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

Abstract

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