Projektdaten

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Modellierung und Simulation der Interaktion zwischen Gewebe und Medizinisches Schneidwerkzeug bei minimal-invasiven chirurgischen Eingriffen

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Das Hauptziel dieses Forschungsantrages ist die Entwicklung eines Modells zur Beschreibung der Interaktion zwischen Skalpel und weichem biologischem Gewebe. Das Modell soll zur Erfassung der Mechanik und Dynamik des Schneideprozesses verwendet werden, wie er bei minimalinvasiven Operationen auftritt. Es soll in der Lage sein, die Echtzeit-Rückkopplungsschnittkräfte, sämtliche Reaktions-, Bruch- und Reibungskräfte sowie die wesentlichen Schneidprozessparameter vorherzusagen. Diese Parameter charakterisieren das Eindringen des Skalpels in das Gewebe bei minimalinvasiven chirurgischen Eingriffen. Der neue Ansatz basiert auf Schneidwerkzeugbewegungsgleichung, die aus der geschwindigkeitsgesteuerten Formulierung abgeleitet wird. Die geschwindigkeitsgesteuerte Bewegungsgleichung, im Folgenden "Hauptmodell" genannt, repräsentiert die Rückkopplungs-Schneidkraft, die das Schneidwerkzeug während seines Eindringens in das weiche biologische Gewebe erzeugt. Ebenso wird ein neues Gewebebruchkraftmodell vorgeschlagen, welches einen Teil des "Haupt"-Schneidprozessmodells sein wird. Dieses Modell dient zur Modellierung der Spannflächengeometrie des Skalpels, bei dem die aktive Schneidkante der Biopsienadel als eine Verteilung von infinitesimalen Einzelpunkt-Schneidwerkzeugen dargestellt wird, die entlang der Schneidkante verteilt sind. Die charakteristischen Winkel wie der normale Spanwinkel oder der effektive Spanwinkel und der Neigungswinkel werden für jedes infinitesimale Einpunkt-Schneidwerkzeug identifiziert. Die identifizierten charakteristischen Winkel werden anschließend im Gewebebruchkraftmodell verwendet. Des weiteren wird in diesem Forschungsantrag eine neue Methode zur Modellierung der Gewebeantwort vorgeschlagen. Das Gewebeantwortmodell wird anhand der neu eingeführten Gewebe-"Dehnungsratenfunktion" beschrieben. Schließlich soll auch ein neues Gewebe / Werkzeug-Reibungsmodell zusammen mit den bestehenden konventionellen Reibungsmodellen untersucht werden. Das neue Reibungsmodell wird rekursiv formuliert, wobei die Rückkopplungskräfte des Gewebes und des Schneidwerkzeugs in das Gewebe eindringen. Die vorgeschlagenen Modelle werden anhand verfügbarer experimenteller Daten, Schneideversuche an künstlichem und / oder im Handel erhältlichen tierischem Gewebe "in vitro" oder mittels verfügbarer Software validiert.