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Ist Technologie so weit, dass eine Phantastische Reise schon möglich
ist?
Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane
HS Emden Leer
Antrittsvorlesung
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Inhaltsverzeichnis
• Ziel der Reise
• Roboter
– Industrie Roboter
– Medizinische Roboter
• Stand der Technik
• Projekt 1 – Handgeführter mobiler Roboter für die Kraniotomie
• Projekt 2 – Kapselroboter
• Blick in der Zukunft
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Ziel unserer Phantastischen Reise....
„Durch den Körper zu reisen, um medizinische Diagnostik durch zu führen und Viren zu bekämpfen“
http://www.innovation.ca/
1966 gedrehte Film von 20th Century
Fox
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Die Phantastische Reise
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Unsere Frage...
• Ist Technologie so weit, dass eine Phantastische Reise schon möglich ist? • „Durch den Körper zu reisen, um medizinische
Diagnostik durch zu führen und Viren zu bekämpfen“
• Menschen zu schrumpfen und in Körper zu injektieren? – Nein
• Was für andere technologische Möglichkeiten gibt es?
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Der Anfang unserer Reise...
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Ganz oben dabei !!
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Australien hat so viel zu bieten!
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Roboter
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medizinische Roboter?
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Industie Roboter
• Einmalig programmiert, Bewegung mehrmals durchgeführt –Werkstücke fast identisch – Schwere und große Werkstücke sind kein Problem –Mathematisch Opimierte Bewegungen –Mehrere Roboter können zusammenarbeiten / Orchestriert –Minimal Ablaufüberwachung –Minimale Mensch-Maschine-Interaktion – hoher wirtschaftlicher Nutzen
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Medizinische Roboter
• Jedes „Werkstück“ / jeder Patient ist anders
• Sicherheit ist wichtiger als Geschwindigkeit
• Strenge Ablaufüberwachung
• Mensch-Maschine-Interaktion ist der Kern der Arbeit
• Kosten sind ein Fließbehinderungsfaktor
• Anderen Vorteile: – Genauigkeit / Präzision
– unermüdlich
– kann größer oder kleiner sein als Menschen werden, falls benötigt
– ferngesteuert
– Über mehrere Datenquellen gesteuert
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Project 1 - Craniostar
• Handgeführter mobiler Roboter für die Kraniotomie
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die Kraniotomie… Kraniotomie, ist der Chirurgische Eingriff zur Öffnung des Schädels
Chirurgische Behandlung für Kraniosynostose
Chirurgischen Eingriff nach Trauma
Erlauben Zugriff auf tumorhaftes Gewebe
Um das Einführen einer Sonde ins Gehirn bei Parkinsonpatienten zu ermöglichen
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Roboter für die Kraniotomie?
Beispiel Cranial Implantät
Genaue Planung ist benötigt
Gründe sind:
Medizinisch
Technisch
ästhetisch
Cephalic Analysis of ‘correct’ proportions
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Roboter für den Kraniotomie?
Aktuelle Verfahren zur Übertragung des Plans
Die Planung basiert auf Erfahrung
Nur Konzept des Plan wird bis zur Ausführung durchgeführt
Genauigkeit der Planung wird nicht übertragen
Aktualisiert durch den Betrieb
Beispiel intra-operative plannung Beispiel von Plan prior zur Eingriff Beispiel von Plannung aktualisierung
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Stand der Technik – Robotergestützte Kraniotomie
Industrie Roboter mit adaptiertem Endeffektor und Programmierung
Sehr präziser Planungstransfer
Großer Einfluss
Auf den OP-Saal
Auf die Workflows
Chirurg ist entfernt
Niedrige Akzeptanz
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KIT
KIT
RWTH
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Precision Freehand Sculptor
Carnegie Mellon University
Für Implantat Vorbereitung
Knochen schneiden nur im geplanten Raum erlaubt
Angemesser präziser Planungs- Transfer
Chirurg hat die Kontrolle
Minimaler Einfluss auf den OP-Saal
Minimaler Einfluss auf den Workflow
Stand-der-Technik – chirurgischer Assistent
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Modifizierte Industrie Roboter gegenüber Chirurgischen Assistenten
Chirurgischer Assistent
Höheres Risiko von Mechanische Versagen
Chirurg hat die Kontrolle
Minimaler Einfluss auf den OP-Saal
Minimale Adaption von Workflows notwendig
Roboter gestützte Methode
Chirurg ist vom Eingriff entfernt
Höheres Risiko von Mechanische Versagen
hoher Einfluss auf OP-Saal
Hohe Auswirkungen auf Workflows
Präziser Planungstransfer
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Neues Konzept für einen Kraniotomie Roboter
Sterilisierbarer Mobiler Roboter
Handgesteuert wie eine Segway
Chirurg hat die Kontrolle
Kinematik eines 2D Mobilen Roboters angepasst
Risiko eines Mechanischen Versagens minimisiert
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System Demonstration
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Extern Video
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• Das Problem: Präziser Planungs Transfer für die Kraniotomie
– Ohne großen Einfluss auf den OP-Saal / Workflows
– Ohne den Chirurgen zu ersetzen
Systemvergleich
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Präzision
Chirurg hat die Kontrolle
Minimaler Einfluss in der OP
Minimaler Einfluss auf die Workflows
Minimales Risiko bei Mechanischem Versagen
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Präzision
Chirurg hat die Kontrolle
Minimaler Einfluss in der OP
Minimale Einfluss auf die Workflows
Minimales Risiko bei Mechanischem Versagen
21 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015
• Das Problem: Präziser Planungstransfer für die Kraniotomie
– Ohne großen Einfluss auf den OP-Saal / Workflows
– Ohne den Chirurgen zu ersetzen
Systemvergleich
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Project 2 - Endorob
• MGCE
Magnetisch gesteuerte Kapsel Endoskopie
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Medizinische Motivation - Endoskopie
• Blickdiagnose von zahlreichen Krankheiten
– Im Magen-Darm-Trakt, einschließlich Oesophagus, Magen, Darm-trakt und Kolon
• Auch in Atemwegen, Harnwegen, Fortpflanzungsapparat
– Krebs, Fieber, Geschwür, Entzündung
– Auch in minimal invasiver Chirurgie benötigt
Gesundes endoskopisches Bild endoskopisches Bild mit hämorrhagischem Fieber
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Medizinische Motivation - Kapsel Endoskopie
• Verschluckbare Kapsel mit Funksender
• Kamera Bild kabellos übertragen – Patient trägt einen Empfänger, oder
– Echtzeit Bild
• Bewegung der Kapsel kann natürlich sein, oder gesteurt. – Peristaltische Bewegung
– Mechanische Bewegung
– Magnetische Bewegung
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Medizinische / Technische Motivation - MGCE
• Magnetisch gesteuerte Kapsel Endoskopie • Kontrollierte Bewegung von der Kapsel im
Patienten mit Echtzeitübertragung von Bildern – Gesteuerte Diagnose – Begrenzt im Magen – Begrenzte Bewegungsmöglichkeiten
• Stand des System: – Magnetisches System
• Magnetfeld und magnetische Gradient steuerbar • bis zu to 40mT
– Analoge Bild Übertragung • 420x240 pixels • 2 Bilder / sec / kamera • ½ Sekond Latenz
– Batterie ≈ 1 stunden – Joystick-Steuerung – Keine Positionierungserkennung – Olympus Kapsel
• 27mm x 13mm
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Stand der Technik – Roboter im Darmtrakt
• Schwimmen ist nicht möglich im Dünndarm
• Andere Bewegungskonzepte werden momentan erforscht
• Weitere Forschungs- Gruppen haben zusätzlich Manipulatoren für Biopsie oder die Injektion von Medikamenten
Center of Research in Microengineering (CRIM) Laboratory, Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa, Italy
Microsystem Research Center, Korea Institute of Science and Technology, KOREA
„Swallowable-Capsule Technology“, Pervasive Computing, 24:29, 2008
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Forschungsziele • Entwicklung von Verfahren zur Erweiterung des MGCE Systems in Dünn-
oder Dickdärmen
• Inkl. Entwicklung eines Mechanismus zur Verwendung des MGCE Systems, um mehrere Antriebe in der Kapsel zu ermöglichen
• Einschränkungen:
– System kann nur einen Magnet haben
– Keine Aktoren / Magnetventile / Motoren
– Sensoren mit sehr geringer Leistung akzeptabel
• Idee:
– Magnetisches Feld und Gradient gesteuertes Antriebs/Getriebekonzept
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Anforderung an den Sensor
Bewegung des magnetischen Elements
Rotation des magnetischen Elements
Rotation der Polarisation des magnetischen Felds
t = 0
t = Δt
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Sensoren Entwicklung • “3D Hall in One” Magnetischer Sensor
– Maßgefertigt von dem Fraunhofer Institut für Integrierte Schaltungen
– ASIC mit 4 Hall Sensoren räumlich getrennt in eine TSOP14 Bauform
– X Y Z Magnetisches Feld @100Hz mit 16bit Genauigkeit
– 30μT/LSB
– 2T Sättigung
– 10 bit innerhalb des 40mT Feld
Hall-in-One Sensor im Test mit Ergebnissen
29 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015
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Testsystem Setup • MGCE System in Erlangen
• DSpace Echtzeit System @ 100Hz
• Simulink für Komplett System Simulierung
• Versuchsaufbau
– drehbarer Magnet (grün)
– Sägezahn Getriebe • einzurücken oder auszurücken
– Linearantriebsachse
– Sensor fixiert in der Magnet
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Weitere Forschungs Projekte
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Monash University
Microbot Medical
The Royal College of Surgeons / Scuola Superiore Sant'Anna
ETH Zurich
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Fazit
• Kapselendoskopie erlaubt eine aktiv gesteuerte Reise durch den Magen
• Diese Technologie ist aber nur der erste Schritt
• Viele Forschungsziele liegen in Bereich der Antriebskonzepte, Energieversorgung und Sensorik
• Die Reise hat begonnen ….
32 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015
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Thank you for your
Attention
Vielen Dank für Ihre
Aufmerksamkeit
33 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015
Beispiel Bewegungskonzept