Miniatur-Hexapod

Die Firma Mazor Surgical Technologies, Erfinder des SpineAssist-Systems und Begründer der chirurgischen Methode auf der es basiert, wurde 2001 als Ausgliederung der Abteilung für Mechanik des Instituts für Technologie, Israel, gegründet. Niederlassungen der Firma befinden sich in Caesarea, Israel, sowie in Norcross, Georgia, USA (Mazor Surgical Technologies Inc.). Mazor hat sich auf die Entwicklung medizinischer Robotiksysteme spezialisiert, wobei die Fertigung der feinmechanischen Teile an das Schweizer Unternehmen MPS Micro Precision Systems AG, einem Mitglied der FAULHABER-Gruppe, ausgegliedert wurde.
Genauigkeit ist beim Einsetzen von Implantaten in der Wirbelsäulenchirurgie von höchster Bedeutung, da Eingriffe vorwiegend im Umfeld von Nervenwurzeln und dem Rückenmark vorgenommen werden und jeder Millimeter entscheidend sein kann. Daher und auch aufgrund anderer biomechanischer Erfordernisse nehmen Präzision und Genauigkeit bei dieser Art von Eingriffen den allerhöchsten Stellenwert ein.
Bei der Wirbelsäulenfusion handelt es sich um eine chirurgische Intervention, die beispielsweise zum Begradigen des Rückgrats eingesetzt wird, um einer fortschreitenden Deformation aufgrund von Skoliosis oder ähnlichen Erkrankungen entgegenzuwirken.
Der Eingriff kommt auch zur Anwendung, um eine geschwächte oder beschädigte Wirbelsäule zu stützen oder um Schmerzen durch eingeklemmte oder abgenützte Nerven entgegenzuwirken oder zu lindern. Obwohl bei Wirbelsäulenfusionen bemerkenswert hohe Erfolgsraten erzielt werden, ist doch die Häufigkeit der Fälle, in denen es zu Fehlplatzierungen der Implantate kommt, alarmierend hoch. Manchen Quellen zufolge treten diese sogar bei bis zu 25% der skoliosisbezogenen Eingriffe auf. Fehlplatzierungen sind mit einem erhöhten Risiko von neuralen und Gefäßkomplikationen assoziiert sowie mit Verletzungen der Rückenmarkshäute.

Das Verfahren

Die Intervention unter Verwendung von SpineAssist besteht aus fünf Schritten:1) präoperative Planungsphase, basierend auf einem CT-Scan der Wirbelsäule;2) starre Fixierung der SpineAssist-Plattform an der Wirbelsäule des Patienten;3) Positionskalibrierung durch Abgleichen einer fluoroskopischen Aufnahme der am Knochen montierten Plattform mit einem CT-Scan aus der präoperativen Planungsphase;4) starre Fixierung des SpineAssist-Roboters an der Plattform;5) exakte automatische Positionierung des Roboter-Führungsarms anhand der Informationen aus dem präoperativen Plan als Führungshilfe für den Chirurgen beim Bohren sowie bei anderen Eingriffen. Das SpineAssist-Verfahren ist von der FDA zugelassen, ist CE-zertifiziert und wurde bis zu diesem Zeitpunkt weltweit in 250 Fällen klinisch getestet.

Vorteile

Bei der minimal-invasiven Chirurgie (MIC) handelt es sich um eine der derzeit bedeutendsten Entwicklungen in der medizinischen Geräteindustrie. Die potenziellen Vorteile minimal-invasiver Eingriffe sind mannigfaltig: Ein kleinerer Einschnitt – und damit auch eine kleinere Narbenbildung – senkt das Risiko von Infektionen und Blutungen. Außerdem lassen sich durch den Einsatz minimal-invasiver Eingriffe postoperative Schmerzen und Traumata vermindern und Krankenhausaufenthalte und Erholungszeiten verkürzen; einer der Gründe dafür, dass die medizinische Geräteindustrie fortlaufend an der Entwicklung neuer Instrumente arbeitet, die im Bereich der minimal-invasiven Chirurgie zum Einsatz kommen.
Das SpineAssist-System ermöglicht die Durchführung von Eingriffen zur Wirbelsäulenfusion mit nur wenigen kleinen Einschnitten, während die vergleichbar großen Einschnitte, die herkömmliche Operationsmethoden erfordern, mögliche Muskelbeschädigungen nach sich ziehen können. Die besonders kleinen Abmessungen des Roboters, die Tatsache, dass keine direkte Sicht benötigt wird, sowie die hohe Präzision der Methode erleichtern den chirurgischen Eingriff und minimieren das Risiko einer Fehlplatzierung von Schrauben. Da der Roboter starr am Patienten fixiert ist, wird kein Koordinatenverfolgungssystem benötigt. Mit SpineAssist wird für das Verfahren lediglich eine kleine Anzahl fluoroskopischer Aufnahmen benötigt, wodurch eine Reduktion der Strahlenbelastung für Chirurg und Patient als weiterer bedeutsamer Vorzug hinzukommt.

Der SpineAssist-Roboter
Der Miniatur-Hexapod-Roboter hat bei einem Gewicht von 250 g einen Durchmesser von nur 50 mm und eine Höhe von 80 mm. Das entspricht in etwa der Größe einer Getränkedose. Sein Arbeitsvolumen beträgt mehrere Kubikzentimeter und hängt von dem jeweils verwendeten Führungsarm ab.
Genauigkeit und Präzision des Gesamtsystems liegen unter 100 µm bzw. 10 µm, wobei die Genauigkeit der Bewegungssteuerung 10 µm beträgt. Unter Berücksichtigung menschlicher Einflussnahme und möglicher Bildverzerrungen der CT- und fluoroskopischen Bildgebung liegt die Genauigkeit des Systems bei der Implantatplatzierung im Vergleich zum präoperativen Plan bei unter 1,5 mm.
Basierend auf einer Konstruktion hochpräziser Miniatur-Spindeln, treiben sechs bürstenlose smoovy® DC-Getriebemotoren mit speziell angepasster elektronischer Getriebesteuerung von FAULHABER die Linearaktuatoren an. Die präzise Wegmessung erfolgt durch sieben LVDT-Sensoren: ein Sensor für jeden Aktuator sowie ein zusätzlicher Sensor zur Überwachung der Leistung der sechs Sensoren.
Eine der größten Herausforderungen in Bezug auf die Konzeption der Bauweise des Hexapod stellte seine geringe Größe dar, wobei der wichtigste Aspekt in diesem Zusammenhang die Auswahl des für diese Anwendung entsprechenden Miniaturantriebssystems war. Der smoovy® DC-Servomotor mit 5 mm Durchmesser erwies sich als ausgezeichnete Lösung im Hinblick auf das erforderliche Drehmoment und der nötigen Geschwindigkeit. Die allgemein hohen Toleranzen für diese kleinen Abmessungen, die Präzision der spezifischen M2.5-Gewindespindel sowie die hochpräzisen Aktuator-Kugelgelenke machen die Herstellung des Hexapod zu einer wahren Herausforderung.

Outsourcing-Partner
Die Zusammenarbeit zwischen Micro Precision Systems AG und Mazor Surgical Technologies war zu Beginn auf den von MPS entwickelten smoovy® DC-Motor beschränkt, wurde jedoch schon bald ausgeweitet, als sich ein steigende Marktnachfrage abzeichnete und das in Israel beheimatete Unternehmen Mazor Outsourcing-Lösungen für eine Serienproduktion des Roboters benötigte. Heute ist MPS für die Fertigung, die Präzisionsmontage und Qualitätskontrolle für den gesamten SpineAssist-Roboter zuständig.