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Rahmenprogramm Gesundheitsforschung Deutschland Aktionsfeld Gesundheitswirtschaft Fördermaßnahme „KMU-innovativ: Medizintechnik“

Rückenschmerzen sind der Hauptgrund für krankheitsbedingte Arbeitsunfähigkeitstage in Deutschland. Ursache ist in vielen Fällen eine Instabilität der Wirbelsäule, die durch den Verschleiß der Bandscheiben, Wirbelkörperbrüche oder eine Arthrose der Wirbelgelenke hervorgerufen werden kann. Als gängige Therapieoption wird die Versteifung des betreffenden Wirbelsäulensegmentes (Spondylodese) durchgeführt. Sie zählt zu den häufigsten Eingriffen im Bereich der Wirbelsäulenchirurgie mit über 72.000 Fällen pro Jahr in Deutschland (DRGStatistik 2012).
 
Die besondere Herausforderung bei einer Spondylodese ist die genaue Positionierung und Führung der Instrumente beim Einbringen der Verschraubungen in die miteinander zu verbindenden Wirbelkörper. Infolge von Fehlplatzierungen können Verletzungen des Spinalkanals und der darin enthaltenden Nerven auftreten. Zudem werden Patient und medizinisches Personal einer hohen Strahlenbelastung ausgesetzt, da der Eingriff unter fortlaufender radiologischer Bildgebung durchgeführt wird.
 
Ziel des Verbundprojektes ist es, die manuelle Positionierung und das Setzen der erforderlichen Bohrlöcher durch ein innovatives robotisches Assistenzsystem zu unterstützen. Damit sollen sowohl die Platzierung der zum Einsatz kommenden Wirbelkörperschrauben (Pedikelschrauben) als auch die Festigkeit der Verankerung deutlich verbessert werden. Die Vermeidung der oben genannten Risiken und die deutliche Präzisionssteigerung durch eine Roboter-assistierte Wirbelsäulenoperation bildet die Hauptmotivation für das vorliegende Forschungs- und Entwicklungsprojekt „S//Spine“.
 
Für das innovative robotische Assistenzsystem wird ein neuartiges Haltesystem zur Aufnahme und ortsgenauen Positionierung und Führung aller erforderlichen chirurgischen Instrumente entwickelt. Herzstück der Innovation ist ein Planungs- und Navigationssystem, das den operativen Eingriff präzise plant und den Chirurgen Schritt für Schritt durch die Operation navigiert.  Nach Abschluss des Projekts soll ein Demonstrator zur Verfügung stehen und im Rahmen einer präklinischen Studie evaluiert werden. Nach erfolgreichem Abschluss der Machbarkeitsstudie ist die Entwicklung eines Prototypen geplant. Die Herstellung und der Vertrieb dieses robotischen Asistenzsystems für die Wirbelsäulenchirurgie soll durch die AKTORmed GmbH erfolgen.

Gefördert als Verbundprojekt im BMBF-Programm KMU-innovativ: Medizintechnik

Bild 1: Wie im simulierten Einsatzszenario zu erkennen ist, erfolgt die Positionierung und Führung der Instrumente zum Einbringen der Verschraubungen in die Wirbelkörper mit Unterstützung durch das geplante robotische Assistenzsystem „S//Spine“. In der zentralen Planungssoftware für Operationen zur Versteifung von Wirbelsäulensegmenten (Bildmitte) werden alle erforderlichen Informationen – einschließlich der Soll- und Ist-Werte zum präzisen und reproduzierbaren Setzen der Bohrlöcher – widergegeben. (©ZESS / Wahrburg)

English

SIISpine: Development of a robotic assistance system to support minimal invasive spine interventions with reduced radiation

Dorsal pain is a major reason in Germany for absence from work due to illness. The reason in many cases depends on instabilities of the spine, which may result from intervertebral disk lesions, fracture of a vertebra, or arthrosis. A common option for treatment is stiffening of the respective segment of the spine (spondylodesis). This intervention is among the most frequent spine surgeries in Germany with more than 72.000 cases per year (DRG statistics 2012).

A spondylodesis requires very accurate guiding and positioning of the surgical instruments when implanting pedicle screws into adjacent vertebrae which have to be fixed to each other. Deviations from the planned screw positions may lead to injuries of the nerves in the spinal canal, causing possibly partial paralysis of the patient. In addition patient and surgical staff are exposed to high radiation doses because typical interventions are carried out under permanent x-ray control.

It is the major objective of the joint research project "SIISpine" to design an interactive robotic assistance system to support highly accurate implantation of the screws into the vertebrae. Thus risks of malpositions will be reduced and the rigidity of the stiffening elements will be optimized. The robotic arm will be equipped with a novel tool system for precise guiding and positioning of all surgical instruments needed. A major innovation of the project results from combining minimal invasive surgical techniques with a significant reduction of the necessary radiation dose. Software components to be developed include a planning and navigation system that will guide the surgeon step-by-step through the workflow of the operation.

It is expected to have a demonstrator system at the end of the project which can be evaluated in pre-clinical studies. After completion of the feasibility study AKTORmed GmbH plans to perform further steps to develop and market a commercial version of the robotic assistance system.