Projektarbeit von: Michel Waringo

Robotergestützte Navigation zum Fräsen an der lateralen Schädelbasis (RONAF):
ROTOS (Robotics in Otolaryngology Surgery) - Planung von Fräsbahnen


Zusammenfassung

Thema des ROTOS-Projektes ist es, einen chirurgischen Eingriff zu automatisieren: das Ausfräsen eines Loches in der Schädeldecke um Platz für ein Hörgerät zu schaffen. Diese Operation, die bisher nur manuell ausgeführt wird, lässt sich weitaus kostengünstiger, schneller und effektiver durch einen Roboter durchführen.Es kann nicht blind gefräst werden, sondern der Roboter ist auf Sensorik angewiesen. Der Durchbruch auf die Dura, die Hirnhaut, muss detektierbar sein und die Dura darf nicht zerreissen.

Die Arbeit besteht grob aus folgenden drei Teilen:

Algorithmus zum Planen der Fräsbahn

Der Fräser ist im Greifarm des Industrieroboters (RX130 von Stäubli) festgeklemmt. In erster Linie geht es darum, einen Algorithmus zu implementieren der den Roboterarm so ansteuert, dass der Fräskopf das gesamte Volumen entfernt. Die Volumina sind von überschaubarer Komplexität, es ist jedoch trotzdem angebracht, sie in einzelne Primitiven zu zerlegen. Diese Angaben werden aus einer Textdatei eingelesen. Der Fräsbahnplaner arbeitet sukzessive die einzelnen Volumen ab, wobei er ebenenweise vorgeht. Jede der horizontalen Ebenen wird in konzentrische Bahnen zerlegt. Der Algorithmus liefert ein Feld mit Punkten im 3-dimensionalen Raum, welche die Eckpunkte der linear abzufahrenden Polygone bilden. Es ist leicht, eigene Geometrien zu entwerfen. Man editiert die leicht verständlich aufgebaute Geometriebeschreibung in einer Textdatei.

Nullkraftregelung zum Eingeben des Koordinatensystems

Die aus einer Datei eingelesenen Angaben der Eckpunkte sind in lokalen Koordinaten, sind also keine absoluten Positionsangaben. Somit ist man nicht gezwungen, den Schweineknochen (welcher uns für den Anfang als recht brauchbarer Menschenkopf-Ersatz dient) jedesmal an exakt die selbe Stelle zu legen. Es reicht, dem Roboter vor der Operation ein der jeweiligen Situation angepasstes Koordinatensystem einzugeben. Um dieses Lehren vom Ursprung, einem Punkt auf der x- und einem Punkt auf der y-Achse möglichst intuitiv zu gestalten, bietet sich eine Nullkraftregelung an, das heisst, der Benutzer kann den Roboterarm mit der Hand herumführen und ihn an die gewünschten Positionen "ziehen". Anhand der Werte, die die vor dem Greifarm befestigte Kraftmessdose liefert, ist erkennbar, in welche Richtung ein Druck auf den der Greifarm ausgeübt wird. Mithilfe eines P-Reglers wird der Roboter nun so angesteuert, dass er sich in die gewünschte Richtung bewegt. Drehungen des Greifarms sind ebenfalls realisierbar, da die Kraftmessdose neben den Kräften auch Momente auswertet.

Gesamtprojekt

Die beiden eben vorgestellten Komponenten wurden zu einer kompletten eigenständigen Anwendung zusammengefügt. Nachdem der Benutzer ein Implantat eingeladen hat, wird eine Vorschau mit vier verschiedenen Ansichten, darunter eine 3-dimensionale, angezeigt. Dies dient der Kontrolle vor dem Fräsen. Anschliessend erfolgt die Eingabe des Koordinatensystems und danach beginnt der Fräsvorgang der jederzeit unterbrochen werden kann. Durch ein ausgeklügeltes Backup-System kann der Fräsvorgang sogar nach einem Stromausfall an der richtigen Stelle wieder aufgenommen werden. Durch ein schlaues Enkryptionsverfahren werden die abgespeicherten Wegbeschreibungen gegen unbefugte Modifikation geschützt.