WO2002043588A1 - Force feedback system - Google Patents

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Georg Duda
Jan-Erik Hoffmann
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Universitätsklinikum Charite Medizinische Fakultät Der Humboldt-Universität Zu Berlin
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0048—Detecting, measuring or recording by applying mechanical forces or stimuli
    • A61B5/0053—Detecting, measuring or recording by applying mechanical forces or stimuli by applying pressure, e.g. compression, indentation, palpation, grasping, gauging
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/44—Detecting, measuring or recording for evaluating the integumentary system, e.g. skin, hair or nails
    • A61B5/441—Skin evaluation, e.g. for skin disorder diagnosis
    • A61B5/445—Evaluating skin irritation or skin trauma, e.g. rash, eczema, wound, bed sore

Definitions

  • the invention relates to a device for displaying and recording the stiffness of materials, with the aid of which physical measured values can be displayed at a location distant from the measurement location and, above all, can be depicted tactilely, ie based on the sense of touch
  • DE 4332 580 AI describes the simulation of the sense of touch on a surgical instrument.
  • a sensor and actuator array sensitive to force, pressure or displacement is arranged on the instrument
  • the object of the invention is therefore to make measurement results palpable for an evaluating person in the evaluation of physical measurement values
  • a force feedback system was developed that enables the user or surgeon to feel the mechanical stiffness value.
  • the stiffness value measured for example, for arthroscopic or endoscopic use in medical applications is preferably controlled by a measuring electronics system that detects the respective measuring field Voltage U is the pressure that prevails under an external tactile pillow.
  • the rigidity of the pillow is equivalent to the measured rigidity of the material to be evaluated or the biological sample
  • the tactile cushion or tactile pad is part of the stiffness transmitter.Other functional elements of the transmitter are the input transducer, which converts the input voltage U into a pressure P equivalent to the voltage become
  • the minimal variant of the device has a surface for sensing the rigidity. Possible designs with additional tactile surfaces serve the comfort of the device eg to ensure the comparability of different stored values. The essential functions are not affected
  • Fig. 2 shows the overall view of a device version
  • FIG. 1 illustrates the basic function of the new force feedback system.
  • An electrical voltage is used as the input variable for the stiffness transmitter, which represents the physical measurement variable to be represented.
  • a pressure P is generated in a closed pressure system and a tactile pad 2 for tactile use Evaluation of the current stiffness pressure provided
  • the regulated, closed pressure system includes the pump, pressure vessel and touch pad
  • the standard version of the device has a tactile surface 2
  • several tactile surfaces can be provided on the stiffness transmitter, the arrangement of which is arbitrary and is solely subject to functional aspects
  • the number of tactile pads 2 is particularly limited by the complexity of the control systems, which must be provided separately for each touch pad
  • the tactile surfaces 2 are designed as pads or membranes. Silicon or a comparable material can be used as the material.
  • the size of the tactile surface is at least 30 mm x 30 mm in the case of rectangular geometry or 30 mm in diameter in the case of a circular design
  • Fig. 2 shows an exemplary device design.
  • the stiffness transmitter 1 is integrated in a housing that can be set up within the reach of the user. It has supply cables for power supply and feeding of the measurement and control signals.
  • On the front of the device are the touch surfaces 2, the associated digital displays with LEDs 5 and Switch 6 arranged for storing Deletion of the current value The device is put into operation via a mains switch 7.
  • Switch 8 is used to switch the measuring range to selectively display the palpable stiffness with different amplification factors
  • the input voltage U is converted into a stiffness pressure value and made palpable by means of the first tactile surface 2.
  • This tactile surface activation is indicated by the lighting of the associated LED 5 2 converted and represented by the digital display 5
  • the current stiffness value is saved, the LED goes out and the button surface is blocked for further changes. This blocking is ended by resetting the memory switch
  • the next unlocked button area becomes active after saving on the first button area.This is also indicated by the LED lighting up. If all button areas are in save mode and are therefore locked, a button area must be activated Storage can also be triggered by an external control signal, so that the user can, for example, concentrate on the ongoing measurement
  • the system is designed to be completely controllable and can be used directly at the operating table within the reach of the surgeon.
  • the last and penultimate measurement value of the arthroscopic or endoscopic stiffness measurement is transferred to the two pillows 2 according to FIG. 2. A direct comparison of the two last data values are thus possible for the surgeon by palpation

Abstract

The invention relates to a device for the representation and determination of the rigidity of materials, by means of which measured physical values can be represented at a vicinity distant from the place of measurement and above all by means of a tactile representation, in other words, using the sense of touch. According to the invention, a force feedback system has been developed which permits the user or operator to gain a feeling for the mechanical rigidity value. The value for rigidity, measured for example for medical purposes by endoscope or arthroscope, controls the pressure found in an external touch cushion (2), by means of one of the voltages (U), given by an analytical device recording the appropriate test region. The rigidity of the cushion (2) thus gives an equivalent feel to the measured rigidity of the material under evaluation, or the biological probe. In the above rigidity transmitter (1) a pressure (P) is generated in a closed pressure system by means of an input converter (3) and regulating circuit (4) and a touch cushion (2) for tactile evaluation of the current stiffness pressure made available.

Description

Force-Feedback-SystemForce Feedback System
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Darstellung und Erfassung der Steifigkeit von Materialien, mit deren Hilfe physikalische Messwerte an einem vom Messort entfernten Ort dargestellt und dabei vor allem taktil, d h auf dem Tastsinn beruhend abgebildet werden könnenThe invention relates to a device for displaying and recording the stiffness of materials, with the aid of which physical measured values can be displayed at a location distant from the measurement location and, above all, can be depicted tactilely, ie based on the sense of touch
Die Eigenschaften von weichen, elastischen Materialien im allgemeinen und von biologischen Geweben im besonderen lassen sich u a mit Hilfe neuartiger Messinstrumente präzise erfassen Bei biologischen Geweben sind dafür u a die arthroskopischen und endoskopischen Steifigkeitsmessungen bekannt Auf medizinischem Gebiet erlauben es diese Methoden, geschadigte Areale von intakten zu unterscheiden Darüber hinaus werden diese Verfahren hier eingesetzt, um die Qualität von heilendem Gewebe postoperativ zu beurteilen Letztlich soll die Qualität des durch Krankheit, Trauma oder Versorgung veränderten Gewebes sich nicht wesentlich von dem umliegenden intakten Gewebe unterscheidenThe properties of soft, elastic materials in general and of biological tissues in particular can be precisely measured with the help of new measuring instruments. For biological tissues, arthroscopic and endoscopic stiffness measurements are known. In the medical field, these methods allow to distinguish damaged areas from intact ones In addition, these methods are used here to assess the quality of healing tissue postoperatively. Ultimately, the quality of the tissue that has been changed due to illness, trauma or care should not differ significantly from the surrounding intact tissue
Bisher werden die Messergebnisse dem Benutzer als Zahlenwerte angegeben Dabei ist die Angabe der Steifigkeit mittels Zahlenwerten hilfreich für einen quantitativen Vergleich unterschiedlicher Messergebnisse Alternativ kann auch eine graphische Aufbereitung durch Ausgabe des Druck-Verformungs-Diagramms erfolgenSo far, the measurement results have been given to the user as numerical values. Here the stiffness using numerical values is helpful for a quantitative comparison of different measurement results. Alternatively, a graphic preparation can also be carried out by outputting the pressure-deformation diagram
Das durch minimal invasive Operationsweise nur noch bedingt verfügbare „Ertasten" des biologischen Gewebes ist jedoch weder durch die Darstellung als Zahlenwert noch als Diagramm ersetzbar Aus DE 4213 584 C2, DE 4213 426 C2 und DE 4332 580 AI sind medizinische Vorrichtungen bekannt, bei denen spezielle Druckerfassungseinrichtungen am Einführteil eines in das Korperinnere einzuführenden Instruments vorhanden sind So sind in DE 4213 584 C2 eine Vielzahl von Drucksensoren zur Erfassung der Drucksignale auf der Oberflache eines ovalen Ballons angeordnet Bei der Vorrichtung nach DE 4213 426 C2 sind es Drucksensoren an einer Kontaktkrafterfassungs- einπchtung oder Dehnungsmessstreifen zum Erfassen der Dehnungsrate, die am distalen Ende eines Behandlungsadapters zur Ermittlung der Steifigkeit des Gewebes vorgesehen sindThe "palpation" of the biological tissue, which is only partially available due to the minimally invasive operation, cannot be replaced by the representation as a numerical value or as a diagram Medical devices are known from DE 4213 584 C2, DE 4213 426 C2 and DE 4332 580 AI, in which special pressure detection devices are provided on the insertion part of an instrument to be inserted into the body. DE 4213 584 C2 has a large number of pressure sensors for detecting the pressure signals The surface of an oval balloon is arranged. In the device according to DE 4213 426 C2, pressure sensors on a contact force detection device or strain gauges for detecting the strain rate are provided at the distal end of a treatment adapter for determining the stiffness of the tissue
In DE 4332 580 AI wird die Nachbildung des Tastsinns an einem chirurgischen Instrument beschrieben Dazu wird ein kraft-, druck- oder wegeempfindliches Sensor- und Aktorarray am Instrument angeordnetDE 4332 580 AI describes the simulation of the sense of touch on a surgical instrument. For this purpose, a sensor and actuator array sensitive to force, pressure or displacement is arranged on the instrument
Alle bekannten Vorrichtungen sind nicht in der Lage, Messergebnisse zur Steifigkeit von Materialien einer taktilen Auswertung zuzuführenAll known devices are not able to provide measurement results for the rigidity of materials for a tactile evaluation
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, Messergebnisse in Auswertung physikalischer Messwerte für eine auswertende Person ertastbar zu machenThe object of the invention is therefore to make measurement results palpable for an evaluating person in the evaluation of physical measurement values
Eine erfindungsgemaße Losung, dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteranspruchen gekennzeichnetA solution according to the invention, this object is specified in claim 1 Further developments of the invention are characterized in the subclaims
Nach der Konzeption der Erfindung wurde eine Force-Feedback-System entwickelt, das dem Nutzer bzw Operateur ein Fühlen des mechanischen Steifigkeitswertes ermöglicht Dabei steuert der beispielsweise für medizinische Anwendungen arthroskopisch oder endoskopisch gemessene Steifigkeitswert vorzugsweise über eine von der - das jeweilige Messfeld erfassende Messelektronik - ausgegebenen Spannung U den Druck, der unter einem externen Tastkissen herrscht Auf diese Weise stellt die Steifigkeit des Kissens ein Äquivalent der gemessenen Steifigkeit des auszuwertenden Materials bzw der biologischen Probe dar Das taktile Kissen oder Tastpolster ist Bestandteil des Steifigkeitstransmitters Weitere Funktionselemente des Transmitters sind der Eingangswandler, der die Eingangsspannung U in einen der Spannungsgroße äquivalenten Druck P umwandelt Dieser Druck P liegt dann als ertastbares Maß der taktilen Steifigkeit am Tastpolster an und kann parallel über eine Digitalanzeige ausgegeben werdenAccording to the concept of the invention, a force feedback system was developed that enables the user or surgeon to feel the mechanical stiffness value. The stiffness value measured, for example, for arthroscopic or endoscopic use in medical applications is preferably controlled by a measuring electronics system that detects the respective measuring field Voltage U is the pressure that prevails under an external tactile pillow. In this way, the rigidity of the pillow is equivalent to the measured rigidity of the material to be evaluated or the biological sample The tactile cushion or tactile pad is part of the stiffness transmitter.Other functional elements of the transmitter are the input transducer, which converts the input voltage U into a pressure P equivalent to the voltage become
Die Minimalvariante des Gerätes besitzt eine Flache zur Ertastung der Steifigkeit Mögliche Ausfuhrungen mit zusatzlichen Tastflachen dienen dem Komfort des Gerätes z B zur Gewahrleistung der Vergleichbarkeit von verschiedenen gespeicherten Werten Die wesentlichen Funktionen werden davon nicht berührtThe minimal variant of the device has a surface for sensing the rigidity. Possible designs with additional tactile surfaces serve the comfort of the device eg to ensure the comparability of different stored values. The essential functions are not affected
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung Es zeigenFurther details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawing
Fig 1 das Funktionsschema des Steifigkeitstransmitters,1 shows the functional diagram of the stiffness transmitter,
Fig 2 die Gesamtansicht einer GerateausführungFig. 2 shows the overall view of a device version
Fig 1 veranschaulicht die Grundfünktion des neuen Force-Feedback-Systems Als Eingangsgroße für den Steifigkeitstransmitter wird eine elektrische Spannung verwendet, welche die darzustellende physikalische Messgroße repräsentiert Mittels Eingangswandler 3 und Regelkreis 4 wird ein Druck P in einen geschlossenen Drucksystem erzeugt und einem Tastpolster 2 zur taktilen Auswertung des aktuellen Steifigkeitsdruckes zur Verfugung gestellt1 illustrates the basic function of the new force feedback system. An electrical voltage is used as the input variable for the stiffness transmitter, which represents the physical measurement variable to be represented. Using input transducer 3 and control circuit 4, a pressure P is generated in a closed pressure system and a tactile pad 2 for tactile use Evaluation of the current stiffness pressure provided
Das geregelte, geschlossene Drucksystem umfasst dabei Pumpe, Druckbehalter und TastpolsterThe regulated, closed pressure system includes the pump, pressure vessel and touch pad
Die Standardversion des Gerätes besitzt eine Tastflache 2 Um das vergleichende Darstellen mehrerer Messpunkte zu ermöglichen (Memoryfünktion) können mehrere Tastflachen am Steifigkeitstransmitter vorgesehen werden, deren Anordnung beliebig ist und allein funktionellen Gesichtspunkten unterliegt Die Anzahl der Tastpolster 2 wird insbesondere durch den Aufwand der Steuersysteme beschrankt, welche für jedes Tastpolster separat vorgesehen werden müssenThe standard version of the device has a tactile surface 2 In order to enable the comparison of several measuring points (memory function), several tactile surfaces can be provided on the stiffness transmitter, the arrangement of which is arbitrary and is solely subject to functional aspects The number of tactile pads 2 is particularly limited by the complexity of the control systems, which must be provided separately for each touch pad
Die Tastflachen 2 werden als Polster oder Membran ausgebildet Als Material kann Silikon oder ein vergleichbares Material eingesetzt werden Die Große der Tastflache betragt bei rechteckiger Geometrie mindestens 30 mm x 30 mm bzw bei kreisförmiger Gestaltung 30 mm DurchmesserThe tactile surfaces 2 are designed as pads or membranes. Silicon or a comparable material can be used as the material. The size of the tactile surface is at least 30 mm x 30 mm in the case of rectangular geometry or 30 mm in diameter in the case of a circular design
Fig 2 zeigt eine beispielhafte Gerateausführung Der Steifigkeitstransmitter 1 ist in ein Gehäuse integriert, welches in Reichweite des Anwenders aufgestellt wird Es verfügt über Zuleitungskabel für Stromversorgung und Einspeisung der Mess- und Steuersignale Auf der Geratefront sind die Tastflachen 2, die zugehörigen Digitalanzeigen mit LED 5 und Schalter 6 zum Speichern Loschen des aktuellen Wertes angeordnet Über einen Netzschalter 7 wird das Gerat in Betrieb genommen Mit Schalter 8 erfolgt eine Meßbereichsumschaltung zur wahlweisen Darstellung der ertastbaren Steifigkeit mit unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren Die Digitalanzeigen mit LED 5 dienen gleichzeitig zur Anzeige der TastflachenaktivierungFig. 2 shows an exemplary device design. The stiffness transmitter 1 is integrated in a housing that can be set up within the reach of the user. It has supply cables for power supply and feeding of the measurement and control signals. On the front of the device are the touch surfaces 2, the associated digital displays with LEDs 5 and Switch 6 arranged for storing Deletion of the current value The device is put into operation via a mains switch 7. Switch 8 is used to switch the measuring range to selectively display the palpable stiffness with different amplification factors
Nachdem der Steifigkeitstransmitter in Betrieb genommen ist, wird die Eingangsspannung U in einen Steifigkeitsdruckwert gewandelt und mittels der ersten Tastflache 2 fühlbar gemacht Diese Tastflachenaktivierung wird durch das Leuchten der zugeordneten LED 5 angezeigt Die Änderung der Spannung U wird fortlaufend in eine fühlbare Änderung des Steifigkeitswertes der Tastflache 2 umgewandelt und durch die Digitalanzeige 5 dargestellt Durch das Betatigen der Speichertaste 6 wird der aktuelle Steifigkeitswert gespeichert, die LED erlischt und die Tastflache ist für weitere Änderungen gesperrt Diese Sperrung wird durch Zurücksetzen des Speicher-Schalters beendetAfter the stiffness transmitter has been put into operation, the input voltage U is converted into a stiffness pressure value and made palpable by means of the first tactile surface 2. This tactile surface activation is indicated by the lighting of the associated LED 5 2 converted and represented by the digital display 5 By pressing the memory button 6, the current stiffness value is saved, the LED goes out and the button surface is blocked for further changes. This blocking is ended by resetting the memory switch
Bei einem Aufbau des Gerätes mit mehreren Tastflachen 2 wird nach dem Speichern auf der ersten Tastflache die nächste nicht gesperrte Tastflache aktiv Dies wird zusatzlich durch Leuchten der LED angezeigt Befinden sich alle Tastflachen im Modus Speichern und sind somit gesperrt, muß eine Tastflache aktiviert werden Der Impuls zur Speicherung kann auch über ein externes Steuersignal erfolgen, so dass der Anwender sich z B auf die laufende Messung konzentrieren kannIf the device is constructed with several button areas 2, the next unlocked button area becomes active after saving on the first button area.This is also indicated by the LED lighting up.If all button areas are in save mode and are therefore locked, a button area must be activated Storage can also be triggered by an external control signal, so that the user can, for example, concentrate on the ongoing measurement
Für medizinische Anwendungen wird das System vollständig steπlisierbar ausgeführt und kann direkt am OP-Tisch in Reichweite des Operateurs eingesetzt werden Hierbei wird der jeweils letzte und vorletzte Messwert der arthroskopischen bzw endoskopischen Steifigkeitsmessung auf die beiden Kissen 2 nach Fig 2 übertragen Ein direkter Vergleich der jeweils beiden letzten Datenwerte ist somit für den Operateur durch Ertasten möglichFor medical applications, the system is designed to be completely controllable and can be used directly at the operating table within the reach of the surgeon. Here, the last and penultimate measurement value of the arthroscopic or endoscopic stiffness measurement is transferred to the two pillows 2 according to FIG. 2. A direct comparison of the two last data values are thus possible for the surgeon by palpation
LISTE DER BEZUGSZEICHENLIST OF REFERENCES
1 Steifigkeitstransmitter1 stiffness transmitter
2 Tastflache, Tastpolster, Taktiles Kissen2 tactile surfaces, tactile pads, tactile pillows
3 Eingangswandler3 input converters
4 Regelkreis4 control loop
5 Digital anzeige5 digital display
6 Schalter Wertespeicherung6 value storage switch
7 Netzschalter7 power switch
8 Messbereichs-Schalter 8 measuring range switches

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Force-Feedback-System zur Darstellung und Erfassung der Steifigkeit von Materialien, mit deren Hilfe physikalische Messwerte an einem vom Messort entfernten Ort dargestellt und dabei vor allem taktil d h. auf dem Tastsinn beruhend abgebildet werden können dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Steifigkeitswert vorzugsweise über eine von der - das jeweilige Messfeld erfassende Messelektronik - abgegebenen Spannung U mittels Druck P oder einer anderen vergleichbaren physikalischen Größe die Steifigkeit mindestens einer Tastflache (2) steuert, wobei die Steifigkeit der Tastflache(n) ein Äquivalent für die gemessene(n) Steifigkeit(en) istForce feedback system for displaying and recording the stiffness of materials, with the aid of which physical measured values are displayed at a location distant from the measuring location and, above all, tactile, i.e. Mapping can be based on the sense of touch, characterized in that the measured stiffness value preferably controls the stiffness of at least one touch surface (2) via a voltage U output by the measuring electronics measuring the respective measuring field by means of pressure P or another comparable physical quantity, the Stiffness of the tactile surface (s) is an equivalent for the measured stiffness (s)
Force-Feedback- System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Tastflache (2) in einem Steifigkeitstransmitter (1) angeordnet ist und dieser Steifigkeitstransmitter die folgenden wesentlichen Funktionselemente aufweist a) einen Eingangswandler (3), dem die vom Messfeld, der Messelektronik abgegebene Spannung U als Eingangsspannung zugeführt wird, b) einem Regelkreis (4), in dem ein der Eingangsspannung U proportionaler Druck erzeugt wird, c) einer oder mehrere Tastflache(n) (2), unter denen der jeweilige vorliegende Steifigkeitsdruck aufgebaut wirdForce feedback system according to Claim 1, characterized in that at least one touch surface (2) is arranged in a stiffness transmitter (1) and this stiffness transmitter has the following essential functional elements a) an input transducer (3) to which the measurement field, the measurement electronics Output voltage U is supplied as an input voltage, b) a control circuit (4), in which a pressure proportional to the input voltage U is generated, c) one or more tactile surface (s) (2), under which the respective existing stiffness pressure is built up
Force-Feedback- System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Tastflachen (2) als taktiles Polster oder Kissen oder als taktile Membran ausgebildet sind Force-Feedback- System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Tastflachen oder Membranen (2) Silikon oder ein vergleichbares Material eingesetzt wirdForce feedback system according to claim 1 or 2, characterized in that the tactile surfaces (2) are designed as a tactile cushion or cushion or as a tactile membrane Force feedback system according to claim 3, characterized in that silicone or a comparable material is used as the material for the tactile surfaces or membranes (2)
Force-Feedback- System nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Große der Tastflachen (2) bei rechteckiger Ausfuhrung mindestens 30 mm x 30 mm betragt und bei kreisförmiger Ausfuhrung mindestens einen Durchmesser von 30 mm aufweistForce feedback system according to claim 3 or 4, characterized in that the size of the tactile surfaces (2) is at least 30 mm x 30 mm for a rectangular design and has a diameter of at least 30 mm for a circular design
Force-Feedback-System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der vom Regelkreis (4) an ein Tastpolster (2) bereitgestellte Druck P parallel über eine Digital anzeige (5) ausgegeben wird Force feedback system according to claim 2, characterized in that the pressure P provided by the control circuit (4) to a touch pad (2) is output in parallel via a digital display (5)
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