Matich, Sebastian (2019)
Parallelkinematisches Manipulationssystem zum Einsatz in der roboterassistierten Single-Port-Chirurgie.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Motiviert durch die Fortschritte im Bereich der roboterassistierten minimalinvasiven Chirurgie besteht der aktuelle Trend, die Invasivität chirurgischer Eingriffe weiter zu senken und diese nur noch über eine natürliche Körperöffnung durchzuführen (NOTES). Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist die Untersuchung der für einen derartigen Eingriff notwendigen Manipulationssysteme, die in das Körperinnere eingeführt und durch den Arzt ferngesteuert werden. Zur Erweiterung der intrakorporalen Beweglichkeit und Verbesserung der Positioniereigenschaften werden die Manipulatoren als parallelkinematischer Mechanismus realisiert. Ein weiteres Ziel ist die Messung der im Körper auftretenden Manipulationskräfte und Vermittlung dieser bezüglich der Eingabekonsole des Arztes. Entsprechend der hieraus resultierenden Notwendigkeit einer intrakorporalen Kraftmessung werden in dieser Dissertation zwei Messkonzepte in die Manipulatorstruktur integriert, mit denen die Bestimmung der Manipulationskräfte erfolgt. Zu Beginn werden 21 Systeme aus dem Bereich der roboterassistierten Single-Port-Chirurgie hinsichtlich des Aufbaus der intrakorporalen Manipulatoren sowie der Verteilung der Freiheitsgrade analysiert. Ausgehend von deren meist unzureichendem Positioniervermögen infolge einer zu geringen Steifigkeit, wird der Ansatz des in dieser Arbeit untersuchten parallelkinematischen Manipulators motiviert. Die Anforderungsdefinition erfolgt anhand einer Betrachtung der Übertragungseigenschaften eines Teleoperationssystems unter Verwendung der komplexen Netzwerktheorie sowie aufgrund der Definition eines chirurgischen Leitszenarios in Form der transanalen Rektumresektion. Ausgehend von einer Topologieanalyse parallelkinematischer Mechanismen und deren spezifischer Merkmale erfolgt die schrittweise Entwicklung eines parallelkinematischen Manipulators, der verschiedene im Stand der Technik beschriebene spezifische Merkmale in einer neuen Struktur vereint. Der entwickelte parallelkinematische Manipulator erfüllt die formulierten Anforderungen hinsichtlich der intrakorporalen Beweglichkeit und ermöglicht neben der Positionierung das Rotieren, Abwinkeln sowie Öffnen und Schließen des Greifers. Die Struktur zeichnet sich dabei durch einen zweiteiligen Aufbau aus, der eine Entkopplung der antriebs- und abtriebsseitigen Freiheitsgrade bewirkt. Dadurch wird die Ansteuerung vereinfacht, da Position und Orientierung des an der Spitze befindlichen Greifers unabhängig voneinander einstellbar sind. Um einen möglichst kompakten Aufbau des Mechanismus zu erzielen, nutzt dieser sowohl die Translationen als auch Rotationen von drei in der Basis befindlichen Schubstangen aus. Das Öffnen und Schließen des Greifers wird mittels einer rekonfigurierbaren Toolplattform inhärent abgebildet. Mit dem Ziel, die Positioniereigenschaften zu verbessern, erfolgt der kinematische Entwurf des Manipulators. Innerhalb des Entwurfs werden 49950 mögliche Ausgestaltungsformen betrachtet. Hierbei zeigt sich, dass von diesen nur 27,3 % über den geforderten Arbeitsraum verfügen, von denen wiederum 63,8 % die geforderten Übersetzungseigenschaften aufweisen. Unter Erfüllung aller kinematischen Anforderungen ergibt sich final ein Lösungsraum von 33 Mechanismen, aus denen, unter Berücksichtigung der Morphologie sowie dem erzielbaren Überkreuzungsvermögen zweier Manipulatoren, eine Ausgestaltungsform ausgewählt wird. Neben der Erfüllung der kinematischen Anforderungen hinsichtlich der geforderten Kräfte von 5 N und Geschwindigkeiten von 200 mm/s übertrifft diese den geforderten Arbeitsraum um 213 % und vergrößert so die intrakorporale Beweglichkeit. Unter Verwendung des entworfenen Manipulators erfolgt die Systemintegration des für den Eingriff notwendigen Single-Port-Roboters. Dieser verfügt über zwei in einen Schaft von 38 mm Durchmesser integrierte Manipulatoren, die über eine Bedienkonsole durch den Arzt gesteuert werden. Neben der feinwerktechnischen Ausgestaltung und Fertigung dreier Manipulatoren erfolgt die Konstruktion der für die klinische Erprobung notwendigen Endeffektoren in Form von Fasszangen, Nadelhaltern und eines Hochfrequenz-Skalpells. Mittels des realisierten Single-Port-Roboters wird die Verifikation der kinematischen Eigenschaften und des Positioniervermögens der drei Manipulatoren anhand von Kreisformtests durchgeführt. Bei diesen wird der Endeffektor entlang von Kreisbahnen mit 50, 30 und 10 mm Durchmesser in allen drei Hauptebenen des Arbeitsraums bewegt und die Kreisbahnen mit einem Marker-Tracking erfasst. Die durchgeführten Versuche bestätigen die Leistungsfähigkeit des parallelkinematischen Ansatzes, da die Positioniereigenschaften sowohl unter Einwirkung einer Kraft von 4,9 N als auch für Geschwindigkeiten von 320 mm/s erhalten bleiben und mit den Manipulatoren Kreisbahnen mit einer mittleren Rundheit von 1,5 mm beschreibbar sind. Die Integration der für die Erzeugung eines haptischen Feedbacks notwendigen Kraftmessungen erfolgt unter Berücksichtigung der realisierten Manipulatorstruktur sowie unter Erarbeitung des Stands der Technik zu Sensoren der intrakorporalen Kraftmessung. Insgesamt werden sechs Kraftmesskonzepte für den realisierten Manipulator abgeleitet, von denen innerhalb dieser Arbeit zwei über den Stand der Technik hinausgehende umgesetzt und evaluiert werden. Der proximale Ansatz nutzt die Übertragungseigenschaften der positionsbestimmenden Tripodstruktur des Manipulators aus. Die am Endeffektor angreifende Kraft ist über das inverse Übertragungsverhalten mit den in den Schubstangen wirkenden Axialkräften verkoppelt, sodass durch Messen der einachsigen axialen Schubkräfte eine räumliche Kraftmessung erfolgt. Vorteilhaft an diesem Konzept ist die Möglichkeit, die Sensoren außerhalb des Körpers und damit im unsterilen Bereich anzuordnen, wodurch die Anforderungen hinsichtlich des Packagings sowie des Formfaktors sinken. Zur Messung der axialen Kraftkomponenten werden drei einachsige Kraftsensoren mit einem Kraftmessbereich von 50 N entworfen und in das Antriebssystem der Manipulatoren integriert. Wie zunächst erwartet, führt die innerhalb des Manipulators auftretende Reibung zur einer Verfälschung der Messwerte. Für den untersuchten Kraftmessbereich von 4 N wird eine Querempfindlichkeit von bis zu 2,54 N sowie eine Streuung der Messwerte von 2,31 N erzielt. Werden die Schubstangen zu einer Schwingung mit 6 Hz angeregt, so reduzieren sich die störenden Reibeffekte um die Faktoren 12,7 und 4,62. Aufgrund der Anwendung des Konzepts der Reibungsreduktion durch Schwingung auf das Problem der Interaktionskraftmessung wird die Darstellung eines haptischen Feedbacks durch einachsige extrakorporale Sensoren ermöglicht. Neben dem proximalen Ansatz wird ein 6 DOF Miniatur-Kraft-Momenten-Sensor mit 9 mm Durchmesser realisiert, der aufgrund seiner Größe nahe dem Endeffektor integrierbar ist. Infolge dieser distalen Integration wird der Einfluss von Reibeffekten minimiert und die Bandbreite des Messsignals vergrößert. Die für diese distale Integration notwendige Miniaturisierung adressierend, wird der Sensor mit dem entwickelten und als Patent angemeldeten Rolltechnikverfahren gefertigt. Bei diesem entfällt das aufwändige Bestücken einer monolithischen dreidimensionalen Verformungskörpergeometrie mit Dehnmesselementen. Unter Nutzung eines auf der Stewart-Gough-Plattform basierenden Verformungskörpers wird zunächst eine planare Sensorstruktur gefertigt und mit Messelementen bestückt. Durch Aufrollen dieser Struktur entsteht final der dreidimensionale Kraft-Momenten-Sensor. Entsprechend der möglichen planaren Fertigung und Bestückung ergeben sich skalierbare, miniaturisierbare und automatisierbare Prozesse. Der disruptiv gefertigte Kraft-Momenten-Sensor weist eine Querempfindlichkeit von 0,1 N bzw. 0,76 mNm sowie einen Linearitäts- und Hysteresefehler von weniger als 1,16 % für Nennkräfte von 4 N und Nennmomente von 66 mNm auf. Entsprechend des Kraftmessbereichs sowie der Größe ist dieser an der Spitze der Manipulatorstruktur integriert und wird für die Interaktionskraftmessung genutzt. Innerhalb der Validierung des Teleoperationssystems werden mit dem Single-Port-Roboter zunächst Einzelfunktionen im Rahmen von Probandentests abgefragt. Hierbei zeigt sich, dass unter Verwendung des Single-Port-Roboters die Präzision der Bewegungen gegenüber dem händisch bedienten Instrumentarium der Transanalen Endoskopischen Mikrochirurgie (TEM) um den Faktor 5 gesteigert wird. Bezüglich der Bereitstellung eines haptischen Feedbacks wird des Weiteren gezeigt, dass sich mit diesem die Manipulationskräfte um den Faktor 2 reduzieren. Neben der gezielten Untersuchung von Einzelfunktionen erfolgt mit dem Kooperationspartner am Universitätsklinikum in Tübingen die Evaluierung verschiedener chirurgischer Szenarien anhand von Tierorganen und anatomischen Modellen. Im Rahmen der erfolgten Tests werden sowohl Nahtübungen, Teilschritte der transanalen Rektumresektion, der Verschluss der Leistenhernie sowie die Gallenblasenentfernung erfolgreich mit dem Teleoperationssystem durchgeführt und so der Nachweis für die Eignung des parallelkinematischen Manipulationssystems zur Anwendung im Bereich der roboterassistierten Single-Port-Chirurgie erbracht.

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