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Laparoskopische Zange Kraftsensor | FUTEK

Wie kann die Kraftmesslösung (Kraftsensor) von FUTEK das haptische Feedback verbessern?

In der laparoskopischen Chirurgie sind die Greifinstrumente die einzige Quelle der Kraftrückmeldung an den Chirurgen. Aufgrund der fehlenden haptischen Wahrnehmung und Kommunikation des Instruments können Chirurgen durch eine falsche Steuerung der laparoskopischen Klemmkraft Gewebeschäden verursachen und unvorhersehbare Gewebe- und Greifereigenschaften können zu Abrutschen oder Rupturen führen. Dieser Artikel über die Roboterchirurgie mit haptischem Feedback gibt einen umfassenden Überblick über dieses Thema.

Um diese Herausforderung zu meistern, kann eine Miniatur-Kraftsensorlösung (i.e. kraftsensor) inline mit den Steuerdrähten installiert werden, wodurch ein haptisches Feedback-Steuerungssystem für das Endoskop entsteht. Dies verhilft zur:

  • Beeinflussung der Fähigkeit des Chirurgen, einen sicheren laparoskopischen Griff zu gewährleisten, während er Gewebe mit unterschiedlicher Steifigkeit zieht und manipuliert.
  • Verbesserung der Fähigkeit des Chirurgen, die Gewebekonsistenz, die Erkennung des arteriellen Pulses und die Kraftkontrolle während chirurgischer Eingriffe zu erkennen.


Herausforderungen bei der Entwicklung von Sensoren mit Kraftrückkopplung
Ingenieure und Chirurgen stehen vor wichtigen Fragen, die vor der Entwicklung eines laparoskopischen Greifers mit Kraftempfindung berücksichtigt werden müssen. Das Design und die Herstellung eines haptischen Feedbacksensors für robotergestützte Chirurgieinstrumente bringen zwei unterschiedliche, aber sich ergänzende Herausforderungen mit sich:

Die Überwindung technischer Hindernisse bei der Entwicklung eines Sensors für die intraabdominale Kraftmessung:

  • Größenbeschränkungen - Miniaturisierung
  • Biokompatibilität
  • Autoklavierbarkeit
  • Hermetizität
  • Wiederverwendbarkeit

Einhaltung der minimal erforderlichen Spezifikation einer hochwertigen Kraftmesslösung:

  • Nichtlinearität
  • Hysterese,
  • Reproduzierbarkeit,
  • Überschneidungen
  • Bandbreite
  • Rauschfreie Auflösung

Warum FUTEK NanoSensoren der Herausforderung gewachsen sind
Der NanoSensor von FUTEK wurde unter Berücksichtigung all dieser Designvorgaben entwickelt. Er wurde auch mit einem Design for Manufacturability (DFM) Ansatz entwickelt.
Der QLA414 NanoSensor ist die kleinste Lösung seiner Art zur Messung von Zug- und Druckkräften (Mikro-Miniatur-Inline-Wägezelle). Der 4mm x 5mm große NANO-Sensor ermöglicht aufgrund seiner winzigen Größe, seiner Fähigkeit, sowohl Zug als auch Druck zu messen, und seiner einzigartigen Montageflexibilität eine neue Welt für die Roboterchirurgie.

QLA414 Merkmale

  • Doppelseitige Befestigungsmöglichkeiten mit M1-Gewinde;
  • 1000 Ohm Vollbrücken-Seitenlast (achsfremde oder fremde Lasten) kompensierte Instrumentierung;
  • Lasergeschweißte Konstruktion;
  • Nicht aktive Zusammenschaltung;
  • Schutz der Umwelt;
  • ±0,5% Nichtlinearität des Nennausgangs (RO) in 5lb und 10lb Kapazitäten - hochpräzise Kraftmessanwendungen;
  • Bis zu 200 % sichere Überlast;
  • Zug- und Druckkraftsensor;
  • Geringste Durchbiegung (0,0002" [0,005 mm]);
  • Hoher Eigenfrequenzgang.


Darüber hinaus sind Kraftsensoren mit einer Größe von 3mm x 4mm und einem Messbereich von bis zu 50 lb für OEM-Anwendungen erhältlich, einschließlich IP67 und autoklavierbare Sensoren für die medizinische Industrie. Der NANO-Kraftaufnehmer ist die ideale Miniatur-Wägezelle für die chirurgische Robotik und laparoskopische Greifer mit Krafterkennung und eignet sich hervorragend für haptisches Force Feedback und Katheter-Ultraminiatur-Wägezellen.


FUTEK QIA128 integrierter digitaler Signalaufbereiter
FUTEK QIA128 ist ein digitaler, eingebetteter Miniatur-Signalkonditionierer mit SPI-Ausgang und sehr geringem Stromverbrauch. Seine Miniaturplatine von nur 8 mm x 8 mm bietet eine wählbare Abtastrate von 4 SPS bis 1300 SPS, um je nach Anforderung eine rauschfreie Auflösung (NFR) von 11,4 bis 14,2 zu erreichen.

Anforderungen an die Kalibrierung von Aufnehmern
Angesichts der Wichtigkeit chirurgischer Instrumente müssen Sensoren für Kraftrückkopplung eine hohe Genauigkeit bieten und einem strengen Regime von Vor-Ort-Kalibrierungen unterzogen werden. Je nach Wichtigkeit der Anwendung muss der haptische Kraftsensor vor jedem chirurgischen Eingriff kalibriert werden.

Darüber hinaus müssen die Ingenieure die Korrelation zwischen der Inline-Kraft, die vom Aktuator und den Führungsdrähten auf den NanoSensor im Trokar des Instruments
ausgeübt wird, und der tatsächlichen physischen Greifkraft an den Backen, die auf das Gewebe ausgeübt wird, verstehen.

Um die Herausforderung der Vor-Ort-Kalibrierung zu meistern, hat das FUTEK Micro Engineering Team auch den Biss-Referenzsensor entwickelt, der die Kalibrierung und Überprüfung der chirurgischen Greifbacken und der tatsächlich aufgebrachten Kraft ermöglicht.

How it Works
  1. Zwei QLA414 NanoSensor sind in Reihe mit der Axialführung installiert, die die Bewegung der Greiferbacken steuert. Er misst die Kräfte auf Zug (offene Backe) und Druck (geschlossene Backe).

  2. Da der Greifer während des chirurgischen Eingriffs mit innerem Gewebe in Kontakt kommt, misst der NanoSensor die vom Greifer ausgeübte Kraft.

  3. Das Kraftmesssignal wird von dem Miniatur-Digital-Signalaufbereiter QIA128 mit sehr geringem Stromverbrauch und SPI-Ausgang gelesen und kann für die Systemintegration verwendet werden. Es ermöglicht eine Kraftrückmeldung in den Steuerungen des Chirurgen (z. B. Gimbal).

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Wie kann die Kraftmesslösung (Kraftsensor) von FUTEK das haptische Feedback verbessern?

In der laparoskopischen Chirurgie sind die Greifinstrumente die einzige Quelle der Kraftrückmeldung an den Chirurgen. Aufgrund der fehlenden haptischen Wahrnehmung und Kommunikation des Instruments können Chirurgen durch eine falsche Steuerung der laparoskopischen Klemmkraft Gewebeschäden verursachen und unvorhersehbare Gewebe- und Greifereigenschaften können zu Abrutschen oder Rupturen führen. Dieser Artikel über die Roboterchirurgie mit haptischem Feedback gibt einen umfassenden Überblick über dieses Thema.

Um diese Herausforderung zu meistern, kann eine Miniatur-Kraftsensorlösung (i.e. kraftsensor) inline mit den Steuerdrähten installiert werden, wodurch ein haptisches Feedback-Steuerungssystem für das Endoskop entsteht. Dies verhilft zur:

  • Beeinflussung der Fähigkeit des Chirurgen, einen sicheren laparoskopischen Griff zu gewährleisten, während er Gewebe mit unterschiedlicher Steifigkeit zieht und manipuliert.
  • Verbesserung der Fähigkeit des Chirurgen, die Gewebekonsistenz, die Erkennung des arteriellen Pulses und die Kraftkontrolle während chirurgischer Eingriffe zu erkennen.


Herausforderungen bei der Entwicklung von Sensoren mit Kraftrückkopplung
Ingenieure und Chirurgen stehen vor wichtigen Fragen, die vor der Entwicklung eines laparoskopischen Greifers mit Kraftempfindung berücksichtigt werden müssen. Das Design und die Herstellung eines haptischen Feedbacksensors für robotergestützte Chirurgieinstrumente bringen zwei unterschiedliche, aber sich ergänzende Herausforderungen mit sich:

Die Überwindung technischer Hindernisse bei der Entwicklung eines Sensors für die intraabdominale Kraftmessung:

  • Größenbeschränkungen - Miniaturisierung
  • Biokompatibilität
  • Autoklavierbarkeit
  • Hermetizität
  • Wiederverwendbarkeit

Einhaltung der minimal erforderlichen Spezifikation einer hochwertigen Kraftmesslösung:

  • Nichtlinearität
  • Hysterese,
  • Reproduzierbarkeit,
  • Überschneidungen
  • Bandbreite
  • Rauschfreie Auflösung

Warum FUTEK NanoSensoren der Herausforderung gewachsen sind
Der NanoSensor von FUTEK wurde unter Berücksichtigung all dieser Designvorgaben entwickelt. Er wurde auch mit einem Design for Manufacturability (DFM) Ansatz entwickelt.
Der QLA414 NanoSensor ist die kleinste Lösung seiner Art zur Messung von Zug- und Druckkräften (Mikro-Miniatur-Inline-Wägezelle). Der 4mm x 5mm große NANO-Sensor ermöglicht aufgrund seiner winzigen Größe, seiner Fähigkeit, sowohl Zug als auch Druck zu messen, und seiner einzigartigen Montageflexibilität eine neue Welt für die Roboterchirurgie.

QLA414 Merkmale

  • Doppelseitige Befestigungsmöglichkeiten mit M1-Gewinde;
  • 1000 Ohm Vollbrücken-Seitenlast (achsfremde oder fremde Lasten) kompensierte Instrumentierung;
  • Lasergeschweißte Konstruktion;
  • Nicht aktive Zusammenschaltung;
  • Schutz der Umwelt;
  • ±0,5% Nichtlinearität des Nennausgangs (RO) in 5lb und 10lb Kapazitäten - hochpräzise Kraftmessanwendungen;
  • Bis zu 200 % sichere Überlast;
  • Zug- und Druckkraftsensor;
  • Geringste Durchbiegung (0,0002" [0,005 mm]);
  • Hoher Eigenfrequenzgang.


Darüber hinaus sind Kraftsensoren mit einer Größe von 3mm x 4mm und einem Messbereich von bis zu 50 lb für OEM-Anwendungen erhältlich, einschließlich IP67 und autoklavierbare Sensoren für die medizinische Industrie. Der NANO-Kraftaufnehmer ist die ideale Miniatur-Wägezelle für die chirurgische Robotik und laparoskopische Greifer mit Krafterkennung und eignet sich hervorragend für haptisches Force Feedback und Katheter-Ultraminiatur-Wägezellen.


FUTEK QIA128 integrierter digitaler Signalaufbereiter
FUTEK QIA128 ist ein digitaler, eingebetteter Miniatur-Signalkonditionierer mit SPI-Ausgang und sehr geringem Stromverbrauch. Seine Miniaturplatine von nur 8 mm x 8 mm bietet eine wählbare Abtastrate von 4 SPS bis 1300 SPS, um je nach Anforderung eine rauschfreie Auflösung (NFR) von 11,4 bis 14,2 zu erreichen.

Anforderungen an die Kalibrierung von Aufnehmern
Angesichts der Wichtigkeit chirurgischer Instrumente müssen Sensoren für Kraftrückkopplung eine hohe Genauigkeit bieten und einem strengen Regime von Vor-Ort-Kalibrierungen unterzogen werden. Je nach Wichtigkeit der Anwendung muss der haptische Kraftsensor vor jedem chirurgischen Eingriff kalibriert werden.

Darüber hinaus müssen die Ingenieure die Korrelation zwischen der Inline-Kraft, die vom Aktuator und den Führungsdrähten auf den NanoSensor im Trokar des Instruments
ausgeübt wird, und der tatsächlichen physischen Greifkraft an den Backen, die auf das Gewebe ausgeübt wird, verstehen.

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Laparoskopische Zange Kraftsensor laparoskopie Greifzange wägezelle
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