< Terug naar vorige pagina

Project

Haptische terugkoppeling voor zachte weefsel robotchirurgie: van palpatietraining tot haptische augmentatie

Robotgestuurde minimaal invasieve chirurgie (RMIC) is een onderzoeksveld in volle ontwikkeling. De voordelen van robotchirurgie worden steeds duidelijker. Dit leidt tot een toegenomen interesse bij zowel academici als in het bedrijfsleven. Er zijn echter enkele belangrijke obstakels. Naast een hoge kostprijs, vormt de lange leercurve een belangrijke belemmering. RMIC verwijdert de chirurg van de patiënt. Interactie gebeurt uitsluitend via de robot. Daardoor is de chirurg zich minder bewust van wat er aan de patiëntzijde gaande is. Kritieke situaties kunnen zo onopgemerkt blijven. Om dit te voorkomen worden robots steeds vaker uitgerust met allerlei sensoren die het inwendige van de patiënt opmeten. Het blijft echter een uitdaging om deze informatie voor te stellen zodat die door de chirurg makkelijk kan geïnterpreteerd worden. Een eerste aanpak bestaat erin de verkregen informatie te coderen en visueel aan te bieden. De chirurg moet evenwel al heel veel visuele informatie verwerken tijdens conventionele chirurgie. Toevoegen van nog meer visuele cues kan dus leiden tot een mentale overbelasting. In tegenstelling blijft de tastzin of haptische waarneming ongebruikt. Terwijl clinici traditioneel zich in hoge mate op tast baseren is - omwille van de ontkoppeling van chirurg en patiënt - deze informatie niet meer beschikbaar in traditionele RMIC niet meer beschikbaar. Het haptische sensomotorisch systeem is natuurlijk. Reacties op haptische stimuli zijn ook veel sneller dan op visuele stimuli. Als antwoord ontwikkelt dit proefschrift innovatieve haptische technologie om RMIC te verbeteren, het bewustzijn van de chirurg tijdens de interventie te verbeteren, maar ook om de opleiding en training zelf te verbeteren.

Een nieuwe "encountered-type"  haptische display wordt voorgesteld en toegepast voor palpatie-training. Chirurgen vertrouwen op palpatie om afwijkingen in organen te detecteren en gezond van ziek weefsel te onderscheiden. Conventionele dwingen de gebruiker om pen-gebaseerde interfaces te gebruiken, maar dit is alles behalve natuurlijk. De encountered-type display laat de hand vrij bewegen tijdens het palperen. Twee prototypes werden ontwikkeld en drie rendering manieren werden ontwikkeld en gevalideerd.

Haptische feedback werd geïmplementeerd in een nieuw bimanueel chirurgisch tele-operatie platform. Het ESE-model dat endometriose-chirurgie, een uitdagende gynaecologische interventie, simuleert werd ontwikkeld. Het voordeel van force feedback voor RMIC tijdens complexe chirurgische ingrepen werd aangetoond door gebruikersexperimenten op het ESE-model. De experimenten toonden een duidelijke daling van interactiekrachten net door de kracht-terugkoppeling en een verbeterd bewustzijn. Voor zover de auteur zich hiervan bewust is, vormen dit tot op heden het meest geavanceerde experimenten die de rol van haptische feedback in RMIC aantonen.

Ten slotte werd haptische augmentatie onderzocht. Naast pure terugkoppeling van interactiekrachten kan het haptische kanaal ook gebruikt worden om verschillende sensorische informatie over te brengen, krachtterugkoppeling kan gebruikt worden om onderdelen van chirurgische procedures te vereenvoudigen of zelfs te automatiseren. Twee toepassingen, namelijk haptische fixatie en krachtfixatie werden ontwikkeld. Haptic guidance wordt in een cardiovasculaire toepassing gebruikt om de chirurg te begeleiden bij het aansturen van een gerobotiseerde katheter langsheen de aortaboog. Volgens het principe van gedeelde controle bepalen de chirurg en het robotisch system tezamen het verloop van de katheter. De chirurg heeft het laatste woord  maar hoeft zich niet al te veel zorgen te maken over de laag-niveau sturing. Een tweede toepassing is automatische weefsel manipulatie. Dit kan helpen tijdens o.a. gynaecologische operaties waar de chirurg ziek weefsel moet verwijderen via laserablatie. De robot neemt  opspannen van weefsel op zich, de chirurg kan zich concentreren op de ablatie. De chirurg kan het systeem de vereiste intensiteit aanleren. De krachtterugkoppeling stelt de chirurg in staat om precies het gewenste krachtniveau in te stellen. Gebruikersexperimenten tonen een verbeterde precisie na gebruik van deze functionaliteit.

Het haptische sensomotorische systeem is een geavanceerd gedistribueerd perceptueel systeem, het resultaat van een lang evolutionair proces. Hoewel dit systeem verbetert en al zeer volwassen is, zijn de methodes om hiermee om te gaan nog steeds in volle ontwikkeling. RMIC is een bijzonder interessant gebied dat, zoals aangetoond in dit werk, voordeel kan halen uit dergelijke interactieve technologie. Dit proefschrift presenteert bijdragen in hardware, software en controle, evenals experimentele validatie. Het brengt als dusdanig haptische interactieve technologie voor RMIC naar een hoger niveau.

Datum:9 jan 2012 →  12 jun 2019
Trefwoorden:Haptic feedback, Robotic assisted surgery, Robotic minimally invasive surgery
Disciplines:Controlesystemen, robotica en automatisatie, Ontwerptheorieën en -methoden, Mechatronica en robotica, Computertheorie
Project type:PhD project