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Haptische Darstellung von Interaktionskräften in einem Assistenzsystem für Herzkatheterisierungen

Sindlinger, Stephanie :
Haptische Darstellung von Interaktionskräften in einem Assistenzsystem für Herzkatheterisierungen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Haptische Darstellung von Interaktionskräften in einem Assistenzsystem für Herzkatheterisierungen
Language: German
Abstract:

In den letzten Jahren haben minimalinvasive Operationstechniken die Medizin durch die Ermöglichung komplexer Eingriffe beispielsweise im Bauchraum oder am Herzen durch das für Patienten gegenüber herkömmlichen Operationen geringere Risiko revolutioniert. Einer der Nachteile minimalinvasiver Techniken ist jedoch der Verlust der haptischen Wahrnehmung des Chirurgen. In dieser Arbeit wird daher eine Aktorik für ein Assistenzsystem zur Darstellung haptischer Interaktionskräfte für Herzkatheterisierungen entwickelt.

Auf Basis der physiologischen Grundlagen der haptischen Wahrnehmung des Menschen und des Stands der Technik erfolgt im ersten Teil dieser Arbeit eine umfassende Analyse geeigneter Aktorprinzipien. Davon ausgehend wird ein bimodales piezoelektrisches Antriebskonzept entwickelt und aufgebaut. Ein spezieller, bimodal schwingender piezoelektrischer Stapelaktor erzeugt bei einem stabförmigen mechanischen Resonator eine longitudinale und eine transversale Schwingung. Bei einem Resonator mit gebogen Spitze ist eine zweidimensionale Schwingung auch mit einem üblichen symmetrischen Stapelaktoraufbau möglich. Die Überlagerung beider Schwingungen erzeugt an der Spitze des Resonators eine geschlossene Bewegung, die zur Kraftkopplung auf den Führungsdraht genutzt wird. Der Entwurf des Resonators erfolgt zunächst durch analytische Berechnungen. Im Anschluss werden die Ergebnisse mit Hilfe numerischer Lösungsverfahren präzisiert.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der Entwurf und Aufbau eines Verstärkers zur Ansteuerung des piezoelektrischen Aktors dargestellt. Der Verstärker, der ein Ansteuersignal auf eine Spannungsamplitude von 300 V erhöht, zeichnet sich dadurch aus, dass er im Gegensatz zu am Markt erhältlichen Verstärkern trotz der kapazitiven Last des Aktors die Amplitude des hochfrequenten Ansteuersignals nahezu verzerrungsfrei und ohne Dämpfung verstärkt.

Die Charakterisierung des piezoelektrischen Ultraschallaktors, die den dritten Themenkomplex dieser Arbeit darstellt, macht die Entwicklung und den Aufbau eines Versuchsumgebung notwendig. In diesem treibt der piezoelektrische Ultraschallaktor eine luftgelagerte Kugel an, deren Rotationsbewegung über zwei optische Sensoren erfasst wird. In verschiedenen Versuchsreihen wird der Einfluss der Amplitude des Ansteuersignals, der Kontaktkraft, der Ansteuerfrequenz sowie der Einfluss von Verschmutzung und der Rauigkeit der Rotoroberfläche auf die gekoppelte Kraft untersucht.

Der Erfolg eines neuartigen Assistenzsystems für die Medizintechnik hängt wesentlich von der Gestaltung und der Gebrauchstauglichkeit der Bedieneinheit ab, mit der die Ärzte interagieren. Auf Basis zahlreicher Gespräche mit Kardiologen sowie aus den Ergebnissen einer Designstudie wird abschließend eine Bedieneinheit für das Assistenzsystem entworfen

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Over the past years medical science has been revolutionized by minimally invasive surgery technology, enabling complex surgeries in the abdomen or on the heart with a reduced risk for the patient. One disadvantage of minimally invasive surgery technology is the loss of the haptic perception of the surgeon. The development of an actuating system to provide a haptic feedback in an assistance system for cardiac catheterization is the focus of this paper. Based on the physiological basic principles of human perception and the state of the art technology a comprehensive analysis of suitable actuating principles is carried out in the first part of this paper. A bimodal piezoelectric actuating principle is then derived and developed. A rod-shaped mechanical resonator is stimulated by a special bimodal piezoelectric stack to oscillate simultaneously in a longitudinal and a transversal mode. In case of a resonator with a curved tip a common symmetrical piezoelectric stack can be used to generate the two-dimensional oscillation. The superposition of both oscillations results in an elliptical motion at the tip of the resonator, which is used for force coupling on the guide wire. In a first step analytical calculation is used to design the resonator. The results are made more precise with numerical analysis. The second part of this paper shows the development and construction of an amplifier to control the piezoelectric ultrasonic actuator. The amplifier increases the control signal up to a voltage of 300 V. Compared to common amplifiers on the market, this amplifier shows an almost distortion and loss free high frequency output signal in spite of the capacitive load of the actuator. The characterization of the piezoelectric ultrasonic actuator, which is depicted in the third part of this paper, requires the development and assembly of a special experimental set-up. The piezoelectric ultrasonic actuator drives a steel ball cradled in an aerostatic bearing. The rotational motion of the sphere is detected by two optical sensors. In various experiments the influence of the following parameters on the coupled force is determined: the amplitude and the frequency of the control signal, the contact force and the contamination and roughness of the surface of the driven ball. The success of a novel assistance system for medical technology mainly depends on the design and the usability of the user interface. Based on the results of a design study and on numerous cardiologist opinions the final step is the development of a user interface for the assistance system.English
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
Date Deposited: 15 Mar 2012 12:08
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-29093
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Werthschuetzky, Prof. Dr. Roland and Pfeifer, Prof. Dr.- Günther
Refereed: 29 June 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2909
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