BITE – Bio-Inspired Technology Group

Entwickelt in den Jahren 2016-2017, Durchmesser Ø5 mm

Bei komplexen chirurgischen Eingriffen wie der Schädelbasischirurgie müssen schwer zugängliche Stellen über enge anatomische Korridore erreicht werden. Die Durchführung einer Operation entlang komplexer 3D-Pfade erfordert ein schlangenartiges Instrument, das die 3D-Form des verfolgten Pfades speichert und die Form beim Vorwärtsbewegen des Instruments nach hinten verschiebt. Diese schlangenartige Fortbewegungsmethode wird als “Follow-the-Leader-Fortbewegung” bezeichnet, bei der der Kopf der “Anführer” ist und der Körper dem Weg des Kopfes folgt, siehe folgende Animationen:

Die Follow-the-Leader-Fortbewegung erfordert ein segmentiertes multi-lenkbares Instrument sowie einen Speicher, in dem die Winkel der Segmente gespeichert und verschoben werden können. Bei robotischen Ansätzen erfolgt die Ansteuerung üblicherweise durch eine Reihe von Elektromotoren, die von einem Computer gesteuert werden. Obwohl dies machbar ist, führt dies zu einem sehr komplexen System, das zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen erfordert, um die Zuverlässigkeit während der Operation zu gewährleisten.

In dem Wunsch, ein einfacheres System zu schaffen, untersuchten wir einen alternativen Follow-the-Leader-Ansatz unter Verwendung eines mechanischen Speichers. Dem Designansatz unserer MultiFlex folgend, enthält die MemoFlex 1 eine 12 cm lange, Ø5 mm mehrfach lenkbare Spitze mit 14 Segmenten, die sich in 28 Freiheitsgraden individuell steuern lassen. Mit 56 Lenkseilen wird die Spitze mit einem biegsamen Griff verbunden. Wenn der Griff in einer bestimmten Form gebogen wird, wird die Form gespiegelt und durch die Spitze repliziert.

Das Formgedächtnis ist eine vorgebogene Edelstahlstange, die durch den biegsamen Griff gleitet und von einer Kurbel angetrieben wird. Wenn die Stange durch den Griff gleitet, wird ihre Form von einem 3D-gedruckten konformen Helikoideinsatz erkannt, der den Griff genau der Form der Stange folgen lässt. Der Mechanismus repliziert die Griffform mit der Spitze, die dann entlang einer gekrümmten Bahn manövriert, die der Form der vorgebogenen Stange entspricht. Die Form des vorgebogenen Stabes kann aus CT- oder MRT-Aufnahmen abgeleitet werden.

Unser neuartiger Kopier- und Replikationsmechanismus zeigt vielversprechende Ergebnisse. Dennoch weist der Prototyp eine hohe mechanische Komplexität auf. Wir haben diese Forschung daher mit einem verbesserten Prototyp, dem MemoFlex 2, fortgesetzt, der einen deutlich verbesserten Formgedächtnismechanismus und eine stark vereinfachte, nachgiebige 3D-gedruckte Spitze enthält.

Publikationen

• Henselmans P.W.J. (2020). Mechanische 3 – Wege-Folgeinstrumente für die minimalinvasive Chirurgie. Dissertation, TU Delft, ISBN 978-94-6402-213-1, 177 S.
• Henselmans P., Smit G., Breedveld P. (2019). Mechanische Follow-the-Leader-Bewegung eines hyperredundanten chirurgischen Instruments: Proof-of-Concept-Prototyp und erste Tests. Prok. Inst. Mech. Eng. Teil H: Zeitschrift für Ingenieurwissenschaften in der Medizin, 10 P.