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Entwicklung der elektromechanischen Antriebseinheit für ein minimal-invasives Telechirurgiesystem
Schlegel, Sebastian
In der laparoskopischen minimal-invasiven Chirurgie werden die Instrumente und das System zur Beobachtung des Operationssitus über kleine Hautschnitte in den mittels Gasüberdruck aufgestellten Bauchraum eingebracht. Gegenüber einem offenen Eingriff ergeben sich kleinere Verletzungen des Patienten, wodurch die Vorteile dieser Operationstechnik hervortreten. Allerdings zeigen sich bei diesem Vorgehen ebenfalls Nachteile, insbesondere bezüglich der Handhabung der Instrumente. Bei Single-Port-Eingriffen erfolgt der Zugang zum Patienten über nur einen Hautschnitt. Dies verspricht eine weitere Reduktion des Gewebstraumas, resultiert jedoch in einer weiter erschwerten Bedienung der Instrumente. Telemanipulationssysteme erleichtern die Handhabung durch motorische Betätigung der Instrumente entsprechend den Bewegungsvorgaben an einer Eingabekonsole. Dabei sichert eine geeignete Gestaltung der Konsole die ergonomische Bedienung. Die Benutzereingaben lassen sich anpassen, beispielsweise indem der Handtremor entfernt oder die Bewegungen über- beziehungsweise untersetzt werden. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte neuartige Single-Port-Telemanipulationssystem zeichnet sich gegenüber am Markt erhältlichen Geräten durch eine kompakte und wartungsarme Gestaltung aus. Das Ziel einer Integration der Antriebe in die Instrumentenarme muss nach Analyse verschiedener Aktoren sowie der aus dem Aufbau des neuen Telemanipulationssystems resultierenden Anforderungen verworfen werden. Folglich dient eine extrakorporale elektromechanische Antriebseinheit dem Antrieb und der Kopplung der im Bauchraum agierenden Instrumentenarme. Von dort erfolgt die Übertragung der Bewegung an den Einsatzort. Neben dem Antrieb und der Übertragung für die Mehrzahl der Bewegungsformen der Instrumentenarme, erzeugt die Antriebseinheit die Rotation und Längsbewegung der Hauptachsen der Instrumentenarme direkt. In Kombination mit den Antriebseinheiten und Übertragungssträngen der übrigen Bewegungsformen ließ sich die Antriebseinheit in einem zwei Entwicklungsstufen umfassenden Prozess optimieren, so dass der Aufbau extrem kompakt ist und eine präzise Bewegung der Arme sicherstellt. Dies gelingt über den Einsatz einer eigens zur Bewegungsübertragung entwickelten Mechanik. Zudem verfügt die Antriebseinheit über ein Adaptersystem für den schnellen und unkomplizierten Wechsel der Instrumentenarme, um das Telechirurgiesystem an die unterschiedlichen Eingriffe sowie Hygieneanforderungen anzupassen. Durch die anwendungsgerechte Gestaltung der Antriebseinheit ließ sich somit ein Telemanipulator aufbauen, der die Vorteile minimal-invasiver Eingriffe erschließt und dabei verschiedene Nachteile des Stands der Technik ausgleicht. Dadurch leistet das System einen wertvollen Beitrag zur Weiterentwicklung dieser Chirurgietechnik.
In laparoscopic minimally invasive surgery, the instruments and the system for visualizing the surgical site are introduced into the inflated abdomen via small incisions. The ensuing injuries to the patient are smaller compared to open surgery, resulting in the technique’s advantages. However, there are drawbacks as well, predominantly the cumbersome handling of the instruments. Single-port surgery uses only one incision to access the surgical site, further reducing tissue trauma while at the same time increasing difficulties in operating the instruments. Telesurgery systems ease handling by actuating instrument movement according to commands from a surgeon console. An ergonomically adequate console design and automatic editing of user commands, e.g. filtering of hand tremor or scaling of movements, constitute additional advantages. A novel single-port telesurgery system features a design that is very compact and low in maintenance compared to currently available systems. An analysis of general and system specific conditions proved the original goal of integrating all necessary actuators into the instrument arms to be unattainable. Accordingly, the system’s electromechanical drive unit serves to actuate the extremely maneuverable arms and couple them with the system. As a consequence, the actuators’ movements have to be transmitted to the relevant parts of the arms. Apart from driving and transmitting movement for most of the instrument arms’ movements, the drive unit directly rotates and translates the instrument arms according to their respective main axes. To these ends, the drive unit’s design was optimized in two steps, resulting in an extremely compact layout while ensuring precise arm movement. This is achieved by the implementation of a specifically adapted mechanical transmission system. Additionally, the drive unit includes a coupling mechanism allowing the user to quickly and easily switch between different types of instruments, thus adapting the system to the specific requirements of various surgical procedures. The specialized design of the drive unit results in a telesurgery system that offers the advantages of minimally invasive surgery while compensating for several of such procedures’ disadvantages. Consequently, this surgical system forms a valuable contribution to the development of the field.
