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Micro Technology and Medical Device Technology o. Prof. Dr. rer. nat. Tim C. Lueth Medical Faculty Klinikum rechts der Isar Mechanical Engineering 1 41. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier Mikromanipulator für die Mittelohr-Chirurgie 41. Sitzung des FA 4.13, Braunschweig T.Maier a,b , G. Strauß c,d , A. Dietz c,d , T. Lüth a,b a Lehrstuhl für Mikrotechnik und Medizingerätetechnik, Technische Universität München b Zentralinstitut für Medizintechnik IMETUM, Technische Universität München c Klinik und Poliklinik für HNO-Heilkunde / Plastische Operationen, Universität Leipzig d BMBF-Innovation Center Computer Assisted Surgery ICCAS, Universität Leipzig

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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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Mechanical Engineering

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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Mechanical Engineering

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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Mechanical Engineering

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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Mechanical Engineering

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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Mechanical Engineering

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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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

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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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2241. Sitzung des FA 4.13 - 23.01.2008 Thomas Maier

Ausblick

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!