Extrakorporale Messung von Interaktionskräften zur Darstellung mit einem seilgetriebenen haptischen Eingabegerät für die Roboter-assistierte Chirurgie

Abstract

Die Roboter-assistierte Chirurgie, im Speziellen die Telemanipulation, bietet zahlreiche Vorteile gegenüber konventionellen chirurgischen Methoden. Hierzu zählt ein potentiell besseres chirurgisches Ergebnis sowie ergonomisches und ermüdungsfreies Arbeiten auch über längere Nutzungsdauern hinweg. Im Falle mechatronischer Systeme im medizinischen Umfeld treffen systembezogene Anforderungen mehrerer Beteiligter aufeinander. Das Wohl von Patienten und Patientinnen steht dabei an oberster Stelle, wird jedoch direkt beeinflusst von finanziellen Aspekten und der Nutzerinteraktion zwischen dem Arzt oder der Ärztin und dem System. Die offensichtlichen Vorteile des Einsatzes von Telemanipulationssystemen in der Roboter-assistierten Chirurgie motivieren deren weitere Verbesserung. Die Nutzerinteraktion stellt dabei einen zentralen Aspekt dar, der die Performance des Gesamtsystems maßgeblich beeinflusst. Ein fehlender haptischer Eindruck des Situs für die operierende Person ist dabei ein häufig genannter Mangel. Die Integration von haptischem Feedback und die Umsetzung einer bewegungskongruenten und damit intuitiv nutzbaren Eingabe haben das Potential, die Identifikation zwischen nutzender Person und Telemanipulationsumgebung zu steigern und damit Nutzerinteraktion und chirurgisches Ergebnis zu verbessern. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Evaluierung von Methoden zur Realisierung von haptischem Feedback für die Roboter-assistierte Chirurgie. Die erste wissenschaftliche Zielsetzung bezieht sich dabei auf die Erfassung von Interaktions- und Greifkräften zwischen Instrumentenendeffektor und Gewebe, ohne dass speziell angefertigtes Instrumentarium zu einem Kostentreiber bezüglich Bereitstellung und Wiederaufbereitung wird. Zur Erfassung von Interaktionskräften wird eine extrakorporale Sensoreinheit verwendet und die damit erreichbare Qualität der Interaktionskraftmessung untersucht. Darüber hinaus wird eine indirekte Methode zur Erfassung der Greifkräfte aus dem Motorstrom der Greifaktuierung implementiert und evaluiert. Im Rahmen der zweiten wissenschaftlichen Zielsetzung wird ein Eingabegerät entwickelt, das eine zur Ausgabekinematik bewegungskongruente Eingabe ermöglicht. Die Hypothese ist, dass seilgetriebene Parallelkinematiken zur Darbietung von haptischem Feedback mit hoher mechanischer Bandbreite und der Realisierung eines anwendungs- spezifischen Eingabegerätes für die Roboter-assistierte Chirurgie besonders geeignet sind. Die Eignung wird an einem planaren Prüfstand untersucht, sowie anschließend ein haptisches Eingabegerät mit sieben Freiheitsgraden entwickelt. Zur Ableitung von Anforderungen und zur anwendungsnahen Erprobung der beiden Zielsetzungen zur Interaktionskrafterfassung und -darstellung wird weiterhin ein Telemanipulationssystem im Sinne einer modularen und rekonfigurierbaren Forschungsplattform aufgebaut. Die gewählten Methoden zur Interaktions- und Greifkrafterfassung ermöglichen eine für die intendierte Anwendung ausreichende Qualität der Messung bei sehr geringem technischem Aufwand. Die erreichte Messgenauigkeit bezüglich des Betrags einer Interaktionskraft liegt mit einem relativen mittleren Fehler von 9,4 % unterhalb der differentiellen Wahrnehmungsschwelle des Menschen und damit im Bereich der Anforderungen. Bezüglich der Wirkungsrichtung einer Interaktionskraft wurde ein mittlerer absoluter Fehler von 14,4 % erreicht, was ebenfalls im Bereich der vorher definierten Anforderungen und innerhalb der differentiellen Wahrnehmungsschwellen liegt. Die Ableitung von Greifkräften auf Basis des Motorstroms erreicht eine zufriedenstellende Auflösung von etwa 1,5 % der maximal erreichbaren Greifkraft eines Endeffektortyps. Die gewählten Methoden zur Erfassung von Interaktions- und Greifkräften ermöglichen die Verwendung konventioneller chirurgischer Instrumente ohne Modifikation und können damit zu einer ressourcenschonenden Umsetzung und einem hohen Verbreitungsgrad der Technologie beitragen. Das entwickelte haptische Eingabegerät ermöglicht die Darbietung von dynamischem haptischen Feedback und Eingabebewegungen mit einem hohen Maß an Bewegungskongruenz zur Kinematik des Instruments im Trokar. Im gesamten Arbeitsraum des Eingabegerätes können translatorische Feedbackkräfte in Höhe von 5 N mit einer mechanischen Bandbreite von 19,3 Hz dargestellt werden. Weiterhin wurde eine mechanische Bandbreite bezüglich des haptischen Feedbacks aus der Greifbewegung von 73,5 Hz erreicht. Die generelle Eignung von seilgetriebenen Parallelkinematiken zur Darstellung von haptischem Feedback mit hoher mechanischer Bandbreite wurde aufgezeigt, genauso wie die Umsetzbarkeit als anwendungsspezifisches Eingabegerät für die Roboter-assistierte Chirurgie.

Robot-assisted surgery, and in particular surgical telemanipulation, offers numerous advantages compared to conventional surgical methods. This includes the potential for a better surgical outcome as well as ergonomic and fatigue-free operation even over longer periods of use. Regarding mechatronic systems in the medical field, system-related requirements of multiple stakeholders need to be considered. The well-being of patients has the highest priority but is directly influenced by financial aspects and the user interaction between the surgeon and the system. The apparent advantages of using telemanipulation systems in robot-assisted surgery motivate their further improvement. The user interaction is a crucial aspect that significantly influences the performance of the overall system. The absence of a haptic impression from the situs is a frequently stated limitation. The implementation of haptic feedback and a movement-congruent and thus intuitively usable input modality have the potential to increase the identification between the user and the telemanipulation environment and thus to improve user interaction and surgical outcome. The aim of this thesis is the development and evaluation of methods for the realization of haptic feedback for robot-assisted surgery. The first scientific objective relates to the measurement of interaction and gripping forces between instrument end effector and tissue, without custom-made instrumentation becoming a cost driver in terms of provision and reprocessing. An extracorporeal sensor unit is used to capture translational interaction forces, and the resulting quality of interaction force measurement is investigated. Furthermore, an indirect method for the acquisition of gripping forces from the motor current of the gripping actuation was implemented and evaluated. In the context of the second scientific objective, an input device was developed, which enables congruency between input and output kinematics. It is hypothesized that cable-driven parallel kinematics are particularly suitable for displaying haptic feedback with high mechanical bandwidth and for achieving an application-specific input device for robot-assisted surgery. The general suitability was investigated with a planar test rig, followed by the development of a haptic input device with seven degrees of freedom. Furthermore, a telemanipulation system, by means of a modular and reconfigurable research platform was built in order to derive requirements and to enable application-centered evaluation with the developed solutions. The chosen approaches for capturing interaction and gripping forces allow for a measurement quality sufficient for the intended application with very low technical effort. The achieved measurement accuracy regarding the magnitude of an interaction force with a relative mean error of 9.4 % is below the differential perception threshold of humans and thus within the range of requirements. Regarding the direction of an interaction force, a mean absolute error of 14.4 % was achieved, which is also within the range of requirements and within the differential perception thresholds. The derivation of gripping forces based on motor current achieves a satisfactory resolution of about 1.5 % of the maximum achievable gripping force of an end effector type. The chosen methods for the measurement of interaction and gripping forces allow for the use of conventional surgical instruments without modification and can thus contribute to a resource-efficient implementation and widespread use of the technology. The developed haptic input device allows to display dynamic haptic feedback and to command input motions with a high degree of congruency to the kinematics of the instrument in the trocar point. Throughout the workspace of the input device, translational feedback forces of 5 N can be displayed with a mechanical bandwidth of 19.3 Hz. Furthermore, a mechanical bandwidth regarding the haptic feedback from the gripping movement of 73.5 Hz was achieved. The general suitability of cable-driven parallel kinematics for displaying haptic feedback with high mechanical bandwidth was demonstrated, as well as the feasibility as an application-specific input device for robot-assisted surgery.