Neupert, Carsten (2017)
Haptische Bedieneinheit zum Einsatz in einem Teleoperationssystem für die Single-Port-Chirurgie.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Gegenwärtig verfügbare Chirurgieroboter bieten Ärzten die Möglichkeit, chirurgische Eingriffe im Bauchraum eines Patienten mit höchster Präzision durchzuführen. Durch die Steuerung der Endeffektoren im Operationsgebiet von einer entfernten Bedienkonsole aus verliert der Arzt jedoch die Möglichkeit, mithilfe seines Tastsinnes Interaktionskräfte und Gewebeeigenschaften wahrzunehmen und zu beurteilen. Hieraus ergeben sich für den Arzt und den Patienten Nachteile und Gefahren, die durch die Darbietung haptischen Feedbacks während der Teleoperation vermieden werden können.

Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist daher die wissenschaftliche Erarbeitung einer angepassten haptischen Bedieneinheit zum Einsatz in einem Teleoperationssystem für die Single-Port-Chirurgie sowie die Analyse von Methoden und Komponenten zur Sicherung des haptischen Feedbacks. Die Bedieneinheit umfasst die Funktion eines haptischen Eingabegerätes zur Steuerung eines Manipulators und die Funktion eines Ausgabegerätes zur Darbietung haptischen Feedbacks bezüglich wirkender Interaktionskräfte im Operationsgebiet. Diese Arbeit ist Teilprojekt des durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projektes FLEXMIN (WE 2308/13), dessen Hauptziel in der Erweiterung der Flexibilität minimalinvasiver Instrumente zur Durchführung von Operationen im konkreten Anwendungsfall der transanalen Rektumresektion besteht.

Ein weiteres Teilprojekt (SCHL 532/6) umfasst das Single-Port-System, dessen Manipulatoren im Operationsgebiet des Darmes durch die in dieser Arbeit entwickelte Bedieneinheit gesteuert werden sollen. Die Manipulatoren des Single-Port-Systems basieren auf parallelkinematischen Mechanismen. Die Mechanismen ermöglichen die Positionierung und Orientierung eines Endeffektors im Raum, mit den vier in der Laparoskopie üblichen Freiheitsgraden, sowie die Aktuierung eines Greiffreiheitsgrades.

Ausgehend vom Stand der Technik basiert der Entwurf der Bedieneinheit als Schnittstelle zum Menschen sowohl auf Grundlagen zur Physiologie und Ergonomie des Menschen als auch auf abgeleiteten Anforderungen, die sich aus der gewählten Systemstruktur des Teleoperationssystems und den kinematischen Eigenschaften des Single-Port-Systems ergeben. Hierzu werden die Mechanismen der haptischen Wahrnehmung diskutiert, für unterschiedliche Darstellungsvarianten haptischen Feedbacks grundsätzliche Lösungskonzepte erarbeitet und die Entwurfsziele zur Entwicklung haptischer Systeme abgeleitet. Geometrische Randbedingungen und zur Verfügung gestellte Freiheitsgrade der Bedieneinheit werden anhand der Struktur der Manipulatoren des Single-Port-Systems fixiert.

Die entwickelte Bedieneinheit besteht aus zwei Bedienelementen zur beidhändigen Steuerung der zwei im Single-Port-System integrierten Manipulatoren. Die kinematische Grundstruktur der Bedienelemente ist passiv ausgeführt und gleicht der Struktur der kinematischen Hauptketten der Manipulatoren. Der Nutzer gibt durch seine Eingabe die Position des letzten Gliedes der kinematischen Kette vor. Zur Ausgabe von haptischem Feedback an den Nutzer wird die passive Grundstruktur durch aktive kinematische Mechanismen erweitert.

Zur Darbietung eines räumlichen haptischen Feedbacks gelangen deltakinematische Mechanismen zum Einsatz. Sie lösen die von drei gestellfest montierten Aktoren erzeugten Signale im kartesischen Raum auf. Es werden zwei Mechanismen mit unterschiedlichen Entwurfszielen entwickelt, aufgebaut und messtechnisch evaluiert. Beide Mechanismen weisen einen Arbeitsraum von 200x200x150 mm³ auf und eignen sich zur Ausgabe von Kräften bis zu 20 N im Frequenzbereich bis etwa 50 Hz. Die Kraft wird mit einer Auflösung unterhalb der Wahrnehmungsschwelle der menschlichen Hand ausgegeben.

Zur Steuerung und zur Ausgabe haptischen Feedbacks in den Freiheitsgraden Greifen und Rotation um die Werkzeugachse werden Nutzerinterfaces entwickelt, welche sich an die zuvor beschriebenen kinematischen Mechanismen ankoppeln lassen. Die Nutzerinterfaces sind zur Handhabung als Pistolengriff oder Pinzette vorgesehen. Mit den Nutzerinterfaces lassen sich Greifkräfte von bis zu 5 N sowie ein Drehmoment um die Werkzeugachse von bis zu 200 mNm in einem Frequenzbereich von bis zu ca. 100 Hz ausgeben.

Die zuvor beschriebenen Mechanismen sind zur Darstellung kinästhetischen Feedbacks in einer impedanzgesteuerten Systemtruktur vorgesehen. Neben dieser Darstellungsart werden mit dem vibrotaktilen haptischen Feedback und mit dem Einsatz pseudo-haptischen Feedbacks zwei weitere Methoden zur Darbietung haptischen Feedbacks und deren Kombinierbarkeit im Gesamtsystem untersucht.

Mit dem Einsatz von vibrotaktilem Feedback wird das Ziel verfolgt, den haptisch darstellbaren Frequenzbereich bis 1 kHz zu erweitern und damit das komplette Spektrum der haptischen Wahrnehmung des Menschen zu adressieren. Hierzu wird die am Endeffektor des Manipulators wirkende Beschleunigung gemessen und mit einem im Nutzerinterface integrierten Aktor unmittelbar an die Hand des Nutzers ausgegeben.

Während pseudo-haptisches Feedback nach Analyse des Stands der Technik nur aus Anwendungen der virtuellen Realität bekannt ist, werden die Mechanismen des pseudo-haptischen Feedbacks innerhalb dieser Arbeit erstmalig für ihre Anwendung in der Teleoperation hergeleitet. Die Herleitung erfolgt exemplarisch für den Freiheitsgrad Greifen. Zur Darbietung eines pseudo-haptischen Sinneseindrucks wird eine bewusst erzeugte Inkongruenz zwischen visuellen und haptischen Reizen genutzt. Erzeugt wird diese Inkongruenz durch die adaptive Variation der Beziehung zwischen der Vorgabegröße des Nutzers am Bedienelement und der resultierenden Ausgangsgröße des Manipulators.

Mithilfe statistischer Versuchsplanung werden Probandenstudien konzipiert, um anhand eines absoluten Identifikationsexperimentes den Einfluss von Systemparametern auf die Güte des wahrgenommenen pseudo-haptischen Feedbacks quantitativ ermitteln zu können. Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden Empfehlungen und Entwurfskriterien für die zukünftige Anwendung pseudo-haptischen Feedbacks in Teleoperationsanwendungen abgeleitet. Unter Verwendung des pseudo-haptischen Feedbacks konnte ein Informationstransfer von bis zu 2,45 bit (ca. 5,5 Stufen) nachgewiesen werden.

Zur Darbietung haptischen Feedbacks ist die Messung der Interaktionskräfte des Manipulators Voraussetzung. Da sich die Integration eines kommerziellen Mehrkomponentensensors an der Spitze des Endeffektors aus Platzgründen als nicht praktikabel erweist, werden innerhalb der Arbeit Konzepte zur Implementierung ortsverteilter Sensorik im Single-Port-System abgeleitet und diskutiert. Praktisch umgesetzt wird ein Sensorsystem zur Ableitung von Endeffektorinteraktionskräften auf Basis der Messung von Lagerreaktionskräften der parallelkinematischen Mechanismen. Mit dessen experimenteller Charakterisierung wird die prinzipielle Funktionsfähigkeit des Konzeptes nachgewiesen.

Im Rahmen einer medizinischen Validierung wird die Funktionsfähigkeit des gesamten Teleoperationssystems anhand von Probandenstudien nachgewiesen und in Versuchen an medizinischen Phantomen durch Mediziner gezeigt. Hierbei kann anhand der Fehlerzahl bei einer Tastaufgabe ermittelt werden, dass sich die Präzision der Arbeit unter Verwendung des Robotersystems im Vergleich zur händischen Operation um bis zu Faktor 5 steigern lässt. Des weiteren kann nachgewiesen werden, dass sich die Endeffektorinteraktionskraft durch den Einsatz von haptischem Feedback nahezu halbieren lässt.

Aus den gewonnenen Erkenntnissen werden Empfehlungen für zukünftige Entwicklungen angepasster haptischer Bedieneinheiten unter Verwendung der eingeführten haptischen Feedbackmethoden abgeleitet und diskutiert. Mit dem realisierten Aufbau steht ein Technologieträger zur Beantwortung weiterer Forschungsfragestellungen zur Verfügung. Ansatzpunkte zukünftiger Forschungsarbeiten werden ausblickend für das Projekt FLEXMIN sowie für darauf aufbauende Forschungsarbeiten gegeben.

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