EFORMIN. Einsatz von Formgedächtnisaktoren in minimalinvasiven chirurgischen Instrumenten: Poster präsentiert auf der F.O.M.-Konferenz 2019 "Herausforderungen in Photonik und Medizintechnik", 06.11.2019, Berlin

Minimalinvasive Eingriffe werden aufgrund ihres geringeren Verletzungsrisikos gegenüber einer offenen Operation in immer mehr Bereichen bevorzugt. Dem Operateur stehen hierfür verschiedene Instrumente wie Scheren, Greifer oder Zangen zur Auswahl. Die Bedienung der Werkzeuge erfolgt derzeit überwiegend mechanisch und die Bewegung wird z. B. über Bowdenzüge an die Werkzeugspitze übertragen. Aufgrund des geringen Bauraums und der eingesetzten Mechanik sind die Instrumente in ihrer Funktionalität, z. B. durch eine Limitierung der Bewegungsfreiheits-grade, begrenzt und können nicht für alle chirurgischen Eingriffe verwendet werden. Die Handhabung setzt ein großes Vorstellungsvermögen und große Geschicklichkeit voraus, ist daher meist nicht intuitiv und erfordert ein Training. Eine feinfühlige Bedienung wird u. a. durch Reibungsverluste in der Mechanik und durch eine Übersetzung von Handstück zu Werkzeugspitze erschwert. Werkzeuge mit haptischer Kraftrückkopplung werden derzeit vorrangig in Operations-robotern eingesetzt. Deren Einsatz ist aufgrund ihrer fehlenden Flexibilität nicht für alle Anwendungen sinnvoll und sehr kostenintensiv. Das im Rahmen dieser Forschung entstandene Instrument soll diese Nachteile durch ein modulares Konzept eines Handinstrumentes und den Einsatz von Formgedächtnislegierungen (FGL) für die Aktorik, Sensorik und Kraftrückkopplung überwinden. Die Modularität erlaubt eine unabhängige Entwicklung und optimale Anpassung der Einzelkomponenten, welche miteinander elektrisch gekoppelt sind. Der Einsatz von Formgedächtnislegierungen erfolgte wegen deren multifunktionalen Eigenschaften. Die Aktorkraft wird durch den thermischen Formgedächtniseffekt erzeugt und wirkt direkt am Effektor. Aufgrund der hohen Leistungsdichte können hohe Kräfte an der Werkzeugspitze bei einem Außendurchmesser des Werkzeuges von nur 5 mm umgesetzt werden. Hierfür werden zwei antagonistisch angeordnete Drähte aus einer Nickel-Titan-Legierung (NiTi) verwendet. Ein dritter Draht aus NiTi, der eine pseudoelastische Charakteristik aufweist, wird als Stellwegsensor eingesetzt. Mittels eines PID-Reglers und nichtlinearer Modellansätze kann die am Effektor wirkende Kraft bestimmt werden. Diese wird als haptisches Feedback in das Handstück als Rückkopplung für den Bediener übertragen. Auch kann eine Kraftbegrenzung realisiert werden. Ein Abknicken des Werkzeuges wird durch einen außermittig angebrachten Formgedächtnisdraht realisiert, welcher bei Aktivierung kontrahiert. Die Position kann direkt über das Widerstands-verhalten des Drahtes ermittelt werden. Die mechanische Entkopplung der Bewegungs- und Kraftübertragung erlaubt neue, ergonomische und an den Einsatz angepasste Bedienkonzepte. Langfristige gesundheitliche Schäden des Bedieners, z. B. durch Fehlhaltungen des Handgelenks, können damit zukünftig vermieden werden

EFORMIN - Einsatz von Formgedächtnisaktoren in minimalinvasiven chirurgischen Instrumenten: Poster präsentiert auf der F.O.M.-Konferenz, Trends beschleunigen durch themenoffene Transferprojekte, 7. November 2018, Berlin

Die minimalinvasive Chirurgie führt zu geringeren Verletzungen und damit zu einer schnelleren Genesung des Patienten. Für diese Eingriffe stehen den Chirurgen verschiedene Instrumente mit unterschiedlichen Effektoren wie Scheren, Greifern oder Zangen zur Auswahl. Die Ausrichtung und Öffnung des Effektors wird derzeit zumeist mechanisch über Bowdenzüge oder Zug-/Druckstangen umgesetzt. Dies führt zu einer Limitierung der Bewegungsfreiheitsgrade und verhindert aufgrund von Reibungsverlusten eine feinfühlige Bedienung. Dadurch lassen sich manche Operationsstellen nur schwer erreichen. Die Handhabung setzt viel Geschicklichkeit und Vorstellungsvermögen voraus und ist nicht immer intuitiv. Die ebenfalls erhältlichen Robotersysteme weisen teilweise eine haptische Kraftrückkopplung auf, sind jedoch für die meisten klinischen Anwendungen nicht erschwinglich. Für manuelle Instrumente, die mit geringeren Anschaffungskosten flexibel einsetzbar sind, besteht daher noch erhebliches Verbesserungs- und Innovationspotential

Einsatz von Formgedächtnislegierungen in einem modularen Instrument für die minimal-invasive Chirurgie: Vortrag gehalten auf der Werkstoffwoche, 18.-20.09.2019 in Dresden

Die minimal-invasive Chirurgie findet aufgrund ihrer Vorteile gegenüber offenen Operationen in immer mehr medizinischen Bereichen Anwendung. Patienten profitieren von einer geringeren Verletzung und infolgedessen schnelleren Genesung. Für Chirurgen ist die Operationstechnik jedoch wegen des Zugangs durch kleine Einschnitte oder natürliche Körperöffnungen mit Einschränkungen in der Flexibilität und Ergonomie verbunden. Die händisch gesteuerten Instrumente weisen mechanische Reibung und daraus resultierend unzureichendes haptisches Feedback auf, weshalb ein potentielles Risiko von Gewebeverletzungen besteht. Das im Rahmen dieser Entwicklung entstandene Instrument soll diese Nachteile durch ein modulares Konzept und den Einsatz von Formgedächtnislegierungen (FGL) zur Aktorik, Sensorik und Kraftrückkopplung überwinden. Der Vorteil der FGL liegt in der Multifunktionalität (Nutzung als Sensor und Aktor) sowie der hohen spezifischen Energiedichte, die für diese Anwendung (große Kräfte auf kleinem Bauraum) benötigt wird. Der Ansatz verfolgt das Ziel, die Funktionalität zu erhöhen und die Handhabung zu verbessern. Die einzelnen Module (Bedienteil, Schaft, Abbiegeteil und Effektor) sind elektrisch gekoppelt. Die Aktorkraft wird durch den thermischen Formgedächtniseffekt erzeugt und wirkt direkt am Effektor. Hierfür werden zwei antagonistisch angeordnete Drähte aus einer Nickel-Titan-Legierung (NiTi) verwendet. Ein dritter Draht aus NiTi, der eine pseudoelastische Charakteristik aufweist, wird als Stellwegsensor eingesetzt. Mit Hilfe einer PID-Regelung und nichtlinearer Modellierung kann die am Effektor wirkende Kraft bestimmt werden. Diese kann in Form eines haptischen Feedbacks zum Bedienteil zurückgegeben werden. Die kombinierte Verwendung von FGL-basierten Sensoren und Aktoren eröffnet die Möglichkeit einer programmierbaren Übertragungsfunktion, durch welche sich die Empfindlichkeit des Instruments verändern lässt

Digital-aktiv-assistiertes Therapiekonzept in der gerätegestützten FED-Methode für eine aktive Haltungskorrektur bei Patienten mit idiopathischer Skoliose: Vortrag gehalten auf der Konferenz bionection, Smart Medical Devices and Therapies,, 24. und 25. Oktober 2018, Dresden

Die vorliegende Arbeit wurde mit dem Ziel durchgeführt, die FED-Therapie (Fixation – Elongation – Derotation) durch Gestaltung der Interaktion und des Interfaces zu verbessern. Die folgende Hypothese stand dabei im Vordergrund: „Durch die Implementierung eines digitalen Assistenzsystems in das bisherige Therapiesystem, ist es möglich die aktive Beteiligung der Patienten im FED-Gerät zu erhöhen. Dadurch kann beispielsweise eine Autokorrektur der Körperhaltung in die Therapie integriert werden, welche die Regredienz der idiopathischen Skoliose positiv beeinflusst. “Grundlage der Arbeit ist eine nutzerabhängige Anwenderbefragung von Patienten und Therapeuten, die mit der FED-Therapie arbeiten. Es ließ sich ein deutlicher Entwicklungsbedarf der Mensch-Geräte-Schnittstelle und des Therapieverlaufes feststellen. Das Smart Device besteht sowohl aus einem Ultraschall-Sensor, der die Körperbewegungen der Patienten im FED-Gerät erfasst, als auch einem Benutzerinterface. Kern der Applikation ist die ergonomische Nutzerführung durch die Therapie und eine Integration von leicht nachvollziehbaren Therapieanweisungen. Gleichzeitig sorgt die Applikation für mehr Transparenz und ermöglicht den Patienten erstmals einen Ein- sowie Überblick des Therapiefortschrittes. Durch eine automatische Dokumentation der aufgenommenen Daten und ein verbessertes Patienten-Monitoring erfolgt eine Entlastung der Therapeuten. Dem Patienten soll es erleichtert werden, sich mittels der Gamification-Methode auf ein aktiveres und komplexeres Therapiekonzept einzulassen. In die Applikation ist daher ein Bewegungsspiel integriert. Der Patient kann durch die Erfassung seiner Bewegungen im FED-Gerät das Spiel mit der eigenen Körperhaltung steuern. Als Parameter dient dabei der Input durch die Ultraschall-Sensoren. Unterschiedliche Schwierigkeitsgrade sowie ein Punkte- und Belohnungssystem sind beispielsweise verwendete grundlegende Spielmechanismen. Sie führen zu einer erhöhten Patienten-Motivation, einem aktiveren Mitwirken in der Therapie und einer aktiveren Haltungskorrektur

Position Control and Force Estimation Method for Surgical Forceps Using SMA Actuators and Sensors

Minimally invasive surgery is increasingly used in many medical operations because of the benefits for the patients. However, for the surgeons, accessing the situs through a small incision or natural orifice comes with a reduction of the degrees of freedom of the instrument. Due to friction of the mechanical coupling, the haptic feedback lacks sensitivity that could lead to damage of the tissue. The approach of this work to overcome these problems is to develop a control concept for position control and force estimation with shape memory alloys (SMA) which could offer haptic feedback in a novel handheld instrument. The concept aims to bridge the gap between manually actuated laparoscopic instruments and surgical robots. Nickel-titanium shape memory alloys are used for actuation because of their high specific energy density. The work includes the manufacturing of a functional model as a proof of concept comprising the development of a suitable forceps mechanism and electronic circuit for position control and gripping force measurement, as well as designing an ergonomic user interface with haptic force feedback

Vorstellung Zerepro - Netzwerk Personalisierte Neurochirurgie: Vortrag gehalten auf der Auftaktveranstaltung "Neuromodulation - der Weg in die Zukunft" am 4. Mai 2018, im Museum der Bildenden Künste, Leipzig

- Vorstellung Zerepro - Netzwerk Personalisierte Neurochirurgie- 3D Druck-Verfahren- Hirnultraschal

Tiefe Hirnstimulation - Vorstellung Projekt des Sächsischen Staatsministerium für Wirtschaft und Kunst: Vortrag gehalten auf der Auftaktveranstaltung "Neuromodulation - der Weg in die Zukunft" am 4. Mai 2018, im Museum der Bildenden Künste, Leipzig

Das Ziel des Projektvorhabens und dessen Innovation ist die Entwicklung einer patientenspezifischen Stereotaxievorrichtung für die Tiefenhirnstimulation, die in halbautomatischer Fertigung bereits alle Raumkoordinaten implementiert hat und unmittelbar für eine OP genutzt werden kann. Diese soll erstmalig zeitaufwendige Justierungen und Adaptation für den jeweiligen Patienten, wie sie alle bisher genutzten Verfahren erfordern, entbehren und das Potenzial von Ungenauigkeiten und Fehleinstellungen minimieren helfen. Zusätzlich sollen Softwareprogramme entwickelt werden, die die Planung der Operation ermöglichen und während dieser ein Echtzeit-Feedback über die aktuelle Elektrodenposition im Zielgebiet graphisch darstellt. Am SMWK geförderten Forschungsprojekt sind die Westsächsische Hochschule Zwickau, das Fraunhofer Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik sowie die Universität Leipzig, Klinik und Poliklinik für Neurochirurgie als Projektpartner beteiligt. In der OP-Planungssoftware werden die medizinischen Bilddaten aufgearbeitet und der Anwender legt die möglichen Zielregionen der Stimulation fest. Hierbei werden verschiedene Bildstapel der unterschiedlichen Aufnahmefrequenzen, wie T1 und T2 überlagert und in einem gemeinsamen Koordinatensystem registriert. Das Programm ermöglicht es die MR-Marker automatisch zu erkennen, die als Grundlage für die Planung der Halterung dienen. Basierend auf den gewonnenen Koordinaten der MR-Marker, wird in einem automatisierten Konstruktionsaufbau die patientenspezifische Halterung erstellt. Diese enthält alle geometrischen Bezüge, sodass durch schrittweises Absenken der Elektrodennadel in der Vorschubeinheit die Zielposition erreicht werden kann. Anhand einer analogen Skale kann der Bediener die aktuelle Tiefe ablesen, welche zusätzlich durch einen digitalen Sensor erfasst wird. Das Signal wird zudem genutzt, um die virtuelle Elektrode in einer dreidimensionalen Umgebung darzustellen. Dabei wird der Operateur unterstützt den Zielpunkt zu erreichen. In der zu entwickelten Software werden alle relevanten Körperstrukturen implementiert, sodass der Operateur direkt ein optisches Feedback über den Verlauf der Elektrode im Zielgebiet hat und alle wichtigen Gefäße, welche nicht verletzt werden dürfen, betrachten kann. Die patientenspezifische Halterung und ein Großteil der Vorschubeinheit werden durch additive Fertigungsverfahren hergestellt. Dabei kommt das Fused Deposition Modeling (FDM) zum Einsatz. Am Ende der Prozesskette zur Herstellung erfolgt eine Qualitätskontrolle durch einen Soll-Ist-Vergleich der Geometrie