Abbildung 1: Links: das haptische Phantom von MITI. Rechts: Silikonkissen mit eingelassenen Ku-Biomimetischer taktiler Sensor auf Fiber Bragg Sensor Basis zur Tumorerkennung -Erste Prototypen und ErgebnisseCLedermann¹Karlsruher Institut für TechnologieInstitut für Prozessrechentechnik, Automation und RobotikKarlsruheDeutschlandHAlagi¹Karlsruher Institut für TechnologieInstitut für Prozessrechentechnik, Automation und RobotikKarlsruheDeutschlandJHergenhan¹Karlsruher Institut für TechnologieInstitut für Prozessrechentechnik, Automation und RobotikKarlsruheDeutschlandRSchirren²Klinikum rechts der IsarTechnischen Universität MünchenMünchenDeutschlandHWörn¹Karlsruher Institut für TechnologieInstitut für Prozessrechentechnik, Automation und RobotikKarlsruheDeutschlandAbbildung 1: Links: das haptische Phantom von MITI. Rechts: Silikonkissen mit eingelassenen Ku-Biomimetischer taktiler Sensor auf Fiber Bragg Sensor Basis zur Tumorerkennung -Erste Prototypen und Ergebnisse7F1C57C9130A2150BDFEBD7E21A8674EGROBID - A machine learning software for extracting information from scholarly documentsTaktiler SensorFiber BraggTumordetektion
Fiber Bragg Gratings
Die sensorische Grundlage für den taktilen Sensor sind die sogenannten Fiber Bragg Gratings. Dies sind in Lichtwellenleitern bzw. In einer Faser können mehrere Messpunkte eingeschrieben werden, welche anhand ihrer Basiswellenlänge unterschieden und gleichzeitig ausgelesen werden können. Abbildung 2 verdeutlicht den Sachverhalt noch einmal.Die Sensoren sind biokompatibel und elektromagnetisch, da sie auf optischer Basis arbeiten.
Aufbau des taktilen Sensors
Diskussion
Prinzipiell ist es möglich, die Kugeln im haptischen Phantom mit Hilfe des entwickelten taktilen Sensors zu detektieren, und zwar über die Steigung der Wellenlängendifferenzen-Linien. Wenn das Plexiglas auf einen Tumor trifft, so verläuft die Linie wesentlich flacher, wenn das Silikon auf einen Tumor trifft, so verläuft die Linie steiler. Je größer der Tumor ist, umso deutlicher zeigt sich dabei der Unterschied. Notwendig ist dabei immer eine Vergleichsmessung bei gesundem Gewebe, anhand dessen die "normale" Steigung ermittelt werden kann.
Zusammenfassung
In diesem Paper wurde ein neuartiger taktiler Sensor vorgestellt, welcher auf Dehnungsmessung mit Hilfe optischer Sensoren basiert und dem menschlichen Finger nachempfunden ist. Die generelle Funktionsweise des Sensors konnte nachgewiesen werden, indem Kugeln in einem selbst erstellten haptischen Phantom detektiert wurden. Dabei wurden verschiedene Fälle betrachtet, wie der taktile Sensor auf den Tumor auftreffen kann, die zu unterschiedlichen Ergebnissen führten. Eine Unterscheidung zwischen "gesundem Gewebe" und Tumor" war möglich.
Danksagung
Diese Arbeit wurde angefertigt innerhalb der DFG-Forschergruppe 1321 "Single-Port-Technologie für gastroenterologische und viszeralchirurgische endoskopische Interventionen"
1 Problemstellung 1Bei der robotergestützten minimal invasiven oder Single-Port-Chirurgie wird haptisches Feedback an den operierenden Arzt als wichtig eingestuft. Elementar notwendig hierfür sind Sensoren, die haptische Informationen aufnehmen, welche dann weiterverarbeitet werden können. Diese Sensoren sollen u.a. auch in der Lage sein, Tumore von gesundem Gewebe zu unterscheiden bzw. den Operateur in die Lage versetzen, einen Tumor durch Telepalpation zu detektieren. In dieser Arbeit wird ein taktiler Sensor vorgestellt, welcher dem menschlichen Finger nachempfunden ist und durch Vergleichsmessungen von Dehnungen unterschiedliche Gewebehärten detektieren kann. Als Messgrundlage dienen sogenannte Fiber Bragg Sensoren, da diese im Rahmen des Single-Port-Projekts, an dem das Institut für Prozessrechentechnik, Automation und Robotik (IPR) mitarbeitet, auch dazu eingesetzt werden, um die Kraft-und Formsensorik zu realisieren [1]. Haptisches Phantom zur Evaluation des taktilen Sensors Von der Arbeitsgruppe für minimal invasive interdisziplinäre Therapeutische Interventionen (MITI) an der Technischen Universität München wurde ein haptisches Phantom entwickelt, welches gesundes Gewebe mit innenliegenden Tumoren realistisch darstellen soll. Dazu wurden ca. 5mm dicke Holzkugeln so in Silikon eingegossen, dass sie sich etwa 4mm unterhalb der Oberfläche befinden. Dieser Aufbau wurde am Institut für Prozessrechentechnik, Automation und Robotik (IPR) nachgeahmt, siehe Abb. 1. Als Silikon wurde "Encapso K" von der KauPo Plankenhorn e.K. mit einer Shore A Härte 25 verwendet. Dieses ist durchsichtig, sodass die Tumore sichtbar sind. Die Tumore selbst werden durch Plastikkugeln unterschiedlicher Größe (Durchmesser 4mm, 6mm bzw. 8 mm) simuliert. Für erste Tests des taktilen Sensors wurde das Silikonkissen zur Vereinfachung so gegossen, dass sich die Kugeln 1 mm unterhalb der Oberfläche befinden. Dieses Silikonkissen dient als Grundlage für die später aufgeführten Experimente.Abbildung 4: Messaufbau für die Experimente.Abbildung. 2 :Abbildung 3 : 3 ErgebnisseAbbildung. 2: Funktionsprinzip der Faser Bragg Gratings.
Problematisch ist der Fall, wenn sowohl das Plexiglas als auch das Silikon auf den Tumor auftreffen; in diesem Fall ist nur schwierig eine Aussage zu treffen. Außerdem wird man in der Realität nicht immer senkrecht auf das Gewebe drücken können. Wie sich ein schräges Auftreffen des taktilen Sensors und damit eine schräge Krafteinwirkung auf die Signale ausüben, ist noch zu evaluieren. Hierfür sind weitere Versuchsreihen durchzuführen, insbesondere auch, um zu einer belastbaren Aussage bezüglich der Streuung der Messwerte zu kommen.Weiterhin soll der Aufbau des taktilen Sensors weiter verbessert werden, z.B. durch Verwendung eines anderen Silikons oder auch eines anderen Materials als Plexiglas, um kleinere und tiefer liegende Tumore detektieren zu können. Ziel ist dabei, die Tumore im haptischen Phantom des MITI detektieren zu können. Inwieweit die resultierenden Ergebnisse dann auf menschliches Gewebe übertragbar sind, welches ja eine deutlich höhere Varianz der mechanischen Eigenschaften aufweist als die Phantome, muss durch entsprechende Tests ermittelt werden. Ggf. könnte man hier über speziell an das zu untersuchende Gewebe angepasste Sensoren, hinsichtlich der verwendeten Materialhärten, nachdenken.Nicht zuletzt soll der Messaufbau um einen Distanzsensor erweitert werden, mit dessen Hilfe ermittelt werden kann, ab welcher Eindringtiefe ein Tumor mit unserem taktilen Sensor detektiert werden kann.
Abbildung. 5: Ergebnisse der Experimente für den taktilen Sensor Variante 2, geordnet nach Größe der abgetasteten Kugel.
Combining shape sensor and haptic sensors for highly flexible single port system using Fiber Bragg sensor technologyCLedermannJHergenhanOWeedeHWoern10.1109/MESA.2012.6275561Mechatronics and Embedded Systems and Applications (MESA)2012. July 2012Do Humans Sense Finger Deformation Or Distributed Pressure To Detect Lumps In Soft Tissue?WJPeineRDHoweProc. ASME Dyn. Sys. and Control DivASME Dyn. Sys. and Control Div1998JHergenhanRSchirrenHAlagiHFeussnerHWörnSReiserVermessung eines haptischen Phantoms als Basis für die Entwicklung eines taktilen SensorsInnsbruckCURAC2013. Nov. 201330