Modellgestützte Analyse und Implementierung der roboterbasierten Echtzeitnachführung chirurgischer Instrumente

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Sowohl der medizinische Fortschritt als auch neue computergestützte Methoden, neuartige Sensortechnik und innovative mechatronische Systeme verbessern zunehmend konventionelle chirurgische Verfahren. An der Universität Siegen wird das roboterbasierte Chirurgieassistenzsystem modiCAS (modular interactive Computer Assisted Surgery) entwickelt, mit dem Ziel, Mediziner bei chirurgischen Eingriffen bestmöglich zu unterstützen. Eine Schlüsseleigenschaft des modiCAS-Systems liegt in der präzisen intraoperativen Platzierung und Führung manuell zu bedienender chirurgischer Instrumente mittels eines Roboterarms, welcher über ein optisches 3D-Lokalisiergerät entsprechend einer bildbasierten, präoperativ durchgeführten Planung navigiert wird. Während eines chirurgischen Eingriffs besteht eine besondere Herausforderung darin, mit einer Echtzeitnachführung die geplante räumliche Relation zwischen dem Operationssitus und dem chirurgischen Instrument aufrechtzuerhalten, wenn sich der Patient bewegt. In der vorliegenden Arbeit wird die roboterbasierte Instrumentennachführung des modiCAS-Systems erstmals dynamisch analysiert und in ihren Eigenschaften optimiert. Hierfür wird das bestehende Nachführprinzip derart modifiziert, dass es dynamisch modellierbar wird und somit eine modellgestützte Analyse gestattet. Basierend auf dem modifizierten Nachführprinzip wird ein neuartiges dynamisches Simulationsmodell der Instrumentennachführung entwickelt, welches Model in the Loop-Simulationen ermöglicht - inklusive Simulationen von Szenarien, die sich mit dem realen System (noch) nicht realisieren lassen. Auf der Basis des neuen Simulationsmodells werden Detaillösungen einschließlich eines neuartigen Regelungskonzepts erarbeitet, welche insgesamt eine signifikante Verbesserung der Instrumentennachführung bewirken. Alle modellbasierten Ergebnisse werden am realen System mit Hilfe einer neu entwickelten Rapid Control Prototyping-Plattform verifiziert und zur Anwendung gebracht. Abschließend werden ausblicksweise einige Multisensorik- und Redundanzkonzepte präsentiert und diskutiert, welche zukünftig gegebenenfalls die Sicherheit und Verfügbarkeit der Instrumentennachführung verbessern können.