The application of laser technologies in surgical interventions has been accepted in the clinical
domain due to their atraumatic properties. In addition to manual application of fibre-guided
lasers with tissue contact, non-contact transoral laser microsurgery (TLM) of laryngeal tumours
has been prevailed in ENT surgery. However, TLM requires many years of surgical training
for tumour resection in order to preserve the function of adjacent organs and thus preserve the
patient’s quality of life. The positioning of the microscopic laser applicator outside the patient
can also impede a direct line-of-sight to the target area due to anatomical variability and limit
the working space. Further clinical challenges include positioning the laser focus on the tissue
surface, imaging, planning and performing laser ablation, and motion of the target area during
surgery. This dissertation aims to address the limitations of TLM through robotic approaches and
intraoperative assistance. Although a trend towards minimally invasive surgery is apparent, no
highly 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 imaging
into ablation planning and execution. For focusing of the laser beam close to the target tissue, this
work first presents miniaturised focusing optics that can be integrated into endoscopic systems.
Experimental trials characterise the optical properties and the ablation performance. A robotic
platform is realised for manipulation of the focusing optics. This is based on a variable-length
continuum manipulator. The latter enables movements of the endoscopic end effector in five
degrees of freedom with a mechatronic actuation unit. The kinematic modelling and control of the
robot are integrated into a modular framework that is evaluated experimentally. The manipulation
of focused laser radiation also requires precise adjustment of the focal position on the tissue. For
this purpose, visual, haptic and visual-haptic assistance functions are presented. These support
the operator during teleoperation to set an optimal working distance. Advantages of visual-haptic
assistance are demonstrated in a user study. The system performance and usability of the overall
robotic system are assessed in an additional user study. Analogous to a clinical scenario, the
subjects follow predefined target patterns with a laser spot. The mean positioning accuracy of the
spot is 0.5 mm. Finally, methods of image-guided robot control are introduced to automate laser
ablation. Experiments confirm a positive effect of proposed automation concepts on non-contact
laser surgery.
Die Anwendung von Lasertechnologien in chirurgischen Interventionen hat sich aufgrund der atraumatischen Eigenschaften in der Klinik etabliert. Neben manueller Applikation von fasergeführten
Lasern mit Gewebekontakt hat sich die kontaktfreie transorale Lasermikrochirurgie (TLM) von
Tumoren des Larynx in der HNO-Chirurgie durchgesetzt. Die TLM erfordert zur Tumorresektion
jedoch ein langjähriges chirurgisches Training, um die Funktion der angrenzenden Organe zu
sichern und damit die Lebensqualität der Patienten zu erhalten. Die Positionierung des mikroskopis chen Laserapplikators außerhalb des Patienten kann zudem die direkte Sicht auf das Zielgebiet
durch anatomische Variabilität erschweren und den Arbeitsraum einschränken. Weitere klinische
Herausforderungen betreffen die Positionierung des Laserfokus auf der Gewebeoberfläche, die
Bildgebung, die Planung und Ausführung der Laserablation sowie intraoperative Bewegungen
des Zielgebietes. Die vorliegende Dissertation zielt darauf ab, die Limitierungen der TLM durch
robotische Ansätze und intraoperative Assistenz zu adressieren. Obwohl ein Trend zur minimal
invasiven Chirurgie besteht, sind bislang keine hochintegrierten Plattformen für die endoskopische
Applikation fokussierter Laserstrahlung verfügbar. Ebenfalls sind keine Systeme bekannt, die
Szeneninformationen aus der endoskopischen Bildgebung in die Ablationsplanung und -ausführung
einbeziehen. Für eine situsnahe Fokussierung des Laserstrahls wird in dieser Arbeit zunächst
eine miniaturisierte Fokussieroptik zur Integration in endoskopische Systeme vorgestellt. Experimentelle Versuche charakterisieren die optischen Eigenschaften und das Ablationsverhalten. Zur
Manipulation der Fokussieroptik wird eine robotische Plattform realisiert. Diese basiert auf einem
längenveränderlichen Kontinuumsmanipulator. Letzterer ermöglicht in Kombination mit einer
mechatronischen Aktuierungseinheit Bewegungen des Endoskopkopfes in fünf Freiheitsgraden.
Die kinematische Modellierung und Regelung des Systems werden in ein modulares Framework
eingebunden und evaluiert. Die Manipulation fokussierter Laserstrahlung erfordert zudem eine
präzise Anpassung der Fokuslage auf das Gewebe. Dafür werden visuelle, haptische und visuell haptische Assistenzfunktionen eingeführt. Diese unterstützen den Anwender bei Teleoperation
zur Einstellung eines optimalen Arbeitsabstandes. In einer Anwenderstudie werden Vorteile der
visuell-haptischen Assistenz nachgewiesen. Die Systemperformanz und Gebrauchstauglichkeit
des robotischen Gesamtsystems werden in einer weiteren Anwenderstudie untersucht. Analog zu
einem klinischen Einsatz verfolgen die Probanden mit einem Laserspot vorgegebene Sollpfade. Die
mittlere Positioniergenauigkeit des Spots beträgt dabei 0,5 mm. Zur Automatisierung der Ablation
werden abschließend Methoden der bildgestützten Regelung vorgestellt. Experimente bestätigen
einen positiven Effekt der Automationskonzepte für die kontaktfreie Laserchirurgie.
