Title: Development and Testing of Biomimetic Macroscale Models for Novel Endoscopes
Other Titles: Entwicklung und Testung bionischer mikroskopischer Modelle für neuartige Endoskope
Language: English
Authors: Pichler, Cornelia Friederike 
Qualification level: Diploma
Advisor: Gebeshuber, Ilse-Christine 
Issue Date: 2021
Number of Pages: 84
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Ziel dieser Arbeit ist die Verbesserung aktueller Endoskope durch Inspiration aus der belebten Natur. Konventionelle Endoskope werden seit mehr als 50 Jahren vielseitig eingesetzt und wurden dabei kaum verändert. Das medizinische flexible Endoskop wird im Regelfall manuell vom untersuchenden Arzt in den Magen-Darm-Trakt geführt und weitergeschoben; die neuen Endoskope sollen motorisiert werden. Dies soll dabei helfen, die Untersuchung weniger stressig und ermüdend für den untersuchenden Arzt und weniger riskant und unangenehm für den Patienten zu gestalten, mit besonderem Augenmerk auf Patienten mit empfindlichem Gewebe. Ein endoskopisches System, das sich selbst fortbewegen kann, kann dazu beitragen, Probleme durch mechanische Belastung auf das Gewebe zu verringern, psychischen Druck zu vermindern und Zeit zu sparen. Durch die Identifizierung von Best-Practice-Beispielen in der belebten Natur und die Abstraktion der für Endoskope relevanten physikalischen Grundprinzipien wurden makroskopische Modelle auf Klemmbaustein-Basis - unter anderem mit eingebauten Sensoren - konzipiert, gebaut und getestet. Diese Tests beinhalteten Untersuchungen der Maneuvrierbarkeit der Modelle in makroskopischen Labyrinth-artigen Dickdarmmodellen mittels Berührungssensoren, der wirkenden Kräfte bei Interaktion mit der beweglichen Wand mittels Federwaagen und der Druckverteilung der aktiven Modelle auf einer drucksensitiven Folie (Prescale Ultra Extreme Low (5LW), FUJIFILM). Die makroskopischen endoskopischen Modelle basieren auf den spezifischen Bewegungsabläufen und -mechanismen von Schlangen (Schuppen), Maulwürfen (Schaufelhände) und tetrapoden Wirbeltieren (Beine). Die Ergebnisse sollen Endoskopentwickler dazu inspirieren schonendere Fortbewegungssysteme hinsichtlich des Kontakts mit dem empfindlichen Magen-Darm-Trakt zu wählen, mit zusätzlichen Vorteilen durch die (noch durchzuführende) Miniaturisierung.

The aim of this thesis is to improve current endoscopes by inspiration from living nature. Conventional current endoscopes have been widely used for more than 50 years and were hardly altered. The medical flexible endoscope is usually advanced manually by the examining doctor; the novel endoscopes shall be motorized. This makes the examination less stressful and tiring for the medical doctor and less risky and uncomfortable for the patients, especially for those with sensitive tissue. A self-propelling endoscopic system will reduce problems due to mechanical stress of the tissue, diminish mental pressure and save time. By identifying best practice examples in living nature and abstracting the basic physical principles relevant for endoscopes, macroscopic interlocking brick-based models with, e.g., implemented sensors, were conceptualized, built and tested. These tests determined the maneuverability of the models in macroscopic maze-based colon models via touch sensors, key forces regarding the interaction with the wall via spring balances and the pressure distribution of the actively moving models on pressure sensitive foil (Prescale Ultra Extreme Low (5LW), FUJIFILM). The macroscale endoscope models are based on the movement specifics of snakes (snake scales), moles (shovel hands) and tetrapod vertebrates (legs). The results will inspire endoscope developers towards more gentle locomotion systems regarding the contact with the sensitive gastrointestinal tract, with additional benefits from miniaturization (that is yet to be established).
Keywords: Bionik; Experimentalphysik; Endoskopmodell; Druck- und Kraftmessung; Touchsensoren; Prototypenentwicklung
biomimetics; Experimental Physics; endoscope model; pressure and force measurement; touch sensors; prototype development
URI: https://doi.org/10.34726/hss.2021.89182
http://hdl.handle.net/20.500.12708/17587
DOI: 10.34726/hss.2021.89182
Library ID: AC16215833
Organisation: E134 - Institut für Angewandte Physik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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