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Patents

  1. Advanced Patent Search
Publication numberWO2002043588 A1
Publication typeApplication
Application numberPCT/DE2001/004538
Publication date6 Jun 2002
Filing date30 Nov 2001
Priority date2 Dec 2000
Also published asDE10060061A1, DE10060061C2
Publication numberPCT/2001/4538, PCT/DE/1/004538, PCT/DE/1/04538, PCT/DE/2001/004538, PCT/DE/2001/04538, PCT/DE1/004538, PCT/DE1/04538, PCT/DE1004538, PCT/DE104538, PCT/DE2001/004538, PCT/DE2001/04538, PCT/DE2001004538, PCT/DE200104538, WO 0243588 A1, WO 0243588A1, WO 2002/043588 A1, WO 2002043588 A1, WO 2002043588A1, WO-A1-0243588, WO-A1-2002043588, WO0243588 A1, WO0243588A1, WO2002/043588A1, WO2002043588 A1, WO2002043588A1
InventorsGeorg Duda, Jan-Erik Hoffmann
ApplicantUniversitätsklinikum Charite Medizinische Fakultät Der Humboldt-Universität Zu Berlin
Export CitationBiBTeX, EndNote, RefMan
External Links: Patentscope, Espacenet
Force feedback system
WO 2002043588 A1
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.
Claims  translated from German  (OCR text may contain errors)
PATENTANSPRÜCHE CLAIMS
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) ist Force feedback system for displaying and recording the stiffness of materials that help shown physical measurements at one of the measuring site remote location and primarily tactile d h. On the sense of touch can be mapped based characterized in that the measured stiffness value preferably via one of the - detecting the respective measuring field measuring electronics - delivered voltage U by means of pressure P or any other comparable physical size controls the stiffness of at least one Tastflache (2), wherein the stiffness of Tastflache (s) an equivalent of the measured (n) stiffness ( s) is
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 wird Force-feedback system according to claim 1, characterized in that at least one Tastflache (2) in a stiffness transmitter (1) is disposed and this rigidity transmitter comprising the essential functional elements a) an input transducer (3), which from the measurement field, the measurement electronics output voltage U is supplied as input voltage, b) a control circuit (4), in which an input voltage U proportional pressure is generated, c) one or more Tastflache (s) (2), where the relevant present rigidity pressure is built
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 wird Force-feedback system according to claim 1 or 2, characterized in that the Tastflachen (2) are designed as tactile pad or cushion, or as a tactile membrane force-feedback system according to claim 3, characterized in that as material for the Tastflachen or membranes (2) silicone or a similar material is used
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 aufweist Force-feedback system according to claim 3 or 4, characterized in that the size of Tastflachen (2) amounts to at least 30 mm x 30 mm in rectangular execution and execution circular having a minimum diameter of 30 mm
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 control circuit (4) to a Tastpolster (2) provided pressure P is output in parallel over a digital display (5)
Description  translated from German  (OCR text may contain errors)

Force-Feedback-System Force-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, dh auf dem Tastsinn beruhend abgebildet werden können The invention relates to an apparatus for displaying and detecting the stiffness of materials, with the aid of physical shown measured values to a remote location from the measuring point and primarily tactile, that can be imaged based on the sense of touch

Die Eigenschaften von weichen, elastischen Materialien im allgemeinen und von biologischen Geweben im besonderen lassen sich ua mit Hilfe neuartiger Messinstrumente präzise erfassen Bei biologischen Geweben sind dafür ua 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 unterscheiden The properties of soft elastic materials in general and of biological tissues in particular can be, inter alia, with the help of new measurement tools accurately grasp the case of biological tissues, arthroscopic and endoscopic stiffness measurements for known inter alia the medical field, allow these methods geschadigte areas of intact to distinguish Moreover, these methods are used here to assess the quality of healing tissue postoperatively Ultimately, the quality of the altered by disease, trauma or tissue supply do not differ significantly from the surrounding tissue intact

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 erfolgen So far the measurement results to the user specified as numerical values The indication of the stiffness by numerical values is useful for a quantitative comparison of different measurement results Alternatively also be a graphic processing by outputting the pressure-strain 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 sind However, this only partly available through minimally invasive surgical manner "sensing" of the biological tissue is not through the display as a numerical value or as diagram replaceable DE 4213 584 C2, DE 4213 426 C2 and DE 4332 580 AI are medical devices known in which special pressure sensing means at the insertion of a to be introduced into the Korperinnere instrument are present Thus, in DE 4213 584 C2 a plurality of pressure sensors for detecting the pressure signals on the surface of an oval balloon disposed in the device according to DE 4213 426 C2, there are pressure sensors einπchtung at a Kontaktkrafterfassungs- or strain gauge for detecting the strain rate, which are provided at the distal end of a treatment adapter for determining the stiffness of the fabric

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 angeordnet In DE 4332 580 AI replica of touch will be described a surgical instrument given a non-positive, pressure or arranged paths sensitive sensor and the instrument Aktorarray

Alle bekannten Vorrichtungen sind nicht in der Lage, Messergebnisse zur Steifigkeit von Materialien einer taktilen Auswertung zuzuführen All known devices are not able to feed measurement results to the stiffness of materials of a tactile evaluation

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, Messergebnisse in Auswertung physikalischer Messwerte für eine auswertende Person ertastbar zu machen The object of the invention is therefore to make measurements palpable in evaluation of physical measurements of a person evaluating

Eine erfindungsgemaße Losung, dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteranspruchen gekennzeichnet An inventive solution, this problem is defined in claim 1. Further developments of the invention are characterized in the dependent claims

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 werden According to the conception of the invention, a force feedback system was developed, the or operator to the user a feel of the mechanical stiffness value here preferably of arthroscopically or endoscopically measured, for example, for medical applications stiffness value controls a by - detecting the respective measuring field measuring electronics - issued voltage U the pressure prevailing under an external touch pad in this way, the rigidity of the cushion an equivalent of the measured stiffness of the evaluation material or the biological sample represents the tactile pad or Tastpolster is part of the rigidity transmitter further functional elements of the transmitter are the input transducer, the the input voltage U in one of the voltage Large equivalent pressure P converts This pressure P is then present as a tactile level of tactile rigidity at Tastpolster and can be output in parallel via a digital display

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 berührt The minimum configuration of the device has a surface for Ertastung the stiffness Possible VERSIONS with additional Tastflachen serve the convenience of the device eg for Guarantee comparability of various stored values are the essential functions of the said Directive

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispiels unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung Es zeigen Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description of an embodiment with reference to the accompanying drawings,

Fig 1 das Funktionsschema des Steifigkeitstransmitters, Figure 1 shows the functional layout of the stiffness transmitter,

Fig 2 die Gesamtansicht einer Gerateausführung Figure 2 shows the overall view of a random execution

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 gestellt Figure 1 illustrates the Grundfünktion the new force feedback system as an input variable for the stiffness transmitter is an electrical voltage used which the be displayed physical measured quantity represents means input transducer 3 and control circuit 4, a pressure P is generated in a closed pressure system and a Tastpolster 2 for tactile provided analysis of the current rigidity pressure for grouting

Das geregelte, geschlossene Drucksystem umfasst dabei Pumpe, Druckbehalter und Tastpolster The regulated, closed delivery system encompasses pump, pressure vessel and Tastpolster

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 müssen The standard version of the device has a Tastflache 2 To the comparative Displaying several measurement points to enable (Memoryfünktion) can be provided on the stiffness Transmitter several Tastflachen whose arrangement is arbitrary and only functional aspects subject to the number of Tastpolster 2 is limited in particular by the cost of control systems, which must be provided separately for each Tastpolster

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 Durchmesser The Tastflachen 2 are as a cushion or membrane formed as a material, silicone or a similar material be used The size of the Tastflache amounts in rectangular geometry at least 30 mm x 30 mm or with a circular design 30mm diameter

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 Tastflachenaktivierung Figure 2 shows an exemplary random design The stiffness transmitter 1 is integrated in a housing which is situated within reach of the user It has lead cable for power supply and supply of measuring and control signals to the devices front are the Tastflachen 2, the associated digital displays with LED 5 and switch 6 for storing Loschen the current value placed over a power switch 7 the device is put into operation with switch 8 a range switch for selectively view the palpable rigidity is carried out with different amplification factors, the digital displays with LED 5 are also used for displaying the Tastflachenaktivierung

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 beendet After the stiffness transmitter is put into operation, the input voltage U is converted into a stiffness pressure value and made palpable by the first Tastflache 2 This Tastflachenaktivierung is indicated by the illumination of the LED assigned 5 The change in the voltage U is continuously in a perceptible change in the stiffness value of Tastflache 2 transformed and represented by the digital display 5 by actuating the memory key 6 of the current stiffness value is stored, the LED goes out and the Tastflache is locked for further changes, this suspension is terminated 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 kann In a configuration of the device with several Tastflachen 2 after saving on the first Tastflache the next unlocked Tastflache is active This is indicated additionally by an illuminated LED If all Tastflachen mode Save and are thus locked, has a Tastflache enabled Pulse for storage can also via an external control signal occur, so that the user can for example focus on the current 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 möglich For medical applications, the system runs entirely steπlisierbar and can be used directly on the operating table within reach of the surgeon this shall be the last and penultimate measured value of arthroscopic or endoscopic stiffness measurement is transmitted to the two pads 2 of Figure 2, a direct comparison of each two recent data values is thus possible for the operator by touch

LISTE DER BEZUGSZEICHEN LIST OF REFERENCE NUMBERS

1 Steifigkeitstransmitter 1 stiffness Transmitter

2 Tastflache, Tastpolster, Taktiles Kissen 2 Tastflache, Tastpolster, Tactile Pillow

3 Eingangswandler 3 input transducer

4 Regelkreis 4 loop

5 Digital anzeige 5 Digital display

6 Schalter Wertespeicherung 6 switch values Storage

7 Netzschalter 7 Power switch

8 Messbereichs-Schalter 8 Measuring range switch

Patent Citations
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Referenced by
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Classifications
International ClassificationA61B5/103
Cooperative ClassificationA61B5/0053, A61B5/445
European ClassificationA61B5/44B6, A61B5/00M4
Legal Events
DateCodeEventDescription
6 Jun 2002AKDesignated states
Kind code of ref document: A1
Designated state(s): CA CN CZ GB HU IL PL RU UA US
6 Jun 2002ALDesignated countries for regional patents
Kind code of ref document: A1
Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR
13 Nov 2002121Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
3 Mar 2004122Ep: pct application non-entry in european phase