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Erweiterung der Flexibilität minimalinvasiver Instrumente in der Single-Port Weichteilchirurgie durch die Integration von Positioniersystemen und haptischer Mensch-Maschine-Schnittstelle; Flexibilitätserweiterung in der Minimalinvasiven Chirurgie - FLEXMIN

Fachliche Zuordnung Arbeitswissenschaft, Ergonomie, Mensch-Maschine-Systeme
Förderung Förderung von 2011 bis 2020
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 172196622
 
Erstellungsjahr 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Maßgeschneidert für das Ziel der Evaluation von haptischem Feedback in der robotergestützten Chirurgie wurde im Projekt ein haptisch transparentes Single-Port-Robotersystem mit parallel Kinematik zur Endeffektor positionierung, präziser Haptikkonsole und komplexer Steuersoftware von Grund auf neu entwickelt. Auch zu Projektende verfügt das bislang kommerziell erfolgreichste Chirurgierobotersystem über keine integrierte Kraft- oder gar Tastsensorik und kann somit den Wunsch des Chirurgen nach gefühlvollem Operieren nicht erfüllen. Die Vielzahl von Publikationen demonstriert die Relevanz der chirurgischen Haptik. Neue, zumeist experimentelle Entwicklungen,die Kraftsensorik in einen Chirurgieroboter integrieren haben das Problem, mit serieller Kinematik bei vertretbarem Aufwand eine überzeugende transparente Haptik zu generieren. Die sogenannte Parallelkinematik als zielführender Lösungsansatz des FLEXMIN-Projekts führte zu technischen Herausforderungen und forderte Kompromisse. In einem iterierenden Prozess aus Spezifikation, Design und Erprobung wurden zunächst Komponenten, dann immer komplexere Funktionsmuster als Gesamtsystem entwickelt, technisch optimiert und chirurgisch evaluiert. Das finale Funktionsmuster kommt prinzipiell mit nur einem Zugang zur Körperhöhle aus und empfiehlt sich auch für onkologische Operationen, bei denen ein Resektat geborgen werden muss. Es umfasst zwei Instrumente mit integrierter Kraftmessung und geraden Schäften sowie eine bi-manuelle Bedienkonsole, die eine intuitiv bedienbare, haptische Eingabe ermöglicht. Die steife, parallelkinematische Bauweise der Roboter- Instrumente erlaubt im Gegensatz zu seriellen Kinematiken mit vorgespannten Seilzügen oder hintereinandergeschalteten, spielbehafteten Gelenken oder Getrieben eine zuverlässige und durch Dithering reibungsarme Steuerung der Instrumentenspitze. Trotz der Begrenzung auf vier Freiheitsgrade scheint die Beweglichkeit für die Bewältigung typischer chirurgischer Aufgaben wie Nähen und Knoten ausreichend zu sein. Besonders vorteilhaft ist die Möglichkeit, die Instrumente unbegrenzt um die Längsachse rotieren zu können. Die Reichweite der geraden Roboter-Instrumente ist besser, als die eines konventionellen Single-Port-Operationssystems. Im Rahmen einer Komponentenerprobung wurde gezeigt, dass mittels einer Instrumenteneinheit mit gebogenem Schaft das Promotorium überwunden werden kann. In Versuchen mit frischen Tierorganen und an einem anatomischen Präparat konnte exemplarisch die Machbarkeit von wichtigen Operationen des Bauchraums demonstriert werden. Dabei zeigten sich keine störenden Interferenzen des FLEXMIN-Roboters durch den für die Blutstillung wichtigen Einsatz von Hochfrequenzchirurgie (HF). Durch die zwei Arbeitskanäle der Arbeitseinheit können sowohl eine spezielle Stablinsenoptik wie auch zusätzliche Instrumente (Schere, Clip-Applikator) eingesetzt werden. Zur Gewährleistung eines festen Greifens chirurgischer Rundnadeln beim Nähen wurde eine formschlüssige Maulteilgeometrie entworfen. Die steife Kinematik ermöglicht eine präzise Aktorik ohne merkliche Totzeiten, die direkt und intuitiv von der Haptik-Konsole aus fernbedient werden kann. Wie die Arbeitseinheit des Roboters fest, einstellbar und schwingungsarm an den standardisierten Schienen von Operationstischen befestigt werden kann, wurde konzipiert. Das Projekt wurde im Newsletter der MathWorks Inc., der TU Darmstadt-eigenen Zeitschrift hoch³ FORSCHEN und dem Magazin medizin&technik einer breiteren Öffentlichkeit vorgestellt. Ausblick: Das im Projektrahmen entstandene Funktionsmuster ist robust ausgelegt, mit leicht reparablen Sollbruchstellen ausgestattet und nach wie vor perfekt als wissenschaftliches Werkzeug einsatzfähig. Einzelfeatures wurden separat umgesetzt, als Komponenten erprobt und teilweise patentiert. Für eine kommerzielle Umsetzung des Funktionsmusters würde ein Medizingerätehersteller benötigt, der die gefundenen Einzellösungen integriert und ein Gesamtprodukt zur Zulassung als Medizingerät bringt. Über eine kommerzielle Umsetzung des entwickelten 6-DOF-Sensors laufen derzeit Verhandlungen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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