weiterführende Forschung notwendig machen würde. Einige Methoden werden in nachfolgenden Projekte (BMBF, DFG) in dem Themenfeld weiterverwendet und -entwickelt. Eine Ausgründun greift Methoden und Teilergebnisse auf. Die Projektergebnisse wurden mit dem Goldenen Manus 2015 der Firma igus sowie mit dem Klee-Preis 2016 der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik im VDE (VDE|DGBMT) und der Stiftung Familie Klee für hervorragende wissenschaftliche Arbeiten ausgezeichnet.
Publications
- “Automatisierte Bestimmung der Schädelknochendicke in CT- und DVT- Bilddaten,“ Proc. 11. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboterassistierte Chirurgie e.V. (CURAC 2012), pp. 162-165
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G. J. Lexow, T. S. Rau, M. Kluge, O. Majdani
