Experimentelles Roboter-Teleoperationssystem
Final Report Abstract
Das Großgerät „Experimentelles Roboter-Teleoperationssystem“ bestehend aus zwei Roboter-Leichtbauarmen und zwei Haptischen Eingabegeräten dient der Untersuchung neuartiger Methoden für die sichere und präzise Durchführung von robotergestützten minimalinvasiven chirurgischen Operationen. Der Fokus des Systems liegt auf der Unterstützung und Entlastung des Chirurgen und der Eröffnung neuer Möglichkeiten durch den Einsatz eines Robotersystems im Vergleich zur konventionellen minimalinvasiven Chirurgie. Für den Einsatz von Robotersystemen in der Chirurgie existieren zwei grundsätzliche Ansätze: Autonome Systeme und Telemanipulationssysteme. Der rein autonome Ansatz gilt als gescheitert (RoboDoc, Caspar). Das heute kommerziell erfolgreichste System ist momentan als reines Telemanipulationssystem und durch die fehlende Einbindung von Haptik limitiert für einen weiterreichenderen Einsatz in den verschiedensten chirurgischen Fächern. Das hier beantragte „Experimentelle Roboter-Teleoperationssystem“ ist für die Forschung in diesen Feldern vorgesehen. Durch den Einsatz der neuartigen Leichtbauroboter mit integrierter Momenten-Sensorik sind völlig neuartige Ansätze für chirurgische Eingriffe möglich. Das Erforschen haptischer Prozesse im Kontext therapeutischer und diagnostischer Konzepte in der Medizin stellt die nächste Stufe für eine intuitive Mensch-Maschine-Schnittstelle dar. Auch die Erweiterung der reinen Telemanipulation zu einer Teleoperation durch die Integration autonomer Teilverrichtungen entlastet den Arzt von konzentrationsmindernden Routineaufgaben. Das hier beantragte Experimentalsystem wurde in aktuell laufende Forschungsarbeiten eingebunden und stellt auch für künftige Vorhaben eine exzellente Forschungsplattform dar. Der Einsatz moderner Leichtbauroboter mit Kraft-Momenten-Sensorik und sieben aktiven Freiheitsgraden ermöglicht neuartige, kombinierbare Steuerungskonzepte im Vergleich zu herkömmlichen Medizinrobotern: - Im haptischen Telemanipulationsmodus steuert der Chirurg die Roboter über die Haptischen Eingabegeräte. Er kann damit fühlen, welcher Widerstand dem Instrument entgegenwirkt, um z. B. Weichgewebe oder Knochen zu unterscheiden. Zusätzlich können virtuelle Grenzen als Hilfe für den Schutz von Risikostrukturen simuliert werden. - Im handgeführten Modus kann der Chirurg die Roboter direkt positionieren, indem er sie anfasst und an die richtige Position führt. Unterstützt wird er bei Bedarf von Assistenzfunktionen, welche die einstellbaren Positionen des Roboters und des medizinischen Instruments begrenzen und somit eine präzise geführte Bewegung erlauben. - Im autonomen Modus bewegen sich die Roboter selbsttätig an eine vorgegebene Position, um beispielsweise den Arbeitsraum für den Chirurgen freizugeben oder den Wechsel der am Roboter montierten medizinischen Instrumente zu ermöglichen. Im chirurgischen Prozess findet bei komplexen Eingriffen ein Übergang zwischen den verschiedenen Modi statt. Dieser muss stetig stattfinden, d.h. insbesondere bei Handhabungen innerhalb des Patientenkörpers darf es nicht zu Positions- bzw. Kraftsprüngen kommen.
Publications
- OP:Sense – An Integrated Rapid Development Environment in the Context of Robot Assisted Surgery and Operation Room Sensing. Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO 2011, pp2421- 2422, 2011, Dec 7-11, Phuket Island, Thailand
P. Nicolai, T. Beyl, H. Moennich, J. Raczkowsky, H. Wörn
- A concept for safe human robot cooperation in surgical applications based on 3D sensing. Proccedings of IROS 2012 workshop Safety in Human-Robot Coexistence & Interaction: How can Standardization and Research benefit from each other? 2012, Oct 7-11, Vilamoura, Portugal
Tim Beyl, Philip Nicolai, Jörg Raczkowsky, Heinz Wörn
- Haptic Feedback in OP:Sense - Augmented Reality in Telemanipulated Surgery. Medicine meets Vitual Reality 19, Stud Health Technol Inform 2012.: 173: 58-63
T. Beyl, P. Nicolai, H. Moennich, J.Raczkowsky, H. Wörn
- Ein prozessbasiertes Controllerkonzept zur Steuerung eines digitalen OP-Saals am Beispiel von OP:Sense. 12. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboterassistierte Chirurgie e.V. (CURAC), pp. 58-61, 2013, Nov. 28-30, Innsbruck
Tim Beyl, Luzie Schreiter, Jörg Raczkowsky, Heinz Wörn
- Feasibility studies for robot assisted total knee arthroplasty using a light-weight-robot. Conf. of The Int. Soc. for Medical Innovation and Technology (iSMIT), Baden-Baden, Germany, September 5 - 7, 2013
T.Beyl, A. Böhme, J.Raczkowsky, C. Müller, H.Wörn
- System Concept for Collision-Free Robot Assisted Surgery Using Real-Time Sensing. In: Frontiers of Intelligent Autonomous Systems - Studies in Computational Intelligence, Eds: S. Lee, K-J Yoon, J. Lee, Volume 466 2013, ISBN: 978-3- 642-35484-7 (Print) 978-3-642-35485-4 (Online)
J. Raczkowsky, P. Nicolai, B. Hein, H. Wörn
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-642-35485-4_34) - The OP:Sense surgical robotics platform: first feasibility studies and current research. International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery, 2013, Vol. 8, Suppl. 1, pp 136-137, Springer
P. Nicolai, T. Brennecke, M. Kunze, L. Schreiter, T. Beyl, Y. Zhang, J. Mintenbeck, J. Raczkowsky, H. Wörn
(See online at https://doi.org/10.1007/s11548-013-0861-3) - Telemanipulation with Force-based Display of Proximity Fields. Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS), IEEE/RSJ , pp. 4568 – 4574, 2015, Sept. 28-Oct. 2 2015, Hamburg
S. Escaida Navarro, F. Heger, F. Putze, T. Beyl, T. Schultz, B. Hein
(See online at https://doi.org/10.1109/IROS.2015.7354027) - ROS-based Cognitive Surgical Robotics. In: Anis Koubaa (Hrsg.): Robot Operating System (ROS). The Complete Reference. 1st ed. 2016. [S.l.]: Springer. ISBN 978-3-319-26054-9
A. Bihlmaier, T. Beyl, P. Nicola, M. Kunze, J. Mintenbeck, L. Schreiter, T. Brennecke, J. Hutz, J. Raczkowsky, H. Wörn
(See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-26054-9)
