Snake-Like Robots for Minimally Invasive, Single Port, and Intraluminal Surgeries

The surgical paradigm of Minimally Invasive Surgery (MIS) has been a key driver to the adoption of robotic surgical assistance. Progress in the last three decades has led to a gradual transition from manual laparoscopic surgery with rigid instruments to robot-assisted surgery. In the last decade, the increasing demand for new surgical paradigms to enable access into the anatomy without skin incision (intraluminal surgery) or with a single skin incision (Single Port Access surgery - SPA) has led researchers to investigate snake-like flexible surgical devices. In this chapter, we first present an overview of the background, motivation, and taxonomy of MIS and its newer derivatives. Challenges of MIS and its newer derivatives (SPA and intraluminal surgery) are outlined along with the architectures of new snake-like robots meeting these challenges. We also examine the commercial and research surgical platforms developed over the years, to address the specific functional requirements and constraints imposed by operations in confined spaces. The chapter concludes with an evaluation of open problems in surgical robotics for intraluminal and SPA, and a look at future trends in surgical robot design that could potentially address these unmet needs.Comment: 41 pages, 18 figures. Preprint of article published in the Encyclopedia of Medical Robotics 2018, World Scientific Publishing Company www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/9789813232266_000

Entwicklung eines telemedizinischen Eingabebereiches zur Steuerung eines parallelkinematischen Operationsroboters und Evaluation verschiedener Eingabehaltungen

Inhalt dieser wissenschaftlichen Arbeit ist die Entwicklung und Konstruktion eines sehr variablen und stark individualisierbaren telemedizinischen Eingabebereiches zur Steuerung eines Operationsroboters

Designing a robotic port system for laparo-endoscopic single-site surgery

Current research and development in the field of surgical interventions aim to reduce the invasiveness by using few incisions or natural orifices in the body to access the surgical site. Considering surgeries in the abdominal cavity, the Laparo-Endoscopic Single-site Surgery (LESS) can be performed through a single incision in the navel, reducing blood loss, post-operative trauma, and improving the cosmetic outcome. However, LESS results in less intuitive instrument control, impaired ergonomic, loss of depth and haptic perception, and restriction of instrument positioning by a single incision. Robot-assisted surgery addresses these shortcomings, by introducing highly articulated, flexible robotic instruments, ergonomic control consoles with 3D visualization, and intuitive instrument control algorithms. The flexible robotic instruments are usually introduced into the abdomen via a rigid straight port, such that the positioning of the tools and therefore the accessibility of anatomical structures is still constrained by the incision location. To address this limitation, articulated ports for LESS are proposed by recent research works. However, they focus on only a few aspects, which are relevant to the surgery, such that a design considering all requirements for LESS has not been proposed yet. This partially originates in the lack of anatomical data of specific applications. Further, no general design guidelines exist and only a few evaluation metrics are proposed. To target these challenges, this thesis focuses on the design of an articulated robotic port for LESS partial nephrectomy. A novel approach is introduced, acquiring the available abdominal workspace, integrated into the surgical workflow. Based on several generated patient datasets and developed metrics, design parameter optimization is conducted. Analyzing the surgical procedure, a comprehensive requirement list is established and applied to design a robotic system, proposing a tendon-driven continuum robot as the articulated port structure. Especially, the aspects of stiffening and sterile design are addressed. In various experimental evaluations, the reachability, the stiffness, and the overall design are evaluated. The findings identify layer jamming as the superior stiffening method. Further, the articulated port is proven to enhance the accessibility of anatomical structures and offer a patient and incision location independent design

Analyse der Lernkurve und der applizierten Kräfte am Gewebe in der Roboter-assistierten Chirurgie

Die Roboter-assistierte Laparoskopie besitzt das Potenzial einer disruptiven Technologie, dennoch verbleiben trotz vielversprechender Entwicklungen etliche Fragestellungen bislang ungeklärt. Eine dieser Hypothesen ist, dass Operationsteams mit robotischen Assistenzsystemen eine zeitintensive Lernkurve durchschreiten. Um dies genauer zu untersuchen, wurde die Lernkurve roboterunterstützter Operationen anhand der Prozedurzeiten bei den ersten 20 Fällen der Roboter-assistierten ventralen Rektopexie am Universitätsklinikum Tübingen beschrieben. Der Begriff Lernkurve wurde anhand des quantitativen Parameters Zeit als Umschwung einer Lern- in eine Plateauphase definiert. Für die Gesamtdauer konnte ein Erreichen dieses stabilen Zustands nach fünf Eingriffen gezeigt werden. Diese Ergebnisse sind nicht zwangsläufig auf andere Teams und andere Szenarien übertragbar, suggerieren dennoch eine zügig mögliche Etablierung von Robotiksystemen. Ein weiterer relevanter Aspekt der Roboter-assistierten Chirurgie ist der genau dosierte Einsatz von Kräften. Um die eingebrachten Kräfte in der Gewebe-Instrumenten-Interaktion objektivieren zu können, wurde in einer zweiten wissenschaftlichen Zielsetzung die Konzeption, Entwicklung, Konstruktion, Programmierung und Anwendungsdemonstration eines Messsystems zur Erfassung räumlicher Position und applizierter Kräfte in der Laparoskopie beschrieben. Der auf einem kardanischen Gelenk basierende Kraft- und Positionsmessstand für laparoskopische Rohrschaftinstrumente wurde zuerst CAD-konstruiert und in mehreren Entwicklungsstufen als Prototyp umgesetzt. Hierfür kamen subtraktive und additive Fertigungsverfahren zum Einsatz. Integrierte Wägezellen dienen der Kraftmessung, während Potentiometer die Absolutposition erfassen. Die Datenerfassung erfolgt durch einen programmierbaren Mikrokontroller und die Datenausgabe ist über eine Kontrollkonsole sowie optional über einen angeschlossenen PC möglich. In der realitätsnahen Anwendungsdemonstration am Organmodell wurden die applizierten Kräfte bis zum Kontaktverlust von Instrument und Gewebe bei Zugmanövern am Hartmann-Pouch im Rahmen einer Cholezystektomie erfasst. Insgesamt wurden an sechs Organmodellen jeweils sechs verschieden konfigurierte Fasszangen evaluiert. Die Fasszangen mit traumatischen Oberflächenprofil konnten hierbei signifikant die höchsten Maximalkräfte aufbringen. Neben der Evaluation von Instrumenten hinsichtlich der Eignung für chirurgische Eingriffe können die ermittelten Daten der Roboterchirurgie als Referenzwerte, beispielsweise für die Definition von Grenzwerten eingesetzter Maximalkräfte, dienen. Darüber hinaus stellt der Kraft- und Positionsmessstand Messparameter zur Verfügung, durch welche chirurgisches Training in Zukunft effektiver gestaltet werden kann

Cable-driven parallel mechanisms for minimally invasive robotic surgery

Minimally invasive surgery (MIS) has revolutionised surgery by providing faster recovery times, less post-operative complications, improved cosmesis and reduced pain for the patient. Surgical robotics are used to further decrease the invasiveness of procedures, by using yet smaller and fewer incisions or using natural orifices as entry point. However, many robotic systems still suffer from technical challenges such as sufficient instrument dexterity and payloads, leading to limited adoption in clinical practice. Cable-driven parallel mechanisms (CDPMs) have unique properties, which can be used to overcome existing challenges in surgical robotics. These beneficial properties include high end-effector payloads, efficient force transmission and a large configurable instrument workspace. However, the use of CDPMs in MIS is largely unexplored. This research presents the first structured exploration of CDPMs for MIS and demonstrates the potential of this type of mechanism through the development of multiple prototypes: the ESD CYCLOPS, CDAQS, SIMPLE, neuroCYCLOPS and microCYCLOPS. One key challenge for MIS is the access method used to introduce CDPMs into the body. Three different access methods are presented by the prototypes. By focusing on the minimally invasive access method in which CDPMs are introduced into the body, the thesis provides a framework, which can be used by researchers, engineers and clinicians to identify future opportunities of CDPMs in MIS. Additionally, through user studies and pre-clinical studies, these prototypes demonstrate that this type of mechanism has several key advantages for surgical applications in which haptic feedback, safe automation or a high payload are required. These advantages, combined with the different access methods, demonstrate that CDPMs can have a key role in the advancement of MIS technology.Open Acces