Design of a robot assisted minimally invasive surgical system for pituitary tumor surgery based on safety features

Abstract

The study is on the designing a robot assisted endonasal endoscopic surgical system; NeuRoboScope, the pituitary tumor resection surgery system. This system comprises a passive and an active arm. The passive arm positions the active arm in the surgery zone while the active arm assists the surgeon by positioning the endoscope during the surgery. The focus of this thesis is the mechanical and control safety features that can be implemented in the system. The safety enhancement methods of robot assisted minimally invasive surgery systems are investigated. Among the seventeen robot assisted endoscope holders, sixteen of them have been implemented in pituitary tumor and sinus surgeries. Safety is the main criterion that advances the progress of these systems and places them in operation rooms. Accordingly, two optimization procedures have been applied during the design of the NeuRoboScope system that have a direct effect on the suggested safety features. A novel optimization technique is proposed by employing a redundancy resolution method. The most suitable fixing point of the passive arm and its first link length is optimized to achieve the maximum manipulability with restrictions imposed by a modified condition number index and impedance of the passive arm. The active arm's partial gravity compensation is studied. Three spiral springs are used as counter-springs as the most compact and lightweight partial gravity compensation method. Particle swarm optimization method is employed for the optimization of the design parameters: spiral spring stiffnesses and preload angles. Consequently, at least 66% of actuator loads are compensated.Bu çalışma bir yardımcı robotlu endonazal endoskopik ameliyat sistemi; NeuRoboScope, hipofiz bezi tümörü rezeksiyonu ameliyat system, tasarımı hakkındadır. Bu sistem bir pasif kol ve bir aktif koldan oluşmaktadır. Pasif kol aktif kolu ameliyat bölgesinde konumlandırırken aktif kol endoskopu ameliyat sırasında yönlendirerek cerraha yardımcı olur. Bu tezde söz konusu sistemde kullanılabilecek mekanik ve kontrol alanlarındaki güvenlik özelliklerine odaklanılmıştır. Robot yardımcılı minimal invaziv ameliyat sistemlerinin güvenliği artırıcı yöntemleri araştırılmıştır. Mevcut onyedi robot yardımcılı endoskop tutucu arasından onaltısı hipofiz bezi tümörü ve sinüs ameliyatlarında kullanılmıştır. Bu sistemlerin ilerleyip ameliyat odalarında yer bulmasında güvenlik en önemli kriterdir. Bu doğrultuda, NeuRoboScope sistemi için önerilen güvenlik özelliklerine doğrudan etkisi olan iki eniyileme yöntemi tasarım sırasında uygulanmıştır. Artıksıllık çözünümü yönetmini kullanan yeni bir eniyileme yöntemi önerildi. Pasif kolun bağlantı noktası konumu ve ilk uzvunun boyu en yüksek manipülabile edilebilirliğe ulşmak için, değiştirilmiş kondüsyon numarası ve pasif kolun empedans kısıtları gözetilerek, eniyilendi. Aktif kolun kısmi yerçekimi telafisi çalışıldı. En kompakt ve hafif kısmi yerçekimi yöntemi olarak üç adet spiral yay karşıt yay olarak kullanıldı. Partikül sürü eniyilemesi yöntemi kullanılarak tasarım parametreleri olan spiral yayın direngenliği ve öngerilme açısı eniyilendi. Sonuç olarak eyleyicilerin yükelerinin en az %66'sı telafi edildi.