Intelligente Impedanzkontrollierte Instrumentierung zur schonenden Osteotomie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Steffen Leonhardt; Professor Dr.-Ing. Klaus Radermacher
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 241205630

Die Osteotomie, das Durchtrennen von knöchernen Strukturen, ist eine Standardprozedur in vielen chirurgischen Disziplinen. Hierbei ist eine effiziente Knochenmaterialabtragung bei gleichzeitig sicherem Schutz unmittelbar angrenzender sensitiver Weichgewebestrukturen essentiell. Dies ist insbesondere bei der Kraniotomie (Eröffnung des Schädels, ca. 66.000, Deutschland/2008) und bei der Resternotomie (Wiedereröffnung des Brustkorbs über das Brustbein, ca. 13.500, Deutschland/2008) von hoher Bedeutung. In beiden Fällen wird ein bikortikaler Knochen durchtrennt, unter denen empfindliche und sogar vitalkritische Strukturen (z.B. zentrales Nervensystem, Herz, Blutgefäße) liegen. Bei der Kraniotomie kommt es in rund 30% zu einer Verletzung der Dura mater, dies führt zu einer Verlängerung der Operationszeit und einem schlechteren Operationsergebnis für den Patienten. Bei der Resternotomie steigt durch eine Beschädigung der retrosternalen Strukturen auf Grund von Verwachsungen die Mortalitätsrate mit jedem vorgenommenem Eingriff.Eine Vielzahl bekannter aktiver Instrumente und robotischer Systeme soll den Chirurgen bei der Osteotomie mittels einer semi- oder vollautomatischen Knochenbearbeitung auf Basis von prä- oder intraoperativ erfassten Bilddaten (u.a. CT, Ultraschall) unterstützen. Ein Nachteil dieses Vorgehens liegt in den zusätzlich notwendigen Prozessschritte und der komplexen Integration in den medizinischen Standardworkflow. Bei einem handgeführten Instrument, mit ein oder zwei Freiheitsgraden, die automatisch durch im Prozess erfasste Daten, geregelten werden, besteht dieser Nachteil nicht. Dies konnte von einem der Antragsteller bereits mit einem optischen Messverfahren gezeigt werden. Messprinzip und Regelungsstrategie haben jedoch eine hohe Störanfälligkeit. In gemeinsamen Vorarbeiten konnte jedoch auch das prinzipielle Potential der Bioimpedanzspektroskopie (BIS) für die automatische Regelung eines chirurgischen Robotersystems zur Zemententfernung in der Hüft-Revisions-Endoprothetik gezeigt werden.Im beantragten Forschungsprojekt soll dieses Potential für ein handgeführtes, sensorintegriertes, intelligentes Instrument für die Resternotomie und Kraniotomie untersucht werden. Hierzu soll die optimale Integration der BIS in ein semiautomatisches chirurgisches Sägesystem erforscht und anschließend In-vitro verifiziert werden. Besondere Herausforderungen ergeben sich durch die online-BIS-Messung sowie die aktive fehlertolerante Regelung des Instruments unter Einbindung des Chirurgen. Hierbei wird die technische Präzision (wissensbasierte, sensorgesteuerte Prozesskontrolle) des intelligenten Instruments mit den hohen kognitiven Fähigkeiten des Chirurgen zur Kontrolle des Gesamtprozesses kombiniert. Ergänzend zu der komplexen Messwerterfassung sollen Ansätze zur aktiven fehlertoleranten Regelung unter Einbeziehung der synergistischen Mensch-Maschine-Interaktion implementiert sowie in einem Demonstratorsystem integriert und evaluiert werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen