CH695041A5 - Vorrichtung zur Simulation eines stabförmigen chirurgischen Instrumentes mit Kraftrückkopplung. - Google Patents

Description

  



   Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation eines stabförmigen  virtuellen chirurgischen Instrumentes, insbesondere für die Simulation  eines endoskopischen Instrumentes, mit einem ortsfesten Gestell,  mit einem Handgriff des Instrumentes, mit mindestens zwei Antriebsblöcken  für eine Kraftrückkopplung, mit einem virtuellen Trokar und mit mindestens  einem Kraftsensor, wobei der Handgriff über den virtuellen Trokar,  über die Antriebsblöcke und über den Kraftsensor mit dem Gestell  verbunden ist. 



   Bei Vorrichtungen zum Einsatz bei der Simulation von Operationen,  insbesondere endoskopischen Eingriffen, werden mehrere Antriebsblöcke  eingesetzt. Diese sind in einer Weise angesteuert, um eine Übertragung  von simulierten Kräften zu gestatten. Die auf die Vorrichtung einwirkenden  Kräfte werden jeweils durch einen Kraftsensor erfasst. Aus dem Stand  der Technik ist es für eine solche Vorrichtung bekannt, einen Kraftsensor  am unteren Ende des Instrumentes wie in der Fig. 1 angedeutet anzuordnen.  Unter Kraftsensor ist jede Kombination von Kraftsensoren zu verstehen,  die die einwirkenden Kräfte für eine Reihe von Freiheitsgraden erfassen  können.

   Die Anordnung nach dem Stand der Technik hat den Vorteil,  dass durch das Rohr des Instrumentes übertragende Kräfte direkt erfasst  werden und keine Verzögerungen durch zwischengeschaltete Mechanik  und Aktuatoren auftreten. Weiterhin ist von Vorteil, im Gegensatz  zu einer Anordnung des Kraftsensors am oberen Ende des Rohrs des  Instrumentes, dass der    Kraftsensor nicht in einem Bereich angeordnet  ist, der bei der Simulation oberhalb der Bauchdecke eines simulierten  Patienten liegt und somit die Simulation des Bereiches um den durch  die Bauchdecke einzuführenden Trokar beeinträchtigen würde. 



   Nachteilig ist allerdings, wie aus der Fig. 1 hervorgeht, dass der  Sensor ein gewisses Volumen an einem Ort benötigt, an dem sich das  simulierte Instrument befindet. Dies fällt weniger ins Gewicht, wenn  es sich um eine Simulation eines einzelnen Instrumentes handelt,  bei dem zudem die endoskopische Kamera vollständig virtuell und nicht  vom Operateur manipulierbar ist. In dem bevorzugten Falle, dass mehrere  Instrumente, z.B. insgesamt drei plus eine Kamera in dem simulierten  Bauchraum eingeführt sind, gestattet es der Sensor nach dem Stand  der Technik nicht, dass sich die Spitzen der Instrumente nahe kommen,  da dies durch den von den Kraftsensoren eingenommenen Raum verunmöglicht  wird.

   In der Simulation der Instrumente erwartet der Operateur aber,  dass sich die Zangen, Schneiden und Scherenspitzen verschiedener  Instrumente auf geringste Abstände annähern können und dass auch  ein Kreuzen der Instrumente möglich ist. 



   Ein anderes System zur Kraftrückkopplung ist beispielsweise aus der  US 6 104 158 bekannt, welches einen Roboterarm mit mehreren Freiheitsgraden  darstellt. 



   Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe  zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern,  dass auch mehrere simulierte Instrumente in unmittelbarer Nähe zueinander  angeordnet sein können, ohne sich gegenseitig zu behindern, um so  die Qualität der Simulation für den Operateur zu erhöhen. Des Weiteren  ist es ein Ziel der Erfindung, die Erfassung von quer wirkenden Kräften,  bei Verkippungen des Instrumentes, besser zu erfassen. 



     Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mindestens  ein Kraftsensor zwischen einem ersten, mit dem Handgriff verbundenen  Antriebsblock und einem zweiten, mit dem Gestell starr verbundenen  Antriebsblock angeordnet ist. 



   Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Hilfe  der beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. 



   Es zeigen:      Fig. 1 eine schematische Querschnittsansicht  eines Instrumentes mit der Anordnung eines Kraftsensors nach dem  Stand der Technik, und     Fig. 2 eine schematische Querschnittsansicht  eines Instrumentes mit einer erfindungsgemässen Anordnung eines Kraftsensors.  



   Die Fig. 1 zeigt sehr schematisch einen Querschnitt eines Instrumentes  1 nach dem Stand der Technik mit einem Sensor 2. Das Instrument 1  verfügt über einen Handgriff 3, bei dem es sich beispielsweise um  einen Scherengriff handeln kann. Dieser Handgriff 3 ist mit einem  Rohr 4 starr verbunden, welches in einem Aussenrohr 5 axial entlang  der Längsachse 6 des Instrumentes 1 verschieblich ist. Der Handgriff  3 kann noch über in den Zeichnungen nicht dargestellte Sensoren verfügen,  die beispielsweise ein Öffnen des Handgriffs 3 erfassen. 



   Das Aussenrohr 5 ist in einem ersten Motorblock 13 angeordnet. Der  Motorblock 13 verfügt über hier nicht dargestellte Antriebe, mit  denen das Aussenrohr 5 gegenüber dem Motorblock 13 in Richtung der  Längsachse 6 verschoben werden kann und mit denen das Aussenrohr  5 gegenüber dem Motorblock 13 um die Längsachse 6 verdreht werden  kann. Beim Stand der Technik ist der Motorblock 13 starr mit einer  Aufhängung 14 verbunden. Die Aufhängung 14 kann eine kardanische  Aufhängung oder eine sonstige vorzugsweise    mehrachsige Aufhängung  sein, mit der ein Verschwenken des Instrumentes 1 um den Einführpunkt  (virtueller Trokar) in der simulierten Bauchdecke mit einfachen Mitteln  nachgebildet wird. Diese Aufhängung 14 ist dann in einer in den Fig.  nicht gezeigten Weise an dem ortsfesten Grundgestell des Instrumentes  1 befestigt.

   In der schematischen Darstellung der Zeichnungen ist  die Aufhängung 14 gegenüber dem Grundgestell und somit gegenüber  der Zeichenebene beweglich angeordnet. Eine solche Aufhängung kann  insbesondere eine um einen virtuellen Drehpunkt verschwenkbare Aufhängung  sein, welcher ausserhalb der mechanischen Struktur liegt. 



   Das distale Ende 7 des Instrumentes 1 trägt beim realen Instrument  den Funktionsteil desselben, z.B. eine Zange, eine Schere, ein Messer,  eine Kamera oder Ähnliches. Bei der hier dargestellten Vorrichtung  zum Einsatz bei der Simulation von Operationen ist an diesem unteren  Ende 7 ein Kraftsensor 2 angeordnet. In der Fig. 1 ist zu erkennen,  dass der Kraftsensor 2 mit seinem unteren Abschnitt 8 fest mit dem  distalen Ende des Rohres 4 verbunden ist. Der obere Abschnitt 9 ist  dagegen mit dem Aussenrohr 5 starr verbunden. Der obere Abschnitt  9 umfasst Übergangselemente 10, die sich unter Belastung verformen,  womit dabei über auf ihnen angebrachte Dehnungsmessstreifen Messdaten  der Verformung erfassbar sind, aus denen resultierend Kraftvektordaten  ermittelbar sind.

   Dabei sind insbesondere drei vom Operateur auf  den Handgriff 3 aufgebrachte Bewegungen interessant: - ein Bewegen  des Instrumentes 1 in Richtung der Längsachse 6, was zu einer differentiellen  Translationsbewegung der beiden Rohre 4 und 5 ineinander führt,  - ein Verdrehen des Instrumentes 1 um die besagte Längsachse 6, was  zu einer differentiellen Verdrehung der beiden Rohre 4 und 5 gegeneinander  führt, und - ein Verkippen des Instrumentes 1 um den Einführpunkt  des    virtuellen Trokars in die Bauchdecke des simulierten Patienten.                                                         



   Die beiden zuerst genannten Bewegungen, Längsbewegung und Drehbewegung,  sind mit der Vorrichtung nach dem Stand der Technik einfach erfassbar.  Zur Ermittlung der wirkenden Kräfte bei der dritten Bewegung ist  von Nachteil, dass ein langer Hebelarm auftritt. Dieser ist aber  - wie oben angeführt - nicht durch Anordnung des Kraftsensors 2 in  Handgriffnähe behebbar, da dann der Sensor 2 oberhalb des Einführpunktes  des Instrumentes in die simulierte Bauchdecke und somit realitätsfremd  oberhalb dieser simulierten Bauchdecke im Blickfeldbereich des Operateurs  wäre. 



   Die Fig. 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Instrumentes  1 mit einer erfindungsgemässen Anordnung eines Kraftsensors 12. Gleiche  Merkmale sind in beiden Fig. jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.  In einer einfachen Abänderung der Ausgestaltung der Vorrichtung nach  Fig. 1 ist das Rohr 4 weiterhin im Aussenrohr 5 geführt, nur sind  Rohr 4 und Aussenrohr 5 mit einem Abschlussstück 17 fest verbunden.  Bei einer alternativen - nicht dargestellten - Ausgestaltung ist  der Handgriff 3 mit dem Rohr 5 integriert, so dass das distale Ende  7 fast vollständig abgeschnitten (gekürzt) sein kann.

   Die Länge des  über den Motorblock 13 auf der vom (voll eingeschobenen) Handgriff  wegweisenden Seite hinaus stehenden Endes muss dann nur so gross  sein, dass das maximale Vorschieben und Zurückziehen eines Handgriffes  3 eines Instrumentes simuliert werden kann, d.h. diesem Hub entsprechen.                                                       



   Der Kraftsensor 12 ist somit bei der erfindungsgemässen Ausgestaltung  nach Fig. 2 zwischen den zwei Motoreinheiten angeordnet, auf der  einen Seite der Motorblock 13, mit dem die Kraftrückkopplung für  die Translation und Rotation des Handgriffs 3 angetrieben wird, und  auf der anderen Seite der Antrieb der wei   teren Aufhängung 14,  mit dem die Kraftrückkopplung für die Neigung des Instrumentes und  das Verschwenken um den Einführpunkt in der simulierten Bauchdecke  angetrieben wird. Durch die Anordnung des Sensors 12 zwischen den  Antriebsblöcken ist es erforderlich, eine Kompensation der Sensorkoordinaten  auf Grund der Geometrie und auf Grund der Dynamik durchzuführen.  Dabei sind die Gewichtsverhältnisse zu berücksichtigen. 



   Durch die Anordnung des Sensors 12 zwischen den Antriebsblöcken 13  und 14 kann Masse und Volumen aus dem Bereich von Handgriff und Hubrohr  5 entfernt werden, so dass verschiedene Vorrichtungen 1 nahe aneinander  geschoben werden können. Ein körperliches Berühren der einzelnen  Instrumente 1 kann dann sicher ausgeschlossen werden. Somit verbessert  sich die Qualität der Simulation. Des Weiteren werden durch den höher  und damit näher am Verschwenkpunkt des virtuellen Trokars angeordneten  Kraftsensor Querkräfte besser erfasst. Entgegen dem Vorbehalt aus  dem Stand der Technik sind auch Längskräfte und Rotationskräfte für  entlang und um die Längsachse 6 ausgeführte Bewegungen mit diesem  zwischen den Antriebsblöcken 13 und 14 angeordneten Kraftsensor 12  qualitativ gut erfassbar.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Simulation eines stabförmigen chirurgischen Instrumentes (1), insbesondere für die Simulation eines endoskopischen Instrumentes, mit einem ortsfesten Gestell, mit einem Handgriff (3) des Instrumentes (1), mit mindestens zwei Antriebsblöcken (13, 14) für eine Kraftrückkopplung, mit einem virtuellen Trokar und mit mindestens einem Kraftsensor (2, 12), wobei der Handgriff (3) über den virtuellen Trokar, über die Antriebsblöcke (13, 14) und über den Kraftsensor (2, 12) mit dem Gestell verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kraftsensor (12) zwischen einem ersten, mit dem Handgriff (3) verbundenen Antriebsblock (13) und einem zweiten, mit dem Gestell starr verbundenen Antriebsblock (14) angeordnet ist.

2.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Antriebsblock (13) für eine Kraftrückkopplung in Bezug auf eine Drehbewegung des Handgriffs (3) um die Längsachse (6) des Instrumentes (1) und für eine Kraftrückkopplung in Bezug auf eine Translationsbewegung des Handgriffs (3) entlang der Längsachse (6) des Instrumentes (1) ausgelegt ist und dass der zweite Antriebsblock (14) für eine Kraftrückkopplung in Bezug auf eine Verschwenkbewegung des Handgriffs (3) in Bezug auf den Einführpunkt des virtuellen Trokars ausgelegt ist.

3.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der besagte Kraftsensor (12) zum Erfassen einer Verschwenkbewegung des Handgriffs (3) in Bezug auf den Einführpunkt des virtuellen Trokars ausgelegt ist und dass ein zweiter Kraftsensor (2) zum Erfassen einer Drehbewegung des Handgriffs (3) um die Längsachse (6) des Instrumentes (1) und einer Translationsbewegung des Handgriffs (3) entlang der Längs achse (6) des Instrumentes (1) zwischen einem Innenrohr (4) und einem Rohr (5) des virtuellen Trokars am distalen Ende (7) auf der dem Handgriff (3) gegenüberliegenden Seite des ersten Antriebsblockes (13) angeordnet ist.

4.

Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Instrument (1) an dem Handgriff (3) über einen Stab (4, 5) verfügt, dessen über den ersten Antriebsblock (13) auf der dem Handgriff (3) gegenüberliegenden Seite überstehende Länge dem vordefinierten virtuellen Hub des Instrumentes (1) entspricht.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Kraftsensor (12) übertragene Kräfte und/oder Momente mit Hilfe von Dehnmessstreifen aufnehmbar sind.