Projektarbeit von: Philipp J. STOLKA

Robotergestützte Navigation zum Fräsen an der lateralen Schädelbasis (RONAF):
ROTOS (Robotics in Otolaryngology Surgery) - Voruntersuchungen zum Sensoreinsatz


Widerstand
Kraftregelung

Zusammenfassung

Wir haben für die roboterunterstützte Ausfräsung eines Implantatlagers in der Kalotte sowie eine Mastoidektomie verschiedene Sensoren betrachtet, die einen Durchbruch des Fräsers durch den Kalottenknochen auf die Dura hin anzeigen sollen. Dabei kamen zunächst Widerstandsmessungen, EMG-Untersuchungen sowie Kraftmessungen in Frage. Wir haben uns in den Experimenten zu dieser Arbeit auf elektrische Widerstands- und Kraftmessungen bei Fräsungen in der Kalotte konzentriert.

Elektrischer Widerstand als Sensor

Dabei stellte sich heraus, daß durch den Einsatz eines rotierenden und arbeitenden Fräsers die Widerstandswerte, die sich über den Fräskopf hinweg messen lassen, völlig zufällig springen und nicht stabil einen aussagekräftigen Wert anzeigen können. Die Widerstandsmeßwerte unterliegen bereits unter Laborbedingungen so unberechenbaren Einflüssen, daß man aus ihnen keine Rückschlüsse auf die OP-Situation ziehen kann. Damit läßt sich der elektrische Widerstand insbesondere unter realen Bedingungen nicht als Sensor einsetzen.

Kraftmessungen als Sensor

Die Kraftmessungen hingegen ergaben vielversprechendere Verläufe. Zunächst einmal ist festzustellen, daß der Absolutwert der Kraft über das Fräsen nicht viel verrät: Dazu hängt er zu sehr von Bedingungen wie aktueller Vorschubgeschwindigkeit, der Umdrehungsgeschwindigkeit des Fräsers, seinem Abnutzungsgrad oder auch physiologischen Unterschieden von Patient zu Patient ab. Dasselbe gilt für die Momente, die während des Fräsens im Knochen einen weitgehend gleichen Verlauf zu den Kräften aufweisen.

Eine Berechnung der Standardabweichung der Kräfte hingegen zeigt ein interessantes und möglicherweise aussagekräftiges Phänomen auf: Solange der Fräskopf noch im Knochen verfährt und Knochenmaterial abträgt, treten starke Vibrationen auf und lassen die Standardabweichung somit hoch liegen. Hat der Fräskopf allerdings den Knochen abgetragen, so daß er auf der Dura verfährt, fallen diese Vibrationsanteile fort und lassen den Kraftverlauf sehr glatt erscheinen. Dabei sinkt die Standardabweichung merklich ab. Da die Berechnung der Standardabweichung schnell ist, kann dies in Echtzeit erfolgen. Die Sicherheit dieses Sensors muß noch durch weitere Versuchsreihen validiert werden.

Da wir den Fräser mittels eines Roboters bewegen, der (primär) positionsgesteuert ist, können wir ohne Probleme mit dem rotierenden Fräser eine weite Strecke auf der Dura verfahren, ohne eine Ruptur zu erzeugen.

Kraftregelung zur Erhöhung der Prozesssicherheit

Die Sicherheit des Gesamteingriffs konnte weiterhin durch die Implementierung einer Kraftregelung sehr gesteigert werden. Hierbei wird die Vorschubgeschwindigkeit des Fräsers in allen Richtungen durch den Absolutwert der auftretenden Kräfte geregelt. Dadurch ließen sich Abbrüche durch Kraftspitzen und Probleme durch lokale Überhitzungen des Knochens vermeiden.