DIPLOMARBEITen: Technologiedemonstrator in minimal-invasiven chirurgischen Instrumenten & Implementierung des FingerTacs in ein Produktservicesystem für MR-Anwendungen
Extern · Forschung · Studium · TU Dresden · 16. Dezember 2021 · Julia Schneider ·
Schlagwörter: Designentwurf, Diplom, Diplomarbeit
Entwicklung eines Technologiedemonstrators für den Einsatz von Formgedächtnislegierungen in minimal-invasiven chirurgischen Instrumenten (Fabian Schober)
Bei der minimal-invasiven Chirurgie werden Eingriffe durch kleinste Körpereinschnitte oder natürliche Körperöffnungen durchgeführt. Eine der geläufigsten Operationen dieser Art ist die Entfernung eines entzündeten Blinddarms.
Die bei diesen wie auch vielen anderen Eingriffen oftmals eingesetzte Greifinstrumente funktionieren heutzutage meist rein mechanisch. Aufgrund der unzureichenden Sensitivität der Mechanismen und deren Verschleißanfälligkeit mangelt es den Instrumenten an haptischem Feedback. Das Fehlen dieses kann zu Fehleinschätzung der Greifkraft durch den Operateur führen. Gewebeverletzungen beim Patienten sind nicht selten das Resultat.
Formgedächtnislegierungen (FGL) verfügen über das Potential diese und weitere Herausforderungen anzunehmen und die Instrumente technisch sowie ergonomisch zu verbessern. FGL sind Metalle, die sich nach aufgebrachter Verformung durch die Einwirkung von Wärme oder elektrischem Strom in ihre Ausgangsform zurückformen lassen. Sie bieten die Möglichkeit sowohl als Sensoren als auch als leistungsstarke Aktoren eingesetzt werden zu können. Zudem benötigen sie einen deutlich geringeren Bauraum als heute übliche Aktoren wie Servo- oder Brushless-Motoren.
Das Fraunhofer IWU, bei dem diese Diplomarbeit in Kooperation verfasst wurde, forscht an FGL und deren Anwendung in verschiedenen Bereichen und Branchen. Um die Technologie in einem anwendungsnahen medizinischen Szenario überprüfen zu können und gleichzeitig die Potentiale des Materials erlebbar zu machen, war die Entwicklung eines Technologiedemonstrators Ziel dieser Diplomarbeit.
Der Entwicklungsprozess basierte auf einer tiefgreifenden Literaturrecherche sowie einer darauf aufbauenden, sehr umfassenden Nutzergruppenanalyse. Aus diesen Grundlagen wurden drei Konzepte abgeleitet, die die Bewältigung von spezifischen Herausforderungen in unterschiedlichen Operationen durch Formgedächtnismechanismen aufzeigen. Ein Gesamtszenario verbindet dabei jeweils die aus dem Anwendungsbeispiel resultierenden Anforderungen mit den Bedarfen für den Einsatz in Evaluationen mit Experten sowie auf Fachmessen.
Ein Vorzugskonzept wurde unter zielgerichteter Anwendung verschiedener Methoden und Tools aus dem Design und der konstruktiven Produktentwicklung in einem iterativen Entwurfsprozess weiterentwickelt. Das Ergebnis der Arbeit stellt ein ausstellungsfähiger physischer Demonstrator dar, der zukünftig den Transfer der Technologie in die Praxis fördert.
Konzeption und Umsetzung des FingerTac als Produkt-Service-System für Mixed-Reality Anwendungen (Max Alexej Pötter)
Durch die Covid-Pandemie beschleunigt und nicht zuletzt durch die Ankündigung des Metaverse befeuert wächst ein enormes Interesses an Mixed Reality Anwendungen. Allerdings ist es immer noch nicht möglich einen wichtigen Aspekt in der Interaktion mit Mixed Reality Anwendungen abzubilden: das haptische Feedback. Auf Grund fehlender haptischer Benutzerinterfaces, die einfach zu nutzen, leicht, kompakt und preiswert sind, findet man trotz der guten Aussichten , und der breiten Einsatzmöglichkeiten in dem Mixed Reality Markt nur wenige haptische Technologien. Im Rahmen des Forschungsclusters CeTI werden Human-in-the-Loop Technologien erforscht die eine Echtzeit Interaktion mit der digitalen Welt ermöglichen. Im Rahmen dieses Clusters wurde der FingerTac durch das Deutschen Luft- und Raumfahrtzentrum (DLR) als haptische Benutzerschnittstelle entwickelt.
Der FingerTac ist ein neuartiges Konzept für einen tragbaren Fingerhut, der es innerhalb augmentierter haptischer Anwendungen ermöglicht mit realen als auch virtuellen Objekten zu interagieren. Die Einzigartigkeit des Geräts besteht darin, dass es die Augmented-Haptics-Technologie zum ersten Mal in einem tragbaren, leichten Gerät vereint. Diese Fähigkeit ermöglicht gekoppelt mit einem Daten-Handschuh eine Mixed Reality Mensch-Maschine-Interaktion. In Anwendungsbereichen bei denen es auf das Fingerspitzengefühl ankommt, bietet dieses System ein hohes Potenzial dem Nutzer digitale Informationen haptisch zugänglich zu machen.
Ziel der Diplomarbeit ist es Einsatzmöglichkeiten des FingerTacs zu evaluieren und ein Demonstratorkonzept zu erarbeiten, das den besonderen Mehrwert dieser Technologie in einem plausiblen Anwendungsszenario zeigt..
In einem Ideenworkshop mit Wissenschaftlern aus CeTI wurden zum einen neue Anwendungsmöglichkeiten des Systems als auch gemeinsame Problemstellungen zu dem Thema haptische Benutzerschnittstellen entwickelt. Die Ergebnisse führten zu fünf Chancenbereichen, wobei der Bereich „Smart Lab“ durch die Möglichkeit einer interdisziplinären Kollaboration innerhalb des Clusters favorisiert wurde.
Durch die Kombination des FingerTacs mit Technologien aus dem CeTi-Forschungscluster kann eine alleinstehende Lösung zur haptischen Interaktion mit augmentierten Umgebungen erreicht werden. Ergebnis ist ein smarter Handschuh in dem sowohl Sensorik als auch Aktorik integriert sind.
Des weiteren wurden Untersuchungen und Experteninterviews durchgeführt um die Chancen und Herausforderungen eines intelligenten Handschuhs zu filtern. Dabei kristallisierten sich drei Anwendungsszenarien heraus. Bewertet wurden die Konzepte für das smarte Handschuhkonzept basierend auf Leistungs-, Benutzer- und Kundenkriterien.
Anschließend wurde für das Vorzugsszenario ein Demonstratorkonzept erstellt und daraus Anforderungen für die Herstellung eines Prototyps abgeleitet.
Ausgehend von den definierten Anforderungen wurde iterativ ein Prototyp erstellt, der den FingerTac und den Smart Glove, einem Datenhandschuh mit eingestrickten textilen Sensoren, verbindet und anschließend das System vereinfacht. Trotz der Vereinfachungen zeigt eine vergleichende Studie, dass das neue Design ähnlich wie der ursprüngliche FingerTac funktioniert.
Durch die Weiterentwicklung und Kombination des FingerTacs konnte ein Demonstrator für das CeTI-Forschungscluster erarbeitet werden, der nicht nur den Mehrwert dieser haptischen Technologie darstellt sondern auch die hohe interdisziplinäre Zusammenarbeit des Clusters hervorhebt.
