Haptische Mensch-Maschine-Schnittstelle für ein laparoskopisches Chirurgie-System

Für eine Vielzahl von Operationen im Bauchraum ist heute die Laparoskopie Stand der Technik, so z.B. die Cholezytektomie zur Entfernung der Gallenblase. Hierbei handelt es sich um ein minimalinvasives Verfahren bei dem der Zugang zum Operationsgebiet durch kleinste Schnitte in der Bauchdecke des Patienten erfolgt. Bei der Operation kommen lange starre Instrumente zu Einsatz. Im Gegensatz zu einer offenen Operation haben die Hände des Chirurgen keinen direkten Zugang zum operierten Gewebe. Ein Abtasten des Gewebes ist nicht möglich, der haptische Sinn zur Diagnose und Navigation im Operationsgebiet steht dem Operateur folglich nicht zur Verfügung. Diese Einschränkung erhöht die Komplexität laparoskopischer Eingriffe erheblich. Auch die Beweglichkeit im Operationsfeld ist stark eingeschränkt. Eine technische Antwort auf diese Einschränkungen sind haptische Telemanipulationssysteme. Sie bestehen aus einer angetriebenen Instrumentenspitze sowie einem haptischen Bedienelement, das die Kontaktkräfte zwischen Instrumentenspitze und Gewebe an den Bediener meldet. Hierzu erfasst ein Kraftsensor an der Instrumentenspitze die auftretenden Kontaktkräfte. Antriebe im Bedienelement erzeugen daraus eine Kraftinformation und leiten sie über einen Mechanismus an den Bediener weiter. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Erweiterung der Entwurfsmethodik für haptische Bedienelemente und der Realisierung eines neuartigen Bedienelements. Basis ist eine Analyse des chirurgischen Szenarios in der minimalinvasiven Leberchirurgie. Daraus leitet sich das Entwurfsziel eines haptischen Bedienelementes mit drei kartesischen Freiheitsgraden ab. Auf Grund ihrer guten dynamischen Eigenschaften sind besonders parallelkinematische Mechanismen zur Übertragung haptischer Informationen geeignet. Sie zeichnen sich durch eine große Struktursteifigkeit und geringe bewegte Massen aus. Ihr kinematisches Übertragungsverhalten ist hingegen meist komplex. Aus der Analyse der kinematischen Bedingungen für ein rein kartesisches Ausgangsverhalten ergibt sich ein möglicher Lösungsraum geeigneter Topologien. Alle bestehen aus drei Beinen mit je 5 Gelenkfreiheitsgraden, einer Basis-Plattform und einer Tool-Centre-Point-Plattform zur Ausgabe der haptischen Information. Für den vorliegenden Fall ist eine RUU- bzw. DELTA-Struktur geeignet. Diese Struktur übersetzt drei Antriebsmomente in eine rein kartesische Ausgabe. Basierend auf der Analyse der kinematischen Entwurfsziele für haptische Mechanismen erfolgte eine Auslegung des Mechanismus im Hinblick auf isotropes, d.h. richtungsunabhängiges Übertragungsverhalten. Charakteristisches Maß ist die globale Konditionszahl. Entscheidend für die Qualität der haptischen Rückmeldung ist das dynamische Übertragungsverhalten haptischer Bedienelemente. Für eindimensionale Systeme ist in der Literatur zur Modellierung der Zwei-Tor Ansatz basierend auf der elektromechanischen Netzwerktheorie eingeführt. Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt erstmalig die Erweiterung auch für den mehrdimensionalen Fall. Damit ist es möglich, auch die dynamischen Eigenschaften mehrdimensionaler Mechanismen mit dem Zwei-Tor Ansatz abzubilden. Dies erlaubt Anwendung des Entwurfsverfahrens der "Transparenz" für mehrdimensionale Systeme. Zur Analyse der mechanischen Eigenschaften des operierten Gewebes entstehen zwei Messplätze für die Frequenzbereiche f = 10...10^4 Hz (taktile Wahrnehmung) und f=DC...50 Hz (kinästhetische Wahrnehmung). Sie ermöglichen die messtechnische Charakterisierung der mechanischen Impedanz und die Ableitung mechanischer Schaltungen. Damit lässt sich die Impedanz des Gewebes rechnerisch im Gütekriterium der Transparenz zur Bewertung eines haptischen Telemanipulationssystems einsetzen. Die Realisierung eines haptischen Bedienelements erfolgt für ein neuartiges, tragbares Teleoperationssystem. Das Bedienkonzept ist an Hand eines ergonomischen Funktionsmusters im Tierversuch evaluiert. Kernkomponente ist ein haptisches Joystick mit drei kartesischen Freiheitsgraden durch einen RUU-Mechanismus. Der Arbeitsraum beträgt 743,5 cm³. Das Bedienelement ist mit einer Impedanz-gesteuerten Systemstruktur entworfen und feinwerktechnisch umgesetzt. Als Antriebe kommen drei EC-Motoren zum Einsatz. Mit einem maximalen Moment von 0,2 Nm erzeugen sie eine haptische Rückmeldung von 5N in 82% des Volumens im Arbeitsraum. Die zum Betrieb erforderlichen kinematischen Berechnungen sind auf einem Steuerrechner implementiert. Zusammen mit der Leistungselektronik ist dieser in einem mobilen Rack integriert. Der Nachweis der Funktionsfähigkeit erfolgt an einem experimentellen Telemanipulationssystem im Laborbetrieb

BLOOM: A 176B-Parameter Open-Access Multilingual Language Model

Large language models (LLMs) have been shown to be able to perform new tasks based on a few demonstrations or natural language instructions. While these capabilities have led to widespread adoption, most LLMs are developed by resource-rich organizations and are frequently kept from the public. As a step towards democratizing this powerful technology, we present BLOOM, a 176B-parameter open-access language model designed and built thanks to a collaboration of hundreds of researchers. BLOOM is a decoder-only Transformer language model that was trained on the ROOTS corpus, a dataset comprising hundreds of sources in 46 natural and 13 programming languages (59 in total). We find that BLOOM achieves competitive performance on a wide variety of benchmarks, with stronger results after undergoing multitask prompted finetuning. To facilitate future research and applications using LLMs, we publicly release our models and code under the Responsible AI License

Non-Standard Errors

In statistics, samples are drawn from a population in a data-generating process (DGP). Standard errors measure the uncertainty in estimates of population parameters. In science, evidence is generated to test hypotheses in an evidence-generating process (EGP). We claim that EGP variation across researchers adds uncertainty: Non-standard errors (NSEs). We study NSEs by letting 164 teams test the same hypotheses on the same data. NSEs turn out to be sizable, but smaller for better reproducible or higher rated research. Adding peer-review stages reduces NSEs. We further find that this type of uncertainty is underestimated by participants

Technologie von monolithisch hergestellten Festkörperkinematiken

Zusammenfassung: Studien zeigen, dass die Kosten für den Zusammenbau eines Produktes 40 bis 50 % der gesamten Produktionskosten ausmachen. Vor diesem Hintergrund beschreibt diese Studienarbeit einen Entwurfsprozess, um kinematische Systeme als Teil eines Werkzeuges für die, minimalinvasive Chirurgie monolithisch, d.h. ohne Zusammenbau, zu fertigen. Monolithische Strukturen sind flexible Systeme, die ein Kraft- und Wegübertragungsverhalten durch elastische Deformation realisieren. Strukturen, deren flexible Eigenschaften sich in Festkörpergelenken konzentrieren, sind aus Kunststoff zu fertigen, um durch ein großes Verhältnis zwischen Dehngrenze und Elastizitätsmodul große Auslenkungen im Bereich des elastischen Werkstoffverhaltens zu ermöglichen. Spritzguss ist ein geeignetes Herstellungsverfahren. Gestaltungsrichtlinien sind zu beachten. Durch die Kontrolle des Abkühlprozesses lassen sich mit Veränderungen des Elastizitätsmoduls zwischen 20 und 30 % gezielt flexible und starre Bereiche erzeugen. Unter den Restriktionen eines intrakorporalen Einsatzes und den mechanischen Anforderungen ist ein Polyoxymethylen (POM) als Werkstoff ausgewählt. Zur Beschreibung des Systemverhaltens dient das Starrkörper-Modell, das flexible Strukturen als starre Streben und Gelenke mit Feder-Dämpfer-Eigenschaften abbildet. Es ist unter MATLAB Simulink umgesetzt. Die Feder-Dämpfer-Eigenschaften sind für Gelenke mit kreisförmiger Verjüngung analytisch und experimentell beschrieben. Weitere Methoden zur Modellbildung sind das Kontinuuum- und das Bausteine-Modell. Durch eine geeignete Anordnung der Gelenke lassen sich parasitäre Nachgiebigkeiten reduzieren. Kreuzförmige Querschnittsflächen erhöhen die Festigkeit der Streben um 12,5 %. Für die kostengünstige Umsetzung von Konzepten in der Entwurfsphase ist das Selektive LASER-Sintern als Verfahren des ”Rapid Prototyping“ geeignet

Funktionsmuster eines haptischen Bedienelements für INKOMAN

Zusammenfassung: Diese Diplomarbeit beschreibt die Entwicklung eines Bedienelementes zur Steuerung eines Operationswerkzeuges mit haptischer Rückmeldung für die minimalinvasive Leber-Chirurgie. Die Entwicklung des Bedienkonzeptes erfolgt nach der Analyse ergonomischer Anforderungen, angepasst an den Arbeitsablauf der laparoskopischen Operation: Der Chirurg steuert eine intrakorporale Kinematik. Dazu hält er das Bedienelement mit einem Pistolengriff. Mit dem Daumen steuert er einen Joystick in drei kartesischen Freiheitsgraden und positioniert so den Endeffektor des Instrumentes im Operationsfeld. Der Joystick stellt gleichzeitig die an der Spitze des Instrumentes gemessenen Kräfte in drei Raumrichtungen bis 5 N dar. Kräfte werden in Abhängigkeit von ihrer Frequenz wahrgenommenen. Daher werden in einem Versuch am haptischen Leberphantom die bei der Operation auftretenden Kräfte gemessen und im Frequenzbereich mit einer Wahrnehmungsfunktion gewichtet. Ergebnis des Versuchs ist, dass aus rein physiologischer Sicht Kräfte bis in einen Bereich von f = 1...2 kHz haptisch darzustellen sind. Um den Krafteindruck dynamisch an den Nutzer zu übertragen, ist der Joystick als parallelkinematischer Tripod realisiert. Die antreibenden Aktoren sind am Griff befestigt, so dass ihre Masse nicht beschleunigt werden muss. Eine Ausrichtung bestimmter Gelenkachsen erzeugt einen Mechanismus, für den - im Gegensatz zu allgemeinen Parallelkinematiken - das Übertragungsverhalten in geschlossener Form gelöst werden kann. Das Weg- und Kraftübertragungsverhalten des Tripods wird in dieser Arbeit hergeleitet. Der Tripod besitzt einen zylindrischen Arbeitsaum von 30 mm Höhe und einem Durchmesser von 50 mm. Als Aktoren kommen elektronisch kommutierte DC-Antriebe zum Einsatz, um haptisch wahrnehmbare Effekte durch eine mechanische Kommutierung zu verhindern. Zur Kommutierung wird eine Schaltung entwickelt und in Betrieb genommen, die eine spannungsgesteuerte Stromquelle realisiert. Bei einer Eingangsspannung von ±1 V sind lastunabhängige Ströme bis ±10 A möglich. Das Ergebnis ist die Erzeugung eines haptischen Feedbacks proportional einer Steuerspannung. In die Motoren integrierte Hall-Sensoren dienen zur Positionserfassung. Die Steuerung des Systems über die hergeleiteten Übertragungsfunktionen erfolgt unter LabView mit einen Steuerrechner

A handheld haptic device for minimally invasive surgery

Introduction ------------ In order to increase the flexibility of laparoscopic instruments the authors introduced “INKOMAN”, a handheld laparo-scopic telemanipulation system. INKOMAN comprises a movable tool tip at the end of a rigid shaft and a control inter-face. Operated similar to common laparoscopic tools four additional degrees of freedom (DOF) of motion are provided to the surgeon. Besides the limited mobility the poor haptic feedback is the second major restriction in laparoscopic surgery. Therefore this paper addresses the design and realization of a novel haptic control interface for the INKOMAN surgery system. It covers the control strategy, actuation and mechanics. Methods ------- The goal of INKOMAN’s haptic control interface is to mimic soft tissue properties and to display the contact situation between movable tip and manipulated tissue inside the patient’s body. To ensure a fully spatial haptic feedback the de-vice should present three translational degrees of freedom to the surgeon (x,y,z). Core control element of the device is an active 3 DOF joystick. The joystick is realized by a parallel kinematic DELTA mechanism to ensure a dynamic and transparent feedback. The haptic device is designed as “impedance controlled”, back driveable and actuated by brushless DC motors. During operation the joystick’s position in space is determined by applying the mechanism’s direct kinematic equation. Based hereon the Jacobian matrix is used to compute the required actor torques in order to obtain a desired force vector which is presented to the surgeon’s thumb. Results -------- The presented concept has been realized in a prototype which delivers spatial forces up to 5N. The haptic feedback is based on a novel 3 DOF force sensor measuring the contact force between instrument tip and manipulated tissue. Conclusion ---------- The work shows how a spatial active haptic feedback can be integrated to laparoscopic surgery to enhance ergonomics and to facilitate navigation in the intraoperative situs

System Design of a Haptic Laparoscopic Telemanipulation System

In order to increase flexibility during laparoscopic surgery INKOMAN is introduced. This handheld telemanipulation is operated like a common laparoscopic tool but provides additional flexibility at the instrument tip. In order to equip this system with active haptic feedback requirements are derived from occurring forces during tissue manipulation, transparency of the haptic system, mechanical soft tissue properties and human haptic capabilities. Based heron a novel piezoresistive 3-DOF force sensor has been developed. It is built on a multi-axial deformation body. Novel piezoresistive strain gauges have been developed to be integrated on the deformation body. The force sensor will measure contact forces between instrument and tissue. Based on those measurements an impedance controlled haptic interface will provide spatial haptic feedback to the surgeon. The device will be driven by brushless DC motors and transmits the haptic information via a parallel kinematic mechanism to the surgeon’s hand

Messtechnische Charakterisierung eines netzwerkgestützten Gewebemodells

Das Entwicklungsziel von haptischen Telemanipulationssystemen für minimalinvasive Eingriffe an Weichgewebe besteht in der Gewährleistung von transparentem Verhalten. Bei ideal transparentem Verhalten spürt der Nutzer am haptischen Bedienelement des Systems verlustfrei die mechanische Impedanz des manipulierten Objektes. Um Transparenz erreichen zu können ist folglich die Kenntnis der Impedanz des manipulierten Gewebes notwendig. Zur Messung dieser Impedanz wird ein Messstand entwickelt und aufgebaut. Während der Messung wird eine sinusförmige Kraft im Bereich von bis zu 5 N bei variabler Frequenz von DC…20 Hz in das Messobjekt eingeleitet. Die hohe Nachgiebigkeit des organischen Gewebes erfordert eine definierte Wegamplitude des impedanzgeregelten Systems von bis zu 15mm. Als Kraftquelle wird ein DC-Motor mit nachgeschaltetem Seilgetriebe eingesetzt, um eine lineare Bewegung zur Krafteinleitung in das Messobjekt zu gewährleisten. Zur Verringerung der Messunsicherheit wird die Kraft direkt an der Krafteinleitungsstelle zum Messobjekt gemessen. Die Geschwindigkeitsantwort des Gewebes wird durch Differentiation der Messsignale eines Lasertriangulators bestimmt. Die viskoelastischen Eigenschaften des Gewebes werden durch ein elektro-mechanisches Netzwerk modelliert. Die in der Messung ermittelten charakteristischen Amplituden- und Phasenverläufe der Gewebeimpedanz werden zur Parametrisierung der Netzwerkelemente genutzt. Ergebnis ist eine für den Entwurf des haptischen Systems nutzbare dynamische Beschreibung der mechanischen Gewebeeigenschaften