T1: Kollisionsvermeidende Konfigurations- und Standortplanung für ein Telemanipulationssystem in der minimal invasiven Chirurgie

Projektleiter: Müller, Wörn
Betreuer: Kenngott, Weede

Fragestellung des Projekts  

Bei der telemanipulatorgestützten minimal invasiven Chirurgie ist neben der Platzierung der Zugänge ein wichtiger Faktor für einen reibungslosen Operationsablauf und ein gutes Operationsergebnis der geeignete Manipulatorstandort sowie die richtigen Konfigurationen der aktiven und passiven Gelenke der Manipulatorarme. Sowohl bei der telemanipulatorgestützten Chirurgie also auch bei der manuellen laparoskopischen Chirurgie ist es hilfreich, wenn zusätzliche Informationen wie z.B. Ziel- und Risikostrukturen dem Chirurgen und Operationsteam zur Verfügung gestellt werden. Fragestellung dieses Projektes ist deshalb zum einen die Ermittlung des optimalen Telemanipulatorstandortes und der optimalen Armkonfigurationen und zum anderen die Visualisierung dieser Daten im Operationssaal mit weiteren Informationen wie z.B. durch Risikokarten.

Ziele, Arbeitsprogramm und Methoden

Ein Ziel des Projektes ist die Entwicklung von Algorithmen, welche den optimalen Telemanipulatorstandort sowie die optimalen initialen Konfigurationen der aktiven und passiven Gelenke der Manipulatorarme bestimmen. Ein weiteres Projektziel ist es, diese Daten (Standort, Armkonfigurationen) dem Operationsteam zusammen mit weiteren Informationen, die auch bei der konventionellen Laparoskopie verwendet werden können, intuitiv zu visualisieren.

Zunächst soll das bisher entwickelte Assistenzsystem für die optimale Trokarplatzierung mit projektorbasierter Augmented Reality (AR) quantitativ klinisch evaluiert werden. Dies soll unter kontrollierten Laborbedingungen am Phantom und in einer Patientenstudie am Beispiel der laparoskopischen Rektumresektion erfolgen. Während dieser klinischen Versuche sollen Schwachpunkte und Verbesserungsmöglichkeiten des Systems aufgedeckt und entsprechende Modifikationen und Anpassungen erarbeitet werden. Die Evaluation soll darüber hinaus genutzt werden, um zusätzliche Daten für die Anforderungsdefinition und die Optimierung des Assistenzsystems im Bereich Zugangs-, Standort- und Konfigurationsplanung zu gewinnen.

Basierend auf den vorhandenen Fähigkeiten zur präoperativen Planung/Optimierung der Trokarpositionen bei konventionellen laparoskopischen Eingriffen sollen Algorithmen entwickelt und untersucht werden, um einen optimalen Standort und eine optimale Konfiguration eines Telemanipulators bei robotergestützten Interventionen zu bestimmen.

Optimierungskriterien sind hierbei insbesondere die Kollisionsfreiheit zwischen den Telemanipulatorarmen und die Bewegungsfreiheit für den Operateur. Wie schon bei der Trokarplanung sollen auch hier der konkrete Operationstyp, die Patientenanatomie sowie die individuelle Präferenzen des Chirurgen, z.B. mit Hilfe einer Wissensbasis, berücksichtigt werden. Neben analytischen Algorithmen sollen auch heuristische Verfahren (z.B. evolutionäre Algorithmen) entwickelt und untersucht werden.

Besonders wichtig ist die Entwicklung intuitiver Verfahren, die eine einfach handhabbare intraoperative Einstellung der optimalen Armkonfigurationen bei einem Robotersystem mit vielen passiven Gelenken (wie dem da Vinci^® Surgical System) ermöglichen. Die in der Planung ermittelte Konfiguration soll dem Operationsteam während der Aufbauphase im Operationssaal beispielsweise mittels projektorbasierter AR unter Verwendung des mittlerweile verfügbaren ‚Application Programming Interfaces’ (API) zum da Vinci^® Surgical System visualisiert werden.

Weiterhin soll untersucht werden, ob und auf welche Weise der Operateur bzw. das Operationsteam durch die Projektion zusätzlicher Informationen auf den Patienten während der Setup-Phase oder während einer Operation selbst unterstützt werden kann. Beispielsweise soll hier neben der Visualisierung einzelner Trokarpositionen die Projektion komplexer Zugangs- bzw. Risikokarten auf den Patienten erfolgen, um dem Operateur unter Einbeziehung der präoperativen Planung die größtmögliche Flexibilität bei der konkreten Wahl der Zugänge zu geben. Bei konventionellen laparoskopischen Eingriffen sollen dem Chirurgen auch während der Operation zusätzliche Informationen (anatomische Strukturen, Risikozonen etc.) auf dem Patienten angezeigt werden. 

Technisches Dissertationsthema

Ziel der technischen Promotionsarbeit ist die Weiterentwicklung des bisherigen Assistenzsystems. Der erste Schwerpunkt soll auf der Entwicklung von Methoden zur Planung und Optimierung sowie zur intraoperativen Visualisierung der Konfiguration und des Standortes eines Telemanipulators bei telemanipulatorgestützten minimal invasiven Eingriffen liegen. Ein zweites Ziel ist die Erweiterung des Assistenzsystems im Hinblick auf eine verstärkte intraoperative Unterstützung des OP-Teams bei laparoskopischen Interventionen durch zusätzliche Einblendungen direkt auf den Patienten.

Medizinisches Dissertationsthema

Ein erstes Ziel für eine medizinische Promotion ist die klinische Evaluation des bisher entwickelten Assistenzsystems für die laproskopische Rektumresektion. Diese soll sowohl unter kontrollierbaren Laborbedingungen am Phantom als auch im Rahmen einer Patientenstudie erfolgen. Ein weiteres Thema ist die Mitkonzipierung sowie Evaluation des in der technischen Dissertation weiterentwickelten Systems der Zugangs- und Standortplanung für zukünftige telemanipulatorgestützte minimal invasive Eingriffe, ebenfalls am Beispiel der Rektumresektion, aber auch des Mediastinums (Ösophaguseingriffe, Hiatushernienreparationen). 

Verknüpfungen von T1 mit anderen Projekten des GRK     

• Projekte M1, M2 und N3: Gemeinsame Nutzung des da Vinci^® Surgical Systems, Verwendung gemeinsamer Softwaremodule aus dem Medical Imaging Interaction Toolkit (MITK), Zusammenarbeit bei der Nutzung von Augmented Reality - und anderen Visualisierungsmöglichkeiten
• Projekt T2: Einbeziehung von Organbewegungsmodellen in die präoperative Planung
• Projekt M1: Gemeinsame Verwendung von Softwarekomponenten zur intraoperativen Registrierung  

In Bearbeitung