Nachgiebige Mechanismen für schonende Implantate und Instrumentarien (Akva–Med)

Projektvorhaben

Hochpräzise navigations- und robotergestützte Operationsverfahren eröffnen prinzipiell die Möglichkeit, komplexe Insertionswege, wie der gewundene Verlauf der Hörschnecke, zu überwinden. Damit soll das Implantat während der Insertion bestmöglich dem natürlichen Verlauf des Innenohres geführt werden, um durch gezielte Konfigurationsänderung das Maß an Kontakt zwischen Implantat und umgebender Anatomie zu minimieren. Notwendig dafür ist jedoch ein definiertes und genau mathematisch beschreibbares Verformungsverhalten des Implantats, wodurch es möglich wird, die Vorteile nachgiebiger Mechanismen – ein definiertes Verformungsverhalten mit modiolusnaher Endlage des Elektrodenträgers – gezielt zu nutzen. Dies wäre eine grundlegende Neuerung in der Cochlea-Implantat-Versorgung, denn alle bisherigen Implantate realisieren eine modiolusnahe Endlage durch zusätzliche versteifende Strukturen oder verzichten zugunsten höherer Flexibilität vollständig darauf. Zudem ist eine präzise Insertion durch Anpassung der Verformung an den Verlauf der Cochlea grundsätzlich nicht möglich. Durch analytische Modellbildung und modellbasierte Untersuchungen können die notwendigen mechanischen Eigenschaften des Elektrodenträgers und Aktorik simulationsgestützt entworfen werden. Hochpräzise Schliffbildgebung dient der notwendigen Erfassung der filigranen Anatomie des Innenohres. Mittels Demonstratoren soll anschließend die Funktionfähigkeit und Eignung der neuartig aktuierten Elektrodenträger nachgewiesen werden. Diese Grundlagen werden eine Basis für fluidisch aktuierte Endoskopen und Katheder für weitere schonende chirurgische Anwendungen bilden.

 

Technischer Hintergrund der Entwicklung

Die zunehmende Komplexität der chirurgischen Zugänge und die wachsende Bedeutung nicht-linearer Zugangswege fordern Alternativen zu den herkömmlichen medizinischen Instrumentarien. Diese weisen meist einen deutlich höheren Raumbedarf auf, z.B. Bowdenzugmechanismen, oder erfordern umfangreiche die gesamte Struktur stark versteifende Komponenten. Die hohe Steifigkeit steht dann im Gegensatz zur vorgesehenen Anwendung. Diese Problematik ist besonders gravierend bei Cochlea-Implantaten (CI), die in ein mehrfach gewundenes Hohlorgan (Cochlea) eingeführt werden, um den funktionell intakten Hörnerv elektrisch zu stimulieren und so ein Sprachverstehen zu ermöglichen. Trotz stetiger Verbesserung der operativen Technik als auch der Elektrodenträger kommt es jedoch bei der Insertion immer wieder zu Verletzungen der empfindlichen, funktionellen Strukturen des Innenohres. In Folge dessen ertauben resthörige Patienten operationsbedingt, so dass die angestrebte kombinierte Versorgung – ein CI für ertaubte Frequenzbereiche und „normales“ Hören mit noch vorhandenem Hörvermögen – scheitert. Daher sollen hier die Grundlagen für neuartige aktuierte Mechanismen für eine Anwendung als ein CI geschaffen werden. Ein Ansatz ist Anwendung spezieller nachgiebigen Mechanismen, deren Verformungsverhalten durch Druckbeaufschlagung gezielt manipuliert wird.

 
Bild des menschlichen Ohres und Bewegungsbahn eines Implantates
links: Anatomie des Ohres: Ohrmuschel (1), äußerer Gehörgang (2), Trommelfell (3), Mittelohr (4), Hammer (5), Amboß (6), Steigbügel, (7), Felsenbein (8), Hörschnecke (9), innerer Gehörgang mit Hör-, Gleichgewichts- und Gesichtsnerven (10) [*1] ; rechts: Änderung der Krümmung eines elastischen Implantatträgers [*2]

[*1] - Rau, T. S., Leinung, M., Kardas, D., Müller, C., Rust, W., Fabian, T., Polley, A., and Majdani, O.:
Simulation als Basis optimierter Cochlear Implant-Operationen. In Proc. 25. ANSYS Conference & CADFEM Users Meeting, November 21–23, Congress Center Dresden, 2007
[*2] - Zentner, L.: Mathematical Synthesys of Compliant Mechanism as Cochlear Implant. In Ananthasurech, G. K. et al (Hrsg.):
Micromechanics and Microactuators. Springer Science+Business Media, 2012

Weiterführende Informationen

 

Veröffentlichungen

  • Zentner, L.: Nachgiebige Mechanismen. München: De Gruyter Oldenbourg, 2014 – ISBN: 978-3-486-76881-7
  • Issa, M.; Hügl, S.; Rau, T. S.; Majdani, O.; Zentner, L.: Specific curvature behavior of compliant mechanism with hydraulic activation used for medical instruments or implants. In: Shaping the future by engineering: 58th IWK, 8 - 12 September 2014; Proceedings. Ilmenau: Univ.-Bibliothek, ilmedia, 2014, URN: urn:nbn:de:gbv:ilm1-2014iwk-129:3
  • Zentner, L.; Issa, M.; Griebel, S.; Wystup, C.; Hügl, S.; Rau, T. S.; Majdani, O.: Nachgiebiger fluidisch aktuierter Elektrodenträger für Cochlea-Implantate. In: Tagungsband First IFToMM D-A-CH Conference 2015, 11. März 2015, Dortmund. Universität Duisburg-Essen, 2015, URN: urn:nbn:de:hbz:464-20150327-083215-4
  • Zentner, L.; Issa, M.; Hügl, S.; Griebel, S.; Rau, T. S.; Majdan, O.: Compliant mechanism with hydraulic activation used for implants and medical instruments. In: International Conference on Systems, Automatic Control and Measurements (SAUM); Niš, 2014.11.12-14, URN: urn:nbn:de:gbv:ilm1-2015200105
  • Hügl, S.; Griebel, S.; Zentner, L.; Rau, T. S.; Lenarz, T.; Majdani, O.: Simulation medizinischer Implantate - Analyse fluidisch aktuierter Cochlea-Implantat-Elektrodenträger. In: Conference proceedings : Ansys Conference & 33. CADFEM users' meeting, 24. - 26. Juni 2015, Bremen // Die Fachkonferenz zur Numerischen Simulation. - Grafing bei München: CADFEM GmbH. - 2015, insges. 7 S.
  • Hügl, S.; Griebel, S.; Issa, M.; Wystup, C.; Zentner, L. ; Lenarz, T. ; Majdani, O.; Rau, T. S.: Simulation used for feasibility study of fluid-actuated cochlear implant electrodes. In: Biomedizinische Technik. - Berlin [u.a.] : de Gruyter, ISSN 1862278X, Bd. 60 (2015), 1, S. 318, http://dx.doi.org/10.1515/bmt-2015-5013
  • Hügl, S.; Weiss, C.; Rau, T. S.; Lenarz, T.; Majdani, O.: Automatisierung der Schliffpräparation zur dreidimensionalen Rekonstruktion histologischer Proben. - In: GMS current posters in otorhinolaryngology, head and neck surgery. - Düsseldorf : gms, ISSN 18651038, Bd. 11 (2015), insges. 1S., http://dx.doi.org/10.3205/cpo001222
  • Hügl, S.; Rau, T. S.; Griebel, S.; Wystup, C.; Zentner, L.; Lenarz, T.; Majdani, O.: Fluidisch aktuierte Cochlear-Implant Elektrode. - In: 87. Jahresversammlung der Deutschen Gesellschaft für Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde, Kopf- und Hals-Chirurgie e.V. / Jahresversammlung der Deutschen Gesellschaft für Hals-Nasen-Ohren-Heilkunde, Kopf- und Hals-Chirurgie e.V. ; 87 (Düsseldorf) : 2016.05.04-07. - Düsseldorf : German Medical Science GMS Publishing House, (2016), insges. 1S. http://dx.doi.org/10.3205/16hnod336
  • Hügl,S.; Rau, T. S.; Griebel S. ; Zentner,L.; Lenarz, T.; Majdani , O.: Sensitivity analysis on cochlear implants with fluidactuation. In: Biomedizinische Technik. - Berlin [u.a.] : de Gruyter, ISSN 1862278X, Bd. 61 (2016), S1, Seite S. 228, http://doi.org/10.1515/bmt-2016-5018
  • Hügl, S.; Griebel, S.; Zentner, L.; Lenarz, T.; Majdani, O.; Rau, T. S.: Analysis of Fluid Actuated Cochlear Implant Electrode-Carrier. In: Computer Aided Medical Engineering. Expert Verlag. 06/2016 ISSN:2190-0698
  • Hügl, S.; Eckardt, F.; Lexow, G.J.; Majdani, O.; Lenarz, T.; Rau, T.S.: Increasing the resolution of morphological 3D image data sets through image stitching: application to the temporal bone. - In: Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering: Imaging & Visualization. - Taylor & Francis. published online: 16.02.2016. http://dx.doi.org/10.1080/21681163.2015.1137080
  • Zentner, L.; Hügl, S.; Wystup, C.; Griebel, S.; Issa, M.; Rau, T; Majdani, O: Nachgiebiger Elektrodenträger für Cochlea-Implantate mit hydraulischer Aktuierung. - In: Forschung im Ingenieurwesen (2016) 80: 57. http://dx.doi.org/10.1007/s10010-016-0202-0
  • Zentner, L.; Griebel, S.; Wystup, C.; Hügl, S.; Rau, T.S.; Majdani, O.: Synthesis process of a compliant fluidmechanical actuator for use as an adaptive electrode carrier for cochlear implants. In: Mechanism and Machine Theory, Bd 112 (2017), 155-171. http://dx.doi.org/10.1016/j.mechmachtheory.2017.02.001
 

Patente und Offenlegungsschriften

  • Griebel, S.; Hügl., S.; Rau, T.S.; Majdani, O.; Wystup, C.; Lenarz, T.; Zentner, L.:
    Adaptiver Elektrodenträger, seine Verwendung und Verfahren zu seiner Insertion
    Aktenzeichen: DE 10 2016 003 259.2, Patentanmeldung vom 04.03.2016
     
 

Auszeichnungen

Goldmedaille bei der internationalen Fachmesse „Ideen-Erfindungen-Neuheiten (IENA)“ Nürnberg, 2015
Thema: „Adaptiver Elektrodenträger, seine Verwendung und Verfahren zur Insertion eines Cochlea-Implantat-Elektrodenträgers“

 

Projektpartner

TU Ilmenau - FG Nachgiebige Systeme (ehemals FG Mechanismentechnik)
- Projektkoordination -

PD Dr. med. Omid Majdani, Klinik und Poliklinik für Hals-, Nasen-. Ohrenheilkunde (HNO), Medizinische Hochschule Hannover (MHH)

 

Projektlaufzeit

01/2014 - 07/2017

 

Förderung

DFG – Deutsche Forschungsgemeinschaft
DFG-Geschäftszeichen: ZE 714/9-1