Untersuchung von Verfahren und Materialien für individuell modellierbare Mini-Stereotaxierahmen

• Antragsteller: Dr. Thomas Stephan Rau; Dr. Rolf Benedikt Salcher
• Fachliche Zuordnung: Hals-Nasen-Ohrenheilkunde, Phoniatrie und Audiologie ; Mechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 433571394

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die kontinuierlichen Fortschritte in der Chirurgie mit immer kleineren Zugangswegen und stetig steigenden Genauigkeitsanforderungen machen die Unterstützung durch Assistenzsysteme unverzichtbar. OP-Roboter sind jedoch meist groß und teuer oder wie z.B. Navigationssysteme nicht ausreichend genau. Ein Teil der Eingriffe erfordert zudem nur eine einfache Positionieraufgabe, wofür sich Mini-Stereotaxiesysteme anbieten, die direkt im OP erstellt und als Instrumentenführung verwendet werden können. Das erfordert einen vollständig sterilen Prozess, der sich durch intuitive und leicht erlernbare Handgriffe auszeichnet. Im Projekt wurden daher grundlegende Forschungsfragen für die individuelle Herstellung einer Instrumentenführung untersucht, mit besonderem Schwerpunkt auf Genauigkeit und klinischer Handhabung. Weiteres Ziel war es, die Grenzen der "Komplexitätsreduzierung" bei chirurgischen Assistenzsystemen auszuloten – bei gleichzeitiger Berücksichtigung höchster Genauigkeitsansprüche. Neben Knochenzement konnten chirurgische Gewebekleber als zuverlässige Möglichkeit für die Fertigung individueller Bohrführungen aus Kunststoff-Halbzeugen identifiziert und experimentell bestätigt werden. Dadurch entfällt im Gegensatz zum Knochenzement die ca. 15-minütige Aushärtezeit. Weiterhin konnte durch eine optimierte Materialauswahl und Geometrie für die Halbzeuge die Positioniergenauigkeit von anfänglich 0,41 mm ± 0,27 mm signifikant auf 0,08 mm ± 0,05 mm (max: 0,20 mm, n = 18) gesteigert werden. Damit wurde experimentell gezeigt, dass individuell modellierbare Instrumentenführungen eine hochgenaue aber kostengünstige Alternative zu Navigations- und Robotersystemen darstellen. Ein weiteres wichtiges Projektergebnis ist die Entwicklung eines „digitalisierten“ Hexapods als Fertigungshilfe während der Erstellung der Instrumentenführung. Die Einstellung der Beinlänge erfolgt dabei weiterhin manuell, die aktuelle Länge wird jedoch durch eine integrierte Sensorik erfasst und digital angezeigt. Damit konnte eine deutliche Steigerung der Einstellgenauigkeit von (0,08 ± 0,20) mm auf (0,01 ± 0,01) mm erzielt und der größte Einzelfehler von 0,80 mm auf 0,02 mm reduziert werden (n = 30). Ein solches, digitalisiertes Fertigungssystem dürfte daher unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten eine interessante Alternative zu teuren Robotersystemen darstellen ohne Abstriche bei der Patientensicherheit eingehen zu müssen. Das imoStar-System wurde im Projektverlauf exemplarisch an diverse chirurgische Eingriffe angepasst und an Schädelphantomen und Humanpräparaten experimentell erprobt: für minimal-invasive Zugänge zum a) Innenohr, b) Mittelohr, c) Felsenbeinspitze, d) inneren Gehörgang sowie für neurochirurgische Zielstrukturen. Außerdem wurde prototypisch eine Kombination mit einem hydraulischen Insertionstool für die automatisierte CI-Elektroden-Insertion aufgebaut, wodurch die Vielseitigkeit und Adaptivität des Grundprinzips demonstriert werden konnte.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Anpassung eines modellierbaren Mini-Stereotaxiesystems an die Anforderungen neurochirurgischer Eingriffe. In Proc. 20th Annual Meeting of the German Society for Computer and Robot Assisted Surgery (CURAC) 2021, September 16-18, Düsseldorf, Germany
  Kilian J., Heuer J., Spindeldreier S., Lenarz T. & Rau T.S.
  
• Comparison in accuracy of using bone cement or superglue for fixation of components of a microstereotactic frame. Laryngo-Rhino-Otologie. Georg Thieme Verlag KG.
  Kilian, J.; Freiknecht, M.; Lenarz, T. & Rau, TS
  
• Concept description and accuracy evaluation of a moldable surgical targeting system. Journal of Medical Imaging, 8(01).
  Rau, Thomas S.; Witte, Sina; Uhlenbusch, Lea; Kahrs, Lüder A.; Lenarz, Thomas & Majdani, Omid
  
• Reducing the manual length setting error of a passive Gough-Stewart platform for surgical template fabrication using a digital measurement system. Current Directions in Biomedical Engineering, 7(2), 89-92.
  Kilian, Julia; Blum, Tobias; Laves, Max-Heinrich; Ortmaier, Tobias; Lenarz, Thomas & Rau, Thomas S.
  
• A minimally invasive, micro-stereotactic strategy for implantation of active middle ear implants. Laryngo-Rhino-Otologie, 101(S 02), S243-S244.
  Kilian, Julia; Engel, Thorben; Zuniga, M.Geraldine; Salcher, Rolf; Maier, Hannes; Artukarslan, Eralp; Lenarz, Thomas & Rau, ThomasS.
  
• Toward image-guided positioning of an automated insertion tool for cochlear implant electrodes. In Proc. 56th Annual Conference of the German Society for Biomedical Engineering (DGBMT within VDE), September 28-30, Innsbruck, Austria
  Rau T.S., Tzschoppe E., Cramer J., Kilian J., Lenarz T. & Zuniga M.G.
  
• A tailor-made micro-stereotactic system. In Proc. 30th Annual Meeting of the Society of Skull Base Surgery, October 11-14, Hannover, Germany
  Rau T.S. & Artukarslan E.N.
  
• Drilling accuracy evaluation of a mouldable surgical targeting system for minimally invasive access to anatomic targets in the temporal bone. European Archives of Oto-Rhino-Laryngology, 280(10), 4371-4379.
  Geiger, Lena; Zuniga, M. Geraldine; Lenarz, Thomas; Majdani, Omid & Rau, Thomas S.
  
• The planning and implementation of trajectories as approaches to the temporal bone via a mini stereo taxi system.. Laryngo-Rhino-Otologie, 102(S 02), S291-S291.
  Artukarslan, Eralp-Niyazi; Rau, Thomas; Lenarz, Thomas & Salcher, Rolf