Die minimal invasive, robotergestützte Chirurgie (MIRC) ist gekennzeichnet durch eine vollständige mechanische Entkopplung von Chirurg und Patient. Die Beurteilung, inwieweit eine Gewebestruktur von Blutgefäßen durchzogen ist, die bei Verletzung zu schwer kontrollierbaren Blutungen führen können, ist schwierig. In der offenen Chirurgie werden nicht sichtbare Blutgefäße im Gewebeverbund mittels Tasten nach Pulsationen detektiert. Dieses sicherheitsrelevante und übliche Vorgehen ist mit der klassischen MIRC-Methodik prinzipbedingt kaum möglich. Mit dem hier vorgestellten unidirektionalen, Ultraschall-Doppler-basierten System können verdeckte, oberflächliche Gefäße mit beliebigem physiologischem Verlauf erkannt werden. Die Rückkopplung an den Chirurgien erfolgt bisher akustisch und/oder kinästhetisch. Mit vertretbarem technischem Aufwand lässt sich damit die intuitive Rückkopplung integrieren. Erste Versuche am Phantom und erste Bewertungen durch Chirurgen zeigen ermutigende Ergebnisse.
Abb. 1: DLR Telepräsenzszenario für MIRC „MIRO-Surge“. Bild links: im Vordergrund die Eingabestation für den Chirurgen, im Hintergrund das patientenseitige Chirurgierobotersystem. Bild rechts: Chirurgierobotersystem im Detail mit Endoskopführung und zwei Roboterarmen für bimanuelle Telemanipulation. Abb. 2: Bild links: Testaufbau des Ultraschallsensors an einem MIRO-Roboter, akustische Rückkopllung über Monitorlautsprecher, kinästhetische Rückkopplung über sigma.7 (Bildvordergrund, Fa. Force Dimension, Nyon, Schweiz). Bild rechts: Prinzipaufbau des Ultraschall-Kopfes mit der Anordnung der Transducerelemente. 2
Der klassisch medizintechnische Ansatz zur Detektion durchströmter Gefäße ist das Ultraschall-Doppler-Verfahren,
wobei dieses Verfahren sowohl bei kontinuierlicher wie auch bei gepulster Schallsignaleinstreuung richtungsselektiv ist.
Deshalb wurde zunächst ein unidirektionaler Ultraschalltransducerkopf sowie dessen Ansteuerungselektronik entwickelt.
Als Ergebnis entstehen Differenzfrequenzsignale von Transducerelementen, die nachfolgend rechnertechnisch auf Flüsse
bzw. Pulsationen hin ausgewertet werden müssen. Hier wurden zunächst Standardverfahren angewendet. Die ermittelten
Pulsationen wurden schließlich sowohl akustisch wie kinästhetisch, d.h. als leichtes Zucken am funktionalen
Freiheitsgrad (Zeigefinger) eines haptischen Eingabegerätes bzw. als klassisches und für Mediziner wiedererkennbares
Ultraschall-Doppler-Geräusch („Fauchen“), dargestellt. Nachfolgend die Darstellung der einzelnen Komponenten.
Der Ultraschalltransducer wurde in Kooperation mit dem Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik (St. Ingbert,
Deutschland) in einer Baugröße entwickelt, die den Anforderungen der MIRC entspricht (Außendurchmesser: 10mm)
sowie in die vorhandenen DLR MIRC-Instrumente (vgl. [
Mit der derzeitigen, FPGA-basierten Ansteuerungselektronik können jedoch lediglich zwei Transducerelemente betrieben werden, was derzeit noch das Auffinden beliebig orientierter Gefäße einschränkt. Ein Auffinden vororientierter, beliebig positionierter Gefäße konnte jedoch bereits mit diesem Aufbau gezeigt werden (Kap. 3). Auf Grund der Entscheidung für gepulste Schallsignaleinstreuung und der kurzen Signallaufzeiten (Eindringtiefe etwa 6mm) ist ein schnelles Umschalten von Sende- zu Empfangsbetrieb erforderlich, was analogelektronisch realisiert werden konnte. Eine Digitalisierung und Vorverarbeitung (Mischung) sowie Wandlung in Ethernet-Signale findet auf der Ansteuerungselektronik statt, weitere Datenverarbeitung ist dann auf einem handelsüblichen PC flexibel möglich.
Zur Gefäßdetektion wird hier die Verteilung der gemessenen Flussgeschwindigkeiten analysiert, wobei es sich bei üblichen Strömungsprofilen um ein Frequenzspektrum handelt (Abb. 3, links). Dazu wird das Zeitsignal blockweise in den Frequenzbereich transformiert. Die Ultraschalldaten werden mit Hilfe des FFT-Algorithmus transformiert und gefiltert (Blackman-Fensterung, Hochpassfilterung bei 500Hz zur Unterdrückung von Bewegungsartefakten). Zur weiteren Signalanalyse wird über dieses Signal eine Hüllkurve berechnet, wobei 90% der spektralen Signalleistung, beginnend bei der niedrigsten Frequenz, eingehüllt werden. Aus dieser Kurve wird durch Bildung eines zeitlichen Mittelwerts dynamisch ein Schwellwert für die Pulsdetektion berechnet. Falsch positive Schwellwertüberschreitungen (detektierte Pulse) werden durch drei Plausibiltätskontrollen eliminiert: 1) Dauer der Schwellwertüberschreitung mindestens 100ms; 2) Ignorieren von Schwellwertunterschreitungen von weniger als 12.5ms während einer Detektion (empirisch ermittelt); 3) Mittelung der Differenzensumme von Hüllkurvenwert und Schwellwert über zehn Detektionen, detektiert wird ein Übersteigen der Hälfte dieses Mittelwertes. Die Stärke der Ansteuerung des haptischen Eingabegerätes wird nach der Signalleistung gewichtet (vgl. Abb. 3, rechts).
Die detektierten Ereignisse werden derzeit akustisch (klassisches Doppler-Geräusch) wie kinästhetisch (leichtes Zucken am funktionalen Freiheitsgrad des haptischen Eingabegerätes, vgl. Abb. 2, links) dargestellt. Es ist hier anzumerken, dass eine deutliche Reduktion der gesammelten, zur Verfügung stehenden Informationen stattfindet, um einer Reizüberflutung des Anwenders vorzubeugen. Es stünden z.B. Richtungs- oder Tiefeninformationen zur Verfügung, die nicht dargestellt werden und die über die menschliche Tastwahrnehmung hinaus gingen. Hier ist eine optische Rückkopplung angedacht, die auf Wunsch z.B. in das endoskopische Bild eingeblendet werden kann. 3
Das System konnte erstmals auf der Automatica 2012 (internationale Fachmesse für Automation und Mechatronik in München, Deutschland) einer breiteren Öffentlichkeit vorgestellt werden. Hier wurde ein Polymerkunststoff, der hinsichtlich Ultraschall weichgewebevergleichbare Parameter aufweist (Polyvinylalkohol, PVA), mit einer Höhlung in einer Tiefe von etwa 3mm und einem Durchmesser von etwa 1-2mm Durchmesser auf eine Länge von rund 10cm mit einer Flüssigkeit pulsatil perfundiert, die ultraschalltechnisch menschlichem Blut gleicht (Abb. 2, links). Unbedarfte Testpersonen konnten die „Arterie“ relativ schnell (< 1min) auffinden, die Kombination von akustischer und kinästhetischer Rückkopplung wird auch von medizinischen Laien als intuitiv beschrieben. Rückgekoppelte Detektionsergebnisse (Impulse) konnten gewichtet am haptischen Eingabegerät dargestellt werden, so dass das Zentrum der „Arterie“ bestimmt und deren Verlauf haptisch verfolgt werden konnte. Die Gesamtfunktionalität sowie die Zuverlässigkeit des Systemdemonstrators für Messebesucher konnte über die viertägige Messedauer gezeigt werden.
184 4
Auf der Messe Automatica 2012 konnte das System unter anderen einer Gruppe von Urologen mit breiter Erfahrung mit
dem daVinci-System vorgestellt werden, die die Erweiterung der Funktionalität sowie die Funktionsweise sehr
begrüßten und gute Einsatzmöglichkeiten sahen. Dies stellt bislang eine rein quantitative Beurteilung dar. Systembedingt ist es
relativ komplex, belastbare qualitative Ergebnisse zu erzielen. Bei ausschließlich kinästhetischer Rückkopplung und
einer üblichen Patientenruhepulsfrequenz zeigt sich jedoch, dass die Nutzer dazu gezwungen sind, mindestens den
kommenden Puls, je nach Güte der Detektion möglicherweise einen zweiten, abzuwarten bis ein Detektionsergebnis
angezeigt wird. Der Nutzer ist also gehalten, den Sensor zu positionieren und für wenige Sekunden ruhig zu halten bis ein
anderer Untersuchungsort angefahren werden kann (vergleichbar auch mit einer manuellen, palpatorischen
Untersuchung), was aber im Falle telemanipulierten Herangehens als träge empfunden werden kann. Dieser Nachteil ist jedoch
immanent und kann – zumindest teilweise – durch zusätzliche akustische Rückkopplung ausgeglichen werden. Die
verwendeten Verfahren (Doppler-Sonographie, Signalanalyse, Eingabegerät „sigma.7“) sind mithin bekannt, neu ist die
Verwendungsweise [