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|title=Biomimetischer taktiler Sensor auf Fiber Bragg Sensor Basis zur Tumorerkennung - Erste Prototypen und Ergebnisse
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==Biomimetischer taktiler Sensor auf Fiber Bragg Sensor Basis zur Tumorerkennung - Erste Prototypen und Ergebnisse ==
https://ceur-ws.org/Vol-1477/Proceedings_CURAC_2013_Paper_4.pdf
Biomimetischer taktiler Sensor auf Fiber Bragg Sensor Basis zur
Tumorerkennung – Erste Prototypen und Ergebnisse
C. Ledermann¹, H. Alagi¹, J. Hergenhan¹, R. Schirren², H. Wörn¹
¹ Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Prozessrechentechnik, Automation und Robotik, Karlsruhe, Deutschland
² Klinikum rechts der Isar, Technischen Universität München, München, Deutschland
Kontakt: christoph.ledermann@kit.edu
Abstract:
Bei der robotergestützten Single-Port-Chirurgie wird haptisches Feedback an den Arzt als wichtig eingestuft. Hierfür
notwendige taktile Sensoren sollen u.a. in der Lage sein, Tumore von gesundem Gewebe unterscheiden zu können. Men-
schen können Gewebe mit ihren Fingerspitzen palpieren, wobei das Fingerendglied genutzt wird, um den notwendigen
Druck zur Palpation auszuüben, Tumore werden dann durch Deformation der Fingerbeere erkannt. Der in dieser Arbeit
vorgestellte taktile Sensor ahmt den menschlichen Finger nach und besteht aus einem harten Teil (Plexiglas) und einem
weichen Teil (Silikon). Die Dehnung bzw. Stauchung beider Materialien wird dabei jeweils über Faser Bragg Gitter
gemessen. Durch unterschiedliche Verläufe der Dehnungskurven können dann Tumore detektiert werden. Mit einem
Prototypen des taktilen Sensors wurde ein selbsterstelltes haptisches Phantom abgetastet, ein Silikonkissen mit einge-
betteten Plastikkugeln unterschiedlicher Größe. Die Kugeln konnten erfolgreich detektiert werden.
Schlüsselworte: Taktiler Sensor, Fiber Bragg, Tumordetektion
1 Problemstellung
Bei 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, wel-
che 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 Ver-
gleichsmessungen 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].
2 Material und Methoden
2.1 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 Tumo-
ren 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 Silikon-
kissen dient als Grundlage für die später aufgeführten Experimente.
2.2 Fiber Bragg Gratings Quelle: MITI
Die sensorische Grundlage für den taktilen Sensor sind die soge- Abbildung 1: Links: das haptische Phantom von
nannten Fiber Bragg Gratings. Dies sind in Lichtwellenleitern bzw. MITI. Rechts: Silikonkissen mit eingelassenen Ku-
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Fasern eingeschriebene Strukturen, welche Dehnungen und
Temperatur erfassen. Dabei wird breitbandiges Licht in die Faser
eingespeist; an den Fiber Bragg Gratings wird jeweils ein schma-
ler Peak des Lichts reflektiert, der Rest wird transmittiert. Dieser
Peak ist abhängig von der Gitterstruktur des Gratings, welche
durch Dehnung und Temperatur beeinflusst wird.
In einer Faser können mehrere Messpunkte eingeschrieben werden, Abbildung. 2: Funktionsprinzip der Faser Bragg
welche anhand ihrer Basiswellenlänge unterschieden und gleichzei- Gratings.
tig ausgelesen werden können. Abbildung 2 verdeutlicht den Sach-
verhalt noch einmal.Die Sensoren sind biokompatibel und elektromagnetisch, da sie auf optischer Basis arbeiten.
2.3 Aufbau des taktilen Sensors
Der taktile Sensor selbst ist einem menschlichen Finger nachempfunden. Ei-
gens durchgeführte Tastversuche haben ergeben, dass eine relativ hohe Kraft
erforderlich ist, um die Tumore im haptischen Phantom des MITI zu detektie-
ren. Dabei wird der Knochen, also das Fingerendglied, verwendet, um die
notwendige Kraft auszuüben, über eine Verformung der Fingerbeere werden
dann unterschiedliche Härten erkannt [2].
Entsprechend besteht der taktile Sensor auch aus einem harten Teil, mit wel-
chem das Silikonkissen eingedrückt wird, und einem weicheren Teil, mit dem
die Tumore detektiert werden. Als Materialien wurden hier für den ersten
Aufbau Plexiglas und Elastosil RT 625 der Wacker Chemie AG mit Shore A
Härte 25 verwendet. Dabei wurde eine Faser so in das Silikon integriert, dass
sich ein Grating an dessen Spitze befand, eine andere Faser wurde am Plexi-
glas festgeklebt, sodass ein Grating die Dehnungen des Plexiglases misst.
Es wurden zwei Varianten des taktilen Sensors hergestellt, beide sind in Abb.
3 zu sehen. Bei der ersten Variante ist der innere, weiche Silikonkern komplett
von Plexiglas umschlossen, bei der zweiten Variante wurde ein Teil des Plexiglases an der Spitze entfernt, um den
menschlichen Finger besser nachzuempfinden.
Abbildung 3: Links: Variante 1 - der in-
2.4 Sensoridee nere Silikonkern ist komplett von Plexi-
Beim Eindrücken des taktilen Sensors in das haptische Phantom wird dieses glas umschlossen. Rechts: Variante 2 – im
entsprechend deformiert und erzeugt einen Gegendruck, wodurch das Plexi- vorderen Bereich wurde ein Teil des Ple-
glas (minimal) und das Silikon des Sensors zusammengedrückt und verkürzt xiglases entfernt.
werden. Dies ist durch die Gratings messbar. Die Deformation beider Materi-
alien verläuft jeweils etwa linear mit der Eindringtiefe, jedoch für beide Materialien unterschiedlich. Trifft der taktile
Sensor mit dem weichen Teil auf eine der Kugeln, so wird dieser im Vergleich zum harten Teil noch einmal stärker ein-
gedrückt. Trägt man also in einem Diagramm die beiden Dehnungen des Plexiglases und des Silikons gegeneinander
auf, so sollte sich zunächst ein linearer Verlauf ergeben, beim Auftreffen auf eine Kugel ist dann ein deutlicher Knick zu
sehen.
2.5 Experimente
Abb. 4 zeigt den Messaufbau für unsere Experimente. Mit einer motorgetriebenen
Spindel wird der taktile Sensor senkrecht nach unten bewegt, also auf das hapti-
sche Phantom gedrückt. Die Startposition wurde jeweils manuell so eingestellt,
dass der taktile Sensor und das Phantom schon Kontakt miteinander hatten, dann
wurde der Sensor um 3mm nach unten und wieder zurück bewegt. Die Messwerte
der Fiber Bragg Gratings wurden dabei kontinuierlich aufgenommen.
Es wurden vier verschiedene Szenarien durchgeführt: der Silikonteil des Tumors
drückt auf die Kugel, der Plexiglasteil drückt auf die Kugel, sowohl Silikon als
auch Plexiglas drücken auf die Kugel, die Kugel wurde nicht mit dem taktilen Sen-
sor erfasst. Alle vier Szenarien wurden jeweils für jede Kugelgröße durchgeführt.
Abbildung 4: Messaufbau
für die Experimente.
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3 Ergebnisse
Zunächst wurden Versuche mit der ersten Variante des taktilen Sensors durchgeführt. Dabei zeigte sich allerdings, dass
das Grating im Silikon kaum Dehnung erfahren hat und somit keine Information lieferte über das Vorhandensein oder
Nichtvorhandensein eines Tumors. Der Grund hierfür liegt darin, dass Silikon ein inkompressibles Medium ist. Da es
bei dieser Variante des taktilen Sensors komplett von Plexiglas umgeben ist, kann es in keine Richtung „ausweichen“
und deformiert werden. Dadurch wirkt es extrem steif und erfährt durch Druck kaum Dehnung bzw. Stauchung.
Für die zweite Variante des taktilen Sensors wurde daher wie oben beschrieben ein Teil des Plexiglases an der Spitze
entfernt. Die Ergebnisse der Messreihe mit diesem Sensor sind in Abb. 5 zu sehen. Die gemessenen Wellenlängen an
der Startposition des taktilen Sensors wurden jeweils auf Null gesetzt, in der Abbildung 5 sind also die entsprechenden
Wellenlängendifferenzen aufgetragen. Da der taktile Sensor insgesamt gestaucht wird, verschieben sich die Wellenlän-
gen zu niedrigeren Werten hin. Aufgezeichnet ist in allen Fällen nur der „Hinweg“, also die Messwerte beim Eindrücken
des Sensors, da dies im tatsächlichen Anwendungsfall der wesentliche Teil des Palpierens sein wird.
In allen drei Fällen (auf die verschiedenen Kugelgrößen bezogen) ist zu sehen, dass das Plexiglas am stärksten ge-
staucht wird, wenn es auf den Tumor trifft (blaue Linie). Wenn das Silikon auf den Tumor trifft, so wird das Silikon am
stärksten gestaucht (grüne Linie). Am stärksten ausgeprägt ist dieser Effekt jeweils bei der großen Kugel, welche offen-
sichtlich den größten Effekt auf die effektive Dichte des Phantoms an dieser Stelle hat. Ebenso kann man erkennen, dass
die Vergleichsmessung, also die Messung, bei der keine Kugel erfasst wird, in allen drei Teildiagrammen ähnlich ver-
läuft und einen ähnlichen Endwert besitzt (cyanfarbene Linie). Der Fall, dass sowohl das Plexiglas als auch das Silikon
auf die Kugel treffen (rote Linie), verläuft in allen drei Fällen unterschiedlich. Dies könnte daran liegen, dass jeweils
unterschiedliche Anteile an Plexiglas und Silikon auf die Kugel treffen.
Ferner sind in jeder Kurve mehr oder weniger ausgeprägte Wellenlinien zu erkennen. Die Ursache hierfür konnte nicht
abschließend geklärt werden, vermutet wird jedoch ein Zusammenhang mit der Motorspindel, welche den taktilen Sen-
sor nach unten bewegt und eventuell keine gleichmäßige Bewegung ausführt.
Der in Kap. 2.4 beschriebene erwartete Knick der Kurven ist nicht zu erkennen. Dies deutet darauf hin, dass die Kugel
schon bei minimalen Eindringtiefen die lokale Dichte des haptischen Phantoms beeinflusst, und nicht erst ab einer Ein-
dringtiefe nahe der Tiefe, in der sich die Kugel befindet. Ähnliche Ergebnisse ergaben auch die Messungen von [2]. Da
Abbildung. 5: Ergebnisse der Experimente für den taktilen Sensor Variante 2, geordnet nach Größe der abgetasteten
Kugel.
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sich in unserem Phantom nur eine Schicht von 1 mm über den Kugeln befindet, haben diese also von Beginn an Ein-
fluss auf die lokale Dichte des Phantoms.
4 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.
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 drü-
cken 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 lie-
gende Tumore detektieren zu können. Ziel ist dabei, die Tumore im haptischen Phantom des MITI detektieren zu kön-
nen. 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 wer-
den kann.
5 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 Ergebnis-
sen führten. Eine Unterscheidung zwischen „gesundem Gewebe“ und Tumor“ war möglich.
6 Danksagung
Diese Arbeit wurde angefertigt innerhalb der DFG-Forschergruppe 1321 „Single-Port-Technologie für
gastroenterologische und viszeralchirurgische endoskopische Interventionen“
7 Referenzen
[1] Ledermann, C.; Hergenhan, J.; Weede, O.; Woern, H., "Combining shape sensor and haptic sensors for highly
flexible single port system using Fiber Bragg sensor technology," Mechatronics and Embedded Systems and Ap-
plications (MESA), 2012 IEEE/ASME International Conference on , vol., no., pp.196,201, 8-10 July 2012
doi: 10.1109/MESA.2012.6275561
[2] W. J. Peine, R. D. Howe, Do Humans Sense Finger Deformation Or Distributed Pressure To Detect Lumps In
Soft Tissue?, Proc. ASME Dyn. Sys. and Control Div, pp. 273-278, 1998
[3] J. Hergenhan, R. Schirren, H. Alagi, H. Feussner, H. Wörn, S. Reiser, Vermessung eines haptischen Phantoms als
Basis für die Entwicklung eines taktilen Sensors, CURAC2013, 28. – 30. Nov. 2013, Innsbruck
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