07 Fakultät Konstruktions-, Produktions- und Fahrzeugtechnik
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Item Open Access Untersuchungen zur Eignung mikrohydraulischer Antriebe für die minimal invasive Chirurgie(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2016) Cuntz, Timo; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Da schonender für den Patienten, werden chirurgische Eingriffe zunehmend minimal invasiv durchgeführt. Dabei führt der Chirurg durch kleine Schnitte in Haut und Gewebe, ein Endoskop zur Sichtbarmachung der Operationsumgebung als auch chirurgische Spezialinstrumente in den Körper ein. Trotz der hohen Zunahme, der minimal invasiven Eingriffe, stagniert die Entwicklung neuer Werkzeuge für diese Operationstechnik. Zwar wurden neuartige Instrumente mit mehreren Bewegungsfreiheitsgraden an der Spitze entwickelt, diese besitzen aber solch große technische Probleme bei ihrer Anwendung, dass sie kaum benutzt werden. Ein Wechsel, weg von der der mechanischen Kraftübertragung mit Seilzügen, hin zu Direktantrieben, mit kompakten Aktoren in der Instrumentenspitze verspricht die Lösung dieser Probleme. So besteht in der minimal invasiven Chirurgie ein großer Bedarf an leichten, kraftvollen aber dennoch kompakten Antrieben, welche lediglich durch Kabel oder Schläuche und somit räumlich unabhängig im Körper versorgt werden. Beim Vergleich existierender Antriebsarten konnte gezeigt werden, dass hydraulische Antriebe die besten Voraussetzungen mitbringen um die zuvor erarbeiteten Anforderungen zu erfüllen. Die in der Konzeptphase in der Theorie angestellten Abschätzungen, vor allem zur Miniaturisierbarkeit hydraulischer Systeme, damit sich diese für den Einsatz in hydraulisch betriebenen Instrumenten für die Chirurgie eignen, konnten in praktischen Versuchsreihen bestätigt werden. In der Arbeit wurden zunächst leistungsstarke Hydraulikzylinder mit Durchmessern von wenigen Millimetern entwickelt, aus denen anschließend hydraulisch betriebene Instrumentenfunktionsmuster entstanden. Durch die Verwendung biokompatibler Materialien bis hin zu den Hydraulikmedien und dem Nachweis der Sterilisierbarkeit der kompletten Systeme wurde gezeigt, dass hydraulisch betriebene Instrumente die grundlegenden Medizinischen Anforderungen erfüllen und somit ein der Chirurgie eingesetzt werden können. Die durchgeführte Verifizierung der Instrumente demonstrierte, dass sie die geforderten Kräfte erreichen und sogar bei weitem übertreffen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde der Nachweis für die Eignung hydraulischer betriebener Instrumente in der minimal invasiven Chirurgie erbracht.Item Open Access Fertigungstechnische Simulationsmethoden für medizinische Assistenzsysteme(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2020) Wohlfeld, Andreas; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)In der medizinischen Diagnostik und Therapie werden immer häufiger Verfahren eingesetzt, die ausschließlich durch den Einsatz technischer Hilfsmittel realisierbar sind. Dabei wird zwischenzeitlich nicht mehr die vollständige Automatisierung von Abläufen in diesem Bereich angestrebt; stattdessen werden zunehmend kooperative Ansätze verfolgt, die die jeweiligen Stärken von Mensch und technischem System über sogenannte Assistenzsysteme zu vereinen versuchen. Sowohl für die Entwicklung als auch im Umfeld der Nutzung dieser Assistenzsysteme wird vermehrt Simulation in unterschiedlichen Ausprägungen eingesetzt. Aufgrund der zunehmenden Komplexität sowohl der medizinischen Verfahren als auch der technischen Systeme zu deren Unterstützung nimmt dieser Simulationseinsatz weiter zu. Dabei bestehen jedoch Defizite, z.B. im Bereich der Durchgängigkeit der eingesetzten Simulationssysteme über die verschiedenen Lebensphasen der Assistenzsysteme hinweg. Zu den besonderen Anforderungen der Simulation von Assistenzsystemen zählt zudem nicht zuletzt eine Simulation in Echtzeit. Diese Arbeit zeigt unter Nutzung von Parallelen zwischen Medizin- und Fertigungstechnik einen Lösungsansatz dieser Defizite durch den durchgängigen Einsatz von Simulationsmethoden nach fertigungstechnischem Vorbild für medizinische Assistenzsysteme auf. Dabei werden die Assistenzsysteme auf der Basis etablierter industrieller Steuerungstechnik aufgebaut und ein systemunabhängiger Ansatz entwickelt, der die Integration von Peripheriekomponenten aus anderen Anwendungsbereichen als der Fertigungstechnik in derartige Assistenzsysteme ermöglicht.Item Open Access Magneto-hydrodynamische Fokussierung : ein neues Verfahren für die Point of Care Diagnostik(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2018) Reis, Christian; Verl, Alexander (Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.)Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems sind die häufigste Todesursache weltweit mit einem Anteil von 12,2 Prozent. Es wird geschätzt, dass 300.000 Menschen in Deutschland jährlich einen Myokardinfarkt erleiden. Mit über 50.000 Sterbefällen pro Jahr zählt der akute Myokardinfarkt (AMI) zur zweithäufigsten Todesursache in Deutschland. Die lebensbedrohliche Situation wird durch einen plötzlichen Verschluss der Koronararterien ausgelöst, sodass Muskelgewebe nicht mehr mit Sauerstoff und Nährstoffen versorgt wird. Wird das Gefäß nicht innerhalb weniger Stunden durch entsprechende therapeutische Maßnahmen wieder geöffnet, stirbt das Muskelgewebe ab. Der Tod kann durch die verringerte Pumpleistung mit Zusammenbruch des Herz-Kreislauf-Systems (kardiogener Schock) oder durch Herzrhythmusstörungen eintreten. Bei Verdacht auf einen Myokardinfarkt ist daher keine Zeit zu verlieren. In den letzten Jahrzehnten wurde die Versorgung der Patienten von der Detektion eines Myokardinfarkts am Ort des Geschehens (Point of Care) bis zu einer genauen Analyse des Infarkts im Krankenhaus stetig weiterentwickelt. Die Detektion biomedizinisch relevanter Marker im Blut nimmt dabei einen immer höheren Stellenwert ein. Der Goldstandard zur Diagnose ist die Bestimmung von kardialem Troponin T im Blut, welches schon bei geringen Schädigungen des Herzmuskels in das Blut abgegeben wird. Aufgrund der optischen Eigenschaften von Blut birgt die Detektion dieses Biomarkers zahlreiche Problematiken. Bislang sind daher am Point of Care nur qualitative Aussagen zu einem Myokardinfarkt möglich. Genauere Analysen können erst in größeren Versorgungszentren mit entsprechendem apparativen Aufwand durchgeführt werden. Aussagen zur Schwere des Infarkts am Point of Care könnten in Zukunft zu einer schnellen eingeleiteten Therapie und einer besseren Patientenversorgung führen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein neues Messkonzept auf Basis oszillierender magnetisierbarer Partikel zur quantitativen Detektion von kardialem Troponin T entwickelt und untersucht. Voraussetzung dafür ist eine Nachweismethode, bei der magnetisierbare Partikel ihre mechanischen Eigenschaften durch biologische Komplexbildungen mit nicht magnetisierbaren Partikeln bei Anwesenheit von Troponin T ändern. Die Arbeit beschäftigt sich als Schwerpunkt mit der theoretischen Auslegung des Nachweisverfahrens auf Basis einer Masseänderung und der Bestimmung des dadurch veränderten Oszillationsverhaltens der magnetisierbaren Partikel in Vollblut. Das Oszillationsverhalten lässt sich durch ein optisches Detektionssystem analysieren, wodurch auf die Menge des vorliegenden Troponin T geschlossen werden kann. Dies ist ein erster Schritt von qualitativen zu quantitativen Aussagen am Point of Care. Neben der theoretischen Auslegung des Systems werden erste Messungen von im Blut sichtbaren Partikeln auf Basis des neuen Systems durchgeführt und im Anschluss diskutiert.Item Open Access Verfahren zur intraoperativen Tumordiagnostik am Beispiel der Thoraxchirurgie(2007) Wößner, Stefan; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein Verfahren zur intraoperativen Tumordiagnostik zu entwickeln, welches es dem Chirurgen während der Operation direkt erlaubt, Informationen über Gewebe in Echtzeit zu erhalten. Hierzu wurde auf Basis von Autofluoreszenz eine automatisierte Datenreduktion, -auswertung und –klassifizierung entwickelt, validiert und mittels eines Funktionsmusters realisiert. Ausgehend von der Analyse von Rahmenbedingungen einer Tumoroperation sowie von bestehenden Verfahren zur Tumordiagnostik wurden Anforderungen an ein solches Verfahren abgeleitet. Dabei wurden die Erkennungsleistung sowie die Dauer einer Messung als Hauptanforderungen identifiziert. Hieraus haben sich ergeben, dass die Fluoreszenzdiagnostik und speziell die Autofluoreszenzspektroskopie das größte Potential aufweist, jedoch ein Verfahren zur automatisierten Auswertung und Klassifizierung der Spektren sowie ein Sicherheitskonzept fehlt. Die automatisierte Auswertung wurde mit Hilfe von Methoden der multivariaten Statistik durchgeführt. Eine Datenreduktion mittels Hauptkomponentenanalyse sowie verschiedene Diskriminanzanalysen wurden herangezogen, um eine Zuordnung gemessener Autofluoreszenzspektren zu bekannten Trainingsgruppen durchzuführen und die großen Datenmengen nutzbar zu machen. Ebenso wurden die Risiken von Soft- und Hardware beleuchtet. Das Verfahren wurde anhand von Tumorproben aus dem Bereich der Thoraxchirurgie validiert und Parametersätze optimiert. Dabei zeigte sich, dass bei einer sehr kurzen Messdauer im Bereich von ca. 200ms sehr gute Ergebnisse von bis zu 89% Gesamtdetektionsrate bei einer Spezifität von bis zu 95% erreichbar waren. Anschließend erfolgte die Realisierung in Form eines Funktionsmusters sowie die Erprobung anhand von Proben eines Instituts für Pathologie aus allen Körperbereichen. Hierbei zeigte sich, dass Gesamtdetektionsraten von bis zu 75% bei einer Spezifität von 95% erreichbar waren und ein eigener Parametersatz für jede medizinische Disziplin Vorteile aufweist. Generell ergab sich eine gute Einsetzbarkeit im medizinischen Alltag, schnelle Anwendbarkeiten und Messdauern sowie mit bisherigen Verfahren vergleichbare Detektionsraten.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 Ein drahtloses Verfahren zur Messung der Pulswellengeschwindigkeit in einem Stent mittels passiver Sensorik(Stuttgart : Fraunhofer Verlag, 2017) Schächtele, Jonathan; Verl, Alexander (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.)Die Implantation von Stents ist eine häufig angewandte Therapie von arteriosklerotischen Gefäßerkrankungen. Jedoch kommt es oft innerhalb einiger Monate nach der Intervention zu einem Wiederverschluss, einer Restenose. Auch mit medikamentenfreisetzenden Stents wurde dieses Problem nicht gelöst. Einfache und zuverlässige Diagnosemethoden existieren bisher nicht. Ein in den Stent integriertes Messsystem zur Detektion von Restenosen würde die Situation der Patienten erheblich verbessern. Ziel dieser Arbeit war es zu prüfen, ob es ein technisches Konzept für ein in einen Stent integriertes System zur Bestimmung der Pulswellengeschwindigkeit (PWV) gibt, das diese Aufgabe erfüllen kann. Die PWV wurde als robuste Größe zur Evaluierung des Gefäßzustands identifiziert. Ein technisches Konzept, das auf zwei passiven Resonatoren im Stent basiert, wurde erarbeitet. Diese bestehen aus kapazitiven Drucksensoren an den Stentenden und je einer Spule. Mit einem induktiv gekoppelten Auslesegerät wird die Pulstransitdauer bestimmt. Zur Evaluierung des Konzepts wurden Mindestanforderungen für koronare und periphere Gefäße abgeleitet. Die einzelnen Komponenten wurden konzeptioniert und modelliert und ein Verfahren zur Auslegung wurde entwickelt. Messreihen mit den ausgelegten Systemen wurden simuliert und die Eigenschaften mit den Anforderungen verglichen. Ein Aufbau, der das System im Labor nachbildet, wurde erstellt. Die Simulationen der Messreihen zeigten, dass die ausgelegten Systeme die Anforderungen erfüllen. Ein Vergleich der Messungen am Versuchsstand mit Simulationsergebnissen zeigte eine gute Übereinstimmung. Das erarbeitete technische Konzept für ein implantierbares Messsystem zur Bestimmung der PWV, die Modelle und die Methode zur Auslegung konnten somit validiert werden. Einsetzbarkeit und Marktfähigkeit des Systems hängen von der Klärung offener medizinischer, fertigungstechnischer und wirtschaftlicher Fragen ab.