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Parallelkinematische Mechanismen zum intrakorporalen Einsatz in der laparoskopischen Chirurgie

Röse, Andreas :
Parallelkinematische Mechanismen zum intrakorporalen Einsatz in der laparoskopischen Chirurgie.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Parallelkinematische Mechanismen zum intrakorporalen Einsatz in der laparoskopischen Chirurgie
Language: German
Abstract:

Die laparoskopische Chirurgie, die minimalinvasive Chirurgie im Bauchraum, wurde im Wesentlichen in den 1980er Jahren entwickelt und ist heute die übliche Methode für viele chirurgische Eingriffe (z.B. Blinddarmentfernung und Gallenblasenentfernung) geworden. Die eingesetzten Instrumente verfügen über nur wenige Bewegungsfreiheitsgrade, weshalb die Zugangswege zu der Operationsumgebung präzise gewählt werden müssen und einige Eingriffe erhöhten Schwierigkeiten unterliegen. Instrumente mit erweiterter Beweglichkeit innerhalb des Körpers werden von Chirurgen immer wieder gefordert. Einige, jedoch rein mechanische Instrumente werden kommerziell angeboten. Elektrisch angetriebene Instrumente sind immer noch Gegenstand der aktuellen Forschung. Parallelkinematische Mechanismen sind vor allem im Werkzeugmaschinenbau und in der Handhabungstechnik bekannt. Die Möglichkeit, alle zur Bewegung der Werkzeugplattform notwendigen Antriebe gestellfest anzuordnen, prädestiniert sie für den Einsatz in der Laparoskopie. Innerhalb des Körpers, wo Bewegungen zur Positionierung der chirurgischen Werkzeuge umgesetzt werden, sind keine Antriebe notwendig, sodass die intrakorporal eingesetzten Mechanismen lediglich als passive Stab-Gelenk-Getriebe ausgeführt werden können. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwurfsmethodik und dem Aufbau von parallelkinematischen Mechanismen zum Einsatz als Positioniersysteme für Instrumente in der laparoskopischen Chirurgie. Die kinematischen Beziehungen zwischen Antrieben und Instrumentenspitze werden aufgrund der Komplexität der Mechanismen numerisch berechnet. Daher eignen sich die vorgestellten parallelkinematischen Manipulatoren auch für den Einsatz in computergestützten Eingriffen. Die numerische Berechnung ist in Echtzeit während der Bedienung möglich und kann einfach auf eine große Klasse von parallelkinematischen Mechanismen übertragen werden. Auf einem 2-Kern-Prozessor mit einem Takt von 2 GHz benötigt die Berechnung einer Mechanismus-Stellung ca. 2,3 ms. Eine Analyse mittels Starrkörpersimulationen und Finite-Elemente-Simulationen verdeutlicht zuverlässige Methoden zur Charakterisierung von parallelkinematischen Mechanismen und bildet die Basis zur ihrer Umsetzung als kostengünstige Einmalartikel in Kunststoff-Spritzguss-Technologie. Die Simulationen zeigen hohe Kräfte von bis zu 28 N innerhalb derGelenke. Eine monolithische Umsetzung in Kunststoff hält in zwei Raumrichtungen Kräften von 5 N auf den Tool-Centre-Point stand, jedoch zeigen die Untersuchungen in einer Raumrichtung deutliche Verformungen bereits bei einer Belastung des Tool-Centre-Point mit einer Kraft von 1 N. Kinematische Optimierungen und eine veränderte Auslegung von Festkörpergelenken können hier Verbesserungen bringen. Mit den erforschten Mechanismen wurde ein laparoskopisches Instrument entworfen und aufgebaut. Das Instrument enthält gegenüber einem klassischen laparoskopischen Instrument vier zusätzliche, im Körper liegende Freiheitsgrade. Um die Arbeitsrichtung der Instrumentenspitze zu verändern, sind drei Freiheitsgrade rotatorisch ausgeführt. Ein Freiheitsgrad ist linear ausgeführt, was zu einem 3-dimensional ausgeprägten Arbeitsraum mit einer Größe von ca. 14 cm3 führt. Die Instrumentenspitze wird durch vier piezoelektrische Antriebe bewegt, die im Instrumentenschaft außerhalb des Körpers angeordnet sind. Das Instrument wurde innerhalb eines Tierversuchs von schwerpunktmäßig laparoskopisch arbeitenden Chirurgen getestet. Die Ergebnisse des Versuchs führen zum Vorschlag einer zukünftigen Ausprägung des Instruments als kleine Operationsplattform mit mehreren parallelkinematischen Manipulationsarmen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Laparoscopic surgery (minimally invasive surgery in the abdominal cavity) was mainly developed in the 1980s. Today it is the standard procedure for many surgical interventions like appendectomy and cholecystectomy. Laparoscopic instruments contain only a few degrees of freedom (dof) for the intervention. Thus the operation path has to be planned carefully before the intervention and the interventions are more dif?cult compared to open surgical procedures. Instruments with more degrees of freedom are constantly requested by laparoscopic surgeons. Some purely mechanical actuated instruments with an extended number of dof are commercially available while electrically actuated instruments are mainly in the state of research. Parallel kinematic mechanisms are mainly used in machine tools and in handling robots. The possibility of ?xing all actuators to a base makes parallel kinematic mechanisms interesting for laparoscopic instruments with multiple degrees of freedom. All the actuators can be placed outside the body while the motion is transferred inside the body by a single, passive working link and joint mechanism. This dissertation focuses on the design methodology and the construction of parallel kinematic mechanisms as positioning systems for laparoscopic instruments. Due to its complexity, the inverse kinematic problem to control the position of the presented mechanisms is solved numerically. This calculation is done in real time and can be easily adapted to many different mechanisms. The calculation takes about 2.3 ms on a 2 GHz dual core processor. A rigid body analysis and a ?nite element analysis illustrate methods for characterisation of parallel kinematic mechanisms and points out the possibility of manufacturing the mechanisms as single-use (disposable) part by plastic injection moulding. The simulation showed that high forces of up to 28 N inside the joints were experienced. A monolithic implementation in plastic withstood forces of 5 N on the tool-centre-point in two directions. However in the other direction large deformations were experienced at a force of 1 N. A kinematic optimisation and a different design of monolithic joints can improve this result. A laparoscopic instrument with a parallel kinematic mechanism at its tip has been developed and constructed. The instrument extends the motion of a classic laparoscopic instrument by four intracorporeal degrees of freedom. In order to change the working direction of thesurgical instrument, three of the additional dof are rotational. One is a linear dof that leads to a 3-dimensional workspace of 14 cm3. The instrument tip is actuated by four piezoelectric actuators situated in the instrument shaft outside the body. The instrument has been tested by laparoscopically working surgeons in an animal experiment on a pig. These successful results suggest that a small operation platform with several parallel kinematic manipulators should be developed in future.English
Uncontrolled Keywords: Laparoskopie, Parallelkinematik, Chirurgie, minimalinvasiv, Feinwerktechnik, laparoskopisch, parallelkinematisch
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Laparoskopie, Parallelkinematik, Chirurgie, minimalinvasiv, Feinwerktechnik, laparoskopisch, parallelkinematischGerman
laparokopy, parallel kinematic, surgery, minimally invasiveEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Date Deposited: 06 Apr 2011 07:20
Last Modified: 07 Dec 2012 11:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-24932
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Schlaak, Prof. Dr.- H. F. and Radermacher, Prof. Dr.- K.
Refereed: 19 January 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2493
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