Entwicklung eines chirurgischen Assistenzsystems auf der Basis piezoelektrisch arretierbarer Gelenkmechanismen

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1 Entwicklung eines chirurgischen Assistenzsystems auf der Basis piezoelektrisch arretierbarer Gelenkmechanismen Von der Fakultät für Maschinenwesen der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Diplom-Ingenieur Stephan Erbse aus Rheydt / Mönchengladbach Berichter: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. G. Rau Univ.-Prof. Dr.-Ing. J. Feldhusen Tag der mündlichen Prüfung: 27. Februar 2002 D 82 (Diss. RWTH-Aachen)

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3 Berichte aus der Biomedizinischen Technik Herausgeber: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. G. Rau 12 Stephan Erbse Entwicklung eines chirurgischen Assistenzsystems auf der Basis piezoelektrisch arretierbarer Gelenkmechanismen. Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik an der RWTH Aachen Shaker Verlag D 82 (Diss. RWTH Aachen)

4 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Erbse, Stephan: Entwicklung eines chirurgischen Assistenzsystems auf der Basis piezoelektrisch arretierbarer Gelenkmechanismen / Stephan Erbse. Aachen : Shaker, 2002 (Berichte aus der Biomedizinischen Technik ; Bd. 12) Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002 ISBN Copyright Shaker Verlag 2002 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN ISSN Shaker Verlag GmbH Postfach Aachen Telefon: / Telefax: / Internet: info@shaker.de

5 Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Helmholtz-Institut für Biomedizinische Technik an der RWTH Aachen. Mein besonderer Dank gilt Herrn Univ.-Prof. Dr. rer. nat. G. Rau, dem Direktor des Helmholtz-Instituts, für die vertrauensvolle Unterstützung und Förderung meiner Arbeit. Für die freundliche Übernahme des Koreferats danke ich Herrn Univ-Prof. Dr.-Ing. J. Feldhusen, dem Direktor des Instituts für Allgemeine Konstruktionstechnik des Maschinenbaus der RWTH Aachen. Herzlich danke ich Herrn Dr.-Ing. K. Radermacher, dem Leiter der Arbeitsgruppe Chirurgische Therapietechnik, für seine freundschaftliche Unterstützung. Ich danke ihm insbesondere für die wertvollen Anregungen, seine stete Diskussionsbereitschaft und für die kritische Durchsicht des Manuskripts. Ich danke Herrn St. Puschmann, der maßgeblich an der elektrotechnischen Gestaltung beteiligt war, Herrn P. Schwindke und Herrn J. Friebel für die vielfältige Unterstützung bei elektrotechnischen Fragestellungen, Herrn G. Rosenbauer und dem Team der mechanischen Werkstatt sowie Herrn W. Korr und Herrn E. Waber für Graphik- und Fotoarbeiten. Außerdem bedanke ich mich bei dem gesamten Kollegium des Helmhotz-Instituts, für die konstruktive Zusammenarbeit und offene Arbeitsatmosphäre. Für die Unterstützung und Geduld bei der klinischen Erprobung danke ich den Herren Univ.- Prof. Dr. med. W. Rath, PD Dr. med. M. Winkler, Dr. med. W. Spithaler und Dr. med. M. Heiliger sowie den jeweiligen OP-Teams. Insbesondere Herrn Dr. Winkler danke ich für viele wertvolle Anregungen aus der klinischen Praxis. Für die kritische Durchsicht des Manuskript und dessen sprachliche Glättung gilt Frau K. Löffler und Herrn Stdr W. Haase mein ganz besonderer Dank. Schließlich möchte ich meiner Familie für die moralische Unterstützung danken. Herzlich danke ich meinen Eltern, die mir durch Ihre stete Unterstützung und Förderung diesen Weg ermöglicht und dabei so manchen Stein aus dem Weg geräumt haben. Ebenso danke ich meiner Frau Cynthia und unseren Kindern Zarah und Flora für ihren Zuspruch und Ansporn, für ihr Verständnis und für die wesentliche Perspektive. Innsbruck, im April 2002 Stephan Erbse

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7 I Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Problembeschreibung und Stand der Technik Medizinischer Hintergrund Statische Haltearbeit Chirurgische Haltesysteme Führungs- und Orientierungsarbeit Computergestützte chirurgische Werkzeuge Zielsetzung 23 3 Systemanforderungen und Ansatz Randbedingungen des chirurgischen Arbeitsfeldes Hygiene Feldaufstellung und Patientenlagerung Allgemeine medizinische Randbedingungen Anforderungsprofil Technischer Systemansatz Lösungsansatz 'Arretierbare Gelenkeinheit' 33 4 Aktorik Stand der aktorischen Technik Aktoren mit elektrischer Primärenergie Aktoren mit primärer Strömungsenergie Aktoren mit thermischer Primärenergie Aktoren mit chemischer Primärenergie Vergleich verschiedener Aktorkonzepte zur Gelenkarretierung Klärung der Anforderungen an das Stellglied Diskussion und Stellgliedauswahl Piezotechnik Physikalische Grundlagen Aktor-Typen Betriebsbedingungen für Piezoaktoren 57 5 Piezoelektrisch arretierbare Gelenkmechanismen Gelenkkonzepte Konstruktive Umsetzung Gelenkbauformen nach dem Prinzip der direkten aktiven Arretierung 64

8 II Werkstoffe Aktorauswahl Konstruktion Grundlagen der Dimensionierung Berechnung der erforderlichen Aktorkraft Berechnung der erreichbaren Klemmkraft Optimierung Analytische Optimierung Bauteiloptimierung mittels FEM 90 6 Realisierung des Haltesystems Kinematisches Systemkonzept Gesamtkonzept und Systemintegration Gelenkkette Endeffektorschnittstelle Versorgungselektronik Realisierte Labormuster Klinische Erprobung Erweitertes Systemkonzept zur Unterstützung von Orientierungsaufgaben Ansatz eines passiven Manipulators zur haptischen Benutzerführung Physiologische Grundlagen der haptischen Führung Regelungsprinzip des passiven Manipulators Erste Untersuchungen und Erfahrungen Diskussion und Ausblick Zusammenfassung Literaturverzeichnis Formelzeichen und Abkürzungen 139 Anhang A: Spezifische erforderliche Aktorkraft zur Momentenübertragung 142 Anhang B: Wechselbeanspruchungstests mit Schulter- und Ellengelenk 144 Anhang C: Beispielprotokolle der klinischen Erprobung 147

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