De operatierobot als teamspeler

14 juni 2013 

Het Duitse centrum voor lucht- en ruimtevaart DLR onderzoekt wat er voor nieuwe generaties operatierobots nodig is. Eén ding is zeker: de machine moet meer rekening houden met de mensen om hem heen.

’Nog even voor de goede orde: het is dus niet de bedoeling om dit te commercialiseren‘, vertelt Bastian Deutschmann van het Instituut voor Robotica en Mechatronica nabij München, onderdeel van het Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). ’We hebben deze operatierobot de afgelopen jaren ontwikkeld zodat we een platform hebben om onderzoek te kunnen doen, bijvoorbeeld naar de interactie tussen chirurg en robot en naar veiligheidsaspecten van robotica in de operatiekamer.‘

Een belangrijke overweging bij het design van de robotarmen was de acceptatiefactor bij verpleegkundigen en artsen. De DLR-onderzoekers kozen er daarom voor de afmetingen en het kinematisch ontwerp te modelleren naar de menselijke arm: elk apparaat is opgebouwd uit een schoudergewricht, een elleboog en een pols.

Hij kan de boodschap niet vaak genoeg herhalen, want hij krijgt de vraag met regelmaat van de klok - zeker van Nederlanders, die eraan gewend zijn dat onderzoeksfinanciering alleen is gericht op projecten van een paar jaar die bovendien moeten worden gevaloriseerd. ’Maar deze technologie zal niet over tien jaar direct in de operatiekamer terug te vinden zijn. Je moet het meer zien dat concepten die hiermee worden ontwikkeld, worden gebruikt in toekomstige operatierobots‘, zegt Deutschmann.

Dat is hard nodig. Al ruim een decennium wordt het veld van (niet-applicatiespecifieke) robotchirurgie beheerst door een enkele speler: het Da Vinci-systeem van het Californische Intuitive Surgical. Hoewel dit systeem razend populair is, heeft het al die jaren ook een aantal tekortkomingen.

Het Da Vinci-systeem valt in een belangrijke trend binnen de chirurgie, die van sleutelgatchirurgie. Artsen zijn de laatste jaren een stuk terughoudender geworden met het opensnijden van patiënten. Tegenwoordig kiezen ze als het even kan liever voor een paar kleine sneetjes waardoor ze instrumenten en een cameraatje naar binnen schuiven. Dat is vaak aanzienlijk minder ingrijpend voor de patiënt, maar de chirurg moet met instrumenten op rigide stangen via de toegangspunten ’hengelen‘ naar het weefsel. Bewegingen worden hierin gespiegeld en verkleind terwijl de visualisatie via een beeldscherm loopt. Het vereist veel oefening om dit goed onder de knie te krijgen.

Da Vinci is bedoeld om hier een handje bij te helpen. Het bestaat uit drie of vier robotarmen met instrumenten en een camera, en een console met 3D-beeldscherm en twee controllers. De chirurg neemt plaats achter deze console en bedient van daar de robot. Het systeem vertaalt de bewegingen van de controllers in bewegingen voor de robot, wat de positionering voor de chirurg een stuk makkelijker maakt. Bovendien kunnen bewegingen naar believen worden geschaald en worden eventuele handtrillingen weggefilterd.

 

Het Instituut voor Robotica en Mechatronica nabij München, onderdeel van het Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) heeft de operatierobot de afgelopen jaren ontwikkeld zodat het een platform heeft om onderzoek te kunnen doen. Van commercialisatie is geen sprake.

Helaas voelt de chirurg met Da Vinci niet wat hij vastpakt of waarin hij snijdt. Dit wordt - vooral door techneuten - gezien als een groot gemis. Zo‘n beetje elke zichzelf respecterende TU of onderzoeksinstituut heeft wel een robotochirurgiesysteem op de plank liggen - de een wat serieuzer dan de andere - met krachtterugkoppeling vanuit de instrumenten naar de controllers. Ook het Mirosurge-systeem van DLR richt zich op dit probleem, maar plaatst het in een groter geheel: de interactie tussen het medische personeel en de robot.

Een minder bekend nadeel van Da Vinci is namelijk dat het systeem eigenlijk alleen de chirurg tegemoetkomt, en niet de rest van het personeel in de operatiekamer. Net als bij normale sleutelgatchirurgie worden bij Da Vinci instrumenten via rigide staven bediend. De locatie en bewegingen in de patiënt zijn dus een op een gekoppeld aan de positie en bewegingen van de robotarmen erboven.

Dit mechanische ontwerp legt de prioriteit duidelijk bij de robot. Het ondersteunende personeel bij de patiënt moet zich maar aanpassen aan de aanwezigheid van het apparaat en hieromheen werken. Er zijn gevallen bekend waarin de robot een tik uitdeelt. Vragen als veiligheid, acceptatie en de manier van samenwerken zijn dus nog een dankbaar onderzoeksgebied.

Ademende borstkas

In een fabriekshal is het niet erg dat een robot wat ’vijandig‘ overkomt; de industriële werkers staan doorgaans in een kooi of achter een hekwerk. In de operatiekamer moet de robot zijn werk echter doen te midden van de verpleegkundigen en artsen. Een belangrijke overweging van de robotarmen binnen het Mirosurge-systeem - kortweg de Miro‘s - was daarom de acceptatiefactor. De armen moeten vertrouwd overkomen op het personeel en veilig aanvoelen.

Een groot gemis bij het Da Vinci-systeem van het Californische Intuitive Surgical, dat al jaren de markt beheerst, is dat de chirurg niet voelt wat hij vastpakt of waarin hij snijdt. Het DLR-systeem is daarom uitgerust met krachtterugkoppeling vanuit de instrumenten naar de controllers.

De DLR-onderzoekers kozen er daarom voor de afmetingen en het kinematisch ontwerp te modelleren naar de menselijke arm: elk apparaat is opgebouwd uit een schoudergewricht, een elleboog en een pols. Alleen het polsgewricht is aangepast ten opzichte van de biologische variant en focust meer op rotationele bewegingen, wat belangrijk is voor chirurgische instrumenten. Het resultaat is een robotarm die intuïtieve bewegingen maakt langs in totaal zeven vrijheidsgraden.

Dit brengt direct een aantal voordelen met zich mee. Het ontwerp maakt een keur aan bewegingen en posities in een groot werkgebied bereikbaar. Bij Da Vinci dicteert het mechanische ontwerp de positie van het trocaarpunt, de plek waar de instrumenten het lichaam in gaan en waar de bewegingen netto nul zijn. ’Maar bij Miro kunnen we dat bijna vrij kiezen in het werkgebied van de robot. We definiëren een stilstaand trocaarpunt gewoon in software‘, zegt Deutschmann. Dat maakt het ook gelijk mogelijk om het trocaarpunt dynamisch te laten meebewegen met de patiënt, wat weer mogelijkheden opent voor nieuwe vormen van chirurgie, zoals in een ademende - en dus bewegende - borstkas.

Een ander trucje is dat de arm kan worden geherpositioneerd terwijl het instrument in het lichaam doodstil wordt gehouden. ’We hebben een redundante vrijheidsgraad, waardoor we allerlei extra bewegingen kunnen maken. Een toepassing die we hebben laten zien is dat een verpleegkundige de armen bij de elleboog gewoon opzij duwt om beter bij te patiënt te kunnen komen‘, doet Deutschmann uit de doeken.

Pringle-chipje

Een andere belangrijke ontwerpeis was het gewicht: de Miro‘s wegen slechts zo‘n tien kilogram. Dat komt de veiligheid ten goede en daardoor zijn de robotarmen te plaatsen waar het maar nodig is: aan het plafond, op de patiënttafel of op een karretje.

Die ontwerpeis betekent echter dat zware structuren voor een stijf mechanisch ontwerp geen optie zijn - de dood in de pot wanneer nauwkeurige positionering nodig is. DLR weet de flexibiliteit van de arm echter te compenseren met regelelektronica. ’Dat gaat voornamelijk via sensoren die het koppel meten‘, legt Deutschmann uit. In de gewrichten zijn hiervoor rekstrookjes aangebracht op verschillende aluminium onderdelen. Daarmee wordt de elastische vervorming door de krachten op het gewricht nauwkeurig in beeld gebracht. Daarnaast zijn de gewrichten voorzien van hoeksensoren, in de vorm van simpele potentiometers van een geleidend plastic.

Bij de Miro-arm is het mogelijk om het het trocaarpunt, de plek waar de instrumenten het lichaam in gaan en waar de bewegingen netto nul zijn, dynamisch te laten meebewegen, wat weer mogelijkheden opent voor bijvoorbeeld operaties aan een ademende - en dus bewegende - borstkas.

Uit die metingen zijn samen met de motorsnelheden de krachten op de robot nauwkeurig in beeld te brengen en kan de absolute positie worden beredeneerd. DLR slaat daarmee twee vliegen in één klap: naast compenseren voor de flexibiliteit van de structuur kan de robot ook de minste aanraking detecteren. In een filmpje laat Deutschmann zien hoe de bewegingen van de robot tegengehouden kunnen worden met niet meer dan een Pringle-chipje. Wel zo‘n fijn idee voor het medische personeel om de robot heen.

Maar stoppen bij een aanvaring is pas het begin. Behalve in de ’klassieke‘ aansturing via een console, ziet DLR veel heil in een ’compliante‘ aanpak. Hierbij wordt de robotarm beetgepakt en gestuurd door een menselijke bediener, maar wordt hij tegelijk door de software beperkt zodat alleen vooraf ingegeven veilige zones bereikt kunnen worden - de mens stuurt de robot en de robot stuurt de mens bij. Een voordeel hiervan is dat zo‘n hybride aanpak de acceptatie ten goede komt.

Zo‘n compliante toestand is echter meer dan alleen het overgeven van de controle aan de gebruiker. Elk gewricht moet precies genoeg worden geactueerd om interne wrijving te overwinnen en om de zwaartekracht te compenseren - wanneer de arm wordt losgelaten, blijft die in de lucht hangen.

’Besturing kan ook een combinatie zijn, bijvoorbeeld dat de arm eerst in compliante modus wordt gepositioneerd en vervolgens wordt bestuurd via de chirurgenconsole‘, gaat Deutschmann verder. Dit idee werd al ontwikkeld in de voorloper van de Mirosurge, en het Duitse Brainlab heeft naar aanleiding hiervan twee producten ontwikkeld die dit principe toepassen: een voor het boren van schroefgaten in de ruggengraat en een voor het sturen van instrumenten bij hersenchirurgie, klusjes waarbij de positie en hoek cruciaal zijn. In beide toepassingen plaatst de chirurg het instrument handmatig maar geleid in de juiste positie. Vervolgens houdt de robot de positie vast terwijl de chirurg het instrument bedient.

DLR en zijn partners zijn ondertussen hard op zoek naar andere manieren om een robotische chirurg te bedienen. Controllers in de console bijvoorbeeld voelen wel een beetje aan als echte instrumenten, maar gedragen zich toch anders. Misschien dat een dummy-instrument dat via motion-tracking wordt gevolgd een beter alternatief biedt. En wellicht is het voor de chirurg nuttig om de krachtenvectoren via zijn display op het beeld te projecteren. De antwoorden op deze vragen zullen de robot, als het aan DLR ligt, ooit tot een volwaardige partner in de operatiekamer maken.

AGENDA

Events

Dutch Machine Learning Conference

13 maart

's-Hertogenbosch

High-Tech Systems

11 april

Eindhoven

Trainingen

Metrology and calibration of mechatronic systems

13 februari - 15 februari

Eindhoven

Time management in innovation

14 maart - 4 april

Eindhoven

Techwatch

Techwatch | bv | Novio Tech Campus | Transistorweg 7-H | 6534 AT Nijmegen
T. +31 (0)24 - 350 3532 | info@techwatch.nl

Copyright ©  2019 Mechatronica&Machinebouw - All Rights Reserved

×