3D-Steuerung Medizinische Eingriffe präzise und sicher mit einem Joystick steuern

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Ärzte können mit einem Joystick präzise einen medizinischen Eingriff steuern. Der 3D-Joystick Spacemouse bietet sechs Freiheitsgrade und lässt sich auch zum Anlernen eines Roboters verwenden.

Die Micromate-Plattform wurde vom österreichischen Unternehmen Interventional Systems entwickelt, das sich auf die Entwicklung und Herstellung von Miniaturrobotik-Anwendungen in der Medizintechnik spezialisiert hat. Micromate ist eine Roboterplattform, die speziell für minimalinvasive Eingriffe entwickelt wurde. Die Plattform besteht aus einem kleinen, tragbaren Roboterarm, der mit einer Vielzahl von chirurgischen Instrumenten ausgestattet werden kann. Der Roboterarm wird über einen Spacemouse-Controller gesteuert. Damit ist eine präzise Steuerung und minimalinvasive Operationen durch die Haut möglich (perkutane Eingriffe). Das können beispielsweise Biopsien sein, aber auch die Entfernung von Tumoren und andere hochpräzise chirurgische Prozesse. Die hohe Genauigkeit und die geringe Größe des Systems gestatten präzisere und schnellere chirurgische Eingriffe als bisher. Die Plattform wird bereits in einer Reihe von Krankenhäusern in Europa und den USA eingesetzt. Das Unternehmen strebt an, die Plattform in Zukunft auch auf weitere Anwendungen auszuweiten.

Durch die Verkürzung der OP-Zeit reduziert sich auch die Strahlenbelastung für Arzt und Patient – beispielsweise beim kombinierten Einsatz mit CT-Scannern. Ein weiterer Vorteil ist die geringe Installationszeit der Roboterplattform, denn sie wird in weniger als fünf Minuten an jeder Art von Patiententisch montiert. Das System passt zudem in den Ringtunnel eines Computertomografen. Damit bietet Micromate Radiologen und Onkologen eine einfach zu handhabende, kostengünstige und voll ausgestattete Miniatur-Roboterplattform für verschiedene mikrochirurgischer Eingriffe.

Roboter präzise mit der Spacemouse bedienen

Die Arbeit mit dem Micromate beginnt i. d. R. mit dem Setup. Nach der Befestigung am Patiententisch werden die Bildgebungsdaten aus verschiedenen Quellen geladen und in ein und demselben Koordinatensystem ausgerichtet – in weniger als fünf Minuten. Anschließend wird der Eingriff mithilfe von prä- und interoperativen Scans und einer intuitiven Software genau geplant.

In der anschließenden Ausrichtungsphase kommt das Spacemouse-Modul zum Einsatz. Über die Navigation und Live-Bildgebung wird das OP-Instrument submillimetergenau auf die geplante Behandlungsebene ausgerichtet. Zum Schluss folgt die Phase des eigentlichen Eingriffs – das Einführen des Instruments in den Körper des Patienten. Dabei wird das Instrument vom Arzt mit Live-Bildern sicher vorgeschoben, wobei er ein haptisches Feedback erhält. Seitliche Abweichungen nach dem Einsetzen des Instruments werden von Micromate signalisiert und ermöglichen eine Korrektur.

Einen mehrachsigen Roboter einfach steuern

Um das Gerät für den Einsatz im Operationssaal zu optimieren, musste Interventional Systems ein Eingabesystem entwickeln, das eine genauere Positionierung der Operationsnadel ermöglicht als die konventionelle Freihandführung. Dabei stand die Wahl des Joysticks zur Ausrichtung der Nadel im Vordergrund. Die Wahl fiel auf die Spacemouse des Herstellers Megatron. Für Pedro Costa, Chief Product Officer bei Interventional Systems, lag die Wahl des Spacemouse-Moduls als Joystick zur Steuerung des Roboters auf der Hand: „Die Benutzerfreundlichkeit des Joysticks spielt bei unseren Produkten eine entscheidende Rolle. Und die Tatsache, dass die Spacemouse so viele Funktionen in einem Produkt vereint, ermöglicht es uns, die Anzahl der Tasten zu reduzieren, ohne die Interaktionsmöglichkeiten einzuschränken“.

Ein wichtiges Argument für den Einsatz des 3D-Joysticks in den verschiedensten Anwendungen ist die einfache Bedienung von mehrachsigen Robotersystemen. Aber auch in anderen Anwendungen bietet das Spacemouse-Modul Vorteile, z. B. beim Einsatz von multifunktionaler Software. Hier kann der Bediener die mehrachsigen Eingänge des Joysticks nutzen, um verschiedene Funktionen auszulösen. So ist es beispielsweise möglich, eine Eingabe durch kurzes Drücken des Joysticks zu bestätigen.

Mit sechs Freiheitsgraden eine Maschine steuern

Bei der mechanischen Steuerung kann die Spacemouse auf zwei Arten eingesetzt werden. Beim Micromate wird das Modul z. B. in der Mitte der Bedienkonsole positioniert, sodass der Arzt einfach den Joystick-Knopf ergreift, um den Winkel der chirurgischen Nadel ferngesteuert zu verändern. Dies ist ein klassischer Anwendungsfall für die Fernbedienung.

Neben der Fernsteuerung kann das Spacemouse-Modul mit sechs Freiheitsgraden auch direkt eine Maschine steuern. Dazu wird der Joystick an dem zu bewegenden Teil des Roboters angebracht. Die Applikationssoftware sorgt dabei für die Kopplung des Koordinatensystems des Joysticks mit dem des Roboters. So wird die Grenze zwischen Mensch und Maschine aufgehoben und der Roboter kann direkt und nahtlos an die gewünschte Stelle bewegt werden, als wäre er der verlängerte Arm des Menschen.

Spacemouse kommt aus der Raumfahrt

Wie viele andere Produkte hat auch das Spacemouse-Modul seinen Ursprung in der Raumfahrt: Kernstück des 3D-Joysticks ist ein patentierter optoelektronischer Sensor, der berührungslos und damit verschleißfrei arbeitet und in einer früheren Version bereits zur Steuerung von Roboterarmen im Weltraum eingesetzt wurde. Der Sensor unterliegt im Betrieb keinem Abrieb, sodass es über die gesamte Lebensdauer des Joysticks zu keiner Veränderung des Sensorsignals kommt.

Der Sensor erfasst feinste Eingaben in allen drei Dimensionen – sowohl Verschiebungen als auch Drehungen. Er bietet alle sechs Freiheitsgrade zur freien Positionierung von Objekten im dreidimensionalen Raum. Durch die Flexibilität bei der Interpretation der Eingangssignale steuert der 3D-Joystick Mehrachsroboter, lässt sich für bildgebende Verfahren in der Medizintechnik, in professionellen Kameras und zum Programmieren von Bewegungsabläufen bei Robotern (Teachen) einsetzen. Das Spacemouse-Modul ist wahlweise mit serieller, USB- oder CANopen-Schnittstelle erhältlich. Die Montage des 3D-Joysticks ist dank Schraubflansch und geringer Einbautiefe von 15 mm unter dem Panel platzsparend.

Dieser Artikel ist zuerst erschienen auf unserem Partnerportal www.elektronikpraxis.de.

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