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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung relativer Orts-
und Lageveränderungen
eines Prüfgegenstandes,
die eine zumindest bereichsweise zylindrisch ausgebildete Prüfgegenstandsführung aufweist
sowie ein Vorrichtungssystem.
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Bei
medizinischen Eingriffen am menschlichen oder tierischen Körpern werden
häufig
Gegenstände
in den Körper
eingeführt.
So werden beispielsweise durch die Arterien hindurch Katheter zum Herz
geleitet. Diese Katheter dienen u. a. als Führungshülsen für Werkzeuge und Instrumente,
die bei Untersuchungen oder Eingriffen benötigt werden. Die Werkzeuge
und Instrumente sind beispielsweise Drähte oder Ballons, die z. B.
an einer Herzklappe zu positionieren sind.
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Das
Einführen
der einzelnen Teile erfolgt meist von Hand, so dass die erreichte
Positioniergenauigkeit von der Routine und der Ruhe des Kardiologen
abhängig
ist. Damit der Kardiologe ein Gefühl für das Positionieren bekommt,
werden Übungsvorrichtungen
zur Simulation des medizinischen Eingriffs eingesetzt.
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Eine Übungsvorrichtung
ist beispielsweise aus der
DE
689 20 327 T2 bekannt. In dieser Vorrichtung sind auf der
Außenfläche eines
Arterienmodells einzelne Sensoren angeordnet, um grob die Eindringtiefe
eines Katheters zu ermit teln. Der Kardiologe kann hiermit jedoch
kein Feingefühl
für die
Bewegungen des Katheters entwickeln.
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Aus
der
US 6,106,301 A ist
eine Messvorrichtung mit einem Messgegenstand bekannt. Der Messgegenstand
trägt optische
Sensoren. Eine Lichtquelle ist entweder auf dem Messgegenstand oder
neben einem auf Papier aufgetragenen Gittermuster angeordnet. Das
von der Lichtquelle ausgesandte Licht wird an dem Gittermuster reflektiert
und von den optischen Sensoren aufgenommen. Diese Vorrichtung erfordert
einen speziell präparierten Messgegenstand.
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Auch
die in der
US
2003/0208103 A1 beschriebene Messvorrichtung erfordert
einen speziell ausgebildeten Messgegenstand. Dieser weist konstant
beabstandete Markierungen auf, die von einem optischen Sensorsystem
erfasst werden. Eine technische Lösung ist nur für die Erfassung
einer translatorischen Bewegung des Messgegenstandes angegeben.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Problemstellung zugrunde,
eine kompakte Vorrichtung zu entwickeln, die eine möglichst
genaue Ermittlung der Bewegung eines Prüfgegenstandes ermöglicht.
Außerdem
soll ein Vorrichtungssystem mit mehreren derartigen Vorrichtungen
entwickelt werden.
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Diese
Problemstellung wird mit den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst. Dazu
umfasst die Vorrichtung eine Vielzahl von optischen Sensorelementen,
die in einem Prüfbereich
der Prüfgegenstandsführung direkt
oder indirekt in den von der Prüfgegenstandsführung begrenzten
Raum gerichtet sind. Die Prüfge genstandsführung ist
im Prüfbereich zu
einem Hohlraum aufgeweitet ist. Im Hohlraum ist ein strukturiertes
Element angeordnet.
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Das
Vorrichtungssystem umfasst mindestens zwei derartige Vorrichtungen.
Die zylindrischen Bereiche der Prüfgegenstandsführungen
haben unterschiedliche Durchmesser. Das Vorrichtungssystem umfasst
mindestens zwei Prüfgegenstände. Die Vorrichtungen
sind derart gekoppelt, dass der Prüfgegenstand der Vorrichtung
mit der Prüfgegenstandsführung kleinsten
Durchmessers zumindest den Prüfgegenstand
der Vorrichtung mit der Prüfgegenstandsführung nächstgrößeren Durchmessers durchdringt.
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Weitere
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung schematisch dargestellter Ausführungsformen.
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1:
Längsschnitt
einer Vorrichtung;
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2:
Detail aus 1;
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3:
Detail eines optischen Sensormoduls;
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4:
Vorrichtungssystem;
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5:
Detail aus 4.
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Die 1 zeigt
einen Längsschnitt
einer Vorrichtung (11) zur Ermittlung relativer Orts- und
Lageveränderungen
eines Prüfgegenstandes
(90). Eine derartige Vorrichtung (11) wird beispielsweise
als Übungsvorrichtung
für Kardiologen
bei der Vorbereitung einer Herzoperation eingesetzt.
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Die
Vorrichtung (11) umfasst ein z. B. quaderförmiges Gehäuse (20),
das in diesem Ausführungsbeispiel
aus einer Bodenplatte (21), einem Gehäuseunterteil (22),
einem Gehäusemittelteil
(23) und einem Deckelteil (24) besteht. Die einzelnen
Gehäuseteile
(21–24)
sind miteinander z. B. verschraubt oder verklebt. Das Gehäuseunterteil
(22) und das Gehäusemittelteil
(23) haben einander zugewandte Nuten (25, 26).
Diese beiden Nuten (25, 26) bilden einen Gehäuselängsdurchbruch
(27) des Gehäuses (20).
Im Ausführungsbeispiel
ist im Gehäusemittelteil (23)
eine Sensorvorrichtung (40) und im Gehäuseunterteil (22)
eine Bremsvorrichtung (60) angeordnet. Gegebenenfalls kann
im Gehäuse
(20) auch eine Auswerteelektronik angeordnet sein, die
eine Schnittstelle zu einem übergeordneten
Rechnersystem aufweist. Diese Schnittstelle kann z. B. ein CAN-Bus, ein Ethernet-Bus,
ein RS422-Protokoll, etc. sein. Die Vorrichtung (11) kann
ohne Bremsvorrichtung (60) ausgebildet sein. Das Gehäuse (20) kann
dann ohne Bodenplatte (21) ausgeführt sein und das Gehäuseunterteil
(22) und das Gehäusemittelteil
(23) können
ein Bauteil bilden.
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Der
Gehäuselängsdurchbruch
(27) hat in der Darstellung der 1 mehrere
Abschnitte (31–34) unterschiedlichen
Querschnitts. An der linken (28) und an der rechten Gehäuse seite
(29) hat sie einen zylinderförmigen Einführbereich (31), der
sich kegelförmig
in Richtung der Gehäusemitte
verjüngt.
In diesem Ausführungsbeispiel
beträgt
der Durchmesser des Einführbereichs
(31) das Zwanzigfache des kleineren Kegeldurchmessers.
Der letztgenannte Durchmesser ist der Durchmesser eines zylindrischen
Führungsbereiches
(32), der im Ausführungsbeispiel
0,5 Millimeter beträgt.
In dem an den zylindrischen Führungsbereich
(32) angrenzenden Prüfbereich
(33), vgl. 2, ist der Gehäuselängsdurchbruch
(27) zu einem Hohlraum (36) aufgeweitet. Im Gehäuseunterteil
(22) ist der Hohlraum (36) z. B. quaderförmig ausgebildet
und hat eine Tiefe von 2,5 Millimetern. Das Gehäuseunterteil (22)
kann gegebenenfalls ohne einen Teil des Hohlraums (36)
ausgebildet sein. In den Darstellungen der 1 und 2 schließt sich
an den Hohlraum (36) rechts ein Bereich (34) mit
einer im Gehäuseunterteil
(22) ausgebildeten Einführnut an.
Letztere ist schräg
ausgebildet und hat beispielsweise eine Breite von 0,5 Millimetern
normal zur Schnittebene der Darstellungen und eine Tiefe von 0,5
Millimetern.
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Auf
einer Montagefläche
(37) des Gehäusemittelteils
(23) ist die Sensorvorrichtung (40) befestigt,
z. B. mittels Schrauben oder mittels einer Fügeverbindung. Die Montagefläche (37)
und der Gehäuselängsdurchbruch
(27) sind mittels eines normal zur Montagefläche (37)
liegenden Durchbruchs (38) verbunden. Der Abstand zwischen
der Montagefläche (37)
und dem Gehäuselängsdurchbruch
(27) beträgt im
Ausführungsbeispiel
2,5 Millimeter, er kann jedoch zwischen zwei und sechs Millimeter
betragen. In dem in den 1 und 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist der Durchbruch (38) prismenartig ausgebildet, wobei
im dargestellten Längsschnitt
seine Länge
von der Montagefläche
(38) zum Gehäuselängsdurchbruch
(27) hin abnimmt. Die kürzere
Länge beträgt hier
etwa das vierzehnfache des Durchmes sers des zylindrischen Bereichs
(32) des Gehäuselängsdurchbruchs
(27).
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Die
Sensorvorrichtung (40) umfasst in diesem Ausführungsbeispiel
ein optisches Sensormodul (46) und eine Lichtquelle (51).
Sie ist z. B. eine kompakte Baugruppe, die beispielsweise eine gemeinsame
Grundplatte (41) und ein gemeinsames Linsenbauteil (42)
für das
optische Sensormodul (46) und die Lichtquelle (51)
aufweist. Gegebenenfalls kann die Sensorvorrichtung (40)
auch ohne Lichtquelle (51) ausgeführt sein.
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Das
optische Sensormodul (46) umfasst eine Vielzahl von optischen
Sensorelementen (47), vgl. 3. Eine
Vielzahl bedeutet hier eine Anzahl größer oder gleich 400. Im Ausführungsbeispiel
umfasst die Vorrichtung (11) z. B. 900 Sensorelemente (47), die
beispielsweise aneinander angrenzend in 30 Zeilen und in 30 Reihen
angeordnet sind. Eine der Hauptrichtungen dieses Sensorfelds liegt
z. B. parallel zur Richtung des Gehäuselängsdurchbruchs (27), die
andere Hauptrichtung ist normal zur erstgenannten Richtung angeordnet.
Das einzelne Sensorelement (47) ist beispielsweise quadratisch
und hat eine Kantenlänge
von 0,032 Millimetern. Anstatt eines Sensormoduls (46)
können
auch einzelne Sensorelemente (47) eingesetzt werden, die
einander angrenzend angeordnet sind. Die Sensorelemente (47)
können
Hell-Dunkel-Informationen oder Farbinformationen aufnehmen.
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Die
Sensorelemente (47) sind so ausgerichtet, dass sie Bilder
aus dem Innenraum (35) des Gehäuselängsdurchbruchs (27)
durch den Durchbruch (38) hindurch aufnehmen. In der Darstellung
der 1 und 2 ist die Mittellinie (48)
des Sensormoduls (46) um 21,5 Grad zur Vertikalen geneigt.
Gegebenenfalls können
die Sensorelemente (47) auch indirekt – z. B. über Reflexion an einem Spiegel – durch
den Durchbruch (38) hindurch Bilder aus dem Innenraum (35)
des Gehäuselängsdurchbruchs
(27) aufnehmen. Auch kann gegebenenfalls die optische Linse
(49) zwischen dem Durchbruch (38) und den Sensorelementen
(47), die hier Teil des Linsenbauteils (42) ist,
entfallen.
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Die
Lichtquelle (51) umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Laserdiode
(52), die im Betrieb z. B. kohärentes Licht hoher Energie
durch den Durchbruch (38) hindurch in den Innenraum (35)
des Gehäuselängsdurchbruchs
(27) abstrahlt. Die Laserdiode (52), die hier
beispielsweise um einen Winkel von 21,5 Grad zur Vertikalen geneigt
ist, strahlt z. B. weitgehend monochromatisches Licht ab. Die optische
Linse (53) zwischen der Laserdiode (52) und dem
Durchbruch (38), die in diesem Ausführungsbeispiel Teil des Linsenbauteils
(42) ist, kann gegebenenfalls entfallen. Anstatt einer
Laserdiode kann die Lichtquelle (51) eine Leuchtdiode oder
eine andere Leuchte umfassen.
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In
dem in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
schneiden sich die Mittellinie (54) der Laserdiode (52)
und die Mittellinie (48) des Sensormoduls (46)
z. B. 2,6 Millimeter unterhalb der Montagefläche (37).
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Die
Bremsvorrichtung (60) umfasst einen elektrischen Motor
(61), z. B. einen Schrittmotor (61), und ein vom
Motor (61) angetriebenes Keilgetriebe (66). Sie
wird beispielsweise vom zentralen Rechnersystem aus gesteuert.
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Auf
der Motorwelle (62) ist z. B. ein Aufsatzstück (63)
befestigt. Dieses umfasst eine Gewindespindel (64) mit
einem Außengewinde,
die den Stößel (67)
des Keilgetriebes (66) antreibt. Der Stößel (67) gleitet hierbei
beispielsweise entlang der Bodenplatte (21). Er treibt
einen Keil (68), der in radialer Richtung zum Gehäuselängsdurchbruch
(27) steht. Zwischen dem Keil (68) und dem Gehäuse (20)
sind beispielsweise vier Rückstellfedern
(69), z. B. Kunststofffedern angeordnet. Statt dieser Federanordnung kann
die Rückstellung
des Keils (68) auch mittels eines einzigen Federelementes
erfolgen.
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Zum
Betrieb der Vorrichtung (11) wird in dem in den 1 bis 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel
als Prüfgegenstand
(90) ein Draht (91) in den Gehäuselängsdurchbruch (27)
eingeführt.
Der gesamte Gehäuselängsdurchbruch
(27) bildet eine Prüfgegenstandsführung (27).
Der Draht (91) hat beispielsweise einen Durchmesser von
0,3 Millimetern und wird im zylindrischen Bereich (32)
der Prüfgegenstandsführung (27)
mit geringem Spiel geführt.
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Bei
einer z. B. von Hand betätigten
translatorischen Bewegung des Drahtes (91) nehmen die optischen
Sensorelemente (47) das während der Bewegung veränderte Bild
der Oberfläche
(92) des Drahtes (91) auf. Die den Sensorelementen
(47) nachgeschaltete Auswerteeinheit interpretiert diese
Bewegung als Längsverschiebung
des Drahtes (91). Beispielsweise auf einem Bildschirm wird
vergrößert die relative
Lageänderung
dargestellt. Die Lichtquelle (51) erhöht hierbei z. B. den Kontrast
des Oberflächenbildes.
Bei einer Ausführung
der Vorrichtung (11) ohne integrierte Lichtquelle (51)
kann auch das Umgebungslicht für
ein für
die Auswertung ausreichendes Oberflächenbild des Prüfgegenstandes
(90) genügen.
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Soll
beispielsweise die Drahtspitze (93) an einer Stelle positioniert
werden, so wird der Draht (91) z. B. von Hand so weit geschoben,
bis die Drahtspitze (93) von den Sensorelementen (47)
erfasst wird. Sollte die Hand des Bedieners zittern, sieht der Bediener
am Bildschirm die Auslenkungen der Drahtspitze (93). Die
Vorrichtung (11) hat keinen Anschlag, um den Weg des Drahtes
(91) in translatorischer Richtung zu begren zen, so dass
die erreichte Positioniergenauigkeit nur abhängig ist von der Routine und
der Geschicklichkeit des Bedieners.
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Auch
bei einer rotatorischen Bewegung des Drahtes (91) nehmen
die optischen Sensorelemente (47) das während der Bewegung veränderte Bild
der Oberfläche
(92) des Drahtes (91) auf. Für die Auswertung werden beispielsweise
die Bilder verglichen, die jeweils von zwei nebeneinander quer zur
Längsrichtung
des Drahtes (91) liegenden Sensorelementen (47)
aufgenommen werden.
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Um
z. B. Stenosen, das sind beispielsweise Verschlüsse der Arterien, zu simulieren,
wird die Bremsvorrichtung (60) betätigt. Mittels des Elektromotors
(61) wird in der Darstellung der 1 der Stößel (67)
nach links verschoben. Der Stößel (67) schiebt
den Keil (68) in radialer Richtung in den Gehäuselängsdurchbruch
(27). Der Keil (68) legt sich an den Draht (91)
an und erhöht
den Anfangswiderstand einer Bewegung und den Reibungswiderstand
während
einer Bewegung. Hierbei kann – je
nach gewähltem
Stößelhub – der Keil
(68) den Draht (91) in der Prüfgegenstandsführung (27)
klemmen.
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Um
den Reibungswiderstand des Drahtes (91) wieder zu verringern,
wird der Schrittmotor (61) in die entgegengesetzte Richtung
gedreht. Der Stößel (67)
wird in der Darstellung der 1 nach rechts gezogen.
Die Rückstellfedern
(69) drücken
den Keil (68) in die Ausgangsposition.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 1 und 2 ist im Hohlraum (36)
unterhalb des Drahtes (91) ein strukturiertes Element (71),
z. B. eine Scheibe (71) mit Pyramidenstruktur, angeordnet.
Diese wird von einem Rahmen (72) gehalten. Der Abstand
der Scheibe (71) zum Draht (91) beträgt beispielsweise 2,5
Millimeter. Mittels dieses strukturierten Elements (71) kann
selbst eine Lageveränderung
eines Drahts (91) ermittelt werden, der eine neutrale,
ungemusterte Oberfläche
und eine geringe Oberflächenrauhigkeit
aufweist.
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Die
Prüfgegenstände (90)
können
nichttransparent oder transparent sein. So kann ein Prüfgegenstand
(90) ein transparenter Ballon sein, der z. B. entlang eines
Drahtes (91) verschoben wird.
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Mit
der beschriebenen berührungsfreien, kompakten
Vorrichtung (11) kann als kleinster Prüfgegenstand (90) ein
Gegenstand von der Größe von acht
Sensorelementen (47), hier also etwa 0,26 Millimeter, erkannt
werden. Der Durchmesser des zylindrischen Bereichs (32)
der Prüfgegenstandsführung (90)
kann damit kleiner als das Zwanzigfache der kürzesten Sensorelementlänge ausgeführt sein.
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Um
die Auflösung
der Sensorelemente (47) zu verändern, kann beispielsweise
der Abstand der Sensorelemente (47) zum Prüfgegenstand
(91) und gegebenenfalls zur optischen Linse (49)
vergrößert werden.
Beim Einsatz einer in die Vorrichtung (11) integrierten
Lichtquelle (51) kann diese geschwenkt und/oder verschoben
werden, um eine ausreichend kontrastreiche Oberfläche des
Prüfgegenstandes (90)
zu erhalten. Auch kann der Anschlussstrom der Lichtquelle (51)
vergrößert werden.
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Die 4 zeigt
ein Vorrichtungssystem (10) mit beispielsweise drei Vorrichtungen
(11, 111, 211) zur Ermittlung relativer
Orts- und Lageveränderungen
von Prüfgegenständen (90).
Die Vorrichtungen (11, 111, 211) sind
im Wesentlichen so aufgebaut wie die Vorrichtung (11),
die im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschrieben
ist. Die einzelnen Vorrichtungen (11; 111; 211)
unterscheiden sich im Querschnitt der zylindrischen Bereiche (32; 132; 232)
ihrer Prüfgegenstandsfüh rungen
(27; 127; 227), vgl. die Detaildarstellung
in 5. Hierbei hat die hier links dargestellte Vorrichtung
(111) den Gehäuselängsdurchbruch
(127) mit dem größten Durchmesser
und die rechts dargestellte Vorrichtung (11) den Gehäuselängsdurchbruch
(27) mit dem kleinsten Durchmesser.
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In
der links dargestellten Vorrichtung (111) mit der Prüfgegenstandsführung (127)
größten Durchmessers
ist der Prüfgegenstand
(94), z. B. ein Katheter (94) geführt. Dieser
Katheter (94) wird durchdrungen von dem Prüfgegenstand
(95) der Vorrichtung (211) mit der Prüfgegenstandsführung (227) nächstkleineren
Durchmessers, z. B. einem Ballon (95). Außerdem wird
der Ballon (95) in den beiden vorgeschalteten Vorrichtungen
(111, 211) durchdrungen vom Prüfgegenstand (91) der
Vorrichtung (11) mit der Prüfgegenstandsführung (27)
kleinsten Durchmessers, z. B. einem Draht (91).
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Alle
drei Vorrichtungen (11, 111, 211) sind
in diesem Ausführungsbeispiel
so angeordnet, dass die Mittellinien (39, 139, 239)
ihrer Prüfgegenstandsführungen
(27, 127, 227) miteinander fluchten.
Sie können
aber auch derart angeordnet sein, dass beispielsweise die erste
Vorrichtung (111) versetzt zu den anderen beiden Vorrichtungen
(211, 11) ist. Auch können alle Vorrichtungen (11, 111, 211)
versetzt zueinander angeordnet sein. Auch eine Ausführung mit nur
zwei Vorrichtungen (11, 111; 11, 211; 111, 211)
ist denkbar.
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Mit
einem derartigen Vorrichtungssystem (10) können z.
B. verkettete Einführaufgaben
simuliert werden. So wird beispielsweise in der links dargestellten
Vorrichtung (111) ein Katheter (94) geführt. Durch
diesen hindurch wird der in der mittleren Vorrichtung (211)
geführte
Ballon (95) und der in der rechts dargestellten Vorrichtung
(11) geführte
Draht (91) bewegt. Alle drei Vorrichtungen (11; 111; 211) verfügen über z. B.
individuell ansteuerbare Bremsvorrichtungen (60; 160; 260),
so dass verschiedene Widerstände
simuliert werden können.
Beispielsweise kann die Bewegung des Ballons (95) mittels
der zugehörigen
Bremsvorrichtung (260) mit einem Reibungswiderstand beaufschlagt
werden, während
der Katheter (94) und der Draht (91) weitgehend
widerstandsfrei bewegt werden können.
So können
die realen Verhältnisse
bei einem kombinierten Einführen in
eine Arterie simuliert werden.
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- 10
- Vorrichtungssystem
- 11,
111; 211
- Vorrichtungen
- 20
- Gehäuse
- 21
- Bodenplatte
- 22
- Gehäuseunterteil
- 23
- Gehäusemittelteil
- 24
- Deckelteil
- 25
- Nut
- 26
- Nut
- 27,
127, 227
- Gehäuselängsdurchbruch,
Prüfgegenstandsführung
- 28
- linke
Gehäuseseite
- 29
- rechte
Gehäuseseite
- 31
- Abschnitt
von (27), Einführbereich
- 32,
132, 232
- Abschnitt
von (27), zylindrischer Führungsbereich
- 33
- Abschnitt
von (27), Prüfbereich
- 34
- Abschnitt
von (27), Bereich mit Einführnut
- 35
- Innenraum
von (27)
- 36
- Hohlraum
- 37
- Montagefläche
- 38
- Durchbruch
- 39,
139, 239
- Mittellinien
von (27; 127; 227)
- 40
- Sensorvorrichtung
- 41
- Grundplatte
- 42
- Linsenbauteil
- 46
- optisches
Sensormodul
- 47
- optische
Sensorelemente
- 48
- Mittellinie
von (46)
- 49
- optische
Linse
- 51
- Lichtquelle
- 52
- Laserdiode
- 53
- optische
Linse
- 54
- Mittellinie
von (52)
- 60,
160, 260
- Bremsvorrichtung
- 61
- elektrischer
Motor, Schrittmotor
- 62
- Motorwelle
- 63
- Aufsatzstück
- 64
- Gewindespindel
- 66
- Keilgetriebe
- 67
- Stößel
- 68
- Keil
- 69
- Rückstellfedern
- 71
- strukturiertes
Element, Scheibe
- 72
- Rahmen
- 90
- Prüfgegenstand
- 91
- Draht,
Prüfgegenstand
- 92
- Oberfläche von
(91)
- 93
- Drahtspitze
- 94
- Katheter,
Prüfgegenstand
- 95
- Ballon,
Prüfgegenstand