Wissenschaftliche Berichte - FZKA 5898
Sensor-Aktorsysteme für den Einsatz in der laparoskopischen Chirurgie
Zusammenfassung
Ein zentrales Problem in der minimal invasiven Chirurgie besteht darin, daß durch die Verwendung von endoskopischen Instrumenten die feinfühlige Abtastung von Gewebe zur Diagnose von Verhärtungen nicht mehr möglich ist. Durch die Integration eines miniaturisierten Sensor- und Aktorsystems in eine endoskopische Greifzange wurde erstmalig eine feinfühlige Interaktion zwischen Gewebe und Chirurg ermöglicht.
Das entwickelte Sensorsystem basiert auf den physiologischen Grundlagen des Tastsinns und beinhaltet 8x8 Druckpunkte auf einer Fläche von 0,64cm². Die sensitive Einheit jedes einzelnen Sensors besteht aus einem teilweise eingespannten Siliconhohlzylinder, welcher von der Stirnseite aus durch Licht einer flexiblen Leuchtfolie beleuchtet wird. Am anderen Ende der Bohrung befindet sich ein angekoppelter Lichtwellenleiter, der auf der lichtsensitiven Fläche eines CCD-Chips endet. Wird nun auf die flexible Leuchtfolie eine Kraft ausgeübt, verengt sich, in Abhängigkeit der aufgebrachten Kraft, die Bohrung im Siliconhohlzylinder und die in die Lichtwellenleiter eingestrahlte Strahlungsleistung reduziert sich. Diese Strahlungsleistung wird nun vom CCD-Chip gemessen und ausgewertet. Weiterhin wurde im Rahmen dieser Arbeit eine universell einsetzbare grafische Ausgabeeinheit entwickelt. Hiermit ist es möglich, eine beliebige Anzahl von Meßsignalen über die serielle Schnittstelle eines PCs zu erfassen und in einer 3D-Gitterstruktur darzustellen (Druckgebirge). Diese Druckwerte dienen zusätzlich der Ansteuerung von 8x8 Aktoren.
Vor Entwicklung des Aktorsystems wurde ein Taststand zur Messung der Anforderungen an taktil-haptische Displays bei der Darstellung von dreidimensionalen Druckverteilungen aufgebaut. Dies führte zu einem Anforderungskatalog für analog positionierbare Aktoren. Als Resultat dieser Voruntersuchungen wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Aktorarray für die taktil-haptische Darstellung der mit dem Sensor gemessenen Druckverteilungen aufgebaut. Das aufgebaute Aktorarray besteht aus 8x8 Aktoren. Die Aktoren sind aus Formgedächtnislegierung mit einem eingeprägten Einwegeffekt und einer externen Rückstellkraft in Form einer Stahlfeder aufgebaut. Es werden erstmalig bei einer martensitischen Phasenumwandlung die Zwischenstufen der Phasenumwandlung ausgenutzt. Die Aktoren erreichen Stellwege von bis zu 3,5mm bei einer Kraft von 2,5N. Die Aktoren werden über eine Erwärmung (elektrischen Strom) ausgelenkt. Zur schnellen Rückstellung der Aktoren (Abkühlung) sind seitlich zwei und unterhalb ein Ventilator angebracht. Jeder Aktor kann innerhalb von 10 Sekunden in seine Position gebracht werden. Durch zusätzlich zugeführte Kühlung kann ein Zurücksetzen der Aktoren innerhalb von 10-15 Sekunden (je nach Stellweg) erreicht werden. Mit herkömmlicher Gleichstromansteuerung konnten nur Standzeiten der Druckverteilungen von <30 Sekunden erreicht werden. Durch eine neu entwickelte Pulsstromansteuerung der Aktoren können jetzt Haltezeiten der Muster >60 Sekunden gewährleistet werden.
Die Kombination von Sensor- und Aktorsystem ermöglicht eine grafische und eine taktil-haptische Darstellung von Druckverteilungen, wie sie zwischen den Maulteilen von endoskopischen Greifzangen auftreten. Damit konnte erstmalig in der minimal invasiven Chirurgie die visuelle Informationsaufnahme des Chirurgen durch die taktil-haptische Informationsaufnahme mit Hilfe seiner Finger erweitert werden.
Sensor-Actuator Systems for Use in Laparoscopic Surgery
Abstract
A major problem of minimally invasive surgery consists of a sensitive palpation of the tissue for the diagnosis of indurations being no longer possible when using endoscopic instruments. By integrating a miniaturized sensor-actuator system into an endoscopic gripper, sensitive interaction between the tissue and the surgeon has now been achieved for the first time. The sensor system developed is based on the physiology of the sense of touch and contains 8x8 pressure points on an area of 0.64cm². The sensitive unit of each sensor consists of a partially fixed hollow silicon cylinder which is illuminated by the light of a flexible electro-luminescent sheet from the front end. At the other end of the hole, a coupled waveguide is located. It extends to the light-sensitive area of a CCD chip. When a force is applied to the flexible electro-luminescent sheet, the hole in the hollow silicon cylinder is narrowed depending on the force applied. As a result, irradiation of the waveguide is reduced. This irradiation is now measured and evaluated by the CCD chip. Furthermore, a universal graphic output unit was developed within the framework of the work performed. It allows acquisition of any number of measuring signals via the serial PC interface and representation in a 3D grid structure (pressure mountains). The pressure values also serve for triggering the 8x8 actuators.
Prior to the development of the actuator system, a test rig was set up for the measurement of the tactile-haptic display requirements during representation of three-dimensional pressure distributions. This led to a catalogue of requirements to be met by analog-positioning actuators. Following these preliminary studies, an actuator array was set up for tactile-haptic representation of the pressure distributions measured by the sensor. This actuator array consists of 8x8 actuators. The actuators are made of a shape memory alloy with a one-way effect and an external readjusting force in the form of a steel spring. For the first time, the intermediate steps of martensitic phase transition are utilized. Regulating distances of up to 3.5mm are attained by the actuators at a force of 2.5N. The actuators are deflected by heating (electric current). For rapid readjustment of the actuators (cooling), two fans are installed on the sides and one below. Each actuator can be positioned within 10 seconds. By means of additional cooling, readjustment of the actuators is accomplished within 10-15 seconds depending on the regulating distance. Conventional d.c. triggering allowed residence times of the pressure distributions of <30 seconds only. By means of the novel pulsed-current triggering of the actuators, residence times of the patterns of >60 seconds are ensured.
The combination of sensor-actuator systems allows a graphic and tactile-haptic representation of the pressure distributions that may occur between the bits of endoscopic grippers. For the first time, the surgeon's visual information uptake in minimally invasive surgery can now be extended by information uptake with his fingers.