A cooperative dual robot system for surgery

Vossel, Manuel; Clusmann, Hans Rainer; Radermacher, Klaus

doi:10.18154/RWTH-2025-00436

A cooperative dual robot system for surgery = Ein kooperatives Doppelrobotersystem für die Chirurgie

Vossel, Manuel^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Manuel Vossel

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Radermacher, Klaus (Thesis advisor)^RWTH* ; Clusmann, Hans Rainer (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-08-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-00436
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1002258/files/1002258.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Medizintechnik (419410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CAOS (frei) ; cooperative (frei) ; laminectomy (frei) ; robotics (frei) ; spine surgery (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Obwohl Studien darauf hindeuten, dass Roboter in der Chirurgie unterstützend wirken können, sind diese Systeme in Kliniken noch nicht stark verbreitet. In der Orthopädie und Wirbelsäulenchirurgie werden die meisten Roboter nur für einzelne Anwendungen genutzt, wie beispielsweise für Knie-Endoprothesen oder zur Platzierung von Pedikelschrauben. Zudem setzen solche Robotersysteme oft große Industrieroboterarme als Basis ein, die bei Berührung mit der Patientin, dem Patienten oder dem OP-Personal ein Sicherheitsrisiko darstellen können. Zur Minimierung dieser Einschränkungen wird ein modulares Doppelrobotersystem bestehend aus einem ultraleichten Trägerroboter für die Vorpositionierung und kleinen Bearbeitungsrobotern für verschiedene chirurgische Aufgaben evaluiert. Durch die Ultraleichtbauweise des Trägerroboters können die Motormomente reduziert und damit die Sicherheit im Operationssaal erhöht werden. Die Bearbeitungsroboter haben kleine Arbeitsräume und sind gleichzeitig hochdynamisch, um die Verformung des Trägerroboters auszugleichen. Zur Evaluation dieses Konzepts wurde ein Bearbeitungsroboter für die Laminektomie entwickelt, ein kommerzieller Leichtbauroboter wurde als Träger gewählt und das Gesamtsystem wurde analysiert. Es wurden Regelungsalgorithmen für die Bewegungs- und Elastizitätskompensation durch den Bearbeitungsroboter und für die synergistische Handführung entwickelt. Die virtuellen Begrenzungen dieser synergistischen Regelung können während des Eingriffs durch ein iteratives schrittweises Vorgehen modifiziert werden, wodurch die Genauigkeitslimitationen der Bilderfassung, Planung und Registrierung überwunden werden. In einer formativen Gebrauchstauglichkeitsstudie mit Neurochirurginnen und Neurochirurgen wurde das System evaluiert. Die Analyse des Roboters und des Kompensationsalgorithmus zeigen, dass das System die Beatmungsbewegungen des Patienten und, bis zu einem gewissen Grad, die Elastizität des Trägerroboters kompensieren kann. Während der formativen Studie konnten alle Chirurginnen und Chirurgen eine simulierte Laminektomie an einem Wirbelsäulenphantom mit dem Robotersystem durchführen. Sie bewerteten diesen ersten Prototyp mit einem durchschnittlichen SUS-Score von über 75 %. Der Bearbeitungsroboter kompensierte die Verformung des Robotersystems, was zu einer über 90 %igen Reduzierung der durchschnittlichen Durchbiegung von 1,7 mm auf einen durchschnittlichen verbleibenden Positionsfehler von 0,13 mm führte. Die maximale Durchbiegung des Robotersystems wurde um 80 % verringert. Das Doppelrobotersystem hat das Potenzial, die Sicherheit im Operationssaal aufgrund des ultraleichten Trägerroboters und der synergistischen Handführung zu erhöhen und, aufgrund des modularen Designs, eine einfache Anpassung an verschiedene chirurgische Aufgaben zu ermöglichen. Verbesserungsbedarf besteht vor allem bei der Ergonomie des Bearbeitungsroboters und bei der Gestaltung komplexerer virtueller Begrenzungen. Das kooperative Doppelrobotersystem sollte anschließend an ex-vivo Humanpräparaten im Anatomielabor getestet werden.

Even though the literature shows that robotic assistance can support the surgeon, these systems are not widely spread in clinics. In orthopedic and spine surgery, for example, most robots can be used for only one single application, such as total knee arthroplasty or pedicle screw placement. Additionally, those robotic systems often incorporate modified, large, industrial robotic arms imposing safety hazards when in contact with the patient or surgical staff. This thesis approaches those limitations with a modular dual robot consisting of an ultra-lightweight carrier robot for rough prepositioning and small, highly dynamic, application-specific tooling robots for various bone machining tasks. The carrier robot being ultra-lightweight reduces the required motor torques and thus enhances safety in operating rooms. The tooling robots are meant to have small workspaces while simultaneously being highly dynamic to compensate for the carrier robot's elasticity. One tooling robot has been exemplarily developed for laminectomy surgery to test this dual robot concept. Additionally, an off-the-shelf robotic arm has been chosen as the carrier robot, and the resulting dual robot system has been characterized. Control algorithms have been developed for motion and elasticity compensation by the tooling robot and for synergistic hands-on control. The adaptable virtual fixtures of this synergistic control can be modified during surgery using an iterative stepwise approach, ultimately surpassing the limits of image acquisition, planning, and registration. A formative usability study with neurosurgeons evaluated the system's usability. Characterization of the system and analysis of the motion compensation algorithm showed that the system can compensate for the patient's ventilation motion and, to a certain extent, the carrier robot's elasticity. During the formative study, all ten surgeons could perform a simulated laminectomy on a spine phantom using the robotic system. They rated this first prototype already with an average SUS-Score above 75 %. The dynamic motion compensation compensated for the deflection of the lightweight robot system, resulting in over 90 % reduction of the average deflection of 1.7 mm to an average remaining tool position error of 0.13 mm. The robot system's maximum deflection was decreased by 80 %. The proposed dual robot system showed the potential to (1) increase safety in the operating room because of the carrier robot being ultra-lightweight and because of the synergistic hands-on control and (2) allow for easy adaptation to various surgical procedures because of the modular design. Improvements are primarily needed in the ergonomics of the tooling robot and the design of more complex virtual fixtures. The cooperative dual robot system can subsequently be tested in a cadaver lab.

OpenAccess:
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