Instrumente und Beleuchtungsmodule für ein minimal-invasives Telemanipulationssystem
Blase, Bastian
In many surgical fields, minimally invasive surgery (MIS) has been well established during the last 20 years. Compared to open surgery, this technique leads to a vast reduction of incisions and scars, reducing both patient’s trauma and hospital costs. However, these procedures still require multiple access ports, with every incision increasing the patient’s risk of infection and lengthening postoperative pain and convalescence. To counter these drawbacks, single port access surgery (SPAS) uses only one entrance port, e.g. in the umbilicus. This also leads to cosmetically favorable outcome. In MIS, and even more so in SPAS, both the workspace and degrees of freedom (DoF) available to the surgeon are reduced, requiring instruments with additional DoFs inside the abdomen. Still, hand-held tools may quickly become complicated and hard to operate due to increasing friction, leading to lowered efficiency and dexterity, and thus higher risks and longer training intervals. Robotic-manipulated instruments offer a solution to those problems.
A set of different instruments, individually adaptable to a single support base, is developed, optimized, and tested. These instruments can be introduced alongside each other through a single access, move into an anthropomorphic position familiar to the surgeon from standard MIS operations and perform movements within a dexterous workspace acceptable for most laparoscopic tasks. They feature both high dexterity and sufficient strength resulting from an unprecedented design of their arm structure. Motors in the platform allow for facile movements via specially adapted drive shafts inside the arms. Several newly developed sensors implemented in the instruments measure the joint positions and detect potential collisions with organic material. The surgeon manipulates the instruments via a human-machine-interface under visual feedback. An ergonomic design enables effortless working for a long time. Several prototypes were tested under laboratory conditions, successfully performing pick-and-place as well as handover tasks. Flexible drapes decrease the risk of entrainment of organic material in and out of the abdomen.
Also, a new illumination system based on laser diodes is developed, with any external light cables becoming redundant. Due to high coupling and conversion efficiencies and small package sizes, several diodes are used to enable color mixing for the adjustment of color temperature. An optical module to collimate and combine the light is surrounded by a passive latent heat storage based on phase change materials that stores the dissipated heat, thereby extending the operation time. Several speckle reduction modules were developed to reduce the negative effects of coherent light projected onto optically rough surfaces. These combined components form a powerful RGB laser light device which fits into standard endoscopes. The robotic-assisted surgical unit features several unique developments that offer a new approach towards the challenges of single-port laparoscopy.
In den letzten zwei Jahrzehnten hat sich die minimal-invasive Chirurgie (MIC) in vielen Bereichen gegenüber der offenen Chirurgie durchgesetzt. Verglichen mit dieser bedeutet die MIC für den Patienten ein deutlich reduziertes Trauma und zumeist kürzere Rekonvaleszenzzeiten. Mit Hilfe von Single-Port-Eingriffen lassen sich die Anzahl der benötigten Zugänge und die damit einhergehenden Risiken der Keimverschleppung auf nur einen Einschnitt verringern. Dadurch werden der Arbeitsraum und die Beweglichkeit des Chirurgen jedoch noch weiter reduziert, was Instrumente nötig macht, die eine größere Bewegungsfreiheit innerhalb des Abdomens aufweisen. Da rein manuell gesteuerte Instrumente die reibungsbehafteten und komplexen Bewegungen nicht sicherstellen können, erlaubt erst eine telemanipulative motori-sierte Ansteuerung die Überwindung dieser Herausforderungen.
Nach Analyse der benötigten Freiheitsgrade und Bewegungsvolumina werden mehrere Instrumente entwickelt und hinsichtlich maximaler Geschicklichkeit optimiert. Die Instrumente sind dafür ausgelegt, parallel durch den Trokar eingeführt und innerhalb des Abdomens in eine triangulierende Arbeitsposition gebracht zu werden. Ihre Armstruktur verbindet durch einen neuartigen selbststützenden Aufbau hohe Agilität mit Stabilität und Festigkeit. Die Antriebsmotoren liegen in einer oberhalb des Patienten befindlichen Plattform und übertragen die Energie über speziell an die Bewegungsform angepasste Antriebsstränge in die unabhängig voneinander anschließbaren Instrumente. Diese sind mit mehreren dafür entwickelten Sensoren ausgestattet, die eine Positionserfassung in den einzelnen Gelenken sowie eine präventive Kollisionskontrolle ermöglichen. Eine Vermeidung von Verletzungen des Patienten und Verschleppung von organischem Material wird durch konfektionierte Schutzhüllen sichergestellt, welche die Instrumente in ihrer Beweglichkeit nicht einschränken. Die Ansteuerung des Telemanipulators erfolgt unter visueller Kontrolle über eine Benutzerschnittstelle, an der jede Instrumentenspitze über ein haptisches Eingabegerät intuitiv geführt wird. Mehrere Prototypen werden in repräsentativen Laborexperimenten erfolgreich auf ihre Einsatzfähigkeit getestet.
Ein neuartiges Beleuchtungssystem mit RGB-Laserdioden zur Unterstützung der endoskopischen Bilderfassung spart das externe hinderliche Lichtkabel ein. Die hohe Koppel- und Konversionseffizienz erlaubt die Integration auch in handgehaltene Endoskope und ermöglicht eine Variation der Farbtemperatur und Darstellung. Das dafür entworfene äußerst kompakte optische Kollimations- und Kombiniermodul ist von einem Latentwärmespeicher umgeben, der eine unzulässige Erhöhung der Betriebstemperatur während der Prozedur verhindert. Durch zusätzliche kohärenzmindernde Anti-Speckle-Elemente ist die Qualität der visuellen Wahrnehmung gesichert.
Die entwickelten Systeme bilden zusammen ein Telemanipulationssystem mit einigen entscheidenden Neuerungen, die es ermöglichen, bisherige Herausforderungen der Single-Port-Laparoskopie zu beherrschen und Verbesserungen für Patienten und Anwender zu realisieren.
