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Regelungstechnische und biomechanische Aspekte bei der Entwicklung von haptischen Simulatoren für die medizinische Ausbildung und Rehabilitation

Author(s):

M. Fre.
Conference/Journal:

Abstract:

Mit dem haptischen Sinn erfasst der Mensch Informationen über auftretende Reaktionskräfte, Positionen und Oberflächenbeschaffenheiten seiner unmittelbaren Umgebung. Eine haptische Simulation erlaubt die mechanische Interaktion mit einer virtuellen, also nicht real existenten Umgebung, beispielsweise die Manipulation eines virtuellen Objektes. Für die Realisierung einer haptischen Simulation erfordert es eines Systems zur technischen Realisierung der Interaktion, das haptische Display, dessen Ansteuerung sowie eine geeignete Beschreibung der mechanischen Eigenschaften des virtuellen Objektes, mit welchem die Interaktion erfolgen soll. Diese Arbeit behandelt regelungstechnische Methoden haptischer Displays und Methoden der analytischen Formulierung dynamischer mechanischer Eigenschaften virtueller Strukturen und Objekte sowie deren Anwendung in der medizinischen Ausbildung und Rehabilitation. Ferner werden Verfahren zur Erfassung mechanischer Eigenschaften humaner Gelenkstrukturen und deren analytische Modellierung und Integration in haptische Simulationen vorgestellt. Hierfür werden zunächst etablierte Regelungsstrukturen haptischer Displays sowie der Robotik dargelegt und durch die Angabe einer geeigneten Implementierung dynamischer Beschreibungen massebehafteter virtueller Objekte zu umfassenden haptischen Regelungsstrukturen erweitert. Diese heben Einschränkungen für die haptische Darstellbarkeit spezifischer mechanischer Eigenschaften auf. Die Methoden werden in übertragener Weise auf einen Messaufbau für die biomechanische Forschung, sowie auf zwei Anwendungsbeispiele aus dem Bereich der Medizin angewandt: auf haptische Simulatoren in der medizinischen Ausbildung und auf die automatisierte Gangrehabilitation von Patienten mit Gehbehinderung. Ein Verfahren und der experimentelle Aufbau zur räumlich hochauflösenden in vitro Erfassung multidimensionaler elastischer biomechanischer Eigenschaften humaner oder tierischer Gelenkstrukturen wird vorgestellt. Als Messinstrument dient ein Industrieroboter, der mit entsprechender Positions- und Kraftsensorik ausgestattet ist. Durch die Verwendung neuartiger Steuerhard- und Software wurde eine im Verhältnis zu vergleichbaren Messaufbauten schnelle, aber dennoch präzise Erfassung elastischer mechanischer Gelenkparameter erreicht. Anwendung findet der Messaufbau in drei Pilotprojekten der biomechanischen Forschung in der Endoprothetik, bei Untersuchungen hinsichtlich des Kreuzbandersatzes und in der Wirbelsäulenforschung, sowie bei der Erstellung einer räumlich hochauflösenden Messdatenbasis für die Identifizierung eines dynamischen Modells eines menschlichen Kniegelenkes. Ein Verfahren zur analytischen Approximation der gemessenen elastischen Gelenkeigenschaften und deren Implementierung wird angegeben. Die praktische medizinische Ausbildung steht oft vor dem Problem, keine ausreichende Zahl an Probanden für das Erlernen und Üben diagnostischer und therapeutischer Massnahmen zur Verfügung zu haben. Zur Verbesserung der praktischen Ausbildung in der Orthopädie wurde der Münchner Kniesimulator entwickelt, eine multimodale Trainingsplattform, an welcher die Ausübung manueller Kniefunktionstests erlernt und trainiert werden kann. Dies wird mit einem haptischen Display realisiert, welches aus passiven Phantomkörpern des Unter- und Oberschenkels besteht, die an zwei leistungsstarke, mit entsprechender Kraft- und Positionssensorik ausgestattete Roboter gekoppelt sind. Die Roboter sind nicht mechanisch, sondern nur virtuell über die dynamische, analytische Beschreibung des Kniegelenks miteinander gekoppelt. Die Konzeption, der Aufbau und die Validierung zentraler Komponenten dieser Trainingsstation werden vorgestellt und diskutiert. Weitere Anwendungsbeispiele aus dem Bereich der Geburtshilfe und interaktiver Lehrmedien werden gegeben. Das manuelle Laufbandtraining zur Rehabilitation von Patienten mit Gehstörungen wurde in den letzten Jahren erfolgreich mit Reabilitationsrobotern automatisiert, welche die Führung der Beine des Patienten auf dem Laufband übernehmen. Ist ein solcher Roboter mit entsprechender Kraft- und Positionssensorik ausgestattet, so kann dieser auch als haptisches Display fungieren. Um die Funktionalität und Interaktivität der automatisierten Gangrehabilitation zu steigern, wurden durch die Anwendung der regelungstechnischen Methoden haptischer Displays erreicht, dass der Roboter patientenkooperatives Verhalten zeigt. Dieses ermöglicht dem Patienten die eigene Wahl des Gangmusters und der Gehgeschwindigkeit wobei er stets in seinen Bewegungen gezielt kraftunterstützt und geführt werden kann. Dadurch wird erwartet, dass die Motivation des Patienten zur aktiven Teilnahme am Rehabilitationstraining stimuliert und der Rehabilitationserfolg gesteigert werden kann.

Year:

2004
Type of Publication:

(03)Ph.D. Thesis
Supervisor:

R. Riener

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