Präzise am Knie

Medizintechnik

Motoren – Knieoperationen wegen Arthrose nehmen zu und verlangen nach immer weiteren neuartigen Lösungen. Eine solche ist ein Navigationssystem mit Roboter und einem bürstenlosen autoklavierbaren Minimotor von Portescap.

10. November 2015

In einer alternden Bevölkerung steigt die Anzahl der Erkrankungen an Osteoarthrose, der am häufigsten vorkommenden Art von Arthrose des Knies. Bei der langsam fortschreitenden degenerativen Krankheit nutzt sich der Knorpel genauso langsam ab. Forscher schätzen das Risiko einer solchen Symptomatik in mindestens einem Knie bei 85 Jahre alten Patienten auf 45,5 Prozent. Fast jede zweite Person wird vor dem 85. Lebensalter an dieser Krankheit leiden. Wenn diese und andere Arten der Arthrose nicht mit konventionellen Behandlungsmethoden zu behandeln sind, müssen sich Patienten einem operativen Eingriff unterziehen.

Aber es gibt Hoffnung: Blue Belt Technologies hat das neuartige »Smart-Drill«-Operationssystem entwickelt, eine weniger invasive Lösung für einen teilweisen Kniegelenkersatz. Derzeit müssen ungefähr zwei bis fünf Prozent solcher Eingriffe innerhalb eines Jahres wiederholt werden, möglicherweise weil das Implantat nicht richtig ausgerichtet ist oder sich verschoben hat oder der Patient immer noch Schmerzen hat.

Implantat richtig positionieren

Dazu Brian Hamlin, orthopädischer Chirurg im Knochen- und Gelenkszentrum des Magee-Womens Hospital of UPMC und Mitglied des wissenschaftlichen Beratungsgremiums von Blue Belt: »Die Fähigkeit, das Implantat richtig zu positionieren, fördert die Haltbarkeit und ermöglicht einen langfristigen Erfolg für die Patienten.«

Darum entwickelte das Unternehmen mit dem NavioPFS ein Chirurgiesystem, das ein leistungsstarkes bildfreies, intraoperatives Planungs- und Navigationssystem mit chirurgischer Robotik der nächsten Generation, dem NavioPFS-Handstück, verbindet.

Dieses intelligente Tool wird über das integrierte chirurgische Navigationssystem in Echtzeit überwacht. Außerdem verfolgt es die Knochen des Patienten während eines Eingriffs am Knie in Echtzeit nach. Der Chirurg entwickelt mit Hilfe von interaktiver 3D-Software einen Operationsplan und verwendet zur Ausführung das intelligente Handstück.

Es lässt Schnitte nur an den Stellen zu, die in der 3D-Rekonstruktion des Patientengelenks vorab vom Chirurgen eingeplant wurden. Ein Motor passt die Position eines hinter einer statischen Schutzvorrichtung montierten rotierenden Bohrers Dutzende von Malen pro Sekunde an, während sich das Handstück im freien Raum bewegt.

Virtuelle Grenze für Schnitte

Die Technologie wird als Precision Freehand Sculpting (PFS) bezeichnet, da sich das vom Chirurgen kontrollierte Handstück frei im Raum bewegen kann und Zugriff auf die Anatomie des Patienten bietet, während die verschiedenen intelligenten Algorithmen in der Software ständig Anpassungen an der Fähigkeit des Instruments, die Knochenoberfläche zu bearbeiten, vornimmt.

Man kann sich dies als virtuelle Grenze vorstellen, die vom Chirurgen mit Hilfe der Planungssoftware festgelegt wird, um sicherzustellen, dass das Instrument keinesfalls außerhalb dieser Grenze schneidet, und zwar unabhängig von den Aktionen des Operateurs. Dadurch unterstützt die Präzision der Robotik die geschickten Hände des erfahrenen Chirurgen.

Eine der Herausforderungen bei der Entwicklung des orthopädischen Chirurgiesystems NavioPFS war die Suche nach einer leistungsstarken Steuerungslösung in Miniaturbauweise, die die anspruchsvollen Anforderungen an eine präzise Positionssteuerung von 0,01 Millimetern in einem kompakten Gehäuse von 12,7 Millimetern erfüllen konnte. Darüber hinaus musste der Motor autoklavierbar sein.

Gemeinsame Entwicklung

Ein Entwicklungsingenieur schlug daraufhin bürstenlose, genutete und sterilisierbare Motoren von Portescap vor, die für zahlreiche Reinigungen in medizinischen Umgebungen entwickelt wurden und in mehr als 1.000 Autoklavzyklen eine lange Standzeit gezeigt haben. Die Ingenieure beider Partner arbeiteten dann gemeinsam an der Entwicklung einer anwendungsspezifischen Lösung. Die größte Herausforderung war die Wahl eines geeigneten Miniaturmotors, der bei medizinischen Geräten im Operationssaal zahlreiche Anforderungen erfüllen muss und oft Kompromisse fordert.

Als wesentliches Kriterium für den Motor musste das Handstück zu sterilisieren sein und zudem wiederverwendbar. Dies ist beim B0512-DC-Motor von Portescap der Fall. »Diese Motorkombination wurde deshalb gewählt, weil Systemträgheit und Beschleunigungsrate kritische Faktoren bei einer kurzen Rückfahrzeit sind«, sagt Louis Mongin, Medical Project Manager bei Portescap. »Wir sind in der Lage, innerhalb von 48 Stunden Prototypen zu schicken und die Entwickler mit zusätzlichen elektronischen Bauteilen wie Getrieben zu unterstützen.«

Loic Lachenal, Medical Market Director bei Portescap, ergänzt: »Wir erwarten, dass in diesem Markt Miniaturmotoren und -steuerungen in zunehmendem Maße kritische Funktionen übernehmen werden.«

Und Adam Hahn, Maschinenbauingenieur bei Blue Belt Technologies, weist auf die starke Unterstützung von Portescap bei der Suche nach der idealen Lösung für die Anforderungen von Blue Belt Technologies hin: »Das Unternehmen hat über mehrere Entwurfsiterationen hinweg an der Ermittlung des optimalen Motors für die Einbindung in unser NavioPFS-System mit uns zusammengearbeitet. Keiner der anderen von uns geprüften Motoren war in der Lage, all unsere strengen Anforderungen zu erfüllen.«

Darum arbeitet der Antriebshersteller ständig daran, die zukünftigen Anforderungen des Markts für chirurgische Handwerkzeuge zu erfüllen, indem er neue Motoren konstruiert, die hervorragende Qualität mit Leistung kombinieren. »Im kommenden Jahr werden wir weitere innovative Motorlösungen auf diesem Markt vorstellen«, deutet Loic Lachenal abschließend an. mk

Auf einen Blick

Bürstenlose, genutete Motoren verwenden einen Stator aus gestapelter Stahllamination mit in den Nuten platzierten Wicklungen, die entlang des inneren Umfangs axial gekürzt sind.

- Verbesserte Wärmeableitung.

- Hohe Drehmomentdichte und Beschleunigung.

- Sehr lange Motorlebensdauer.

- Hohe Effizienz und Leistungsdichte.

- Einsatz in rauen Umgebungen möglich.

Erschienen in Ausgabe: 08/2015