Institut für
Robotik und Prozessinformatik

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Roboterunterstützte Endoskopführung im Nasenraum

Medizinische Fragestellung

Chirurgische Eingriffe im Nasenraum - etwa zur Entfernung von Polypen - werden heute überwiegend minimalinvasiv durch die Nasenöffnung mit Hilfe eines Endoskops durchgeführt. Der Chirurg bedient dabei mit einer Hand das Operationsinstrument, mit dem er z.B. Gewebe abschneiden und entfernen kann. Die andere Hand dient der Führung des Endoskops, durch das er den Operationsbereich auf einem Monitor einsehen kann.
Entfernt der Chirurg Gewebe, kommt es in der Regel zu Blutungen. Mit einem Sauger muss dann das Blut entfernt werden. Der Chirurg muss also häufig zwischen Sauger und Instrument wechseln, wodurch die Operationszeit erhöht und der Eingriff für den Chirurgen umständlich und unergonomisch wird. Wünschenswert wäre es, wenn der Chirurg gleichzeitig Instrument und Sauger bzw. zwei Instrumente bedienen könnte. Der Einsatz eines menschlichen Assistenten, der z.B. das Endoskop führt scheitert allerdings in der Regel auch in erfahrenen Teams an Platz und Kommunikationsproblemen.

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Roboter übernimmt Führung des Endoskops

Projektbeschreibung

Im Rahmen eines Kooperationsprojektes mit der Klinik und Poliklinik für Hals-Nasen-Ohrenheilkunde/Chirurgie(External) der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn werden Methoden der automatischen Endoskopführung durch einen Roboter bei endonasalen Operationen erforscht. Das Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung einer intelligenten Endoskopführung, die folgenden Anforderungen gerecht werden soll:
  • Die Spitze des durch den Chirurgen geführten Instrumentes befindet sich immer im Sichtfeld des Endoskops.
  • Das Endoskop wird dabei so platziert, dass dem Chirurgen möglichst viel Freiraum für die Bewegung des Instrumentes verbleibt.
  • Für die Gesundheit und das Leben des Patienten gefährliche Strukturen - wie die knöchernen Grenzen zum Gehirn oder zum Auge - sollen vom Endoskop gemieden werden.

Methoden

  • Auf Basis statistischer Analysen der Korrelationen zwischen den Bewegungen des Instrumentes und denen des Endoskops soll eine Wissensbasis für die automatische Bewegungsplanung des Roboters erstellt werden. Dazu werden die Bewegungen von Instrument und Endoskop bei konventionellen Operationen mit Hilfe eines Trackingsystems aufgezeichnet und anschließend ausgewertet.
  • Anhand präoperativ erhobener CT- bzw. MRT-Aufnahmen wird der Arbeitsbereich des Endoskops bestimmt. In diesen Volumendaten wird die äußere Grenze des Arbeitsbereiches (die knöchernen Strukturen der Begrenzungen zum Auge und zum Gehirn) segmentiert und daraus der Konfigurationsraum für das Endoskop berechnet.
  • Die Nachführung des Endoskops erfolgt durch die Auswertung des Endoskopbildes bzw. durch den Einsatz eines Trackingsystems.
  • Taktile Informationen bei Kontakt des Endoskops mit der Umgebung dienen dem Schutz des Patienten und der Anpassung des Arbeitsraums, der sich über den zeitlichen Verlauf der OP verändern kann, da interne Strukturen der Nase (Siebbein) ausgeräumt und entfernt werden.

Videos



"Demonstration of our endoscope guidance robot with automated instrument tracking and following"
Video download: fess-robot-op_short.avi (AVI/MS MPEG4, 33.5MB)


"Demonstration of a Prototype for Robot Assisted Endoscopic Sinus Surgery"
Published in: Video proceedings of ICRA2010
Video download: icra2010_prototype.wmv (Windows Media, 92.7MB)


Tracking of instruments in endoscopic images
Video download: instrument_tracking.wmv (Windows Media, 17.1MB)

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