Parallelkinematische Mechanismen zum intrakorporalen Einsatz in der laparoskopischen Chirurgie (2011)

Die laparoskopische Chirurgie, die minimalinvasive Chirurgie im Bauchraum, wurde im Wesentlichen in den 1980er Jahren entwickelt und ist heute die übliche Methode für viele chirurgische Eingriffe (z.B. Blinddarmentfernung und Gallenblasenentfernung) geworden. Die eingesetzten Instrumente verfügen über nur wenige Bewegungsfreiheitsgrade, weshalb die Zugangswege zu der Operationsumgebung präzise gewählt werden müssen und einige Eingriffe erhöhten Schwierigkeiten unterliegen. Instrumente mit erweiterter Beweglichkeit innerhalb des Körpers werden von Chirurgen immer wieder gefordert. Einige, jedoch rein mechanische Instrumente werden kommerziell angeboten. Elektrisch angetriebene Instrumente sind immer noch Gegenstand der aktuellen Forschung. Parallelkinematische Mechanismen sind vor allem im Werkzeugmaschinenbau und in der Handhabungstechnik bekannt. Die Möglichkeit, alle zur Bewegung der Werkzeugplattform notwendigen Antriebe gestellfest anzuordnen, prädestiniert sie für den Einsatz in der Laparoskopie. Innerhalb des Körpers, wo Bewegungen zur Positionierung der chirurgischen Werkzeuge umgesetzt werden, sind keine Antriebe notwendig, sodass die intrakorporal eingesetzten Mechanismen lediglich als passive Stab-Gelenk-Getriebe ausgeführt werden können. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwurfsmethodik und dem Aufbau von parallelkinematischen Mechanismen zum Einsatz als Positioniersysteme für Instrumente in der laparoskopischen Chirurgie. Die kinematischen Beziehungen zwischen Antrieben und Instrumentenspitze werden aufgrund der Komplexität der Mechanismen numerisch berechnet. Daher eignen sich die vorgestellten parallelkinematischen Manipulatoren auch für den Einsatz in computergestützten Eingriffen. Die numerische Berechnung ist in Echtzeit während der Bedienung möglich und kann einfach auf eine große Klasse von parallelkinematischen Mechanismen übertragen werden. Auf einem 2-Kern-Prozessor mit einem Takt von 2 GHz benötigt die Berechnung einer Mechanismus-Stellung ca. 2,3 ms. Eine Analyse mittels Starrkörpersimulationen und Finite-Elemente-Simulationen verdeutlicht zuverlässige Methoden zur Charakterisierung von parallelkinematischen Mechanismen und bildet die Basis zur ihrer Umsetzung als kostengünstige Einmalartikel in Kunststoff-Spritzguss-Technologie. Die Simulationen zeigen hohe Kräfte von bis zu 28 N innerhalb derGelenke. Eine monolithische Umsetzung in Kunststoff hält in zwei Raumrichtungen Kräften von 5 N auf den Tool-Centre-Point stand, jedoch zeigen die Untersuchungen in einer Raumrichtung deutliche Verformungen bereits bei einer Belastung des Tool-Centre-Point mit einer Kraft von 1 N. Kinematische Optimierungen und eine veränderte Auslegung von Festkörpergelenken können hier Verbesserungen bringen. Mit den erforschten Mechanismen wurde ein laparoskopisches Instrument entworfen und aufgebaut. Das Instrument enthält gegenüber einem klassischen laparoskopischen Instrument vier zusätzliche, im Körper liegende Freiheitsgrade. Um die Arbeitsrichtung der Instrumentenspitze zu verändern, sind drei Freiheitsgrade rotatorisch ausgeführt. Ein Freiheitsgrad ist linear ausgeführt, was zu einem 3-dimensional ausgeprägten Arbeitsraum mit einer Größe von ca. 14 cm3 führt. Die Instrumentenspitze wird durch vier piezoelektrische Antriebe bewegt, die im Instrumentenschaft außerhalb des Körpers angeordnet sind. Das Instrument wurde innerhalb eines Tierversuchs von schwerpunktmäßig laparoskopisch arbeitenden Chirurgen getestet. Die Ergebnisse des Versuchs führen zum Vorschlag einer zukünftigen Ausprägung des Instruments als kleine Operationsplattform mit mehreren parallelkinematischen Manipulationsarmen.