Antrittsvorlesung Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane Ist...

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 2

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

Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015 3

Die Phantastische Reise

Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015 4

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?

Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015 5

Der Anfang unserer Reise...

Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015 6

Ganz oben dabei !!

Australien hat so viel zu bieten!

Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015 7

Roboter

Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015 8

medizinische Roboter?

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

Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015 9

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

Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015 10

Project 1 - Craniostar

• Handgeführter mobiler Roboter für die Kraniotomie

11 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

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

12 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

Roboter für die Kraniotomie?

Beispiel Cranial Implantät

Genaue Planung ist benötigt

Gründe sind:

Medizinisch

Technisch

ästhetisch

Cephalic Analysis of ‘correct’ proportions

13 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

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

14 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

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

15 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

KIT

KIT

RWTH

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

16 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

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

17 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

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

18 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

System Demonstration

19 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

Extern Video

• Das Problem: Präziser Planungs Transfer für die Kraniotomie

– Ohne großen Einfluss auf den OP-Saal / Workflows

– Ohne den Chirurgen zu ersetzen

Systemvergleich

20 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

Präzision

Chirurg hat die Kontrolle

Minimaler Einfluss in der OP

Minimaler Einfluss auf die Workflows

Minimales Risiko bei Mechanischem Versagen

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

Project 2 - Endorob

• MGCE

Magnetisch gesteuerte Kapsel Endoskopie

22 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

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

23 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

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

24 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

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

25 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

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

26 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

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

27 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

Anforderung an den Sensor

Bewegung des magnetischen Elements

Rotation des magnetischen Elements

Rotation der Polarisation des magnetischen Felds

t = 0

t = Δt

28 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

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

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

30 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

Weitere Forschungs Projekte

Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015 31

Monash University

Microbot Medical

The Royal College of Surgeons / Scuola Superiore Sant'Anna

ETH Zurich

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

Thank you for your

Attention

Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit

33 Prof. Dr.-Ing. Gavin Kane - Antrittsvorlesung - 17.11.2015

Beispiel Bewegungskonzept