Kraftsensorik

Faseroptische Kraftsensorik: Chirurgische Präzision der nächsten Generation bei
kritischen medizinischen Eingriffen.

Die Möglichkeit zur Kontrolle der Wechselwirkungskräfte zwischen minimalinvasiven chirurgischen Instrumenten und menschlichem Gewebe gewinnt in der medizinischen Fachwelt unerlässlich und hat insbesondere bei Herzkathetereingriffen, wie Herzablation, oder robotergestützten laparoskopischen Operationen eine enorme Bedeutung.

Faseroptische Kraftsensorik als
schlüsselfertige Lösung.

Kraftsensorik bietet die Möglichkeit, Interaktion zwischen mehreren Körpern zu messen. Ein Beispiel aus dem medizinischen Bereich ist die Messung der Kraft zwischen einer Katheterspitze und dem menschlichen Gewebe.

Die in Multikern-Fasern integrierte Draw Tower Grating (DTG®) Technologie von FBGS bildet die Grundlage für dieses hochmoderne faseroptische Kraftsensorikkonzept. Aufbauend auf dieser Technologie entwickelt FBGS derzeit eine Lösung für hochauflösende Kraftmessung. Die patentierte Kraftsensortechnologie ist in ihrer Einfachheit des Konzepts elegant und dennoch leistungsstark. Eine optische Faser ist in ein Biegeelement integriert, das externe Kräfte an die Faser weiterleitet. Die Biegung ist achsensymmetrisch, um eine homogene, nicht präferentielle Biegung zu ermöglichen. Zudem ist der Sensor so konstruiert, dass er eine dreidimensionale Kraft misst, bei der Längs- und Querkräfte gut entkoppelt sind. Die Kraftsensoriklösung besteht aus einem faseroptischen Sensor, einem Messgerät und der Software, die alle Algorithmen zum Auslesen und Verarbeiten der Daten in Echtzeit verwaltet.

Der Lösungsansatz ist so konzipiert, dass er sich für viele verschiedene Anwendungen eignet.  Eine Anwendungsmöglichkeit ist beispielsweise die Integration in Katheterspitzen und andere Arten von nicht-robotergestützten und robotergestützten chirurgischen Instrumenten.

Systemeigenschaften

∙ Schlüsselfertiges faseroptisches Kraftsensoriksystem (Faser, Messsystem, Software)
∙ Einfache Integration & Montage in bestehende Systeme
∙ Entkopplung zwischen Längs- und Querkräften
∙ Maßgeschneiderte Lösung für die Bedürfnisse & Anforderungen des Kunden
∙ Hohe Wiederholgenauigkeit
∙ Revolutionäres Miniaturdesign des Katheterspitzen-Kraftsensors
∙ Passive Komponente: elektromagnetische Verträglichkeit mit geringem Risiko für den Patienten
∙ Miniaturisierte und biokompatible Faser

Anwendungsbereiche

Die faseroptische Kraftsensorik eignet sich besonders gut für sicherheitskritische Anwendungen bei minimalinvasiven chirurgischen Eingriffen und in der Medizinrobotik, einschließlich für MRT und ähnliche (elektro-)magnetische Anwendungen. FBGS bietet eine schlüsselfertige Lösung, die auf die individuellen Anforderungen Ihrer Anwendung zugeschnitten ist.

Hier sind einige Beispiele, in denen faseroptische Kraftsensoren integriert werden können:

Minimalinvasive biomedizinische und Katheterisierungsverfahren
∙ Kraftsensorik in Nadeln
∙ Spitzenkrafterfassung in Ablationskathetern
. Kraftsensorik in medizinischen Greifern
∙ Krafterkennung und haptische Rückmeldung bei Roboterinstrumenten

Kraftsensorik für kontinuierliche Robotersysteme

Noch weiter gehen – Kombination von Kraft- und Formerfassung in einem Gerät

Forminformationen sind für die Navigation und Lokalisierung erforderlich, während Kraftinformationen notwendig sind, um die Interaktion mit der Umgebung an der Spitze des Geräts zu erkennen. Auf diese Weise wird die Komplementarität der beiden Technologien deutlich. Daher haben wir mit Forschungsarbeiten begonnen, um die Integration beider Technologien in einem einzigen System zu ermöglichen. Dabei ist das angestrebte Ziel eine Komplettlösung zu entwickeln, die in Echtzeit zuverlässige Form- und Kraftinformationen liefern kann, um die Verfahrenssicherheit und -effizienz zu erhöhen.

 

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Kraftsensorik | FAQ

Warum ist die faseroptische Kraftsensorik für minimalinvasive medizinische Anwendungen besonders geeignet?
Die faseroptische Kraftsensorik hat ein großes Potenzial für verschiedene medizinische und industrielle Anwendungen zur Messung der zwischen mehreren Körpern ausgeübten/angelegten Kraft. Angesichts der geringen Abmessungen der Faser, ihrer Strahlungsunempfindlichkeit, Biokompatibilität und Flexibilität bei der Integration in Katheterspitzen ist die faseroptische Kraftsensorik die Antwort auf die derzeit unerfüllten Anforderungen in der minimalinvasiven Chirurgie.
Wie / warum kann FBGS eine komplette, schlüsselfertige Lösung für die Kraftsensorik liefern?
Mit mehr als einem Jahrzehnt Erfahrung in den Bereichen Faseroptik, Gitter und Messgeräte kombiniert FBGS sowohl Technologie als auch Anwendungs-Know-how, um komplette Messlösungen zu entwickeln. Die Kraftsensorik war logischer nächster Schritt, der nach der Fertigstellung eines leistungsfähigen Dehnungsmesssystems in Angriff genommen wurde. Darüber hinaus investieren wir in Forschung und Entwicklung, um unser Sensorsystem ständig zu verbessern und es an die Bedürfnisse medizinischer Anwendungen anzupassen. Dies macht uns zu einem der Pioniere auf dem Gebiet der Kraftsensorik.
Ist es sinnvoll, Form und Kraft in einem Messgerät zu vereinen?
Ja. Forminformationen sind für Navigations- und Lokalisierungszwecke erforderlich, während Kraftinformationen notwendig sind, um die Interaktion mit der Umgebung sowohl an der Spitze als auch entlang des Körpers des Instruments zu kennen. Beide Messungen können mit einer einzigen MCF-Faser durchgeführt werden. Der Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass es sich um eine Komplettlösung handelt, die zuverlässige Form- und Kraftinformationen liefert, um die Sicherheit und Effizienz des Verfahrens zu erhöhen, und das zu den Kosten von nur einer Faser. Aktuell forschen wir daran, die Integration von beidem zu ermöglichen. Erste Tests wurden bereits mit vielversprechenden Ergebnissen durchgeführt. Ein Artikel zu diesem Thema ist hier zu finden: O. Al-Ahmad, M. Ourak, J. Vlekken, und E. Vander Poorten, "FBG-Based Estimation of External Forces Along Flexible Instrument Bodies", Front. Robot. AI, Bd. 8, 2021. In der nächsten Phase werden wir unsere Algorithmen an echten medizinischen Instrumenten testen.