Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3001
Main Title: Entwicklung einer im Magnetresonanztomografen einsatzfähigen chirurgischen Bohrmaschine
Translated Title: Development of a MRI-compatible surgical power drill
Author(s): Winterwerber, Kim
Advisor(s): Lehr, Heinz
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Jüngste Entwicklungen in der Magnetresonanztomografie (MRT) ermöglichen die Darstellung von Schnittbildern des menschlichen Körpers in Echtzeit, so dass sich erstmals Operationen im MRT durchführen lassen. Ziel ist es daher, die Instrumente im MRT-Bild maßstabsgetreu darzustellen, da erst dann der Einsatz MRT-kontrollierter und navigierter Eingriffe gelingen kann. Herkömmliche chirurgische Instrumente und Geräte aus Edelstahl erzeugen aufgrund ihrer hohen magnetischen Suszeptibilitäten Abbildungsstörungen, so dass damit kein intraoperativer Einsatz unter Bildkontrolle gelingt. Aus diesem Grund ist es von großer Bedeutung, MRT-kompatible Geräte aus geeigneten Werkstoffen zu entwickeln, die in ihrer mechanischen Belastbarkeit mit den üblichen Edelstahlinstrumenten vergleichbar sind. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung einer solchen MRT-kompatiblen Bohrmaschine. Diese muss autoklavierbar sein, um in der Medizin eingesetzt zu werden. Nach der Analyse kommerziell erhältlicher, orthopädischer Bohrmaschinen, die im OP-Bereich zum Einsatz kommen, wird die Bildgewinnung in der Kernspintomografie diskutiert. Dem folgen Ausführungen über Werkstoffe, die sich zum Aufbau von MRT-tauglichen Geräten eignen. Den generellen Überlegungen zur Funktionsstruktur schließt sich die Beschreibung der Neuentwicklung einer MRT-kompatiblen Bohrmaschine an. Der Druckluftantrieb orientiert sich am Aufbau von Lamellenmotoren. Nach einer Abschätzung der zu erwartenden Leistungsdaten werden eine Reihe von Komponenten und deren Werkstoffauslegung vorgestellt, um ihre MRT-Verträglichkeit und mechanische Festigkeit zu sichern. Es folgen Entwürfe zur Wirkstruktur der Bohrmaschine sowie zum Aufbau des Planetengetriebes und zum Ventilaufbau. Dem schließen sich Überlegungen zur Werkstoffauswahl an kritischen Stellen an: Welle-Nabe-Verbindungen, Schrauben aus Verbundwerkstoffen, nichtmetallische Kugellager, Polymerfedern, Rohre und Dichtungen, wobei die Materialwahl einerseits durch die erforderliche MRT-Kompatibilität, andererseits durch Festigkeitsanforderungen bestimmt wird. Bei den experimentellen Untersuchungen dient ein Bremsdynamometer nach de Prony zur Ermittlung der Leistungsdaten der MRT-kompatiblen Bohrmaschine. Praktische Tests zeigen, dass sich anhand des verfügbaren Drehmoments der neu aufgebauten Maschine Kirschnerdrähte problemlos in Knochen einbringen lassen. Schließlich ergaben Untersuchungen an einem Tomographen, dass die Bohrmaschine MRTtauglich ist. Sie weist zudem eine ausreichende Röntgentransparenz auf und übersteht auch die Sterilisation in einem Autoklaven ohne Funktionseinbußen. Weltweit erstmalig wurde mit dieser Maschine an postmortalen Probanden innerhalb des MRT Knochen gebohrt und Kirschnerdrähte gesetzt. Damit erfüllt das Gerät alle Anforderungen einer MRT-kompatiblen chirurgischen Bohrmaschine.
Recent developments in Magnetic Resonance Imaging (MRI) allow for real-time scanning of the human body. Thus, operations can be performed inside the MRI for the first time. However, specific MRI-compatible instruments are a prerequisite. Those surgical instruments need to be displayed in a realistic scale, enabling the surgeon to control and navigate under MRI navigation. Conventional surgical instruments made of stainless steel produce large imaging artifacts due to their high magnetic susceptibility, making intraoperative usage impossible. Materials for MRI-compatible instruments need to prevent imaging artifacts as well as to show similar mechanical properties compared to stainless steel tools. The present thesis analyses the requirements for the drilling of bones and the application of Kirschner wires under MRI guidance. The tool that is to be developed needs to be sterilized in an autoclave to permit medical usage. After analyzing commercially available orthopedic power drills, the principles of Magnetic Resonance Imaging are discussed, followed by an introduction to MRI-compatible engineering materials. Those general considerations about the functional structure of an MRI-compatible machine precede the description of a newly developed surgical power drill. The pneumatic drive is derived from the design of vane motors. After estimating the power consumption of orthopedic drills, the design of key components and materials is explained, ensuring MRI-compatibility and safe operation. Initial drafts of the structural design, planetary gears and valve design are reviewed. MRI compatibility and requirements for mechanical strength influence the choice of materials. This is critical for certain components: shaft-hub connection, screws of composite materials, nonmetallic ball bearings, polymer springs, tubes and sealings. In an experimental part, a de Prony brake dynamometer is used for measuring the performance characteristics of the derived machine. Detailed performance tests prove that the torque provided by the system is suitable for applying Kirschner wires into synthetic bones without difficulty. The MRI compatibility of the surgical power drill developed in the present thesis is verified in a standard MR tomograph. It is also sufficiently x-ray transparent and can be sterilized in an autoclave without loss of function. Finally, the drilling of bones and the application of Kirschner wires is performed on post mortal subjects under MRI navigation for the first time worldwide. The tests described above prove that all requirements on MRI-compatible drills are met.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-32937
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3298
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3001
Exam Date: 19-Aug-2011
Issue Date: 1-Nov-2011
Date Available: 1-Nov-2011
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Bohrmaschine
Kirschnerdraht
MRT-kompatibel
Kirschnerwire
MRI-compatible
Surgical power drill
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 5 Verkehrs- und Maschinensysteme » Institut für Konstruktion, Mikro- und Medizintechnik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
Dokument_17.pdf11,71 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.