Forschungsprojekt AMICI - Angetriebene minimalinvasive chirurgische Instrumente

Als Minimal-Invasive Chirurgie (MIC) werden operative Eingriffe mit kleinstem Trauma (Verletzung von Haut und Weichteilen) bezeichnet. Die Vorteile dieser „Schlüsselloch-Operationstechnik“ mit nur kleinen Schnitten beim Zugang zum Operationsgebiet, liegen in den geringeren Schmerzen nach der Operation und in einer rascheren Erholung und Mobilisation des Patienten.

Minimalinvasive Knieoperation

Besonders erfolgreich wird die Minimal-invasive Chirurgie im Bereich der Arthroskopie eingesetzt, da die Gelenke durch einen Bandapparat zusammengehalten werden und diese Operationstechnik die beste Möglichkeit ist, in den schmalen Spalt zwischen den Gelenkflächen zu gelangen und Verletzungen zu therapieren. Hierbei werden mit motorisch angetriebenen minimal-invasiven Schneidköpfen (Shaver blades) mit Durchmessern von ca. 2,0 mm bis 5,5 mm Gewebe, Knorpel und Knochen innerhalb der Gelenke entfernt.

Prinzip Rotationsschnitt

Im Gegensatz zu manuellen chirurgischen Instrumenten, wie dem Skalpell, das nach dem Prinzip des Messerschnitts arbeitet, liegt bei der Gewebeabnahme durch einen Shaver blade das Prinzip des Scherschnittes vor, bei dem das Gewebe, wie bei einem Schnitt mit einer Schere, durch zwei Schneiden getrennt wird. Das Gewebe wird durch die erste Schneide festgehalten, und gegen diese arbeitet dann die zweite Schneide, daher eignet sich das Scherschnittprinzip besonders für nicht eigensteife Materialien. Allerdings liegt bei minimal-invasiven Schneidköpfen kein paralleler Scherschnitt sondern ein Rotationsschnitt vor, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die beiden Schneidkanten auf einer Rotationsbahn aneinander vorbeigleiten.

Schnittbedinungen an einem Shaver Blade

Shaver blades sollen zudem noch möglichst klein sein, um möglichst kleine Zugänge zum Operationsgebiet zu haben und auch in engen Spalten innerhalb von Gelenken arbeiten zu können. Allerdings wird, bei immer kleiner werdendem Schneidkopfaußendurchmesser und einer aus Stabilitätsgründen nicht zu unterschreitenden Wandstärke des Instruments, die sich daraus entwickelnde geometrische Schneidengeometrie immer ungünstiger für einen Rotationsschnitt. Hier können neu erntwickelte Schneidengeometrien und Instrumentenkinematiken eine neue Qualität der Schnittergebnisse liefern.

Analyse einer Schneidengeometrie mittels Finite-Elemente-Methode (FEM)

Gemeinsam mit dem Projektpartner wurden mehrere unterschiedliche Schneidenkonzepte entwickelt und in CAD-Modellen abgebildet. Die Finite-Elemente-Methode zerlegt diese Modelle mithilfe eines Vernetzungsalgorithmus in diskrete kleinste Strukturen, die in ihrer Gesamtheit einer Belastungssimulation ausgesetzt werden.  Do können neue Potenziale für die Weiterentwicklung der bestehenden Schneidengeometrien aufgezeigt werden, von denen erfolgreiche und mit vertretbarem Aufwand herstellbare Verbesserungen in neue Shaverprototypen übernommen werden.

Vorversuch mit Ø 4,5 mm Shaver Blade

Ziel des Forschungsprojektes ist es, gemeinsam mit unserem Projektpartner neue innovative Schneidengeometrien für Rotationsmesser marktfähig zu entwickeln und die entstehenden Prototypen auf einem dafür gebauten Prüfstand systematisch und wiederholgenau gegeneinander zu testen.

Entwickelter automatisierter Prüfstand für Shaver Blades
Ausstellung auf der Messe MEDICA

Mit der Finalisierung des Projektes und der Fertigstellung des neuen Prototyp-Shaver Blades wurde der Prototyp und der gesamte Prüfstand eine Woche lang auf der internationalen Medizintechnikmesse MEDICA auf dem Gemeinschaftsstand des Landes Rheinland-Pfalz ausgestellt.

Projektpartner des AMICI-Projektes

Projektleitung

Prof. Dr. Karl Hofmann-von Kap-herr
Prof. Dr. Karl Hofmann-von Kap-herr
Professor FB Technik - FR Maschinenbau

Standort

Schneidershof | Gebäude A | Raum 210
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