Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8397
Main Title: Entwicklung aktuierter Instrumente mit multiplen Freiheitsgraden für Telemanipulatoren der minimal-invasiven Chirurgie
Translated Title: Development of instruments with multiple degrees of freedom for minimally invasive telesurgery systems
Author(s): Albrecht, Simon
Advisor(s): Lehr, Heinz
Referee(s): Lehr, Heinz
Meyer, Henning J.
Schrader, Stephan
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Bei einer klassischen Operation öffnet der Chirurg den Körper des Patienten großflächig mit Schnitten, wodurch er den Operationsort einsehen und versorgen kann. Im Gegensatz dazu sind bei der minimal-invasiven Chirurgie nur kleine Einschnitte erforderlich oder es werden natürliche Körperöffnungen genutzt, um Zugang zum Operationssitus zu erlangen. Dieser im Vergleich schonendere Eingriff zieht für den Patienten geringere Verletzungen und weniger postoperative Schmerzen nach sich. Weiterhin verringert dies die Genesungsdauer und den Krankenhausaufenthalt. Allerdings schränkt die minimal-invasive Arbeitsweise den Chirurgen in seiner Bewegungsfreiheit erheblich ein. Nach dem Einführen der minimal-invasiven Instrumente in den Patientenkörper lassen sich deren lange Schäfte nur noch um die Einstichstelle schwenken. Daher ist es nicht möglich, die an den Instrumentenenden befindlichen Werkzeuge frei im Raum zu orientieren, was die Geschicklichkeit des Chirurgen beim Greifen von Gewebe oder dem Nähen von Wunden deutlich vermindert. In den vergangenen Jahren kamen daher zunehmend robotische Chirurgiesysteme zum Einsatz. Anstelle des Chirurgen hält und bewegt das telemanipulative System die Instrumente und aktuiert alle Werkzeugfunktionen. Alle diese Bewegungen werden vom Chirurgen mittels einer Eingabekonsole vorgegeben. Die Trennung zwischen Steuerpult und Instrument sorgt dafür, dass der Chirurg den Eingriff an einem ergonomischen Arbeitsplatz mittels einer intuitiv zu bedienenden Steuerung durchführen kann. Im Rahmen des in Berlin durchgeführten Forschungsprojekts „AMIE - Aktive Multiport-Instrumente für minimal-invasive Eingriffe“ wurde ein kompakter Telemanipulator für die Multiport-Technik entwickelt, dessen Kinematik so ausgelegt ist, dass mehrere Geräte am Patienten agieren können, ohne sich gegenseitig zu behindern. Bei einem Eingriff pivotieren die Arme des Systems die Instrumentenschäfte um die Einstichpunkte in der Bauchdecke und bewegen damit die Endeffektoren im Operationsgebiet. Damit der Operateur die Werkzeuge des Instruments intuitiv wie bei einer offenen Operation bedienen kann, verfügt das Chirurgieinstrument im Idealfall über mehrere Manipulationsfreiheitsgrade. Das im Projekt neu entwickelte Multi-Port-Instrument ist in der Lage, seine Instrumentenspitze gegenüber dem Instrumentenschaft mittels zweier zusätzlich integrierter Bewegungsfreiheitsgrade zu beugen und zu rotieren. Dies erlaubt dem Chirurgen das Werkzeug auf eine ähnliche Weise wie seine Hand zu bewegen, was ein feinmotorisches Arbeiten auch in beengtem Raum ermöglicht. Infolge der Steuerung des Telemanipulators an einer Konsole und der räumlichen Trennung verliert der Chirurg jedoch die haptische Rückmeldung durch das Werkzeug. Es entstanden daher mehrere Sensorkonzepte zur Detektion der Greifkraft in der Werkzeugspitze, damit der Bediener wieder in die Lage versetzt wird, die wirkenden Arbeitskräfte zu fühlen. Eine extrakorporale modulare Instrumentenplattform beinhaltet die motorischen Antriebe, um alle Instrumentenfreiheitsgrade präzise anzusteuern. Dabei werden Seilzüge zur Kraftübertragung vermieden und stattdessen Schubstangen und Drehwellen eingesetzt sowie neue Konzepte zur Gestaltung der Gelenke zwischen Schaft und Endeffektor genutzt. Sequentiell flexible oder gelenkig verbundene Antriebsstränge leiten die Bewegungsenergie durch den dünnen Schaft bis zum intrakorporalen Wirkort. Eine Kupplung ermöglicht den Instrumententausch während einer Operation, um je nach Bedarf verschiedene Werkzeuge einzusetzen. Die telemanipulative Arbeitsweise mit den hochgenau beweglichen Werkzeugen sorgt dafür, dass sich inhärente Nachteile der manuellen minimal-invasiven Chirurgie beseitigen lassen. In Anbetracht des kostengünstigen Aufbaus leistet das hier entwickelte System einen Beitrag zur weiteren Verbreitung der telemanipulativen Chirurgie, insbesondere in kostensensiblen Bereichen des Gesundheitssystems.
During conventional open surgery, the surgeon opens the patient's body with a large incision, allowing him to access and examine the surgical site. In minimally invasive surgery, only small incisions are needed or natural orifices are used. This reduces injuries, postoperative pain and healing time. In addition, faster recovery and a shorter hospital stay are achieved. However, this technique restricts the surgeon’s freedom of instrument manipulation and limits the accessible operating space. After inserting the surgical instruments into the patient’s body, the thin and elongated instrument shafts can only be pivoted around the access point. Due to the lack of free orientation of the end-effectors at the tip of the instruments, the surgeon’s dexterity in grasping of tissue or stitching is reduced. In recent years, robotic surgical systems have been introduced to overcome these limitations. Instead of the surgeon, a robotic arm holds and manipulates the surgical instruments. All movements of the robotic arm are controlled by the surgeon - sitting in an ergonomically comfortable position and maneuvering the instruments via a master control panel. The research project „AMIE - Aktive Multiport-Instrumente für minimal-invasive Eingriffe“ is focused on the development of a compact robotic system for multiport surgery. Due to a novel kinematic design, several robotic arms can be used to act on the patient without interfering with each other. During a surgical intervention, the arms of the system pivot the instruments around the incisions in the human body and thus move the end-effectors in the operating field. For a high maneuverability of the end-effector, several degrees of freedom are needed. To this end, the tip of the newly developed multi-port instrument bends and rotates relative to the instrument shaft which allows the surgeon to move the tool in a manner similar to the kinematics of his hand. Due to the spatial separation between the input console and the patient, the surgeon lacks haptic feedback of the tool interactions with the tissue. Several sensor concepts were developed to detect the gripping force in the tip of the tool and provide it to the surgeon via an interface. An extracorporeal modular platform holds the motors which drive all degrees of freedom of the instrument. For power transmission, push rods and rotating shafts are used instead of cables. New design concepts for the joints, using sequentially flexible elements and universal joints, were applied in the drive train. A coupling allows for replacing tools during a surgical procedure. Due to the telemanipulative approach in combination with the precise movement and orientation of the instruments, inherent limitations of manual minimally invasive surgery can be reduced. The cost-effective design of the proposed system contributes to a more widespread application of surgical robots, also in cost-sensitive areas of the health care system.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9327
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8397
Exam Date: 9-Nov-2018
Issue Date: 2019
Date Available: 27-Jun-2019
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
617 Chirurgie und verwandte medizinische Einrichtungen
Subject(s): Medizintechnik
minimal-invasive Chirurgie
Telemanipulation
medical engineering
minimally invasive surgery
robot-assisted surgery
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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