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Der Einsatz mechatronischer Medizinprodukte trägt zunehmend zur Verbesserung der Lebensqualität der Bevölkerung bei. Aus wirtschaftlichen Gründen ist es bislang jedoch nicht möglich, alle medizinisch sinnvollen technologischen Innovationen auch flächendeckend anzubieten. Angesichts knapper Gesundheitsbudgets ist es daher von besonderem Interesse, Effizienz- und Qualitätssteigerungspotentiale in den Behandlungsabläufen bestmöglich auszuschöpfen. Ziel dieser Arbeit war es, technologische und methodische Optimierungsansätze zu entwickeln und zu untersuchen, mittels derer effiziente, sichere und qualitativ hochwertige mechatronische Behandlungssysteme realisiert werden können. Wichtige Bausteine sind in diesem Zusammenhang die systematische Analyse der Einsatzbedingungen der medizinischen Geräte, die Identifikation von Defiziten im gerätebezogenen Workflow sowie das Abfeiten konkreter Handlungsbedarfe. Als Handlungsfelder konnten insbesondere die Bereiche Handhabungsgeräte, Assistenzsysteme und Workflowplanung identifiziert werden, die in der Produktentwicklung wegen der Fokussierung auf den medizinischen Kernprozess bisher häufig nur eine untergeordnete Rolle spielen. Dies gilt nicht nur für den in dieser Arbeit behandelten Anwendungsbereich der Strahlentherapie sondern ganz allgemein für die zumeist gut standardisierbaren Abläufe an investitionsintensiven medizinischen Geräten. Aus den anwendungsspezifischen medizinischen Anforderungen sowie den hohen Effizienz- und Qualitätsansprüchen ergeben sich komplexe Handhabungsaufgaben, die häufig nur mittels neuer Gerätekonzepte erfüllt werden können. Anhand des entwickelten Linearkinematikgeräts konnte gezeigt werden, dass sich durch eine strukturierte Vorgehensweise im Produktentwicklungsprozess die unterschiedlichen Erwartungen der verschiedenen Stakeholder erfüllen sowie die scheinbar widersprüchlichen technischen Anforderungen auflösen lassen. Das hochflexible und universell einsetzbare Therapiegerätekonzept eröffnet dabei ein unerreicht breites Applikationsspektrum und lässt sich aufgrund vielfältiger neuartiger Assistenzfunktionen sehr gut in die klinikspezifischen Workflows integrieren. Durch den modularen Geräteaufbau ergibt sich zudem ein neuartiges Nachrüstgeschäft, da einzelne Module getauscht und bei Bedarf durch leistungsfähigere ersetzt werden können. Um die stetig steigenden Genauigkeitsanforderungen an medizinische Positioniergeräte erfüllen zu können, wurde ein stereokamerabasiertes Messsystem zur Bestimmung und Regelung der Endeffektorpose vorgestellt. Durch den Einsatz kostengünstiger Komponenten sowie die Realisierung vollautomatischer Kalibrier-, Mess- und Regelungsfunktionen ist das System für die dauerhafte Integration in das Medizingeräteumfeld geeignet. An einem Patientenhandhabungsroboter und dem prototypisch realisierten Linearkinematikdemonstrator wurde gezeigt, dass der modulare und skalierbare Systemansatz auf unterschiedliche Anwendungen anpassbar ist und sehr hohe Genauigkeiten erreicht werden. Da die erzielbare Genauigkeit dabei, anders als bei herkömmlichen modellbasierten Kalibrierverfahren, weitgehend unabhängig von der Last und der Art der Kinematik ist, können mit diesem Ansatz zukünftig neue Anwendungsbereiche für hochflexible Positioniergeräte erschlossen werden, beispielsweise in der Roboterchirurgie oder in der Röntgendiagnose.
Today mechatronic medical devices are employed more and more in clinical environments. As such they have a major impact on improving people's quality of life. However due to economical reasons it is as of yet not possible to make all of the medically advisable and appropriate technological innovations available to the general population. Given tight health care budgets tapping into the full potential of optimizing efficiency and quality of treatment procedures is a key point. The goal of this doctoral thesis was to develop and analyze technological and methodical optimization approaches, which could be used to create efficient, safe and high quality mechatronic treatment systems. In this context the main focus has to lie on the systematical analysis of the operating conditions of the medical devices, the identification of deficiencies in the device related workflow and based on that the detection of issues in need for action. Handling devices, assistance systems and workflow planning could be identified as important areas for improvement. Until now these fields were often given little attention during product development due to a focus on the medical core process. This holds true not only for the field of radiation therapy, but also in general concerning the often easily standardizable workflows of capital-intensive medical devices. Complex handling challenges arise from the medical requirements and from high efficiency and quality demands. In most cases they can only be met with new device concepts. By means of the newly developed linear kinematics system it could be shown that the proposed structured product development process can fulfill the diverse expectations of the various stakeholders while at the same time posing a solution to seemingly contradictory technical requirements. The highly flexible and universally applicable therapy device concept opens up a previously unavailable wide application range. Due to a great variation of new assistance functions it also integrates easily into any clinic's specific workflow. Additionally the modular device structure offers a novel way of retrofitting. If needed single modules can be replaced with a more powerful component. To fulfill the constantly increasing accuracy requirements for medical positioning devices a stereo camera based measuring system was introduced that measures and controls the end effector pose. The use of cost-efficient components as well as the implementation of fully automated calibration, measuring and controlling functions qualify this system for a permanent integration into the environment of the medical device. Via a patient handling robot and the realized prototype of the linear kinematics system it was shown that the modular and scalable system approach is adaptable to various applications and produces very high accuracy. In contrast to conventional model based calibration methods the achievable accuracy is mostly independent of the load and type of the kinematics system. This approach opens up new application areas for highly flexible positioning devices, for example in robotic surgery or X-ray diagnosis.