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HASASEM (W. Khaled)
HASASEM (W, Khaled) (english)

Entwicklung eines haptischen Sensor-Aktor-Systems für die Virtuelle Realität

Motivation:


Der Übertragung haptischer Informationen wird in der Medizin eine hohe Bedeutung beigemessen. Dies hat verschiedene Ursachen, die auf bestehende und sich neu entwickelnde Diagnose- und Behandlungstechniken zurückzuführen sind. So kann beispielsweise der behandelnde Arzt über das Abtasten von Organen Veränderungen in der Festigkeit des Gewebes bzw. lokale Verhärtungen feststellen und daraus Rückschlüsse auf pathologische Veränderungen ziehen.
Das Abtasten von Organen nimmt bei Operationen in dem Maße ab, in dem sich Methoden der minimalinvasiven Chirurgie durchsetzen. Derartige Methoden beschränken das Maß der Invasivität bei chirurgischen Eingriffen auf ein Minimum und setzen so die Rekonvaleszenzzeit und die damit verbundenen Heilungskosten deutlich herab.




The Motivation:


In the field of medical diagnosis, there is a strong need to determine mechanical properties of biological tissue, which are of histological and pathological relevance. One of the established diagnosis procedures is the palpation of body organs and tissue. Palpation is used to locate changes in the pathological state of tissue and organs.
Sometimes, while minimal-invasive or remote surgeries the surgeon is incapable of palpating the tissues of interest before they are cut. Such surgeries are highly attractive due to the reduction of convalescence time and are of medical and economical benefit.

Methode:

In dem Projekt wird ein haptisches Sensor-Aktor-System (Bild 1) für die Erzeugung und Darstellung haptischer Informationen in der virtuellen Realität entwickelt. Der Sensorteil des Systems bedient sich der Ultraschallelastographie, während im Aktorteil die Fähigkeit von elektrorheologischen Flüssigkeiten genutzt wird, ihre Konsistenz in elektrischen Feldern reversibel zu verändern. Die konventionelle Ultraschallbildgebung ist nicht in der Lage mechanische Eigenschaften des Objektes darzustellen (Bild 2a), weil die dargestellten Rückstreueigenschaften in den herkömmlichen Ultraschallbildern von der Konsistenz des Gewebes unabhängig sind. Für die Realisierung der Sensoreinheit (Ultraschallelastographie) ist zur Erzeugung von Dehnungsbildern außer einem Ultraschallsystem eine mechanische oder manuelle Verformung notwendig, wodurch der Schallwandler Ultraschallbilder zu unterschiedlichen Verformungszuständen aufnehmen kann. Die mit der Ultraschallelastographie aufgenommenen Verschiebungen der einzelnen Materialpunkte können einerseits zur Berechnung der Dehnungen herangezogen werden, welche als eine Darstellung von elastischen Eigenschaften im betrachteten Gewebequerschnitt verstanden werden können (Bild 2b). Andererseits kann mit Hilfe der ermittelten Verschiebungen durch Lösung des Inversen Problems der Elastographie die Festigkeitsverteilung (Bild 2c) im betrachteten Querschnitt ermittelt und anschließend sowohl visuell als auch haptisch wiedergegeben werden.

Das Aktorsystem besteht aus einer ebenen Tastfläche, unter der sich eine Vielzahl von elektrisch separat ansteuerbaren Fluidzellen befindet. Um eine den Tastrezeptoren im Finger entsprechende Auflösung zu erreichen, werden die Aktorzellen mikrotechnisch hergestellt
The Method:

In this project we develop a novel haptic sensor actuator system (Fig.1) for the generation and representation of haptic information in virtual reality. With this system the stiffness distribution of mechanically inhomogeneous objects can be detected and made perceivable for users at distant locations. The sensor part is based on ultrasonic elastography and the actuator part utilizes the ability of electrorheological fluids to change their consistency in electric fields reversibly. Ultrasonic images are normally not capable of representing mechanical properties of tissue (Fig. 2a), because the back-scattered signal is independent of the rigidity of the material. However, such information can be obtained from the modality of ultrasound elastography. With this new modality small deformations are determined between ultrasonic image pairs, which are acquired under small compression. The derivative of the displacement is equal to the strain, which can be used to differentiate between rigid and soft regions in the tissue (Fig. 2b). Better images can be obtained by exploring the feasibility of reconstructing tissue elasticity within the framework of solving the inverse problem i.e. the calculation of the relative stiffness from the measured displacements of the object (Fig. 2c). This numerical approach is used to calculate mechanical and haptic properties of different objects.

The actuator part consists of a flat surface above two-dimensional array elements with individually addressable stiffness. For the development of the haptic system several innovative microtechnological approaches have been introduced.
Ziel:

Das Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines neuartigen Systems, einschließlich der dafür erforderlichen Technologie, mit dem haptische Informationen in einem realen Objekt mit einem Sensor- Teilsystem erfaßt und anschließend auf einem Aktor-Teilsystem für den Benutzer fühlbar dargestellt werden.
The Target:

The aim of this project is to develop a novel system with an innovative technology to specify haptic information of an object using a sensor system and to represent it perceptibly on a tactile display (actuator) for the user.
Vision:

Durch den Aufbau und die Erprobung verschiedener Komponenten des haptischen Sensor-Aktor-Systems konnte die prinzipielle Machbarkeit aufgezeigt werden. Im weiteren Verlauf des Vorhabens soll nun ein Versuchsmuster aufgebaut werden, das eine Aktoreinheit aus mehr als 1000 Elementen enthält. Soweit möglich wird versucht, mechanische Materialdaten des Objektes aus den elasto-graphischen Messungen zu bestimmen. Zur Entwicklung des Aktor-systems wird das Aktordesign untersucht und in ein erweitertes Mikroarray mit entsprechender Fertigungstechnik integriert werden.

Das haptische Sensor-Aktor-System wird als eine Technologieplattform angesehen, auf der anschließend verschiedene Produkte (Bild 3) für die Medizintechnik, die Unterhaltungsindustrie oder den Ausbildungssektor entwickelt werden können.
The Vision:

The feasibility of the haptic sensor-actuator system based on ultrasonic elastography and electrically induced stiffness variation of an electrorheological fluid have been shown. This is demonstrated by the realization of a system of provisionally reduced size. In the next step a new actuator will be developed existing of 1000 elements. The mechanical properties of tissue will be calculated, if possible with a higher accuracy from the elastographic images. For the development of the actuator array the design will be improved and produced with micro-mechanical technologies.

The haptic sensor-actuator system can serve as a technology platform for the subsequent development of new products in various applications (Fig. 3) such as medicine, entertainment or education.
Scheme of the haptic system


Bild 1:

Gesamtkonzept des haptischen Systems

Fig. 1:

Scheme of the haptic system


Bild 2: Echtzeit-Elastographie, dargestellt an einem Gewebe-Phantom
Fig. 2: Ultrasound Elastography on a tissue mimicking phantom

Ultrasound Elastography on a tissue mimiching phantom
a) Ultraschallbild, Verhärtung nicht
   sichtbar / Ultrasound image, hard
   inclusion not visible
b) Elastogramm (Dehnungsbild / strain image) c) Elastogramm (relative Festigkeits-
   verteilung) / Elastogram (relative
   stiffness distribution)

A typical application for the haptic system


Bild 3:

Anwendungsbeispiel für das haptische System

Fig. 3:

A typical application for the haptic system

 
 
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Letzte Änderung: 16.02.2005 | Ansprechpartner: Webmaster