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Systemintegration von haptischem Feedback in einen Single-Port-Chirurgieroboter

Leichthammer, Johannes (2022)
Systemintegration von haptischem Feedback in einen Single-Port-Chirurgieroboter.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00022196
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Systemintegration von haptischem Feedback in einen Single-Port-Chirurgieroboter
Language: German
Referees: Burg, Prof. PhD Thomas P. ; Werthschützky, Prof. Dr. Roland ; Kirschniak, Prof. Dr. Andreas
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: x, 209 Seiten
Date of oral examination: 10 August 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00022196
Abstract:

In dieser Arbeit wurde der Einsatz von haptischem Feedback im Bereich der Medizinrobotik untersucht. Der Fokus wurde dabei auf die Optimierung der haptischen Eigenschaften des im Rahmen des DGF-Projekts FLEXMIN in den Arbeiten von Matich [1] und Neupert [2] entwickelten Telepräsenzsystems sowie der experimentellen Erprobung des Robotersystems im klinischen Umfeld gelegt.

Unter haptischem Feedback wird die Informationsübertragung über den Tastsinn des Menschen zusammengefasst. Dieses kann dem Anwender eines technischen Systems entweder zusätzliche Informationen vermitteln oder andere Sinneskanäle entlasten. Im Bereich der Chirurgie ermöglicht ein haptisches Telepräsenzsystem, die Vorteile von minimalinvasiven robotergestützten Eingriffen und klassischen offenchirurgischen Eingriffen zu kombinieren. Die Verwendung von Robotern verspricht eine bessere Präzision und Beweglichkeit der Instrumente bei minimalinvasiven Eingriffen. Durch haptisches Feedback kann der Chirurg Gewebeeigenschaften ertasten und so beispielsweise Tumore erkennen. In der vorliegenden Arbeit wurde der Fokus auf die Optimierung des haptischen Feedbacks sowie eine ausführliche medizinische Erprobung des in [1,2] entwickelten Robotersystems gelegt. Um den haptischen Sinneskanal möglichst optimal nutzen zu können, wurden die Anforderungen an das haptische System, bestehend aus Kraftmessung, Datenverarbeitung und Kraftausgabe an den Chirurgen, anhand der Leistungsfähigkeit der menschlichen Wahrnehmung definiert. Bei der Nutzung eines technischen Systems, welches diesen Anforderungen entspricht, ist für den Anwender kein Unterschied zwischen der Nutzung des haptischen Systems und der direkten Manipulation mit den Händen feststellbar. Ein solches System wird als haptisch transparent bezeichnet. Anhand einer erweiterten Literaturrecherche sowie von eigenen Untersuchungen sind die Anforderungen an das haptische Feedback des FLEXMIN Robotersystems ermittelt worden. Die statische Kraftauflösung muss dazu kleiner als 10mN sein. Dynamisch muss das System Kräfte bis mindestens 10Hz darstellen können. Hochfrequente Vibrationen sollten bis zu einer Frequenz von 1kHz dargestellt werden können.

Bei der Charakterisierung des FLEXMIN-Roboters wurde die Übertragungsstrecke der Kraftmessung als größte, sich negativ auf die haptischen Eigenschaften auswirkende Einflussgröße ermittelt. Um die Reibung in der Übertragungsstrecke zu reduzieren, ist der Einsatz einer überlagerten Vibration, englisch "Dithering", untersucht und implementiert worden. Damit konnte die Reibung, und damit Störeinflüsse auf die Kraftmessung, je nach Anwendungsszenario um 70% bis 97% gegenüber einer einfachen Schmierung der Lagerstellen mit biokompatiblem Schmierstoff erreicht werden. Die im System verbleibenden störenden Einflüsse auf das haptische Feedback konnten damit so weit reduziert werden, dass sie größtenteils unterhalb der menschlichen Wahrnehmungsschwelle liegen und folglich keinen Einfluss auf die Qualität des haptischen Feedbacks haben. Anhand einer Probandenstudie mit 16 Teilnehmern wurde die Schwelle bestimmt, ab der zwei Kraftstimuli als unterschiedlich wahrgenommen werden. Dabei konnte kein statistisch relevanter Unterschied in der Kraftwahrnehmung zwischen der direkten Manipulation der Kraftquelle, bestehend aus einem Hebel mit einstellbarer Rückstellkraft, mit dem Zeigefinger und der Manipulation mit dem haptischen Telepräsenzsystem FLEXMIN festgestellt werden. Hochfrequente Kraftanteile, wie sie bei der Interaktion mit harten Gegenständen oder bei Explorationsbewegungen der Fingerkuppen auf Oberflächen auftreten, werden vom Menschen als Vibration wahrgenommen. Um dem Chirurgen auch diese haptischen Informationen zur Verfügung stellen zu können, ist in der vorliegenden Arbeit der Einsatz eines Beschleunigungssensors zur Messung hochfrequenter Signale an den Roboterinstrumenten und deren Ausgabe als Vibrationsfeedback untersucht worden. Durch die Verwendung eines Least-Mean-Square-Schätzers konnten bewegungsinduzierte Störungen so weit vermindert werden, dass in einer anschließenden Validierungsstudie mit 15 Probanden unterschiedliche Oberflächenrauheiten signifikant besser zugeordnet werden konnten als ohne Vibrationsfeedback. Zusätzlich zum haptischen Verhalten des Robotersystems ist die ergonomische Anpassbarkeit des Nutzerinterfaces an unterschiedliche Anwender untersucht worden. Dafür ist sowohl die Einstellbarkeit für unterschiedliche Körpergrößen als auch die Ausgestaltung des Griffstückes betrachtet worden.

Mit den so optimierten haptischen Eigenschaften wurden anschließend Versuche zur Verwendbarkeit des FLEXMIN Robotersystems im klinischen Umfeld durchgeführt. Dafür ist zunächst die Robustheit des Gesamtsystems durch eine Überlastsicherung sowie einen Algorithmus zur Kollisionsvermeidung der beiden Instrumente so weit verbessert worden, sodass auch Versuche mit größeren Probandengruppen am Universitätsklinikum Tübingen möglich waren. In einer Probandenstudie mit 25 Teilnehmern ist die Kraftwahrnehmung mittels des haptischen Telepräsenzsystems mit der Kraftwahrnehmung bei den konventionellen chirurgischen Techniken "laparoskopisch" und "offenchirurgisch" sowie dem FLEXMIN Telepräsenzsystem ohne haptischem Feedback verglichen worden. Dabei zeigte sich, dass die Kraftwahrnehmung des haptischen Robotersystems durchschnittlich mindestens so gut ist wie mit laparoskopischen Instrumenten.

Im Rahmen der Praxiserprobung am Universitätsklinikum Tübingen konnte die Nutzbarkeit des FLEXMIN-Robotersystems für verschiedene chirurgische Eingriffe, wie beispielsweise die transanale Rektum Resektion, gezeigt werden. Bei dieser Methode zur chirurgischen Darmkrebsbehandlung erwies sich die im Vergleich zu konventionellen Techniken höhere Beweglichkeit der Instrumente bei Versuchen an einem chirurgischen Trainingsmodell sowie an tierischen Organen als vorteilhaft. Bei einer Gallenblasenentfernung an einem anatomischen Humanpräparat konnte die Integration des Robotersystems in einen vollständigen Eingriff in einem Demonstrations-OP-Saal gezeigt werden.

Das Promontorium, ein dem Steißbein gegenüberliegender, Richtung Körpermitte hervorspringender Knochen, versperrt den Zugang für transanale Eingriffe im Bauchraum. Um dies zu überwinden, und somit auch darüber hinaus minimalinvasive Eingriffe zu ermöglichen, ist ein gebogenes Führungsrohr für das FLEXMIN Robotersystem entwickelt worden. Mithilfe von diskret gelagerten, gebogenen Kohlefaserstangen können die translatorischen und rotatorischen Bewegungen der Schubstangen zur Aktuierung der Instrumente in einem 45°-Bogen mit einem Radius von 520mm über das Promontorium hinweggeführt werden.

Daneben wurde mittels additiver Fertigung ein einfach und kostengünstig herstellbares Funktionsmuster mit einem aktuierten Instrument entwickelt und aufgebaut. Dies kann für erste Untersuchungen zur Eignung des Robotersystems für neuartige chirurgische Eingriffe sowie als Technologiedemonstrator auf Messen und Ausstellungen verwendet werden.

Die vorliegende Arbeit konnte das FLEXMIN-Robotersystem in seinen haptischen Eigenschaften sowie in seiner generellen Robustheit so weit optimieren, dass eine medizinische Erprobung durchgeführt und der klinische Einsatz am Universitätsklinikum Tübingen validiert werden konnte. Das haptische Feedback konnte weiter verbessert werden, sodass ein Unterschied der Kraftwahrnehmung im Vergleich mit dem blanken Zeigefinger nicht messbar ist. Diese Arbeit bildet die Grundlage für weitere klinische Untersuchungen im Bereich der haptischen Chirurgierobotik sowie eine reproduzierbare Basis für eine anschließende industrielle Weiterentwicklung.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

In this work, the use of haptic feedback in the field of medical robotics was investigated. The focus was placed on optimising the haptic properties of the telepresence system developed as part of the DGF project FLEXMIN in the work of Matich [1] and Neupert [2] as well as the experimental testing of the robot system in the clinical environment.

Haptic feedback is the transmission of information via the human sense of touch. This can either convey additional information to the user of a technical system or relieve other sensory channels. In the field of surgery, a haptic telepresence system makes it possible to combine the advantages of minimally invasive robot-assisted interventions and classic open surgery. The use of robots promises better precision and mobility of instruments in minimally invasive procedures. Through haptic feedback, the surgeon can feel tissue properties and thus detect tumours, for example. In the present work, the focus was on the optimisation of haptic feedback as well as extensive medical testing of the robotic system developed in [1,2]. In order to make the best possible use of the haptic sensory channel, the requirements for the haptic system, consisting of force measurement, data processing and force output to the surgeon, were defined based on the performance of human perception. When using a technical system that meets these requirements, there is no noticeable difference for the user between using the haptic system and direct manipulation with the hands. Such a system is called haptically transparent. The requirements for the haptic feedback of the FLEXMIN robot system were determined on the basis of an extended literature research as well as our own investigations. The static force resolution must be smaller than 10mN. Dynamically, the system must be able to represent forces up to at least 10Hz. High-frequency vibrations should be able to be represented up to a frequency of 1kHz.

During the characterisation of the FLEXMIN robot, the transmission distance of the force measurement was identified as the largest influencing variable that has a negative effect on the haptic properties. In order to reduce the friction in the transmission path, the use of a superimposed vibration, English "dithering", has been investigated and implemented. With this, the friction, and thus disturbing influences on the force measurement, could be reduced by 70% to 97%, depending on the application scenario, compared to a simple lubrication of the bearing points with biocompatible lubricant. The interfering influences on the haptic feedback remaining in the system could thus be reduced to such an extent that they are mostly below the human perception threshold and consequently have no influence on the quality of the haptic feedback. A test person study with 16 participants was used to determine the threshold above which two force stimuli are perceived as different. No statistically relevant difference in force perception was found between direct manipulation of the force source, consisting of a lever with adjustable restoring force, with the index finger and manipulation with the haptic telepresence system FLEXMIN. High-frequency force components, such as those that occur during interaction with hard objects or during exploratory movements of the fingertips on surfaces, are perceived by humans as vibrations. In order to be able to provide the surgeon with this haptic information as well, the use of an acceleration sensor to measure high-frequency signals on the robotic instruments and output them as vibration feedback has been investigated in the present work. By using a least-mean-square estimator, motion-induced disturbances could be reduced to such an extent that in a subsequent validation study with 15 subjects, different surface roughnesses could be assigned significantly better than without vibration feedback. In addition to the haptic behaviour of the robot system, the ergonomic adaptability of the user interface to different users was investigated. For this purpose, both the adjustability for different body heights and the design of the handle were considered.

With the haptic properties optimised in this way, tests were then carried out on the usability of the FLEXMIN robot system in the clinical environment. To this end, the robustness of the overall system was first improved by means of an overload protection system and an algorithm for collision avoidance of the two instruments to such an extent that trials with larger groups of test subjects were also possible at the University Hospital of Tübingen. In a study with 25 participants, force perception using the haptic telepresence system was compared with force perception using the conventional surgical techniques "laparoscopic" and "open surgical" as well as the FLEXMIN telepresence system without haptic feedback. It was shown that the force perception of the haptic robot system is on average at least as good as with laparoscopic instruments.

During the practical trials at the University Hospital of Tübingen, the usability of the FLEXMIN robot system for various surgical procedures, such as transanal rectal resection, was demonstrated. In this method for the surgical treatment of colorectal cancer, the higher mobility of the instruments compared to conventional techniques proved to be advantageous in tests on a surgical training model as well as on animal organs. During a gall bladder removal on an anatomical human specimen, the integration of the robotic system into a complete operation could be shown in a demonstration operating theatre.

The promontory, a bone opposite the coccyx and protruding towards the centre of the body, blocks access for transanal procedures in the abdominal cavity. In order to overcome this and thus enable minimally invasive procedures beyond it, a curved guide tube has been developed for the FLEXMIN robotic system. With the help of discretely mounted, bent carbon fibre rods, the translational and rotational movements of the push rods for actuating the instruments can be guided in a 45° arc with a radius of 520mm across the promontory.

In addition, a functional model with an actuated instrument that can be produced easily and inexpensively was developed and built using additive manufacturing. This can be used for initial investigations into the suitability of the robotic system for novel surgical procedures and as a technology demonstrator at trade fairs and exhibitions.

The present work was able to optimise the FLEXMIN robot system in its haptic properties as well as in its general robustness to such an extent that a medical trial could be carried out and clinical use validated at the University Hospital of Tübingen. The haptic feedback could be further improved so that a difference in force perception compared to the bare index finger is not measurable. This work forms the basis for further clinical investigations in the field of haptic surgical robotics as well as a reproducible basis for subsequent industrial development.

English
Uncontrolled Keywords: Haptik, FLEXMIN, Medizintechnik, Robotik, Chirurgierobotik, Singleport, Dithering
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-221966
Classification DDC: 600 Technology, medicine, applied sciences > 620 Engineering and machine engineering
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Microtechnology and Electromechanical Systems
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Integrated Micro- and Nanosystems
TU-Projects: DFG|SCHL532/6-3|Flexmin - Flexibilit
Date Deposited: 06 Oct 2022 12:21
Last Modified: 15 Jun 2023 11:51
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/22196
PPN: 500049467
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