Stereotaktische Mikronavigation

Projektbeschreibung

Das SASSU („Spherical Assistant for Stereotactic Surgery“) System

Die Parkinson-Krankheit ist eine weitverbreitete neurologische Erkrankung, die auf einer Degeneration von dopaminergen Neuronen in der Substantia Nigra beruht. Symptome sind Tremor, Rigor, Hypokinese bis hin zur Akinese. Die Tiefenhirnstimulation stellt eine invasive Therapieform dar. Hierbei wird dem Patienten eine Elektrode implantiert, über die bestimmte Hirnareale elektrisch stimuliert werden können. Trotz der meist positiven Wirkungen ist der biochemische Mechanismus der Tiefenhirnstimulation noch weitgehend unbekannt. Forschungstätigkeiten konzentrieren sich daher auch auf Kleintiermodelle, um ein detaillierteres Bild der neuronalen Dynamik unter Stimulationseinfluss zu entwickeln. Dazu werden Kleintieren verschiedenste Messinstrumente in das Gehirn implantiert. Diese Eingriffe erfolgen unter stereotaktische Rahmenbedingungen, werden jedoch bis jetzt manuell durchgeführt. Funktionell interessante Areale für Parkinson wie z.B. der Nucleus Subthalamicus weisen besonders im Kleintier ein sehr geringes räumliches Volumen auf. Ungenauigkeiten bei der Planung, Referenzierung des Stereotaxieinstruments auf die Ratte und bei der finalen Einbringung mindern daher die Aussagekraft von Messergebnissen aus dem Tiefenhirn. Die Entwicklung und Anwendung eines robotischen Systems für die stereotaktische Neurochirurgie an Kleintieren verspricht eine signifikante Verbesserung der Rahmenbedingungen in der Kleintierhirnforschung.

Verschiedene Entwicklungen ergeben sich:

  • Entwicklung des stereotaktischen Roboterassistenten SASSU und der Steuersoftware

    Ausgehend von einer Analyse aktueller Operationshilfen für Kleintiere wird ein robotisches Assistenzsystem „Spherical Assistant for Stereotactic Surgery“ (SASSU) entwickelt, welches beliebige Sonden (z.B. Mikroelektroden, Mikrodialysesonden) mit hoher Präzision im Hirn verbringen kann. Der SASSU passt sich dabei an die stereotaktischen Rahmenbedingungen der Operation an. Basierend auf einer Analyse der kinematischen Freiheitsgrade wurde ein System mit drei translatorischen und zwei rotatorischen Antrieben entwickelt, welches 5 Freiheitsgrade für eine Platzierung bereitstellt und dem bekannten „Center-of-Arc-principle“ folgt. Die Ansteuerung des SASSU-Systems ist PC-basiert, seine Hauptvorteile die hohe Genauigkeit und hohe Reproduzierbarkeit von Messungen.

  • Konzeption und Entwicklung einer interaktiven Planungsumgebung

    Basierend auf visualisierten Atlasdaten (z.B. Paxinosatlas für Ratten) wird dem Benutzer die Möglichkeit gegeben werden, eine präoperative Planung der Sondeneinbringung durchzuführen. Die Planung umfasst die Wahl eines oder mehrere Zielpunkte und die Wahl eines Eintrittswinkels in der koronaren und sagittalen Ebene. Eine zwei- und dreidimensionale Darstellung der Planung verbessert die Orientierung des Anwenders. Die Schnittstelle zu dem SASSU-Roboter ist ein weiteres funktionelles Element der JAVA-basierten Planungsumgebung. Diese erlaubt die Ansteuerung des Robotersystems auf Basis der Planungsdaten und somit eine vollautomatisierte Einbringung einer gewünschten Sonde.

  • Entwicklung erweiterter neurochirurgischer Methoden für das SASSU System

    Momentan bietet das SASSU-System die Möglichkeit, Sonden in das Gehirn von Kleintieren zu verbringen. Der OP-Ablauf ist jedoch in einzelne Teilschritte aufgeteilt (Präpositionierung, Eröffnung der Kopfhaut, Eröffnung des Schädels, Verbringung). Zum Beispiel wird das Eröffnen des Schädels noch manuell vom Operateur vorgenommen. Ziel ist es daher, einen vollkommen automatischen OP-Ablauf zu realisieren. Dieser umfasst z.B. auch einen automatisierten Bohrvorgang, der einen mit Kraftsensoren ausgestatteten Bohrkopf einbindet.

  • Integration von Mikro-CT für eine verbesserte Planung und Registrierung

    Die momentane Registrierung des Instruments auf den Rattenschädel umfasst das Abtasten von 4 verschiedenen anatomischen Landmarken auf dem Rattenkopf. Ähnlich wie für humane Anwendungen, sind auch andere Registrierungsmethoden interessant. So ist zum Beispiel die Integration von Mikro-CT Daten in den OP-Ablauf (Planung und Registrierung) angedacht, da somit hochaufgelöste Information über den Schädel und das Gehirn des jeweiligen Tieres zur Verfügung stehen.

Der MARS ("Motor Assisted Robotic Stereotaxy") Roboter

Veröffentlichungen

Ansprechpartner

Achim Schweikard
Haus 64 / Raum 97 +49 451 31015200


Floris Ernst
Haus 64 / Raum 95 +49 451 31015208


Ehemalige Projektmitarbeiter
  • Dr.-Ing. Maximilian Heinig
  • Dr.-Ing. Lukas Ramrath

2012

Max Heinig, Ulrich G. Hofmann and Alexander Schlaefer, Calibration of the Motor Assisted Robotic Stereotaxy System: MARS (2012), in: International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, accepted for publication
[DOI]
[Bib|RIS]
Max Heinig, Design and Evaluation of the Motor Assisted Robotic Stereotaxy System MARS, University of Lübeck, Institute for Robotics and Cognitive Systems, 2012
attachment
[Bib|RIS]
Max Heinig, Design and Evaluation of the Motor Assisted Robotic Stereotaxy System MARS, Institute for Robotics and Cognitive Systems, University of Lübeck, 2012
attachment
[Bib|RIS]

2011

Max Heinig, Olaf Christ, Volker Tronnier, Ulrich G. Hofmann, Alexander Schlaefer and Achim Schweikard, Electromagnetic noise measurement of the Motor Assisted Robotic Stereotaxy System (MARS), in: Proceedings of the 4th Hamlyn Symposium on Medical Robotics, pages 63-64, 2011
[Bib|RIS]
Max Heinig, Maria Fernanda Govela, Fernando Gasca, Christian Dold, Ulrich G. Hofmann, Volker Tronnier, Alexander Schlaefer and Achim Schweikard, MARS - Motor Assisted Robotic Stereotaxy System, in: Proceedings of the 5th International IEEE EMBS Conference on Neural Engineering, Cancun, Mexico, pages 334-337, 2011
[Bib|RIS]

2010

Max Heinig, Alexander Schlaefer and Achim Schweikard, 3D localization of ferromagnetic probes for small animal neurosurgery, in: Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2010 Annual International Conference of the IEEE, pages 2321 -2324, 2010
[DOI]
[Bib|RIS]

2009

Lukas Ramrath, Simon Vogt, Winnie Jensen, Ulrich G. Hofmann and Achim Schweikard, Computer and robot-assisted stereotaxy for high-precision small animal brain exploration (2009), in: Biological Psychiatry, 54:1(8--13)
[DOI]
[Bib|RIS]

2008

Lukas Ramrath, Ulrich G. Hofmann and Achim Schweikard, A Robotic Assistant for Stereotactic Neurosurgery on Small Animals (2008), in: International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery, 4:4(295--303)
[DOI]
[Bib|RIS]
Lukas Ramrath, J. Levering, Matthias Conrad, A. Thuemen, H. Fuellgraf and Andreas Moser, Mathematical Identification of a Neuronal Network Consisting of GABA and DA in Striatal Slices of the Rat Brain (2008), in: Computational and Mathematical Methods in Medicine
[Bib|RIS]
S. Loeffler, Lukas Ramrath, Ulrich G. Hofmann, Achim Schweikard and Andreas Moser, Robot Assisted Stereotaxic Targeting for STN-DBS in the Rat Brain., in: 52. Jahrestagung der DGKN, Magdeburg, 2008
[DOI]
[Bib|RIS]
Lukas Ramrath, Ulrich G. Hofmann, Matteo C. M. Bonsanto, Volker Tronnier, S. Loeffler, Andreas Moser and Achim Schweikard, Robotic Framework for Small Animal Stereotaxy, in: FENS Abstr., Geneva, 2008
[Bib|RIS]

2007

Lukas Ramrath, Gereon Hüttmann, Ulrich G. Hofmann, Matteo C. M. Bonsanto, Volker Tronnier, Andreas Moser and Achim Schweikard, Entwicklung eines robotergestützten Stereotaxieassistenten für die Kleintierhirnforschung (2007), in: FOCUS MUL, 24:4(229-231)
[Bib|RIS]
Lukas Ramrath, Achim Schweikard and Ulrich G. Hofmann, Spherical Assistant for Stereotactic Surgery, in: Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2007
[Bib|RIS]