Ein Konzept für eine automatisierte Endoskopführung für die Nasennebenhöhlenchirurgie

Zusammenfassung

Hintergrund

Die „Funktionelle Endoskopische Nasennebenhöhlenoperation“ (FESS) ist durch eine einhändige Präparation und die Führung des Endoskops mit der nichtdominanten Hand gekennzeichnet. Daraus ergeben sich eine Verlängerung der Operationszeit von bis zu 15% und ergonomische Defizite für den Chirurgen. Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Fortführung der Konzeption eines automatisierten Assistenzsystems für die Endoskopführung bei der FESS. Dabei stehen folgende Fragen im Mittelpunkt: 1. Welches Design ist für eine teilautomatisierte Endoskopführung bei der FESS geeignet? 2. Wie sind die technischen Systemeigenschaften (Planung, Zeitaufwand, Genauigkeit, Präzision) des gewählten Systems? 3. Bietet das System Potenzial für eine klinische Anwendung?

Methoden

Die Basis der Arbeit bieten vorliegende Workflow-Untersuchungen zur FESS. Die Erhebung der maximalen Kräfte im Bereich der Schleimhaut während der FESS erfolgte durch eine Kraftmomentenmessung bei insgesamt 40 Versuchen am anatomischen Modell. Es wurden drei mechanische Systeme bei jeweils 10 FESS eingesetzt und nach dem ICCAS-Ergonomieschema bewertet. Für die Realisierung einer automatisierten Endoskopführung wurde ein motorangetriebener und -gebremster Manipulator (PA10–6C, Fa. Mitsubishi, Japan) verwendet. Als technische Parameter wurden der Zeitaufwand für die präoperative Planung des Arbeitsraums, die chirurgische Genauigkeit und die Präzision der intraoperativen Endoskoppositionierung, die maximal auftretenden Kräfte und der Zeitbedarf bestimmt.

Ergebnisse

Der Anteil konzeptbedingter Instrumentenwechsel beträgt im Durchschnitt von 49 FESS 41,1% und der daraus resultierende Zeitbedarf 18,9% (5,21 min) der Operationszeit pro FESS-Seite. Die maximalen Kräfte auf die Schleimhaut während einer konventionellen FESS betragen 9,8 N (5,9–9,8). Die Handhabbarkeit eines mechanischen Haltearms im Bezug auf den gesamten Operationsablauf wurde in 18 von 20 Fällen gegenüber dem Standardvorgehen schlechter eingeschätzt. Bei den Untersuchungen zum Grobdesign im virtuellen Modell ergaben sich keine schwerwiegenden Kollisionen mit dem vorhandenen Operations-Set-up. Der Zeitaufwand für die Segmentierung des intranasalen Arbeitsraums betrug durchschnittlich 15,2 min (10,0–23,0). Die maximale Abweichung des automatisch geführten Endoskops von einer geplanten Position betrug 0,85 mm (manuell 4,64 mm). Das maximale Kraftmoment wurde mit 1,1 N in z-Richtung gemessen (manuell 9,8 N). Das automatisierte Anfahren einer intranasalen Position benötigte 7,25 s (6,4–7,9); manuell 12,64  (5,9–43,0).

Schlussfolgerung

Die Führung des Endoskops bei der FESS durch ein automatisiertes motorgetriebenes System ist möglich. Die auf Workflow-Analysen beruhende Konzeption favorisiert ein System mit automatischer Begrenzung des Arbeitsraums und einer manuellen Nachbewegung des Endoskops. Für die Ausführung eignet sich ein modifiziertes modulares medizinisches Robotiksystem. Das untersuchte System bietet ein Potenzial für die klinische Anwendung. Dabei wird aus chirurgischer Sicht der Ausgestaltung des Automatisierungsumfangs und der dazugehörigen Mensch-Maschine-Schnittstelle eines FESS-Endoskopführungssystems eine weitaus größere Bedeutung zukommen, als der Auswahl oder Neukonstruktion eines speziellen Manipulators.

Abstract

Background

Functional endoscopic sinus surgery (FESS) is characterized by single-handed preparation and guidance of the endoscope by the nondominant hand. This results in an additional extension of operation time by up to 15% and ergonomic deficits. The aim of this study is the conception of an automated assistance system for FESS in view of the following questions: (1) Which degree of surgical automation is suitable for FESS? (2) Which design is suitable? (3) What are the properties of the technical system (planning, time, accuracy, precision) of the selected system? (4) Does the system offer potential for a clinical application?

Methods

In all 49 FESS were analyzed for surgical workflows. Measurement of the maximum forces within FESS was performed with 40 trials on an anatomical model. Three different mechanical systems were used in ten FESS and evaluated using the ICCAS Human-Machine Evaluation Scale. For realization of automated endoscope guidance an engine-driven and -braked manipulator (PA10–6c, Mitsubishi, Japan) was used. The technical parameters determined were expenditure of time for the preoperative planning of workspace, surgical accuracy and precision of the intraoperative endoscope positioning, maximal forces, and time.

Results

Concept-conditioned instrument changes amount to an average of 41.1 and 18.9% (5.21 min) time requirement for each FESS side. Maximum forces on the mucous membrane during a conventional FESS were measured at 9.8 N (5.9–9.8). Usability of the mechanical endoscope holder was estimated in 18 of 20 cases to be inferior to the standard procedure. The time needed for segmenting the intranasal workspace was 15.2 min (10.0–23.0). The maximum deviation of the automatically driven endoscope from a planned position amounted to 0.85 mm (manually 4.64 mm). The maximum force was measured with 1.1 N in the z direction (manually 9.8 N). Automated guidance of the endoscope to an intranasal position needed 7.25 s (6.4−7.9); manually 12.64 s (5.9−43.0).

Conclusion

Guidance of the endoscope for FESS by an automated motor-driven system is possible. The conception which is based on workflow analysis favors a system with automatic definition of the workspace and a manual movement of the endoscope. The examined system offers a potential for clinical application. Definition of the automation level and development of a man-machine interface is more important than selection or reconstruction of a special manipulator for endoscope guidance in FESS from a surgical point of view.