Hochpräzise Knochenchirurgie mit Miniaturroboter

MIRACLE II ist die zweite Phase des von der Werner Siemens-Stiftung geförderten MIRACLE-Projekts. Der Name steht für Minimally Invasive Robot Assisted Computer-guided LaserosteotomE, d. h. für einen modularen Laserroboter für minimalinvasive Knochenentfernung, die in Virtual Reality geplant und begleitet werden. Entwickelt wurden die Robotik-Elemente dieses Systems von Prof. Dr. Georg Rauter und seinem Team von der Universität Basel, und zwar basierend auf der Beckhoff Steuerungstechnik und insbesondere auf TwinCAT 3 Target for Simulink^®.

MIRACLE II ist am Department of Biomedical Engineering (DBE) der Medizinischen Fakultät an der Universität Basel angesiedelt. „Dort werden Forscher:innen aus den Bereichen Informatik, Ingenieurwesen, Robotik, Laserphysik, Chirurgie und anderen Disziplinen zusammengebracht, um die Knochenchirurgie ins Weltraumzeitalter zu führen“, so Prof. Dr. Georg Rauter, Leiter des BIROMED-Lab (Bio-Inspired RObots for MEDicine Laboratory) am DBE. Der entsprechende Miniaturroboter werde funktionale Schnitte in bisher unerreichter Präzision für individuell angepasste, direkt am Behandlungsort hergestellte Implantate ausführen.

PC-based Control als technologische Basis

Im Rahmen seiner Forschungen arbeitet der Robotiker Prof. Dr. Georg Rauter schon seit dem Jahr 2008 mit der PC-basierten Steuerungstechnik von Beckhoff. Den Ausgangspunkt beschreibt er folgendermaßen: „Wir benötigten damals eine Kommunikation mit mehreren 100, über einen großen Raum verteilten Komponenten. Zudem gab es vorwiegend PCI-Bus- oder PCI-Express-Bus-basierte Messtechnikkarten. Um die zunehmenden Schwierigkeiten hinsichtlich der Schnittstellenanzahl und Signalleitungslängen zu vermeiden, suchten wir ein busbasiertes System und sind hierbei auf EtherCAT als passende Lösung und damit auch auf Beckhoff als geeigneten Steuerungsanbieter gestoßen.“

Als Doktorand hat er seine Aktivitäten mit der Entwicklung eines Rudersimulators an der ETH-Zürich begonnen, basierend auf einem Seilroboter. Dabei stand die synchronisierte Ansteuerung von zwei seilbasierten Parallelrobotern mit je fünf Antriebssträngen im Vordergrund. Ziel dieses Rudersimulators war es, Menschen über einen intelligenten Algorithmus autonom Bewegungen beizubringen, indem der Simulator personalisiertes multimodales Feedback zur Bewegungsausführung gibt. Prof. Dr. Georg Rauter erläutert: „Die Intention war, bei gesunden Personen das Bewegungslernen in komplexen Bewegungen zu erforschen. Da beim Rudern aber z. B. beim Eintauchen des Ruders große Kräfte entstehen können, die der Simulator auch wiedergeben können muss, war Sicherheit ein zentrales Element des Simulators. Die Safety-Funktionalität war zunächst noch mit einer separaten Sicherheitssteuerung realisiert. Mit TwinCAT 3 nutzen wir nun die systemintegrierte Sicherheitstechnik TwinSAFE, die z. B. auch eine nahtlose Einbindung ins HMI ermöglicht. Ein zusätzlicher Vorteil von TwinCAT 3 liegt darin, dass wir den gewohnten Workflow beibehalten konnten. So können wir weiterhin eine grafische Programmieroberfläche sowie die Programmierung mit MATLAB^® und Simulink^® nutzen. Der Workflow mit TwinCAT 3 Target for Simulink^®, der ein direkt in TwinCAT einbindbares C++-Projekt und nach dem Kompilieren den passenden Maschinencode liefert, gefällt mir sehr gut.“ Zudem komme der TwinCAT-Arbeitsablauf auch den Studierenden im Masterstudium sowie neuen Mitarbeitern entgegen: „Es gibt dazu in jedem Jahr einen Blockkurs – zweimal in Basel und wegen seiner großen Beliebtheit inzwischen auch einmal in Innsbruck. Hinzu kommen entsprechende Workshops anlässlich von uns veranstalteter Kongresse. Prinzipiell sind diese Kurse auch offen für Industrieteilnehmer:innen, die sich speziell für die Implementierung von MATLAB^® und Simulink^® in TwinCAT 3 interessieren.“

Umsetzung in der Chirurgierobotik

Das Robotik-Know-how und die Erfahrungen mit PC-based Control hat Prof. Dr. Georg Rauter im Rahmen des Projekts MIRACLE II für die Chirurgierobotik umgesetzt. Ziel sind dabei klassisch-orthopädische Anwendungen, bei denen in einer minimalinvasiven Operation der Laser mit einem Endoskop über eine kleine Öffnung in den Körper eingeführt wird und den Knochen anschließend präzise bearbeitet bzw. in seiner Geometrie und damit Stabilität verändert. Ausgehend von diesen Forschungen wird auch in Richtung regenerative Knorpelmedizin weitergedacht. Hierzu dient als Plattform der u. a. auf der Weltausstellung 2025 in Osaka, Japan präsentierte Miniaturroboter, mit dem die interdisziplinäre Zusammenarbeit anhand einer konkreten Anwendung im Knie – Laser-Osteotomie oder regenerative Knorpelmedizin – dargestellt werden kann.

Prof. Dr. Georg Rauter erläutert hierzu: „Parallelrobotik kombiniert mit Laser, das ist bei uns in Basel der Kernfokus und in den miniaturisierten Dimensionen auch einzigartig. Aktuell werden in der Chirurgierobotik große, am Boden platzierte Geräte mit entsprechend großen, für ausreichende Präzision aufwendig zu stabilisierenden kinematischen Ketten eingesetzt. Unser Miniaturroboter stützt sich hingegen lokal am Gewebe ab und führt dort auch den Laser ein, der zudem selbst keine Interaktionskräfte aufweist. Somit lässt sich das System sehr genau positionieren, ohne dass Störkräfte zu kompensieren wären. Die erforderlichen Drehmomente werden von außen über flexible Spindeln eingebracht. Insgesamt ergibt dieses Design mit 7,5 x 7,5 mm im Querschnitt einen sehr kleinen Footprint.“

Leistungsfähige Steuerungstechnik gefragt

Die parallel zu führenden Antriebstränge erfordern für die Synchronisation eine leistungsfähige Steuerungstechnik, wie sie mit TwinCAT, dem Embedded-PC CX2043 sowie den EtherCAT- und TwinSAFE-Klemmen von Beckhoff zur Verfügung steht. Damit kann das planare System zuverlässig seine drei planaren Freiheitsgrade nutzen: Vorwärts-/Rückwärtsbewegung, seitliche Bewegungen und Rotation. Zum Einsatz kommen hierfür inkl. Redundanz insgesamt vier EtherCAT- und FSoE-fähige Servokleinmotoren, die über flexible Spiralspindeln den Roboter zur gewünschten Position bringen. Prof. Dr. Georg Rauter beschreibt die steuerungstechnische Besonderheit folgendermaßen: „Aufgrund des redundanten Antriebs muss die Steuerung kein lineares Gleichungssystem, sondern ein Echtzeitoptimierungsproblem lösen, um iterativ – und zwar mehrmals jede Millisekunde – zu einem möglichst optimalen Ergebnis zu kommen.“

Die hohe Funktionalität von TwinCAT wird laut Prof. Dr. Georg Rauter in einem breiten Umfang genutzt: „Ein gutes Beispiel ist TwinCAT HMI, bei dem mir besonders der Datenaustausch über verschiedene Logiken hinweg gut gefällt – von C++ zur SPS bzw. Hardware und bis hin zu Safety. Zudem lassen sich unsere Kinematiken komfortabel in TwinCAT einbinden und man kann über ADS einfach mit Drittkomponenten kommunizieren, beispielsweise mit Machine-Learning-basierten Vision-Komponenten. Diese Offenheit und Flexibilität bieten TwinCAT und EtherCAT nicht zuletzt durch ihre weite Verbreitung. Daher stehen für alle Anforderungen auch Komponenten mit den passenden Schnittstellen zur Verfügung.“

Benefits durch enge Zusammenarbeit

Die Forschungen an der Universität Basel profitieren laut Prof. Dr. Georg Rauter auch von der engen Zusammenarbeit mit Beckhoff Schweiz. Wichtige Aspekte seien hierbei die sehr kurzen Rückmeldungszeiten bei konkreten Anfragen sowie die Möglichkeit, Hardware auch kurzfristig testen zu können. So habe man beispielsweise ein Jahr mit dem intelligenten Transportsystem XPlanar das Anwendungspotenzial testen können. Hinzu komme, dass eigene Entwicklungsvorschläge hinsichtlich der Steuerungstechnik offen angehört und geprüft würden.

„Vor bereits zehn Jahren hat die sichere und zuverlässige Kommunikations- und Automatisierungstechnologie von Beckhoff, die wir ursprünglich auf dem Rudersimulator an der ETH verwendet haben, einen Technologietransfer ermöglicht: In Form des weltweit ersten Seilroboters für freie, gewichtsentlastete 3D-Gangrehabilitation über Boden, genannt ‚The FLOAT‘, gemeinsam mit der Reha-Stim Medtec AG, Schlieren, Schweiz und dem Zentrum für Paraplegie der Universität Zürich am Balgrist. Wir freuen uns nun darauf, diesen Schritt der Kommerzialisierung dank robuster Automatisierungstechnik auch möglichst bald in der Chirurgierobotik zu schaffen.“