Robotik in der Medizin 1 Roboter in der Medizin Von Nils Daniel Forkert [email protected] Proseminar: Anwendungen und Methoden in der

Robotik in der MedizinRobotik in der Medizin 11

Roboter in der MedizinRoboter in der MedizinVon Nils Daniel ForkertVon Nils Daniel Forkert

[email protected]@informatik.uni-hamburg.de

Proseminar: Anwendungen und Methoden in der modernen Robotik

Proseminarleiter: Prof. Dr. Jianwei Zhang

22Robotik in der MedizinRobotik in der Medizin

GliederungGliederung

Einleitung & Geschichte der medizinischen Einleitung & Geschichte der medizinischen RobotikRobotik

Technische AspekteTechnische Aspekte Das Da Vinci SystemDas Da Vinci System EinsatzmöglichkeitenEinsatzmöglichkeiten FazitFazit


Einleitung & GeschichteEinleitung & Geschichte

Ziel des Einsatzes computer- und Ziel des Einsatzes computer- und Roboterassistierter OP-Verfahren ist die Roboterassistierter OP-Verfahren ist die Verbesserung des operativen Eingriffs Verbesserung des operativen Eingriffs durch genauere Planung, erhöhte durch genauere Planung, erhöhte Präzision, Reproduzierbarkeit und Präzision, Reproduzierbarkeit und DokumentationDokumentation

Bild- und Datenverarbeitung in der Medizin Bild- und Datenverarbeitung in der Medizin nutzbar machennutzbar machen



Zu der rasanten Etablierung von Zu der rasanten Etablierung von computergestützten Operationsverfahren computergestützten Operationsverfahren haben in den letzten Jahren mehrere haben in den letzten Jahren mehrere Faktoren beigetragen.Faktoren beigetragen. Bildgebende Verfahren Bildgebende Verfahren immer leistungsfähigerer Speicher und immer leistungsfähigerer Speicher und

Prozessoren Prozessoren ⇒⇒ Operationsbedingungen in Operationsbedingungen in Echtzeit zu realisieren Echtzeit zu realisieren

gestiegene Vertrauen gegenüber der Robotik gestiegene Vertrauen gegenüber der Robotik


Quelle: Statistisches Bundesamt, Gesundheitsberichterstattung



Erstmalig wurde ein OP-Roboter im Jahre Erstmalig wurde ein OP-Roboter im Jahre 1991 im Rahmen einer transurethralen 1991 im Rahmen einer transurethralen Prostataresektion eingesetzt.Prostataresektion eingesetzt.

1994 wurde der US-amerikanische 1994 wurde der US-amerikanische Roboter Robodoc (© Integrated Surgical Roboter Robodoc (© Integrated Surgical Systems) erstmals bei einer größeren Systems) erstmals bei einer größeren Anzahl von Patienten zur passgenauen Anzahl von Patienten zur passgenauen Fräsung der Hüftschachtes eingesetzt Fräsung der Hüftschachtes eingesetzt



Seit 1997 ist ein deutscher Roboter CASPAR ® Seit 1997 ist ein deutscher Roboter CASPAR ® (orto Marquet GmbH & Co KG) im Einsatz, der (orto Marquet GmbH & Co KG) im Einsatz, der genau wie der Robodoc im Bereich der genau wie der Robodoc im Bereich der Hüftoperationen arbeitetHüftoperationen arbeitet

Seit 1999 können mit diesem System nicht nur Seit 1999 können mit diesem System nicht nur Hüftendoprothesen erfolgreich implantiert Hüftendoprothesen erfolgreich implantiert werden, sondern auch das vordere Kreuzband werden, sondern auch das vordere Kreuzband ersetzt, sowie seit 2000 eine Knieendoprothese ersetzt, sowie seit 2000 eine Knieendoprothese implantiert werdenimplantiert werden..


in der Neurochirurgie wurden bildgeführte in der Neurochirurgie wurden bildgeführte Systeme schon früh eingesetzt, diese Systeme schon früh eingesetzt, diese ermöglichen vor allem eine bessere ermöglichen vor allem eine bessere Navigation im Gehirn Navigation im Gehirn

auch bei der Gewebeentnahme oder auch bei der Gewebeentnahme oder Tumorchirurgie spielen diese Systeme Tumorchirurgie spielen diese Systeme eine große Rolleeine große Rolle

z.B. Neuromate ®, Innovative Medical z.B. Neuromate ®, Innovative Medical Machines; MKM®, CarlZeiss Machines; MKM®, CarlZeiss




2001 ist in den USA ist erstmals der ZEUS 2001 ist in den USA ist erstmals der ZEUS Roboter (® Computer Motion) für eine Roboter (® Computer Motion) für eine Bypass-Operation am schlagenden Bypass-Operation am schlagenden Herzen eingesetzt wordenHerzen eingesetzt worden

Mit dem Zeus-System ist es einem Mit dem Zeus-System ist es einem außerdem einem Chirurgen gelungen von außerdem einem Chirurgen gelungen von New York aus, einer Patientin in Straßburg New York aus, einer Patientin in Straßburg erfolgreich die Gallenblase zu entfernen.erfolgreich die Gallenblase zu entfernen.


Unter anderem auf Grund dieses Erfolges hat Unter anderem auf Grund dieses Erfolges hat die Nasa im Jahre 2004 beschlossen dieses die Nasa im Jahre 2004 beschlossen dieses System in ihrem Projekt NEEMO 7 zu System in ihrem Projekt NEEMO 7 zu integrierenintegrieren

Das NASA-Projekt NEEMO 7 (NASA Extreme Das NASA-Projekt NEEMO 7 (NASA Extreme Environment Mission Operations) dient unter Environment Mission Operations) dient unter anderem zur Überprüfung von Funkgesteuerten anderem zur Überprüfung von Funkgesteuerten medizinischen Robotersystemen in medizinischen Robotersystemen in Raumschiffen auf erdnahen Bahnen. Raumschiffen auf erdnahen Bahnen.



Technische AspekteTechnische Aspekte

drei Teilgebiete:drei Teilgebiete: aktive und semiaktive Navigatoren, aktive und semiaktive Navigatoren, passive Navigatorenpassive Navigatoren telechirurgische Arbeitsstationen telechirurgische Arbeitsstationen

Alle Systeme arbeiten mit Software, zur Alle Systeme arbeiten mit Software, zur 3D-Modellerstellung, zur präopertaiven 3D-Modellerstellung, zur präopertaiven Planung, zur intraoperativen Bildgebung, Planung, zur intraoperativen Bildgebung, sowie zur Registrierungsowie zur Registrierung


aktive Navigatorenaktive Navigatoren

aktiven Navigatoren können mit ihren aktiven Navigatoren können mit ihren Instrumenten selbstständig Operatios-Instrumenten selbstständig Operatios-schritte am Patienten durchführenschritte am Patienten durchführen

Hauptanwendungsbereich: Hüft- und Hauptanwendungsbereich: Hüft- und Knieendoprothetik, bei Revisions-Knieendoprothetik, bei Revisions-operationen des Hüftgelenkes und Ersatz operationen des Hüftgelenkes und Ersatz des vorderen Kreuzbandes.des vorderen Kreuzbandes.


Semiaktive Navigatoren Semiaktive Navigatoren

Können nicht selbstständig Können nicht selbstständig Operationsschritte durchführen Operationsschritte durchführen

Ihre Aufgabe ist Führungshülsen zu Ihre Aufgabe ist Führungshülsen zu halten, deren Position anhand CT- oder halten, deren Position anhand CT- oder MRT-Bildern vorgegeben wurde MRT-Bildern vorgegeben wurde


Technologie Aktive und Semiaktive Technologie Aktive und Semiaktive NavigatorenNavigatoren

Aktive und Semiaktive Navigatoren weisen eine Aktive und Semiaktive Navigatoren weisen eine gewisse Ähnlichkeit zu Industrierobotern aufgewisse Ähnlichkeit zu Industrierobotern auf

Man kann diese Navigatoren weiter in Man kann diese Navigatoren weiter in Schwenkarm- (SCARA-Roboter) und Schwenkarm- (SCARA-Roboter) und Knickarmroboter (PUMA-Roboter) unterteilen. Knickarmroboter (PUMA-Roboter) unterteilen.

Sicherheit: Geschwindigkeitsbegrenzung, Kraft- Sicherheit: Geschwindigkeitsbegrenzung, Kraft- und Arbeitsraum-Überwachung, und Arbeitsraum-Überwachung, Knochenbewegungsüberwachung sowie Knochenbewegungsüberwachung sowie Fräsmotorenüberwachung Fräsmotorenüberwachung

1515Robotik in der MedizinRobotik in der MedizinQuelle: http://www.utc.fr/~farges/dess_tbh/99-00/Projets/robots/Image7.jpg


passive Navigatoren passive Navigatoren

Passive Navigatoren dienen der Passive Navigatoren dienen der Orientierung am Patienten sowie einer Orientierung am Patienten sowie einer präzisen präoperativen Planungpräzisen präoperativen Planung

Die Hauptanwendungsbereiche: Die Hauptanwendungsbereiche: Wirbelsäulenchirurgie, Knie- und Wirbelsäulenchirurgie, Knie- und Hüftendoprothetik, der Neurochirurgie, Hüftendoprothetik, der Neurochirurgie, HNO-Anwendungen, Kieferchirurgie und HNO-Anwendungen, Kieferchirurgie und Tumor-Resektionen.Tumor-Resektionen.


drei unterschiedlichen Systemansätzen: drei unterschiedlichen Systemansätzen: CT-Navigation, Kinematik-Navigation und CT-Navigation, Kinematik-Navigation und C-Bogen-NavigationC-Bogen-Navigation

Position von den Endeffektoren wird relativ Position von den Endeffektoren wird relativ zu den Knochen dargestelltzu den Knochen dargestellt

z.B. Orthopilot, OTS, Robodentz.B. Orthopilot, OTS, Robodent

passive Navigatoren passive Navigatoren


Quelle: http://www.orthopilot.de/


telechirurgische Arbeitsstationentelechirurgische Arbeitsstationen

Die Anwendung von endoskopischen Die Anwendung von endoskopischen Instrumenten können Bewegungen auf Instrumenten können Bewegungen auf beengtem Raum ausgeführt werdenbeengtem Raum ausgeführt werden

Der Chirurg hat kein unmittelbaren Der Chirurg hat kein unmittelbaren Einfluss auf das OperationsfeldEinfluss auf das Operationsfeld

Räumliche Trennung führt zu Räumliche Trennung führt zu Wissenstransfer Wissenstransfer


telechirurgische Arbeitsstationentelechirurgische Arbeitsstationen

Bewegungsrichtung der Instrumente auf Bewegungsrichtung der Instrumente auf dem Monitor entspricht dem Monitor entspricht Bewegungsrichtung der ManipulatorenBewegungsrichtung der Manipulatoren

Dämpfung von unerwünschten Dämpfung von unerwünschten Bewegungen „no-go-areas“Bewegungen „no-go-areas“

Unterteilung in Optische-, Magnetische-, Unterteilung in Optische-, Magnetische-, Mechanische- und Ultraschall-LocalizerMechanische- und Ultraschall-Localizer

z.B. Zeuss, Da Vinci, Aesop, Artemis z.B. Zeuss, Da Vinci, Aesop, Artemis


Quelle: http://www.utc.fr/~farges/dess_tbh/99-00/Projets/robots/Image8.jpg


Das Da Vinci SystemDas Da Vinci System

Entwickelt von Intuitive Surgical Inc.Entwickelt von Intuitive Surgical Inc. Seit 1998 im EinsatzSeit 1998 im Einsatz Seit 15. März 2004 am UKE im EinsatzSeit 15. März 2004 am UKE im Einsatz Das 1,4 Mio Euro teure Gerät wurde aus Das 1,4 Mio Euro teure Gerät wurde aus

Landesmitteln der Freien uns Hansestadt Landesmitteln der Freien uns Hansestadt Hamburg und des Bundes finanziertHamburg und des Bundes finanziert

Es ist die einzige Anlage ihrer Art in Es ist die einzige Anlage ihrer Art in NorddeutschlandNorddeutschland



Feinste mikrochirurgische Techniken Feinste mikrochirurgische Techniken lassen sich endoskopisch vornehmenlassen sich endoskopisch vornehmen

Das System besteht aus zwei Das System besteht aus zwei Komponenten:Komponenten: SteuerkonsoleSteuerkonsole RoboterarmeRoboterarme

Der Chirurg sitzt ca. 3 Meter vom Der Chirurg sitzt ca. 3 Meter vom Operationstisch entferntOperationstisch entfernt



Ein Computer überträgt die Bewegungen Ein Computer überträgt die Bewegungen an die Roboterarmean die Roboterarme

Eine Kamera liefert ein 3D-Bild in bis zu Eine Kamera liefert ein 3D-Bild in bis zu 10 facher Vergrößerung an die 10 facher Vergrößerung an die SteuerkonsoleSteuerkonsole

Die Hände des Chirurgen ruhen unterhalb Die Hände des Chirurgen ruhen unterhalb des Monitorsdes Monitors

Die Übersetzung ist zitterfrei und Die Übersetzung ist zitterfrei und skalierbarskalierbar



Der Chirurg wird nicht überflüssigDer Chirurg wird nicht überflüssig Größere PräzisionGrößere Präzision Elektromotoren sprechen mit einer Elektromotoren sprechen mit einer

Verzögerung im Millisekundenbereich anVerzögerung im Millisekundenbereich an Subjektiv: Gefühl der EchtzeitSubjektiv: Gefühl der Echtzeit






EinsatzmöglichkeitenEinsatzmöglichkeiten

Entfernte und abgelegene OrteEntfernte und abgelegene Orte Operationen bei denen Spezialisten Operationen bei denen Spezialisten

benötigt werdenbenötigt werden RaumfahrtRaumfahrt MilitärMilitär


FazitFazit

Sehr großes Angebot an Sehr großes Angebot an Navigationssystemen und RoboternNavigationssystemen und Robotern Firmen werden durch andere akquiriertFirmen werden durch andere akquiriert

Eine klare Trennung zwischen Roboter, Eine klare Trennung zwischen Roboter, Navigationssysteme und telechirurgische Navigationssysteme und telechirurgische Arbeitsstationen ist problematischArbeitsstationen ist problematisch

Die Anschaffung bedeutet einen hohen Die Anschaffung bedeutet einen hohen InvestitionsaufwandInvestitionsaufwand


FazitFazit

Neben den bereits erwähnten Teilgebieten der Neben den bereits erwähnten Teilgebieten der Medizin (Knochen-, Neuro, Herzchrurgie) wird Medizin (Knochen-, Neuro, Herzchrurgie) wird die Telechirurgie auch in der Gynäkologie, die Telechirurgie auch in der Gynäkologie, Augenchirurgie, und Gefäßchirurgie zukünftig Augenchirurgie, und Gefäßchirurgie zukünftig gut einsetzbar seingut einsetzbar sein

Ein Einsatz dieser Systeme wird bald in fast Ein Einsatz dieser Systeme wird bald in fast alles chirurgischen Teilgebieten möglich und alles chirurgischen Teilgebieten möglich und auch sinnvoll seinauch sinnvoll sein

Durch zusätzliche Gelenke im Roboter ist eine Durch zusätzliche Gelenke im Roboter ist eine variablere und beweglichere Führung des variablere und beweglichere Führung des Operationsbesteckes möglich.Operationsbesteckes möglich.


FazitFazit

größere Präzision, sowie gute größere Präzision, sowie gute DokumentationsmöglichkeitenDokumentationsmöglichkeiten

Möglichkeit des WissensaustauschMöglichkeit des Wissensaustausch Das gesamte OP-Personal muss geschult Das gesamte OP-Personal muss geschult

werdenwerden

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