Inhärente Sensorelemente für hydraulisch-aktuierte Medizinprodukte (Akva-Med Sense)

Prof. L. Zentner
Dr. S. Griebel

Ziel des vorangegangenen Projektes (Akva-Med) war es nachgiebige, fluidmechanische Aktuatoren zu entwickeln, die sich durch eine externe Ansteuerung gezielt verformen können. Einsatz finden diese in flexiblen Implantaten oder diagnostischen und therapeutischen Instrumenten. Als exemplarische Anwendung wurden Elektrodenträger gewählt, die möglichst berührungsarm in die gewundene Struktur der Cochlea (Hörschnecke) inseriert werden. Durch eine gezielte kontinuierliche Anpassung der Elektrodenkrümmung kann eine schonende Implantation mit perimodiolarer Endlage erreicht werden.

Für die Entwicklung der Aktuatoren wurde ein modellbasiertes Syntheseverfahren entwickelt, welches die Finite Elemente Methode und die analytische Methode verbindet. Durchgeführte Skalierungsbetrachtungen zeigten, dass geometrisch ähnliche hohlzylinderförmige Stäbe mit eingebettetem Faden und bei identischem Material und Innendruck eine geometrisch ähnliche Form erzielen. Diese Erkenntnis ermöglichte die theoretischen und experimentellen Untersuchungen im vergrößerten Maßstab durchzuführen.

Es konnte an zwei Arten von Aktuatoren (im Ausgangszustand gerade und vorgekrümmte Aktuatoren), nachgewiesen werden, dass die angestrebten Verformungen der Aktuatoren erreicht werden können. Hierdurch konnte das entwickelte Syntheseverfahren verifiziert werden. Weiterhin zeigten experimentelle Insertionsversuche am skalierten Cochleamodell, dass die bei der Insertion auf die Cochlea wirkenden Insertionskräfte verringert werden können.

Ziel des Projektes ist die folgerichtige Ergänzung der im vorangegangenen Projekt entwickelten Instrumentarien um eine integrierte Sensorik zur Detektion von Verformungszuständen und/oder Interaktionskräften mit den umliegenden Geweben.
Um die vorteilhafte Nachgiebigkeit der entwickelten Aktuatoren zu erhalten, sollen elektrisch leitfähige Silikone verwendet werden, da diese ebenso flexibel sind, wie der verwendete Grundwerkstoff der Instrumente bzw. der bereits entwickelten Aktuatorik. Weiterhin ändern leitfähige Polymere ihren elektrischen Widerstand in Abhängigkeit der Materialdehnung, wodurch in den silikonbasierten Instrumentarien eine inhärente Sensorik realisiert werden kann.

Innerhalb des Fortsetzungsprojektes sollen die Möglichkeiten und Grenzen der nachgiebigen Sensorik erforscht werden. Dabei stehen die Identifikation relevanter Designparameter, die bei der Auslegung sensorischer Bereiche berücksichtigt werden müssen, sowie die Entwicklung eines analytischen, modellbasierten Synthese-Verfahrens für inhärente Sensorik im Fokus. Darin eingeschlossen sind auch die Etablierung notwendiger Verfahren zur Formgebung, Strukturierung und Kontaktierung der Sensorelemente. Durch die Skalierung der Instrumentarien, verkörpert als nachgiebige stabförmige fluidmechanische Aktuatoren (FMA), werden im Rahmen der Modellbildung verschieden große Instrumentarien erfasst. Damit sollen die Grenzen der Miniaturisierung ausgelotet werden. Die im Projekt erarbeiteten Grundlagen werden darüber hinaus eine Basis für sensorisierte, fluidisch aktuierte nachgiebige Endoskope und Katheder und somit für weitere chirurgische Anwendungen bilden.

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• vorausgehendes Projekt Akva-Med

• Griebel, S.: Entwicklung und Charakterisierung fluidmechanischer nachgiebiger Aktuatoren am Beispiel eines multifunktionalen Sauggreifers. In: Berichte der Ilmenauer Mechanismentechnik Band 6, Universitätsverlag Ilmenau, Ilmenau, 2021, ISBN: 978-3-86360-233-8; doi: 10.22032/dbt.46923
• Zentner, L.; Linß, S.: Compliant Systems - Mechanics of elastically deformable mechanisms, actuators an sensors. Berlin/Boston: De Gruyter, 2019 – ISBN: 978-3-11-047731-3
• Zentner, L.; Griebel, S. und Hügl, S.: „Fluid-mechanical compliant actuator for the insertion of a cochlear implant electrode carrier“. In: Mechanism and Machine Theory 142, Nr. 103590, S. 1–16. issn: 0094114X. doi: 10.1016/j.mechmachtheory.2019.103590, 2019.
• Zentner, L.; Griebel, S.; Wystup, C.; Hügl, S.; Rau, T. S., Majdani, O.: Synthesis process of a compliant fluidmechanical actuator for use as an adaptive electrode carrier for cochlear implants. In: Mechanism and Machine Theory 112, S. 155–171. issn: 0094114X. doi:10.1016/j.mechmachtheory.2017.02.001, 2017.
• Griebel, S.; Hügl., S.; Rau, T.S.; Majdani, O.; Zentner, L.: Nachgiebiger fluidmechanischer Aktuator für eine schonende Implantation am Beispiel eines vorgekrümmten Cochlea-Implantat-Elektrodenträgers. In: 12. Kolloquium Getriebetechnik, 18 - 20 September 2017 in Dresden, S. 235-254, TUDpress, 2017.
• Hügl, S.; Zentner, L, Griebel, S., .; Majdani, O.; Rau, T. S.: Analysis of the customized implantation process of a compliant mechanism with fluidic actuation used for cochlear implant electrode carriers. In: Scharff,Peter (Hrsg.): 59th IWK, Ilmenau Scientific Colloquium, Technische Universität Ilmenau, 11.-15. September 2017 Proceedings, 6 Seiten, Ilmenau, 2017.
• Hügl, S.; Zentner, L.; Griebel, S.; Majdani, O.; Lenarz, T.; Rau, T. S.: Individualized design of fluidically actuated cochlear implants. In: 51. Jahrestagung der Biomedizinischen Technik und Dreiländertagung der Medizinischen Physik (BMTMedPhys), Dresden, 2017.09.10, S. 280, doi: doi.org/10.1515/bmt-2017-5054, 2017.

• Griebel, S.; Hügl., S.; Rau, T. S.; Majdani, O.; Wystup, C.; Lenarz, T.; Zentner, L.:
  Adaptive electrode carrier
  Aktenzeichen: WO 2017 / 148903 A1, veröffentlicht am 08.09.2017
• Griebel, S.; Hügl., S.; Rau, T.S.; Majdani, O.; Wystup, C.; Lenarz, T.; Zentner, L.:
  Adaptiver Elektrodenträger, seine Verwendung und Verfahren zu seiner Insertion
  Aktenzeichen: DE 10 2016 003 295.B3, Patenterteilung vom 11.05.2017

Dr.-Ing. Thomas S. Rau, Medizinische Hochschule Hannover, Klinik für Hals-, Nasen-, Ohren-Heilkunde

08/2017 - 12/2020

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