DFG: Aktiv krümmbare Kanülen

Stereotaktische Eingriffe am menschlichen Gehirn, wie die tiefe Hirnstimulation und die Hirnbiopsie tief gelegener Pathologien, werden bisher mit starren, geraden Kanülen ausgeführt. Moderne Softwaresysteme erlauben eine präzise Planung vom Eintrittsort am Schädel durch das Hirngewebe zum Zielort anhand aktueller Bilddatensätze. In diesem Projektvorhaben von Medizinern, Ingenieuren und Mathematikern wird die Realisierbarkeit eines neuen Operationsverfahrens für die stereotaktische Neurochirurgie untersucht, das gekrümmte Trajektorien zum Erreichen eines Zielpunkts verwendet. Dadurch ergibt sich eine Vielzahl neuer Planungsmöglichkeiten, um Zielorte mit deutlich geringerem operativen Risiko unter Umgehung von funktionell wichtigen Faserbahnen und Blutgefäßen zu erreichen.

Aus medizinischer Sicht ist die Frage zu beantworten, ob der Einsatz gekrümmter Trajektorien für intrakranielle Pathologien grundsätzlich möglich ist und  welche Eigenschaften diese Trajektorien aufweisen müssen. Des Weiteren gilt es zu untersuchen, in welchem Maße die Bewegung gekrümmter Kanülen zu traumatischer Gewebeveränderung führt und welche Vorteile und Risiken aus dem Verfahren entstehen. Mit Trajektorienplanungswerkzeugen, Schädel- und Kadavermodellen sowie Tierversuchen soll der Frage nachgegangen werden, ob ein solches Operationsverfahren prinzipiell realisierbar ist.

Gut geeignete aktiv krümmbare Kanülen sind Mechanismen aus geraden und vorgekrümmten Röhrchen aus Formgedächtniswerkstoff, die verschieb- und verdrehbar ineinandergesteckt sind. Beim Aus- und Einfahren entlang einer gekrümmten Bahn müssen die Querbewegungen möglichst gering sein, um ein Zerschneiden oder Verdrängen des Hirngewebes zu minimieren. Dies und andere Aspekte machen die Entwicklung neuer mathematischer Kanülenmodelle erforderlich, welche bspw.\,Effekte wie Bahnhysterese abbilden und damit die präoperative Vorhersage derartiger Phänomene bei der Trajektorienplanung ermöglichen sowie die Steuergrößen für die Aktuierung liefern. Um zu untersuchen, ob die hohen Anforderungen an die Zielpunkt- und Bahngenauigkeit prinzipiell erfüllbar sind, soll ein Kanülenversuchsstand aufgebaut und Kanülen zusammen mit neuen Trajektorienplanungsverfahren hinsichtlich der Anwendbarkeit dieses Konzeptes untersucht werden.

Die enorme Anzahl an Entwurfsparametern für Kanülen und möglichen Trajektorien sowie das mechanische Kanülenverhalten machen innovative Ansätze zur Trajektorienplanung unabdingbar. Die Trajektorienplanung wird als Optimierungsproblem formuliert, indem sowohl die Zielpunktgenauigkeit, das Operationstrauma und das Robustheitsverhalten der Lösung berücksichtigt werden. Auf Basis der resultierenden optimalen Lösungen kann die Operation medizinisch geplant werden.