Technologien für disposable Endoskopieroboter

Abstract

Die Alterung der Gesellschaft ist ein globales Phänomen, das die Gesundheitssysteme vor Herausforderungen stellt. Verschärft wird die Situation durch einen zunehmenden Mangel an Fachkräften im Gesundheitswesen und begrenzte finanzielle Ressourcen. Kliniken müssen daher eine wachsende Zahl von Patient:innen mit weniger Personal versorgen und gleichzeitig effiziente und ressourcenschonende Behandlungsmethoden einsetzen, um den finanziellen Druck zu mildern. In der Chirurgie werden kürzere Behandlungszeiten, schnellere Genesung und minimalinvasive Eingriffe gefordert. Der Einsatz von robotischen Assistenzsystemen bietet hier Unterstützung, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. In Deutschland nimmt der Einsatz von robotischen Assistenzsystemen stetig zu, da sie zur Weiterentwicklung und Verbesserung von chirurgischen Eingriffen beitragen können. Darüber hinaus können diese Systeme dem Fachkräftemangel entgegenwirken und durch ihre einfache und schnell erlernbare Bedienung die Produktivität der Kliniken steigern. Ein disposabler Endoskopieroboter für den Magen-Darm-Trackt wurde entwickelt. Einwegsysteme sind aus hygienischen Gründen Mehrwegsystemen vorzuziehen und weisen im medizinischen Umfeld eine höhere Ressourceneffizienz auf. Sie reduzieren den Arbeitsaufwand für Reinigung, Sterilisation und Wartung und verbessern die Hygiene durch Vermeidung von Kreuzkontaminationen. Die wissenschaftliche Zielsetzung besteht in der Entwicklung von Technologien für einen disposablen Endoskopieroboter und umfasst die folgenden vier Bereiche: eine aktive Endoskopspitze, ein Instrument, einen Antrieb und einen Abstandssensor für die Endoskopspitze. Für die aktive Endoskopspitze wurde eine kontinuierliche Biegestruktur bestehend aus zwei Segmenten entwickelt. Die Kinematik wurde modelliert, die erforderlichen Zugkräfte für die Seilzüge zur Auslenkung der Endoskopspitze berechnet und experimentell validiert. Es wurde ein Instrument als pseudokontinuierlicher diskreter Gelenkroboter entwickelt, dessen Funktion das Greifen und Manipulieren von Gewebe ist, um Platz an der Eingriffsstelle zu schaffen. Die Positionierung sowie das Aufbringen von Interaktionskräften am distalen Ende des Instruments wurden überprüft. Es wurde eine Kinematikanalyse durchgeführt. Darauf aufbauend wurde ein Algorithmus entwickelt. Dieser berechnet die erforderlichen Zugkräfte für die Seilzüge, um das Instrument in seiner Position zu halten, in Abhängigkeit einer externen Kraft. Es wurde deutlich, dass sich Twisted String Antriebe (TSA) als kostengünstige, leichte und platzsparende Antriebe für Endoskopieroboter eignen. Die von TSA umgewandelten Drehbewegungen eines Motors resultieren in einer linearen Zugkraft der Strings. Es wurde untersucht, in welchem Maße ein TSA über eine Oberfläche geführt werden kann, ohne dass dies eine wesentliche Beeinflussung seines Verhaltens zur Folge hat. Durch den Einsatz geführter TSA konnte eine kompakte Bauweise des Endoskopieroboters realisiert werden. Es wurden verschiedene Abstandssensoren für die Endoskopspitze untersucht, um umliegendes Gewebe zu erfassen. Dadurch soll eine autonome Ausrichtung der Endoskopspitze ermöglicht werden, sodass der Verlauf der Gewebekontur im Körper gefolgt werden kann, wie etwa der Weg durch den Dickdarm. Die Machbarkeit von optische Näherungssensoren, kapazitive Abstandssensoren sowie optisches Ballon-Tracking und optisches Drahtkorb-Tracking für den Einsatz in einem Endoskopieroboter, wurde gezeigt. Die präsentierten Technologien erlauben eine Balance zwischen Performance und Ressourcenschonung, was die Entwicklung eines disposablen Endoskopieroboters ermöglicht. In einer realitätsnahen Umgebung wurde ein Endoskopieroboter aufgebaut und dessen Funktion sowie Handhabbarkeit überprüft. Die Resultate demonstrieren, dass der Endoskopieroboter für die intendierte Verwendung grundsätzlich geeignet ist. Ageing is a global phenomenon that is challenging healthcare systems. The situation is exacerbated by a growing shortage of healthcare professionals and limited financial resources. Hospitals are having to care for more patients with less personnel, while at the same time using more efficient and resource-saving treatment methods to reduce financial pressures. In surgery, shorter treatment times, faster recovery, and minimally invasive procedures are required. The use of robotic assistance systems helps to meet these requirements. In Germany, the use of robotic assistance systems is increasing as they can contribute to the further development and improvement of surgical procedures. In addition, the simple and easy-to-learn operation of these systems can counteract the shortage of skilled personnel and increase the productivity of clinics. A disposable endoscopy robot for the gastrointestinal tract has been developed. Disposable systems are preferable to reusable systems for hygienic reasons and are more resource-efficient in the medical environment. They reduce the workload for cleaning, sterilization, and maintenance and improve hygiene by avoiding cross-contamination. The scientific objective is to develop technologies for a single-use endoscopy robot and includes the following four areas: an active endoscope tip, an instrument, an actuation system, and an endoscope tip distance sensor. A continuous bending structure consisting of two segments was developed for the active endoscope tip. The kinematics were modeled, and the tensile forces required for the cables to deflect the endoscope tip were calculated and experimentally validated. An instrument was developed as a pseudo-continuous discrete articulated robot whose function is to grasp and manipulate tissue to create space at the surgical site. The positioning and application of interaction forces at the distal end of the instrument were tested. A kinematic analysis was performed. Based on this, an algorithm was developed. The algorithm calculates the tensile forces required on the cables to hold the instrument in position as a function of an external force. Twisted String Actuators (TSA) proved to be a cost-effective, lightweight, and spacesaving actuator for endoscopy robots. The rotary motion of a motor converted by a TSA results in a linear traction force on the strings. The extent to which a TSA can be guided over a surface without affecting its behaviour was investigated. By using guided TSA, it was possible to achieve a compact design of the endoscopy robot. Various distance sensors for the endoscope tip have been investigated to detect surrounding tissue. This should allow the endoscope tip to be aligned autonomously to follow the contour of the tissue in the body, such as the path through the colon. The feasibility of optical proximity sensors, capacitive distance sensors, optical balloon tracking and optical wire basket tracking for use in an endoscopy robot was demonstrated. The technologies presented allow a balance between performance and resource conservation, enabling the development of a single-use endoscopy robot. An endoscopy robot was set up in a realistic environment and its function and usability were tested. The results show that the endoscopy robot is suitable for its intended use.