In diesem Beitrag wird ein Konzept für ein minimaltraumatisches Robotersystem für den laparoskopischen Einsatz vorgestellt. Es ist im Gegensatz zu den heute in der chirurgischen Routine verwendeten Systemen mit flexiblen Instrumenten ausgestattet. Des Weiteren soll das Zusammenspiel von Chirurgen auf der einen Seite und Robotertechnik auf der anderen Seite durch den Einsatz von haptischer Sensorik und entsprechenden Eingabegeräten noch enger verbunden werden. Die aus einer modularen Architektur bestehende Plattform soll dabei als Grundlage für ein zukünftiges Trainings- und Simulationssystem als auch für den realen Einsatz im Operationssaal (OP) dienen. Im Folgenden werden nun die einzelnen Komponenten, die flexiblen Instrumente und die eingesetzte Simulationsumgebung beschrieben.
±270°. Ebenfalls besteht die Möglichkeit, die Instrumente translatorisch zu bewegen, was das Einführen bzw. Herausziehen aus dem Patienten ermöglicht, ohne den LBR selbst zu verfahren. Der vierte Bestandteil ist schließlich das eigentliche Werkzeug.
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Hinsichtlich der Interaktion zwischen Mensch und Roboter muss zwischen zwei Betriebsarten unterschieden werden. Einerseits die Positionierung der Instrumentenaufnahme durch den LBR und andererseits die eigentliche Manipulation der Instrumente. Im ersten Fall wird lediglich ein Eingabegerät für den LBR benötigt. Alternativ kann das klinische Personal den LBR auch manuell (im Hands-On Modus) über dem Patienten platzieren. Sobald dies abgeschlossen ist erfolgt die beidhändige Manipulation, wobei jeweils zwei der drei Instrumente gleichzeitig manipuliert werden können. Mittels der beiden Eingabegeräte werden jedoch nur die Werkzeuge in Ihrer Lage und Orientierung gesteuert. Der flexible Schaft soll dabei automatisch eine geeignete Konfiguration einnehmen.
Eine besondere Bedeutung kommt den flexiblen Instrumenten zu, welche einen minimaltraumatischen Eingriff
überhaupt ermöglichen. Hierbei ist im Unterschied zu den bisher erhältlichen Laparoskopen nicht die Spitze des
Instrumentes beweglich, sondern der gesamte Schaft. Ferner ist das eigentliche Werkzeug (Schere, Präparator, Greifer) modular an
dem flexiblen Schaft arretierbar, wie in Abbildung 2 zu sehen. Die damit verbundene Schwierigkeit liegt nun jedoch
darin, der aktuierten Struktur eine ausreichende Steifigkeit zu verleihen, um die im Eingriff auftretenden Kräfte und
Momenten aufnehmen zu können. Ausgehend von kommerziell erhältlichen laparoskopischen Instrumenten wurden ein
Durchmesser von 10 mm und eine Länge von max. 300 mm gewählt. Ebenfalls sind maximale Schneid- und Greifkräfte
von 10 N als Zielvorgabe zu realisieren.
Abbildung 2: Analogie der Instrumentenbestandteile zwischen klassischem Instrument links und Robotersystem rechts
Der flexible Teil des Instrumentes besteht aus einzelnen, unabhängig voneinander angetriebenen Segmenten. Diese
lassen sich über das integrierte Antriebssystem in zwei Richtungen gegeneinander verdrehen, woraus sich ein mehrfach
gekrümmter Zugangspfad ergibt. Zusätzlich soll ein auf optischen Fasern basierender Formsensor [
Seilzugsystem
Elektrisches System
Fluidisches System
Das seilbetriebene System ist aus einzelnen festen und elastischen Komponenten aufgebaut, die über acht Seilzüge verformt werden können. Zusätzlich besitzt es einen 3 mm großen Arbeitskanal, welcher in der aktuellen Version die Formbzw. Lagesensorik aufnimmt. Das gesamte System ermöglicht zwei unabhängige räumliche Krümmungen und dient primär der Evaluation der eingesetzten Sensorik. Bei den beiden anderen Systemen liegt der Fokus auf der Realisierung einer sehr flexiblen aber zugleich steifen Struktur, welche auch die in der Chirurgie üblichen Arbeitskräfte aufnehmen können. Zum einen existiert eine Variante, bei der jedes Segment zwei Elektromotoren besitzt, wobei jeweils ein Bewegungsfreiheitsgrad erzielt werden kann. Die zweite Variante besteht aus drei hydraulischen Hubeinrichtungen, welche als Parallelkinematik ausgeführt sind und ebenfalls eine Verdrehung der beweglichen Einheit gewährleisten. Als Medium ist hierfür Wasser oder eine Kochsalzlösung vorgesehen. Zusätzlich gilt es, die zugehörige Ansteuerung in Form von Piezoventilen mit in den gesamten Segmentaufbau zu integrieren. 2.1.2 Werkzeuge Die für jeden Eingriff erforderlichen Werkzeuge sind als eigenständige Komponenten ausgeführt und sind unabhängig von der flexiblen Struktur nutzbar. Über eine elektromechanische Kupplung wird das Werkzeug schließlich mit Energie und Informationen versorgt. Der Greifer, welcher in Abbildung 3 dargestellt ist, besitzt als Antriebssystem einen Elektromotor zum Öffnen und Schließen der Greifbacken. Hierbei ist der Motor - vor dem Hintergrund der Sterilisationfähigkeit - von den mit Gewebe und/oder Flüssigkeiten in Kontakt tretenden Teilen gekapselt.
Des Weiteren ermöglicht der Aufbau einen Einsatz beliebiger Backengeometrien, wodurch auch die Realisierung einer Schere oder eines Präperators ohne weitere Anpassungen erfolgen kann.
Ferner besitzt das Werkzeug zur Detektion eines Gegenstandes
eine Tastsensorik in den Greiferbacken (vgl. [
Neben der eigentlichen Hardware existiert zusätzlich eine Simulationsumgebung auf Basis von MATLAB/Simulink [
Simulation der Instrumenten-Kinematiken zur Dimensionierung der mechanischen Strukturen Durchführung von Arbeitsraumanalysen der drei Instrumentenvarianten Pfadplanung für die flexiblen Instrumente unter Einbeziehung von anatomischen Strukturen Steuerung und Überwachung der an den LBR angekoppelten mechatronischen Systeme
Verarbeitung der Informationen von und zu den haptischen Eingabegeräten
Des Weiteren steht eine direkte Schnittstelle zu OpenRAVE [
Das zuvor beschriebene System befindet sich aktuell im Laboraufbau. Dabei erfolgt für das seilzugbetriebene und das elektrische System ein maßstäblicher Aufbau mit einem Durchmesser von 10 mm. Mit diesen beiden Systemen sollte es möglich sein, Krümmungsradien von 45 mm zu erzielen, was dem Umschließen der Leber im Bereich der Gallenblase entspricht. Die dafür notwendigen Segmente sind ca. 10 mm (elektrisches System: 20 mm) lang und ermöglichen eine Verdrehung/Rotation von 10° (20°) pro Bewegungsachse. Das fluidische System wird vorerst in einem Maßstab 3:1 aufgebaut, da es aktuell keine mikromechanischen Bauteile gibt, welche den gestellten Anforderungen entsprechen. Dieses Modell ist erforderlich, um erste Erfahrungen mit hydraulischen Systemen im medizinischen Umfeld zu sammeln und zusammen mit der Simulation Rückschlüsse darüber zu gewinnen, welche Parameter bei einem maßstäblichen Aufbau zu erwarten sind. Hinsichtlich der Instrumentenaufnahme ist es möglich die einzelnen Instrumente mit einer Genauigkeit von 0,1 mm innerhalb der 100 mm Verfahrweg translatorisch zu positionieren. Parallel sollen erste Versuche erfolgen, in denen der Leichtbauroboter gemeinsam mit der Instrumentenaufnahme über das haptische Interface angesteuert wird. Softwareseitig existieren bereits vereinfachte Modelle der Pfadplanung für die mit über 38 Freiheitsgraden ausgestatteten Instrumente. Im Bereich der Visualisierung der Roboterplattform steht der LBR inklusive der Instrumentenaufnahme und drei elektrisch betrieben Instrumenten zur Verfügung. Die einzelnen Komponenten lassen sich dabei auch über externe Eingabegeräte grundlegend manipulieren. 4
Der Einsatz eines minimaltraumatischen Roboterassistenzsystems mit den Vorzügen des haptischen Feedbacks, gepaart mit einer bisher nichtvorhandenen Flexibilität der Instrumente ermöglicht es, dem Chirurgen neue Manipulationsmöglichkeiten an die Hand zu geben. Dabei liegen die Vorteile dieses System in einer sehr platzsparenden Bauform, welche den Einsatz von z.B. zusätzlichen Tracking-Systemen im Operationsfeld ermöglicht. Jedoch ist darauf hinzuweisen, dass die Miniaturisierung aktiver Instrumente aus technologischer Sicht noch viele offene Fragen parat hält. Insgesamt betrachtet ist anzustreben, dass sich diese Plattform auf Grund ihrer Architektur der verwendeten Soft- und Hardwarekomponenten als ideale Basis zur Erforschung der technischen Nutzbarkeit im chirurgischen Umfeld entwickelt. Dieses Projekt wird durch das Ministerium für Wirtschaft, Forschung und Kunst Baden Württemberg im Rahmen des Förderprogrammes „Innovative Projekte“ gefördert.