Forscher der Universität Leeds haben ein neues Design für sehnenangetriebene Kontinuumsroboter (TDCRs) entwickelt, das auf eines der schwierigsten Probleme in der minimalinvasiven Medizin abzielt: das Erreichen kleiner, schwer zugänglicher Läsionen tief in der Lunge. Ihr in den „IEEE/ASME Transactions on Mechatronics“ veröffentlichter Entwurf basiert auf einem Fertigungsansatz, der mit herkömmlicher maschineller Bearbeitung oder Standard-3D-Druck nicht realisierbar war – und genau hier spielte der microArch S140 von BMF eine entscheidende Rolle.
Das Problem: Die Erreichbarkeit peripherer Lungenknoten
Die Bronchoskopie ist ein Mittel der ersten Wahl zur Diagnose und Behandlung von Lungenerkrankungen, doch herkömmliche Bronchoskope haben Schwierigkeiten, sich durch die gewundenen, sich verengenden Atemwege zu bewegen, die überwunden werden müssen, um Knoten an der Lungenperipherie zu erreichen. Die bereits auf dem Markt erhältlichen robotergestützten Bronchoskopie-Systeme verbessern zwar die Reichweite und Stabilität, basieren jedoch in der Regel auf komplexen, kostspieligen mechanischen Baugruppen, die sich nur schwer an unterschiedliche Eingriffe oder die Anatomie des jeweiligen Patienten anpassen lassen.
Das Team aus Leeds unter der Leitung von Burak Ozdemir, Pietro Valdastri und James Chandler machte sich daran, etwas Einfacheres zu entwickeln: einen Kontinuumsroboter, der kompakt genug für die Navigation in den distalen Atemwegen ist, modular genug, um ohne vollständige Neukonstruktion umkonfiguriert werden zu können, und dennoch in der Lage ist, eine Kamera, eine Lichtquelle und ein Biopsieinstrument durch einen offenen zentralen Kanal aufzunehmen.
Die Konstruktion: Ein Federrückgrat mit selbstverankernden Scheiben
Anstatt den Körper des Roboters aus einzelnen, im 3D-Druck hergestellten spiralförmigen Segmenten aufzubauen (ein gängiger Ansatz in früheren Arbeiten), nutzt das Design aus Leeds eine durchgehende, handelsübliche Spiralfeder als Rückgrat, auf die speziell angefertigte Distanzscheiben aufgeschraubt werden, um die Sehnenverläufe und Segmentgrenzen festzulegen.
Die Scheiben werden mit einer passenden Gewindesteigung direkt auf die Feder geschraubt und rasten allein durch Reibung ein – es sind weder Klebstoffe noch Befestigungselemente erforderlich. Dieser „selbstverankernde“ Mechanismus macht das Design modular: Der Abstand zwischen den Scheiben, die Segmentlänge und die Anordnung der Sehnen lassen sich alle anpassen, ohne dass der Roboter von Grund auf neu konstruiert werden muss.
Das Team demonstrierte dies anhand eines aus zwei Segmenten und sieben Sehnen bestehenden Prototyps: Ein proximales Segment, das aus Scheiben besteht, die an der Außenseite der Feder verankert sind, und ein distales Segment, das aus konzentrisch angeordneten, ineinander verschachtelten Scheiben besteht. Das Ergebnis ist ein Roboter mit einem Außendurchmesser von nur 4,2 mm, der einen 2,4 mm breiten Arbeitskanal beherbergt, der groß genug für eine Minikamera, eine faseroptische Lichtquelle und eine Biopsienadel ist.
Wo der mikropräzise 3D-Druck ins Spiel kam
Ob diese konzentrische Anordnung funktioniert, hängt vollständig davon ab, wie präzise die Scheiben gefertigt sind. Die inneren Scheiben (Typ 1) mussten sich reibungslos auf den Mitteldurchmesser der Feder aufschieben lassen und gleichzeitig genügend Spielraum lassen, um eine äußere Scheibenschicht (Typ 2) um sich herum aufzunehmen – und das alles in einem Roboter, der kaum breiter ist als eine Nadel mit großem Durchmesser. Schon bei geringsten Abweichungen von den Toleranzen sitzen die Scheiben entweder nicht richtig auf der Feder oder lassen keinen Platz für die Sehnenführungslöcher und den zentralen Arbeitskanal.
Das Team aus Leeds fertigte diese Typ-1-Scheiben mit dem Mikropräzisions-3D-Drucker „microArch S140“ von BMF und verwies dabei ausdrücklich auf die Notwendigkeit engerer Maßtoleranzen, um eine konzentrische Integration mit der äußeren Schicht der Scheibe zu gewährleisten. Dies ist ein Fall, in dem der 3D-Druck mit Standardauflösung oder die maschinelle Bearbeitung Schwierigkeiten hätten, die in diesem Maßstab erforderliche Geometrie einzuhalten, und in dem die Kombination aus Detailauflösung und Maßgenauigkeit der Projection Micro Stereolithography (PµSL)-Technologie von BMF die Umsetzung des Designs ermöglichte.
Die früheren Versuche des Teams, diese Scheiben auf einer Standard-SLA-Plattform herzustellen, stießen auf ein echtes Problem: Die Sehnen verklemmten sich während der Betätigung – ein Fehlermodus, der eine zuverlässige Biegung und Werkzeugzuführung in einem Gerät untergraben würde, das für die Navigation in empfindlichen Atemwegen vorgesehen ist. Die Umstellung der Typ-1-Scheiben auf den microArch S140 von BMF löste das Verklemmen, da die engeren Toleranzen von PµSL die Geometrie der Sehnenführung konsistent genug hielten, um eine reibungslose, wiederholbare Bewegung zu gewährleisten.
Wie sich der Roboter bewährt hat
Nachdem der Prototyp zusammengebaut war, unterzog das Team ihn einer Reihe von Validierungstests:
- Charakterisierung des Arbeitsraums:Die Erfassung von rund 25.000 Spitzenpositionen bei zufällig gesteuerten Seilzugbewegungen zeigte eine große, nahezu omnidirektionale Biegefähigkeit, wobei der Roboter sich um mehr als 310° biegen konnte, ohne dass die strukturelle Integrität oder die Ausrichtung der Seile beeinträchtigt wurde.
- Modellvalidierung:Ein kinematisches Modell mit stückweise konstanter Krümmung sagte die Spitzenposition mit einem mittleren Fehler von etwa 4,0 mm voraus – was innerhalb eines Roboterdurchmessers liegt.
- Phantom-Navigation:Mithilfe eines 3D-gedruckten Lungenphantoms, das auf realen CT-Daten von Patienten basiert, navigierte der Roboter erfolgreich zu vier unterschiedlichen Zielen in verschiedenen Atemwegsgenerationen, wobei der durchschnittliche Positionierungsfehler 2,35 mm betrug und die Navigationszeiten zwischen 67 und 82 Sekunden lagen. An jedem Ziel führte er erfolgreich eine Biopsienadel durch seinen Arbeitskanal ein, um eine Gewebeentnahme zu simulieren.
Warum das wichtig ist
Diese Arbeit ist ein gutes Beispiel dafür, wie die Mikropräzisionsfertigung Roboterarchitekturen ermöglichen kann, die zuvor schlichtweg nicht praktikabel waren – nicht durch die Verkleinerung bestehender Konstruktionen, sondern dadurch, dass völlig neue mechanische Strategien (wie selbstverankernde, verschraubte Scheibenbaugruppen) im Millimeterbereich realisierbar werden. Für Teams im Bereich der Medizintechnik, die an Kontinuumsrobotern, steuerbaren Kathetern oder anderen kompakten chirurgischen Instrumenten arbeiten, bietet dies einen Einblick darin, wie toleranzkritische Komponenten schon lange bevor die Antriebstechnik oder Steuerung zum Engpass wird, einen limitierenden Faktor darstellen können.
Lesen Sie den vollständigen Artikel„Spring-Based Tendon-Driven Continuum Robots for Compact Modular Designs in Endoluminal Applications“ in den IEEE/ASME Transactions on Mechatronics.
