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Micro Technology and Medical Device Technologyo. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth
Medical Faculty Klinikum rechts der Isar
Mechanical Engineering
141. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Mikromanipulator für die Mittelohr-Chirurgie
41. Sitzung des FA 4.13, Braunschweig
T.Maiera,b, G. Straußc,d, A. Dietzc,d, T. Lütha,b
aLehrstuhl für Mikrotechnik und Medizingerätetechnik, Technische Universität MünchenbZentralinstitut für Medizintechnik IMETUM, Technische Universität München
cKlinik und Poliklinik für HNO-Heilkunde / Plastische Operationen, Universität Leipzig dBMBF-Innovation Center Computer Assisted Surgery ICCAS, Universität Leipzig
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Mechanical Engineering
241. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Einleitung
Klinischer Indikation - Mittelohrchirurgie• Chronische Mittelohrentzündung• Verknöcherung des Steigbügels (Otosklerose)• Verletzungen des Trommelfells• Beschädigung der Gehörknöchelchen
Häufig Standardoperation
OP-Aufbau
www.musik.uni-osnabrueck.de
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341. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Stand der Technik
Verknöcherung der Aufhängung des Steigbügels:
• Auffräsen des Knochens (Mastoid) hinter derOhrmuschel
• Zugang zum Mittelohr freilegen• Entfernen des Steigbügels (Stapes)• Stechen eines Loches in die Fußplatte des Steigbügels
(Durchmesser 0,4mm)• Einsetzten einer Titanprothese
Beispiel für klinischen Ablauf
Titanprothese (Kurzmed)
4mm
Steigbügel vor der Operation Steigbügel nach der Operation (www.hno.med.tu-muenchen.de)
4mm
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441. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Stand der Technik
Beschränkungen beim Zugang:
• Kleiner Situs (Durchmesser 40mm)• Z.T. schlechte Sicht auf den Situs• Eingeschränkter Bewegungsfreiraum der Hände
Häufige Abweichung vom geplantenOperationsverlaufEntfernung von unbeteiligtem Gewebe zurVerbesserung des Zugangs
OP-Aufbau
Klinische Problemstellung
Mikroskopbild des Situs20mm
Operations-Setup
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541. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Stand der Technik
Beschränkungen bei der Genauigkeit:
• Erreichbare Genauigkeit der Hand des Chirurgen abhängig von:
• Beschränkung des Zugangs• Gewicht des Instrumentes• Fähigkeiten des Chirurgen (Tremor)
Standardoperation:
• Zeitdruck• Kostenvorgabe
Strauss (2007)
Klinische Problemstellung
OhneEinschränkung
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0 mm
Limit.Zugang
Limit.Winkel
Nach Kraft-anstrengung
Positionsabweichung bei zunehmender Beschränkung
Instrument mit 70 g
Instrument mit 10 g
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641. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Stand der Technik
Verwendetes Instrumentarium:
• Verwendung eines Mikroskopes
• Einsatz von Feinstinstrumenten(z.B. Haken mit 0,6mm Spitze)
• Spezielle Abstützhilfen
Dennoch sehr anspruchsvolle Tätigkeit!
Feinstinstrumente
Derzeitige Hilfsmittel
Operations-Setup
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741. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Micron (MRT Center, Carnegie Mellon University, USA):• Aktives Ausgleichen des Tremors • 6 Sensoren• Drei Freiheitsgrade• Piezo-Aktoren
Steady-Hand Eye Robot (Johns Hopkins University):• Roboter mit Kraft-Momentensensor am Instrument• Tremorausgleich durch Roboterführung
Ansätze aus der ForschungSysteme zur Tremorreduktion
Micron
Steady-Hand Eye Robot
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841. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Spine Assist (MAZOR Surgical Technologies, Israel)• Setzten von Pedikelschrauben in
der Wirbelsäulenchirurgie• Befestigung direkt auf der Wirbelsäule• Miniatur Hexapod
Galileo Schnittlehre (Plus Orthopedics)• Motorisierte Knochenschdeidlehre für
Kniegelenk-Implantation• Zwei Freiheitsgrade
Ansätze aus anderen AnwendungsgebietenMedizinische Mikro- und Minisystemische Roboter
Galileo
Spine-Assist
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941. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Keine speziellen Systeme für die Mittelohrchirurgie verfügbar
Einbindung vorhandener Systeme aus anderen Bereichenin Standard-OP schwierig
• Integration in klinische Routine unter dem Gesichtspunkt des Kostendrucks
• Chirurgen bevorzugen kleine Systeme die den OP-Ablauf nicht verändern
Kritik am Stand der Technik
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1041. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Aufbau eines Telemanipulators mit den Eigenschaften:
• Chirurg steuert das Instrument direkt
• Befestigung und Bedienung am OP-Tisch
• Geringe Größe
• Verwendung handelsüblicher Instrumente
• Schneller Instrumentenwechsel und minimale Rüstzeit
• Minimale Komplexität
AnsatzNeuer Telemanipulator
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1141. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Kommunikationsbasis mit Ärzten:
• Definition der notwendigen Instrumenten-bewegung durch Chirurgen
• Ableiten von Freiheitsgraden• Umsetzung der Freiheitsgrade in Kinematiken• Arbeitsräume definieren
Aufbau von Prototypen mit geringer Komplexität:
• Einsatz von Rapid-Prototyping Verfahren• Einfache Servomotoren als Antriebe• Ansteuerung der Servomotoren über Mikrocontroller
PrototypenbauSchneller Aufbau und Evaluation von Prototypen
3D-Drucker (ZCorp)
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1241. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Realisierte Systeme:
• 2 rotatorische DoF• 4 rotatorische und ein translatorischer DoF• 3 translatorische DoF (X-Y-Z)
Zeitnahe Tests in der Klinik
PrototypenbauErmittlung der benötigten Freiheitsgrade
Zwei rotatorische DoF Vier rotatorische, ein translatorischer DoF
Drei translatorische DoF
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1341. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Ergebnisse:
• Drei translatorische Freiheitsgrade (X-Y-Z) ermöglichen eine erste AnwendungVorraussetzung: Kinematik kannmanuell ausgerichtet werden
• Auch von ungeübten Personen bedienbar
• Arbeitsraum des Manipulators von 2 cm x 2 cm x 2 cm zunächst ausreichend
Ergebnisse der PrototypenErmittlung der benötigten Freiheitsgrade
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1441. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Aufbau:(1) Mikroinstrument(2) Instrumentenaufnahme (3) X-Y-Z-Kinematik(4) Gelenkarm (5) Joystick-Steuerkonsole(6) Situs
Ablauf:1. Montage und sterile Abdeckung2. Einsetzten des Instrumentes3. Grobausrichtung am Situs4. Telemanipulation5. Flexibles Aus- und Einschwenken
Ausgewähltes KonzeptMikromanipulators mit drei translatorischen Freiheitsgraden
Schematische Darstellung des Telemanipulators
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1541. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Mechanik:
• Einstellbare Schwalbenschwanzführungen• Kunststoffkonstruktion• Gelenkarm mit 5 Freiheitsgraden• Befestigung über Maquet-Klemme am
OP-Tisch• Verfahrweg 20 mm x 20 mm x 20 mm
Realisierung des KonzeptesRealisierte Mechanik
X-Y-Tisch
Gelenkarm
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1641. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Antrieb:
• 3 Servomotoren mit internerPositionsregelung
• Ansteuerung über PWM-Signal• Momentübertragung auf die Schlitten
über Hebelarme• 200 Positionen auf 2cm = 0,1mm Schritte
Realisierung des KonzeptesRealisierte Antriebslösung
Hebelmechanismen
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1741. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Steuerung:
• Zwei Joysticks zur Eingabe(positionsgesteuert)
• Integrierter Mikrocontroller• Direkte Übersetzung in Motorstellung• Skalierung• Ein-Ausschalter, Status-LED’s
Realisierung des KonzeptesRealisierte Steuerung
YXZ
Steuerkonsole
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1841. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Eigenschaften:
• Sehr einfacher Aufbau• Kompakte Abmessung• Montage direkt am OP-Tisch• Einfacher Instrumentenwechsel• Joystick-Steuerung auf
Mikrocontroller-Basis
Realisiertes SystemZusammenfassung
Mikromanipulator mit Steuerung
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Mechanical Engineering
1941. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Sterilisationskonzept:
• Sterile Abdeckung der gesamten Kinematik• Sterile Abdeckung der Steuerung• Sterilisierbare Instrumentenhalterung
wird durch die Folie gesteckt• Einfaches Einklippen der Instrumente
Sterilisationskonzept
Steril abgedecktes System
Instrumentenaufnahme
Micro Technology and Medical Device Technologyo. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth
Medical Faculty Klinikum rechts der Isar
Mechanical Engineering
2041. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Tympanoplastik III:
• Beschädigung des Trommelfells und des Steigbügels
• Ersetzten des Steigbügels (d) durch eineTitanprothese (PORP)
• Wiederherstellung des Trommelfells (a)• Retroaurikulärer Zugang
Erster klinischer EinsatzTympanoplastik Typ III
2,5 mm
PORP Titanprothese (Klinikum Solingen)
Gehörknöchelchen (Wikipedia)
Retroaurikulärer Zugang
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2141. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Verwendung des Mikromanipulators:• Einsetzten der Prothese PORP• Umklappen des Trommelfells
Ergebnisse aus Sicht des Chirurgen:• Verbesserte Sicht auf den Situs• Wechsel zwischen manueller und
telemanipulierter Instrumentenführung möglich• Intuitiv bedienbar• Geringe Rüstzeit• Einbindung in Standard-OP Ablauf möglich
Erster klinischer EinsatzVerwendung des Mikromanipulators für die Tympanoplastik Typ III
Einsatz des Mikromanipulators
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Mechanical Engineering
2241. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier
Ausblick
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!