Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3693
Main Title: Entwicklung von Aktoren und Verbrauchsmodulen für die multiple Punktion der Haut
Translated Title: Development of actuators and consumption modules for multiple skin puncture
Author(s): Scherkowski, Dirk
Advisor(s): Lehr, Heinz
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In der modernen Medizin wird die Haut als größtes sowie leicht zugängliches und gleichzeitig wichtiges Organ im komplexen Zusammenspiel aller Organe des Körpers wahrgenommen und intensiver als je zuvor erforscht. Hierbei ergeben sich vielfältige Synergien mit der modernen Kosmetik. Bei einer großen Zahl der medizinischen und kosmetischen Behandlungen der Haut werden meist punktförmige Verletzungen der Haut, so genannte Punktionen, mit einem nadelförmigen Werkzeug gesetzt, z. B. um Substanzen, wie Wirkstoffe oder Pigmente, in die Haut einzutragen, um Stoffwechselprozesse anzuregen sowie zur Gewinnung von Gewebe- oder Blutproben. Insbesondere flächige Hautbehandlungen werden zunehmend maschinell unterstützt, um die Effektivität und den Erfolg der Behandlung zu verbessern. Wie jeder elastische Werkstoff weicht die Haut einer vordringenden Nadel teilweise aus. Dieser Umbrella-Effekt verhindert das Erreichen der geeigneten Applikationstiefe, die meist essentiell für die Wirksamkeit des Verfahrens ist. Das Ziel der Arbeit bestand daher darin, Ansätze zu erarbeiten, welche das Hautausweichen mindern, so dass sich eng tolerierte Applikationstiefen beim einzelnen und multiplen Punktie-ren ergeben. Zunächst wurde der aktuelle Stand der Technik beim Punktieren von Haut und zum Eintragen von Substanzen in die Haut recherchiert sowie damit verbundene Arbeits- und Behandlungsabläufe in der Praxis analysiert. Daraus ließen sich Einflussparameter des Hautausweichens identifizieren und eine Vielzahl technisch realisierbarer Konzepte ableiten, die zur Entwicklung neuer Aktoren und Methoden sowie von Verbrauchsmodulen führten, welche unter Beachtung der praktischen und wirtschaftlichen Umsetzbarkeit als Versuchsmuster oder Prototypen gefertigt und experimentell untersucht wurden. Einige der entwickelten Methoden überragen den Stand der Technik, so dass Schutzrechtanmeldungen resultierten. Viele Konzepte weisen ein hohes Produktpotenzial auf. Hierzu einige Beispiele: ein als Sprungaktor bezeichnetes Gerät erzeugt eine weit überdurchschnittliche Stechgeschwindigkeit. Weiterhin das Kammstechverfahren, bei dem die Haut durch gegenläufige, nebeneinander liegende Nadeln automatisch vorgespannt wird, sodass die Nadeln praktisch mühelos, flach und präzise in die Haut eindringen. Weiterhin ein als Querkurbeltrieb bezeichnetes Antriebskonzept, bei dem eine Kurbelbewegung über einen Hebelpunkt in eine abwechselnd dynamische Stechbewegung mit hohen Beschleunigungswerten umgesetzt wird. Dann der Kurbeltrieb mit innen liegender Pleuellagerung, wodurch ein vergleichsweise großer Hub auf geringem Bauraum entsteht und der Stabkurbeltrieb, welcher ebenfalls einen großen Hub bei integrierter Einstellbarkeit und stiftförmigem Stechgerät ermöglicht. Schließlich das Ringmodul, welches zum Stechen der Haut eine besonders günstige Form der Ausbreitung von Oberflächenwellen in der Haut und damit eine automatische Vorspannung sowie hohe Relativgeschwindigkeiten zwischen Haut und Nadel erzeugt. Abschließend wurden die entwickelten Konzepte und Methoden einer Nutzwertanalyse unterzogen und in einem Ausblick weiterführende Schlussfolgerungen aus dem Bewertungsergebnis gezogen.
In modern medicine skin is recognized as the largest organ. It is easy accessible and an important element for the interplay of all human organs. Therefore, the skin is studied more intensively than ever before. Due to that, various synergies arise for modern cosmetics. In a high number of medical and cosmetic skin treatments point-shaped lesions, so-called punctures, are placed with a needle-like tool, e.g. to insert substances like active agents or pigments into the skin, either to stimulate the metabolism or to extract tissue and blood samples. In particular area-wise skin treatments are increasingly mechanically assisted to improve the effectiveness and the success of the treatment. Like other elastic materials the skin partially avoids the penetrating needle. Due to that so called umbrella-effect the appropriate application depth may not be achieved, which is however most essential for the efficacy of the treatment. The aim of the present work was to develop approaches for an improved control of skin penetration to achieve closely toleranced application depths in single or multiple sticking through the skin. Initially, the state-of-the-art of skin puncture and insertion of substances into the skin was investigated. This also included the study and analysis of the treatment procedures in practice. As a result the skin avoiding factors were identified, followed by a systematic derivation of a number of concepts for technical realization. Based on that, actuators, methods and consumption modules were worked out to be integrated into the familiar operational sequence. This in turn leaded to the construction of prototypes and test samples which were experimentally analyzed with regard to practical and economic feasibility. Some of the developed methods are outstanding and offer the potential to file patents. In addition, various concepts may become a product. Examples from the present work are a device called jump actuator with a huge stitching velocity independent of the stitching frequency in a wide range. Furthermore the comb stitching method, where at least two counter acting needles tighten the skin, which allows an easy penetration with a flat-angle as well as a modified crank-shaft-drive, where a crank shaft rotation is transferred by a lever and a sliding deviation point into a stitching action with alternating velocity and huge acceleration values. The next development constitutes another type of a crank-shaft-drive with an inner bearing for the connecting rod whereby a comparatively large stroke is achieved in a small construction size. These actuators are complemented by the rod or axial crank shaft actuator which has a pen-shaped design providing a large adjustable stroke. Finally the so-called ring module that generates a particularly advantageous shape of skin surface waves to puncture it due to an automatic tension of the skin and a high relative velocity between needle and skin. In summary all concepts and methods were evaluated performing a cost and utility analysis. This is followed by an outlook which presents further conclusions based on the evaluation results.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-38063
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3990
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3693
Exam Date: 12-Oct-2012
Issue Date: 12-Sep-2014
Date Available: 12-Sep-2014
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Haut
Kosmetik
Nadel
Punktion
Tätowieren
Cosmetics
Needle
Puncture
Skin
Tattoo
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/
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