Development of a semi-automatic surgical assistance system for harvesting the internal thoracic artery based on intraoperative imaging and feedback control.
Final Report Abstract
Intraoperative Bildgebung findet zunehmend Verwendung, da immer komplexere und anspruchsvolle operative Eingriffe immer mehr aktuelle Informationen über den Patienten erfordern. Die derzeitige Anwendung intraoperativer Bildgebungsverfahren setzt voraus, dass der Chirurg die Bilder analysiert und daraus die nächsten Operationsschritte ableitet. In anderen medizinischen Fachbereichen wie der interventionellen Radiologie wurde bereits gezeigt, dass es von Vorteil sein kann, den Operateur durch semiautomatisch durchgeführte Instrumentenkontrolle, welche durch ein Bildgebungsverfahren geregelt wird, zu assistieren und ihm dadurch zu ermöglichen, sich auf wichtigere Aspekte des Eingriffs zu konzentrieren. Dadurch wird der Chirurg von monotonen und repetitiven Aufgaben entlastet, so dass seine Situationsaufmerksamkeit steigt, was zu höherer Ergonomie der operativen Abläufe und mehr Patientensicherheit führen kann. Mit dem ASTMA-System wurde ein Assistenzsystem zur semiautomatischen Gefäßpräparation entwickelt, welches in einem "shared-autonomy"-Ansatz die Präparation der Brustwandarterie für aortokoronare Bypassoperationen ermöglichen soll. Hierzu wurde das am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) neu entwickelte Robotersystem MIRO mit einem Werkzeug bestückt, das eine Duplexultraschallsonde zum detektieren des Arterienverlaufes und einen Marker zum Markieren des Verlaufes auf dem Gewebe vereint. Der Marker kann dabei wahlweise ein Farbmarker oder eine Elektrokauterelektrode sein. Die Regelung des Roboters ist so konzipiert, dass der Roboter autonom dem Verlauf der Brustwandarterie folgen kann. Dabei wird das Werkzeug basierend auf den Ultraschallbildern stets unter der Arterie zentriert, wobei auch die Kontaktkraft zwischen Werkzeug und Gewebe geregelt wird. Der Chirurg kommandiert die Vortriebsgeschwindigkeit entlang der Arterie und den Einsatz des Elektrokauters. Zusätzlich hat er jederzeit die Möglichkeit, die Kontaktkraft und den Ansatzwinkel des Werkzeuges zu variieren, um auf der gesamten Länge der zu präparierenden Arterie gleichbleibend gute Bildqualität und somit eine exakte Markierung des Arterienverlaufes zu erreichen. Für die begleitenden Tests des ASTMA-Systems wurden durch das ICCAS physiologische Phantome entworfen, an welchen die Arbeitsabläufe des Assistenzsystems überprüft und weiterentwickelt werden konnten. In qualitativen Studien wurden die Phantome hinsichtlich möglichst guter anatomischer und physiologischer Eigenschaften überprüft, um erfolgreich die Entwicklung des ASTMA?Robotersystems zu unterstützten. Um die Steuerung des ASTMA-Systems möglichst anwenderfreundlich und sicher zu gestalten, wurde ein intuitiv zu verwendendes Human-Machine-Interface entwickelt und hinsichtlich der Usability der möglichen Eingabegeräte in einer qualitativen Studie bewertet. Im August 2010 wurden abschließende Versuche in den Tierlaboren des Universitätsspitals Zürich erfolgreich abgeschlossen.
Publications
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Physiologische Phantome zur Validierung chirurgischer Assistenzsysteme mit intraoperativer Bildgebung in der Entwicklung. In: DESIGN&ELEKTRONIK Entwicklerforum Embedded goes medical, HTWK Leipzig, 22. 9. 2009. ISBN 978-3-7723-5519-6
Fricke, C
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A modular video streaming method for surgical assistance in operating room networks, International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery (2010)
A.K.R. Voruganti, R. Mayoral, A. Vazquez, O. Burgert
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Robot Assisted Internal Mammary Artery Detection for Coronary Revascularisation Surgery; IROS 2010
Florian A. Fröhlich, Georg Passig, Adrian Vazquez and Gerd Hirzinger
