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Automatisierung und Prozeßüberwachung der Insertion von Pedikelschrauben

 
: Hiller, A.

Heimsheim: Jost-Jetter Verlag, 2003, 141 S.
Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2003
IPA-IAO Forschung und Praxis, 382
ISBN: 3-936947-13-9
Deutsch
Dissertation
Fraunhofer IPA ()
Knochenverschraubung; Prozessüberwachung; Wirbelsäule; Automatisierung; Bohren; Schrauben; Chirurgie

Abstract
Das Einbringen von Schrauben in der Chirurgie erfolgt heute manuell oder mit einfachen mechanisierten Hilfsmitteln. Realisierte roboterunterstützende Systeme sind gekennzeichnet durch einen geringen Automatisierungsgrad, unangepaßte Werkzeuge sowie unzureichende Berücksichtigung der individuellen Gewebeparameter.
Ziel der vorliegenden Arbeit war die Schaffung wissenschaftlicher Grundlagen über die Zusammenhänge zwischen den Prozeßparametern Kraft und Temperatur beim Bohren und den maximalen Anziehdrehmomenten bei Schrauben hinsichtlich Knochendichteprofil sowie die Ableitung eines geeigneten Robotersystems und Prozeßwerkzeuges zum automatisierten und prozeßüberwachten Bohren und Schrauben bei der Insertion von Pedikelschrauben.
Ausgehend von der Analyse des Standes der Technik wurde im Rahmen von Hospitationen bei der Operationen und Expertengesprächen mit Chirurgen der Istzustand hinsichtlich der Operationsobjekte und der Prozeßaufgabe mit Schwerpunkt der Wirbelsäulenchirurgie untersucht. Die Analyse hat gezeigt, dass durch eine Roboterunterstützung in der spanenden Bearbeitung und Verbindungstechnik von Knochen ein genaueres Positionieren und Zentrieren des Bohrers sowie das Bohren in der richtigen Lage ermöglicht wird und eine thermische Schädigung des Gewebes ausgeschlossen werden kann. Als wesentliche technische Hemmnisse erwiesen sich die inhomogenen und forminstabilen Materialeigenschaften des Knochens.
Anschliessend wurden alternative Lösungsprinzipien für
- die Lagebestimmung der Wirbelsäule,
- das Handhabungsgerät,
- das Bohr- und Schraubwerkzeug mit Wechselsystem und
- die Überwachung der Prozessparameter
erarbeitet, bewertet und das jeweils beste Teilsystem ausgewählt.
Entsprechend des Anforderungskatalogs der Analyse und auf der Datenbasis der experimentellen Untersuchungen wurden Verfahren zur Vorausberechnung des Bohrkraftverlaufs, mit dem auf den Temperaturverlauf geschlossen werden kann, erarbeitet und die Berechnung des maximalen Anziehdrehmoments ermittelt.
Die entwickelten Verfahren und Werkzeuge wurden in einer Pilotzelle an Rinderwirbelsäulen verifiziert. Es zeigte sich, dass das neu entwickelte Prozeßwerkzeug zum Bohren und Schrauben die gestellten Anforderungen erfüllt. Die Berechnungsverfahren konnten durch die durchgeführten Versuche sehr gut verifiziert werden.
Mit der Realisierung der entwickelten Verfahren und Werkzeuge konnte die technische Machbarkeit der Automatisierung und Prozeßüberwachung der Insertion von Pedikelschrauben nachgewiesen werden. Durch die Weiterentwicklung der Werkzeuge ist zukünftig mit dem Einsatz des Wirbelsäulenchirurgiesystems im Operationssaal zu rechnen, um eine gering traumatisierende und zielgenaue Insertion der Schraube und eine Verringerung der Fehlplazierungsrate zu erreichen.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-17310.html