Haptisches Assistenzsystem für kardiologische und radiologische Katheterisierungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des DFG-Projektes „HapCath“ wurden die forschungsseitigen Grundlagen für die Entwicklung eines haptisches Assistenzsystems für Katheterisierungen von Herzkranzgefäßen erarbeitet. Die Zweckmäßigkeit der Lösungsansätze wurde durch Musteraufbauten bestätigt. Im Arbeitsgebiet Mikrokraftsensor wurde der kleinste bekannte Kraftsensor entworfen, gefertigt und optimiert. Ebenso konnte die Kraftvektorauflösung bestätigt werden. Hierfür wurden die Entwurfgrundlagen in Richtung besonders hoher Miniaturisierung erweitert. Im Bereich der Piezo-Ultraschallaktorik konnte ein neuartiger bimodaler Aktor entworfen werden, der eine Kraftkopplung auf eine Testkugel ermöglicht. Die gepulste Kraftwirkung kann, wie angenommen, nicht mehr als diskret wahrgenommen werden, prinzipiell ist der Aktor damit für haptische Anwendungen mit hoher Dynamik geeignet. Im Display für Führungsdrahtanwendungen konnte aufgrund der notwendigen Reibung und der ungeklärten Schwierigkeiten bei der reproduzierbaren Modenanregung bislang keine haptische Rückmeldung generiert werden. Damit kann die, hier erstmalig eingeführte, Verwendung von piezoelektrischen Aktoren in haptischen Displays nicht vollständig bestätigt, aber auch nicht widerlegt werden. Die Herausforderungen, aber auch die Vorteile, werden aufgezeigt. Im Hinblick auf die Gesamtzielerreichung des Tests des Gesamtsystems wurden parallel zum piezoelektrischen Aktor haptische Displays mit elektrodynamischen Aktoren aufgebaut. Diese ermöglichen derzeitig eine ausreichende, wenn auch in Zukunft zu verbessernde Kraftkopplung mit guter Dynamik. Damit liegen die Entwurfgrundlagen und speziellen Labortechnologien für einen Silizium- Mikrokraftsensor, dessen Montage in einen metallischen Führungsdraht und dessen Signalverarbeitungsalgorithmen und Hardwarelösungen zur Kraftvektormessung und die Grundlagen für ein angepasstes haptisches Display vor. Die entwickelten Einzelkomponenten - Mikrokraftsensor im Führungsdraht, haptisches Display und Signalverarbeitung – wurden zu einem ersten Demonstrator zusammengeschaltet und vorgestellt. Mit dem Demonstrator ist haptische Rückmeldung aus modellhaften Gefäßverläufen möglich. Verschiedene Oberflächen, Rauhigkeiten, Hindernisse, Gefäßabzweigungen, etc. können deutlich erspürt werden und beeinflussen die Drahtnavigation positiv, wenn gleich das Gesamtsystem weiter verbessert werden muss. Die prinzipielle Eignung - und damit die Grundfragestellung des Projektes - ist damit belegt, weitere Tests mit Kardiologen sind aber zu empfehlen. Die Anwendung der entwickelten prototypischen Führungsdrähte ist grundsätzlich auch für andere medizinische Bereiche, z.B. für neurologische Katheterisierungen oder in minimalinvasiven Instrumenten möglich. Im Bereich der Kraftsensoren sind erste Bemusterungen für weitere medizinische Anwendungen – z.B. schonende Insertion von Cochlea-Implantaten - vereinbart. Die Entwicklungen des haptischen Displays können die Basis zur Nutzung in medizinischen Trainingssimulatoren mit haptischer Rückmeldung bilden. Damit die wirtschaftliche Nutzung der Entwicklungen möglich wird, wurden umfangreiche Patentsicherungen durchgeführt. Zur raschen Überleitung der Forschungsergebnisse zum Mikrokraftsensor an einen industriellen Produzenten wird parallel ein DFG-Transferantrag eingereicht, damit mit den direkten Kooperationspartnern - Führungsdrahthersteller und Messelementhersteller - komplette haptische Assistenzsysteme aufgebaut und am Gefäßmodell getestet werden. Zu Fragen der Ergonomie stehen Industriedesigner und zur medizintechnischen Optimierung des Gesamtsystems drei ausgewiesene Kardiologen zur Seite. Damit wird die zukünftige Kooperationskette zu sensorintegrierten Führungsdrähten aufgebaut und qualifiziert. Die Systeme sollen intensiv auf medizinischen Kongressen und Messen den Fachleuten vorgestellt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Lösungsansätze für haptische Assistenz bei Katheterisierungen. Biomedizinische Technik, Bd. 50. 2005, Heft 1-2, S. 8–13.
Kern, T.A.; Herrmann J.; Klages S.; Meiß T.; Werthschützky R.
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Haptisches Assistenzsystem für diagnostische und therapeutische Katheterisierungen. Dissertation Technische Universität Darmstadt, 2006, 239 S.
Kern, T.A.
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Engineering Haptic Devices - A Beginner's Guide for Engineers. Springer Verlag, 2009, 472 S.
Thorsten A. Kern
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Konstruktion eines Mikrokraftsensors für Herzkatheterisierungen. TM - Technisches Messen, Bd. 76. 2009, Heft 6, pp. 292–299.
Meiss, T., Werthschützky R.
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Electromechanical Systems in Microtechnology and Mechatronics. Microtechnology and MEMS, Springer, Heidelberg 2011, XXIV, 472 S.
Lenk, A.; Ballas, R.; Werthschützky, R.; Pfeifer, G.
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Haptische Darstellung von Interaktionskräften in einem Assistenzsystem für Herzkatheterisierungen. Dissertation Technische Universität Darmstadt, 2011, 209 S.
Sindlinger, S.
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Silizium-Mikro-Kraftsensoren für haptische Katheterisierungen: Entwurf, Musterbau und Signalverarbeitung sowie erste Validierung des Assistenzsystems HapCath. Dissertation Technische Universität Darmstadt, 2011, 263 S.
Meiss, T.
