The application of laser technologies in surgical interventions has been accepted in the clinicaldomain due to their atraumatic properties. In addition to manual application of fibre-guidedlasers with tissue contact, non-contact transoral laser microsurgery (TLM) of laryngeal tumourshas been prevailed in ENT surgery. However, TLM requires many years of surgical trainingfor tumour resection in order to preserve the function of adjacent organs and thus preserve thepatient’s quality of life. The positioning of the microscopic laser applicator outside the patientcan also impede a direct line-of-sight to the target area due to anatomical variability and limitthe working space. Further clinical challenges include positioning the laser focus on the tissuesurface, imaging, planning and performing laser ablation, and motion of the target area duringsurgery. This dissertation aims to address the limitations of TLM through robotic approaches andintraoperative assistance. Although a trend towards minimally invasive surgery is apparent, nohighly integrated platform for endoscopic delivery of focused laser radiation is available to date.Likewise, there are no known devices that incorporate scene information from endoscopic imaginginto ablation planning and execution. For focusing of the laser beam close to the target tissue, thiswork first presents miniaturised focusing optics that can be integrated into endoscopic systems.Experimental trials characterise the optical properties and the ablation performance. A roboticplatform is realised for manipulation of the focusing optics. This is based on a variable-lengthcontinuum manipulator. The latter enables movements of the endoscopic end effector in fivedegrees of freedom with a mechatronic actuation unit. The kinematic modelling and control of therobot are integrated into a modular framework that is evaluated experimentally. The manipulationof focused laser radiation also requires precise adjustment of the focal position on the tissue. Forthis purpose, visual, haptic and visual-haptic assistance functions are presented. These supportthe operator during teleoperation to set an optimal working distance. Advantages of visual-hapticassistance are demonstrated in a user study. The system performance and usability of the overallrobotic system are assessed in an additional user study. Analogous to a clinical scenario, thesubjects follow predefined target patterns with a laser spot. The mean positioning accuracy of thespot is 0.5 mm. Finally, methods of image-guided robot control are introduced to automate laserablation. Experiments confirm a positive effect of proposed automation concepts on non-contactlaser surgery.
Die Anwendung von Lasertechnologien in chirurgischen Interventionen hat sich aufgrund der atraumatischen Eigenschaften in der Klinik etabliert. Neben manueller Applikation von fasergeführtenLasern mit Gewebekontakt hat sich die kontaktfreie transorale Lasermikrochirurgie (TLM) vonTumoren des Larynx in der HNO-Chirurgie durchgesetzt. Die TLM erfordert zur Tumorresektionjedoch ein langjähriges chirurgisches Training, um die Funktion der angrenzenden Organe zusichern und damit die Lebensqualität der Patienten zu erhalten. Die Positionierung des mikroskopis chen Laserapplikators außerhalb des Patienten kann zudem die direkte Sicht auf das Zielgebietdurch anatomische Variabilität erschweren und den Arbeitsraum einschränken. Weitere klinischeHerausforderungen betreffen die Positionierung des Laserfokus auf der Gewebeoberfläche, dieBildgebung, die Planung und Ausführung der Laserablation sowie intraoperative Bewegungendes Zielgebietes. Die vorliegende Dissertation zielt darauf ab, die Limitierungen der TLM durchrobotische Ansätze und intraoperative Assistenz zu adressieren. Obwohl ein Trend zur minimalinvasiven Chirurgie besteht, sind bislang keine hochintegrierten Plattformen für die endoskopischeApplikation fokussierter Laserstrahlung verfügbar. Ebenfalls sind keine Systeme bekannt, dieSzeneninformationen aus der endoskopischen Bildgebung in die Ablationsplanung und -ausführungeinbeziehen. Für eine situsnahe Fokussierung des Laserstrahls wird in dieser Arbeit zunächsteine miniaturisierte Fokussieroptik zur Integration in endoskopische Systeme vorgestellt. Experimentelle Versuche charakterisieren die optischen Eigenschaften und das Ablationsverhalten. ZurManipulation der Fokussieroptik wird eine robotische Plattform realisiert. Diese basiert auf einemlängenveränderlichen Kontinuumsmanipulator. Letzterer ermöglicht in Kombination mit einermechatronischen Aktuierungseinheit Bewegungen des Endoskopkopfes in fünf Freiheitsgraden.Die kinematische Modellierung und Regelung des Systems werden in ein modulares Frameworkeingebunden und evaluiert. Die Manipulation fokussierter Laserstrahlung erfordert zudem einepräzise Anpassung der Fokuslage auf das Gewebe. Dafür werden visuelle, haptische und visuell haptische Assistenzfunktionen eingeführt. Diese unterstützen den Anwender bei Teleoperationzur Einstellung eines optimalen Arbeitsabstandes. In einer Anwenderstudie werden Vorteile dervisuell-haptischen Assistenz nachgewiesen. Die Systemperformanz und Gebrauchstauglichkeitdes robotischen Gesamtsystems werden in einer weiteren Anwenderstudie untersucht. Analog zueinem klinischen Einsatz verfolgen die Probanden mit einem Laserspot vorgegebene Sollpfade. Diemittlere Positioniergenauigkeit des Spots beträgt dabei 0,5 mm. Zur Automatisierung der Ablationwerden abschließend Methoden der bildgestützten Regelung vorgestellt. Experimente bestätigeneinen positiven Effekt der Automationskonzepte für die kontaktfreie Laserchirurgie.