Ein miniaturisiertes Ultraschall-Operationsgerät basierend auf einer flextensionalen Konfiguration mit einem vorgespannten piezoelektrischen Stapel

Kleinere Instrumente für schonendere Knocheneingriffe

Wenn Chirurgen Knochen durchtrennen, wünschen sie sich Genauigkeit und Kontrolle bei möglichst geringer Beeinträchtigung des umliegenden Gewebes. Ultraschall-Knochenskalpelle helfen bereits, indem sie so schnell schwingen, dass sie mit geringer Kraft und hoher Präzision schneiden, doch die kommerziellen Ausführungen sind heute sperrige Handinstrumente. Sie sind zu groß und zu starr, um durch die engen Zugänge der Schlüssellochchirurgie zu passen oder an den flexiblen Handgelenken chirurgischer Roboter angebracht zu werden. Diese Studie stellt ein miniaturisiertes Ultraschall-Knochenschneidewerkzeug vor, das für enge Räume konstruiert ist und von einem Roboterarm getragen werden kann, wodurch empfindlichere, weniger invasive Eingriffe an Wirbelsäule und Schädel möglich werden.

Eine neue Methode, eine Ultraschallklinge zu verkleinern

Herkömmliche Ultraschall-Knochengeräte basieren auf einem verschraubten Stapel keramischer Ringe, der eine bestimmte Länge haben muss, um effizient zu schwingen. Wenn man diese Struktur einfach verkleinert, verändert sich das Schwingungsmuster, die Spitzenbewegung nimmt ab und die Klinge wird zu schwach, um Knochen zu schneiden. Andere vorgeschlagene Miniaturkonzepte können entweder die Klinge nicht weit genug bewegen oder stützen sich auf Klebeverbindungen, die bei starken Vibrationen versagen. Die Forscher lösten das Problem durch ein neues Layout: Sie bauten einen kompakten Metallrahmen, der so geformt ist, dass er auf einer Seite wie eine Feder nachgibt, während die andere Seite weitgehend starr bleibt. Angetrieben wird dieser Rahmen von einem stark zusammengepressten Stapel keramischer Ringe, der durch eine Schraube und Muttern fixiert ist. Dieser „flextensionale“ Rahmen wirkt als mechanischer Verstärker: winzige Bewegungen im Keramikstapel werden in deutlich größere Bewegungen an der Schneidklinge umgesetzt. Das gesamte Gerät ist nur etwa so groß wie ein Finger und schmal genug, um durch gängige chirurgische Zugangsröhren zu passen, wobei noch Platz für die Anbindung an ein Roboterhandgelenk bleibt.

Eine winzige Klinge kraftvoll und zuverlässig bewegen

Wegen seiner ungewöhnlichen Form verhält sich das neue Gerät beim Betrieb ganz anders als traditionelle Ultraschall-Skalpelle. Elektrische Messungen zeigten, dass es einen hohen Widerstand gegen Stromfluss aufweist und elektrische Energie wie ein Kondensator speichert, was das effiziente Antreiben erschwert. Das Team untersuchte das Schwingungsverhalten sorgfältig mit Computermodellen und Lasermessungen und bestätigte, dass die Arbeitsseite stark auslenkt, während die Anschlussseite und der Keramikstapel nahezu unbewegt und gerade bleiben. Anschließend entwarfen sie eine Anpassungsschaltung aus Spulen und Kondensatoren, um die Art und Weise zu optimieren, wie die Stromversorgung das Gerät „sieht“, sodass mehr elektrische Energie in Bewegung an der Klinge umgesetzt wird. Mit dieser Abstimmung erreichte das miniaturisierte Werkzeug Ausschläge von etwa 40 bis 60 Mikrometern an der Klingenspitze — ein Bereich, der aus früheren Arbeiten als ausreichend zum Schneiden von Knochen bekannt ist.

Prüfung des Knochenschneidens bei geringer Kraft und hoher Kontrolle

Um die Schneidleistung zu bewerten, montierten die Forscher das Gerät zunächst auf einem Laborprüfstand und sägten damit durch Abschnitte von Schweinerippen, die menschlichem Knochen sehr ähnlich sind. Durch Variation der Vorschubgeschwindigkeit und der Ausschlagstärke maßen sie sowohl die seitliche Schneidkraft als auch die Eindringkraft. Bei starker Klingenresonanz und langsamem Vorschub blieben die Kräfte unter einem Newton, deutlich geringer als beim nicht-ultraschallgestützten Schneiden, und die elektrischen Messwerte blieben stabil. Bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten wurde das Gerät schwieriger zu kontrollieren, mit Anzeichen dafür, dass seine Schwingung vom idealen Rhythmus abwich. Aufnahmen der Schnitte bestätigten, dass die besten Einstellungen tiefe, saubere Spalten erzeugten, während ungünstigere Einstellungen zu weniger konsistenten Ergebnissen führten. Diese Tests zeigten außerdem, dass sich an der Schnittstelle Wärme aufbauen kann, was die künftige Notwendigkeit von Kühlung ähnlich wie bei kommerziellen Systemen unterstreicht.

Das Werkzeug an einem chirurgischen Roboter einsetzen

Anschließend wurde das Miniaturgerät über eine Feinpositionierplattform und einen Kraftsensor an einen hochpräzisen Kuka-Roboterarm montiert. In diesem Aufbau führte der Roboter das Werkzeug in wiederholten kurzen Zügen über den Knochen, während er die Schnitttiefe langsam erhöhte — ähnlich dem Vorgehen eines Chirurgen beim Verlängern eines Schnitts. Unter diesen Bedingungen blieben Schneid-, Seiten- und Vertikalkräfte alle unter einem Newton, selbst wenn die Klinge tiefer schnitt und schneller bewegt wurde. Die zusätzliche Bewegungsfreiheit des Roboters half, eine etwas breitere Spaltöffnung als die Klinge selbst beizubehalten, was die Reibung verringerte. Mikroskopische Untersuchungen der entstandenen Schnitte zeigten scharfe Wände, minimale Ausbrüche und Breiten, die etwa sechs Prozent der Klingendicke entsprachen, was auf ausgezeichnete Präzision hinweist. Die Temperaturen an der Klingenspitze stiegen mit zunehmender Geschwindigkeit, blieben für diese in vitro-Tests jedoch handhabbar.

Was das für zukünftige Eingriffe bedeuten könnte

Die Arbeit zeigt, dass ein Daumengroßes Ultraschall-Knochenschneidegerät die für chirurgische Eingriffe erforderliche Bewegung und Kraft erzeugen kann und gleichzeitig klein genug bleibt, um an einem flexiblen Roboterhandgelenk zu montieren. Durch die Kombination eines intelligenten mechanischen Rahmens, maßgeschneiderter Elektronik zur Abstimmung der Schwingung und kontrollierter Steuerung von Vorschubgeschwindigkeit und Schnitttiefe erzielten die Forscher saubere, schmale Schnitte in Knochen bei sehr geringen Kräften. Mit zusätzlicher Kühlung und weiterer Feinabstimmung von Klingengeometrie und Robotersteuerung könnten ähnliche Instrumente eines Tages Chirurgen dabei helfen, Knochen in beengten Bereichen von Wirbelsäule oder Schädel durch winzige Zugänge zu entfernen — mit weniger Trauma und besserem Zugang, ohne Präzision zu opfern.

Zitation: Li, X., Jones, D., Valdastri, P. et al. A miniature ultrasonic surgical device based on a flextensional configuration with a pre-stressed piezoelectric stack. Commun Eng 5, 95 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00651-2

Schlüsselwörter: ultraschall-Knochenchirurgie, robotergestützte Chirurgie, minimalinvasiv, chirurgische Instrumente, Knochenschneiden