MRT-tauglicher Hydraulik-Antrieb für den OP-Roboter

3D-gedrucktes Robotergelenk mit integriertem Balg-Aktor (Fraunhofer IPA / Julian Weigelt)

Mit 3D-Drucktechnik gefertigte Kunststoffbälge sind das Herzstück für die MRT-taugliche Robotik-Antriebstechnik.

Datum:

16.10.2018
Autor:

J. Walz (mh/ktg)
Quelle:

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung

Bildgebende Verfahren geben den Operateuren Orientierung, um bei minimalinvasiven onkologischen Eingriffen die Sonde genau an die gewünschte Stelle zu bringen. Die hierfür meist eingesetzten röntgenbasierten Methoden stellen allerdings Weichgewebe nicht sehr gut dar.

Raumprobleme in der Gantry

Vorteile bietet hier die MRT – allerdings gelangt auch dieses Verfahren an seine Grenzen: Der geringe Durchmesser der Gantry lässt dem Operateur kaum Bewegungsfreiheit. Um dieses Problem zu lösen, arbeiten verschiedene Forscherteams auf der ganzen Welt an Robotern, die beim Einführen der Nadel helfen sollen. "Das größte Problem ist die Antriebstechnik", so Johannes Horsch vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA). "Die Motoren, wir sprechen von Aktoren, sollten keine ferromagnetischen oder elektrisch leitfähigen Materialien enthalten, da diese die MRT-Bildgebung stören können. Klassische Elektromotoren scheiden daher aus." Auch pneumatische Zylinder, die sich nur schwer steuern lassen, seien nicht geeignet.

Hydraulischer Roboter-Antrieb ohne ferromagnetische Teile

Die Lösung der IPA-Ingenieure: Ein hydraulischer Roboter-Antrieb. Dessen Aktoren enthalten keine Teile, die die MRT-Aufnahmen stören. Herzstück dieses Aktors sind mit 3D-Drucktechnik gefertigte Kunststoffbälge. Diese sehen aus wie eine kleine Ziehharmonika, die mit einer dünnen, mit Flüssigkeit gefüllten Leitung verbunden ist. Wird die Flüssigkeit unter Druck gesetzt, dehnt sich die Ziehharmonika aus oder biegt sich. Diese Biegung lässt sich nutzen, um einen Roboterarm, der beispielsweise eine Nadelsonde führt, zu bewegen. Durch Kombination zweier hydraulischer Aktoren soll der Roboterarm in zwei Raumrichtungen genau gesteuert werden können. Dank eines Kraftrückkoppelungsmechanismus spürt der Chirurg, der den Roboterarm bewegt, wenn die Sonde auf einen Widerstand trifft.

Erste Untersuchungen vielversprechend

Untersuchungen an der Universitätsklinik Mannheim haben jetzt gezeigt, dass die neue Antriebstechnik die Erwartungen erfüllt. "Damit wurde die Grundlage geschaffen für die Entwicklung eines praxistauglichen, robotergestützten Positionierungssystems für Interventionen im MRT", so Horsch. In einem Folgeprojekt will er gemeinsam mit seinem Team die Biege-Aktoren in einen Roboter einbauen, der ebenfalls mit 3D-Drucktechnik gefertigt werden soll.