Die minimal-invasive Chirurgie spielt heute eine wichtige Rolle in nahezu allen medizinischen Bereichen. Sie ist als moderne Operationstechnik bekannt, die für den Patienten im Vergleich zu herkömmlichen Operationsmethoden wesentlich angenehmer ist. Trokare werden durch kleinste Einschnitte in den Körper eingeführt, um spezielle chirurgische Instrumente, faseroptische Systeme und unterstützende Instrumente im Operationsbereich für Visualisierung, Diagnose, Therapie und Reinigung zu applizieren. Diese Dissertation befasst sich mit der Interaktion zwischen einem Hardware-in-the-Loop-Simulator (HIL-Simulator) und dem applizierten Instrument, wobei eine Strategie zur Druckschätzung und -regelung mittels der Spülflüssigkeitsströme während der MIS entwickelt wurde.

Arthroskopie ist eine spezielle Applikation von MIS, bei dem Kochsalzlösung als Spülflüssigkeit im Operationsbereich verwendet wird. Die Phase der Verifikation und des Regelungsdesigns konnte aus Sicherheitsgründen nicht am realen Patienten vorgenommen werden, weshalb zunächst ein HIL-Simulator als Patientenmodell konzeptioniert werden musste. Der Simulator muss in geeigneter Weise die Druckausdehnung in einem geschlossenen Bereich durch die Regelung der Flüssigkeitsströme darstellen. Bei der Arthroskopie wird die Spülflüssigkeit auch verwendet, um den Operationsbereich zu reinigen und damit dem Chirurgen über den Monitor eine gute Sicht zu bieten. Bei zuviel Flüssigkeit und damit Überdehnung des Gewebes kann es jedoch zu einer Gefährdung angrenzender Körperareale kommen. Ist der Druck für die Flächenexpansion niedriger als der Blutdruck, kommt es zu Blutungen. Daher ist es notwendig, die Spülflüssigkeitsströme zu regeln, um den Druck im Operationsbereich stabil auf dem Zielwert zu halten. Dieser Zieldruck hängt vom individuellen Blutdruck eines Patienten ab. In dieser Arbeit wurde das System der MIS mit einem physikalischen Modell des Kniegelenks im HIL-Simulator für Echtzeit-Experimente zur Kniearthroskopie simuliert. Sogenannte Doppelrollenpumpen (DRP) wurden verwendet, um die Spülflüssigkeiten ein- und abzuleiten. Über Gleichstrommotoren wurde der Fluss in das bzw. aus dem Operationsfeld reguliert. Der Abfluss kann bei Bedarf von dem Chirurgen angepasst werden. Der Druck des Flüssigkeitszuflusses wurde im Kniegelenkmodell automatisch in Relation zum Abfluss geregelt.

Für die Strategie der Druckregelung und -überwachung wurde ein Proportional-Integral-Regler (PI-Regler) entwickelt, der auf der Methode des symmetrischen Optimums (SO) basiert. Bei der Implementierung des nichtlinearen Prozesses der Kniearthroskopie wurde das Anti-Windup iv berücksichtigt. Darüber hinaus wurde ein Überwachungsalgorithmus entwickelt, um unerwünschter Druckstörungen durch die Kniebeugung zu vermeiden.

Für die Druckschätzung im Kniemodell während der MIS wurden drei Arten von Beobachtern für die Druckzustandsschätzung untersucht: der Luenberger Observer, der klassische Kalman-Filter und der erweiterte Kalman-Filter. Der geschätzte Druckzustand spielte eine Schlüsselrolle für die Druckregelung im Operationsbereich ohne direkte Messung.

Aus den Ergebnissen der Modellierung sowie den Echtzeit-Simulations-Experimenten ging hervor, dass Regler und Supervisor auch bei Störungen stabil arbeiten. In einem Vergleich der Schätzergebnisse der drei Beobachter erwies sich der erweiterte Kalman-Filter als am besten geeignet. Dessen geschätzter Druckzustand wurde erfolgreich in der Regelung des nichtlinearen MIS-Systems appliziert.