Optisches 3D-Messverfahren für die Navigation in der roboterassistierten Minimal Invasiven Chirurgie

Abstract

In der Minimal Invasiven Chirurgie (MIC) lassen sich bis heute viele Eingriffe mit hohen Präzisionsanforderungen nicht manuell durchführen. Zur Unterstützung des Chirurgen wird daher seit einigen Jahren der Einsatz von Robotern untersucht. Bisher ist die Programmierung und Überwachung des Roboters speziell für Operationen im Weichgewebe nicht möglich. Einer der wesentlichen Gründe hierfür ist das Fehlen geeigneter Navigationsdaten aus dem sich ständig verändernden Operationsfeld. Diese Dissertation befasst sich mit der Entwicklung eines alternativen Messverfahrens und der Untersuchung der Integrierbarkeit des Verfahrens in die Abläufe der roboterassistierten MIC. Für die Navigation werden heute vorwiegend Daten vom Computertomographen (CT) oder Magnetresonanztomographen (MRT) verwendet, in die die Bahnplanungsdaten vom Chirurgen eingetragen werden. Die CT- oder MRT- Aufnahmen werden hierfür in der Regel vor Beginn des Eingriffs erstellt. Aktuelle Veränderungen der geometrischen Gewebestrukturen, z. B. durch Pulsbewegungen, Schwerkraft oder chirurgische Maßnahmen, können deshalb nicht mehr für die Bahnplanung berücksichtigt werden. Daher lassen sich heute roboterassistierte Operationen speziell in elastischen und empfindlichen Gewebe oder bei sich bewegenden Organen in der Regel nicht durchführen. In dieser Arbeit wird ein alternativer Ablauf bei der Planung und Durchführung des Robotereinsatzes entworfen, der eine kontinuierliche Erfassung der Operationsumgebung voraussetzt. Für die Datenakquisition wird ein neuartiges Messverfahren auf Basis der Laser-Triangulation entwickelt und untersucht, das eine räumliche Vermessung der Oberflächen vor der Instrumentenspitze auch unter den Störeinflüssen des Operationsfeldes ermöglicht. Das Konzept für ein Instrument mit integriertem Sensor für den Einsatz in der MIC wird als Funktionsmuster umgesetzt, um die Einflüsse der Miniaturisierung des Sensors auf das Messverfahren zu untersuchen. Schließlich wird mit dem Entwurf einer Benutzerschnittstelle gezeigt, dass nach einer Registrierung der Messdaten mit dem Videoendoskopbild ein durchgängiger Navigationsvorgang durchführbar ist.

In keyhole surgery many applications, which require a high precision, cannot be performed manually. As a result, it makes sense to implement robots as assistants in keyhole surgical operations. However, it is due to technical reasons that programming and monitoring of robots for keyhole surgery has not yet been realized. One of the most important reasons for that is the lack of capable navigation data of the constant changing operating field, which are required for the navigation of robots. This work is concerned with developing a measuring technique which would supply the data required to enable robots to be used in keyhole surgery in the future. Today data from computer tomography (CT), magnetic resonance tomography (MRT) are used for the navigation of surgical robot systems. Usually CT or MRT data are acquired before the start of the operation, so that the changes in the geometry of structures which alters constantly during the operation under the influence of effectors, pulse or gravity, can not be taken into account for the robot path planning. Normally a robot assisted keyhole surgery can not be performed especially in regions with elastic and sensitive soft tissue today. In this work an alternative procedure for planning and accomplishment for the use of robots in keyhole surgery is designed, which assumes a continuous scan of the operating field. For the data acquisition during this procedure a measuring technique based on laser triangulation has been developed and evaluated, that can be integrated into the tip of an instrument. The sensor measures the tissue surface in front of the instrument, whereas the influence of disturbing environmental conditions on the measurement properties are taken into account. A functional model of an instrument has been realized to demonstrate the miniaturization of the sensor and the influence on the sensor’s accuracy. At least a graphical user interface has been used for testing the ability of the overall system to be integrated into clinical keyhole surgery procedures.