Haptisches Assistenzsystem für kardiologische Katheterisierungen
Automatisierungstechnik, Mechatronik, Regelungssysteme, Intelligente Technische Systeme, Robotik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenstand des Transferprojekts ist der Entwurf und die Realisierung eines haptischen, kraftvermittelnden Assistenzsystems für Katheterisierungen in der medizinischen Diagnostik und Therapie. Mit Hilfe dieses Assistenzsystems wird die Navigation eines Führungsdrahtes in den Herzkranzgefäßen erleichtert und die Möglichkeit des intuitiven Arbeitens durch den Kardiologen bei gleichzeitiger Reduzierung der Strahlenbelastung erschlossen. Der gewählte Lösungsansatz beruht auf der Kraftmessung an der Führungsdrahtspitze und der Rückführung der Kraftsignale in skalierter Form auf ein in den Behandlungsablauf integriertes haptisches Bediengerät. Kernkomponenten des haptischen Assistenzsystems sind: ein Führungsdraht mit integriertem Mikro-Kraftsensor; eine miniaturisierte Aktorik zur Krafteinkopplung auf den Führungsdraht; ein zusätzlicher extrakorporaler Kraftsensor, der in den Torquer integriert ist, und somit eine Kraftregelung des haptischen Gesamtsystems ermöglicht. Im Rahmen von fünf Arbeitspaketen wurden diese Zielstellungen bearbeitet: Im Arbeitspaket A wurden die Chipentwürfe in Richtung verbesserter elektrischer Kontaktierung und mechanischer Robustheit des Mikro-Kraft-Sensors optimiert. Hierbei wurde eine zuverlässige elektrische Kontaktierung durch Vergrößerung der Kontaktpads gesichert. Des Weiteren wurde ein Formschluss im Montagebereich vorgesehen, der eine mechanisch stabilere Kopplung des Mikro-Kraft-Sensors mit der Edelstahlseele ermöglicht. Insgesamt sind zehn Varianten entworfen worden, die beim Projektpartner CiS präpariert wurden. Aufgrund der erforderlichen deutlichen Änderungen im Prozessablauf gestaltet sich die Fertigung beim CIS als aufwändiger und zeitintensiver als geplant. Die für das CIS neuartige Under-Bump-Metallisierung (UBM), die ICP DRIE Trench-Konturätzung und die anschließende Abdünnung wurden im Rahmen des Fortsetzungsantrages erfolgreich durchgeführt. Am Institut EMK wurden die nackten Silizium-Messelemente an einem speziell entwickelten Kraftmessplatz getestet und kalibriert. Im Rahmen des Arbeitspaketes B ist die Kontaktierungstechnologie durch Mikrolöten überarbeitet worden. Zwei Aufbauvarianten von Führungsdrähten wurden entwickelt und mechanische Muster aufgebaut. Nach einer Bewertung hinsichtlich der Technologieverfügbarkeit und dem Montageaufwand wurden die Kunstruktionsvarianten bewertet. Mit der Vorzugsvariante ist im Arbeitspaket C die erste elektrisch funktionsfähige Führungsdraht-Musterserie aufgebaut worden. Aufgrund der verzögerten Bereitstellung der neuen Messelemente wurden diese zunächst mit vorhandenen Chips aus der 2. Charge gefertigt. In den Arbeitspaketen C + D wurde ein Konzept zur sicheren Krafteinkopplung auf den Führungsdraht erarbeitet und umgesetzt. Das Konzept beruht auf der Nutzung von drei Reibrädern, wodurch der Führungsdraht flächig auf dem antreibenden Reibrad aufliegt und Schlupf in der Anwendung ausgeschlossen werden kann. Als Antrieb wird ein elektrodynamischer Aktor eingesetzt. Zudem wurde eine Miniaturisierung der haptischen Bedieneinheit umgesetzt und somit eine ergonomische Integration in den Behandlungsablauf ermöglicht. Das haptische Display wird am Zugang zum Patienten am routinemäßig verwendeten Ventil (Y-Stück) mit einem Exzenterspanner fixiert. Zur Erhöhung der Qualität des haptischen Feedbacks wurde im Arbeitspaket E eine Analyse der Systemstruktur des Assistenzsystems durchgeführt. Diese zeigte, dass ein kraftgeregeltes haptisches Assistenzsystem eine deutlich höhere haptische Transparenz und somit Qualität des haptischen Feedbacks ermöglicht als bei kraftgesteuertem Betrieb. Zudem kann durch die Regelung die Stabilität des Assistenzsystems gesichert werden, wodurch die Patientensicherheit steigt. Zur Erfassung der für die Regelung notwendigen Interaktionskräfte des Kardiologen wurde zusätzlich ein im Fortsetzungsantrag zunächst nicht vorgesehener Kraftsensor entwickelt und in das Handstück des Kardiologen-Toquer integriert. Im Rahmen der messtechnischen Charakterisierung konnten die Vorteile einer Kraftregelung bestätigt und die Funktion des haptischen Assistenzsystems verifiziert werden. Zusammenfassend wird festgestellt, dass im Rahmen des Transferprojekts die technische Funktion der einzelnen Systemkomponenten und des Gesamtsystems als haptisches Assistenzsystem aufgezeigt werden konnten. Außerdem konnten zum ersten Mal funktionsfähige Führungsdrahtmuster mit integriertem Mikrokraftsensoren erfolgreich aufgebaut und die ersten mechanischen Tests zur Validierung der Führungsdrahtmuster durchgeführt werden. Die bisherigen Ergebnisse zeigen zudem, dass hinsichtlich der Integration der Sensorleitungen in den Führungsdraht, der mechanischen Integration des Mikro-Kraft-Sensors und der reproduzierbareren Steckermontage weiterhin Optimierungspotential besteht, um einen Transfer der Forschungsergebnisse in die industrielle Anwendung zu sichern. Eine Validierung des Gesamtsystems durch Kardiologen konnte im Rahmen des Transferprojektes teilweise durchgeführt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Silizium-Mikro-Kraftsensoren für haptische Katheterisierungen – Entwurf, Musterbau und Signalverarbeitung sowie erste Validierung des Assistenzsystems HapCath. Dissertation, Technische Universität Darmstadt, 2012
Meiss, T
- Control of Haptic Systems. In: Engineering Haptic Devices – A Beginners Guide. Springer-Verlag London, 2014
Opitz, T.; Meckel, O.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-1-4471-6518-7) - HapCath: Haptic Catheter. In: Engineering Haptic Devices – A Beginners Guide. Springer-Verlag London, 2014
Meiss, T; Opitz, T.; Rossner, T.; Stefanova, N.
- Entwurf und Realisierung eines haptischen Assistenzsystems für Herzkatheteruntersuchungen. Dissertation, Technische Universität Darmstadt, 2015
Opitz, T.
- Impedanzgeregeltes haptisches System zur extra korporalen Darstellung von Kontaktkräften in Gefäßsystemen. DE 10 2016 105 682 A1, Prioritätsdatum 29. März 2016
Opitz, T.; Stefanova, N.; W Erthschützky , R.
