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Electrical impedance imaging technology for needle guidance during medical needle insertion procedures
(2024) Liu, Jan; Pott, Peter P. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
Although performed on a daily basis, medical needle insertion procedures are often associated with complications due to incorrect needle positioning. The most common needle insertion procedure is venipuncture for blood collection. In a study of 4,050 patients, bruising and hematoma occurred in 12.3 % of cases. These are the result of only partial penetration of the blood vessel or complete perforation (needle overshoot). Needle insertion is usually performed manually, highly dependent on the clinician's skill and the patient's physiology. Existing needle guidance methods are either cumbersome and inadequate for routine procedures, or prone to error. This dissertation aims to explore a new imaging technology based on electrical impedance measurements as an alternative to current guidance systems. It is hypothesized that the integration of multiple localized impedance measurements on a needle enables successful tissue identification and spatial localization. This information can be exploited to develop a 3D imaging system that can be used for needle guidance during medical needle insertion procedures. In this dissertation, the hypothesis is investigated through the exploration of three aspects. The first aspect involves impedance-based tissue identification using medical needles. A bipolar, multi-local (bipolar), and monopolar approach were established and tested. In the bipolar approach, two concentrically placed needles were used as part of a measurement system. Successful tissue identification based on conductivity values was achieved for fat, skin, and blood phantoms. The multi-local approach involved the modification of a hypodermic needle with 12 stainless steel wire electrodes. A system was established to sequentially switch the active measurement electrodes on the needle. The measured impedance values were assigned to the corresponding tissue types using a k-nearest neighbors classification algorithm. Additionally, the monopolar approach was tested in the context of epidural anesthesia. A setup comprising a Tuohy needle and an ECG electrode successfully discriminated between fat and sodium chloride solution, which was used as a substitute for cerebrospinal fluid. The second aspect deals with the simulative assessment of needle-based impedance measurements. The above configurations were translated into CAD models and integrated into an FEM environment. The FEM simulations were performed to generate impedance data as a potential basis for a classification task. Also, the current density distribution was investigated to define a region of relevant spatial measurement sensitivity. The so-called sensitive volumes could be successfully integrated into the third aspect, which is the development of the needle guidance system. For the needle guidance system, a graphical user interface was implemented to serve as the user's control and visualization interface. The user interface can be used to control hardware components responsible for switching electrode pairs and measuring impedance. The visualization environment displays the needle during insertion and shows the surrounding tissue types corresponding to the shape of the sensitive volumes. Eventually, the developed system was evaluated for needle guidance effectiveness. An initial study comparing ultrasound guidance with impedance-based guidance was performed with three subjects. Despite the small sample size, the study found that impedance-based needle guidance was preferred due to its intuitiveness and handling, and the efficacy was highly dependent on the classification success rate.
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Extrakorporale Messung von Interaktionskräften zur Darstellung mit einem seilgetriebenen haptischen Eingabegerät für die Roboter-assistierte Chirurgie
(2024) Schäfer, Max B.; Pott, Peter P. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
Die Roboter-assistierte Chirurgie, im Speziellen die Telemanipulation, bietet zahlreiche Vorteile gegenüber konventionellen chirurgischen Methoden. Hierzu zählt ein potentiell besseres chirurgisches Ergebnis sowie ergonomisches und ermüdungsfreies Arbeiten auch über längere Nutzungsdauern hinweg. Im Falle mechatronischer Systeme im medizinischen Umfeld treffen systembezogene Anforderungen mehrerer Beteiligter aufeinander. Das Wohl von Patienten und Patientinnen steht dabei an oberster Stelle, wird jedoch direkt beeinflusst von finanziellen Aspekten und der Nutzerinteraktion zwischen dem Arzt oder der Ärztin und dem System. Die offensichtlichen Vorteile des Einsatzes von Telemanipulationssystemen in der Roboter-assistierten Chirurgie motivieren deren weitere Verbesserung. Die Nutzerinteraktion stellt dabei einen zentralen Aspekt dar, der die Performance des Gesamtsystems maßgeblich beeinflusst. Ein fehlender haptischer Eindruck des Situs für die operierende Person ist dabei ein häufig genannter Mangel. Die Integration von haptischem Feedback und die Umsetzung einer bewegungskongruenten und damit intuitiv nutzbaren Eingabe haben das Potential, die Identifikation zwischen nutzender Person und Telemanipulationsumgebung zu steigern und damit Nutzerinteraktion und chirurgisches Ergebnis zu verbessern. Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Evaluierung von Methoden zur Realisierung von haptischem Feedback für die Roboter-assistierte Chirurgie. Die erste wissenschaftliche Zielsetzung bezieht sich dabei auf die Erfassung von Interaktions- und Greifkräften zwischen Instrumentenendeffektor und Gewebe, ohne dass speziell angefertigtes Instrumentarium zu einem Kostentreiber bezüglich Bereitstellung und Wiederaufbereitung wird. Zur Erfassung von Interaktionskräften wird eine extrakorporale Sensoreinheit verwendet und die damit erreichbare Qualität der Interaktionskraftmessung untersucht. Darüber hinaus wird eine indirekte Methode zur Erfassung der Greifkräfte aus dem Motorstrom der Greifaktuierung implementiert und evaluiert. Im Rahmen der zweiten wissenschaftlichen Zielsetzung wird ein Eingabegerät entwickelt, das eine zur Ausgabekinematik bewegungskongruente Eingabe ermöglicht. Die Hypothese ist, dass seilgetriebene Parallelkinematiken zur Darbietung von haptischem Feedback mit hoher mechanischer Bandbreite und der Realisierung eines anwendungs- spezifischen Eingabegerätes für die Roboter-assistierte Chirurgie besonders geeignet sind. Die Eignung wird an einem planaren Prüfstand untersucht, sowie anschließend ein haptisches Eingabegerät mit sieben Freiheitsgraden entwickelt. Zur Ableitung von Anforderungen und zur anwendungsnahen Erprobung der beiden Zielsetzungen zur Interaktionskrafterfassung und -darstellung wird weiterhin ein Telemanipulationssystem im Sinne einer modularen und rekonfigurierbaren Forschungsplattform aufgebaut. Die gewählten Methoden zur Interaktions- und Greifkrafterfassung ermöglichen eine für die intendierte Anwendung ausreichende Qualität der Messung bei sehr geringem technischem Aufwand. Die erreichte Messgenauigkeit bezüglich des Betrags einer Interaktionskraft liegt mit einem relativen mittleren Fehler von 9,4 % unterhalb der differentiellen Wahrnehmungsschwelle des Menschen und damit im Bereich der Anforderungen. Bezüglich der Wirkungsrichtung einer Interaktionskraft wurde ein mittlerer absoluter Fehler von 14,4 % erreicht, was ebenfalls im Bereich der vorher definierten Anforderungen und innerhalb der differentiellen Wahrnehmungsschwellen liegt. Die Ableitung von Greifkräften auf Basis des Motorstroms erreicht eine zufriedenstellende Auflösung von etwa 1,5 % der maximal erreichbaren Greifkraft eines Endeffektortyps. Die gewählten Methoden zur Erfassung von Interaktions- und Greifkräften ermöglichen die Verwendung konventioneller chirurgischer Instrumente ohne Modifikation und können damit zu einer ressourcenschonenden Umsetzung und einem hohen Verbreitungsgrad der Technologie beitragen. Das entwickelte haptische Eingabegerät ermöglicht die Darbietung von dynamischem haptischen Feedback und Eingabebewegungen mit einem hohen Maß an Bewegungskongruenz zur Kinematik des Instruments im Trokar. Im gesamten Arbeitsraum des Eingabegerätes können translatorische Feedbackkräfte in Höhe von 5 N mit einer mechanischen Bandbreite von 19,3 Hz dargestellt werden. Weiterhin wurde eine mechanische Bandbreite bezüglich des haptischen Feedbacks aus der Greifbewegung von 73,5 Hz erreicht. Die generelle Eignung von seilgetriebenen Parallelkinematiken zur Darstellung von haptischem Feedback mit hoher mechanischer Bandbreite wurde aufgezeigt, genauso wie die Umsetzbarkeit als anwendungsspezifisches Eingabegerät für die Roboter-assistierte Chirurgie.
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Technologien für disposable Endoskopieroboter
(2024) Giacoppo, Giuliano A.; Pott, Peter P. (Prof. Dr. rer. nat. habil.)
Die Alterung der Gesellschaft ist ein globales Phänomen, das die Gesundheitssysteme vor Herausforderungen stellt. Verschärft wird die Situation durch einen zunehmenden Mangel an Fachkräften im Gesundheitswesen und begrenzte finanzielle Ressourcen. Kliniken müssen daher eine wachsende Zahl von Patient:innen mit weniger Personal versorgen und gleichzeitig effiziente und ressourcenschonende Behandlungsmethoden einsetzen, um den finanziellen Druck zu mildern. In der Chirurgie werden kürzere Behandlungszeiten, schnellere Genesung und minimalinvasive Eingriffe gefordert. Der Einsatz von robotischen Assistenzsystemen bietet hier Unterstützung, um diesen Anforderungen gerecht zu werden. In Deutschland nimmt der Einsatz von robotischen Assistenzsystemen stetig zu, da sie zur Weiterentwicklung und Verbesserung von chirurgischen Eingriffen beitragen können. Darüber hinaus können diese Systeme dem Fachkräftemangel entgegenwirken und durch ihre einfache und schnell erlernbare Bedienung die Produktivität der Kliniken steigern. Ein disposabler Endoskopieroboter für den Magen-Darm-Trackt wurde entwickelt. Einwegsysteme sind aus hygienischen Gründen Mehrwegsystemen vorzuziehen und weisen im medizinischen Umfeld eine höhere Ressourceneffizienz auf. Sie reduzieren den Arbeitsaufwand für Reinigung, Sterilisation und Wartung und verbessern die Hygiene durch Vermeidung von Kreuzkontaminationen. Die wissenschaftliche Zielsetzung besteht in der Entwicklung von Technologien für einen disposablen Endoskopieroboter und umfasst die folgenden vier Bereiche: eine aktive Endoskopspitze, ein Instrument, einen Antrieb und einen Abstandssensor für die Endoskopspitze. Für die aktive Endoskopspitze wurde eine kontinuierliche Biegestruktur bestehend aus zwei Segmenten entwickelt. Die Kinematik wurde modelliert, die erforderlichen Zugkräfte für die Seilzüge zur Auslenkung der Endoskopspitze berechnet und experimentell validiert. Es wurde ein Instrument als pseudokontinuierlicher diskreter Gelenkroboter entwickelt, dessen Funktion das Greifen und Manipulieren von Gewebe ist, um Platz an der Eingriffsstelle zu schaffen. Die Positionierung sowie das Aufbringen von Interaktionskräften am distalen Ende des Instruments wurden überprüft. Es wurde eine Kinematikanalyse durchgeführt. Darauf aufbauend wurde ein Algorithmus entwickelt. Dieser berechnet die erforderlichen Zugkräfte für die Seilzüge, um das Instrument in seiner Position zu halten, in Abhängigkeit einer externen Kraft. Es wurde deutlich, dass sich Twisted String Antriebe (TSA) als kostengünstige, leichte und platzsparende Antriebe für Endoskopieroboter eignen. Die von TSA umgewandelten Drehbewegungen eines Motors resultieren in einer linearen Zugkraft der Strings. Es wurde untersucht, in welchem Maße ein TSA über eine Oberfläche geführt werden kann, ohne dass dies eine wesentliche Beeinflussung seines Verhaltens zur Folge hat. Durch den Einsatz geführter TSA konnte eine kompakte Bauweise des Endoskopieroboters realisiert werden. Es wurden verschiedene Abstandssensoren für die Endoskopspitze untersucht, um umliegendes Gewebe zu erfassen. Dadurch soll eine autonome Ausrichtung der Endoskopspitze ermöglicht werden, sodass der Verlauf der Gewebekontur im Körper gefolgt werden kann, wie etwa der Weg durch den Dickdarm. Die Machbarkeit von optische Näherungssensoren, kapazitive Abstandssensoren sowie optisches Ballon-Tracking und optisches Drahtkorb-Tracking für den Einsatz in einem Endoskopieroboter, wurde gezeigt. Die präsentierten Technologien erlauben eine Balance zwischen Performance und Ressourcenschonung, was die Entwicklung eines disposablen Endoskopieroboters ermöglicht. In einer realitätsnahen Umgebung wurde ein Endoskopieroboter aufgebaut und dessen Funktion sowie Handhabbarkeit überprüft. Die Resultate demonstrieren, dass der Endoskopieroboter für die intendierte Verwendung grundsätzlich geeignet ist.