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Der EFI OptiGrip – Wärmesimulationen zur Vermeidung von Überhitzung

Bei der sogenannten Schlüssellochchirurgie werden dünne Röhrchen durch kleine Einschnitte in den Körper eingeführt. Greifer an der Spitze dieser Röhrchen manipulieren das Körpergewebe. Dank einer kleinen Kamera kann der Chirurg sehen, was die Greifer tun.

Herkömmliche Instrumente für die Schlüssellochchirurgie sind jedoch nicht mit dem sogenannten haptischen Feedback ausgestattet – dem Gefühl des Widerstands, dem die Finger begegnen, wenn sie etwas greifen. Diese Rückmeldung hilft dabei, zu „fühlen“, was man gerade tut. Da herkömmlichen Instrumenten das haptische Feedback fehlt, sind die ausgeübten Kräfte auf das Gewebe normalerweise dreimal so groß wie erforderlich. Das wiederum erhöht das Risiko von Komplikationen und Gewebeschädigungen.

DEMCON war Co-Entwickler des OptiGrip: eines empfindlichen Instruments für Schlüssellochchirurgie mit haptischem Feedback. Optische Sensoren im Greifer messen die Kraft, die nötig ist, um Körpergewebe zu erfassen. Diese Kraft wird auf einen kleinen Aktuator im Griff des Instruments übertragen, das eine Kraftrückmeldung an den Chirurgen übermittelt. Der Chirurg spürt folglich die Kraft, die auf das Körpergewebe ausgeübt wird. Ein Beispiel: Der Chirurg kann den Unterschied zwischen einer Vene und einer Arterie fühlen.

DEMCON Multiphysics war an der Entwicklung dieses Instruments beteiligt. Unser Ziel bestand darin, zu beweisen, dass die thermischen Anforderungen erfüllt werden: sicherstellen, dass das Gehäuse kühl genug bleibt, und verhindern, dass der Aktuator überhitzt. Im Inneren des Instruments sorgt ein kleiner elektromagnetischer Aktuator für das haptische Feedback. In der Magnetspule wird Wärme erzeugt. Diese wird vom Aktuator an die Außenseite des Gehäuses übertragen.

Unter Anwendung von Computation Fluid Dynamics (CFD)-Simulationen haben wir die Wärmeübertragung in dem Instrument berechnet und uns auf Gehäuse-, Griff- und Motortemperatur konzentriert. Wir haben Fluidfluss und Wärmeleitung durch Strukturteile kombiniert und dabei ein sogenanntes konjugiertes konvektives Wärmeübertragungsmodell verwendet. Anfängliche Simulationen zeigten deutliche Verbesserungsfähigkeit und es waren mehrere Entwurfsiterationen nötig, um eine ausreichende Wärmeübertragung in die Umgebung sicherzustellen. Zur Berechnung der Aufwärm- und Abkühlzeiten haben wir transiente Simulationen erstellt, wie im Video gezeigt.

Fazit: DEMCON Multiphysics war bei der thermischen Konstruktion des EFI OptiGrip behilflich, um sicherzustellen, dass dieser alle thermischen Spezifikationen erfüllt. Dieses Instrument ist mittlerweile kommerziell verfügbar.

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