Eine Chirurgenkonsole für MiroSurge AndreasTobergte¹ andreas.tobergte@dlr.de Institut für Robotik und Mechatronik e.V. (DLR) Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt
Weßling Deutschland
PatrickHelmer² Force Dimension
Nyon Schweiz
UlrichHagn¹ Institut für Robotik und Mechatronik e.V. (DLR) Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt
Weßling Deutschland
SophieThielmann¹ Institut für Robotik und Mechatronik e.V. (DLR) Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt
Weßling Deutschland
GerdHirzinger¹ Institut für Robotik und Mechatronik e.V. (DLR) Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt
Weßling Deutschland
Eine Chirurgenkonsole für MiroSurge 9DF91736669F9D2BA4979E3A19CB358F GROBID - A machine learning software for extracting information from scholarly documents
Einleitung

MiroSurge ist ein prototypisches Robotersystem für die minimal-invasive Chirurgie, welches am DLR entwickelt wurde [1]. Es basiert auf dem universellen Leichtbauroboter MIRO [2] als Instrumententräger. Die Instrumente MICA [3] verfügen über ein Kardangelenk um die volle Bewegungsfreiheit im Patienten herzustellen und einen integrierten Kraft-/Momentensensor an der Instrumentenspitze. Der Sensor misst sechs Kräfte bzw. Drehmomente im Raum und die Greifkraft [4]. Diese können an haptische Eingabegeräte rückgekoppelt und dem Bediener dargestellt werden [5].

Eine wesentliche Komponente in einem Telechirurgiesystem mit Kraftrückkopplung sind die haptischen Eingabegeräte. Die Hauptanforderung an ein neues haptisches Eingabegerät ist die vollständige Aktuierung in allen sechs Raumfreiheitsgraden und einem Greifer. Damit ist die Rückkopplung von Manipulationskräften und -momenten möglich. Außerdem können dem Chirurgen mechanisch bedingte Arbeitsraumgrenzen des Instrumentenroboters oder patientenspezifische Sicherheitsgrenzen intuitiv dargestellt werden.

Dynamik und Regelung

In der haptischen Interaktion wird der Greifer als separater, funktionaler Freiheitsgrad betrachtet, wobei der Schnittpunkt der rotatorischen Achsen (HCP) zwischen Daumen und Zeigefinger als Referenzpunkt für die Bedienerinteraktion genommen wird. In der Jacobimatrix (Partielle Ableitung der Kartesischen Geschwindigkeit nach den Gelenkgeschwindigkeiten) für diesen Punkt sieht man die kinematische und statische Entkopplung der translatorischen und rotatorischen Freiheitsgrade.

2Tabelle 1 :Abb. 1: Bi-manuelle Teleoperation, Roboter mit Instrumenten im Hintergrund Abb. 2: Achsen 4,5 und 6 des Handgelenks mit Kraft-/Momentensensor im Achsschnittpunkt (HCP)
Ein haptisches Eingabegerät für MiroSurge sollte zudem einen hohen Grad an Transparenz aufweisen. Transparenz wird als Gütekriterium in der Telerobotik verwendet, um zu beschreiben wie gut man die Umgebung auf der Patientenseite wahrnehmen kann. Der Begriff ist eine Analogie zur Transparenz einer Glasscheibe. Diese wird z.B. beeinträchtigt von Materialeinschlüssen, Schmutz auf der Oberfläche oder Spiegeleffekten. In Analogie zur perfekten Glasscheibe, welche man nicht sieht, spürt man ein ideales haptisches Eingabegerät theoretisch nicht. Praktisch bedeutet das, dass die Eigendynamik des haptischen Geräts möglichst gering sein sollte. Es sollte eine geringe Massenträgheit und gleichzeitig eine hohe Steifigkeit aufweisen. Das Gerät sollte wenig Reibung haben und kein Spiel in der Mechanik aufweisen. Idealerweise sollte es in der Hand des Bedieners statisch und dynamisch ausbalanciert sein, d.h. Kräfte/Momente und Masseträgheiten sollten entkoppelt sein. Diese Entkopplung ist wichtig, weil sonst eine vom Chirurgen eingebrachte Kraft nicht nur zu einer translatorischen, sondern auch zu einer rotatorischen Bewegung des Geräts führt, welche der Chirurg wieder als Moment wahrnimmt. Es ist in diesem Fall nicht möglich, zwischen dem Drehmoment der Eigenbewegung des Geräts und einem Manipulationsmoment im Patienten, welches über die Motoren rückgekoppelt wird, zu unterscheiden. Da die Anforderungen an Aktuierung und Steifigkeit zu relativ hohen Massen und Widerständen der Motoren und der Struktur führen, soll ein Kraft-/Momentensensor integriert werden um die Trägheit und Reibung des Geräts mit einer Regelung zu verringern. Die Konsole soll so gestaltet sein, dass der Chirurg mit den Händen ergonomisch nah beieinander und unterstützt von einer Armauflage arbeiten kann. Der Arbeitsraum sollte dabei groß genug sein, um einen Knoten mit einer flüssigen Be-wegung machen zu können, ohne mit dem Fußpedal aus-und einkoppeln zu müssen. Die Konsole sollte sich an die ergonomischen Bedürfnisse des Chirurgen, wie z.B. Körpergröße oder bevorzugte Arbeitshaltung anpassen können, um gesundheitliche Probleme zu vermeiden [6]. In dem MiroSurge-System wurden bis 2009 die kommerziell erhältlichen Omega.7 von Force Dimension verwendet, welche nur 4 von 7 Freiheitsgraden mit Motoren antreiben. Die Konsole war nicht höhenverstellbar. Da keines der kommerziell erhältlichen haptischen Eingabegräte die Spezifikation des DLR in vollem Umfang erfüllt, wurde eine Kooperation des DLR mit Force Dimension vereinbart. Auf der Automatica 2010 wurde die neue Konsole für MiroSurge mit zwei Sigma.7 nach einjähriger Entwicklungszeit vorgestellt. Die Konsole, mit der Aufhängung der Geräte, wurde am DLR entwickelt. Die haptischen Eingabegeräte Sigma.7 wurden von Force Dimension nach Spezifikation des DLR entwickelt (Abb. 1). Seit 2011 bietet Force Dimension eine modifizierte kommerzielle Version des Sigma.7 an. Diese ist weitgehend baugleich mit der DLR Version, verfügt aber nicht über einen Kraft-/Momentensensor. Im Folgenden werden das Design, dynamische Eigenschaften und Regelung der MiroSurge-Konsole mit den Sigma.7 vorgestellt.
Die 6x6 Matrix ist mit zwei 3x3 Matrizen, je eine Matrix für die translatorische Basis und eine Matrix für das rotatorische Handgelenk des Geräts vollständig beschrieben. Eine Kraft muss daher nicht mit den Motoren des Handgelenks abgestützt werden, wie dies bei vielen Geräten mit einem stiftartigen Griffstück der Fall ist. Es können damit große Kräfte und kleine Momente gleichzeitig dargestellt werden. Die dynamische Verkopplung sieht man in der Trägheitsmatrix für die Achsen 1 bis 6. Die Trägheitsmatrix ist in der nominalen Position näherungsweise diagonal, wobei die Nicht-Diagonalelemente etwa eine Größenordnung kleiner sind als die Diagonalelemente. Eine vom Bediener eingebrachte Kraft führt daher fast ausschließlich zu einer Bewegung in die Richtung dieser Kraft. Die geringe Verkopplung durch die Nicht-Diagonalelemente ist kaum spürbar. Eine Reduktion der vom Bediener wahrgenommenen Massenträgheit und Reibung wurde durch eine Regelung mit dem Kraftsensor realisiert. Die Regelung kann physikalisch interpretiert werden, als eine Skalierung der Trägheit und Reibung zwischen den Motoren und dem Sensor. Dadurch wird das haptische Eingabegerät leichtgängiger und der Bediener sensitiver für kleine Änderungen in der Umgebungssteifigkeit. Die Kraftrückkopplung wird also weniger von der Eigendynamik des Eingabegerätes überlagert und die Transparenz wird erhöht. Es kann theoretisch gezeigt werden, dass die Regelung zu einem passiven Verhalten der verkoppelten nicht-linearen Mechanik im geschlossenen Regelkreis führt.Es wurden zwei Experimente in der z-Achse (Vertikalen) gemacht. Beide Experimente werden zuerst ohne und dann mit der Kraftregelung durchgeführt, wobei die Schwerkraft immer kompensiert ist. Der Skalierungsfaktor beträgt 0,5, d.h. Massenträgheit und Reibung werden durch die Regelung halbiert. Im ersten Experiment regt der Bediener das Eingabegerät mit einer Sinusförmigen Bewegung an, zunächst ohne die Regelung und dann mit der Regelung. Vergleicht man das Verhältnis von Geschwindigkeit zu benötigter Kraft der beiden Durchgänge, so halbiert es sich. Man braucht also bei gleicher Geschwindigkeit nur die halbe Kraft. Der experimentell ermittelte Skalierungsfaktor von 0,498 entspricht dem theoretischen Erwartungswert von 0,5.In einem zweiten Experiment wird der Vorteil der Reibungsskalierung gezeigt. Bei einer externen Last von 60 Gramm fällt das Griffstück wegen der Schwerkraft zunächst nach unten und wird dann durch Reibung bis zum Stillstand abgebremst (Abb. 4, oben). Mit der Regelung fällt das Gerät mit zunehmender Geschwindigkeit nach unten bis es von einer virtuellen Wand zurückgestoßen wird, um schließlich in einem stabilen Kontakt mit der virtuellen Wand zur Ruhe zu kommen (Abb. 4, unten). Die Experimente zeigen, dass Trägheit und Reibung mit der Regelung effektiv reduziert werden.Es wurde eineChirurgenkonsole für das MiroSurge-System am DLR vorgestellt. Für die Konsole wurde ein neues haptisches Eingabegerät, Sigma.7, von Force Dimension, in Kooperation mit dem DLR, entwickelt. Die gesamte Konsole ist höhenverstellbar um sich der Ergonomie des Bedieners anpassen zu können. Die Eingabegeräte verfügen über sieben angetriebene Freiheitsgrade um Kräfte, Momente und die Greifkraft darstellen zu können. Die geringe mechanische Verkopplung, sowie eine regelungstechnische Reduktion von Massenträgheit und Reibung, sorgen für eine sehr hohe Transparenz der haptischen Eingabegeräte. Die Konsole ist voll in MiroSurge integriert und in Zukunft soll das Robotersystem mit Chirurgen evaluiert werden. Fragenstellungen ergeben sich dabei unter Anderem aus dem Konsolendesign mit dem offenen 3D-Monitor, sowie der Ergonomie mit Höhenverstellung und Unterarmauflage. Eine zentrale Rolle spielt auch die Weiterentwicklung und Erprobung der Kraftrückkopplung in MiroSurge mit den Sigma.7.
4Zusammenfassung und Ausblick
. CURAC-Jahrestagung, 15. -16. September 2011, Magdeburg
DLR MiroSurge -A Versatile System for Research in Endoscopic Telesurgery UHagn RKonietschke ATobergte MNickl SJörg BKuebler GPassig MGröger FFröhlich USeibold LLe-Tien AAlbu-Schäffer ANothelfer FHacker MGrebenstein GHirzinger International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery 2009 Springer The DLR MIRO: A versatile lightweight robot for surgical applications UHagn MNickl SJörg GPassig TBahls ANothhelfer FHacker LLe-Tien AAlbu-Schäffer RKonietschke MGrebenstein RWarpup RHaslinger MFrommberger GHirzinger Industrial Robot 2008 MICA -A new generation of versatile instruments in robotic surgery SThielmann USeibold RHaslinger GPassig TBahls SJörg MNickl ANothhelfer UHagn GHirzinger Proceedings of IROS'10, IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems IROS'10, IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems 2010 USeibold BKuebler GHirzinger Prototypic force feedbackinstrument for minimally invasive robotic surgery I-Tech Education and Publishing 2008 Medical Robotics ATobergte GPassig BKübler USeibold UHagn FFröhlich RKonietschke SJörg MNickl SThielmann RHaslinger MGröger ANothhelfer LLe-Tien RGruber AAlbu-Schäffer GHirzinger MiroSurge -Advanced User Interaction Modalities in Minimally Invasive Robotic Surgery, PRESENCE -Teleoperators and Virtual Environments MIT Press 2010 Patients Benefit While Surgeons Suffer: An Impending Epidemic APark GLee FSeagull NMeenaghan DDexter Journal of the American College of Surgeons 2010 The Delta Haptic Device SGrange FConti PRouiller PHelmer CBaur Mechatronics 2001 CURAC-Jahrestagung
Magdeburg
 September 2011 15 16