A new approach to establish tactility in minimally invasive robotic surgery : development, design, and first evaluation of a haptic-tactile feedback system for improved localization of arteries during surgery such as closed-chest revascularization

Abstract

In der konventionellen robotergestützten, minimal invasiven Chirurgie (MIC) besteht eine vollständige mechanische Entkopplung zwischen Chirurg und Patient. Die Entwicklung kinästhetischer Rückkopplungssysteme ist fortgeschritten, die Rückkopplung taktiler Eindrücke ist jedoch nach wie vor problematisch. Es wurden viele Versuche unternommen, vollständige teletaktile Eindrücke zu vermitteln, die jedoch aus unterschiedlichen Gründen scheiterten. Als hauptsächlicher Grund hierfür ist anzusehen, dass die Ausgabeschnittstelle üblicherweise ein eigenständiges Gerät ist, was die gleichzeitige Wahrnehmung von Eindrücken und Steuerung des Instruments erschwert. Die menschliche Wahrnehmung taktiler Eindrücke beruht weitgehend auf dem Betasten des Objekts mit Bewegen des "Sensors", was mit zwei verschiedenen Geräten schwer nachzubilden ist. Außerdem war die Interpretation des rückgekoppelten Signals nicht eindeutig und intuitiv genug.

Eine der größten Schwierigkeiten in der (robotergestützten) minimal invasiven Chirurgie ist die große, durch die fehlende taktile Rückkopplung begründete Gefahr einer unbeabsichtigten Arterienverletzung mit der Folge schwer kontrollierbarer Blutungen. In der offenen Chirurgie kann Gewebe betastet werden, und ein Pulsieren deutet auf eine im Gewebe liegende Arterie hin. Eine Substitution des Tastsinns wäre aber auch aus anderen Gründen wünschenswert. So können in der offenen Herzchirurgie die präoperativ geplanten Anastomosestellen durch Betasten aufgefunden werden. Stehen jedoch nur optische Untersuchungsmethoden zur Verfügung, kann ein sehr zeitaufwendiges Freipräparieren der Arterien notwendig werden, um die präoperativ geplanten Anastomosestellen aufzufinden.

Die in dieser Arbeit vorgeschlagene Lösung bietet keine umfassende taktile Rückkopplung, sondern konzentriert sich auf das ultraschallgestützte, quasi taktile Lokalisieren besonderer Strukturen unter verdeckendem Gewebe. Mit den erfassten Daten erfolgt eine Modalitätssubstitution, dem Nutzer werden intuitive haptische bzw. Mehrkanalinformationen zurückgegeben. Um die Doppler-Frequenzverschiebung des in den betreffenden Arterien fließenden Blutes zu erkennen, wird ein Ultraschalltransducer verwendet, der in ein minimal invasives Instrument integriert ist. Die gemessenen Signale werden analysiert und an ein haptisches Eingabegerät weitergeleitet, mit dem die Erkennung und die Eigenschaften der verdeckten Gefäße intuitiv erfassbar dargestellt werden. Erste Versuche zeigten, dass ein leichtes Zucken des Eingabegerätes in Verbindung mit dem typischen Doppler-Geräusch das direkte Betasten sehr zuverlässig und intuitiv ersetzen. Weiterführende Untersuchungen, die die Verlässlichkeit bestätigen und zu einem tieferen Verständnis dieser Ergebnisse führen sollen, stehen noch aus.

Es ist sehr fraglich, ob eine vollständige Rückkopplung aller möglichen taktilen Eindrücke in der robotergestützten MIC erstrebenswert ist – der medizinische Nutzen scheint die Anstrengungen und Kosten nicht zu rechtfertigen. Deshalb verspricht, wie in dieser Arbeit, der Ersatz nur von Teilen der Taktilität, der mit der menschlichen Wahrnehmung vergleichbar ist, eine bessere Lösung zu sein. Im Gegensatz zu in der Literatur beschriebenen Realisierungen, die sich im praktischen Einsatz nicht durchgesetzt haben, hat das hier beschriebene System erste Tests bestanden und seine überlegene Leistungsfähigkeit bewiesen. Ein Patent hierzu wurde bereits erteilt.

In conventional minimally invasive robotic surgery (MIRS) the physician is no longer in direct mechanical contact with the patient and the surgical instruments. The establishment of kinesthetic impressions shows promising results technically but tactile feedback is still a problem. Various attempts with full remote perception of tactile impressions did not prevail for a number of reasons. Above all, the tactile feedback actor commonly is a secondary device which hinders simultaneous perception of feedback signals and guidance of instruments. Human perception of tactile impressions, however, often is a result of active palpation which is hard to emulate in two separate devices; so far, interpretation of feedback signals was not sufficiently clear and intuitive.

One of the most serious problems resulting from the absence of tactile feedback in minimally invasive (robotic) surgery is the augmented risk of an unintended blunt artery dissection causing bleeding which would be difficult to control. In open surgery, tissue can be palpated and a pulsating perception indicates a hidden artery. In open cardiac surgery preoperatively planned bypass anastomoses positions can be found by palpation. Using optical examination only, a dissection of the arteries, which is very time consuming, may become necessary to locate the correct positions.

The solution presented in this dissertation does not provide full remote tactile perception, but focuses on the quasi-tactile detection of special structures under covering tissue using ultrasound. The acquired signals are subjected to a modality substitution and presented to the user as an intuitive haptic or multi channel signal. For this purpose, an ultrasound transducer embedded in a minimally invasive surgical instrument is used to acquire Doppler frequency shifts of blood flow in the vessels to be detected. The acquired signals are analyzed and transferred to a haptic feedback device. Here, the detection and characteristics of a covered vessel is presented in an intuitive way. A slight twitch of the feedback device accompanied by the characteristic Doppler shift sound are, based on the results of first experiments, expected to be very reliable and intuitive and effectively replace palpation. Further investigations to prove the validity and deepen the understanding of this hypothesis are pending.

It is highly questionable whether full feedback of all possible tactile impressions in MIRS is worth striving for - the medical benefit does not appear to justify the efforts and cost. Therefore, the substitution of only selected components of full tactility, comparable to the human perception, such as carried out in this dissertation promises to be a better solution. In contrast to realizations described in literature that have not prevailed in practical application the system described here has passed first tests and demonstrated its superior performance. A patent was granted on April 5th, 2007.