Capacitive Spatial Exteroception in Minimally Invasive Continuum Robots

Minimalinvasive Eingriffe tragen wesentlich zur Verringerung des perioperativen Traumas in moderner Therapie und Diagnostik bei. Eine solche Intervention reduziert Verletzung von gesundem Gewebe und ermöglicht dem Patienten eine schnellere Genesung. Trotz ihrer Vorteile für den Patienten, sind Ärzte mit den Nachteilen solcher Eingriffe konfrontiert: Die direkte Sicht auf den Situs ist nicht mehr gegeben, und die Manipulation von Gewebe ist erschwert, da der Zugang zum Situs und die Beweglichkeit der verwendeten Werkzeuge begrenzt sind. Die robotergestützte Chirurgie bietet die Möglichkeit, diesen Nachteilen entgegenzuwirken, indem sie aktuierte Instrumente zur Verfügung stellt, welche die Möglichkeit des Chirurgen, Gewebe im Körper des Patienten zu manipulieren, wiederherstellen und erweitern können. ... mehrRobotersysteme konnten bereits in Bereichen der Chirurgie etabliert werden, in denen der Situs über einen linearen Zugang erreicht werden kann. Für komplexere Eingriffe, tiefer im Körper sind lineare Zugänge jedoch oft nicht realisierbar. Daher untersucht die Forschung den Einsatz von Kontinuumsrobotern für minimalinvasive Eingriffe. Kontinuumsroboter ermöglichen einen nichtlinearen Zugang und eine hohe Bewegungsfreiheit am distalen Ende des Instruments oder Roboters. Reine Telemanipulation solcher hochgradig aktuierten Systeme, würde Chirurgen jedoch vor die zusätzliche Herausforderung der komplexen Steuerung stellen und die benötigte Lernkurve noch weiter erhöhen. Daher ist die Automatisierung solcher robotergestützten Systeme erforderlich und Schwerpunkt von Forschung.

Für die Automatisierung minimalinvasiver robotergestützter Systeme sind räumliche Informationen essentiell. Nur solche Informationen ermöglichen es einem Roboter, mit der minimal-invasiven Umgebung, in der er sich befindet, zu interagieren oder ihr auszuweichen. Daher benötigen robotergestützte Systeme passende Sensormodalitäten, die eine sichere Bewegung möglich machen. Diese Arbeit untersucht den Einsatz von kapazitiver Sensorik zur in situ Erfassung von räumlichen Informationen in Kontinuumrobotern und die Nutzung solcher Informationen zur weiteren Automatisierung diagnostischer und therapeutischer Eingriffe. Dabei zielt die Arbeit darauf ab, die Frage zu beantworten, wie kapazitive, räumliche Sensorik in einem geregelten System für die Automatisierung in minimalinvasiven Eingriffen genutzt werden kann.

Um diese Frage zu untersuchen, wird ein neuartiges robotisches System entwickelt, das die Anforderungen für eine Anwendung in der Endoskopie, als Beispiel für einen minimalinvasiven Kontext, erfüllt. Als zweiter wissenschaftlicher Beitrag wird eine Methode zur Anwendung kapazitiver Sensorik in einem minimalinvasiven Eingriff untersucht. Der resultierende Sensor ist in der Lage, Lokalisierungsinformationen abzuleiten und sie einem Chirurgen oder einem automatisierten System bereitzustellen. Als dritte Methode werden der Sensor und das robotische System in einem gemeinsamen Aufbau kombiniert und eine Methode zur Näherungs-Regelung vorgestellt. Das so geregelte, endoskopische System wird bezüglich seiner Fähigkeit evaluiert, sich in einem Hohlorgan zu zentrieren. Eine solche Fähigkeit könnte angewendet werden, um den Sichtbereich eines robotischen Endoskops zu optimieren und das Risiko für die Verletzung empfindlicher Gewebe durch Kontakt zu reduzieren.

Der in dieser Arbeit präsentierte Kontinuumsroboter weist einen kleinen Footprint auf und minimiert die Anzahl der Motoren durch eine neuartige antagonistische Aktuierung. In einer Evaluierung der Positioniergenauigkeit zeigte er einen maximalen Fehler von 1,7 % seiner Länge. Der entwickelte Sensor konnte Zentrierungsinformationen mit einer durchschnittlichen Genauigkeit von bis zu 7,2±3,2% des Radius der Umgebung liefern. In den Roboter integriert, konnte das geregelte System in einer dynamischen Evaluierung einen durchschnittlichen Fehler von 9,62±0,38 mm nachweisen und den Kontakt mit der Umgebung während bis zu 98% der Versuchsdauer verhindern.

Die vorgestellten Methoden bieten weiterhin Herausforderungen zur Verbesserung ihrer Genauigkeit. Daher sollte zukünftige Forschung die Optimierung des Hardwareaufbaus und die Kalibrierung des Roboters und des Sensors untersuchen. Für einen Transfer in die Klinik und zu in vivo Studien muss das Verhalten des Sensors in Anwesenheit von Feuchtigkeit weiter untersucht werden. Mit der Adressierung solcher Herausforderungen können die drei präsentierten Beiträge: Der Kontinuumsroboter, der kapazitive Näherungssensor und der Algorithmus zur Näherungsregelung in der minimalinvasiven Chirurgie angewendet werden und einen minimalinvasiven Eingriff durch Automatisierung unterstützen. Die resultierenden Fähigkeiten können die Arbeit von Ärzten erleichtern und das Outcome für den Patienten verbessern.

Minimally invasive interventions contribute essentially to the reduction of perioperative trauma in modern therapy and diagnostics. Such an intervention reduces the injury afflicted to healthy tissue and allows the patient a faster recovery. Despite their benefits for the patient, clinicians are challenged with the drawbacks entailed in such interventions: Direct line of sight is not available anymore, and manipulation of tissue is impeded as the access to the situs and the dexterity of the utilized tools is restricted. Robotic surgery offers the possibility to counteract these drawbacks by providing actuated instruments with the ability to restore and extend the surgeon's capability to manipulate tissue inside the body of the patient. ... mehrRobotic systems could already be established in fields of surgery, in which the situs can be accessed on linear trajectories. For more complex interventions deeper in the body, linear trajectories can be impractical. Therefore, research investigates the application of continuum robots for minimally invasive procedures. Continuum robots allow for non-linear access and high dexterity at the distal part of the instrument or robot. Pure telemanipulation of such highly actuated systems would confront surgeons with yet another challenge of complex steering and further increase the required learning curve. Therefore, automation of such robotic systems is required and in the focus of research.

For the automation of minimally invasive robotic systems, spatial information is crucial. Only such information allows a robot to interact with or avoid the minimally invasive environment it is enclosed in. Thus, robotic systems require suitable sensing modalities which enable them to be controlled safely. This thesis investigates the application of capacitive sensing for the in situ acquisition of spatial information in continuum robots and the utilization of such information to leverage the automation of diagnostic and therapeutic interventions. Thereby, the thesis aims to answer the question of how capacitive spatial sensing can be utilized in a closed-loop controlled system for automation in minimally invasive interventions.

To investigate this question, a novel robotic system is developed that meets the requirements for an application in endoscopy as an example of a minimally invasive context. As a second contribution, a method to apply capacitive sensing in a minimally invasive intervention is investigated. The resulting sensor is capable of deriving localization information and providing it to a surgeon or an automated system. As a third method, the sensor and the robotic system are combined in a joint setup and a method for proximity control is presented. Such an endoscopic controlled system is evaluated for its capability to center itself in a hollow organ. Such a capability could be applied to provide a robotic endoscope with an optimized view and to reduce the risk of injuring sensible tissue.

The continuum robot presented in this work provides a small footprint and minimizes the number of motors through a novel antagonistic actuation. In a position accuracy evaluation, it demonstrated a maximum error of 1.8% of its length. The developed sensor could provide centering information with an average accuracy of up to 7.2±3.2% of the environment's radius. Integrated into the robot, the closed-loop controlled system could demonstrate an average error of 9.62±0.38mm in a dynamic evaluation and prohibited contact with the environment up to 98% of the experiment time.

The presented methods still offer challenges in improving their accuracy. Therefore future investigations should research the optimization of the hardware setup and the calibration of the robot and the sensor. For a transfer to the clinic and in vivo studies, the behavior of the sensor in the presence of humidity must be further investigated. With such challenges addressed, these three presented contributions: The continuum robotic system, the capacitive proximity sensor, and the proximity control algorithm can be applied in minimally invasive surgery and support a minimally invasive intervention through automation. The resulting capabilities could improve the work of clinicians and benefit patient outcome.