Enhancement of flexibility of minimally invasive instruments in single-port soft tissue surgery by integrating of manipulation systems and haptic human-machine interfaces.
Final Report Abstract
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.
Publications
- (12/18/2017) Sensoranordnung zur Kraft- oder Drehmomentmessung und ein Verfahren zur Herstellung derselben. Darmstadt TU
Matich S, Albrecht W
- (2017) Miniaturized multiaxial force/torque sensor with a rollable hexapod structure. Tm-Tech Mess 84:S138-S142
Matich S, Hessinger M, Kupnik M, Werthschutzky R, Hatzfeld C
(See online at https://doi.org/10.1515/teme-2017-0046) - (2017) User-interface for teleoperation with mixed-signal haptic feedback. 2017 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), pp 892-898
Thiem D, Neupert C, Bilz J, Matich S, Polzin J, Werthschutzky R, Kupnik M, Schlaak HF, Kirschniak A, Hessinger M, Hatzfeld C
(See online at https://doi.org/10.1109/IROS.2017.8202251) - (2018) Improving the 3-D Force Measurement of a Single Port Parallel Kinematic Surgical Manipulator Using Friction Reduction by Vibration. Actuator 2018; 16th International Conference on New Actuators, Bremen, Germany, pp 1-5
Bilz J, Matich S, Knaut S, Hatzfeld C, Schlaak H
- (2018) Objektive Evaluation von laparoskopischen Greifinstrumenten durch Bestimmung applizierter Kräfte bei der Gewebe-Instrumenten-Interaktion. In: York GTVKSN (ed) Viszeralmedizin 2018, Z Gastroenterol, Munich, pp 1
Haas P, Kunert W, Johannink J, Kazak B, Kirschniak A
(See online at https://doi.org/10.1055/s-0038-1669132) - (2018) Pseudohaptic Feedback for Teleoperated Gripping Interactions. In: Prattichizzo D, Ruffaldi E (eds) Lecture Notes in Computer Science, Springer, Pisa, Italy, pp 309-320
Wojcik S, Neupert C, Bilz J, Werthschützky R, Kupnik M, Hatzfeld C
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-93445-7_27) - (2019) Novel box trainer for taTME - prospective evaluation among medical students. Innov Surg Sci 4:116
Mann J, Rolinger J, Axt S, Kirschniak A, Wilhelm P
(See online at https://doi.org/10.1515/iss-2019-0013) - (2019) The impact of guided instrument insertion during laparoscopy: a randomized study with novices in an optical box trainer. Surg Endosc
Kunert W, Land C, Braun M, Reichold J, Kirschniak A, Falch C
(See online at https://doi.org/10.1007/s00464-019-06829-4)
