@artificial_steve • Instagram-Fotos und -Videos
Die roboterassistierte Chirurgie ermöglicht präzisere Eingriffe, besonders in der Orthopädie. In diesem Projekt wird eine Patellofemoral-Gelenkersatzoperation simuliert, bei der ein Roboterarm den beschädigten Knorpel im Knie selbstständig entfernt. Anhand eines virtuellen 3D-Kniemodells wählt der Chirurg die zu behandelnde Bereiche aus und der Roboterarm führt den Eingriff eigenständig durch. Der Roboterarm wurde mittels 3D-Druck gefertigt und mit einem Bohrkopf ausgestattet. Die Steuerung erfolgt über einen Arduino Uno Chip, der die Bewegungen der Schrittmotoren steuert. Eine Unity-basierte Software ermöglicht die Kommunikation mit dem Roboterarm und stellt die Benutzerschnittstelle sowie das virtuelle Kniegelenksmodell bereit. Das Projekt kombiniert Mechanik und Software, um die Funktionsweise autonomer roboterassistierter Chirurgie zu demonstrieren. Das Projekt dient als Prototyp, welcher in der Schule oder an Universitäten als Demonstrator dienen kann.
Projektidee
Die grundlegende Idee unseres Projekts besteht darin, eine roboterassistierte Patellofemoral-Gelenkersatzoperation zu simulieren. Es entstand im Rahmen meines 5. Abiturfaches am Gymnasium in den Filder Benden als Abschlussprojekt. Ziel war es, eine realitätsnahe Simulation zu erstellen, die an Schulen und Universitäten für Lehrzwecke eingesetzt werden kann. Der Roboterarm entfernt dabei den geschädigten Knorpel im Knie eigenständig und ersetzt ihn durch ein Metallimplantat, basierend auf einem virtuellen 3D-Bild des Kniegelenks.
Die Idee entwickelte sich aus dem Wunsch, die roboterassistierte Chirurgie zu erforschen. Unterstützt wurde ich dabei von meinem Informatiklehrer Marc Lachmann sowie vom Karl-Leisner Klinikum in Kleve, das mir fachlichen Rat zur Verfügung stellte.
Inspiration und Motivation für das Projekt kamen aus meinem Interesse an moderner Technologie und Medizin. Es motivierte mich, eine innovative Lösung zu schaffen, die nicht nur in der Theorie, sondern auch praktisch anwendbar ist.

Konzept
Das Projekt wurde durch den Mako-Roboter von Stryker inspiriert, der bei Kniegelenkersatzoperationen eingesetzt wird. Auf Grundlage dieser Inspiration entschied ich mich, den Kniebereich als Operationsfeld zu wählen, um Arthritis zu behandeln. Da es jedoch im späteren Design Schwierigkeiten gab, mit dem Roboterarm die betroffenen Bereiche des Kniegelenks zu erreichen, fokussierte ich die Simulation auf das Patellofemoral-Gelenk. Dieses war einfacher zugänglich, allerdings tritt Arthritis dort seltener auf.

Ursprünglich hatte ich geplant, lediglich eine Software zu entwickeln, die den Pfad berechnet, entlang dessen der Roboterarm die Operation durchführen würde. Bei der Suche nach einem geeigneten Roboterarm stellte ich jedoch fest, dass kostengünstige Modelle oft nur für Hobbyprojekte geeignet sind und nicht die erforderliche Präzision für medizinische Anwendungen bieten, da sie meist mit Servomotoren ausgestattet sind. Im mittleren Preissegment waren die verfügbaren Optionen begrenzt, während präzise Modelle oft über 1.000 Euro kosteten. Daher entschloss ich mich, einen eigenen Roboterarm zu bauen.
Realisierung
Für das Projekt gab es mehrere Komponenten, die ich Schritt für Schritt umsetzen musste. Zunächst lag der Fokus auf der Software, die ich mit Unity3D entwickelte. Weitere wichtige Bestandteile waren die Programmierung von Arduino-Mikrocontrollern und die Entwicklung des Roboterarms in einer CAD-Software. Da alle drei Komponenten eng miteinander verknüpft waren, mussten sie im Laufe der Entwicklung immer wieder angepasst werden. Änderten sich beispielsweise die Motoren des Roboterarms, so musste auch die Hardware der Mikrocontroller sowie die Software in Unity entsprechend angepasst werden.

Die größten Herausforderungen traten beim Bau des Roboters auf. Zunächst versuchte ich, erste Designs mit Servomotoren umzusetzen, und baute einen kleinen Prototypen mithilfe eines Lasercutters, um mich mit den Motoren und deren Steuerung vertraut zu machen. Später entwarf und fertigte ich einen neuen Roboterarm, der mit einem 3D-Drucker hergestellt wurde. Dabei stellte ich jedoch fest, dass Servomotoren für meine Anforderungen ungeeignet waren. Daher verwarf ich dieses Konzept und entwickelte einen neuen Arm, diesmal basierend auf Schrittmotoren.
Um das Projekt erfolgreich umzusetzen, musste ich mir viele neue Fähigkeiten aneignen, da ich zuvor weder mit CAD-Software gearbeitet noch Arduino-Mikrocontroller programmiert hatte, geschweige denn diese mit Unity verbunden hatte. Meine Vorerfahrung beschränkte sich hauptsächlich auf Unity und Blender, womit ich die Modelle erstellt hatte.
Funktion
Anfangs hatte ich keine konkrete Zielgruppe oder spezifische Einsatzmöglichkeiten im Kopf. Mittlerweile würde ich jedoch sagen, dass diese Art der Simulation hervorragend als Demonstration in Schulen und Universitäten genutzt werden könnte, um einen Bildungsauftrag zu erfüllen und Jugendlichen die roboterunterstützte Chirurgie näherzubringen.
Für das Projekt entwickelte ich die Software, mit der der Roboter über ein grafisches Benutzerinterface (GUI) gesteuert wird, in Unity3D.


Die 3D-Modelle, wie beispielsweise das 3D-gedruckte Bein, erstellte ich in Blender. Den Roboterarm entwarf ich in der CAD-Software Onshape von PTC, basierend auf einem Design des YouTubes Kanal RoTechnic. Als Mikrocontroller kamen Arduino Uno zum Einsatz, und für den Bohrkopf am Endeffektor des Roboters nutzte ich einen einfachen DC-Motor mit einer H-Bridge. Die genauen technischen Spezifikationen sind in der Projektdokumentation festgehalten.

Mit dem Projekt habe ich meine ursprünglichen Ziele erreicht und das Ergebnis wurde bereits auf verschiedenen Plattformen wie Ausstellungen (z. B. Maker Faire) sowie in Medienberichten (z. B. WDR) positiv bewertet. Auch in meiner Abiturprüfung wurde meine Arbeit mit anerkennendem Feedback gewürdigt. Trotz der erfolgreichen Umsetzung bietet das Design weiterhin Raum für Optimierungen. So könnte beispielsweise die Reibung im Zahnrad der Basis reduziert werden, um ein geschmeidigeres Funktionieren zu gewährleisten. Auch der Endeffektor könnte durch den Einsatz eines zusätzlichen Getriebes oder eines kleinen Servomotors an Stabilität gewinnen. Darüber hinaus könnten Sensoren integriert werden, um die Präzision des Roboters weiter zu steigern. Diese Aspekte bieten spannende Möglichkeiten für zukünftige Weiterentwicklungen.


Innovation und Nachhaltigkeit
Im Rahmen des vorliegenden Projekts wurden mehrere innovative Ansätze verfolgt und zum Teil eigenständig entwickelt. Ein wesentlicher, neuartiger Ansatz bestand in der Entscheidung, den Roboterarm nicht nur assistierend einzusetzen, wie es in der gängigen roboterassistierten Chirurgie üblich ist, sondern die Operation nahezu vollständig autonom durchzuführen. Der Chirurg definiert lediglich den zu operierenden Bereich, während der Roboterarm die nachfolgenden Schritte des Eingriffs mit Präzision und Selbständigkeit durchführt. Diese Weiterentwicklung unterscheidet sich von bestehenden Systemen, da sie die Funktionsweise des Roboterarms optimiert und gleichzeitig die menschliche Kontrolle minimiert. Dadurch wird der gesamte Prozess präziser und sicherer, da der Roboter automatisch erkennt, wenn er den vorgesehenen Bereich verlässt, und sofort die Operation unterbricht, um mögliche Komplikationen zu vermeiden.
In Zukunft würden wir das Projekt gerne weiterentwickeln, indem wir die Autonomie des Roboters verbessern und ihn mit intelligenten Sensoren. Diese könnten dem Roboter ermöglichen, sich in Echtzeit an wechselnde Bedingungen während der Operation anzupassen und so noch komplexere chirurgische Eingriffe zu meistern.
Der nachhaltige Nutzen des Projekts zeigt sich vor allem durch den Einsatz von 3D-Druck-Teilen und standardisierten Elektronikkomponenten, die eine aufwendige Produktion überflüssig machen. Durch den gezielten Einsatz wiederverwendbarer und leicht zugänglicher Komponenten trägt das Projekt zur Minimierung von Abfall und Energieverbrauch bei.
Sozialer Nutzen: Das Projekt hat als Bildungstool das Potenzial, als interaktives Lernmittel eingesetzt zu werden, um Schülerinnen, Schülern und Studierenden auf anschauliche Weise das Konzept der roboterassistierten Chirurgie näherzubringen. Durch den Einsatz dieses Projekts im Unterricht können junge Menschen frühzeitig mit modernster Technologie vertraut gemacht werden, was ihr technisches Verständnis sowie ihr Interesse an MINT-Fächern (Mathematik, Informatik, Naturwissenschaften und Technik) fördert. Darüber hinaus bereitet das Projekt sie auf die Anwendung fortschrittlicher Technologien im Gesundheitswesen vor, einem Bereich, der in den kommenden Jahren zunehmend an Bedeutung gewinnen wird. Das Projekt trägt somit zur Ausbildung einer neuen Generation von Fachkräften bei, die auf die Herausforderungen und Möglichkeiten der Digitalisierung in der Medizin vorbereitet sind.
Wirtschaftlich gesehen bietet diese Konstruktion einen erheblichen Vorteil: Ein 3D-gedruckter Roboterarm für Bildungszwecke ist deutlich erschwinglicher für Universitäten oder Schulen als der Einsatz eines teuren chirurgischen Arms, wie er in Krankenhäusern verwendet wird. Durch den 3D-Druck können die Produktionskosten erheblich gesenkt werden, während der Roboter dennoch alle wesentlichen Funktionen erfüllt, um moderne chirurgische Techniken anschaulich zu demonstrieren. Damit ermöglicht unser Projekt Bildungseinrichtungen den Zugang zu fortschrittlicher Technologie, ohne dass hohe Investitionen notwendig sind, wie es bei professionellen chirurgischen Systemen der Fall wäre.
Glossar
1. Roboterassistierte Chirurgie:
Eine Technologie, bei der Chirurgen Roboter verwenden, um präzisere, minimal-invasive Operationen durchzuführen. Der Roboter hilft bei der Durchführung komplexer Eingriffe, die von Menschen alleine schwer durchführbar wären.
2. Patellofemoral-Gelenkersatz:
Ein chirurgischer Eingriff zur Behandlung von Schäden am Patellofemoral-Gelenk (zwischen Kniescheibe und Oberschenkelknochen). Dabei wird beschädigter Knorpel entfernt und durch ein künstliches Implantat ersetzt.
3. Arduino Uno:
Ein Mikrocontroller-Board, das in der Elektronikentwicklung verwendet wird. Es ermöglicht die Steuerung von Hardware-Komponenten wie Motoren oder Sensoren und wird oft in DIY- und Prototypen-Projekten eingesetzt.
4. Schrittmotor:
Ein Motor, der sich in präzisen, kleinen Schritten bewegt. Er wird verwendet, um exakte Bewegungen zu steuern, wie z. B. in einem Roboterarm.
5. DC-Motor:
Ein Gleichstrommotor (Direct Current), der elektrische Energie in mechanische Bewegung umwandelt. In diesem Projekt wird er verwendet, um den Bohrkopf des Roboterarms anzutreiben.
6. H-Brücke:
Eine elektronische Schaltung, die es ermöglicht, die Richtung eines Motors zu steuern. Sie wird verwendet, um einen Gleichstrommotor in beide Richtungen laufen zu lassen.
7. Unity3D:
Eine plattformübergreifende Spielentwicklungs-Engine, die zur Erstellung von 2D- und 3D-Anwendungen genutzt wird. In diesem Projekt wird Unity3D zur Simulation und Steuerung des Roboterarms verwendet.
8. CAD-Software:
CAD steht für „Computer-Aided Design“. Es handelt sich um eine Software, mit der technische Zeichnungen und 3D-Modelle erstellt werden. In diesem Projekt wurde CAD verwendet, um den Roboterarm zu entwerfen.
9. Onshape:
Eine webbasierte CAD-Software von PTC, die für die Konstruktion von 3D-Modellen genutzt wird. Sie ermöglicht kollaboratives Arbeiten und wurde hier für das Design des Roboterarms verwendet.
10. Blender:
Eine Open-Source-Software zur Erstellung von 3D-Grafiken, Modellen und Animationen. In diesem Projekt wurde Blender zur Erstellung des 3D-Kniemodells verwendet.
11. Servomotor:
Ein Motor, der in der Regel für präzise Positionssteuerung verwendet wird. Er ist in vielen Hobby-Robotik-Projekten populär, hat jedoch im Vergleich zu Schrittmotoren eine geringere Präzision für bestimmte Aufgaben.
12. Mako-Roboter:
Ein chirurgisches Robotersystem, das von Stryker entwickelt wurde. Es wird vor allem in der Orthopädie verwendet, um bei Gelenkersatzoperationen wie Knie- oder Hüftoperationen zu assistieren.
13. GUI (Graphical User Interface):
Eine grafische Benutzeroberfläche, die es dem Benutzer ermöglicht, mit Software über visuelle Elemente wie Schaltflächen oder Menüs zu interagieren, anstatt Befehle über eine textbasierte Eingabe zu geben.
Comments are closed