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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
 
: Werner, Michael; Braun, Dennis; Weik, David; Elsner, Sophia

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Poster urn:nbn:de:0011-n-5748621 (969 KByte PDF)
MD5 Fingerprint: f981545e17147f206e28d51361782f1e
Erstellt am: 31.1.2020


2019, 1 Folie
F.O.M.-Konferenz "Herausforderungen in Photonik und Medizintechnik" <2019, Berlin>
Deutsch
Poster, Elektronische Publikation
Fraunhofer IWU ()
shape memory; Instrument; gripping system

Abstract
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.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-574862.html