07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Miniature low-cost γ-radiation sensor for localization of radioactively marked lymph nodes(2022) Behling, Merlin; Wezel, Felix; Pott, Peter P.Detection of metastasis spread at an early stage of disease in lymph nodes can be achieved by imaging techniques, such as PET and fluoride-marked tumor cells. Intraoperative detection of small metastasis can be problematic especially in minimally invasive surgical settings. A γ-radiation sensor can be inserted in the situs to facilitate intraoperative localization of the lymph nodes. In the minimally invasive setting, the sensor must fit through the trocar and for robot-aided interventions, a small, capsule-like device is favorable. Size reduction could be achieved by using only a few simple electronic parts packed in a single-use sensor-head also leading to a low-cost device. This paper first describes the selection of an appropriate low-cost diode, which is placed in a sensor head (Ø 12 mm) and characterized in a validation experiment. Finally, the sensor and its performance during a detection experiment with nine subjects is evaluated. The subjects had to locate a 137Cs source (138 kBq activity, 612 keV) below a wooden plate seven times. Time to accomplish this task and error rate were recorded and evaluated. The time needed by the subjects to complete each run was 95 ± 68.1 s for the first trial down to 40 ± 23.9 s for the last. All subjects managed to locate the 137Cs source precisely. Further reduction in size and a sterilizable housing are prerequisites for in vitro tests on explanted human lymph nodes and finally in vivo testing.Item Open Access 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.Item Open Access 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.Item Open Access Numerical analysis of the localization of pulmonary nodules during thoracoscopic surgery by ultra-wideband radio technology(2021) Battistel, Alberto; Pott, Peter Paul; Möller, KnutWorldwide, lung cancer is one of the most common causes of cancer-related death. Detected by computer tomography, it is usually removed through thoracoscopic surgery. During the surgery the lung collapses requiring some strategies to track or localize the new position of the lesion. This is particularly challenging in the case of minimally invasive surgeries when mechanical palpation is not possible. Here we undertake a preliminary study with numerical analysis of an ultra-wideband (UWB) radio technology which can be employed directly during thoracoscopic surgery to localize deep solitary pulmonary nodules. This study was conducted through Finite Difference Time Domain (FDTD) simulations, where a spherical target mimicking a nodule located between 1 and 6 cm of depth and an UWB pulse at several frequencies between 0.5 and 5 GHz was used for localization. This investigation quantifies the influence of several parameters, such frequency, lesion depth, and number of acquisitions, on the final confocal image used to locate a cancer in the lung tissue. We also provide extensive discussion on several artifacts that appear in the images. The results show that the cancer localization was possible at operational frequencies below 1 GHz and for deep nodules (>5 cm), while at lower depths and higher frequencies several artifacts hindered its detection.Item Open Access Design and evaluation of new user control devices for improved ergonomics in flexible robotic endoscopy(2025) Heisterberg, Leander; Manfredi, Luigi; Wichmann, Dörte; Maier, Thomas; Pott, Peter P.Background: The ergonomics of flexible endoscopes require improvement as the current design carries a high risk of musculoskeletal injury for endoscopists. Robotic systems offer a solution by separating the endoscope from the control handle, allowing a focus on ergonomics and usability. Despite the increasing interest in this field, little attention has been paid towards developing ergonomic human input devices. This study addresses two key questions: How can handheld control devices for flexible robotic endoscopy be designed to prioritize ergonomics and usability? And, how effective are these new devices in a simulated clinical environment?
Methods: Addressing this gap, the study proposes two handheld input device models for controlling a flexible endoscope in four degrees of freedom (DOFs) and an endoscopic instrument in three DOFs. A two-stage evaluation was conducted with six endoscopists evaluating the physical ergonomics and a final clinical user evaluation with seven endoscopists using a virtual colonoscopy simulator with proportional velocity and position mapping.
Results and discussion: Both models demonstrated clinical suitability, with the first model scoring 4.8 and the second model scoring 5.2 out of 6 in the final evaluation. In sum, the study presents two designs of ergonomic control devices for robotic colonoscopy, which have the potential to reduce endoscopy-related injuries. Furthermore, the proposed colonoscopy simulator is useful to evaluate the benefits of different mapping modes. This could help to optimize the design and control mechanism of future control devices.