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==Vermessung eines haptischen Phantoms als Basis für die Entwicklung eines taktilen Sensors==
https://ceur-ws.org/Vol-1477/Proceedings_CURAC_2013_Paper_5.pdf
Vermessung eines haptischen Phantoms als Basis für die Entwicklung
eines taktilen Sensors
J. Hergenhan1, R. Schirren2, H. Alagi1, H. Feussner2, H. Wörn1, S. Reiser2
¹Karlsruher Institut für Technologie, Institut für Prozessrechentechnik, Automation und Robotik, Karlsruhe, Deutschland
²Klinikum rechts der Isar, Technische Universität München, München, Deutschland
Kontakt: jan.hergenhan@kit.edu
Abstract:
Die robotergestützte minimalinvasive Chirurgie schließt ein wichtiges Diagnoseverfahren der Medizin aus: die Palpati-
on. Mit taktilen Sensoren kann der Tastsinn des Chirurgen ersetzt werden. Für deren Entwicklung ist eine Messumge-
bung mit konstanten Eigenschaften wichtig. Dazu dienen haptische Phantome, also Silikonkörper mit eingeschlossenen
Holzkugeln, die unter anderem zur Erforschung der Palpation von tumorhaftem Gewebe hergestellt wurden.
Durch in dieser Arbeit durchgeführte Messungen sollen die subjektiven Eindrücke bei der Palpation in Zahlen gefasst
werden. Dazu werden Stempel verschiedener Form und Breite in das Phantom gedrückt, während Kraft und Eindring-
tiefe aufgezeichnet werden. Anhand der Kräfteverteilung an verschiedenen Positionen bei gleicher Eindringtiefe kann
eine eingebettete Kugel detektiert werden.
Die Auswertung zeigt, dass sich mit dünneren Stempeln größere Kraftunterschiede zwischen Bereichen mit bzw. ohne
Kugel ergeben und zugleich der Kraftaufwand geringer ist. Bei der Herstellung des taktilen Sensors sollte dementspre-
chend ein Durchmesser von 5mm angestrebt werden.
Schlüsselworte: Palpation, haptische Phantome, Kraft-Weg-Messung, taktiler Sensor
1 Problemstellung
Die Palpation ist ein wichtiges Diagnoseverfahren in der Medizin. Durch Palpieren kann die Konsistenz oder Elastizität
eines Gewebes bestimmt werden. Dadurch können harte Einschlüsse in weichem Gewebe wie zum Beispiel Lymphkno-
ten aber auch Tumore entdeckt werden. Während die Palpation an der Körperoberfläche oder bei der offenen Chirurgie
problemlos eingesetzt werden kann, spielt sie in der laparoskopischen Chirurgie bisher nur eine untergeordnete Rolle.
Der Grund dafür liegt in der eingeschränkten Kraftrückkopplung durch die stabförmigen Instrumente und dem Verlust
des Tastsinns.
Im Single-Port-Projekt, in dem an einer Weiterentwicklung der robotergestützten minimalinvasiven Chirurgie durch
Reduktion auf einen Zugang geforscht wird, besteht eine Aufgabe darin, dem Chirurgen den Tastsinn zurückzugeben.
Durch die Verwendung eines taktilen Sensors [1], der im Körperinneren die Rezeptoren des menschlichen Fingers er-
setzt, und eines taktilen Displays [2], das die gemessenen Kräfte außen wiedergibt, soll dies ermöglicht werden.
Um reproduzierbare Versuche zu ermöglichen, wurden sogenannte haptische Phantome hergestellt. Dabei handelt es
sich um Silikonkörper mit eingeschlossenen Holzkugeln, die ein tumorhaftes Gewebe nachstellen sollen und somit als
Testobjekte für die Entwicklung und Validierung des Sensors dienen. In einer Benutzerstudie wurde ermittelt, dass die
Probanden (sowohl Anfänger und als auch erfahrene Chirurgen) in der Lage waren, mit hoher Trefferquote die Holzku-
geln durch Palpation aufzuspüren.
Ziel dieser Arbeit ist es, die Eigenschaften der haptischen Phantome zu quantifizieren, um daraus wichtige Parameter
wie Baugröße und Auflösung des taktilen Sensors abzuleiten.
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2 Material und Methoden
Abbildung 1: a) haptisches Phantom. Die Punkte markieren die Positionen der eingelassenen Holzkugeln. b) Messaufbau. c) Die
Stempel sind aus Aluminium gedreht und haben ein M5-Gewinde für die Befestigung am Kraftsensor. Stempel 1 hat eine flache
Oberseite, Stempel 2 und 3 sind abgerundet-
Das in dieser Arbeit vermessene haptische Phantom (Abbildung 1a) besteht aus RTV2-Silikon SF00, das eine Härte von
0 ShA bzw. 55 ShOO hat. Der Silikonkörper hat eine Größe von 13cm x 13cm x 2,9cm und ein Gewicht von 500g. Die
Herstellung erfolgte in zwei Schritten: Zunächst wurde der massive, 20mm starke Unterbau des Elements gegossen.
Nach Aushärtung des Silikons wurden fünf Holzkugeln mit einem Durchmesser von 5mm auf der Oberfläche des Ele-
ments fixiert (vgl. Abbildung 1a) und eine weitere Silikonschicht mit einer Stärke von 9mm aufgegossen, wobei sich die
beiden Schichten miteinander verbinden. Die Schicht über dem oberen Pol der Kugeln hat somit eine Dicke von 4mm.
Um die Größenordnung der notwendigen Kraft abschätzen zu können, wurde eine rudimentäre Voruntersuchung durch-
geführt. Dabei wurde das haptische Phantom auf einer Waage (Genauigkeit 0,1g) mit verschiedenen Fingern palpiert.
Mehrere Probanden sollten die Kugeln im Silikonkörper ertasten und den Druck auf das Phantom so anpassen, dass sie
die Kugel gerade spüren konnten. Das angezeigte Gewicht wurde in die entsprechende Kraft umgerechnet.
Für die Vermessung des haptischen Phantoms wurde ein am Institut für Prozessrechentechnik, Automation und Robotik
angefertigter Aufbau verwendet (Abbildung 1b). Dieser besteht aus einer in x- und y-Richtung manuell und in
z-Richtung automatisch angetriebenen Einheit, an der ein Single-Point-Kraftsensor (Teda Huntleigh Model No. 1022)
und ein Laser-Wegsensor (Allsens-Messtechnik AM300-30) angebracht sind. Das Signal des auf Dehnungsmessstreifen
basierenden Kraftsensors wird verstärkt und über eine NI-USB-Messkarte an den Rechner weitergeleitet. Die Messwer-
te des Lasersensors werden direkt über einen RS232-Port aufgenommen. Über ein LabVIEW-Programm werden der
Motor (Faulhaber Minimotor SH) für die z-Achse angesteuert sowie parallel die Daten der Sensoren ausgelesen. Am
Kraft-sensor können verschiedene Stempel angebracht werden (Abbildung 1c), die senkrecht in den Silikonkörper ge-
drückt werden. Die Position des Stempels in x- und y-Richtung wurde über den Lichtpunkt des Lasersensors und Mil-
limeterpapier bestimmt.
Vor der Messung wurde der Kraftsensor mit einer Waage kalibriert. Anschließend wurde der Stempel so positioniert,
dass der Abstand zum Phantom in z-Richtung weniger als 1mm betrug und in der x-y-Ebene so positioniert, dass er sich
etwa mittig über einer Kugel befand. Dieser Punkt stellte die Mitte der 2cm x 2cm großen Fläche dar, innerhalb derer in
einem Gitter von 4mm Kantenlänge insgesamt 36 Kraft-Weg-Messungen durchgeführt wurden. Bei jeder dieser Mes-
sungen wurde der Stempel mit einer Geschwindigkeit von 1,1mm/s 10mm weit in das Silikon gedrückt. Dabei wurden
90 Kraft-Weg-Wertepaare aufgezeichnet. Die Messung wurde mit verschiedenen Stempeln wiederholt.
Der taktile Sensor basiert auf einem faseroptischem Messprinzip [1] und zeichnet Kraft und Weg auf, während er – wie
die Stempel in dieser Arbeit – senkrecht in das Gewebe wird. Der erste Prototyp hat einen Durchmesser von 10mm. Die
breiten Stempel wurden entsprechend dimensioniert um weitere Parameter für den Sensor ermitteln zu können. Ein ähn-
licher Sensoransatz basierend auf einem magnetischen Messprinzip wurde in [3] vorgestellt.
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3 Ergebnisse
Die Oberfläche der Phantome und die x-y-Ebene des Messgeräts lagen nicht parallel. Daher erfolgte der Kontakt von
Stempel und Silikon bei unterschiedlichen z-Werten (bis zu 1mm Abweichung). Der Kontaktpunkt konnte weder mit
dem Kraftsensor (Rauschen) noch mit dem bloßen Auge zweifelsfrei bestimmt werden. Um trotzdem einen gemeinsa-
men Nullpunkt innerhalb einer Messreihe definieren zu können, wurde in jeder der 36 Messungen die Eindringtiefe bei
einer Kraft von 0,1N als Nullpunkt gewählt, was einem Wert von etwa 0,4mm entspricht. Dies geschah in der Annahme,
dass bei einer derart geringen Eindringtiefe der Einfluss der Kugeln auf die Kraft vernachlässigbar ist.
Die Ergebnisse der Messungen lassen sich am besten mit der Kraftverteilung an den 36 Positionen bei einer bestimmten
Eindringtiefe veranschaulichen (Abbildung 2). In der Messreihe mit dem dünnen Stempel (Nr. 3) zeichnet sich ab einer
Eindringtiefe von 4mm ab, dass an bestimmten Messpunkten die gemessene Kraft höher ist, als an den umgebenden
Abbildung 2: Gemessene Kraft mit dem dünnen Stempel (Nr. 3) an den 36 Positionen abhängig von der Ein-
dringtiefe. Die Messreihe wurde an Kugel Nr. 4 durchgeführt. Die Skalierung der z-Achse ist in allen Schau-
bildern gleich, der Offset wurde zur besseren Vergleichbarkeit angepasst. Der jeweils größte und kleinste auf-
tretende Kraftwert wurde markiert.
Messpunkten. Bei höheren Eindringtiefen wächst die Differenz zwischen Maximum und Umgebung auf etwa 1N an.
Der Einfluss der Kugel auf die Kraft ist hier also deutlich zu erkennen.
Bei den beiden breiteren Stempeln (Nr. 1 & 2) zeichnet sich die Kugel nicht ganz so deutlich ab (Abbildung 3). So ist
der Bereich der Messpunkte mit erhöhten Kraftwerten deutlich größer, während die Differenzen vergleichbar sind. Dies
entspricht der Erwartung: Je größer die Stempelfläche, desto größer ist auch die Anzahl der Messpunkte, bei denen sich
Stempel und Kugel überlappen. Die unterschiedlichen Stempelflächen erklären auch die höhere erforderliche Kraft.
Während mit dem dünnen Stempel maximal 10N für 10mm Eindringtiefe aufgebracht werden müssen, sind es mit den
breiten Stempeln 15N (flach) bzw. 14N (abgerundet). Abgesehen von den höheren Maximalkräften unterscheiden sich
die Ergebnisse des flachen und des abgerundeten Stempels nur marginal.
Abbildung 3: Gemessene Kraft mit dem flachen Stempel (Nr. 1, links) und dem breiten
Stempel (Nr. 2, rechts) an den 36 Positionen bei 6mm Eindringtiefe. Die Messreihe wurde
an Kugel Nr. 4 durchgeführt. Skalierung der z-Achse wie in Abb. 2.
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4 Diskussion
Die Ergebnisse zeigen, dass ein taktiler Sensor mit geringer Breite (5mm statt 10mm) von Vorteil ist. Dies hat zwei
Gründe: Zum einen kann der Manipulator des Single-Port-Systems, mit dem die Instrumente und auch der Sensor im
Körperinneren bewegt werden, nur Kräfte bis maximal 10N aufbringen. Für das Auffinden der Kugeln/Tumore ist die
Eindringtiefe aber ein entscheidender Faktor. Dementsprechend ist ein schmaler Sensor hier von Vorteil. Zum anderen
haben die Messungen gezeigt, dass bei der Verwendung des dünnen Stempels die Kraftdifferenzen zwischen einzelnen
Messpunkten größer sind. Eine Auflösung des Sensors von 0,1N bis 0,2N bzw. die Messbarkeit entsprechender Verfor-
mungen wäre in diesem Fall ausreichend. Die gemessenen Kräfte zeigen zudem, dass das Phantom etwas härter als das
menschliche Weichgewebe ist. Daher sollte der taktile Sensor auf niedrigere Kräfte, sprich weicher, ausgelegt werden.
Dass die Eindringtiefe ein wichtiges Kriterium zum Detektieren der Kugel im Silikon ist, bestätigen auch die Ergebnis-
se der Voruntersuchung: So wurden für das Ertasten der Kugeln mit dem Zeigefinger durchschnittlich 15N aufgebracht,
mit dem Mittelfinger 17N und mit dem Daumen etwa 20N. Teilt man diese Kräfte durch die Fläche des jeweiligen Fin-
gers, so ergeben sich vergleichbare Drücke, die wiederum eine vergleichbare Eindringtiefe bedeuten. Das Wahrnehmen
einer Kugel wird durch eine zusätzliche Verformung der Haut ausgelöst. Ab einer bestimmten Eindringtiefe drückt die
Kugel stellenweise so viel stärker auf die Haut, dass ein Schwellwert von 0,3mm [4] überschritten wird. Leider konnte
dieser Schwellwert trotz zusätzlicher Kraft-Weg-Messungen am Finger eines Probanden nicht überprüft werden.
5 Zusammenfassung
Die in dieser Arbeit durchgeführten Messungen haben geholfen, die Palpation der haptischen Phantome zu quantifizie-
ren. Die Kraftprofile zeigen bei einer bestimmten Eindringtiefe des Stempels die Existenz einer Holzkugel an. Dabei
waren die Ergebnisse bei Verwendung eines dünnen, abgerundeten Stempels am eindeutigsten. Wir schließen daraus,
dass bei der Entwicklung des taktilen Sensors ein Durchmesser von 5mm angestrebt werden sollte. Von einem noch
dünneren Sensor würden wir allerdings absehen: Bei den auftretenden Kräften und Eindringtiefen sind Verletzungen des
zu untersuchenden Gewebes durch Riss- oder Schnittwunden dann nicht mehr auszuschließen.
Derzeit wird ein weiteres haptisches Phantom mit einer dickeren Deckschicht gefertigt. Die dickere Schicht führt ver-
mutlich zu weniger scharfen Kraftprofilen, weshalb die Kugeln schwerer zu palpieren sein werden. Dieser Unterschied
soll mit einer Vermessung des neuen Phantoms quantifiziert werden.
6 Danksagungen
Die vorliegende Arbeit wurde unterstützt von der DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) im Rahmen des GRK 1126.
Die haptischen Phantome wurden im Rahmen des DFG-Projekts „Single-Port-Technologie für gastroenterologische und
viszeralchirurgische endoskopische Interventionen“ hergestellt.
7 Referenzen
[1] C. Lederman, H. Alagi, J. Hergenhan, H. Feussner, H. Wörn, Biomimetischer taktiler Sensor auf Fiber Bragg
Sensor Basis zur Tumorerkennung – Erste Prototypen und Ergebnisse, 12. Jahrestagung der Gesellschaft für
Computer- und Roboterassistierte Chirurgie (CURAC), Innsbruck, Österreich 2013, im Review
[2] J. Hergenhan, M. Mehrwald, H. Wörn, Design and Evaluation of Supporting Features for Tactile Feedback, In-
ternational Conference on Mechatronics Technology (ICMT), Jeju-Island, Korea, 2013, im Review
[3] M. Beccani, C. Di Natali, M. E. Rentschler, P. Valdastri, Wireless Tissue Palpation: Proof of Concept for a Single
Degree of Freedom, Proceedings International Conference on Automation and Robotics (ICRA), pp. 703-709,
Karlsruhe, Deutschland, 2013
[4] 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
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