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Laserbasierte Qualitätssicherung für die robotergestützte Fräsabtragung an der Schädelbasis

Laser-based quality assurance for robot-assisted milling at the base of the skull
 
: Maassen, M.; Malthan, D.; Stallkamp, J.; Schäfer, A.; Dammann, F.; Schwaderer, E.; Zenner, H.-P.

:

HNO 54 (2006), No.2, pp.105-111
ISSN: 0017-6192
German
Journal Article
Fraunhofer IPA ()
Mastoid; Schädelbasis; skull base; Navigation; Roboter; Laser; Medizintechnik

Abstract
Hintergrund: Die Implantation von aktiven Hörgeräten an der lateralen Schädelbasis erfordert eine hochpräzise und sichere Fixierung des elektromechanischen Transducers und eine langlebige Verankerung sog. "mountain brackets", der osteosynthetischen Halteplatten. Nur eine passgenaue Ausfräsung der notwendigen Kavitäten unter Vermeidung überschüssiger Knochenabtragung kann eine nichtlineare Verzerrung der akustischen Übertragungskette sowie konsekutive Implantatlockerung zuverlässig verhindern. Für Hochpräzisionsfräsarbeiten bietet sich die Robotertechnologie an. Allerdings sind Sicherheitsvorkehrungen erforderlich, um Fehlerquellen bei der Fräsabtragung zu vermeiden. Idealerweise sollte ein Roboter navigationsgestützt arbeiten. Bisherige robotische Systeme verfügen jedoch noch nicht über eine integrierte globale Navigation.
Material und Methoden. Innerhalb eines Laborszenarios wurde am Tiermodell untersucht, bis zu welchem Grad der Einsatz des entwickelten teilautonomen Assistenzsystems ROBIN eine Steigerung der Genauigkeit der Knochenabtragung bei der Implantation aktiver elektronischer Hörimplantate an das Rezeptorgewebe im Kopf erwarten lässt. Dazu wurde ein bestehendes prototypisches Systems für die robotergestützte HNO-Chirurgie mit Lasersensoren zur geometrischen Vermessung des Operationsfelds ausgestattet. Vor, während und nach dem robotergestützten Eingriff wurden die erfassten dreidimensionalen Messdaten mit CT-basierten Simulationsdaten verglichen. Die Untersuchungen wurden dabei sowohl mit Prüfkörpern, als auch anhand von Tiermodellen durchgeführt.
Ergebnisse: Unter optimalen Bedingungen konnte das Operationsfeld mit einer räumlichen Auflösung von besser als 0,02 mm in jeder Raumrichtung vermessen werden. Es zeigte sich jedoch, dass Reflexionen und Verunreinigungen des Operationsgebiets durch Blutungen und Spülflüssigkeiten einen erheblichen Einfluss auf die Datenerfassung haben, sodass spezielle Registrierungsverfahren erforderlich werden. Unter Verwendung eines entwickelten Fehler tolerierenden Verfahrens konnte der effektive Registrierungsfehler <0,3 mm gehalten werden. Die Formtreue der Fräsung lag dabei jeweils <0,8 mm.
Schlussfolgerung. Die Ergebnisse zeigen, dass Robotersysteme die notwendige Präzision erreichen, um mikrochirurgische Operationsschritte an der Schädelbasis zuverlässig durchzuführen. Dabei ermöglicht es die hoch auflösende laserbasierte Geometrievermessung des Operationsgebiets, eine Patientenregistrierung ohne zusätzliche künstliche Landmarken durchzuführen. Während eines navigierten Eingriffs kann das Verfahren dazu genutzt werden, die Formtreue einer zu fräsenden Kavität bezüglich der präoperativen Planung sicherzustellen. Damit kann die Qualität einer roboterassistierten Operation zukünftig quantitativ erfasst und optimiert werden.

 

Background. Implanting active hearing devices in the lateral base of the skull requires high-precision, secure fixation of the electromagnetic transducer and long-life anchorage using osteosynthetic fixation plates referred to as mountain brackets. Nonlinear distortion in the acoustic signal path and consecutive implant loosening can only be avoided by exact osseous milling to create the necessary cavity bed while avoiding excessive milling. Robot technology is ideal for high-precision milling. However, safety measures are necessary in order to prevent errors from occurring during the reduction process. Ideally, a robot should be guided by a navigation system. However, robotic systems so far available do not yet have an integrated global navigation system.
Materials and Methods. We used an animal model under laboratory conditions to examine the extent to which the semiautomatic ROBIN assistant system developed could be expected to increase osseous milling accuracy before implanting active electronic hearing devices into the recipient tissue in the cranium. An existing prototype system for robot-assisted skull base surgery was equipped with laser sensors for geometric measurement of the operation site. The three-dimensional measurement data was compared with CT simulation data before, during, and after the robot-assisted operation. The experiments were conducted on test objects as well as on animal models.
Results. Under ideal conditions, the operation site could be measured at a spatial resolution of better than 0.02 mm in each dimension. However, reflections and impurities in the operation site from bleeding and rinsing fluids did have a considerable effect on data collection, necessitating specialised registering procedures. Using an error-tolerant procedure specifically developed, the effective registering error could be kept under 0.3 mm. After milling, the resulting shape matched the intended form at an accuracy level of 0.8 mm.
Conclusion. The results show that robot systems can reach the accuracy required for reliable microsurgery on the cranial base. High-resolution laser-based geometric measurement of the operation site enables head registration without additional artificial landmarks. During the navigated operation, the procedure can be used to ensure that the resulting cavity matches the intended shape as determined in the preoperative planning phase. This will enable quantitative analysis of, and improvement in the quality of robot-assisted surgery in the future.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-39422.html