Weltweit erste simulierte Knie-OP im Klassenzimmer

Der Abiturient Steve Sandhoop entwickelte im Rahmen seines Robotik-Projektes am Gymnasium in den Filder Benden (Moers, Nordrhein-Westfalen) einen chirurgischen Roboterarm, der selbstständig eine Kniegelenkersatzoperation durchführen kann. Dabei wird geschädigter Knorpel im Kniegelenk entfernt und durch ein Implantat ersetzt. Den OP-Roboter entwarf Sandhoop in der Cloud-nativen CAD-Software Onshape von PTC und hat ihn mit einem 3D-Drucker ausgedruckt. Lediglich bei den Motoren griff er auf Modelle vom Markt zurück.

Der Roboterarm wird über ein grafisches User Interface durch einen digitalen Zwilling gesteuert. Um den Prozess weiter zu automatisieren, lässt sich der Bereich, der entfernt werden soll, im Knie-Modell auswählen. Zu diesem Zweck hat der Schüler in Zusammenarbeit mit Chirurgen ein 3D-Modell eines anatomisch korrekten Kniegelenksknochens entworfen und zusätzlich – zur besseren Veranschaulichung der Operation – ein ganzes Bein mit den Knochen modelliert, das ebenfalls mit einem 3D-Drucker ausgedruckt wurde. Der Roboterarm kann selbstständig die vorab markierte Fläche des Knochens, die entfernt werden soll, herausbohren. Den Weg des Bohrers wird mit Hilfe eines selber entwickelten Algorithmus berechnet.

Steve Sandhoop wählte das Projekt als fünftes Abiturfach, das zusätzlich zu den regulären Fächern in die Endnote eingeht. Für die Simulation der Operation erhielt er die Bestnote: 15 Punkte.

Dem waren rund zwei Jahre Entwicklungsarbeit vorausgegangen. „Auch wenn das Projekt als Abiturfach zählt, habe ich alles selbstständig in meiner Freizeit gemacht, mit Unterstützung meines Mentors, Herrn Lachmann“, berichtet Steve Sandhoop. „Manches war komplizierter als ich mir das vorgestellt hatte, aber ich habe dadurch unglaublich viel über Mechatronik, Physik und auch Anatomie gelernt. Ich denke, was ich aus dem Projekt am meisten gelernt habe, ist Problemlösung und Durchhaltevermögen. Jetzt möchte ich gerne in Richtung ‚Scientific Programming‘ weitermachen.“

Der Informatiklehrer Marc Lachmann führt am Gymnasium in den Filder Benden regelmäßig Projekte durch, um den Schülerinnen und Schülern Programmierfähigkeiten nahezubringen und sie bestmöglich auf die digitale Welt vorzubereiten. Er nutzt stets das professionelle 3D-CAD-System Onshape von PTC für die kreativen Projekte, die seine Klassen begeistern. Onshape ist die erste und einzige vollständig integrierte Produktentwicklungsplattform, die neben Cloud-nativer CAD- und CAM-Funktionalität auch Produktdatenmanagement sowie eine direkt in die zentrale Design- und Konstruktionsumgebung eingebettete Simulation bietet.

„Weil Onshape webbasiert läuft, braucht es nicht auf einem Rechner im Klassenzimmer installiert zu werden. Die Schülerinnen und Schüler können es jederzeit von überall nutzen, sei es in der Schule oder zuhause, vom Handy, Tablet oder Laptop“, sagt Marc Lachmann. „Zudem ist Onshape für pädagogische Zwecke kostenfrei. Damit ist diese professionelle Plattform ideal für die Zusammenarbeit im Rahmen von Projektteams oder Schulklassen.“

Ein richtiger Pilot ist der Roboterarm von Steve Sandhoop nicht, weil er komplett selbstständig arbeitet. In der Medizin werden Operationen bisher lediglich Computer-unterstützt durchgeführt. Um einen OP-Roboter wie den von Sandhoop zur Serienreife zu bringen, sind Investitionen in Millionenhöhe erforderlich. Doch das Projekt zeigt die Leistungsfähigkeit von moderner Software – und von Steve Sandhoop.

Weitere Informationen:

Modell des Roboterarms: https://sketchfab.com/3d-models/4dof-stepper-roboterarm-3d-model-3a6f4f4c5f214f2aa0e18d6bf9009a0b

Bein-Modell: https://sketchfab.com/3d-models/bein-mit-knie-gelenk-3d-modell-77a8675a122a41fdb3577b208a2924df

Video des digitalen Zwillings mit Prototypen: https://roboterarm-resources.netlify.app/vids/Digitaler%20Zwilling.mp4

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