A continuum robotic platform for endoscopic non-contact laser surgery: design, control, and preclinical evaluation

Abstract

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.