Leichthammer, Johannes (2022)
Systemintegration von haptischem Feedback in einen Single-Port-Chirurgieroboter.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022196
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

In dieser Arbeit wurde der Einsatz von haptischem Feedback im Bereich der Medizinrobotik untersucht. Der Fokus wurde dabei auf die Optimierung der haptischen Eigenschaften des im Rahmen des DGF-Projekts FLEXMIN in den Arbeiten von Matich [1] und Neupert [2] entwickelten Telepräsenzsystems sowie der experimentellen Erprobung des Robotersystems im klinischen Umfeld gelegt.

Unter haptischem Feedback wird die Informationsübertragung über den Tastsinn des Menschen zusammengefasst. Dieses kann dem Anwender eines technischen Systems entweder zusätzliche Informationen vermitteln oder andere Sinneskanäle entlasten. Im Bereich der Chirurgie ermöglicht ein haptisches Telepräsenzsystem, die Vorteile von minimalinvasiven robotergestützten Eingriffen und klassischen offenchirurgischen Eingriffen zu kombinieren. Die Verwendung von Robotern verspricht eine bessere Präzision und Beweglichkeit der Instrumente bei minimalinvasiven Eingriffen. Durch haptisches Feedback kann der Chirurg Gewebeeigenschaften ertasten und so beispielsweise Tumore erkennen. In der vorliegenden Arbeit wurde der Fokus auf die Optimierung des haptischen Feedbacks sowie eine ausführliche medizinische Erprobung des in [1,2] entwickelten Robotersystems gelegt. Um den haptischen Sinneskanal möglichst optimal nutzen zu können, wurden die Anforderungen an das haptische System, bestehend aus Kraftmessung, Datenverarbeitung und Kraftausgabe an den Chirurgen, anhand der Leistungsfähigkeit der menschlichen Wahrnehmung definiert. Bei der Nutzung eines technischen Systems, welches diesen Anforderungen entspricht, ist für den Anwender kein Unterschied zwischen der Nutzung des haptischen Systems und der direkten Manipulation mit den Händen feststellbar. Ein solches System wird als haptisch transparent bezeichnet. Anhand einer erweiterten Literaturrecherche sowie von eigenen Untersuchungen sind die Anforderungen an das haptische Feedback des FLEXMIN Robotersystems ermittelt worden. Die statische Kraftauflösung muss dazu kleiner als 10mN sein. Dynamisch muss das System Kräfte bis mindestens 10Hz darstellen können. Hochfrequente Vibrationen sollten bis zu einer Frequenz von 1kHz dargestellt werden können.

Bei der Charakterisierung des FLEXMIN-Roboters wurde die Übertragungsstrecke der Kraftmessung als größte, sich negativ auf die haptischen Eigenschaften auswirkende Einflussgröße ermittelt. Um die Reibung in der Übertragungsstrecke zu reduzieren, ist der Einsatz einer überlagerten Vibration, englisch "Dithering", untersucht und implementiert worden. Damit konnte die Reibung, und damit Störeinflüsse auf die Kraftmessung, je nach Anwendungsszenario um 70% bis 97% gegenüber einer einfachen Schmierung der Lagerstellen mit biokompatiblem Schmierstoff erreicht werden. Die im System verbleibenden störenden Einflüsse auf das haptische Feedback konnten damit so weit reduziert werden, dass sie größtenteils unterhalb der menschlichen Wahrnehmungsschwelle liegen und folglich keinen Einfluss auf die Qualität des haptischen Feedbacks haben. Anhand einer Probandenstudie mit 16 Teilnehmern wurde die Schwelle bestimmt, ab der zwei Kraftstimuli als unterschiedlich wahrgenommen werden. Dabei konnte kein statistisch relevanter Unterschied in der Kraftwahrnehmung zwischen der direkten Manipulation der Kraftquelle, bestehend aus einem Hebel mit einstellbarer Rückstellkraft, mit dem Zeigefinger und der Manipulation mit dem haptischen Telepräsenzsystem FLEXMIN festgestellt werden. Hochfrequente Kraftanteile, wie sie bei der Interaktion mit harten Gegenständen oder bei Explorationsbewegungen der Fingerkuppen auf Oberflächen auftreten, werden vom Menschen als Vibration wahrgenommen. Um dem Chirurgen auch diese haptischen Informationen zur Verfügung stellen zu können, ist in der vorliegenden Arbeit der Einsatz eines Beschleunigungssensors zur Messung hochfrequenter Signale an den Roboterinstrumenten und deren Ausgabe als Vibrationsfeedback untersucht worden. Durch die Verwendung eines Least-Mean-Square-Schätzers konnten bewegungsinduzierte Störungen so weit vermindert werden, dass in einer anschließenden Validierungsstudie mit 15 Probanden unterschiedliche Oberflächenrauheiten signifikant besser zugeordnet werden konnten als ohne Vibrationsfeedback. Zusätzlich zum haptischen Verhalten des Robotersystems ist die ergonomische Anpassbarkeit des Nutzerinterfaces an unterschiedliche Anwender untersucht worden. Dafür ist sowohl die Einstellbarkeit für unterschiedliche Körpergrößen als auch die Ausgestaltung des Griffstückes betrachtet worden.

Mit den so optimierten haptischen Eigenschaften wurden anschließend Versuche zur Verwendbarkeit des FLEXMIN Robotersystems im klinischen Umfeld durchgeführt. Dafür ist zunächst die Robustheit des Gesamtsystems durch eine Überlastsicherung sowie einen Algorithmus zur Kollisionsvermeidung der beiden Instrumente so weit verbessert worden, sodass auch Versuche mit größeren Probandengruppen am Universitätsklinikum Tübingen möglich waren. In einer Probandenstudie mit 25 Teilnehmern ist die Kraftwahrnehmung mittels des haptischen Telepräsenzsystems mit der Kraftwahrnehmung bei den konventionellen chirurgischen Techniken "laparoskopisch" und "offenchirurgisch" sowie dem FLEXMIN Telepräsenzsystem ohne haptischem Feedback verglichen worden. Dabei zeigte sich, dass die Kraftwahrnehmung des haptischen Robotersystems durchschnittlich mindestens so gut ist wie mit laparoskopischen Instrumenten.

Im Rahmen der Praxiserprobung am Universitätsklinikum Tübingen konnte die Nutzbarkeit des FLEXMIN-Robotersystems für verschiedene chirurgische Eingriffe, wie beispielsweise die transanale Rektum Resektion, gezeigt werden. Bei dieser Methode zur chirurgischen Darmkrebsbehandlung erwies sich die im Vergleich zu konventionellen Techniken höhere Beweglichkeit der Instrumente bei Versuchen an einem chirurgischen Trainingsmodell sowie an tierischen Organen als vorteilhaft. Bei einer Gallenblasenentfernung an einem anatomischen Humanpräparat konnte die Integration des Robotersystems in einen vollständigen Eingriff in einem Demonstrations-OP-Saal gezeigt werden.

Das Promontorium, ein dem Steißbein gegenüberliegender, Richtung Körpermitte hervorspringender Knochen, versperrt den Zugang für transanale Eingriffe im Bauchraum. Um dies zu überwinden, und somit auch darüber hinaus minimalinvasive Eingriffe zu ermöglichen, ist ein gebogenes Führungsrohr für das FLEXMIN Robotersystem entwickelt worden. Mithilfe von diskret gelagerten, gebogenen Kohlefaserstangen können die translatorischen und rotatorischen Bewegungen der Schubstangen zur Aktuierung der Instrumente in einem 45°-Bogen mit einem Radius von 520mm über das Promontorium hinweggeführt werden.

Daneben wurde mittels additiver Fertigung ein einfach und kostengünstig herstellbares Funktionsmuster mit einem aktuierten Instrument entwickelt und aufgebaut. Dies kann für erste Untersuchungen zur Eignung des Robotersystems für neuartige chirurgische Eingriffe sowie als Technologiedemonstrator auf Messen und Ausstellungen verwendet werden.

Die vorliegende Arbeit konnte das FLEXMIN-Robotersystem in seinen haptischen Eigenschaften sowie in seiner generellen Robustheit so weit optimieren, dass eine medizinische Erprobung durchgeführt und der klinische Einsatz am Universitätsklinikum Tübingen validiert werden konnte. Das haptische Feedback konnte weiter verbessert werden, sodass ein Unterschied der Kraftwahrnehmung im Vergleich mit dem blanken Zeigefinger nicht messbar ist. Diese Arbeit bildet die Grundlage für weitere klinische Untersuchungen im Bereich der haptischen Chirurgierobotik sowie eine reproduzierbare Basis für eine anschließende industrielle Weiterentwicklung.

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