Systeme

MICA - Aktive Instrumente für die minimal invasive Chirurgie



DLR MICA einzeln (links) und am MIRO Roboterarm montiert (rechts)

Die DLR MICA ist die zweite Generation der vielseitig einsetzbaren Instrumente für die minimal invasive Chirurgie, welche am Institut für Robotik und Mechatronik entwickelt wurde. Für minimal invasive Eingriffe werden diese Instrumente an den MIRO Arm angekoppelt. Die MICA ist ein Roboter mit drei Freiheitsgraden (DoF), der - für das MiroSurge Szenario - mit dem 7 DoF Roboter MIRO verbunden wird. Somit erweitert MICA den Telemanipulator um die Gelenke 8, 9 und 10. Eine MICA besteht aus einer Antriebseinheit, einem Instrumenteninterface und dem aufgabenspezifischen Instrument mit Schaft und Endeffektor.

Die MICA Antriebseinheit kann mit verschiedenen Instrumenten für unterschiedliche chirurgische Applikationen kombiniert werden. Die einzelnen Instrumente unterscheiden sich hinsichtlich der Anzahl der Freiheitsgrade, der Funktionalität des Endeffektors und ihrer Bewegungsbereiche. Der Antrieb eines Instruments erfolgt durch drei Linearbewegungen, welche über das Instrumenteninterface von der Antriebseinheit zum Instrument übertragen werden. Das Instrumenteninterface ermöglicht sowohl eine für das Instrument angemessene Skalierung der Antriebskräfte als auch eine standardisierte Digitalkommunikation mit den im Instrument integrierten Sensoren, wie z.B. dem DLR Kraft-/Momentensensor. In der gegenwärtigen Konfiguration umfasst das Instrument ein Handgelenk mit zwei Freiheitsgraden, einen Endeffektor (z.B. Zange, Schere, Nadelhalter) und einen 7 DoF Kraft-/Momentensensor, wodurch eine feinfühlige Manipulation und haptisches Feedback aus dem Operationsgebiet möglich sind.

Instrumenteninterface der DLR MICA
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Instrument der DLR MICA

Der beim MIRO verfolgte Ansatz eines vielseitig einsetzbaren Designs sowie die Konformität mit dem MiroSurge Setup stellen verschiedene Anforderungen an das Instrumentendesign:

  • Klare Trennung zwischen der robotischen Plattform und dem Instrument: Der MIRO Roboter stellt für alle Arten von Instrumenten dasselbe mechatronische Interface bereit, welches eine mechanische Befestigung, eine Stromversorgung und eine Schnittstelle für schnelle Digitalkommunikation enthält. Weiterhin müssen während eines chirurgischen Eingriffs schnelle Instrumentenwechsel möglich sein. Dies erfordert, dass die MICA Antriebseinheit alle benötigten Motoren, Leistungselektroniken, Kommunikationselektroniken, die Motorregelung sowie die Elektroniken zur Verarbeitung der Sensorsignale enthält.
  • Leichtbau: Gewichtseinsparungen am Instrument wirken sich positiv auf die dynamischen Leistungsdaten des Roboterarms aus und erlauben das Ausüben höherer Manipulationskräfte.
  • Geringe Größe der Antriebseinheit, insbesondere ein geringer Durchmesser: Mehrere Roboterarme werden dicht nebeneinander am OP-Tisch arbeiten. Eine gegenseitige Behinderung oder Kollision der Instrumente muss dabei vermieden werden.

Spezifikationen

Parameter Wert Kommentar
Anzahl Gelenke (bei einem Greifer) 3 2 (Handgelenk) + 1 (Funktionales Ende)
Gewicht 850 g Antriebseinheit, Instrumenteninterface und Instrument
Größe der Antriebseinheit 220 x 60 mm (L x D) Antriebseinheit mit Instrumenteninterface
Instrumentendurchmesser 10 mm  
Reglertakt 3 kHz kartesisch 100 kHz gelenkinterne Drehmomentregelung
Bewegungsbereich der Gelenke +/- 40° Handgelenksfreiheitsgrad
Gelenkdynamik 7.5 Hz  
Kraft-/Momentensensor 6+1 DoF Manipulations- und Greifkräfte an der Instrumentenspitze
Kraftmessbereich/Auflösung 10 N / 0.015 N  
Momentenmessbereich/Auflösung 150 Nmm / 6 Nmm  

 

Veröffentlichungen

S. Thielmann, U. Seibold, R. Haslinger, G. Passig, T. Bahls, S. Jörg, M. Nickl, A. Nothhelfer, U. Hagn and G. Hirzinger, "MICA - A new generation of versatile instruments in robotic surgery" in Proc. of the 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Taipei, Taiwan, October 2010.elib

U. Seibold, B. Kübler, S. Thielmann, and G. Hirzinger, "Endoscopic 3 DoF-Instrument with 7 DoF Force/Torque Feedback", workshop contribution presented at ICRA 2009, Kobe, Japan, May 2009.elib

U. Hagn, T. Ortmaier, R. Konietschke, B. Kübler, U. Seibold, A. Tobergte, M. Nickl, S. Jörg, and G. Hirzinger, "Telemanipulator for remote minimally invasive surgery", IEEE Robotics & Automation Magazine, vol. 15, no. 4, pp. 28–38, December 2008. elib

U. Seibold, B. Kübler, and G. Hirzinger, "Prototypic force feedback instrument for minimally invasive robotic surgery", in Medical Robotics, Vienna, Austria, I-Tech Education and Publishing, 2008, pp. pages 377–400. ISBN-13: 978-3-902613-18-9 elib

B. Kübler, G. Passig, U. Seibold, and G. Hirzinger, "Prototypic setup of a surgical forced feedback instrument for minimally invasive robotic surgery", in Extended abstract and lecture, CURAC 2006, Hannover, Germany, October 2006. elib

B. Kübler, U. Seibold, and G. Hirzinger, "Development of actuated and sensor integrated forceps for minimally invasive robotic surgery", The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery, vol. 1, no. 3, pp. 96–107, April 2005. doi: 10.1002/rcs.33 elib

U. Seibold, B. Kübler, and G. Hirzinger, "Prototype of instrument for minimally invasive surgery with 6-axis force sensing capability" in Proc. of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Barcelona, Spain, April 2005, pp. 498–503. elib

B. Kübler, U. Seibold, and G. Hirzinger, "Development of actuated and sensor integrated forceps for minimally invasive robotic surgery", 3. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Computer- und Roboterassistierte Chirurgie (CURAC), Munich, Germany, October 2004. elib

U. Seibold, B. Kübler, H. Weiss, T. Ortmaier, and G. Hirzinger, "Sensorized and actuated instruments for minimally invasive robotic surgery", in Proc. of EuroHaptics 2004, Munich, Germany, June 2004, pp. 482–485. elib

U. Seibold, and G. Hirzinger, "A 6-axis Force/torque Sensor Design for Haptic Feedback in Minimally Invasive Robotic Surgery", in Proc. of the 2nd VDE World Microtechnologies Congress, Munich, Germany, October 2003.


Kontakt
Ulrich Seibold
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Robotik und Mechatronik
, Robotersysteme
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Fax: +49 8153 28-1134

E-Mail: Ulrich.Seibold@dlr.de
Sophie Lantermann
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Robotik und Mechatronik
, Mechatronische Komponenten und Systeme
Tel: +49 8153 28-2122

Fax: +49 8153 28-1134

E-Mail: Sophie.Lantermann@dlr.de
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