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Z Orthop Ihre Grenzgeb 2002; 140(2): 218-231
DOI: 10.1055/s-2002-31545
Navigation - Robotik

© Georg Thieme Verlag Stuttgart · New York

Robotik, Navigation, Telechirurgie: Stand der Technik und Marktübersicht

Robots, Navigation, Telesurgery: State of the Art and Market OverviewP.  Pott1 , M.  Schwarz2
  • 1Labor für Biomechanik und experimentelle Orthopädie (Leiter Dr. med. M. Schwarz)
  • 2Orthopädische Universitätsklinik Mannheim (Direktor Prof. Dr. H.-P. Scharf)
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Publication Date:
23 May 2002 (online)

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Zusammenfassung

Robotertechnologie und Navigation etablieren sich derzeit in den Operationssälen. Sie dienen als aktive oder passive Navigatoren dem Chirurgen bei der Orientierung am Patienten und beim Einsatz von Implantaten. Die Telechirurgie soll in Zukunft die Verbreitung medizinischer Erfahrung über große Distanzen ermöglichen. Studienziel: Ziel ist es die anwendbaren Technologien zu beschreiben, den heutigen Stand der Technik zu analysieren und die verfügbaren Produkte in Tabellenform aufzulisten. Methode: Die Evaluierung erfolgte mit einer umfangreichen Literaturrecherche, dem Studium von Firmenunterlagen und persönlich geführten Interviews mit ausgewählten Herstellern. Ergebnisse: Die Systeme können in „aktive” bzw. „semiaktive Navigatoren” (Roboter), „Navigationssysteme” und „Telechirurgische Arbeitsstationen” kategorisiert werden. 14 Robotersysteme, 22 Navigationssysteme und vier telechirurgische Arbeitsplätze sind beschrieben. Die Registrierung anatomischer Strukturen kann mittels Pins, Pair-Point-, Surface-, Ultraschall- und C-Bogen-Matching erfolgen. Dazu werden z. Z. optische, magnetische und mechanische Localizersysteme angewandt. Schlussfolgerung: Mit dem vermehrten Einsatz von Computern und bildgebenden Verfahren (CAS und IGS) sollen operative Eingriffe optimiert werden. Ob sich der notwendige Mehraufwand an Mitteln und Zeit in besseren klinischen Ergebnissen niederschlagen wird, bleibt abzuwarten.

Abstracts

Currently surgical robots and navigation system are established in the OR. They assist the surgeon as active or passive navigators for orientation on the patient and for insertion of implants. In future, telesurgery will shaft medical experience over great distances. Aim: The goal of this paper is to describe applicable technologies, to analyse today’s state of the art and to list the available products in tables. Method: An extensive search in literature databases and company’s documents and personally conducted interviews were done for evaluation. Results: The systems can be categorized in “active” or “semi-active” (robots), “navigation systems” and “telesurgical workstations”. 14 robots, 22 navigation systems and four telesurgical workstations are described. Registration of anatomical structures can be performed with either pins, pair-point, surface, ultrasonic or fluoroscopic matching. At present optical, magnetic or mechanical localizer systems are used. Conclusion: The increased use of computer and image-guided methods (CAS and IGS) will optimize surgical treatment. The future has to show whether the necessary additional costs and time will bring better clinical results.

Schlüsselwörter

Roboter - Navigation - Telechirurgie - Orthopädie - Übersicht

Key words

Robots - Navigation - Telesurgery - Orthopaedics - Overview

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1 Die Firma Ortomaquet wurde im Mai 2001 von der Firma Universal Robotic Systems, Schwerin, D übernommen und in die Firma URS Ortho GmbH & Co KG überführt.

2 Ein Endeffektor ist ein vom Roboter geführtes Bearbeitungsinstrument.

3 Bahnkurve. Exakte Definition nach Scheck [3]: Trajektorien sind die Lösungskurven einer Differenzialgleichung zu bestimmten Anfangswerten. Auf ihnen bewegen sich Phasenpunkte eines dynamischen Systems im Phasenraum.

4 Wird auch als SCARA-Roboter (Selectively Compliant Articulated Robot Arm) bezeichnet.

5 Wird auch als PUMA-Roboter bezeichnet.

6 Die Stewart-Plattform wird auch als Hexapod bezeichnet. Bekannte Anwendungen sind z. B. Flugsimulatoren.

7 Galileo-NAV zählt zu den Navigationssystemen, hat aber eine robotisch gesteuerte Sägelehre. Galileo-NAV zählt zu den Navigationssystemen, hat aber eine robotisch gesteuerte Sägelehre.

8 Eine Ausnahme bildet das System Galileo-NAV (PI-Systems, Aarau, CH), das für die Kniegelenksimplantation die Sägelehre auf der Femur-Seite des Knies automatisch bewegt.

9 optisches Tracking ist die Lagebestimmung und Verfolgung von Raumpunkten mit zwei oder mehr Kameras (s.u.).

10 Eine Datenbrille liefert jedem Auge ein eigenes Bild. Wurden diese Bilder mit einer Stereo-Kamera aufgenommen, kann der Operateur ein dreidimensionales Bild des OP-Feldes sehen.

11 Kräfte, die auf die endoskopischen Instrumente wirken, werden vom System gemessen und auf die Joysticks des Operateurs übertragen. Dieser spürt nun Widerstände gegen seine Bewegungen und kann entsprechend reagieren.

12 Taktile Datenübertragung: Für endoskopische Greifer werden fein auflösende taktile Sensoren entwickelt (University of California Berkeley Medical Robots, CA, USA), deren Signale für den Operateur eine zusätzliche Informationsquelle darstellen.

13 Zwischen Cockpit und Manipulator werden Daten ausgetauscht (Video, Force Feedback, Steuerbefehle). Für diesen Datenfluss ist eine Leitung nötig. Für größere Distanzen (außerhalb des Op.s) werden z.B. ISDN-Leitungen gebündelt. Die Art der Datenleitung (Telefon, ISDN, DSL, …) bestimmt die Übertragungsrate oder Breite der Leitung.

14 Marker (LEDs oder reflektierende Kugeln) werden auch als Targets bezeichnet.

15 Lichtemittierende Diode, Halbleiterbauteil.

16 Für die exakte Bestimmung von Position und Orientierung sind eigentlich nur drei Raumpunkte nötig, deren Position untereinander bekannt sein muss. Aus Gründen der Redundanz (Blickwinkel) werden jedoch mehrere (4 bis 5, in pyramidischer Anordnung) Marker verwendet.

17 Der Ausdruck Mayfield™ Reference Star wird ausschließlich von der Firma Brainlab, Heimstetten, D verwendet.

18 Dynamik Reference Frame ist ein geschützter Markenname der Firma Imageguided Technologies Inc, Boulder/CA, USA).

19 Zeigespitze (engl: Pointer, Probe, Wand), Bohrer, Raspel, Pinzette, etc.

20 Winkelgeber

21 Rendering: Zusammensetzen von einzelnen CT- oder MRT-Schichtbildern zu dreidimensionalen Ansichten. Je nach Schichtdicke und -anzahl mehr oder weniger starke Interpolation zwischen den einzelnen Voxeln (räumlichen Pixeln).

22 Eine Sonode strahlt einen senkrechten Schallimpuls aus, dessen Echo ausgewertet wird. Somit können nur Distanzen (zwischen Haut und Knochen) gemessen werden.

23 Eine Sonode strahlt einen fächerförmigen Impuls aus, dessen Echoauswertung eine Kontur zeigen kann.

24 Das Flashpoint 5000 von IGT bildet eine Ausnahme: Es benutzt eine Batterie zur Stromversorgung der Marker sowie eine IR-Informationsübertragung von der Kamera zu den Markern.

25 Die Trackingfrequenz beeinflusst sehr stark das Arbeitsgefühl. Der in Europa normalerweise bei den Kameras verwendete PAL-Standard erlaubt max. 50 Hz, der amerikanische NTSC-Standrad max. 60 Hz Trackingfrequenz. Jedoch stehen diese 50 Hz nur bei einem Target zur Verfügung. Bei zwei Targets sind es 25 Hz, bei drei entsprechend 16,66 Hz usw. (fT∼1/n).

Dipl.-Ing. Peter Pott

Labor für Biomechanik und experimentelle Orthopädie

Orthopädische Universitätsklinik Mannheim

Theodor-Kutzer-Ufer 1-3

68167 Mannheim

Phone: 06 21/3 83- 59

Fax: 06 21/3 83-45 49

Email: peter.pott@ortho.ma.uni-heidelberg.de

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