Kontinuumsroboter auf Basis vorgebogener Nitinolröhrchen: Evaluierung eines Prototypen für die Transnasale Schädelbasischirurgie JessicaBurgner jessica.burgner@vanderbilt.edu Department for Mechanical Engineering Vanderbilt University
Nashville TN USA
HunterBGilbert Department for Mechanical Engineering Vanderbilt University
Nashville TN USA
PhilipJSwaney Department for Mechanical Engineering Vanderbilt University
Nashville TN USA
PaulTRussellIII Department for Otolaryngology Vanderbilt University Medical Center
Nashville TN USA
RobertJ WebsterIii Department for Mechanical Engineering Vanderbilt University
Nashville TN USA
Department for Otolaryngology Vanderbilt University Medical Center
Nashville TN USA
Kontinuumsroboter auf Basis vorgebogener Nitinolröhrchen: Evaluierung eines Prototypen für die Transnasale Schädelbasischirurgie 67C74E3D738D0C1B38096A9AA0B75FBB GROBID - A machine learning software for extracting information from scholarly documents
Problem

Die transnasale Schädelbasischirurgie offeriert gegenüber herkömmlichen Zugangswegen eine geringere Traumatisierung, sowie Verringerung der Operations-und Hospitalisierungsdauer [1]. Der Eingriff erfolgt hier endoskopisch durch die Nase. Zugang zur Schädelbasis wird dabei transsphenoidal erreicht. So kann beispielsweise der Zugang zur Hypophyse und die Resektion sellärer Tumore (z.B. Hypophysenadenom) erfolgen [2], [3].

Bildgestützte Navigation

Das teleoperierte Robotersystem wurde um ein Modul zur bildgestützten Navigation erweitert.

Erreichbarkeit anatomischer Strukturen

In

Effektiver Arbeitsraum

Für diesen Versuch wurde der Chirurg aufgefordert den Manipulatorarm in der Nasenhöhle zu allen erreichbaren Positionen zu bewegen um den effektiven Arbeitsraum des Robotersystems zu quantifizieren. Die Position des Manipulatorarmes wurde dabei fortlaufend mittels des Trackingsystems aufgezeichnet.

Ergebnisse

Die in Abschnitt 2.

Abb. 2: (a) Greif-Manipulator aus drei vorgebogenen Nitinolröhrchen und schematische Darstellung des Aktuationsprinzips. (b) Der Kontinuumsroboter (8) im Laborsetup bei der teleoperierten Exploration der Keilbeinhöhle im humanen Schädel (6). Der Chirurg steuert den Manipulatorarm über das Eingabegerät (7). Der Blick des Endoskops (5) wird präsentiert (1) und durch die bildgestützte Navigation (2) sowie die High-Level Kontrollsoftware (3) komplementiert. Die Lage des End-Effektors wird kontinuierlich elektromagnetisch getrackt (4).
Abb. 3: (a) Überlagerte Darstellung der fünf mit dem Roboter erreichten anatomischen Strukturen in der Keilbeinhöhle. (b) Der Manipulatorarm berührt den Mittelpunkt des Septums der Keilbeinhöhle. Das rigide Endoskop (oben im Bild) visualisiert den Situs (vgl. a). (c) Visualisierung des effektiven Arbeitsraums in der Nasenhöhle (lateral und frontal).
4 DiskussionIn diesem Beitrag wurde ein Prototyp sowie die Evaluierung eines neuartigen Kontinuumsrobotersystems für die transnasale Schädelbasischirurgie in einem humanen Schädel unter Laborbedingungen vorgestellt. Vorangegangene Experimente zeigen die prinzipielle Anwendbarkeit des Robotersystems auch bei vorhandenem Weichgewebe [14]. Eine Parametrierung der Röhrchen auf Basis von Bilddaten des Patienten ist Gegenstand unserer derzeitigen Forschung um beispielsweise Erreichbarkeit und Arbeitsraum zu optimieren. Eine individuelle und anwendungsspezifische Ausle-gung des Roboters soll damit möglich werden. Weitere zukünftige Erweiterungen des Robotersystems beinhalten beispielsweise die Integration eines Handgelenks am End-Effektor, um die Wendigkeit zu erhöhen. Ebenso sind die Integration von Kraftsensorik und Rückkopplung gemessener Kräfte an den Chirurgen, als auch die Entwicklung eines dedizierten Eingabegerätes denkbar. Darüber hinaus ist die Entwicklung geeigneter Trajektorienerzeugungs-und Kollisionsvermeidungsalgorithmen für diesen Typ von Kontinuumsroboter notwendig, um die Benutzerinteraktion performanter und intuitiver zu gestalten. Die bisher erzielten Forschungsergebnisse mit unserem Kontinuumsrobotersystem sehen wir als vielversprechend für chirurgische Applikationen an, weil wir ein hohes Potenzial für die Erweiterung chirurgischer Methoden in schwer zugänglichen und räumlich beengten Anatomien sehen. Neben der endonasalen Schädelbasischirurgie ist die Verwendung der nicht-linearer, wendiger Manipulatorarme -bei direkter Kontrolle durch den Chirurgen -auch für alternative Zugangsmethoden und sogar in vielen weiteren therapeutischen Szenarien verschiedenster Körperregionen denkbar, die während der Konferenz diskutiert werden sollen. Danksagung Die Autoren danken D. Caleb Rucker für die Realisierung von Systemkomponenten, sowie Kyle D. Weaver für wertvolle Diskussionen. Die Arbeit wurde in Teilen unter der Bewilligungsnummer IIS-1054331 von der National Science Foundation und der Bewilligungsnummer R21 EB011628 von den National Institutes of Health gefördert. Die Inhalte des Beitrages obliegen der Verantwortung der Autoren und repräsentieren nicht unbedingt die offiziellen Sichtweisen der National Science Foundation und National Institutes of Health
Die roboter-assistierte, transnasale Schädelbasischirurgie ist bisher nur in wenige Forschungsarbeiten thematisiert worden. Es wurden Robotersysteme in der Literatur beschrieben, welche die Bohrung zum sicheren Eröffnen des Situs oder die roboter-assistierte Manipulation eines Endoskops zur Zielsetzung haben[7][8][9][10][11][12]. Des Weiteren wurde ein Kontinuumsroboter mit 4 mm Durchmesser vorgestellt um die visuelle Exploration des Sinus mit einer Kamera zu ermöglichen[13]. Der nasale Zugang zur Schädelbasis ist räumlich sehr eingeschränkt und erschwert die Applikation herkömmlicher Robotersysteme. Unser teleoperiertes System, das aus Kontinuumsrobotern mit vorgebogenen Nitinolröhrchen besteht, komplementiert die bisherigen Forschungsarbeiten bezüglich wendiger Manipulationsmöglichkeiten am Situs. In diesem Beitrag stellen wir im Speziellen das Anwendungsszenarios der transnasalen Schädelbasischirurgie sowie erste Evaluierungen vor.Die Kinematik dieser Form von kontinuierlichen Robotern wird durchKontinuumsmechanik beschrieben [6] und beherrscht mehrere beliebigvorgebogenen Röhrchen. Typischerweise werden die Röhrchen aus Nitinol gefertigt. Die Durchmesser der kleinsten verfügbaren Nitinolrörchen ist derzeit 0,2 mm. Somit lassen sich Kontinuumsroboter dieses Typs realisie-ren, welche von den Ausmaßen mit medizinischen Nadeln vergleichbar sind, aber zugleich den Vorteil der oben genannten erweiterten Manipulati-onsräume bieten. Zusätzlich besteht ein wesentlicher Vorteil im freien Lu-men des innersten Röhrchen, welches den Austausch von Instrumenten wieAbb. 1: Gebogene Instrumente wie Kon-tinuumsroboter ermöglichen erweiterte Manipulationsräume bei der transnasalen Schädelbasischirurgie, z.B. Erreich-barkeit der Hypophyse (orange) und sup-rasellären Region (blau).Zängchen, flexiblen Endoskopen und Lasern, oder auch Spülung und Absaugung ermöglicht.
Die heute gängige Instrumentierung umfasst ein rigides Endoskop zur Visualisierung und rigide Instrumente mit geradem Schaft zur Resektion. Bei ungünstigen anatomischen Bedingungen ist aber nicht immer ein Zugang zur Hypophyse oder suprasellären Regionen gewährleistet, weil gerade Instrumente nicht ausreichend Manipulationsmöglichkeiten am Situs bieten. Wie in Abb. 1 gezeigt wird, können erweiterte Manipulationsräume erzielt werden, wenn beherrschbare, gebogene, nicht-lineare Instrumente verfügbar wären. Das Konzept der kontinuierlichen Chirurgieroboter wurde 2006 von Webster et al. [4] und Dupont et al. [5] vorgestellt. Im Vergleich zu hyperredundanten Robotern sind hier keine diskreten Gelenke im eigentlichen Sinne vorhanden. Vielmehr handelt es sich um einen kontinuerlichen Manipulator. Dieser besteht aus mehreren ineinanderliegenden, vorgebogenen, flexiblen Röhrchen. Durch Translation und Rotation dieser Röhrchen zueinander, erfolgt die Aktuierung (siehe Abb. 2a). Beispielsweise kann ein Greifer an der dem Situs zugewandten Ende des inneliegenden Röhrchen als End-Effektor realisiert und so flexibel bewegt und gesteuert werden.
. CURAC-Jahrestagung, 15.-16. November 2012, Düsseldorf penIGTLink übertragen. Die Registrierung der präoperativen medizinischen Bilddaten erfolgt oberflächenbasiert mittels eines Oberflächenmodells und intraoperativer Vermessung der korrespondierenden Oberfläche mit einem getrackten Pointer. Die Position des End-Effektors eines Manipulatorarmes wird durch ein Fadenkreuz in der triplanaren Ansicht der medizinischen Bilddaten angezeigt. Für die Evaluierung des Robotersystems wurden Erreichbarkeitsversuche mit einem humanen Schädel (Skulls Unlimited International, Inc., USA) durchgeführt. Die Keilbeinhöhle des Schädels wurde chirurgisch eröffnet. Im Anschluss wurde ein CT Datensatz aufgenommen (isotrope Voxel 0,4 mm). Zur Registrierung wurde der Schädel mit einem Schwellwertverfahren segmentiert und ein 3D Oberflächenmodell erzeugt. Für die im Folgenden beschriebenen Versuche wurde der Schädel in einem Schaumstoffkissen weitestgehend fixiert und auf dem Tisch vor dem Robotersystem in der klinisch angedachten, relativen Lage zueinander platziert. Zur Visualisierung der Keilbeinhöhle wurde ein rigides Endoskop (30° Optik, 2,7 mm Durchmesser, Olympus, USA) mit einem Haltearm fixiert. Für die bildgestützte Navigation wurde die oben beschriebene oberflächenbasierte Registrierung des Schädels durchgeführt. Der experimentelle Aufbau ist in Abb. 2b dargestellt. Für die Versuche wurde jeweils nur einer der beiden Manipulatorarme des Robotersystems verwendet.2.3Experimentelle EvaluierungAußenMitteInnenL S [mm]82,4241,1417,6L C [mm]68,669,938,4κ [mm -1 ]0,00320,00590,0128OD [mm]2,321,681,16ID [mm]1,871,350,76Tab. 1: Röhrchenparameter.
Um die Position und Lage der Manipulatorarme des Roboters zu erfassen, wird ein elektromagnetischen Trackingsystem (NDI Aurora, Northern Digital Inc., Kanada) verwendet. Dazu wird jeweils eine Magnetspule (0,8 mm Durchmesser) in das innere Röhrchen integriert. Zur bildgestützten Navigation wird 3D Slicer [16] verwendet und die Trackinginformationen mittels o-11
diesem Versuch wurde die Erreichbarkeit von fünf vorab vom Chirurgen festgelegten anatomischen Strukturen in der Keilbeinhöhle (Rostrum, linker und rechter Keilbeinhöhlengrund, superiorer und Mittelpunkt des Septums) getestet. Der Chirurg steuerte dazu den Manipulatorarm über das Eingabegerät zu den anatomischen Strukturen. Beim Erreichen der Struktur wurde das Endoskopbild als Standbild gespeichert.. CURAC-Jahrestagung, 15.-16. November 2012, Düsseldorf
Cranial, craniofacial and skull base surgery PCappabianca 2009 Springer Tumoren der Sellaregion WReith Der Radiologe 49 7 2009 The transnasal approach to the skull base. From sinus surgery to skull base surgery MWagenmann JSchipper GMS Current Topics in Otorhinolaryngology, Head and Neck Surgery 10 Doc08. 2011 Toward Active Cannulas: Miniature Snake-Like Surgical Robots RWebster AOkamura NCowan IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems 2006. 2006 A Steerable Needle Technology Using Curved Concentric Tubes PSears PDupont IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems 2006. 2006 A Geometrically Exact Model for Externally Loaded Concentric-Tube Continuum Robots DCRucker BAJones RJWebster Iii IEEE Transactions on Robotics 2010 Increased safety in robotic paranasal sinus and skull base surgery with redundant navigation and automated registration JWurm TDannenmann CBohr HIro KBumm International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery 01 03 42 2005 An integrated system for planning, navigation and robotic assistance for skull base surgery TXia CBaird GJallo KHayes NNakajima NHata PKazanzides International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery 4 4 2008 Adaptation of a hexapod-based robotic system for extended endoscopeassisted transsphenoidal skull base surgery CNimsky JRachinger HIro RFahlbusch Minimally Invasive Neurosurgery 47 1 2004 Clinical Requirements and Possible Applications of Robot Assisted Endoscopy in Skull Base and Sinus Surgery KW GEichhorn FBootz Acta Neurochirurgica 109 2011 A technique with manipulator-assisted endoscope guidance for functional endoscopic sinus surgery: proof of concept MFischer CGröbner ADietz MKrinninger TCLüth GStrauss Otolaryngology-Head and Neck Surgery 145 5 2011 Klinischer Einsatz eines Endoskop-Manipulator-Systems in der endo-und transnasalen Chirurgie MFischer CGröbner ADietz TCLueth GStrauß Laryngo-Rhino-Otologie 91 8 2012 Active bending endoscope robot system for navigation through sinus area H.-SYoon SMOh JHJeong SHLee KTae K.-CKoh B.-JYi IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems 2011 A bimanual teleoperated system for endonasal skull base surgery JBurgner PJSwaney DCRucker HBGilbert STNill PTRussell KDWeaver RJWebster IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems 2011 Manipulator Inverse Kinematic Solutions Based on Vector Formulations and Damped Least-Squares Methods CWampler IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics 16 1 1986 <author> <persName><surname>Slicer</surname></persName> </author> <ptr target="http://www.slicer.org" /> <imprint> <date type="published" when="2012">2012</date> </imprint> </monogr> </biblStruct> <biblStruct xml:id="b16"> <monogr> <title level="m">CURAC-Jahrestagung
Düsseldorf
 November 2012 15 16