[0001] 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 einem Antriebsblock für eine Kraftrückkopplung und mit einem virtuellen Trokar, wobei der Handgriff über den virtuellen Trokar und über den Antriebsblock mit dem Gestell verbunden ist.
[0002] Bei solchen Vorrichtungen zum Einsatz bei der Simulation von Operationen, insbesondere endoskopischen Eingriffen, werden Antriebsblöcke eingesetzt. Diese werden in einer Weise angesteuert, um eine Übertragung von simulierten Kräften auf das Instrument zu gestatten. Bei solchen stabförmigen Instrumenten greift der Antriebsblock auf einen Stab oder ein Rohr, an dem am proximalen Ende der besagte Handgriff befestigt ist.
Ein Paar von Antriebsblöcken, wie sie in der nachveröffenlichten WO 02/071 369 der Anmelderin beschrieben sind, greift auf den Stab zu und verschiebt diesen zwischen sich in longitudinaler Richtung. Dabei entsteht ein gewisser Schlupf, der es gemäss der dort beschriebenen Lehre notwendig macht, mit Mess- und Kalibriereinrichtungen die tatsächliche Lage des Stabes im Bezug auf die Antriebsblöcke festzulegen.
[0003] Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb anzugeben, der ohne Auftreten eines Schlupfes arbeitet.
Darüber hinaus ist es Ziel der Erfindung, diesen Antrieb so auszugestalten, dass der Operateur am Handgriff keine Schläge oder ein Ruckeln verspürt, welches durch den Kraftschluss oder Formschluss zwischen Stab und Antriebsblock entstehen könnte.
[0004] Diese Aufgabe wird für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
[0005] Dadurch, dass ein zylindrisches Element, welches dem oben genannten Stab entspricht, über mindestens zwei Nuten verfügt, in die die Antriebsblöcke eingreifen, kann eine sichere Zuordnung von Position in longitudinaler und in Drehrichtung zum Antriebsblock festgelegt werden.
[0006] Mit der in den abhängigen Patentansprüchen genannten Ausgestaltung und Anordnung der Nuten kann zudem erreicht werden, dass an den besagten Kreuzungsstellen der Nuten der Antrieb einen Vortrieb hat,
der zu keinen Schlägen bei Überfahren dieser Kreuzungsstellen führt.
[0007] Aus der W099/38 141 ist es bekannt, einen Antrieb mit drei Stellgliedern anzugeben, die in einem Winkel von 120 Grad zueinander stehen, um ein simuliertes Endoskop in einen simulierten gastro-intestinalen Trakt vorzuschieben.
[0008] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen gekennzeichnet.
[0009] Anschliessend wird nun die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
<tb>Fig. 1<sep>eine Seitenansicht eines Schaftes mit zwei mal drei Nuten,
<tb>Fig. 2<sep>einen schematischen Querschnitt durch den Schaft mit auf diesem aufgesetzten Kugellagern eines der Antriebsblöcke,
<tb>Fig. 3a<sep>ein Kugellager mit Punktkontakt zum Schaft ohne Nut nach dem Stand der Technik,
<tb>Fig. 3b<sep>ein Kugellager mit gerundeter Oberfläche, so dass sich ein Linienkontakt zum Schaft ergibt, und
<tb>Fig. 3c bis e<sep>verschiedene Ausführungsformen des Eingriffes eines Kugellagergehäuses in den Schaft mit Nut.
[0010] Die Fig. 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines zu bewegenden Schaftes 1 eines virtuellen chirurgischen Instrumentes. Unter Schaft 1 ist auch ein Stab oder ein Hohlrohr oder allgemein ein zylindrisches Element zu verstehen. Wesentlich ist dessen rotationssymmetrische Ausgestaltung bezüglich der Hauptachse des Elementes 1.
[0011] Dieses ist in Richtung des Doppelpfeiles 2 in Längsrichtung hin und her zu bewegen sowie, wie durch den Pfeil 3 angedeutet, um die eigene Achse drehbar. Hierfür sind an zwei verschiedenen Orten entlang des Schaftes 1 Antriebsblöcke 4 vorgesehen, von denen hier nur einer schematisch dargestellt ist.
Jeder Antriebsblock 4 umfasst den Schaft 1 vollständig und beinhaltet drei Kugellager, die entsprechend Fig. 2 um den Schaft 1 herum angeordnet sind. Die Kugellager 14, 24, 34 laufen in drei Nuten 15, 25 und 35, die in Schraubenform um den Schaft herumlaufen. Durch entsprechende Ansteuerungen der beiden Antriebsblöcke 4 kann somit eine reine Longitudinalbewegung in Richtung des Doppelpfeils 2 oder eine reine Drehbewegung in Richtung des Doppelpfeils 3 oder eine gemischte Bewegung ausgeführt werden.
Der eine Bewegung auf den Schaft aufzuprägende Operateur empfindet dies als Kraftrückkopplung.
[0012] Neben den drei Nuten 15, 25 und 35 sind drei weitere Nuten 45, 55 und 65 vorgesehen, die entgegengesetzten Drehsinn aufweisen und damit Kreuzungen 8 bilden.
[0013] In der Fig. 2 ist in einer schematischen Querschnittsansicht der Schaft 1 dargestellt, der von drei hier schematisch als Kreise dargestellten Kugellagergehäusen 14, 24 und 34 umgeben ist, die jeweils in die Nuten 15, 25 und 35 eingreifen. Die Winkel 16, 26 und 36 zwischen jeweils zwei der drei Kugellager 14, 24, 34 sind nicht gleich 120 . Der Winkel 16 beträgt zum Beispiel 115 , der Winkel 26 beläuft sich auf 110 deg. und der Winkel 36 beträgt 135 .
Dieser Unterschied in den Winkeln führt dazu, dass beim Abrollen der Kugellager in den Nuten nie mehr als ein Kugellager an einem Kreuzungspunkt 8 von zwei Nuten ist. Dadurch können Schläge und Verzögerungen, die ein empfindlicher Operateur am Simulator feststellen könnte, sicher vermieden werden.
Neben der Veränderung des Winkels der Kugellager könnten die Kugellager auch im 120-Grad-Winkel zueinander, aber in longitudinaler Richtung (entsprechend Richtung des Pfeiles 2) zueinander versetzt angeordnet werden.
[0014] Die Fig. 3a zeigt in einer sehr schematischen Querschnittsansicht, dass das Gehäuse 14 des Kugellagers im Punktkontakt mit der Oberfläche des zylindrischen Elementes 1 steht.
[0015] Fig. 3b zeigt in einer sehr schematischen Querschnittsansicht, dass bei geeigneter Ausgestaltung der Kugellageroberfläche das Gehäuse des Kugellagers 14 in Linienkontakt mit der Oberfläche steht, da ja die Schaftoberfläche eine Zylinderoberfläche ist und ausser in Richtung des Doppelpfeiles 2 somit für die Kugellager gekrümmt ist.
[0016] Die Fig.
3c zeigt in einer sehr schematischen Querschnittsansicht, dass das Gehäuse des Kugellagers hier mit einer Kante 9 in der Nut 15 in formschlüssigem Eingriff steht.
[0017] Die Fig. 3d zeigt in einer sehr schematischen Querschnittsansicht, dass das Gehäuse des Kugellagers mit einem Ansatz 19 in der Nut 15 in formschlüssigem Eingriff steht.
[0018] Die Fig. 3e zeigt schliesslich in einer sehr schematischen Querschnittsansicht, dass das Gehäuse des Kugellagers mit einem Ansatz 19 in der Nut 15 in formschlüssigem Eingriff steht, wobei der Rest der Kugellageroberfläche entsprechend Fig. 3b gerundet ist und somit in Linienkontakt mit der Oberfläche des zylindrischen Elementes steht.
The invention relates to a device for simulating a rod-shaped virtual surgical instrument, in particular for the simulation of an endoscopic instrument, with a stationary frame, with a handle of the instrument, with at least one drive block for a force feedback and a virtual trocar, wherein the Handle is connected via the virtual trocar and via the drive block to the frame.
In such devices for use in the simulation of operations, especially endoscopic procedures, drive blocks are used. These are driven in a manner to permit transmission of simulated forces to the instrument. In such rod-shaped instruments, the drive block engages a rod or tube to which the said handle is attached at the proximal end.
A pair of drive blocks, as described in applicant's copending application WO 02/071 369, engage and displace the rod therebetween in the longitudinal direction. This results in a certain slip, which makes it necessary according to the teaching described therein to determine the actual position of the rod with respect to the drive blocks with measuring and calibration devices.
Based on this prior art, the present invention seeks to provide a drive which operates without the occurrence of a slip.
In addition, it is an object of the invention to design this drive so that the surgeon on the handle feels no shock or jerking, which could be caused by the adhesion or positive engagement between the rod and drive block.
This object is achieved for a device of the type mentioned with the features of claim 1.
Characterized in that a cylindrical member which corresponds to the above-mentioned rod has at least two grooves, in which engage the drive blocks, a secure assignment of position in the longitudinal and rotational direction can be set to the drive block.
With the mentioned in the dependent claims design and arrangement of the grooves can also be achieved that at the said crossing points of the grooves of the drive has a propulsion,
which does not lead to any blows when crossing these intersections.
From W099 / 38 141 it is known to provide a drive with three actuators, which are at an angle of 120 degrees to each other to advance a simulated endoscope in a simulated gastrointestinal tract.
Further advantageous embodiments are characterized in the dependent claims.
Subsequently, the invention will now be explained in more detail by way of example with reference to several embodiments in the drawings. Show it:
<Tb> FIG. 1 <sep> a side view of a shaft with two by three grooves,
<Tb> FIG. FIG. 2 shows a schematic cross section through the shaft with ball bearings of one of the drive blocks mounted thereon, FIG.
<Tb> FIG. 3a <sep> a ball bearing with point contact to the shank without groove according to the prior art,
<Tb> FIG. 3b <sep> a ball bearing with a rounded surface, so that there is a line contact with the shaft, and
<Tb> FIG. 3c to e <sep> different embodiments of the engagement of a ball bearing housing in the shaft with groove.
Fig. 1 shows a schematic side view of a shaft to be moved 1 of a virtual surgical instrument. Under shaft 1 is also a rod or a hollow tube or generally a cylindrical element to understand. Essential is its rotationally symmetrical configuration with respect to the main axis of the element. 1
This is to move in the direction of the double arrow 2 in the longitudinal direction back and forth and, as indicated by the arrow 3, rotatable about its own axis. For this purpose, 1 drive blocks 4 are provided at two different locations along the shaft, of which only one is shown schematically here.
Each drive block 4 comprises the shaft 1 completely and includes three ball bearings, which are arranged around the shaft 1 as shown in FIG. The ball bearings 14, 24, 34 run in three grooves 15, 25 and 35, which run around the shaft in helical form. By appropriate activations of the two drive blocks 4, a pure longitudinal movement in the direction of the double arrow 2 or a pure rotational movement in the direction of the double arrow 3 or a mixed movement can thus be carried out.
The surgeon applying a movement to the shaft perceives this as a force feedback.
In addition to the three grooves 15, 25 and 35, three further grooves 45, 55 and 65 are provided which have opposite directions of rotation and thus form intersections 8.
2, the shaft 1 is shown in a schematic cross-sectional view, which is surrounded by three ball bearing housings 14, 24 and 34 shown here schematically as circles, which engage respectively in the grooves 15, 25 and 35. The angles 16, 26 and 36 between each two of the three ball bearings 14, 24, 34 are not equal to 120. The angle 16 is for example 115, the angle 26 amounts to 110 deg. and the angle 36 is 135.
This difference in angles results in no more than one ball bearing at a crossing point 8 of two grooves when rolling the ball bearings in the grooves. As a result, shocks and delays that could be detected by a sensitive surgeon on the simulator can be safely avoided.
In addition to the change in the angle of the ball bearings, the ball bearings could also be arranged offset to each other at 120 degrees to each other, but in the longitudinal direction (corresponding to the direction of arrow 2).
3a shows in a very schematic cross-sectional view that the housing 14 of the ball bearing is in point contact with the surface of the cylindrical element 1.
Fig. 3b shows in a very schematic cross-sectional view that with a suitable embodiment of the ball bearing surface, the housing of the ball bearing 14 is in line contact with the surface, since the shaft surface is a cylindrical surface and thus curved except for the double arrow 2 for the ball bearings is.
The Fig.
3c shows, in a very schematic cross-sectional view, that the housing of the ball bearing is here in form-locking engagement with an edge 9 in the groove 15.
Fig. 3d shows in a very schematic cross-sectional view that the housing of the ball bearing with a projection 19 in the groove 15 is in positive engagement.
Finally, Fig. 3e shows in a very schematic cross-sectional view that the housing of the ball bearing with a projection 19 in the groove 15 is in positive engagement, wherein the rest of the ball bearing surface is rounded as shown in FIG. 3b and thus in line contact with the Surface of the cylindrical element is.