Handgehaltener Miniaturroboter für die orthopädische Chirurgie

Niesche, Annegret; Radermacher, Klaus; Corves, Burkhard

doi:10.18154/RWTH-2024-07914

Handgehaltener Miniaturroboter für die orthopädische Chirurgie = Handheld miniature robot for orthopedic surgery

Niesche, Annegret^RWTH*

2024

VerantwortlichkeitsangabeAnnegret Niesche

ImpressumDüren : Shaker Verlag 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ReiheAachener Beiträge zur Medizintechnik ; 76

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Druckausgabe: 2024. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Radermacher, Klaus (Thesis advisor)^RWTH* ; Corves, Burkhard (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-02-01

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-07914
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/991823/files/991823.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Medizintechnik (419410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
bone machining (frei) ; handheld robot (frei) ; surgical robotics (frei) ; unicompartmental knee arthroplasty (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Zur Unterstützung der Operateurin oder des Operateurs bei der effektiven und effizienten Knochenbearbeitung bei minimal-invasivem Zugang wurden zahlreiche Assistenzsysteme entwickelt. Eine Möglichkeit der Interaktion ist dabei das Prinzip der synergistischen Kontrolle. Sie ermöglicht unter stetiger aktiver Einbindung der Anwender*innen in den Prozess die Kontrolle und Optimierung einzelner Zielgrößen durch das robotische Assistenzsystem. Bisherige Ansätze zeigen jedoch Nachteile bezüglich der flexiblen Integration in das chirurgische Arbeitsumfeld und den Arbeitsablauf, erfordern eine invasive Knochenfixierung oder bieten nur begrenzte Möglichkeiten zur Prozessoptimierung. In dieser Arbeit wird der Ansatz eines synergistischen handgehaltenen, aktiven Roboters zur Fräsbearbeitung von Knochen aufgegriffen. Nach einer manuellen Grobpositionierung führt der Roboter die Feinbewegung des Instruments zur Knochenbearbeitung aus und kompensiert dabei unerwünschte menschliche Bewegungen. Durch manuelle Umpositionierung des Roboters wird der erreichbare Arbeitsraum erweitert. Das System selbst kommt daher mit einem kleineren Arbeits- und Bauraum aus als raumfest montierte Roboter. Eine erfolgreiche Demonstration dieses Ansatzes für die Bearbeitung eines harten Materials wie Kortikalknochen ist bislang nicht bekannt. Um die Kompensation der durch die Prozesskräfte hervorgerufenen, menschlichen Reaktionsbewegungen sowie unwillkürlicher Tremor- und Driftbewegungen zu ermöglichen, wurde der beschriebene Ansatz in dieser Arbeit um eine mechanische Abstützung des Roboters zur Stabilisierung erweitert. Die Untersuchung des Ansatzes erfolgte exemplarisch für die Herstellung des Implantatsitzes bei der minimal-invasiven unikondylären Kniearthroplastik (UKA), d.h. für die Fertigung einer dreidimensionalen Freiformfläche am Knochen. Es wurde ein Funktionsmuster des beidhändig geführten Roboters mit einem Gewicht von 2,5 kg realisiert. Zudem wurden Umpositionierungsstrategien zur Anwendung mit einer Abstützung vorgestellt. In Fräsversuchen am Knochenersatzmaterial wurde eine Abweichung zur geplanten Oberfläche zwischen 0,32 mm und 0,99 mm (RMSE) erzielt. Diese liegt im Bereich der mit dem kommerziellen, visuell geführten System NAVIO für die UKA erreichten Abweichung von 0,67 mm (RMSE, σ = 0,37 mm), welches keine automatisierte Regelung und damit systematische Kontrolle der Fräsbahnparameter (wie Fräsbahn, Zustellung, Vorschub) ermöglicht. Zudem wurde die Anwendbarkeit des handgehaltenen Roboters im Rahmen einer am Humanpräparat durchgeführten UKA demonstriert. Es wurde eine Abweichung zwischen -0,7 mm und 0,6 mm erzielt, mit einer Bearbeitungszeit von 5 Minuten für die Tibia- und 10 Minuten für die Femurkondyle. Auch hier wurden mit NAVIO vergleichbare Werte erreicht. Damit wurde gezeigt, dass die Fräsbearbeitung von Knochen mit einem handgehaltenen, aktiven Roboter durch Verwendung einer Abstützung mit der Genauigkeit und Effizienz eines kommerziellen Systems, jedoch mit dem Vorteil einer automatisierten und damit systematischen Umsetzung optimaler Bearbeitungsparameter, möglich ist.

Numerous assistance systems have been developed to support the surgeon in effective and efficient bone machining with minimally invasive access. One possibility of interaction is the principle of synergistic control. It enables the robotic assistance system to control and optimize individual target variables while actively involving the operator into the process. However, current approaches show disadvantages with regard to flexible integration into the surgical work environment and workflow, require invasive bone fixation or offer only limited possibilities for process optimization. This thesis investigates the approach of using a synergistic hand-held active robot for bone machining. After manual coarse positioning, the robot executes the fine movement of the instrument for bone machining, thereby compensating for undesired human movements. By manually repositioning the robot, the accessible working space is expanded. The system itself therefore can be designed with a smaller working space and occupies less space in the operating room compared to robots which are installed at a fixed position in the room. A successful demonstration of this approach on a hard material like cortical bone is not known so far. In order to enable the compensation for the human reaction movements caused by the process forces as well as involuntary tremor and drift movements, the investigated approach was extended using a mechanical support of the robot for stabilization. The proposed approach has been investigated for milling the implant seat in minimally invasive unicondylar knee arthroplasty (UKA), i.e. for the fabrication of a three-dimensional free-form surface on the bone. A functional prototype of the robot, held by the operator with both hands and with a weight of 2.5 kg, was realized. In addition, repositioning strategies for use with a mechanical support unit were presented. In milling tests on bone substitute material, a deviation ranging from 0.32 mm to 0.99 mm (RMSE) of a machined surface from the planned surface was achieved. This is within the deviation of 0.67 mm (RMSE, σ = 0.37 mm) achieved with the commercial, visually guided NAVIO system for UKA surgery, which does not allow for automated and thus systematic control of the bone machining parameters (e.g. milling tool path, depth, feed rate). In addition, the applicability of the hand-held robot was demonstrated in a UKA surgery on a human cadaver. A deviation between -0.7 mm and 0.6 mm of the machined bone surface from the planned surface was achieved with a bone machining time of 5 minutes for the tibial and 10 minutes for the femoral condyle. Again, values comparable to the NAVIO system were achieved. To sum up, milling bone using a hand-held, active robot with a mechanical support is possible with the accuracy and efficiency of a commercial system for UKA, but with the advantage of an automated and thus systematic implementation of optimal milling parameters.

OpenAccess:
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