Untersuchungen zur Eignung mikrohydraulischer Antriebe für die minimal invasive Chirurgie

Abstract

Da schonender für den Patienten, werden chirurgische Eingriffe zunehmend minimal invasiv durchgeführt. Dabei führt der Chirurg durch kleine Schnitte in Haut und Gewebe, ein Endoskop zur Sichtbarmachung der Operationsumgebung als auch chirurgische Spezialinstrumente in den Körper ein. Trotz der hohen Zunahme, der minimal invasiven Eingriffe, stagniert die Entwicklung neuer Werkzeuge für diese Operationstechnik. Zwar wurden neuartige Instrumente mit mehreren Bewegungsfreiheitsgraden an der Spitze entwickelt, diese besitzen aber solch große technische Probleme bei ihrer Anwendung, dass sie kaum benutzt werden. Ein Wechsel, weg von der der mechanischen Kraftübertragung mit Seilzügen, hin zu Direktantrieben, mit kompakten Aktoren in der Instrumentenspitze verspricht die Lösung dieser Probleme. So besteht in der minimal invasiven Chirurgie ein großer Bedarf an leichten, kraftvollen aber dennoch kompakten Antrieben, welche lediglich durch Kabel oder Schläuche und somit räumlich unabhängig im Körper versorgt werden. Beim Vergleich existierender Antriebsarten konnte gezeigt werden, dass hydraulische Antriebe die besten Voraussetzungen mitbringen um die zuvor erarbeiteten Anforderungen zu erfüllen. Die in der Konzeptphase in der Theorie angestellten Abschätzungen, vor allem zur Miniaturisierbarkeit hydraulischer Systeme, damit sich diese für den Einsatz in hydraulisch betriebenen Instrumenten für die Chirurgie eignen, konnten in praktischen Versuchsreihen bestätigt werden. In der Arbeit wurden zunächst leistungsstarke Hydraulikzylinder mit Durchmessern von wenigen Millimetern entwickelt, aus denen anschließend hydraulisch betriebene Instrumentenfunktionsmuster entstanden. Durch die Verwendung biokompatibler Materialien bis hin zu den Hydraulikmedien und dem Nachweis der Sterilisierbarkeit der kompletten Systeme wurde gezeigt, dass hydraulisch betriebene Instrumente die grundlegenden Medizinischen Anforderungen erfüllen und somit ein der Chirurgie eingesetzt werden können. Die durchgeführte Verifizierung der Instrumente demonstrierte, dass sie die geforderten Kräfte erreichen und sogar bei weitem übertreffen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Nachweis für die Eignung hydraulischer betriebener Instrumente in der minimal invasiven Chirurgie erbracht.

Surgical procedures are increasingly performed using minimally invasive techniques, since it offers many benefits for the patient, particularly faster recovery times from the minimised surgical trauma. This operative technique involves the surgeon inserting specialised instruments, together with an endoscope for viewing, through small incisions in the skin. Despite the increasing demand for minimally invasive interventions, the development of new tools for these procedures stagnates. New instruments incorporating several degrees of freedom at the tool tip have been developed, however they are seldom used due to the technical problems that arise in their application. A transition from the use of mechanical power transmission with cables, towards direct drives with powerful micro-actuators in the instrument tip promises to solve these problems. Thus the demand for a powerful, lightweight and compact drive is recognised, which should only use cables or tubes and be spatially independent within a patient’s body. Through a comparison of existing drive types it can be shown that hydraulic systems best meet the outlined requirements for micro-actuation. In the concept phase, a theoretical analysis of the modification and miniaturisation of hydraulic drives to meet the requirements of the surgical application was completed. Subsequently through practical trials the theoretical concepts were verified and evaluated. For the practical trials powerful hydraulic cylinders with diameters of a few millimetres were developed and used to operate sample surgical instruments. Through the use of biocompatible materials and fluids to construct whole designs suitable for sterilisation, hydraulically powered instruments were created which satisfy the fundamental requirements for devices in medical applications. The verifications of these tools demonstrated that they can reach the required forces and far exceed them. This thesis presents the evidence supporting the suitability of hydraulically powered instruments for minimally invasive surgery.