“Duffing-Typ“ “Systemeffekt“-basierte Modelle zur Vorhersage der Schnittkraftentwicklung in minimalinvasiven Operationen

• Antragsteller: Kostyantyn Malukhin, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 439145569

Das Hauptziel dieses DFG-Projekts ist die Erweiterung und Entwicklung einer Methode zur Modellierung von Reaktionen des Schneidevorgangs, die während verschiedener minimal-invasiver chirurgischer Eingriffe, z. B. Biopsie, Brust- oder Prostata-Brachytherapie, Laparoskopie, Ventrikulostomie usw., zwischen weichem biologischen Gewebe und dem medizinischen Schneidinstruments (hier eine Nadel mit abgeschrägter Spitze) auftreten. Die vorhergesagten Reaktionen des Schneidprozesses sind die wichtigsten Ergebnisse des Projekts. Dazu gehören die auf die Nadel wirkende Gesamtschneidekraft (die sog. Prozess-"Kraftsignatur"), die gewebedynamische Bruchkraft, die dynamische Nadel/Gewebe-Reibungskraft, die dynamische Schneidprozessdämpfung und die Dehnratenabhängigkeit des Gewebes. Der im vorherigen DFG-Projekt entwickelte chirurgische Schnittprozess-Modellierungsansatz basiert auf den grundlegenden Kirchhoffschen Gesetzen und dementsprechenden Erhaltungssätzen. Die Bewegungsgleichungen werden unter Verwendung einer geschwindigkeitsgesteuerten Formulierung abgeleitet, die verwendet wird, um die Nadelbewegung innerhalb des Gewebes und die entsprechende Gewebereaktion während eines chirurgischen Eingriffs zu beschreiben. Das neue analytische Gewebebruchkraftmodell für die Nadel mit abgeschrägter Spitze wird unter Verwendung des neu entwickelten Bruchkraftmodells mit Hilfe klassischer Metallschneidemechanik, der Bruchmechanik und der Schrägschnitttheorie abgeleitet. Das neue dynamische Reibungskraftmodell wird unter Verwendung der Rückkopplungskräfte des Schneidinstruments und der Gewebereaktion hergeleitet. Dazu ist ein dehnratenabhängiges Konstitutiv modell herzuleiten. Aufgrund der hochgradig nichtlinearen Natur des Schneidprozesses für weiches biologisches Gewebe (z. B. aufgrund des Mullins Gewebeerweichungseffektes, Gewebebruchzähigkeitsvariation oder andere) werden die zusätzlichen nichtlinearen Kraftterme vom „Duffing-Typ“ (z. B. die kubische Steifheit , kubischer Dämpfungsterm usw.) sowie das sogenannte „Floppy“-Gewebemodell benötigt. Alle oben genannten Modelle werden durch den gemeinsamen „Systemeffekt“-basierten Ansatz vereint. Das nichtlineare Modell zur Modellierung von Gewebeschneideprozesse wird experimentell unter Verwendung künstlicher Phantomgewebe und/oder numerisch unter Verwendung verfügbarer kommerzieller FEM-Software validiert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Kornel F. Ehmann; Professor Michael Verta, Ph.D.
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Timon Rabczuk, Ph.D.