Berechenbarer Entwurf hochgenauer, navigierter chirurgischer Instrumente

In Kooperation mit dem Universitätsklinikum Leipzig wird seit Anfang 2008 untersucht, in welcher Form gezielt chirurgische Instrumente entworfen werden können, die eine hochgenaue Instrumentennavigation (Computer-Assisted-Surgery) möglich machen. Lange Zeit wurden Instrumente in erster Linie für ihre manuelle Funktion und einen optimalen Arbeitsraum der Instrumentenspitze entworfen. Mit der immer intensiveren Nutzung der Instrumentennavigation stellte man fest, dass die Anforderungen der Navigation an die Instrumente andere sind. Im Rahmen dieses Projekts wird systematisch nach den Kriterien wie optimale Positionsgenauigkeit, optimale Winkelgenauigkeit, minimaler Griff-Volumen unter statischen und dynamischen Bedingungen gesucht. 

Chirurgische Instrumente für den intraoperativen Einsatz

Chirurgische Instrumente werden seit Jahrhunderten dazu verwendet um chirurgische Eingriffen unter sterilen Bedingungen durchzuführen. Bei endoskopischen Eingriffen werden die Instrumente und das Endoskop ("Sichtrohr") in den Körper eingeführt.

Konventioneller Instrumenten-Entwurf

Der Entwurf neuer Instrumente wird typischerweise von einzelnen erfahrenen und innovativen Chirurgen geleistet. Oft tragen die Instrumente die Namen der Chirurgen, die das Instrument eingeführt haben. Die Instrumente sind auf die Sichtweise und die manuelle Führung sowie die chirurgische Funktion abgestimmt. Mehr und mehr spielen aktive Instrumente (Fräser, Shaver, HF-Messer, US-Dissektor, usw. eine Rolle)

Navigierte Instrumente

Zusammen mit der minimalinvasiven Chirurgie entstand die Instrumentennavigation, mit der es möglich ist, die Position und Orientierung der Instrumente am Bildschirm in den Bilddaten (CT/MRT) zu verfolgen. Diese Instrumente wurden als reine Zeigerinstrumente ohne medizinische Funktion entworfen. Teilweise wurde die Messtechnik vollständig in das Instrumentendesign integriert.

Videobild des Endoskops und Navigationsbild der Instrumente

Der Bildschirm der Instrumentennavigation zeigt dem Chirurgen mit einem Fadenkreuz, an welcher Stelle sich das Instrument im Körper befindet. Die genaue Form und Ausrichtung kann nur angezeigt werden, wenn die Messtechnik das Instrument identifizieren kann und ein grafisches 3D-Modell des Instruments abgespeichert wurde.

Navigation aller Instrumente

Im Laufe des Zeit ist der Wunsch entstanden, möglichst alle Instrumente mit der Navigation einsetzen zu können. Dies erfordert eine Trennung von Messinstrument und chirurgischen Instrument (Erstmals 2001). Darüber hinaus muss das Messinstrument (Tracker) über einen definierten Flansch reproduzierbar befestigt werden.

Darstellung aller Instrumente

Die Darstellung der Instrumentenausrichtung ist vor allem bei gebogenen Instrumenten von großer Bedeutung wie einem Sauger für die Stirnhöhle.

Optimierungskriterien

Navigierte Instrumente kann man aufgrund der optischen Fehler der Messinstrumente hinsichtlich Positionsfehler, Orientierungsfehler, Größe der Tracker, Trackervolumen etc. optimieren. Die Optimierungskriterien schließen sich gegenseitig aus, erlauben es jedoch je nach Instrumenteneinsatz und -bewegung und -ort einige Kriterien zu optimieren.

Messplatten und Kalibrationskontrolle

Von besonderer Bedeutung ist ein Mess- und Kalibrationskörper, der eine Größenordnung genauer gefertigt ist, als das verwendete optische Messverfahren. Alle mathematischen Verfahren zur Registrierung, Kalibrierung sowie die Fortpflanzung der Fehlerkette kann an einem derartigen Körper evaluiert werden.