3D-gedruckter Medizinroboter entnimmt Gewebeproben

| Redakteur: Hendrik Härter

Prototyp des Medizinroboters aus dem 3D-Drucker. Dieser ist komplett in einem Prozessschritt gedruckt.
Prototyp des Medizinroboters aus dem 3D-Drucker. Dieser ist komplett in einem Prozessschritt gedruckt. (Bild: Photothèque ICube / A. Morlot)

Forschern ist es gelungen, für die Tumortherapie einen Roboter zu entwickeln, der selbstständig Proben nimmt. Obwohl er aus verschiedenen Komponenten, Gelenken und Aktoren mit unterschiedlichen Materialeigenschaften besteht, lässt er sich mit einem 3D-Drucker in einem Prozessschritt herstellen.

Für die medizinische Behandlung können Ärzte künftig auf einen Roboter zurückgreifen, der aus dem Drucker kommt. Obwohl dieser aus Dutzenden von Komponenten, Gelenken und Aktoren mit unterschiedlichen Materialeigenschaften besteht, lässt er sich in einem einzigen Prozessschritt herstellen. Die Düsen können zwei unterschiedliche Polymer-Lösungen einzeln oder gemischt punktgenau auftragen. UV-Licht härtet die Kunststoffe aus, bevor die nächste Lage aufgetragen wird. So entsteht Schicht für Schicht ein Medizinroboter. Wenn die Entwicklung abgeschlossen ist, soll der Roboter Ärzte bei der Entnahme von Gewebeproben und bei der Thermischen Tumorbehandlung unterstützen.

Der Roboter wird von einer Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie (PAMB) des Fraunhofer IPA an der Medizinischen Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg entwickelt. Sie arbeiten zusammen mit vier weiteren Forschergruppen aus Deutschland, Frankreich und der Schweiz im Projekt SPIRITS. Das Team entwickelt einen Roboter der so klein und leicht ist, dass er zusammen mit dem Patienten in den MRT oder Computertomographen geschoben werden kann. Die Ärzte können den Roboter über eine Hydraulik von außen steuern: Der Arzt kann also ein paar Meter entfernt und sogar in einem anderen Raum sitzen, wo er im Falle einer CT-Aufnahme vor Strahlung geschützt ist. Die Abkürzung SPIRITS steht für Smart Printed Interactive Robots for Interventional Therapy and Surgery.

Komplexer 3D-Druck in einem Schritt

„Die Herausforderung des Projekts lag darin, ein Design zu entwickeln, das sich mit einem PolyJet-Drucker in einem einzigen Schritt fertigen lässt, gleichzeitig aber aus voll funktionsfähigen Komponenten besteht – beispielsweise Drehgelenken mit Hydraulikaktuatoren und einem Antrieb für den Nadelvorschub. All diese Komponenten haben unterschiedliche Materialeigenschaften“, erläutert Marius Siegfarth von der Projektgruppe.

Am Institut national des sciences appliquées de Strasbourg, INSA, wo das SPIRITS-Projekt koordiniert wird, druckt der PolyJet bereits die ersten Prototypen. Diese verfügen über Hebelarme, die über Gelenke verbunden sind. Mit ihnen lässt sich eine Nadel um den Einstichpunkt in alle Raumrichtungen rotieren.

Für den Antrieb sorgt ein hydraulisches System, eine Entwicklung der PAMB-Forscher: Winzige Rohre mit Durchmessern von gerade mal vier Millimetern, Dichtungen und Kolben. Das Besondere daran: Die Kolben konnten durch die 3D-Fertigungstechnik so gestaltet werden, dass der Hydraulikdruck auf die Dichtung wirkt und deren Wirkung verstärkt.

Erste Tests zeigen, dass der Hydraulik-Antrieb aus dem 3D-Drucker funktioniert. In den nächsten Monaten werden weitere Komponenten in den Prototyp integriert: die intelligente Nadel mit Kraftsensor beispielsweise, eine Entwicklung der École polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL. Den Vorschubmechanismus für die Nadel haben INSA-Forscher erarbeitet. Dazu kommt die „haptische Rückkoppelung«.

Sie verwandelt die Messergebnisse des Kraftsensors in Widerstände, die der Arzt spürt, wenn er die Nadel durch weicheres oder härteres Gewebe führt. Erarbeitet wurde diese Rückkoppelung von Forschern der Hochschule Furtwangen. Und an der Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW entstehen derzeit druckbare, nichtmagnetisierbare Metallkomponenten für die nächste Generation von Prototypen. Der erste vollständig gedruckte Medizinroboter soll noch 2019 an Dummys getestet werden.

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