Evaluierung der Genauigkeit eines modularen Chirurgieroboters MNiggemeyer niggemeyer@hia.rwth-aachen.de MMüller MDe La Fuente SHeger AKomadinic KRadermacher Lehrstuhl für Medizintechnik RWTH Aachen
Aachen Germany
Universitätsklinikum Orthopädische Klinik
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Evaluierung der Genauigkeit eines modularen Chirurgieroboters CB428E3CA4974DED4FA7DC34B47C06AD GROBID - A machine learning software for extracting information from scholarly documents Medizinische Robotik Modularität Chirurgieroboter Orthopädie Genauigkeitsanalyse

Robotersysteme werden seit mehreren Jahren in verschiedenen chirurgischen Bereichen zur Unterstützung des Chirurgen eingesetzt. Die Mehrzahl dieser Systeme sind an eine spezielle Anwendung angepasste Systeme, was neben den erhöhten Anschaffungs-und Betriebskosten eine Verbreitung solcher Systeme auf spezialisierte Zentren begrenzt. Nur die wenigsten Systeme konnten bislang ein sozioökonomisch vertretbares Verhältnis von klinischem Nutzen und den hiermit verbundenen Kosten nachweisen. Am Lehrstuhl für Medizintechnik wird daher ein modular strukturiertes Robotersystem entwickelt, welches sich durch einfache Adaption an mehrere Anwendungen anpassen lässt. Hierdurch sollen die Systemkosten gesenkt und zusätzliche klinische Anwendungen erschlossen werden. Das Konzept sieht u.a. eine intraoperative Montage einzelner Systemkomponenten vor, wodurch besonders hohe Anforderungen an die mechanischen Schnittstellen der Module gestellt werden, um dennoch zuverlässig eine hohe Systemgenauigkeit zu erreichen. Im Rahmen einer Genauigkeitsstudie wurde daher der benutzerabhängige Einfluss der Montage auf die Genauigkeit untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass der Fehler im Kontext der medizinischen Anwendungen vernachlässigbar klein ist und dass eine zuverlässige und einfache Montage möglich ist.
Problem

In der Entwicklung chirurgischer Robotersysteme zeichnet sich eine ständige Miniaturisierung und Spezialisierung der Systeme ab [1,2,3]. Leichte und miniaturisierte Systeme können potentiell direkt am Knochen montiert werden, was wiederum zu verkleinerten Zugangswegen und vermindertem Weichteiltraumata führt. Ebenso lassen sich kompakte Robotersysteme leichter in den chirurgischen Workflow integrieren und in Notfallsituationen schneller entfernen [4,5]. Die starke Spezialisierung mit spezifisch ausgelegten Arbeitsräumen und Leistungsspektren reduziert einerseits das Risiko, andererseits beschränkt es den Einsatz miniaturisierter Robotersysteme auf meist nur eine Anwendung. Als Konsequenz müsste für unterschiedliche medizinische Applikationen jeweils ein eigenes spezielles Robotersystem eingesetzt werden, was aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten (Wartungskosten unterschiedlicher Systeme, Herstellungs-und Anschaffungskosten) [6] aber auch aus Sicht der Gebrauchstauglichkeit (unterschiedliche Nutzungskonzepte verschiedener Systeme, kürzere Einlernzeit, erhöhtes Bedienfehlerrisiko in Stresssituationen) zu hinterfragen ist [7]. Eine Abhilfe stellen modulare Systeme dar, welche sich an definierte Anwendungsfamilien anpassen lassen [2].

Diskussion

In dieser Arbeit ist eine modulare Chirurgieroboterstruktur vorgestellt worden, welche sich durch den Benutzer an unterschiedliche Anwendungen anpassen lässt.

Danksagung

Die Arbeiten wurden durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projektes OrthoMIT gefördert (Förderkennzeichen BMBF 01EQ0402).

Abb. 1 : 2 MethodenAbb. 2 : 3 ErgebnisseAbb. 3 :Abb. 1: Mögliche Arbeitsraumvarianten durch Kombination verschiedener ebener Getriebeelemente (a); Realisierung des Gesamtbaukastens (b), Realisierung der Varianten RTHR (c) und UKA (d). Die grundlegende Struktur des Assistenzsystems besteht aus mehreren Modulen: Anwendungsübergreifende Grundmodule, in welchen sich die Antriebe befinden und weiter applikationsspezifische Kinematikeinheiten. An diese kann abschließend eine Linearachse mit den ebenfalls anwendungsspezifischen Instrumentenmodulen, z.B. chirurgische Fräsinstrumente oder Ultraschallscanner integriert werden. Dieses Strukturkonzept erlaubt durch Veränderung bestimmter Kinematikparameter bzw. die Kombination bestimmter Systemelemente unterschiedliche Systemeigenschaften. Als Kinematikmodule werden parallele ebene Fünfstabgetriebe eingesetzt. Deren Arbeitsraum wird zunächst vereinfacht über einen in den Arbeitsraum eingeschriebenen Kreis abgebildet. Bis zu sechs Freiheitsgrade (FHG) und ein zylindrischer Arbeitsraum werden durch die Kombination zweier solcher ebener Kinematikmodule ermöglicht. Mit einem ebenen Getriebeelement und einem weiteren fixen Pivotpunkt reduzieren sich die Freiheitsgrade auf bis zu vier und die Form des Arbeitsraums bildet sich als kegelförmig aus (Abb. 1a) [10]. Die Realisierung des modularen Roboters ist in Abb. 1b-d zu sehen. Die Aktorik und die Getriebeuntersetzung wurde mit zwei identischen Antriebsmodulen umgesetzt. Aus den Modulen können die unterschiedlichen Konfigurationen des Systems erstellt werden. Ein mögliches Anwendungsszenario sieht die Montage des Systems direkt intraoperativ vor. Die Schnittstellen wurden daher für eine erleichterte Montage als einfache Schraub-bzw. Schnellverschlussfixierungen gestaltet. Die modulare Struktur induziert zusätzliche Risiken bei einem Robotereinsatz. Bedingt durch die applikationsspezifische Adaptierung des Systems durch den Benutzer, muss eine reproduzierbare und robuste Montage der Systemmodule gewährleistet werden. Insbesondere bei einer Montage und Inbetriebnahme direkt vor oder während einer Operation müssen die Module schnell, verwechslungsfrei und sicher montiert werden können, ohne dabei Auswirkungen auf wichtige Systemeigenschaften, wie z. B. die Genauigkeit zu haben. Weiter kann die häufige Montage und Demontage durch entstehenden Verschleiß an den Fügeflächen der Schnittstellen ebenfalls zu Veränderungen der Systemgenauigkeit führen. Ebenso kann die hygienische Aufbereitung durch thermische Aufbereitungsverfahren z. B. zu Wärmeverzug und Veränderungen der Fügeflächen führen.
Ein solches Strukturdesign induziert zusätzliche Risiken bezüglich eines sicheren Systemeinsatzes. Insbesondere die Veränderung der Genauigkeit des Systems infolge der Montage sowie möglicher Verschleiß müssen betrachtet werden. Als Messmittel wurde ein im der OP-Umgebung übliches optisches Trackingsystem verwendet. Elfring[11] ermittelte für das System eine mittlere Genauigkeit von 0,132mm ± 0,141mm. Dies hat einen nicht zu unterschätzenden Einfluss auf die Genauigkeitsmessungen. Dennoch ist insbesondere im Hinblick auf die intraoperativen Prozessschritte (Auswahl der Komponenten aus dem Baukastensystem heraus, Montage, Kontrolle, und evtl. notwendige Kalibrierung) ein intraoperativ übliches Messmittel erforderlich. Die Ergebnisse der einzelnen Messungen zeigen einen hinreichenden mittleren Fehler des Robotersystems. Dennoch können auch Bereiche im Arbeitsraum identifiziert werden, die eine schlechtere Genauigkeit aufweisen. Diese Bereiche liegen vermehrt an den Rändern des Arbeitsraums und sollten bereits während der Planung und Vorpositionierung des Robotersystems berücksichtigt werden. Die Untersuchungen des Einflusses infolge der Benutzermontage zeigen bei der Betrachtung des 2D-Fehlervektors nahezu keine Beeinflussung der Systemgenauigkeit durch die Benutzermontage oder Verschleiß. Bei der Betrachtung des 3D-Fehlers zeigen sich hingegen starke Schwankungen der Systemgenauigkeit über die 50 Messreihen. Dies lässt auf einen Positionierungsfehler der seriellen Linearachse schließen, wohingegen die Robotergrundstruktur keine bzw. nur eine vernachlässigbare Veränderung der Systemgenauigkeit erfährt. Konstruktiv wurde die Linearachse mit einer Zahnstange-Zahnrad Verbindung realisiert. Dies ermöglicht eine einfache Montage und Demontage der Bewegungsachse, allerdings neigt diese Art der Bewegungsübertragung zu Spiel zwischen den Zahnelementen. Messungen ergaben ein Umkehrspiel von bis zu 0,2mm, das im Weiteren durch konstruktive Maßnahmen reduziert werden sollte. Zukünftig muss zur Steigerung der Genauigkeit das Funktions-und Montageprinzip der Linearachse überarbeitet werden. Weiter sind die mittleren Fehler der Messungen recht vielversprechend, dennoch zeigen einzelne Messpunkte deutlich schlechtere Genauigkeiten. Eine vorgeschaltete kinematische Kalibrierung des Systems kann zu einer Fehlerreduzierung und Genauigkeitssteigerung beitragen.. CURAC-Jahrestagung, 15. -16. September 2011, Magdeburg
State of the art in surgical robotics: Clinical applications and technology challenges KCleary CNguyen Computer Aided Surgery 6 2001 S. Medical robotics in computer-integrated surgery RHTaylor DStoianovici IEEE Transactions on robotics and automation 19 5 Okt. 2005 Computer-und Robotertechnik für die bildgeführte orthopädische KRadermacher MDe La Fuente Chirurgie; Automatisierungstechnik 50 2002. 2002 Oldenburg Verlag Body-supported medical robots: a survey PBerkelmann JTroccaz Journal of robotics and mechatronics 16 5 2004 Bone-mounted miniature robot for surgical procedures: Concept and clinical applications MSchoham MBurman IEEE Transactions on robotics and automation 16 5 Okt. 2003 New technology and health care costs -The case of robot-assisted surgery GIBarbash ASherry N Engl J Med 363 8 2010 Trackerless ultrasound integrated bone cement detection using a modular minirobot in revision total hip replacement SHeger MNiggemeyer Proc. IMechE, Part H: J. Engineering in Medicine 2010 RBauer FKerschbaumer Orthopädische Operationslehre, Teil 1
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