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==Konfigurierbares, flexibles Instrumentensystem für die minimaltraumatische intrakranielle Chirurgie==
https://ceur-ws.org/Vol-1477/Proceedings_CURAC_2013_Paper_1.pdf
Konfigurierbares, flexibles Instrumentensystem für die minimaltrauma-
tische intrakranielle Chirurgie
J. Mintenbeck1, C. Ledermann1, P. Hoppen2, J. Raczkowsky1, V. Schulze2, H. Wörn1
1
Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Prozessrechentechnik, Automation und Robotik, Karlsruhe, Germany
2
Karlsruher Institut für Technologie, wbk Institut für Produktionstechnik, Karlsruhe, Germany
Kontakt: mintenbeck@ira.uka.de
Abstract:
Standardmäßig werden Tumore an der Latero- und Frontobasis des Schädels mit starren Instrumenten entfernt, welche
über relativ große Schädeleröffnungen eingeführt werden. Trotz sorgfältiger präoperativer Planung kann es dabei vor-
kommen, dass relevante Nervenstrukturen beschädigt werden. Ferner ist die Eröffnung der Schädelbasis immer mit Ri-
siken verbunden. In diesem Paper wird ein mechatronisches System vorgestellt, welches eine flexible Struktur aufweist
und durch den Nasentrakt eingeführt wird. Durch die Flexibilität des Systems können Risikostrukturen einfacher um-
gangen werden, wobei ein integrierter Formsensor die Form und Geometrie stetig überwacht. Ebenso wird ein
Fräskopf integriert, mit dem Knochen schädigungsfrei bearbeitet werden können und somit Zugänge zum Tumor durch
Knochen hindurch ermöglicht werden. Basierend auf ersten Prototypen werden die einzelnen Bausteine des Systems –
der mechanische Aufbau, die Sensorik und der Fräskopf – vorgestellt sowie jeweils erste Ergebnisse präsentiert.
Schlüsselworte: Minimalinvasive Chirurgie, roboterassistiert, Neurochirurgie, flexible Instrumente, Formsensorik,
Knochenfräsen
1 Problemstellung
Die Schädelbasis enthält sehr relevante und vital notwendige Strukturen. An der lateralen Schädelbasis und im Bereich
der mittleren Schädelgrube befinden sich beispielsweise eingebettet in den Knochen des humanen Felsenbeins die inne-
re Halsschlagader, der Gesichtsnerv, das Innenohr mit Gleichgewichts- und Hörorgan sowie Anteile des Geschmacks-
nervs. Bilden sich in diesem Bereich Tumore, so sind sehr präzise Interventionen für ein minimales Trauma beim Pati-
enten gefordert. Bei solchen mikro-chirurgischen Eingriffen ist ein flexibler definierter Knochenabtrag im Millimeter-
bereich mit Schonung und Erhalt der darin liegenden Nerven- und Gefäßbahnen zwingend erforderlich.
Heutige, manuelle Eingriffe erfordern für den Zugang bereits relativ große Schädeleröffnungen. In einigen Fällen ist es
bereits möglich, starre Instrumente über die laterale Schädelbasis über mehrere gerade Bohrkanäle einzuführen. Dabei
können allerdings, trotz sorgfältiger präoperativer Planung der Zugänge, innere Strukturen teilweise beschädigt werden.
Für eine roboterassistierte Durchführung derartiger Eingriffe bedarf es neuartiger mechatronischer Systeme, die einen
nichtlinearen Zugang ermöglichen. Hierbei existieren einige Forschungsprojekte,
wie das MINIR-Projekt der Universität von Maryland [1,2]. Ergänzend dazu exis-
tiert ein Neurochirurgieroboter von Tanaka et al. [3]. Zur robotergestützten Erzeu-
gung von Zugängen im Schädel mittels Fräsen gibt es ebenfalls Forschungsarbei-
ten, bspw. von Plinkert et al. [4].
Aufgrund der aktuell noch sehr geringen Anzahl an Systemen für die Neurochi-
rurgie, speziell für die Thematik der intrakraniellen Chirurgie, forscht das Institut
für Prozessrechentechnik, Automation und Robotik (IPR) an einem
konfigurierbaren Instrumentensystem, welches die Fähigkeiten der Hand des Chi-
rurgen in Bezug auf Beweglichkeit und Präzision nachbilden soll. Am Institut für Abbildung 1: Eingriff mit Instru-
Produktionstechnik (WBK) wird an Fräswerktechniken für die Knochenzerspa- mentensystem
nung samt passenden Testumgebungen geforscht.
2 Material und Methoden
Das zu entwickelnde Instrumentensystem ist aus insgesamt drei Komponenten aufgebaut und soll durch die Nase einge-
führt werden (siehe Abb. 1). Hierfür ist das Instrument aus einem starren rein translatorischen Anfang mit flexibler Fort-
2
führung geplant. Am Ende der flexiblen Struktur ist es möglich, ein Werkzeug zu adaptieren, also z.B. eine Kamera, ei-
nen Greifer oder auch einen Fräskopf. Des Weiteren ist im Inneren der gesamten Struktur eine Formsensorik integriert,
die es ermöglicht, die aktuelle Instrumentenlage und Geometrie zu erfassen. Ergänzt wird das System um ein teilautar-
kes Werkzeug, welches am distalen Ende der flexiblen Struktur fixiert ist. Hierbei liegt der Fokus auf einem Fräskopf,
welcher die Erzeugung von kleinen Kavitäten in knöchernen Strukturen ermöglicht.
2.1 Mechanischer Aufbau
Der mechanische Aufbau des flexiblen Manipulators besteht aus einer bereits am IPR vorhandenen Grundstruktur, die
einen Durchmesser von 10 mm aufweist. Diese besteht aus zwei unabhängig aktuierbaren Segmenten, welche jeweils
zwei Freiheitsgrade aufweisen. Die einzelnen Segmente wiederum bestehen aus abwechselnd starren und elastischen
aneinandergereihten Elementen, die eine maximale Segmentlänge von bis zu 90 mm erlauben. Mit Hilfe von Seilzügen
werden die einzelnen Segmente aktuiert, indem die elastischen Elemente deformiert werden. Der dabei kleinste erreich-
bare Krümmungsradius beträgt 45 mm.
Im Inneren des Manipulators ist ein 3 mm breiter Arbeitskanal, welcher sowohl für die Sensorik als auch für die Instru-
mente verwendet wird. Zusätzlich sollen die elektrischen und informationstechnischen Signale über diesen Kanal an das
Werkzeug weitergeleitet werden. Umhüllt ist diese flexible Struktur von einem elastischen Schlauch, der die innere Me-
chanik vor dem Eindringen von Flüssigkeiten schützt. Das Antriebssystem für die Seilzüge übernehmen Miniatur-
Hydraulikzylinder, die die einzelnen Seile mit einer definierten Kraft spannen und positionieren. Die dafür erforderli-
chen Hydraulikventile und -pumpen werden außerhalb des Manipulators vorgehalten. Dies ermöglicht im Notfall auch
die sofortige Drucklosschaltung des Systems. Sobald der Manipulator die gewünschte Position erreicht hat, wird ein
ebenfalls hydraulisch aktuiertes Zusatzsystem aktiviert, das die Fixierung der Struktur übernimmt. Dieser Schritt ist er-
forderlich, um für Fräs- und Bohrprozesse eine entsprechende Steifigkeit des Systems zu erreichen. Abschließend ist es
möglich, das Werkzeug über eine elektromechanische Kupplung an der flexiblen Struktur zu kontaktieren. Diese Ver-
bindung ermöglicht in der präoperativen Phase einen sehr schnellen und gleichzeitig sicheren Wechsel der Werkzeuge.
Am Anfang der flexiblen Struktur bildet ein starres Element einerseits die mechanische Verbindung zum übergeordne-
ten Stativ, andererseits die Befestigung der flexiblen Struktur.
Das gesamte System ist schematisch mit den drei Hauptkomponenten in Abb. 2 dargestellt.
Flexible Struktur
Starres Verbindungs-
element Werkzeug
Seile
Abbildung 2: Aufbau des Instrumentensystems mit einer starren Trägerstruktur, einer
flexiblen, durch Seile aktuierten Struktur und dem angeflanschten Werkzeugkopf –
innenliegende Sensorik und Hydraulikkomponenten sind nicht dargestellt.
2.2 Sensorik
In das Instrument integriert werden soll ein Formsensor, welcher die aktuelle Geometrie des Instrumentes misst. Hierzu
werden Fiber Bragg Gratings verwendet, mit denen durch Biegung entstandene Dehnungen gemessen werden. Fiber
Bragg Gratings sind elektromagnetisch verträglich, da sie auf optischer Basis arbeiten, sowie biokompatibel und damit
prinzipiell für chirurgische Werkzeuge zulässig. Mit den Gratings werden an signifikanten Stellen entlang des Instru-
ments Dehnungen gemessen, aus denen auf die entsprechende Krümmung geschlossen wird. Anhand dieser Krüm-
mungswerte ist es dann mit Methoden aus der Differentialgeometrie möglich, die Gesamtform des Instrumentes zu be-
rechnen [5] (siehe Abb. 3). Angepasst und optimiert auf das spezifische Instrument ist mit Hilfe des Formsensors theo-
retisch eine Berechnung der Position der Spitze des Instrumentes mit einer Genauigkeit von einem Prozent möglich,
bezogen auf die Gesamtlänge des Instruments. Somit kann die Position der Werkzeugspitze bei einer Gesamtlänge von
180 mm und 18 Gelenken auf 1,8 mm genau bestimmt werden. Werden zusätzlich die Informationen genutzt, welche
durch die aktive Steuerung des Instruments gegeben sind, wie z.B. die Kraft auf den Seilzügen, kann dieser Wert weiter
verbessert werden.
3
Der Formsensor wird in den Arbeitskanal des Instruments ge-
schoben, wodurch die Konfiguration und Geometrie des In-
struments beim Einführen in den Kopf dauerhaft überwacht
werden kann, sodass keine vitalen Strukturen beschädigt wer-
den. Sobald die Zielstruktur erreicht ist, wird das Instrument
wie oben beschrieben fixiert und der Formsensor herausge-
nommen, sodass entsprechende Werkzeuge eingeführt werden
können.
Abb. 3: Erkennung von S-Formen durch den Formsensor.
2.3 Werkzeuge
Der effizienteste Weg zur Schaffung von Zugängen im Knochen
ist die Verwendung von Bohr- oder Fräswerkzeugen. Zur Ent- Abbildung 3: Erkennung von S-Formen durch den
wicklung und Integration eines Fräskopfs ist es elementar zu Formsensor.
wissen, wie groß die auftretenden Kräfte und Momente sind.
Hierzu wurden entsprechende Versuche auf einem Bearbeitungszentrum am Institut für Produktionstechnik (WBK)
durchgeführt. Im Folgenden sollen die Ergebnisse der Versuche mit einem 4 mm großen Werkzeug gezeigt werden.
Gemessen wurden sowohl die Kräfte in allen drei Raumrichtungen als auch das dafür benötigte Drehmoment. In Vor-
versuchen wurde mit Hilfe einer Thermokamera ermittelt, dass eine Knochenbearbeitung ohne Kühlung in den aller-
meisten Fällen zu einer Schädigung aufgrund zu hoher Temperaturen führt und somit eine Kühlung zwingend erforder-
lich ist.
Für die Versuche wurde ein Stück Pferdeknie verwendet, da dies aufgrund seiner Härte den „worst case“ darstellt und
dem menschlichen Felsenbein (dem härtesten Knochen im menschlichen Schädel) in seinen Eigenschaften sehr nahe
kommt. Das benötigte Drehmoment zur Erzeugung von Bohrungen liegt unterhalb von 100 mNm mit vereinzelten Spit-
zenwerten bis 300 mNm. Die Ursache dieser Maximalwerte ist nicht abschließend geklärt, es wird jedoch vermutet,
dass diese aufgrund der Inhomogenität des Materials auftreten. Das benötigte Drehmoment lässt sich mechanisch – mit-
tels flexibler Wellen – sowie hydraulisch übertragen. Elektromotoren weisen ein deutlich zu geringes Drehmoment bei
dem verfügbaren Bauraum auf und bauen mit vorgeschaltetem Getriebe deutlich zu groß.
Einen sehr großen Einfluss auf die benötigte Steifigkeit und Haltekräfte des Instruments haben die Kräfte in Vorschub-
richtung sowie senkrecht dazu. Besonders die relativ geringe Steifigkeit des langen und dünnen Instruments limitiert die
möglichen Fräsparameter. Die auftretenden Kräfte variieren zwischen 15 N (bei einer Helix-förmigen Bewegung) und
30 N (bei einer rein linearen Bewegung). Der Vorteil der geringeren Vorschubkraft bei Helix-förmigem Vorschub resul-
tiert jedoch in deutlich höheren Kräften senkrecht zur Vorschubrichtung von bis zu 60 N. Die Versuche wurden jedoch
auf einem Bearbeitungszentrum mit verhältnismäßig hoher Steifigkeit und Antriebsleistung durchgeführt. Bei der Ver-
wendung eines Prüfstands mit Steifigkeit und Antriebsleistung analog der des Instruments werden deutlich geringere
Kräfte erwartet. Allerdings sinkt dadurch gleichzeitig die Präzision bei der Bearbeitung, da sich das Instrument beim
Fräsen elastisch verformt. Ebenso ist über eine weitere Optimierung der Prozessparameter und des verwendeten Werk-
zeugs eine weitere Senkung der Kräfte sehr wahrscheinlich. Die erwarteten Prozesszeiten werden als unkritisch gese-
hen, da sie voraussichtlich immer noch im Bereich weniger Minuten liegen.
3 Ergebnisse
Das zuvor beschriebene Instrumentensystem existiert im aktuellen Status mit seinen einzelnen Komponenten, die unab-
hängig voneinander entwickelt werden. Hierbei ist der eingesetzte Manipulator, bestehend aus zwei Segmenten und ei-
ner Gesamtlänge von 180 mm, in der Lage, ohne Fixierung der Struktur an der Instrumentenspitze Kräfte von 2 N zu
erzeugen. Ferner ermöglicht der aktuelle Aufbau mit vier aktiven Freiheitsgraden einen Krümmungsradius von 45 mm.
Ein prototypischer Formsensor konnte im großen Maß-
stab erfolgreich hergestellt werden [6]. Dieser ist in der
Lage, einfache Kurven und S-Formen robust zu erken-
nen (vgl. Abb. 3). An einer Miniaturisierung des Sen-
sors auf einen Durchmesser von 3 mm oder weniger,
sodass er in den Arbeitskanal des Instrumentensystems
passt, wird aktiv gearbeitet - an diesem wird dann auch
eine Genauigkeitsvalidierung erfolgen.
Die Randbedingungen bzgl. Kraft, Drehmoment und
Temperatur des Knochenfräsprozesses wurden in einem Abbildung 4: Antriebskonzept mit flexibler Hohlwelle
ersten Schritt geklärt und flossen zusammen mit dem zur
Verfügung stehenden Bauraum als Randbedingung in die Entwicklung von Konzepten ein. Dem mechanischen und hyd-
4
raulischen Antrieb ist gemein, dass die Leistung außerhalb des Instruments bereitgestellt und dann durch das Instrument
zum Fräskopf geleitet wird. Geeignet sind massive flexible Wellen mit einem Durchmesser von 3 mm bzw. innen hohle
flexible Wellen mit einem Durchmesser von 7 mm sowie entsprechende Hydraulikleitungen. Wichtig hierbei ist eine
biegeschlaffe Weiterleitung der Antriebsleistung zum Fräskopf. Dies ist sowohl mit flexiblen Wellen wie auch einer ent-
sprechend ausgeführten Hydraulikleitung gegeben. Abb. 4 zeigt ein Konzept mit flexibler Welle. Hierbei umgibt die
flexible Welle das Instrument. An der Entwicklung eines Konzepts, bei dem die flexible Welle im 3 mm Arbeitsschaft
des Instruments geführt wird, wird derzeit gearbeitet.
4 Zusammenfassung und Diskussion
In dieser Arbeit wurde ein Instrumentensystem vorgestellt, dass auf einzelnen mechatronischen Bausteinen basiert und
die Operation an Tumoren an der seitlichen Schädelbasis vereinfachen soll. Dabei werden erstmalig die Komponenten
eines flexiblen Manipulators mit einer Formsensorik und einem Fräskopf verknüpft. Diese einzelnen technologischen
Komponenten wurden im Einzelnen kurz beschrieben, befinden sich aktuell aber noch im Laboraufbau und müssen zu-
nächst grundsätzlich getestet, integriert und anschließend evaluiert werden. Speziell die Erzeugung einer flexiblen und
gleichzeitig für Fräsaufgaben versteifbaren Struktur stellt hierbei die größten Herausforderungen dar.
Sobald die Einzelkomponenten für den beschriebenen Anwendungsfall jeweils optimiert wurden, sollen sie in ein Ge-
samtsystem integriert werden. Das so entwickelte Instrument wird einen Durchmesser von etwa 10 mm haben und da-
mit zu groß sein, um es durch einen menschlichen Nasentrakt einzuführen. Es wird daher zunächst an einem überdi-
mensionierten Phantomkopf getestet und evaluiert werden, um bereits mögliche Problematiken festzustellen und das
System entsprechend zu verbessern. Wenn erfolgreiche Testläufe durchgeführt wurden, wird die Miniaturisierung des
Gesamtsystems mit allen Einzelkomponenten im Fokus stehen.
Visionäres Ziel ist die Erforschung eines flexiblen minimaltraumatischen Instrumentensystems für die intrakranielle
Chirurgie, welches auf dem Gebiet der Neurochirurgie völlig neue Möglichkeiten der Behandlung ermöglicht. Bereits
durch die Flexibilisierung und den Zugang über den Nasentrakt ist ein Zugewinn an Manipulierbarkeit bei gleichzeitiger
Reduktion des Traumas möglich.
5 Danksagungen
Diese Arbeit wird gefördert und unterstützt durch das Ministerium für Wirtschaft, Forschung und Kunst Baden Würt-
temberg im Rahmen des Förderprogrammes „Innovative Projekte“, sowie durch die DFG-geförderte Forschergruppe
„Single-Port-Technologie für gastroenterologische und viszeralchirurgische endoskopische Interventionen“ (WO
720/36-1).
6 Referenzen
[1] Mingyen Ho, Jaydev P. Desai, Towards the Development of a SMA-Actuated MRI-Compatible Tendon-Driven
Neurosurgical Robot, 683-688, IEEE International Conference on Robotics and Automation 2012
[2] Mingyen Ho, Alan B. McMillan, J. Marc Simard, Rao Gullapalli, Toward a Meso-Scale SMA-Actuated MRI-
Compatible Neurosurgical Robot, 213-222, IEEE Transaction on Robotics, Vol. 28, 2012
[3] K. Hongo, T. Goto, T. Miyahara, Y. Kakizawa, J. Koyama, and Y. Tanaka, Telecontrolled micromanipulator
system (NeuRobot) for minimally invasive neurosurgery, 63-66, Acta Neurochirurgica, Vol. 98, 2006
[4] P.K. Plinkert, B. Plinkert, A. Hiller, J. Stallkamp, Einsatz eines Roboters an der lateralen Schädelbasis, 514-
522, HNO, Vol. 49, 2001
[5] J. P. Moore and M. D. Rogge, Shape sensing using multi-core fiber optic cable and parametric curve solutions,
Opt. Express, vol. 20, no. 3, pp. 2967–2973, Jan 2012. [Online]. Available:
http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI=oe-20-3-2967
[6] H. Pauer, C. Ledermann, O. Weede and H. Woern, Towards Building a Miniaturized Shape Sensor, under review
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