DE102006045865A1 - Surgical manipulation instrument e.g. pincer, has coupling formed from manipulator-sided coupling part and drive-sided coupling part, where coupling parts have rotatable coupling bodies that are separated from each other - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein chirurgisches Manipulationsinstrument, mit einer Kupplung, die ein extrakorporales Antriebsteil mit einem teilweise intrakorporalen Manipulatorteil trennbar verbindet.The The invention relates to a surgical manipulation instrument, with a clutch that has an extracorporeal drive part with a Partial intracorporeal manipulator part separably connects.
Chirurgische Instrumente, die nicht zum einmaligen Gebrauch, sondern zum mehrfachen Gebrauch konzipiert sind, müssen nach jedem Gebrauch sterilisiert werden. Die Sterilisierung kann mit Hilfe nicht-thermischer oder thermischer Verfahren durchgeführt werden. Im klinischen Alltag wird im Wesentlichen mit thermischen Verfahren sterilisiert, insbesondere durch die sogenannte Autoklavierung. Bei der Autoklavierung wird das zu sterilisierende Instrument über einen bestimmten Zeitraum überspanntem Wasserdampf ausgesetzt, der alle zu sterilisierenden Oberflächen benetzen muss. Das zu sterilisierende Instrument ist dabei im Autoklaven Temperaturen von bis zu 156 °C und Drücken bis zu 2 bar über eine Dauer von bis zu 40 Min. ausgesetzt. Die Autoklavierung muss nach jedem Gebrauch des Instruments wiederholt werden, so dass im Laufe eines Instrumentenlebens bis zu mehrere Hundert Autoklavierungen durchlaufen werden können.surgical Instruments not for single use, but for multiple use Use are designed be sterilized after each use. The sterilization can be carried out by non-thermal or thermal methods. In clinical practice is essentially using thermal methods sterilized, in particular by the so-called autoclaving. at Autoclaving is the instrument to be sterilized via a certain period spanned Exposed to water vapor, which wet all surfaces to be sterilized got to. The instrument to be sterilized is in the autoclave temperatures up to 156 ° C and pressing up to 2 bar over a duration of up to 40 minutes suspended. Autoclaving must be repeated after each use of the instrument, so that in the Over an instrument life up to several hundred autoclavations can be passed through.
Seit den 1980er Jahren gewinnt die sogenannte minimal invasive Chirurgie immer mehr an Bedeutung. Hierbei werden lange, schlanke Manipulationsinstrumente durch nur kleine Öffnungen in der Oberhaut vorgeschoben. Das intrakorporale Operationsfeld wird mit Hilfe einer auf die gleiche Weise eingebrachten stabförmigen Kamera und eines extrakorporalen Monitors beobachtet. Die minimal invasive Chirurgie bietet inbesondere Vorteile für den Patienten, nämlich geringe Traumatisierung, kurze Rekonvaleszenzzeiten, geringere postoperative Schmerzen, geringeren Blutverlust, geringeres Infektionsrisiko, geringeres Risiko für Wundheilungsstörungen, bessere kosmetische Ergebnisse etc. Nachteile der minimal invasiven Chirurgie sind u.a. die eingeschränkte Bewegungsfreiheit der chirurgischen Instrumente. Durch die als feststehend anzusehende Durchtrittsstelle durch das Oberhaut- und Fettgewebe, die einen invarianten Punkt bildet, ergeben sich umgekehrte Bewegungsverhältnisse bzw. eine gestörte Hand-Auge-Koordination zum Monitorbild. Zwei Freiheitsgrade der Bewegung sind durch den invarianten Punkt gebunden, d.h. nicht jeder Punkt im Arbeitsraum kann mit beliebiger Orientierung des funktionalen Instrumentenendes erreicht werden.since In the 1980s, the so-called minimally invasive surgery wins more and more important. Here are long, slim manipulation instruments through only small openings advanced in the epidermis. The intracorporeal surgical field is achieved by means of a rod-shaped camera introduced in the same way and an extracorporeal monitor. The minimally invasive In particular, surgery offers advantages for the patient, namely low ones Traumatization, short convalescence periods, lower postoperative pain, lower blood loss, lower risk of infection, lower Risk for Wound healing, better cosmetic results etc. Disadvantages of minimally invasive Surgery are u.a. the limited freedom of movement of surgical instruments. By the fixed passage to be considered through the epidermis and adipose tissue, which is an invariant point forms reverse motion conditions or a disturbed hand-eye coordination to the monitor picture. Two degrees of freedom of movement are through the bound invariant point, i. not every point in the workspace can with any orientation of the functional instrument end be achieved.
Minimal invasive Manipulationsinstrumente, die intrakorporal zusätzliche Freiheitsgrade der Bewegung bieten, können zu einer erhöhten intrakorporalen Manipulabilität verhelfen und stellen damit eine wichtige Verbesserung für die minimal invasive Chirurgie dar. Die zusätzlichen Freiheitsgrade müssen zielgerichtet bewegt werden. Dies ist mit manueller Bedienung zwar möglich, jedoch erfordert dies großes Geschick und Übung. Ein robotergestützter telemanipulierter Ansatz, bei dem der Chirurg abseits des Patienten an einer ergonomisch geformten Konsole sitzt und mit Hilfe einer geeigneten Mensch-Maschine-Schnittstelle das chirurgische Manipulationsinstrument mit Hilfe des Monitors führt, ohne über die Kinematik und deren Aktuierung nachdenken zu müssen, ist daher sinnvoll. Das chirurgische Manipulationsinstrument wird dabei rechnergestützt aktuiert und führt die vom Chirurgen gewünschte Bewegung entsprechend aus.Minimal invasive manipulation instruments, the intracorporal additional Freedom of movement can provide increased intracorporeal Manipulabilität help to make an important improvement for the minimal invasive surgery. The additional Degrees of freedom must be purposeful to be moved. This is possible with manual operation, however this requires great Skill and practice. A robot-based telemanipulated approach whereby the surgeon is away from the patient sitting on an ergonomically shaped console and using a suitable man-machine interface the surgical manipulation instrument with the help of the monitor leads, without over to have to think about the kinematics and their actuation therefore useful. The surgical manipulation instrument is included computer-aided actuates and leads the one desired by the surgeon Move accordingly.
Die Aktuatoren zum Antrieb des chirurgischen Manipulationsinstruments können in der Regel jedoch nicht autoklaviert werden. Daher ist eine Trennbarkeit des extrakorporalen Antriebsteiles von dem teilweise intrakorporalen Manipulatorteil erforderlich.The Actuators for driving the surgical manipulation instrument can usually not autoclaved. Therefore, a separability the extracorporeal drive part of the partially intracorporeal Manipulator part required.
Das chirurgische Manipulationsinstrument wird daher zweiteilig und durch eine Kupplung trennbar in ein extrakorporales Antriebsteil und ein teilweise intrakorporales Manipulatorteil getrennt.The surgical manipulation instrument is therefore made in two parts and by a clutch separable into an extracorporeal drive part and a partially intracorporeal manipulator part separately.
Aus
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein chirurgisches Manipulationsinstrument mit einer Kupplung zwischen einem Antriebsteil und einem Manipulatorteil zu schaffen, die ein einfaches Verkuppeln und eine spielfreie Verkupplung ermöglicht.task the invention it is in contrast, a surgical manipulation instrument with a coupling between a drive part and a manipulator part to create the one easy coupling and a play-free coupling allows.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein chirurgisches Manipulatorinstrument mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.These The object is achieved by a surgical manipulator instrument with the features of the claim 1.
Bei dem erfindungsgemäßen chirurgischen Manipulationsinstrument ist den beiden die Kupplung bildenden Kupplungsteilen eine Radialführung zugeordnet, die ausschließlich eine zu der Drehbewegungsaxialen der Kupplungskörper radiale Ein- und Auskupplungsbewegung zum Schließen und Öffnen der formschlüssigen Kupplungskörper-Verbindung erlaubt. Die Kupplungskörper einer Bewegungsachse fluchten zusammengekuppelt axial miteinander und bilden zusammengekuppelt eine formschlüssige Verbindung zur Übertragung einer Drehbewegung von dem Antriebsteil zu dem Endeffektor des Manipulatorteiles. Durch eine radiale Kupplungsbewegung kann bei entsprechender Ausbildung der Kupplungskörper auf einfache Weise eine eindeutige formschlüssige Verbindung beim Verkuppeln hergestellt werden. Beispielsweise können die Kupplungskörper eine Formschluss-Ebene annähernd in einer Längsebene aufweisen. Die beiden eine Längsebene aufweisenden Kupplungskörper richten sich beim radialen Zusammenführen von selbst parallel zueinander aus, bis sie sich in der Kupplungsposition vollflächig berühren. Ein Suchlauf zur Ausrichtung der Kupplungskörper miteinander ist nicht erforderlich.at the surgical manipulation instrument according to the invention the two coupling parts forming the coupling part is assigned a radial guide, the exclusively a radial to the Drehbewegungsaxialen the coupling body radial engagement and disengagement to close and opening the positive Coupling body connection allowed. The coupling body a movement axis aligned axially coupled together and together form a positive connection for transmission a rotational movement of the drive part to the end effector of the manipulator part. By a radial coupling movement can with appropriate training the coupling body in a simple way, a clear positive connection when pairing getting produced. For example, the coupling body a Approximate positive locking plane in a longitudinal plane exhibit. The two a longitudinal plane having coupling body align themselves parallel to each other during radial merging, until they touch each other in the coupling position over the entire surface. A search for alignment the coupling body with each other is not required.
Wegen der radialen Kupplungsbewegung und der dabei praktisch unvermeidlichen Selbstausrichtung der Kupplungskörper miteinander ist das Zusammenkuppeln auch unter ungünstigen Bedingungen, beispielsweise im Operationssaal und durch doppelt behandschuhte Personen, die keine technischen Fachleute sind, mit hoher Zuverlässigkeit und Bedienungssicherheit gewährleistet. Zur Herstellung einer spielfreien Verbindung eines Kupplungskörper-Paares bzw. mehrerer Kupplungskörper-Paare muss vom Bediener lediglich eine gewisse Vorspannung in radialer Richtung aufgebracht werden, die jedoch im Bereich weniger Newton liegt. Die Formschluss-Ebene liegt bevorzugt auf der Axialen der drehbaren Kupplungskörper. Die Radialführung kann einen erweiterten Einlauf aufweisen, um die Einfädelung der beiden Kupplungsteile zu Beginn der Kupplungsbewegung zu erleichtern.Because of the radial coupling movement and thereby virtually unavoidable Self-alignment of the coupling body Coupling with each other is also unfavorable Conditions, for example in the operating room and by double gloved persons who are not technical experts with high reliability and operating safety guaranteed. For producing a play-free connection of a coupling body pair or more coupling body pairs must by the operator only applied a certain bias in the radial direction which is, however, in the range of less Newton. The form-fitting plane is preferably on the axial of the rotatable coupling body. The radial guide can have an extended enema to thread the To facilitate both coupling parts at the beginning of the coupling movement.
Vorzugsweise ist einem der beiden Kupplungskörper eines Kupplungskörper-Paares ein Radialjustierelement zur Einstellung einer spielfreien Kupplung der Kupplungskörper miteinander zugeordnet. Das Radialjustierelement erlaubt es, die beiden Kupplungskörper zueinander so einzustellen, dass in der Kupplungsposition eine spielfreie Verkupplung der beiden Kupplungskörper miteinander sichergestellt ist. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn mehrere Kupplungskörper-Paare zur Übertragung von Antriebskräften in Bezug auf mehrere Endeffektor-Freiheitsgrade vorgesehen sind. In diesem Fall sollte jedem Kupplungskörper-Paar ein entsprechendes Radialjustierelement zugeordnet sein. Wird mit einem Antriebsteil stets dasselbe und kein anderes Manipulatorteil betrieben, kann das jeweilige Radialjustierelement an dem antriebsseitigen Kupplungskörper vorgesehen sein. Sollen mehrere verschiedene Manipulatorteile mit einem einzigen Antriebsteil betrieben werden können, ist es vorteilhaft, die Radialjustierelemente jeweils an den manipulatorseitigen Kupplungskörpern vorzusehen.Preferably is one of the two coupling bodies a coupling body pair a Radialjustierelement for adjusting a play-free coupling of the coupling body with each other assigned. The Radialjustierelement allows the two coupling body to each other adjust so that in the coupling position a backlash coupling the two coupling body is ensured with each other. This is especially important when several coupling body pairs for transmission of driving forces are provided with respect to several end effector degrees of freedom. In this case, each coupling body pair should have a corresponding Radialjustierelement be assigned. Comes with a drive part always the same and no other Manipulatorteil operated, can the respective Radialjustierelement provided on the drive-side coupling body be. Shall several different manipulator parts with a single Drive part can be operated, it is advantageous, the Radialjustierelemente each to the manipulator side clutch bodies provided.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der antriebsseitige Kupplungskörper als U-förmiger Bügel ausgebildet, dessen eine Endseite den Kupplungskörper bzw. seine Formschluss-Ebene bildet und darstellt. Der U-förmige Bügel weist eine gewisse Federungseigenschaft auf, die in engen Grenzen eine gewisse Elastizität auf einer Seite der Kupplung sicherstellt. Hierdurch wird bei mehreren miteinander verkuppelten Kupplungskörper-Paaren sichergestellt, dass ein spielfreies Koppeln mehrerer Kupplungskörper-Paare trotz gewisser Toleranzen möglich ist.According to one preferred embodiment, the drive-side coupling body as U-shaped bracket formed, one end side of the coupling body or its form-fitting plane forms and represents. The U-shaped Hanger points a certain suspension capacity, which within narrow limits a certain elasticity on one side of the coupling ensures. This will result in several Coupled with each other coupling body pairs ensures that a play-free Coupling a plurality of coupling body pairs despite certain Tolerances possible is.
Die Radialjustierelemente sollten so justiert werden, dass bei einem Minimum an Kupplungs-Kraft eine definierte Spielfreiheit sichergestellt ist. Durch das Radialjustierelement können Fertigungs- und Montagetoleranzen ausgeglichen werden. Ferner können über die Zeit auftretende Dejustagen korrigiert und damit über die gesamte Lebensdauer des Manipulatorinstruments Spielfreiheit sichergestellt werden.The Radialjustierelemente should be adjusted so that at a Minimum of coupling force a defined backlash is ensured. Through the Radialjustierelement can Manufacturing and assembly tolerances are compensated. Furthermore, over the Corrected time misalignments and thus on the entire life of the manipulator instrument backlash ensured become.
Vorzugsweise sind die Kupplungsteile mehrachsig ausgebildet, so dass mehrere Kupplungskörper-Paare zum Antrieb mehrerer Endeffektor-Freiheitsgrade des Manipulatorteiles vorgesehen sind.Preferably the coupling parts are multiaxial, so that several Coupling body pairs to drive multiple end effector degrees of freedom are provided of the manipulator part.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist an dem antriebsseitigen Kupplungsteil und an dem manipulatorseitigen Endeffektor jeweils ein Drehmomentsensor zugeordnet. Ferner ist manipulatorseitig ein Differenzmodul vorgesehen, das die Differenz der von den beiden genannten Drehmomentsensoren gemessenen Drehmomente ermittelt.According to one preferred embodiment is on the drive-side coupling part and at the manipulator end effector each a torque sensor assigned. Furthermore, a differential module is provided on the manipulator side, that is the difference of the measured by the two torque sensors Torque determined.
Zur mechanischen Kopplung des manipulatorseitigen Kupplungskörpers mit dem ihm zugeordneten Endeffektor werden häufig Seilzüge verwendet. Als Seilzüge werden dabei wegen ihrer im Vergleich zu Metall-Seilzügen besseren Biegsamkeit um sehr kleine Radien häufig Kunststoff-Seilzüge verwendet. Beispielsweise sind hierzu Seilzüge aus Hochmodul-PE geeignet, die unter dem Namen "Vectran" bekannt sind. Diese weisen auch über lange Zeiträume kein Kriechen auf, sind jedoch sehr elastisch. Bei Kräften von bis zu 100 Newton, wie sie in der Praxis auftreten können, treten daher erhebliche Längenänderungen auf. Die Längenänderung ist umgekehrt proportional zu der Drehmoment-Differenz, die durch das Differenzmodul bestimmt wird. Da die Seilzug-Dehnung aus der Drehmoment-Differenz ermittelt werden kann, kann aus der Stellung des Antriebsmotors die Stellung des Endeffektors bestimmt bzw. entsprechend der errechneten Seilzug-Dehnung korrigiert werden.For mechanical coupling of the manipulator-side coupling body with its associated end effector cables are often used. As cables are often used because of their compared to metal cables better flexibility to very small radii plastic cables. For example, cables of high modulus PE, known as "Vectran", are suitable for this purpose. These have no creep over long periods, but are very elastic. At forces of up to 100 Newton, as they can occur in practice, therefore occur on considerable length changes. The change in length is inversely proportional to the torque difference determined by the difference module. Since the cable elongation can be determined from the torque difference, can be determined from the position of An drive motor determines the position of the end effector or be corrected according to the calculated cable elongation.
Vorzugsweise weist das Antriebsteil einen Antriebsmotor zum Antrieb des antriebsseitigen Kupplungskörpers auf. Zwar kann das Antriebsteil grundsätzlich auch manuell bedient werden, jedoch spielt in der Praxis die roboterartige Ausbildung chirurgischer Manipulationsinstrumente eine dominierende Rolle.Preferably the drive part has a drive motor for driving the drive-side coupling body. Although the drive part can in principle be operated manually However, in practice, the robot-like training plays surgical manipulation instruments a dominant role.
Vorzugsweise ist ein Endeffektor an dem Manipulatorteil vorgesehen, der durch den zugeordneten manipulatorseitigen Kupplungskörper angetrieben wird. Unter einem Endeffektor sind alle Effektoren zu verstehen, die bei einem chirurgischen Manipulationsinstrument zum Einsatz kommen, insbesondere Greifer, Scheren, Gelenke etc.Preferably an end effector is provided on the manipulator part passing through the associated manipulator-side coupling body is driven. Under An end effector is to be understood as meaning all effectors that are at one surgical manipulation instrument are used, in particular Grippers, scissors, joints etc.
Vorzugsweise ist der Drehwinkel der Kupplungskörper kleiner als 180°, d.h. kleiner als ± 90° um eine Mittellage, besonders bevorzugt kleiner oder gleich 80°, d.h. ± 40° um eine Mittellage. Bei einer Begrenzung des Drehwinkels der Kupplungskörper eines Kupplungskörper-Paares auf weniger als 180° kann sichergestellt werden, dass sich die Formschluss-Ebenen der Kupplungskörper beim radialen Zusammenkuppeln stets zueinander ausrichten können, ohne miteinander zu verkanten. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn beispielsweise der antriebsseitige Kupplungskörper vor dem Zusammenkuppeln in eine Mittelposition gestellt wird. Bei einem Drehwinkel der beiden Kupplungskörper eines Kupplungskörper-Paares von weniger als 80° zueinander kann auf eine Ausrichtung eines der beiden Kupplungskörper in eine Mittelposition vor dem Zusammenkuppeln vollständig verzichtet werden.Preferably the angle of rotation of the coupling bodies is less than 180 °, i. smaller as ± 90 ° around one Central position, more preferably less than or equal to 80 °, i. ± 40 ° around one Central location. In a limitation of the angle of rotation of the coupling body of a Coupling body pair to less than 180 ° can be ensured that the positive connection levels of the coupling body in Radial coupling can always align with each other, without to cant together. This is possible in particular if For example, the drive-side coupling body before coupling is placed in a middle position. At a rotation angle of the two clutch body a coupling body pair of less than 80 ° to each other to an alignment of one of the two coupling bodies in a central position completely before coupling be waived.
Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.in the An embodiment will be described below with reference to the drawings closer to the invention explained.
Es zeigen:It demonstrate:
In
der schematischen Darstellung eines chirurgischen Manipulationsinstrumentes
Das
Antriebsteil
Die
Kupplungsteile
Das
Antriebsteil
Das
Manipulatorteil
An
den antriebsseitigen U-förmigen
Kupplungskörper-Bügel
Auch
manipulatorseitig ist ein Drehmomentsensor
Das
Auswertemodul
Alternativ
können
die Drehmomentsensoren
An
dem Antriebsmotor
Den
beiden Kupplungsteilen
In
den
In
der
In
der
Claims (9)
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