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Präzise und spielfreie Gleit- und Linearlager für Assistenzroboter in der Chirurgie

Für absolut spielfreie Lagerungen in Chirurgie wurden in Roboter u.a. drylin-Gleitschienen verbaut

Dieses System assistiert Ärzten bei der minimalinvasiven Cochleaimplantat-Chirurgie zur Behandlung von Innenohrtaubheit und hochgradiger Schwerhörigkeit. Die Technik erfordert eine Stichkanalbohrung die bis zu 35 mm unterhalb der Schädeldecke liegen kann und in unmittelbarer Nähe von schützenswerten anatomischen Strukturen verläuft. Deshalb muss das System zum einen sehr präzise arbeiten und zum anderen medizinisch-hygienischen Anforderungen wie Dampfsterilisation genügen. Die chirurgische Instrumentenführung umfasst heute unter anderem eine drylin N-Gleitschiene mit zwei Schlitten. Zudem kommen mehrere iglidur X-Gleitlager zum Einsatz, die sich durch ihre Schmiermittelfreiheit hervorragend für den Einsatz in medizinischen Anwendungen eignen.

Steckbrief

  • Was wurde benötigt: drylin N-Führungsschiene- und Schlitten, iglidur Kunststoff-Gleitlager
  • Anforderungen: Es brauchte hochpräzise, absolut spielfreie Lagerungen, die sich unter den hohen klinischen Vorgaben problemlos reinigen lassen müssen. Daneben durften keinerlei Schmiermittel in den Lagern zum Einsatz kommen.
  • Branche: Medizintechnik
  • Erfolg für den Kunden: Dank der verwendeten Kunststoff-Gleitlager konnte erstmals eine knochenverankerte chirurgische Instrumentenführung entwickelt, aufgebaut und evaluiert werden, die sich sowohl durch universelle Anwendbarkeit und Wiederverwendbarkeit als auch durch patientenindividuelle Anpassbarkeit auszeichnet.

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Roboter in Chirurgie Die absolut spielfreie Werkzeugführung wurde mit einer drylin N-Linearführung (oben und rechts) gewährleistet. Als Rotationsgelenk (unten links) setzt man heute auf iglidur X-Gleitlager.

Problem

Die minimalinvasive Cochleaimplantat-Chirurgie ist eine neuartige, schonende Operationstechnik zur Behandlung von Innenohrtaubheit und hochgradiger Schwerhörigkeit. Diese Technik erfordert die Anlage eines Zugangs zum Innenohr von der Schädeloberfläche zur basalen Windung der Cochlea, die bis zu 35 mm unterhalb der Schädeldecke liegen kann. Da die Abweichungen vom Zielpunkt in einer Tiefe von 35 mm nicht größer als 0,5 mm sein dürfen, wird ein Assistenzsystem benötigt, das intraoperativ eine hochgenaue, translatorische Instrumentenführung ermöglicht. Daher wurde ein miniaturisierter, passiver parallelkinematischer Roboter entwickelt, der mit drei Basisgelenken unmittelbar rigide am Schädel des Patienten verankert werden kann. In dieser Funktion stellt der Parallelroboter eine Linearführung zur Anlage des minimalinvasiven Zugangs bereit, die mit chirurgischem Instrumentarium bestückt und mittels sechs längenverstellbarer Schubaktoren patientenindividuell justiert werden kann.
Neben den technischen Anforderungen sind für die Umsetzung der Linearführung auch Randbedingungen im Hinblick auf einen klinischen Einsatz zu beachten. Aufgrund der hohen Genauigkeitsanforderungen der Chirurgie müssen sämtliche Lager und Gelenke des Roboters möglichst rigide und absolut spielfrei sein. Gleiches gilt für die Linearführung zur Aufnahme eines chirurgischen Bohrwerkzeugs. Die klinische Anwendung außerdem die Reinigung, Desinfektion und Dampfsterilisation (134°C, 3 bar, 5 Minuten) sämtlicher Komponenten.
Weiterhin ist eine konventionelle Schmierung der Führung nicht möglich. Vergleichbare Anforderungen gelten auch für die Rotationsgelenke, mit denen jeweils zwei längenverstellbare Schubaktoren miteinander verbunden sind: Sowohl Axial- als auch Radialspiel muss vollständig unterbunden werden, wobei keine Lager mit Wälzkörpern eingesetzt werden dürfen.

Lösung

Zur Realisierung des knochenfixierten Parallelroboters wurden aufgrund der beschriebenen Anforderungen diverse Kunststoffgleitlager verwendet. Die chirurgische Instrumentenführung umfasst beispielsweise eine drylin N-Gleitschiene mit zwei Schlitten. Letztere sind zur Minimierung von Spiel, welches bei Gleitführungen prinzipbedingt nicht vollständig vermieden werden kann, mittels eines Bauteils aus Edelstahl (Verblockung) rigide miteinander verbunden. Diese Werkzeugführung erfüllt vollständig die genannten Anforderungen (insbesondere: Verzicht auf Wälzkörper, kein Bedarf an Schmiermitteln) und kann aufgrund der offenen Gestaltung der Schiene problemlos zerlegt, gereinigt und wieder zusammengesetzt werden. Darüber hinaus bietet die Austauschbarkeit der Schlitten vielfältige Möglichkeiten zur Durchführung intraoperativer Werkzeugwechsel. Jeweils zwei Schubaktoren des Parallelroboters wurden mittels eines Rotationsgelenks verbunden. Die Achse dieses Rotationsgelenks bildet eine Passschraube, wobei das Radialspiel von zwei dampfsterilisierbaren iglidur X-Gleitbuchsen aufgenommen wird. Durch Anziehen der Passschraube kann das Gelenk darüber hinaus axial vorgespannt werden. Dank der verwendeten Kunststoff-Gleitlager konnte erstmals eine knochenverankerte chirurgische Instrumentenführung entwickelt, aufgebaut und evaluiert werden, die sich sowohl durch universelle Anwendbarkeit und Wiederverwendbarkeit als auch durch patientenindividuelle Anpassbarkeit auszeichnet. Die Erfüllung der Genauigkeitsanforderungen ist erfolgreich experimentell nachgewiesen worden.


Roboter in Chirurgie Verbindung zweier Schubaktoren mittels eines Rotationsgelenks, das weder Radial- noch Axialspiel aufweist.
Roboter in Chirurgie Explosionsansicht der Komponenten der spielfreien Gleitführung.

Leibniz Universität Hannover, Institut für Mechatronische Systeme, Jan-Philipp Kobler, Hannover, Germany

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