Entwicklung einer universellen Aktorplattform aus Formgedächtnislegierungen für Laparoskopie und Endoskopie

Einleitung Die Endoskopie hat die minimalinvasive Diagnostik und Behandlung von abdominellen Erkrankungen vor 60 Jahren revolutioniert. Das grundlegende mechanische Design der Endoskope hat sich jedoch seitdem nur geringfügig verändert, so dass sie im Vergleich zu den heutigen technischen Standards veraltet sind.

Ziele In dem vorgestellten Projekt entwickeln wir mikrorobotische Endoskope der nächsten Generation auf der Grundlage von Formgedächtnislegierungen (FGL). Unser Ansatz besteht in der Transformation der Endoskopie in einen intelligenten und robotergestützten Eingriff, welcher die Entwicklung von smarten Assistenzsystemen in cybermedizinischen Systemen ermöglicht.

Methodik FGL können in kaltem Zustand verformt werden, kehren aber bei Erwärmung in ihre vordeformierte Form zurück. Dieser Effekt kann zur Aktorik genutzt werden. Nach einer grundlegenden Charakterisierung von FGL-Aktordrähten dienten die gewonnenen Erkenntnisse als Grundlage für die Entwicklung unseres ersten Prototyps (Abb. 1). Besondere Schwerpunkte lagen hierbei auf der mechanischen und elektronischen Implementierung der Aktordrähte sowie auf der Entwicklung eines speziellen Nitinolgelenks für die Instrumentenspitze. (Abb. 1B, 1C, 1D)

Ergebnis Neben einem innovativen Aktorprinzip legen wir Wert auf eine intuitive Benutzeroberfläche. Basierend auf einer Usability-Studie haben wir eine joystickbasierte Steuerung entwickelt, welche in Kombination mit einem kraftbasierten Steuerungsalgorithmus eine präzise und komfortable Manipulation der Endoskopspitze erlaubt (Abb. 2). Der Demonstrator mit Kamera ermöglicht eine maximale Biegung des Instrumentenkopfes von+/- 90° in zwei Achsen mit einer Frequenz von etwa 0,25 Hz. Bei kleineren Auslenkungswinkeln wird die Betätigung deutlich schneller (70° -> 1 Hz).

Schlussfolgerung Eine präzise und schnelle elektronisch ansteuerbare Aktorik eines Endoskops mittels FGL ist prinzipiell möglich. Die Erkenntnisse aus den ersten Entwicklungsschritten werden aktuell in einer miniaturisierten, anwendungsnahen zweiten Version umgesetzt, welche zeitnah in ersten in-vivo Tierversuchen eingesetzt werden soll (Abb. 3). Zudem ist die Erweiterung der Steuerungsfunktionen geplant. Durch automatisch einstellbare Blickwinkel soll ein erster Schritt in Richtung smarter Assistenzsysteme gemacht werden. Aufbauend auf den hier gelösten Fragestellungen ist die Entwicklung eines flexiblen Endoskops und endoskopischer Werkzeuge auf Basis von FGL-Aktoren geplant.

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Abbildungen:

Abbildung 1: Aufbau des Demonstrators. A) Halboffener Demonstrator mit Schaft. B) Nitinolgelenk mit Videoeinheit. C) Drahtführung mit FGL-Drähten. D) Vergrößerung mit Führungsschlitten und Umlenkrollen

Abbildung 2: Demonstrator mit Bedieneinheit. A) Renderbild des Demonstrators mit Schaukasten. B) Halboffener Demonstrator mit Messeaufbau. C) Steuerung des Demonstrators

Abbildung 3: Planmodell für die verkleinerte zweite Version des Demonstrators (Aktuell in Arbeit)

Publikationsverlauf

Artikel online veröffentlicht:
19. August 2022