Ist Technologie soweit, dass Phantastische Reisen schon möglich

Ist Technologie so weit, dass eine
Phantastische Reise schon möglich
ist?
Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane
HS Emden Leer
Antrittsvorlesung
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
Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015
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Ziel unserer
Phantastischen Reise....
„Durch den Körper zu reisen, um
medizinische Diagnostik durch zu
führen und Viren zu bekämpfen“
1966 gedrehte Film
von 20th Century
Fox
http://www.innovation.ca/
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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...
Ganz oben dabei !!
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Australien hat so viel zu bieten!
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medizinische
RoboterRoboter?
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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?
Genaue Planung ist benötigt
Gründe sind:
Medizinisch
Technisch
ästhetisch
Cephalic Analysis of ‘correct’ proportions
Beispiel Cranial Implantät
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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
KIT
RWTH
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KIT
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Stand-der-Technik – chirurgischer Assistent
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
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Modifizierte Industrie Roboter
gegenüber Chirurgischen Assistenten
Roboter gestützte Methode
Chirurg ist vom Eingriff entfernt
Höheres Risiko von Mechanische Versagen
hoher Einfluss auf OP-Saal
Hohe Auswirkungen auf Workflows
Chirurgischer Assistent
Höheres Risiko von Mechanische Versagen
 Chirurg hat die Kontrolle
 Präziser Planungstransfer
 Minimaler Einfluss auf den OP-Saal
 Minimale Adaption von Workflows
notwendig
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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
Extern Video
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Systemvergleich
• Das Problem: Präziser Planungs Transfer für die Kraniotomie
– Ohne großen Einfluss auf den OP-Saal / Workflows
– Ohne den Chirurgen zu ersetzen
Präzision
Chirurg hat die Kontrolle
Minimaler Einfluss in der OP
Minimaler Einfluss auf die
Workflows
Minimales Risiko bei
Mechanischem Versagen
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Systemvergleich
• Das Problem: Präziser Planungstransfer für die Kraniotomie
– Ohne großen Einfluss auf den OP-Saal / Workflows
– Ohne den Chirurgen zu ersetzen
Präzision
Chirurg hat die Kontrolle
Minimaler Einfluss in der OP
Minimale Einfluss auf die
Workflows
Minimales Risiko bei
Mechanischem Versagen
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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
Microsystem Research Center, Korea Institute of
Science and Technology, KOREA
Center of Research in Microengineering (CRIM) Laboratory,
Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa, Italy
„Swallowable-Capsule Technology“, Pervasive Computing,
24:29, 2008
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Forschungsziele
•
•
•
•
Entwicklung von Verfahren zur Erweiterung des MGCE Systems in Dünnoder 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
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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
Microbot Medical
The Royal College of Surgeons /
Scuola Superiore Sant'Anna
Monash University
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 ….
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32
Thank you
Vielen Dank
for your
Attention
für Ihre
Aufmerksamkeit
Beispiel Bewegungskonzept
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