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  • Parallelkinematische Mechanismen

    zum intrakorporalen Einsatz

    in der laparoskopischen Chirurgie

    Vom Fachbereich 18Elektrotechnik und Informationstechnikder Technischen Universitt Darmstadt

    zur Erlangung des akademischen Grades einesDoktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)

    genehmigte

    Dissertation

    von

    Dipl.-Ing. Andreas Rse

    geboren am 24. Mrz 1976in Diez / Lahn

    Referent: Prof. Dr.-Ing. H. F. SchlaakKorreferent: Prof. Dr.-Ing. K. Radermacher

    Tag der Einreichung: 30.06.2010Tag der mndlichen Prfung: 19.01.2011

    D 17Darmstadt 2011

  • Zusammenfassung

    Die laparoskopische Chirurgie, die minimalinvasive Chirurgie im Bauchraum, wurde im We-sentlichen in den 1980er Jahren entwickelt und ist heute die bliche Methode fr viele chir-urgische Eingriffe (z.B. Blinddarmentfernung und Gallenblasenentfernung) geworden. Dieeingesetzten Instrumente verfgen ber nur wenige Bewegungsfreiheitsgrade, weshalb dieZugangswege zu der Operationsumgebung przise gewhlt werden mssen und einige Ein-griffe erhhten Schwierigkeiten unterliegen. Instrumente mit erweiterter Beweglichkeit in-nerhalb des Krpers werden von Chirurgen immer wieder gefordert. Einige, jedoch rein me-chanische Instrumente werden kommerziell angeboten. Elektrisch angetriebene Instrumentesind immer noch Gegenstand der aktuellen Forschung.

    Parallelkinematische Mechanismen sind vor allem im Werkzeugmaschinenbau und in derHandhabungstechnik bekannt. Die Mglichkeit, alle zur Bewegung der Werkzeugplattformnotwendigen Antriebe gestellfest anzuordnen, prdestiniert sie fr den Einsatz in der La-paroskopie. Innerhalb des Krpers, wo Bewegungen zur Positionierung der chirurgischenWerkzeuge umgesetzt werden, sind keine Antriebe notwendig, sodass die intrakorporal ein-gesetzten Mechanismen lediglich als passive Stab-Gelenk-Getriebe ausgefhrt werden kn-nen.

    Die vorliegende Arbeit beschftigt sich mit der Entwurfsmethodik und dem Aufbau vonparallelkinematischen Mechanismen zum Einsatz als Positioniersysteme fr Instrumente inder laparoskopischen Chirurgie. Die kinematischen Beziehungen zwischen Antrieben undInstrumentenspitze werden aufgrund der Komplexitt der Mechanismen numerisch berech-net. Daher eignen sich die vorgestellten parallelkinematischen Manipulatoren auch fr denEinsatz in computergesttzten Eingriffen. Die numerische Berechnung ist in Echtzeit wh-rend der Bedienung mglich und kann einfach auf eine groe Klasse von parallelkinemati-schen Mechanismen bertragen werden. Auf einem 2-Kern-Prozessor mit einem Takt von2 GHz bentigt die Berechnung einer Mechanismus-Stellung ca. 2,3 ms.

    Eine Analyse mittels Starrkrpersimulationen und Finite-Elemente-Simulationen verdeut-licht zuverlssige Methoden zur Charakterisierung von parallelkinematischen Mechanismenund bildet die Basis zur ihrer Umsetzung als kostengnstige Einmalartikel in Kunststoff-Spritzguss-Technologie. Die Simulationen zeigen hohe Krfte von bis zu 28 N innerhalb der

  • Gelenke. Eine monolithische Umsetzung in Kunststoff hlt in zwei Raumrichtungen Krftenvon 5 N auf den Tool-Centre-Point stand, jedoch zeigen die Untersuchungen in einer Raum-richtung deutliche Verformungen bereits bei einer Belastung des Tool-Centre-Point mit einerKraft von 1 N. Kinematische Optimierungen und eine vernderte Auslegung von Festkrper-gelenken knnen hier Verbesserungen bringen.

    Mit den erforschten Mechanismen wurde ein laparoskopisches Instrument entworfen undaufgebaut. Das Instrument enthlt gegenber einem klassischen laparoskopischen Instrumentvier zustzliche, im Krper liegende Freiheitsgrade. Um die Arbeitsrichtung der Instrumen-tenspitze zu verndern, sind drei Freiheitsgrade rotatorisch ausgefhrt. Ein Freiheitsgrad istlinear ausgefhrt, was zu einem 3-dimensional ausgeprgten Arbeitsraum mit einer Gr-e von ca. 14 cm3 fhrt. Die Instrumentenspitze wird durch vier piezoelektrische Antrie-be bewegt, die im Instrumentenschaft auerhalb des Krpers angeordnet sind. Das Instru-ment wurde innerhalb eines Tierversuchs von schwerpunktmig laparoskopisch arbeitendenChirurgen getestet. Die Ergebnisse des Versuchs fhren zum Vorschlag einer zuknftigenAusprgung des Instruments als kleine Operationsplattform mit mehreren parallelkinemati-schen Manipulationsarmen.

    IV

  • Abstract

    Laparoscopic surgery (minimally invasive surgery in the abdominal cavity) was mainly de-veloped in the 1980s. Today it is the standard procedure for many surgical interventions likeappendectomy and cholecystectomy. Laparoscopic instruments contain only a few degreesof freedom (dof) for the intervention. Thus the operation path has to be planned carefullybefore the intervention and the interventions are more difficult compared to open surgicalprocedures. Instruments with more degrees of freedom are constantly requested by laparos-copic surgeons. Some purely mechanical actuated instruments with an extended number ofdof are commercially available while electrically actuated instruments are mainly in the stateof research.

    Parallel kinematic mechanisms are mainly used in machine tools and in handling robots.The possibility of fixing all actuators to a base makes parallel kinematic mechanisms interes-ting for laparoscopic instruments with multiple degrees of freedom. All the actuators can beplaced outside the body while the motion is transferred inside the body by a single, passiveworking link and joint mechanism.

    This dissertation focuses on the design methodology and the construction of parallel kine-matic mechanisms as positioning systems for laparoscopic instruments. Due to its comple-xity, the inverse kinematic problem to control the position of the presented mechanisms issolved numerically. This calculation is done in real time and can be easily adapted to manydifferent mechanisms. The calculation takes about 2.3 ms on a 2 GHz dual core processor.

    A rigid body analysis and a finite element analysis illustrate methods for characterisationof parallel kinematic mechanisms and points out the possibility of manufacturing the mecha-nisms as single-use (disposable) part by plastic injection moulding. The simulation showedthat high forces of up to 28 N inside the joints were experienced. A monolithic implemen-tation in plastic withstood forces of 5 N on the tool-centre-point in two directions. Howeverin the other direction large deformations were experienced at a force of 1 N. A kinematicoptimisation and a different design of monolithic joints can improve this result.

    A laparoscopic instrument with a parallel kinematic mechanism at its tip has been develo-ped and constructed. The instrument extends the motion of a classic laparoscopic instrumentby four intracorporeal degrees of freedom. In order to change the working direction of the

  • surgical instrument, three of the additional dof are rotational. One is a linear dof that leadsto a 3-dimensional workspace of 14 cm3. The instrument tip is actuated by four piezoelectricactuators situated in the instrument shaft outside the body. The instrument has been testedby laparoscopically working surgeons in an animal experiment on a pig. These successfulresults suggest that a small operation platform with several parallel kinematic manipulatorsshould be developed in future.

    VI

  • Vorwort

    Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen meiner Ttigkeit als Wissenschaftlicher Mit-arbeiter am Institut fr Elektromechanische Konstruktionen an der Technischen Universi-tt Darmstadt. Groe Teile wurden whrend des BMBF-Frderprojektes FUSION (FUtureEnvironment for Gentle Liver Surgery Using Image-Guided Planning and Intra-OperativeNavigation) erarbeitet. Die medizinische Robotik bzw. elektrisch angetriebene telemanipu-latorische Systeme knnen in Zukunft mageblich von den heutigen Bestrebungen in Rich-tung der Umsetzung von Freiheitsgraden innerhalb des Krpers profitieren. Diese Arbeit solleinen Beitrag zur Entwicklung von Instrumenten mit mehreren intrakorporalen Freiheits-graden bieten. Sie wre jedoch ohne die Untersttzung von Freunden und Kollegen nichtentstanden.

    Mein Dank gilt besonders meinem Doktorvater Prof. Dr-Ing. H. F. Schlaak fr die Betreu-ung sowie die Untersttzung bei meiner Arbeit. Insbesondere danke ich ihm fr die Freihei-ten, die ich im Rahmen meiner Ttigkeit nutzen durfte. Sein hohes Verantwortungsbewusst-sein gegenber Mitarbeitern hat den Abschluss der Arbeit ber die Projektlaufzeit hinauserst ermglicht.

    Weiterhin danke ich Prof. Dr.-Ing. K. Radermacher fr die wertvollen Fachgesprche bermedizinische Robotik auf medizintechnischen Konferenzen und schlielich fr die bernah-me des Korreferats meiner Arbeit.

    Meine Kollegen hatten jederzeit ein offenes Ohr und haben sich immer Zeit genommen,um meine Ideen zu diskutieren und auf ihre Richtigkeit zu prfen, auch wenn es in Einzel-fllen einige Stunden in Anspruch nehmen sollte. - Ihr seid ein starkes Team. Bitte bewahrtEuch diese Zusammenarbeit.

    Ganz besonders danke ich meiner Familie, die mir durch Ihre stndige Untersttzung einegute Basis fr mein berufliches Fortkommen geschaffen hat.

    Zu guter Letzt und vor allem mchte ich mich bei meiner Frau Verena bedanken, die michin den vergangenen Jahren bei Schwierigkeiten ermuntert, aber auch meine Freude berErfolge geteilt hat und der ich diese Arbeit daher widme.

    Frankfurt, im Februar 2011Andreas Rse

  • Inhaltsverzeichnis

    Symbolverzeichnis XIII

    Glossar XIX

    1. Einleitung 1

    1.1. Grundlagen zur Laparoskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

    1.1.1. Begriffsdefinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

    1.1.2. Entwicklung der Laparoskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

    1.1.3. Operationswerkzeuge und deren Anwendung . . . . . . . . . . . . 3

    1.2. Das BMBF-Projekt INKOMAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    1.3. Forschungsinh