Schnittstelle für OP-Kollegen

Seit einigen Jahren kommen in sterilen Umgebungen der Medizin OP-Roboter zum Einsatz. Sie unterstützen Mediziner bei der Planung und Durchführung von medizinischen Behandlungen und können beispielsweise bei der minimal-invasiven Chirurgie assistieren. Im vergangenen Jahr hat Kuka Robotics den LBR als „Medical Assistant“ vorgestellt. Als solcher könnte er in direkter Zusammenarbeit mit dem Chirurgen bei dem Ersatz eines Kniegelenks helfen – einem Verfahren, das weltweit jährlich etwa zwei Millionen Mal angewandt wird.

Bei dieser Operation wird sowohl vom Unter- als auch vom Oberschenkelknochen ein Stück mit einer medizinischen Säge entfernt, um das künstliche Gelenk aufsetzen zu können. Der LBR Med könnte bei diesem Vorgang assistieren, in dem der Chirurg ihn führt, sich aber dabei die Genauigkeit des Roboters zu Nutze macht. Der gesamte Vorgang wird mit einer speziellen Kamera überwacht und als 3D-Szene auf einem Bildschirm angezeigt. Durch optische Marker, die sowohl an den Knochen, als auch am LBR Med angebracht sind, erkennt die Kamera exakt die Position des Knochens und des Roboters. Durch trichterförmige virtuelle Wände, die sich mit dem Knochen mitbewegen, wird der Arbeitsraum des Chirurgen beschränkt. Er wird zielgenau zu der zu sägenden Stelle geführt, ohne dass er die Kontrolle über diesen Teil der Operation abgibt, gleichzeitig kann er bei der Durchführung des Vorgangs nicht „abrutschen“ und den Schnitt akkurat durchführen. Vorteil für den Patienten: Auch die Genauigkeit beim Platzieren des Implantats wird verbessert.

Geforscht wird auf dem Gebiet der roboterassistierten Chirurgie bereits seit Mitte der 80er Jahre. Bisher existieren jedoch nur wenige medizinische Applikationen, die einen kommerziellen Erfolg aufweisen können. Der komplexe und zeitintensive chirurgische Workflow sowie die unzureichende Genauigkeit des Gesamteingriffes sind herausfordernde Komponenten.

Mit dem Ziel, der wissenschaftlichen Community allgemeine Schnittstellen für den LBR Iiwa zur Verwendung im medizinischen Umfeld zur Verfügung zu stellen, wurde das Projekt im März 2012 gestartet. Auf Basis der Java-basierten Kuka Sunrise Robotics API hat Sebastian Tauscher, Doktorand am Lehrstuhl für Mechatronische Systeme, mit seinem Team unter der Leitung von Institutsleiter Prof. Dr.-Ing. Tobias Ortmaier in den vergangenen eineinhalb Jahren Java-Bibliotheken entwickelt, die jetzt für Anschlussforschungen genutzt werden können. „Die Besonderheit ist, dass die Wahl der Schnittstelle auf eine Open-Source-Standardschnittstelle gefallen ist. Mit Open IGT Link wurde ein offenes Protokoll ausgewählt, das auf die Verknüpfung und Integration von Geräten und Systemen im OP spezialisiert ist“, erläutert Ortmaier die Eigenschaften der gewählten Schnittstelle.

Mit der Wahl der ebenfalls offen verfügbaren und weit verbreiteten Software für Visualisierung und Bildverarbeitung „3D Slicer“ konnte das Forschungsziel erreicht werden. Via Open IGT Link ist es jetzt möglich, „3D Slicer“ und die Kuka-Steuerung Sunrise miteinander zu verbinden. Dadurch kann der medizinische Workflow mit dem Arbeitsablauf des Roboters verknüpft werden. Mit der Unterstützung des Bostoner Brigham and Women’s Hospital entstand eine Erweiterung der bildverarbeitenden Software 3D Slicer „Light Weight Robot IGT“, die frei zur Verfügung steht. Mit ihr kann der Leichtbauroboter kommandiert, beispielsweise eine Zustandsmaschine auf der Robotersteuerung bedient sowie die aktuelle Position des Roboters relativ zu Computertomographie- oder Magnetresonanztomographie-Daten visualisiert werden.

Sowohl bei der Erweiterung der 3D-Slicer-Software als auch bei der Steuerungserweiterung der Kuka Sunrise kann der Nutzer direkt auf den Quellcode zugreifen und so die mitgelieferte Beispielapplikation aus der orthopädischen Chirurgie individuell und seinen Wünschen entsprechend anpassen. Darüber hinaus können die neuen Software-Pakete, ganz dem Gedanken von Open-Source-Angeboten folgend, stetig weiterentwickelt werden. Tauscher ist stolz auf sein Projekt: „Auf dem Weg zu einem praxistauglichen Medizinprodukt ist die einfache Anbindung und Integration des roboterbasierten Assistenzsystems in ein bildgestütztes Therapiesystem ein wichtiger Schritt.“ Im Bereich der Medizininformatik werden sich Forschungsgruppen und Gremien auch künftig mit der einfacheren Anbindung und Vernetzung von intelligenten Geräten innerhalb eines modernen Operationssaals beschäftigen. Dabei wird vor allem die Kommunikation der Geräte untereinander im Fokus stehen. „Mit derartigen Kooperationen gelingt es uns, Kompetenzen aus Industrie und Wissenschaft effizient miteinander zu verknüpfen. Auch bei diesem Projekt freuen wir uns über eine Win-Win-Situation“, erklärt Michael Otto, Leiter Division Healthcare bei der Kuka Roboter GmbH.

Wolfgang Meisen Kuka Roboter, Gersthofen

Operateur und Roboter könnten künftig enger zusammenarbeiten

Im Rahmen des Kooperationsprojekts erarbeitet das Institut für Mechatronische Systeme zusammen mit der Kuka Laboratories GmbH ein generisches Schnittstellenkonzept zur Anbindung eines Leichtbauroboters an ein bildgestütztes Therapiesystem. Basierend auf den Ergebnissen einer abgeschlossenen Recherche existierender Standards sowie offener und proprietärer Schnittstellen, wurden relevante Standards identifiziert und benötigte Schnittstellen definiert sowie die Anforderungen an diese spezifiziert. Als ein Ergebnis dieses Projektes wurde eine auf dem offenen Protokoll Open IGT Link basierendes Schnittstellenkonzept aufgebaut und für die Sunrise-Steuerung des LBR Iiwa implementiert. Mittels dieser Schnittstellen kann eine Zustandsmaschine auf der Robotersteuerung bedient sowie die aktuelle Roboterlage gesendet werden. Die entstandene Software ist unter einer BSD-Lizenz auf Git Hub veröffentlicht und ist frei zugänglich.

Zusätzlich wurde als Beispiel-Software zur Visualisierung und Ablaufsteuerung des Roboters ein 3D-Slicer-Modul entwickelt, welches als Slicer-Extension über den Extension-Manager zusätzlich installiert werden kann. Ein Tutorials zu der Verwendung des Slicer Moduls Light Weight Robot IGT sowie zur Einführung in das Schnittstellenkonzept stehen ebenfalls zur Verfügung.

Weitere Informationen: www.imes.uni-hannover.de