Entwicklung eines haptischen Displays mit zwei Freiheitsgraden für medizintechnische Anwendungen

Zusammenfassung: Zur Behandlung der koronaren Herzkrankheit werden gegenwärtig häufig Dilatationskatheter zur Gefäßweitung eingesetzt. Zur Navigation wird ein dünner Führungsdraht mit einem Durchmesser von 360µm in die eng verzweigten Herzkranzgefäße eingeführt. Entlang dieses Führungsdrahts wird der Katheter bis zum Behandlungsort geschoben. Zur Vereinfachung der Navigation wird am Institut EMK der TU Darmstadt ein Assistenzsystem für die Herzkatheterisierung - HapCath (Haptischer Katheter) - entwickelt. Durch einen dreidimensionalen piezoresistiven Kraftsensor wird die Kontaktkraft zwischen der Führungsdrahtspitze und der Gefäßwand in Richtung und Amplitude gemessen und daraus die Freiheitsgrade der translatorischen Kraft F0 sowie des Drehmomentes M0 entlang der Drahtachse errechnet. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wird ein haptisches Display entwickelt, welches die an der Drahtspitze gemessenen Kontaktkräfte verstärkt in den Draht einkoppelt. Der Kardiologe erhält, durch die von der Aktorik mit zwei Freiheitsgraden ausgegebenen Signale FH und MH, einen verstärkten, realistischen haptischen Eindruck der Reaktionskräfte an der Spitze des etwa 1,80m langen Drahtes. Eine Analyse der während einer Katheterisierung eingesetzten Werkzeuge macht eine Verifikation der Anforderungen dieser Arbeit notwendig. Während die geforderte translatorische, in den Führungsdraht einzukoppelnde Kraft von 1N im Frequenzbereich von DC bis 100Hz beibehalten wird, muss die Forderung an das Drehmoment von 100mNm auf 1mNm korrigiert werden. Für die beiden Freiheitsgrade wird die Aktorik getrennt voneinander am Führungsdraht angeordnet. Die translatorische Einheit wird direkt an der Schleuse zum Körper platziert. Die neu erarbeitete Kinematik zur Kraftübertragung basiert auf Rollen. Der Draht wird rein elastisch durch zwei passive Rollen an eine aktiv betriebene Antriebsrolle angepresst, welche mittels Reibschluss eine Kraft in den Draht einkoppelt. Zur Optimierung der Reibpaarung zwischen der Rolle und dem mit PTFE beschichtetem Draht wird ein Polyurethan der Shore A-Härte 80 als Rollenmaterial abgeleitet. Als Kraftquelle für dieses impedanzgesteuerte System wird ein DC Motor eingesetzt. Damit wird die Kraftkopplung von 1N im Frequenzbereich von DC bis 200Hz möglich. Die rotatorische Einheit befindet sich am Drahtende. Ebenfalls durch einen als Kraftquelle eingesetzten DC Motor angetrieben, wird, über den mit Hilfe einer Spannzange optimal angekoppelten Führungsdraht, ein Drehmoment bis zu 1mNm ausgegeben. Mit Hilfe der Netzwerktheorie wird ein Modell für das Display erstellt. Das Systemverhalten des aufgebauten Displays wird in einer abschließenden Charakterisierung messtechnisch bestimmt und die Funktionsfähigkeit gezeigt