Automatischer Entwurf eines skalierbaren, additiv herstellbaren Robotersystems für mikroinvasive viszeralmedizinische Eingriffe

• Antragsteller: Professor Dr. Tim C. Lüth; Professor Dr. Alexander Meining
• Fachliche Zuordnung: Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 136437427

Dieses Teilprojekt (TP) behandelt die automatisierte Konstruktion eines additiv gefertigten Manipulators (SPOT, Single-Port Overtube System) für minimalinvasive Eingriffe in der Gastroenterologie und Viszeralchirurgie. Das SPOT wurde im erfolgreich abgeschlossenen Vorgängerprojekt DFG FOR 1321 entwickelt und in einer Studie mehrfach am lebenden Schwein getestet. Das SPOT ist konzipiert als Ummantelung für Standardendoskope, mit dem zwei flexible Standardinstrumente im Körperinneren unabhängig voneinander bewegt und aus zwei Richtungen auf ein Objekt ausgerichtet werden können.Ziel dieses Projekts ist es, ein SPOT mittels automatisierter, aufgabenspezifischer Konstruktion an einen geplanten Eingriff, die Anatomie des Patienten sowie zur Verfügung stehende Instrumente anzupassen und bei Bedarf Sensoren für die Bildverarbeitung (TP 5) oder zur Anbindung an ein medizinisches Navigationssystem (TP 2) vorzusehen. Dazu sollen ein wissensbasiertes System zur Planung der Eingriffe, eine Datenbank benötigter Instrumente und eine Toolbox zur automatischen Konstruktion aufgebaut werden. Mit dem wissensbasierten System (gemeinsam mit TP 4) sollen Eingriffe anhand von Bilddaten, Diagnose und Krankheitsgeschichte des Patienten geplant werden. Daraus werden in diesem TP technische Spezifikationen für die Konstruktion des SPOT abgeleitet (max. Durchmesser, Flexibilität, Arbeitsraum etc.). Dazu wird eine Instrumentendatenbank aufgebaut, in der die für die Konstruktion relevanten Abmessungen und Eigenschaften abgelegt sind. Für verschiedene Eingriffe, Anatomien und Instrumente soll wissenschaftlich untersucht werden, wie sich die Anforderungen an ein SPOT zuverlässig automatisch ableiten lassen und bis zu welcher Skalierung sich ein SPOT mit dem additiven Fertigungsverfahren SLS (Selektives Lasersintern) so herstellen lässt, dass es die geforderte Funktionalität zur Durchführung einer minimalinvasiven Intervention zur Verfügung stellt. Für die automatische Konstruktion eines SPOTs in diesem TP wird die Konstruktion zunächst in statische und funktionale Elemente zerlegt und systematisch in Bezug auf die Grenzen ihrer Herstellbarkeit mittels SLS des biokompatiblen Polyamids PA 2200 und die damit realisierbaren Eigenschaften untersucht. Die Konstruktionselemente sollen als Baukasten mit Konstruktionsalgorithmen implementiert und dazu verwendet werden, die SPOT-Konstruktion parametriert neu aufzubauen. Als Grundlage dazu dienen in eigenen Vorarbeiten bereits entwickelte Konstruktionsalgrrithmen, die in Matlab implementiert wurden (VLFL-Lib, Umfang ca. 900 Funktionen). So können die Konstruktionselemente nach Vorgabe gewünschter Eigenschaften gezielt angepasst und fertigungsgerecht konstruiert werden. Am Ende soll es auf diese Weise möglich sein, ein SPOT zu skalieren, dessen Eigenschaften zu ändern und es automatisiert für die Fertigung per SLS aus biokompatiblem PA 2200 zu konstruieren.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 1321: Single-Port-Technologie für gastroenterologische und viszeralchirurgische endoskopische Interventionen