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Aufbau eines in eine Hohlnadel integrierten Kraftsensors

Wismath, Sonja :
Aufbau eines in eine Hohlnadel integrierten Kraftsensors.
Technische Universität Darmstadt , Darmstadt
[Bachelorarbeit], (2016)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die Brachytherapie ist ein minimal-invasiver chirurgischer Eingriff zur Behandlung von Prostatakrebs. Dabei werden hohle Nadeln durch die Haut (Perineum) zwischen Genital und Anus des Mannes eingeführt, um radioaktive Metallstifte (Seeds) in das Krebsgewebe einzusetzen und dieses gezielt zu zerstören. Aufgrund fehlenden haptischen Feedbacks und mangelnder Erfahrung kommt es häufiger zu Komplikationen, wie Inkontinenz, Impotenz oder Erektionsstörungen. Um neue Ansätze für automatisierte Prozesse oder Umsetzungen mit verbessertem haptischen Feedback für den Chirurgen zu ermöglichen, wird im Rahmen dieser Arbeit ein 1-DOFKraftsensor entwickelt, der die Kräfte unmittelbar an der Nadelspitze misst. Diese Methode minimiert den Störeinfluss durch Reibungskräfte, die entlang des Nadelschaftes entstehen. Der zu entwickelnde Sensor soll in einer Testumgebung der TU Hamburg-Harburg genutzt und durch einen lichtleiterbasierten Kraftsensor auf Glasfaserbasis ergänzt werden.

Die Eigenschaften und Abmessungen handelsüblicher Nadeln werden untersucht, um klinisch realitätsnahe Randbedingungen zu formulieren. Ihre Durchmesser betragen 1,27mm sowie 1,47mm und stellen hohe Anforderungen an die Integrierbarkeit eines Messelementes. Daher verkörpern am Institut für Elektromechanische Konstruktionen (EMK) entwickelte Silizium-Dehnungsmesstreifen das Kernelement dieser Aufgabe. Sie nehmen eine Fläche von 0,5 x 0,5mm2 ein, messen Dehnungen im Bereich von 10�7mm{mm ¤ � ¤ 1,7 � 10�3mm{mm und ihre intrinsischen vier Widerstandsgebiete sind innerhalb dieser Abmessungen zu einer Vollbrücke verschaltet. In Folge einer Literaturrecherche und Untersuchung bestehender Systeme, werden Anforderungen formuliert und Konzepte zur Lösungsfindung abgeleitet. Es werden zwei Varianten verschiedener Nadelarten näher untersucht. Um eine finale Auswahl zu treffen, werden beide Konzepte als CAD-Modelle entworfen und ihr Dehnungsverhalten in Abhängigkeit der Krafteinleitungsrichtung und -intensität analysiert und bewertet. Das resultierende Gesamtkonzept sieht einen separaten Entwurf der Nadelspitze als Verformungskörper vor. Er wird in Form von zwei Halbschalen mit einem Durchmesser von 1,2mm und einer Länge von 10mm unter Anwendung eines speziellen Fertigungsverfahrens am Institut EMK hergestellt. Die Hälften sind so modifiziert, dass sowohl das esselement als auch dessen Verdrahtung sowie eine Glasfaser dort Platz finden bzw. letztere diesen passieren kann. Sie besitzen miniaturisierte Absätze, um eine passgenaue Vereinigung beider Teile zu gewährleisten. Durch den modularen Aufbau des Verformungskörpers und der separaten Ankopplung an ein dünnwandiges Kapillarrohr können Nadeln in beliebiger Länge realisiert werden, wobei die Kosten für die mikromechanische Fertigung des Verformungskörpers unabhängig vom Nadelaufbau ist.

Typ des Eintrags: Bachelorarbeit
Erschienen: 2016
Autor(en): Wismath, Sonja
Titel: Aufbau eines in eine Hohlnadel integrierten Kraftsensors
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Die Brachytherapie ist ein minimal-invasiver chirurgischer Eingriff zur Behandlung von Prostatakrebs. Dabei werden hohle Nadeln durch die Haut (Perineum) zwischen Genital und Anus des Mannes eingeführt, um radioaktive Metallstifte (Seeds) in das Krebsgewebe einzusetzen und dieses gezielt zu zerstören. Aufgrund fehlenden haptischen Feedbacks und mangelnder Erfahrung kommt es häufiger zu Komplikationen, wie Inkontinenz, Impotenz oder Erektionsstörungen. Um neue Ansätze für automatisierte Prozesse oder Umsetzungen mit verbessertem haptischen Feedback für den Chirurgen zu ermöglichen, wird im Rahmen dieser Arbeit ein 1-DOFKraftsensor entwickelt, der die Kräfte unmittelbar an der Nadelspitze misst. Diese Methode minimiert den Störeinfluss durch Reibungskräfte, die entlang des Nadelschaftes entstehen. Der zu entwickelnde Sensor soll in einer Testumgebung der TU Hamburg-Harburg genutzt und durch einen lichtleiterbasierten Kraftsensor auf Glasfaserbasis ergänzt werden.

Die Eigenschaften und Abmessungen handelsüblicher Nadeln werden untersucht, um klinisch realitätsnahe Randbedingungen zu formulieren. Ihre Durchmesser betragen 1,27mm sowie 1,47mm und stellen hohe Anforderungen an die Integrierbarkeit eines Messelementes. Daher verkörpern am Institut für Elektromechanische Konstruktionen (EMK) entwickelte Silizium-Dehnungsmesstreifen das Kernelement dieser Aufgabe. Sie nehmen eine Fläche von 0,5 x 0,5mm2 ein, messen Dehnungen im Bereich von 10�7mm{mm ¤ � ¤ 1,7 � 10�3mm{mm und ihre intrinsischen vier Widerstandsgebiete sind innerhalb dieser Abmessungen zu einer Vollbrücke verschaltet. In Folge einer Literaturrecherche und Untersuchung bestehender Systeme, werden Anforderungen formuliert und Konzepte zur Lösungsfindung abgeleitet. Es werden zwei Varianten verschiedener Nadelarten näher untersucht. Um eine finale Auswahl zu treffen, werden beide Konzepte als CAD-Modelle entworfen und ihr Dehnungsverhalten in Abhängigkeit der Krafteinleitungsrichtung und -intensität analysiert und bewertet. Das resultierende Gesamtkonzept sieht einen separaten Entwurf der Nadelspitze als Verformungskörper vor. Er wird in Form von zwei Halbschalen mit einem Durchmesser von 1,2mm und einer Länge von 10mm unter Anwendung eines speziellen Fertigungsverfahrens am Institut EMK hergestellt. Die Hälften sind so modifiziert, dass sowohl das esselement als auch dessen Verdrahtung sowie eine Glasfaser dort Platz finden bzw. letztere diesen passieren kann. Sie besitzen miniaturisierte Absätze, um eine passgenaue Vereinigung beider Teile zu gewährleisten. Durch den modularen Aufbau des Verformungskörpers und der separaten Ankopplung an ein dünnwandiges Kapillarrohr können Nadeln in beliebiger Länge realisiert werden, wobei die Kosten für die mikromechanische Fertigung des Verformungskörpers unabhängig vom Nadelaufbau ist.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
Hinterlegungsdatum: 24 Apr 2017 15:10
Gutachter / Prüfer: Kupnik, Prof. Mario ; Hatzfeld, Dr.-Ing. Christian
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