Bildquelle: Imes, Leibniz Universität Hannover

Das robotergestützte Assistenzsystem ermöglicht es, hoch präzise, minimal-invasive Eingriffe am Innenohr durchzuführen.
(Bildquelle: Imes, Leibniz Universität Hannover)

Ein gebogener Silikonschlauch, der auf einem Fingernagel Platz findet: Dieses kleine Bauteil bewirkt, dass taube oder hochgradig schwerhörige Menschen ihr Hörvermögen wiedergewinnen. Denn ein solches Cochlea-Implantat (CI) wird in das schneckenförmige Innenohr eingesetzt. Es verfügt über 12 bis 22 Elektroden, die jeweils bestimmte Frequenzbereiche abdecken, die feinen Haar-Sinneszellen des Innenohrs anregen und den Hörnerv elektrisch stimulieren. Ihre Signale erhalten die Elektroden über ein Mikrofon, das am Ohr befestigt ist, und durch eine am Schädel implantierte Steuerelektronik.

Der Operateur benötigt für das Implantieren viel Fingerspitzengefühl. Er muss das Felsenbein – welches den härtesten Knochen des menschlichen Skelettes beinhaltet – auffräsen, um durch die so geschaffene Öffnung an das Innenohr in rund 30 Millimeter Tiefe zu gelangen. Dabei muss er präzise zwischen dem Gesichts- und Geschmacksnerv navigieren, die nur 2,1 bis 2,6 mm auseinanderliegen, und durch diesen Zwischenraum die Hörschnecke (medizinisch Cochlea) erreichen.

Das Institut für Mechatronische Systeme (Imes) der Leibniz Universität Hannover – genauer gesagt: dessen Forschungsgruppe Medizintechnik und Bildverarbeitung – stellte eine robotergestützte Lösung vor, die diesen Eingriff vereinfacht und dabei dem Operateur ein sehr präzises Arbeiten ermöglicht. Jan-Philipp Kobler, wissenschaftlicher Mitarbeiter des Instituts, entwickelte das Assistenzsystem im Rahmen seiner Dissertation. Ein miniaturisierter, passiver Roboter mit Hexapod-Struktur wird an drei Ankerpunkten am Schädel des Patienten befestigt. Achsen und Gelenke des Roboters werden auf Basis der Ergebnisse von bildgebenden Verfahren mithilfe von sechs längenverstellbaren Schubaktoren so eingestellt, dass der Bohrer oder andere chirurgische Instrumente über eine Linearführung durch das Felsenbein die Zielposition an der Hörschnecke präzise erreichen. Der Chirurg betätigt dabei nur das Instrument, das an der Linearführung fixiert ist. Ein großvolumiges Abfräsen des Knochens entfällt.

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Kernkomponente der spielfreien Gleitführung des Assistenzsystems sind die Flachführungen, die aus einem Hochleistungspolymer mit inkorporiertem Schmierstoff bestehen.
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Schmiermittelfrei und leicht zu reinigen

Zu den Herausforderungen bei der Entwicklung gehörte – nachdem das grundlegende Konzept feststand – die Auswahl der Roboterkomponenten. „Wegen der hohen Genauigkeitsanforderungen müssen die Lager und Gelenke des Roboters möglichst rigide und spielfrei sein, ebenso die Linearführung, die das chirurgische Bohrwerkzeug aufnimmt“, erläutert Kobler. Zudem handelt es sich bei dem Assistenzsystem um ein Medizinprodukt, das darum möglichst keimfrei sein muss. Alle Komponenten müssen sich daher für das Desinfizieren und Dampfsterilisieren bei 134 °C eignen. Linearführungen mit Wälzlagern kommen hier nicht infrage, weil sie sich nicht zuverlässig reinigen lassen. Ein konventionelles Schmieren der Führung ist aus Hygienegründen ohnehin nicht möglich, zudem müssen Schlitten und Schiene zerlegbar sein.

In dieses Anforderungsprofil passen die Drylin-N-Flachführungen von Igus, Köln. Bei der Instrumentenführung des Operationsroboters kommt daher eine Gleitschiene mit zwei Schlitten zum Einsatz. Das Gleitelement, ein Hochleistungspolymer aus der Iglidur-Serie mit inkorporiertem Schmierstoff, benötigt keine externe Schmierung. Ein Edelstahl-Element verblockt die beiden vorgespannten Schlitten. Das verringert das Spiel, das sich bei Gleitführungen prinzipbedingt nicht vollständig vermeiden lässt. Kobler ergänzt: „Die Werkzeugführung erfüllt unsere Anforderungen. Sie arbeitet nahezu spielfrei und ohne Stick-slip-Effekte, kommt ohne Schmierstoff aus und kann problemlos zerlegt, gereinigt und wieder zusammengesetzt werden. Darüber hinaus bietet die Austauschbarkeit der Schlitten viele Möglichkeiten des Werkzeugwechsels auch während der Operation.“

Imes, Leibniz Universität Hannover

Die Gleitbuchsen der Schubaktoren bestehen aus einem Hochleistungskunststoff, der Temperaturen bis 250 °C widersteht und vergleichsweise wenig Feuchtigkeit aufnimmt. Damit eignet er sich für das Dampfsterilisieren.
(Bildquelle: Imes, Leibniz Universität Hannover)

Hochtemperatur-stabil

Ein ähnliches Anforderungsprofil gilt für die Rotationsgelenke, die jeweils zwei längenverstellbare Schubaktoren miteinander verbinden. Die Achse eines Rotationsgelenks bildet eine Passschraube, deren Radialspiel von jeweils zwei Gleitbuchsen der Serie Iglidur aufgenommen wird. Durch das Anziehen der Passschraube lässt sich das Gelenk darüber hinaus axial vorspannen.

Die Buchsen bestehen aus dem Werkstoff Iglidur X. Dieser Hochleistungskunststoff widersteht Temperaturen bis 250 °C und nimmt vergleichsweise wenig Feuchtigkeit auf. Damit eignet er sich für das Dampfsterilisieren. Darüber hinaus kommt der Werkstoff auch mit besonders anspruchsvollen Anwendungen zurecht. Dazu zählen Betriebstemperaturen von -100 bis 250 °C im Dauerbetrieb oder Kontakt mit aggressiven Chemikalien.

Vielseitiges Implantat

Das Assistenzsystem eignet sich neben dem minimal-invasiven Zugang zur Cochlea ohne Abfräsen des Felsenbeins auch für das Einsetzen des Implantates. Für diese Aufgabe entwickelte Kobler mit seinen Kollegen des Imes und der HNO ein Werkzeug, das ebenfalls am Schlitten der Linearführung befestigt wird und dem Operateur über eine integrierte Sensorik meldet, wenn das Implantat optimal im Innenohr sitzt.

Inzwischen wurde das Assistenzsystem erfolgreich unter Praxisbedingungen im Labor getestet. Nicht nur die Experten für die Cochlea-Implantation verfolgen die Entwicklung aufmerksam, denn diese Operation gilt in der Medizin als Benchmark für roboterassistierte Chirurgie. Die Verantwortlichen am Institut für Mechatronische Systeme können sich daher gut vorstellen, ähnliche Assistenzroboter für andere Operationsarten zu entwickeln und arbeiten bereits an mehreren Projekten für Hals-Nase-Ohren-Eingriffe und für das Einsetzen von Hüftprothesen.

Preisträger des goldenen Manus 2015

Das Grundkonzept einer knochenverankerten chirurgischen Instrumentenführung, bei dem die verwendeten Kunststoff-Gleitlager von Igus, Köln, eine zentrale Funktion übernehmen, überzeugte auch die Juroren des Manus-Wettbewerbs, den Igus alle zwei Jahre für innovative Anwendungen von Kunststoff-Gleitlagern ausrichtet. Die Jury aus Vertretern aus Wirtschaft, Forschung und Fachmedien verlieh den diesjährigen Goldenen Manus an das Institut für Mechatronische Systeme. Jan-Philipp Kobler musste nicht weit reisen, um die Auszeichnung entgegenzunehmen, da die Preisverleihung im April 2015 auf der Hannover Messe stattfand – unweit seiner Arbeitsstätte an der Leibniz Universität Hannover.

Über den Autor

Ulf Hottung

ist Branchenmanager Medizintechnik bei Igus in Köln.