Robotergestützte Osteotomie in der craniofacialen Chirurgie:
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Herdecke
GCA-Verl.
2000
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| Series: | Forschen und Wissen - Robotik
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Motivation 1
1.2 Problemstellung und Zielsetzung 2
1.3 Aufbau und Kapitelübersicht 6
2 Stand der Forschung 9
2.1 Konventionelle craniofaciale Chirurgie 9
2.2 Chirurgische Planungssysteme 11
2.2.1 Begriffsdefinition Operationsplanung 12
2.2.2 Planungsphasen 13
2.2.3 Komponenten eines Planungssystems 14
2.2.4 Kategorisierung der Planungssysteme 14
2.2.5 Planungssysteme mit Virtueller Realität 16
2.2.6 Planungssysteme für das Einsetzen von Implantaten 18
2.2.7 Bahnplanung in der Chirurgie 19
2.2.8 Postoperative Simulation 20
2.2.9 Zusammenfassung 20
2.3 Xavigationssysteme in der Chirurgie 21
2.3.1 Registrierung des Patienten mittels Markierungen 21
2.3.2 Markerlose Registrierung des Patienten 22
2.3.3 Funktionsprinzipien 22
2.3.4 Einsatzgebiete von Navigationssystemen 24
2.3.5 Genauigkeitsuntersuchungen 21
2.3.6 Zusammenfassung 25
2.4 Robotersysteme in der Chirurgie 25
2.4.1 Industrieroboter 26
2.4.2 Sicherheitsaspekte 27
2.4.3 Chirurgieroboter 28
2.4.4 Klassifizierung von Chirurgierobotern 28
2.4.5 Invasiv eingesetzte Systeme in der Orthopädie 30
2.4.6 Invasive Systeme in der Neurochirurgie 33
2.4.7 Telechirurgiesysteme 34
IX
X INHALTSVERZEICHNIS
2.4.8 Robotersysteme in der minimal-invasiven Chirurgie und der
Mikrochirurgie 35
2.4.9 Nichtinvasive Robotersysteme 38
2.5 Zusammenfassung 39
3 Systemarchitektur 41
3.1 Systemaufbau 41
3.1.1 Überwachungsarchitektur 46
3.2 Chirurgierobotersystem 48
3.3 Infrarotnavigationssystem 50
3.3.1 Positionsbestimmung des Roboterwerkzeugs 50
3.3.2 Registrierung des Patienten 51
3.3.3 Kommunikation mit dem Navigationssystem 52
3.4 Kraftmomentensensor 53
3.5 Chirurgische Säge 54
3.6 Zusammenfassung 55
4 Konzeption eines Patientenmodells 57
4.1 Segmentierung medizinischer Bilddaten 59
4.1.1 Einführung in die Problematik 61
4.1.2 Erstellen eines Gewebemodells 62
4.1.3 Automatische Segmentierung mittels Superquadriken und Snakes 68
4.1.4 Ergebnisse und Bewertung 70
4.2 Erzeugung eines Oberflächenmodells 70
4.2.1 Bestimmung von Konturpunkten 71
4.2.2 Dreidimensionale Delaunaytriangulation 73
4.2.3 Tetraederlöschverfahren und Generierung des Oberflächenmo¬
dells 74
4.2.4 Ergebnisse und Bewertung 76
4.3 Zusammenfassung 78
5 Autonomes Sägen von Knochen 81
5.1 Operationsplanungssystem 83
5.2 Modellierung des intraoperativen Operationsfeldes 85
5.2.1 Vorgehensweise 86
5.3 Kollisionsfreie Bahnplanung 92
5.3.1 Bahnplaner für Industrieroboter mit sechs Freiheitsgraden . . 93
5.3.2 Integration des intraoperativen Umfeldes in den Bahnplaner . 94
5.4 Integration in das Gesamtsystem 94
5.4.1 Bedienerführung 95
5.4.2 Kommunikationsprotokoll 97
5.4.3 Reglerentwurf zur Infrarotnavigation 100
5.5 Zusammenfassung 103
INHALTSVERZEICHNIS XI
6 Kraftgeregeltes Sägen von Knochen 105
6.1 Nullkraftregelung 107
6.1.1 Transformation der Meßdaten 107
6.1.2 Störgrößenkompensation 110
6.1.3 Regelkreis für die Nullkraftregelung 112
6.2 Definition der Sicherheitszone 114
6.2.1 Bewertung des Abstands zum Trajektoriensegment 115
6.2.2 Berechnung der Werkzeugorientierung 119
6.2.3 Modellierung der Stützstellen 120
6.2.4 Regelkreis zum kraftgeregelten begrenzenden Führen 122
6.3 Integration in das Gesamtsystem 123
6.3.1 Bedienerführung 126
6.4 Zusammenfassung 127
7 Ergebnisse 131
7.1 Evaluierungssysteme 133
7.1.1 Simulation 133
7.1.2 Referenzmessungen 134
7.2 Experimente 141
7.2.1 Autonomes Sägen von Probekörpern 141
7.2.2 Manuell geführtes Abfahren einer Trajektorie am Phantom . . 142
7.2.3 Experimente am Tierkadaver 144
7.2.4 Ergebnisse und Interpretation 147
7.2.5 Evaluation des autonomen Sägens an einem Schafskopf .... 154
7.2.6 Ergebnisse und Interpretation 157
7.3 Fehleranalyse 159
7.4 Zusammenfassung 160
8 Zusammenfassung 163
8.1 Einordnung 163
8.2 Ergebnis der Arbeit 161
8.3 Ausblick 166
A Verwendete Formelzeichnen 169
A.l Lateinische Großbuchstaben 169
A.2 Lateinische Kleinbuchstaben 171
A.3 Griechische Buchstaben 173
B Grundlagen der Robotik 175
B.l Koordinatentransformation 175
B.l.l Homogene Koordinaten 175
B.1.2 Roll-Pitch-Yaw-Winkel 175
B.1.3 Eulerwinkel 176
B.1.4 Umrechnung von Quaternionen 177
XII INHALTSVERZEICHNIS
B.2 Entkopplungsmatrix 177
C Grundlagen der Regelungstechnik 179
C.0.1 Positionsregelkreis des Roboters 181
Literaturverzeichnis 183
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