Universität Basel entwickelt Laserroboter für die Chirurgie Miniaturroboter operiert PC-basiert und präzise

An der Universität Basel entsteht mit MIRACLE II ein Miniaturroboter für die Chirurgie, der Knochen minimalinvasiv mit einem Laser bearbeiten soll. Er misst im Querschnitt nur 7,5 × 7,5 mm und wird mit PC-basierter Steuerungstechnik von Beckhoff angesteuert. Bisher ist er ein Forschungsprojekt.

Der Miniaturroboter MIRACLE II soll in der Chirurgie Knochen minimalinvasiv mit einem Laser bearbeiten. MIRACLE II ist die zweite Phase des von der Werner Siemens-Stiftung geförderten Projekts MIRACLE. Der Name steht für «Minimally Invasive Robot Assisted Computer-guided LaserosteotomE». Gemeint ist ein modularer Laserroboter für die minimalinvasive Knochenentfernung, die in Virtual Reality geplant und begleitet wird. Die Robotik-Elemente entwickeln Prof. Dr. Georg Rauter und sein Team an der Universität Basel. Sie stützen sich auf Steuerungstechnik von Beckhoff, insbesondere auf TwinCAT 3 Target for Simulink.

MIRACLE II ist am Department of Biomedical Engineering (DBE) der Medizinischen Fakultät 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», sagt Rauter, Leiter des BIROMED-Lab (Bio-Inspired RObots for MEDicine Laboratory). Der Roboter soll funktionale Schnitte mit hoher Präzision ausführen, für individuell angepasste Implantate, die direkt am Behandlungsort hergestellt werden.

Miniaturroboter in der Chirurgie: Laser direkt am Gewebe

Ziel sind klassische orthopädische Anwendungen. Dabei wird der Laser mit einem Endoskop über eine kleine Öffnung in den Körper eingeführt und bearbeitet den Knochen, um seine Geometrie und damit seine Stabilität zu verändern. Die Forschung denkt auch in Richtung regenerative Knorpelmedizin weiter. Als Plattform dient der Miniaturroboter, der unter anderem an der Weltausstellung 2025 in Osaka (Japan) gezeigt wurde. An ihm lässt sich die interdisziplinäre Zusammenarbeit anhand einer konkreten Anwendung im Knie darstellen, entweder Laser-Osteotomie oder regenerative Knorpelmedizin.

«Parallelrobotik kombiniert mit Laser, das ist bei uns in Basel der Kernfokus. Aktuell werden in der Chirurgierobotik grosse, am Boden platzierte Geräte mit aufwendig zu stabilisierenden kinematischen Ketten eingesetzt. Unser Miniaturroboter stützt sich hingegen lokal am Gewebe ab und führt dort auch den Laser ein, der 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 das Design mit 7,5 × 7,5 mm im Querschnitt einen sehr kleinen Footprint», erklärt Rauter.

PC-based Control als technologische Basis

Rauter arbeitet seit 2008 mit der PC-basierten Steuerungstechnik von Beckhoff. Er brauchte damals die Kommunikation mit mehreren Hundert, über einen grossen Raum verteilten Komponenten. Um die Probleme mit der Zahl der Schnittstellen und mit langen Signalleitungen zu vermeiden, suchte er ein busbasiertes System und stiess auf EtherCAT. Begonnen hat er als Doktorand mit einem Rudersimulator an der ETH Zürich, einem Seilroboter mit zwei Parallelrobotern. Die Sicherheitsfunktion war dort zunächst mit einer separaten Sicherheitssteuerung umgesetzt. Mit TwinCAT 3 nutzt das Team nun die integrierte Sicherheitstechnik TwinSAFE. Zudem konnte es seinen gewohnten Workflow mit grafischer Programmierung, MATLAB und Simulink beibehalten. Einen Blockkurs dazu gibt es jedes Jahr, er steht grundsätzlich auch Teilnehmenden aus der Industrie offen

Echtzeitoptimierung im Millisekundentakt

Die parallel geführten Antriebsstränge verlangen für die Synchronisation eine leistungsfähige Steuerung. Im Projekt kommen TwinCAT, der Embedded-PC CX2043 sowie EtherCAT- und TwinSAFE-Klemmen von Beckhoff zum Einsatz. Das planare System nutzt damit drei Freiheitsgrade: Vorwärts- und Rückwärtsbewegung, seitliche Bewegung und Rotation. Vier EtherCAT- und FSoE-fähige Servokleinmotoren, einschliesslich Redundanz, bringen den Roboter über flexible Spiralspindeln in die gewünschte Position.

«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», beschreibt Rauter die Besonderheit. Zudem lassen sich über ADS Drittkomponenten anbinden, etwa Vision-Komponenten auf Basis von maschinellem Lernen.

Vom Rudersimulator zum Technologietransfer

Die Forschung in Basel profitiert nach Angaben von Rauter von der Zusammenarbeit mit Beckhoff Schweiz. Er nennt kurze Rückmeldezeiten und die Möglichkeit, Hardware kurzfristig zu testen. So konnte das Team ein Jahr lang das Transportsystem XPlanar ausprobieren.

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 «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

sagt Rauter.
Bisher ist MIRACLE II ein Forschungsprojekt. Ein Produkt oder eine Zulassung gibt es noch nicht.