An advanced force feedback tool design for minimally invasive robotic surgery

Kurzfassung

Durch den Einsatz der minimal invasiven robotergestützten Chirurgie (MIRC) ist die Vision der "virtuell offenen Chirurgie" näher gerückt. Robotische Systeme zielen darauf ab, alle Vorteile für den Patienten aus der konventionellen minimal invasiven Chirurgie (MIC) zu erhalten und gleichzeitig aus der offenen Chirurgie die Hand-Auge-Koordination zurück zu gewinnen und die Fingerfertigkeit des Chirurgen zu erhalten oder sogar zu verbessern. Nach wie vor sind Chirurgen gezwungen auf ihr Tastgefühl zu verzichten und sich – anstatt haptische Rückkopplung zu erhalten – ausschließlich auf visuelle Informationen vom Operationsgebiet zu verlassen. Haptische Rückkopplung könnte es Chirurgen ermöglichen, das Zuziehen von chirurgischen Knoten, unterschiedliche Gewebesteifigkeiten, den Widerstand beim Einstechen von Nadeln und weitere physikalische Eigenschaften des Operationsgebietes unmittelbar zu spüren. Dafür müssen diese physikalischen Eigenschaften aber gemessen werden. Um die Auswirkung der Kraftrückkopplung auf die Bewältigung von chirurgischen Aufgaben in der minimal invasiven robotischen Chirurgie zu bewerten, ist ein robotisches System notwendig, das (Manipulations-) Kräfte messen kann. Erst dann können vergleichbare Ergebnisse mit einem einzigen robotischen Chirurgiesystem gewonnen werden. Experimente mit und ohne Kraftrückkopplung, mit variierenden Parametereinstellungen, mit reduzierter und erweiterter Beweglichkeit können unbeeinflusst von anderen Einflussfaktoren durchgeführt werden. Das in dieser Dissertation vorgestellte abwinkelbare Werkzeug für die minimal invasive robotergestützte Chirurgie stellt eine essenzielle Komponente für solche Experimente dar. Es erlaubt die Messung der Manipulationskröfte zwischen Werkzeug und Gewebe in 6+1 Freiheitsgraden (FG), und ist als Teil des vielseitigen Instruments MICA vollständig in das MiroSurge Szenario am DLR Robotik und Mechatronik Zentrum integriert. Einzelne Komponenten für ein derartiges Werkzeug wurden bereits in der Literatur beschrieben. Eine Vielzahl von Gelenkskinematiken und Kraftsensoren mit mehreren Frei- heitsgraden wurden von Forschergruppen vorgeschlagen und aufgebaut. Diese Dissertation verdeutlicht jedoch, dass für ein hochintegriertes Werkzeug eine einfache Kombination vorhandener Lösungen nicht ausreicht. Die gegenseitige Beeinflussung und Abhängigkeit der Komponenten muß frühzeitig im Entwicklungsstadium adressiert werden. Insbesondere die klare mechanische Trennung der Gewebemanipulationskröfte von den Antriebskröften ist für eine hochqualitative Messung der Manipulationskräfte zwingend erforderlich. Der an der Spitze des Werkzeugs integrierte 6-FG-Kraft-Moment-Sensor (KMS) kann Interaktionskräfte zwischen Werkzeugspitze und Umwelt messen. Der KMS basiert auf einer Stewart Plattform mit Festkörpergelenken und kann Manipulationskräfte bis zu 10 N und Momente bis zu 150 Nmm messen. Er ist aktuell der kleinste 6-FG-KMS mit einem Messbereich von mehreren Newton. Greifkräfte werden von einem zusätzlichen 1-FG-Greifkraftsensor erfasst. Die Manipulations- und Greifkräfte sind mechanisch von den Antriebskräften der Werkzeugspitze entkoppelt. Das Werkzeug beinhaltet außerdem ein intrakorporales 2-FG- Handgelenk, bestehend aus einem durch Edelstahlseile aktuierten Kardangelenk. Verschiedene Endeffektoren können einen weiteren FG zur Verfügung stellen: ein Greifer für die Gewebemanipulation, eine Schere, ein Nadelhalter und ein Palpationswerkzeug. Über die Tests der Einzelkomponenten hinaus wurden zwei Experimente mit dem gesamten MiroSurge Szenario durchgeführt. Um den subjektiven Eindruck von Gewebesteifigkeit zu evaluieren, sollte eine Gruppe von Versuchspersonen Federn durch Betasten nach Steifigkeit ordnen: mit dem Finger, mit einem Plastikstab als idealem Telemanipulator, mit dem Palpationswerkzeug des robotischen Systems ohne- und mit Kraftrückkopplung. Die robotische Palpation ohne Kraftrückkopplung ergab signifikant höhere Fehlerraten als jede andere Modalität. In einem zweiten, objektiven Palpationsexperiment wurde das MiroSurge System verwendet, um Oberflächen-Steifigkeitskarten eines Leberphantoms aus Silikon und einer ex-vivo Schweineleber zu generieren. Die Karten wurden durch automatisches Antasten eines Punktegitters auf der Organoberfläche mit Hilfe des Palpationswerkzeuges generiert. Die erzeugten Karten zeigen Steifigkeitsunterschiede mit deutlich höherer Auflösung als menschliche Benutzer während der robotischen Palpation wahrnehmen konnten. Die vorliegende Dissertation weist die gleichzeitige Realisierbarkeit eines intrakorporalen 6+1-FG-Kraft-Moment-Sensors und eines in 2 Freiheitsgraden abwinkelbaren Handgelenks in ein MIRC Werkzeug mit nur 10 mm Durchmesser nach. Chirurgen wird qualitativ hoch- wertige Kraftrückkopplung und Beweglichkeit zur Verfügung gestellt.