Roboterassistierte Laserosteotomie

Die Bearbeitung von biologischem Hartgewebe in der Chirurgie (z.B. beim Setzen von Pedikelschrauben, bei Umstellungsosteotomien oder Cochleostomien) findet bislang hauptsächlich manuell und unter Einsatz von Knochensägen bzw. –bohrern statt. Verletzungen umliegenden gesunden Gewebes durch ungenaue Schnittführung, (hohe) Prozesskräfte beim Materialabtrag, breite Knochenschnitte sowie eine Heilungsverzögerung durch in der Wunde verbleibenden (Metall‑)Abrieb der Instrumente stellen die größten Nachteile des bisherigen Vorgehens dar.

Im Rahmen ihrer Kooperation arbeitet das Institut für Mechatronische Systeme gemeinsam mit der KUKA Laboratories GmbH an der Möglichkeit einer berührungslosen Knochenbearbeitung durch den Einsatz eines Lasers (Laserosteotomie). Dieser garantiert in Kombination mit einem KUKA Roboter eine hochgenaue Schnittführung. Die beim Materialabtrag entlang definierter Geometrien auftretenden Fragestellungen zeichnen sich dabei im Wesentlichen auf den Gebieten der Bahnplanung, der hochgenauen Strahlführung, der Mensch-Maschinen-Schnittstelle und der Schnitttiefenbestimmung ab. Am Institut für Mechatronische Systeme wird daher ein System für die roboterassistierte Laserosteotomie (RaLo) bestehend aus einem KUKA-Leichtbauroboter (LBR), einem Kamerasystem, einem optischen Kohärenztomographen (OCT) und einem Er:YAG-Laser mit Strahlablenkoptik zur Demonstration einer Beispielanwendung aufgebaut. 

Der Einsatz des KUKA LBR ermöglicht durch seine zusätzliche Momentensensorik das manuelle Vorpositionieren des Robotersystems inkl. OCT und Laser mittels Soft-Robotics-Konzepten. Des Weiteren kann die Konfiguration des Roboters hinsichtlich Gütekriterien wie maximaler Steifigkeit jederzeit aufgrund seiner kinematischen Redundanz optimiert werden. Zur Bestimmung der verbleibenden Knochendicke wird eine Schnitttiefenmessung mittels OCT realisiert, um hinter dem Knochen liegende Strukturen durch den hochenergetischen Laserstrahl nicht versehentlich zu schädigen oder zu zerstören. Die so gewonnene Information wird mit dem Laser und der Strahlablenkung gekoppelt. Der Versuchsaufbau soll weitestgehend flexibel gestaltet werden, um zu jeder Zeit eine Erweiterung des Systems auf andere Anwendungsgebiete zu ermöglichen. Neben einer Analyse der erreichbaren Genauigkeiten bei einem derartigen medizinischen Eingriff werden die Robotersteuerung/-regelung und insbesondere der Materialabtrag durch den Laser simulativ erforscht.