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Parallelkinematisches Manipulationssystem zum Einsatz in der roboterassistierten Single-Port-Chirurgie

Matich, Sebastian :
Parallelkinematisches Manipulationssystem zum Einsatz in der roboterassistierten Single-Port-Chirurgie.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2019)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Parallelkinematisches Manipulationssystem zum Einsatz in der roboterassistierten Single-Port-Chirurgie
Language: German
Abstract:

Motiviert durch die Fortschritte im Bereich der roboterassistierten minimalinvasiven Chirurgie besteht der aktuelle Trend, die Invasivität chirurgischer Eingriffe weiter zu senken und diese nur noch über eine natürliche Körperöffnung durchzuführen (NOTES). Gegenstand der vorliegenden Dissertation ist die Untersuchung der für einen derartigen Eingriff notwendigen Manipulationssysteme, die in das Körperinnere eingeführt und durch den Arzt ferngesteuert werden. Zur Erweiterung der intrakorporalen Beweglichkeit und Verbesserung der Positioniereigenschaften werden die Manipulatoren als parallelkinematischer Mechanismus realisiert. Ein weiteres Ziel ist die Messung der im Körper auftretenden Manipulationskräfte und Vermittlung dieser bezüglich der Eingabekonsole des Arztes. Entsprechend der hieraus resultierenden Notwendigkeit einer intrakorporalen Kraftmessung werden in dieser Dissertation zwei Messkonzepte in die Manipulatorstruktur integriert, mit denen die Bestimmung der Manipulationskräfte erfolgt. Zu Beginn werden 21 Systeme aus dem Bereich der roboterassistierten Single-Port-Chirurgie hinsichtlich des Aufbaus der intrakorporalen Manipulatoren sowie der Verteilung der Freiheitsgrade analysiert. Ausgehend von deren meist unzureichendem Positioniervermögen infolge einer zu geringen Steifigkeit, wird der Ansatz des in dieser Arbeit untersuchten parallelkinematischen Manipulators motiviert. Die Anforderungsdefinition erfolgt anhand einer Betrachtung der Übertragungseigenschaften eines Teleoperationssystems unter Verwendung der komplexen Netzwerktheorie sowie aufgrund der Definition eines chirurgischen Leitszenarios in Form der transanalen Rektumresektion. Ausgehend von einer Topologieanalyse parallelkinematischer Mechanismen und deren spezifischer Merkmale erfolgt die schrittweise Entwicklung eines parallelkinematischen Manipulators, der verschiedene im Stand der Technik beschriebene spezifische Merkmale in einer neuen Struktur vereint. Der entwickelte parallelkinematische Manipulator erfüllt die formulierten Anforderungen hinsichtlich der intrakorporalen Beweglichkeit und ermöglicht neben der Positionierung das Rotieren, Abwinkeln sowie Öffnen und Schließen des Greifers. Die Struktur zeichnet sich dabei durch einen zweiteiligen Aufbau aus, der eine Entkopplung der antriebs- und abtriebsseitigen Freiheitsgrade bewirkt. Dadurch wird die Ansteuerung vereinfacht, da Position und Orientierung des an der Spitze befindlichen Greifers unabhängig voneinander einstellbar sind. Um einen möglichst kompakten Aufbau des Mechanismus zu erzielen, nutzt dieser sowohl die Translationen als auch Rotationen von drei in der Basis befindlichen Schubstangen aus. Das Öffnen und Schließen des Greifers wird mittels einer rekonfigurierbaren Toolplattform inhärent abgebildet. Mit dem Ziel, die Positioniereigenschaften zu verbessern, erfolgt der kinematische Entwurf des Manipulators. Innerhalb des Entwurfs werden 49950 mögliche Ausgestaltungsformen betrachtet. Hierbei zeigt sich, dass von diesen nur 27,3 % über den geforderten Arbeitsraum verfügen, von denen wiederum 63,8 % die geforderten Übersetzungseigenschaften aufweisen. Unter Erfüllung aller kinematischen Anforderungen ergibt sich final ein Lösungsraum von 33 Mechanismen, aus denen, unter Berücksichtigung der Morphologie sowie dem erzielbaren Überkreuzungsvermögen zweier Manipulatoren, eine Ausgestaltungsform ausgewählt wird. Neben der Erfüllung der kinematischen Anforderungen hinsichtlich der geforderten Kräfte von 5 N und Geschwindigkeiten von 200 mm/s übertrifft diese den geforderten Arbeitsraum um 213 % und vergrößert so die intrakorporale Beweglichkeit. Unter Verwendung des entworfenen Manipulators erfolgt die Systemintegration des für den Eingriff notwendigen Single-Port-Roboters. Dieser verfügt über zwei in einen Schaft von 38 mm Durchmesser integrierte Manipulatoren, die über eine Bedienkonsole durch den Arzt gesteuert werden. Neben der feinwerktechnischen Ausgestaltung und Fertigung dreier Manipulatoren erfolgt die Konstruktion der für die klinische Erprobung notwendigen Endeffektoren in Form von Fasszangen, Nadelhaltern und eines Hochfrequenz-Skalpells. Mittels des realisierten Single-Port-Roboters wird die Verifikation der kinematischen Eigenschaften und des Positioniervermögens der drei Manipulatoren anhand von Kreisformtests durchgeführt. Bei diesen wird der Endeffektor entlang von Kreisbahnen mit 50, 30 und 10 mm Durchmesser in allen drei Hauptebenen des Arbeitsraums bewegt und die Kreisbahnen mit einem Marker-Tracking erfasst. Die durchgeführten Versuche bestätigen die Leistungsfähigkeit des parallelkinematischen Ansatzes, da die Positioniereigenschaften sowohl unter Einwirkung einer Kraft von 4,9 N als auch für Geschwindigkeiten von 320 mm/s erhalten bleiben und mit den Manipulatoren Kreisbahnen mit einer mittleren Rundheit von 1,5 mm beschreibbar sind. Die Integration der für die Erzeugung eines haptischen Feedbacks notwendigen Kraftmessungen erfolgt unter Berücksichtigung der realisierten Manipulatorstruktur sowie unter Erarbeitung des Stands der Technik zu Sensoren der intrakorporalen Kraftmessung. Insgesamt werden sechs Kraftmesskonzepte für den realisierten Manipulator abgeleitet, von denen innerhalb dieser Arbeit zwei über den Stand der Technik hinausgehende umgesetzt und evaluiert werden. Der proximale Ansatz nutzt die Übertragungseigenschaften der positionsbestimmenden Tripodstruktur des Manipulators aus. Die am Endeffektor angreifende Kraft ist über das inverse Übertragungsverhalten mit den in den Schubstangen wirkenden Axialkräften verkoppelt, sodass durch Messen der einachsigen axialen Schubkräfte eine räumliche Kraftmessung erfolgt. Vorteilhaft an diesem Konzept ist die Möglichkeit, die Sensoren außerhalb des Körpers und damit im unsterilen Bereich anzuordnen, wodurch die Anforderungen hinsichtlich des Packagings sowie des Formfaktors sinken. Zur Messung der axialen Kraftkomponenten werden drei einachsige Kraftsensoren mit einem Kraftmessbereich von 50 N entworfen und in das Antriebssystem der Manipulatoren integriert. Wie zunächst erwartet, führt die innerhalb des Manipulators auftretende Reibung zur einer Verfälschung der Messwerte. Für den untersuchten Kraftmessbereich von 4 N wird eine Querempfindlichkeit von bis zu 2,54 N sowie eine Streuung der Messwerte von 2,31 N erzielt. Werden die Schubstangen zu einer Schwingung mit 6 Hz angeregt, so reduzieren sich die störenden Reibeffekte um die Faktoren 12,7 und 4,62. Aufgrund der Anwendung des Konzepts der Reibungsreduktion durch Schwingung auf das Problem der Interaktionskraftmessung wird die Darstellung eines haptischen Feedbacks durch einachsige extrakorporale Sensoren ermöglicht. Neben dem proximalen Ansatz wird ein 6 DOF Miniatur-Kraft-Momenten-Sensor mit 9 mm Durchmesser realisiert, der aufgrund seiner Größe nahe dem Endeffektor integrierbar ist. Infolge dieser distalen Integration wird der Einfluss von Reibeffekten minimiert und die Bandbreite des Messsignals vergrößert. Die für diese distale Integration notwendige Miniaturisierung adressierend, wird der Sensor mit dem entwickelten und als Patent angemeldeten Rolltechnikverfahren gefertigt. Bei diesem entfällt das aufwändige Bestücken einer monolithischen dreidimensionalen Verformungskörpergeometrie mit Dehnmesselementen. Unter Nutzung eines auf der Stewart-Gough-Plattform basierenden Verformungskörpers wird zunächst eine planare Sensorstruktur gefertigt und mit Messelementen bestückt. Durch Aufrollen dieser Struktur entsteht final der dreidimensionale Kraft-Momenten-Sensor. Entsprechend der möglichen planaren Fertigung und Bestückung ergeben sich skalierbare, miniaturisierbare und automatisierbare Prozesse. Der disruptiv gefertigte Kraft-Momenten-Sensor weist eine Querempfindlichkeit von 0,1 N bzw. 0,76 mNm sowie einen Linearitäts- und Hysteresefehler von weniger als 1,16 % für Nennkräfte von 4 N und Nennmomente von 66 mNm auf. Entsprechend des Kraftmessbereichs sowie der Größe ist dieser an der Spitze der Manipulatorstruktur integriert und wird für die Interaktionskraftmessung genutzt. Innerhalb der Validierung des Teleoperationssystems werden mit dem Single-Port-Roboter zunächst Einzelfunktionen im Rahmen von Probandentests abgefragt. Hierbei zeigt sich, dass unter Verwendung des Single-Port-Roboters die Präzision der Bewegungen gegenüber dem händisch bedienten Instrumentarium der Transanalen Endoskopischen Mikrochirurgie (TEM) um den Faktor 5 gesteigert wird. Bezüglich der Bereitstellung eines haptischen Feedbacks wird des Weiteren gezeigt, dass sich mit diesem die Manipulationskräfte um den Faktor 2 reduzieren. Neben der gezielten Untersuchung von Einzelfunktionen erfolgt mit dem Kooperationspartner am Universitätsklinikum in Tübingen die Evaluierung verschiedener chirurgischer Szenarien anhand von Tierorganen und anatomischen Modellen. Im Rahmen der erfolgten Tests werden sowohl Nahtübungen, Teilschritte der transanalen Rektumresektion, der Verschluss der Leistenhernie sowie die Gallenblasenentfernung erfolgreich mit dem Teleoperationssystem durchgeführt und so der Nachweis für die Eignung des parallelkinematischen Manipulationssystems zur Anwendung im Bereich der roboterassistierten Single-Port-Chirurgie erbracht.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Robot assisted minimally invasive surgery is a state-of-the-art technique to improve the surgical outcome in terms of less postoperative pain, better cosmetic results and a faster recovery time. Actually the trend is to perform the surgical procedure through only one port or a natural orifice, which is known as natural orifice transluminal endoscopic surgery (NOTES) or in general single port surgery. Content of this thesis is the investigation of a new miniaturized manipulator, which can be inserted into the human body and remotely controlled by the surgeon to enable robot assisted single port surgery. To enlarge the intracorporeal workspace, improve the dexterity and performe accurate and dynamic positioning tasks the manipulators are realized using a new parallel kinematic structure. A general drawback in robot assisted surgery is the loss of haptic perception. A second focus of this thesis is the investigation of concepts to measure intracorporeal forces. Following the parallel kinematic structure two concepts are realized and evaluated, thus the intracorporeal forces can be measured and displayed at the surgeon´s control interface. To motivate the parallel kinematic approach 21 manipulators of surgical robots under research are analyzed. Most of these tendon driven manipulators are designed under workspace, dexterity or technology aspects leading to a lack in stiffness, inadequate position accuracy and dynamics. As illustrated these drawbacks can be overcome using a parallel kinematic manipulator instead. Therefore the transfer characteristics of a surgical telemanipulator are analyzed using a network model based on an electro-mechanical analogy. With the so derived model general design aspects are identified, which are best fitted using parallel kinematics. In cooperation with the clinical partner the transanal rectal resection is chosen as the main surgical procedure to formulate the requirements and evaluate the parallel kinematic manipulator. To develop the structure of the manipulator topology analyses of different state-of-the-art parallel kinematic mechanisms, mostly designed for package and handling tasks, are done and a set of characteristic features is extracted. By combining those a new unique parallel kinematic manipulator is obtained, that enables the positioning, the arbitrary longitudinal rotation, deflection as well as opening and closing of a grasper. As a feature the kinematics can be divided into two substructures, which decouple the joint space coordinates from the endeffectors operational space coordinates in a way, that the position and orientation of the endeffector can be influenced independently, which simplifies the control of the manipulator. To achieve a compact design the manipulator utilizes the longitudinal displacement and rotation of three rods, that transfer mechanical energy into the human body. For opening and closing the grasper a reconfigurable toolplattform is used, which is inherently a part of the mechanism structure. To achieve optimal positioning performance in terms of accuracy and speed, the kinematic design of the manipulator is done. Overall 49950 possible designs are considered during kinematic simulation. As a result only 27.3 % designs have the required workspace, of which only 63.8 % show the requested transfer characteristics. Considering all kinematic requirements finally 33 designs remain. Taking into account the morphology and the ability of crossing the endeffectors one design is finally chosen, which fulfils the requirements of 5 N interaction force as well as 200 mm/s manipulation speed and also exceeds the needed workspace by 213 %. Using two of the manufactured parallelkinematic manipulators a single port robot is designed. To perform single port surgery the robot has a shaft of 38 mm diameter with two antagonistic arms at the tip, which can be remotely controlled by the surgeon. Using precision engineering techniques three manipulators are designed, manufactured and assembled. To perform surgical procedures like cutting and suturing, different endeffectors like graspers, needle holders and high frequency cutters are designed and manufactured. With the so set-up single port robot the kinematic properties of the manipulator are verified. To assess the accuracy of the endeffectors´ movements and the dynamics, circular tests are performed. Each endeffector is moved along three circles lying in the three coordinate system´s planes and having diameters of 10, 30 und 50 mm. The movements are recorded with a high speed camera and measured applying a marker-tracking afterwards.The performed tests confirm the performance of the parallel kinematic approach as the excellent postion properties retain either under a constant load of 4.9 N or speeds of 320 mm/s. In both cases the endeffector can be moved precisely along a circle with an error of less than 1.5 mm, which guarantees accurate and dynamic maneuvers. To enable haptic feedback force sensors need to be integrated into the manipulator structure. Analyzing the state of art in intracorporeal force measurement six concepts for the developed parallel kinematic structure are identified, of which two are implemented and evaluated. The chosen proximal approach utilizes the transfer characteristics of the position-determining tripod substructure of the manipulator. Because of the manipulator´s stiffness the uniaxial force in each of the three manipulator rods are a function of the 3-dimensional force applied to the endeffector. Therefore by measuring the push-pull force in each rod and calculating the instantaneous transfer function described by the Jacobian Matrix, the force acting at the endeffector is determined. The advantage of this concept is the possibility to arrange the sensors outside the body and thus in a non-sterile area, whereby the requirements in terms of packaging and the form factor decrease. To measure the axial force components, three uniaxial force sensors with a measurement range of 50 N are designed and integrated into each rod's drive unit. As expected, the friction occurring within the manipulator´s joints leads to a measurement error. For the investigated force measurement range of 4 N a cross-sensitivity of up to 2.54 N and a standard deviation of 2.31 N is obtained. If a vibration of 6 Hz and a amplitude of 20 µm is applied to the rods, the disturbing friction effects can be minimized. The cross-sensitivity can be lowered by a factor of 12.7, while the standard deviation can be improved by a factor of 4.62. Applying the concept of friction reduction by vibration for the first time to a surgical robot, intracorporal force measurement with external arranged sensors becomes possible. As a second concept, a 6 degree of freedom miniature force-torque-sensor with a diameter of 9 mm, which can be integrated near the end effector, is realized. As a result of the distal integration, the influence of friction effects can be minimized and the bandwidth of the measured signal is increased. To manufacture such a small sensor a disruptive manufacturing and patent pending process is developed. The geometry of the planar deformation element is derived from a 3-dimensional Stewart-Gough-Platform. After milling the structure and equipping it with twelve strain gauges in half bridge configuration the planar structure is rolled into the 3-dimensional sensor. The dimensions of the planar structure are scalable to adjust the size and nominal measurement range of the sensor. Furthermore the strain gauges are applied in an in-plane process, which enables a further downscaling of the sensor to 5 mm in diameter. The first prototype has a measuring range of 4 N and 66 mNm. The characterization of the sensor shows a maximal linearity and hysteresis error of 1.16 % and an absolute cross-sensitivity smaller than 0.1 N and 0.76 mNm. For the final validation of the single port robot several major features are examined performing test subjects. These results show that by using the single port robot, the precision of the movements is increased by a factor of 5 compared to the manually operated transanal endoscopic microsurgery instrument. Investigating the impact of operations with and without haptic feedback shows that with haptic feedback the manipulation forces are lowered by factor 2. Furthermore surgical tests are performed using animal organs and anatomical models. Several tasks like suturing, partial steps of the transanal rectal resection, inguinal hernia treatment and gallbladder removal are successfully performed with the teleoperation system, thus demonstrating the general suitability of the developed parallel kinematic manipulators for use in robot assisted single port surgery.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Institute for Electromechanical Design > Microtechnology and Electromechanical Systems
Date Deposited: 07 Jun 2019 12:39
Last Modified: 07 Jun 2019 12:39
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-86694
Referees: Schlaak, Prof. Dr. Helmut F. and Nienhaus, Prof. Dr. Matthias
Refereed: 31 August 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8669
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