CH711874A2 - Medizinische Vorrichtung mit einem medizinisch-optischen Gerät und einer Haltevorrichtung und Verfahren zum Betrieb der medizinischen Vorrichtung. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine medizinische Vorrichtung, aufweisend ein medizinisch-optisches Gerät (2) und eine Haltevorrichtung (1) mit wenigstens zwei Haltearmen (3, 4, 5, 6), die über ein Gelenk (8, 9, 10, 11, 12) mit wenigstens einem Bewegungsfreiheitsgrad beweglich miteinander verbunden sind, und mit einem Aktor (14, 15), der derart mit den wenigstens zwei Haltearmen (3, 4, 5, 6) verbunden ist, dass über den Aktor (14, 15) eine Kraft zwischen den wenigstens zwei Haltearmen (3, 4, 5, 6) in Richtung des Bewegungsfreiheitsgrads ausübbar ist. Eine Steuereinheit umfasst einen ersten Regler zur Ausgabe eines ersten Steuersignals über ein Stellglied an den Aktor (14, 15). Das medizinisch-optische Gerät (2) ist an der Haltevorrichtung (1) gehaltert. Erfindungsgemäss umfasst die Steuereinheit Mittel zur Messung eines kinematischen Zustands am Gelenk (8, 9, 10, 11, 12) und einen zweiten Regler zur Ausgabe eines zweiten Steuersignals über das Stellglied an den Aktor (14, 15). Die Steuereinheit ist derart eingerichtet, dass sie in einen ersten Betriebszustand und in einen zweiten Betriebszustand versetzbar ist, wobei in dem ersten Betriebszustand der Aktor (14, 15) über den ersten Regler und das Stellglied in Abhängigkeit von dem am Gelenk (8, 9, 10, 11, 12) gemessenen kinematischen Zustand derart positionsgeregelt angesteuert ist, dass eine Relativposition zwischen den wenigstens zwei Haltearmen (3, 4, 5, 6) zumindest weitgehend unabhängig von äusseren oder inneren Einwirkungen auf die Haltevorrichtung (1) oder das medizinisch-optische Gerät (2) beibehalten wird, und wobei in dem zweiten Betriebszustand der Aktor (14, 15) über den zweiten Regler und das Stellglied derart kraftgeregelt angesteuert ist, dass eine Relativbewegung zwischen den wenigstens zwei Haltearmen (3, 4, 5, 6) ermöglicht ist. Ebenfalls betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der medizinischen Vorrichtung.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine medizinische Vorrichtung, die ein medizinisch-optisches Gerät und eine Haltevorrichtung aufweist. Die Haltevorrichtung umfasst wenigstens zwei Haltearme, die über ein Gelenk mit wenigstens einem Bewegungsfreiheitsgrad beweglich miteinander verbunden sind. Ferner weist die Haltevorrichtung einen Aktor auf, der derart mit den zwei Haltearmen verbunden ist. dass über den Aktor eine Kraft zwischen den zwei Haltearmen in Richtung des Bewegungsfreiheitsgrads ausübbar ist. Das medizinisch-optische Gerät ist an der Haltevorrichtung gehaltert. Eine Steuereinheit umfasst einen ersten Regler zur Ausgabe eines ersten Steuersignals über ein Stellglied an den Aktor.

[0002] In vielen medizinischen Verfahren werden medizinisch-optische Geräte zur Untersuchung oder Behandlung eines Patienten eingesetzt. Diese Geräte sind häufig an einer gelenkigen Haltevorrichtung gehaltert, so dass sie an verschiedenen Positionen im Arbeitsraum positioniert und dort gegebenenfalls in einer gewünschten Richtung ausgerichtet werden können. Im Betrieb ist es oftmals erforderlich, die Position und gegebenenfalls Ausrichtung des medizinisch-optischen Geräts zu variieren, beispielsweise um einen Blickwinkel eines Operationsmikroskops auf das Operationsfeld oder eine Strahlrichtung eines Behandlungslasers zu verändern. Es wechseln sich also häufig Stillstandsphasen, in denen das medizinisch-optische Gerät in einer bestimmten Lage im Raum gehalten wird, mit Bewegungsphasen, in denen das medizinisch-optische Geräte von einer Lage in eine andere Lage überführt wird, ab.

[0003] In einer Bewegungsphase soll das medizinisch-optische Gerät von einem Benutzer möglichst leichtgängig, das heisst unter Aufbietung geringer körperlicher Kräfte, aus einer Anfangslage in eine Endlage überführt werden können. Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Haltevorrichtung mit Aktoren an den Gelenken zu versehen, die eine Bewegung des Stativs unterstützen beziehungsweise überhaupt erst ermöglichen.

[0004] In der DE 10 2004 063 606 A1 ist eine medizinische Vorrichtung offenbart, die ein medizinisch-optisches Gerät in Form eines Operationsmikroskops umfasst, welches an einer Haltevorrichtung gehaltert ist. Zur kräftefreien Bewegung des Operationsmikroskops verfügt die medizinische Vorrichtung über Elektromotoren an den Gelenken der Haltevorrichtung. Über Stellungsgeber werden Winkelstellungen in den Drehgelenken erfasst. In einem elektronischen Speicher sind Stromsteuerkurven hinterlegt, aus denen in Abhängigkeit von den erfassten Winkelsteilungen Stromwerte ermittelt werden können. Aus den erfassten Winkelstellungen wird mit Hilfe der Stromsteuerkurven ein Stromwert ermittelt, mit dem die Elektromotoren bestromt werden, so dass in den Elektromotoren ein definiertes Moment erzeugt wird. Auf diese Weise lässt sich ein statisches Last-Drehmoment durch das in den Elektromotoren erzeugte Gegenmoment ausgleichen, so dass das Operationsmikroskop von einem Benutzer scheinbar kräftefrei bewegt werden kann. Die medizinische Vorrichtung gemäss DE 10 2004 063 606 A1 weist jedoch Nachteile im ungeführten Zustand auf, wenn ein Benutzer die medizinische Vorrichtung nicht aktiv bewegt oder an einer Position im Raum hält. In diesem Fall kann es zu einer Drift kommen, also zu einer schleichenden Bewegung des medizinisch-optischen Geräts aus einer eingestellten Stellung heraus. Ein weiterer Nachteil der medizinischen Vorrichtung besteht darin, dass ein (unabsichtlicher) Stoss gegen die Haltevorrichtung oder das Operationsmikroskop eine unkontrollierte Bewegung zur Folge haben kann, was in einer Operationssituation zu vermeiden ist.

[0005] Zur Vermeidung unkontrollierter Bewegungen ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Haltevorrichtungen mit Bremsen zu versehen, die von einem Benutzer aktiviert werden können, um einzelne oder alle Bewegungsfreiheitsgrade der Haltevorrichtung zu unterdrücken, so dass eine Position und/oder Ausrichtung der medizinisch-optischen Vorrichtung im Raum beibehalten wird. Haltevorrichtungen mit Bremsen sind beispielsweise in den Druckschriften DE 10 144 033 A1. DE 20 218 693 U1 und DE 20 2007 003 822 U1 offenbart. Nachteilig an der Verwendung von Bremsen ist jedoch, dass sie die Komplexität des Gesamtsystems erhöhen, aufgrund von Nachgiebigkeiten eine Schwingungsneigung unterstützen und in der Regel mehrfach während einer Operation aktiv geöffnet und geschlossen werden müssen, was den Operationsablauf behindert.

[0006] Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine medizinische Vorrichtung mit einem medizinisch-optischen Gerät und einer bewegungsunterstützten Haltevorrichtung weiterzuentwickeln, so dass ein sicherer Stillstand gewährleistet ist. Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines geeigneten Betriebsverfahrens für eine solche medizinische Vorrichtung.

[0007] Die Aufgaben werden durch eine medizinische Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.

[0008] Erfindungsgemäss umfasst die Steuereinheit der medizinischen Vorrichtung Mittel zur Messung eines kinematischen Zustands am Gelenk sowie einen zweiten Regler zur Ausgabe eines zweiten Steuersignals über das Stellglied an den Aktor. Die Steuereinheit ist derart eingerichtet, dass sie in einen ersten Betriebszustand und in einen zweiten Betriebszustand versetzbar ist, wobei in dem ersten Betriebszustand der Aktor über den ersten Regler und das Stellglied in Abhängigkeit von dem am Gelenk gemessenen kinematischen Zustand derart positionsgeregelt angesteuert ist, dass eine Relativposition zwischen den zwei Haltearmen zumindest weitgehend unabhängig von äusseren oder inneren Einwirkungen auf die Haltevorrichtung oder das medizinisch-optische Gerät beibehalten wird, und wobei in dem zweiten Betriebszustand der Aktor über den zweiten Regler und das Stellglied derart kraftgeregelt angesteuert ist, dass eine Relativbewegung zwischen den zwei Haltearmen ermöglicht ist.

[0009] Der Begriff «Kraft» ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung so zu verstehen, dass sowohl eine gerichtete Längskraft als auch ein um eine Drehachse wirkendes Drehmoment umfasst sein sollen. Analog dazu sind auch die Begriffe «Kraftregelung*1 oder «kraftgeregelt»» nicht auf Regelungen gerichteter Längskräfte zu beschränken, sondern umfassen auch Regelungen von Drehmomenten.

[0010] Unter einer «Messung eines kinematischen Zustands» ist im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Messung einer oder mehrerer kinematischer Grössen zu verstehen. Insbesondere fallen darunter Messungen, von Drehwinkeln oder translatorischen Auslenkungen. Winkelgeschwindigkeiten oder translatorischen Geschwindigkeiten und Winkelbeschleunigungen oder translatorische Beschleunigungen oder Kombinationen aus den genannten Grössen. Die Mittel zur Messung eines kinematischen Zustands sind dazu ausgebildet, einen kinematischen Zustand am Gelenk zu bestimmen, beispielsweise durch direkte Messung einer oder mehrerer kinematischer Grössen am Gelenk oder indirekt durch eine Vorrichtung zum Tracking der Position des medizinisch-optischen Geräts im Raum und eine Rückrechnung auf kinematische Grössen am Gelenk.

[0011] Bei einem Betrieb der medizinischen Vorrichtung, in dem die Steuereinheit in den zweiten Betriebszustand versetzt ist, wird der Aktor kraftgeregelt angesteuert. Dadurch ist eine Relativbewegung zwischen den zwei Haltearmen durch Ausübung einer äusseren Kraft auf die Haltevorrichtung oder das medizinisch-optische Gerät ermöglicht. Je nach Auslegung der Regelung kann die äussere Kraft auch sehr gering ausfallen, so dass ein Benutzer das medizinisch-optische Gerät nahezu kräftefrei bewegen kann. Nach einem Wechsel in den ersten Betriebszustand der Steuereinheit wird der Aktor positionsgeregelt angesteuert. Der Wechsel erfolgt bevorzugt dann, wenn das medizinisch-optische Gerät an einem bestimmten Ort im Raum gehalten werden soll, zum Beispiel an dem Ort, an dem es sich bei einer Initiierung des Wechsels der Betriebszustände befindet. Durch die Positionsregelung ist sichergestellt, dass das medizinisch-optische Gerät an dem eingestellten Ort verbleibt, insbesondere auch bei Einwirkung äusserer oder innerer Kräfte auf das medizinisch-optische Gerät oder die Haltevorrichtung. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei einer erfindungsgemässen medizinischen Vorrichtung auf einen Einsatz von Bremsen verzichtet werden kamt, um das medizinisch-optische Gerät an einer gewünschten Position im Arbeitsraum zu halten, beziehungsweise dass vorhandene Bremsen, die zum Beispiel aus Sicherheitsgründen vorhanden sein können, kleiner dimensioniert werden können.

[0012] In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, in dem zweiten Betriebszustand den Aktor über den zweiten Regler in Abhängigkeit von einem am Gelenk gemessenen kinematischen Zustand anzusteuern. Dadurch ist es insbesondere möglich, dieselben Sensoren, die im ersten Betriebszustand der Steuereinheit während der positionsgeregelten Ansteuerung des Aktors zur Messung eines kinematischen Zustands verwendet werden, zur Messung eines - gegebenenfalls unterschiedlichen-kinematischen Zustands im zweiten Betriebszustand der Steuereinheit während einer kraftgeregelten oder kraftgesteuerten Ansteuerung des Aktors zu verwenden. Auf diese Weise ist eine geringe Anzahl von Sensoren für den Betrieb der medizinischen Vorrichtung mit der Steuereinheit im ersten Betriebszustand und im zweiten Betriebszustand ausreichend.

[0013] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Steuereinheit Mittel zur Ermittlung einer von dem Aktor erzeugten Kraft, und die Steuereinheit ist derart eingerichtet, dass in dem zweiten Betriebszustand der Aktor über den zweiten Regler in Abhängigkeit von der gemessenen Kraft angesteuert ist. Auf diese Weise lässt sich ein Kraftregler für den zweiten Betriebszustand realisieren, der sich durch eine besonders präzise Einstellung der Kraft auszeichnet.

[0014] In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst die medizinische Vorrichtung eine von einem Nutzer betätigbare Freigabeeinheit, die derart eingerichtet ist, dass eine Betätigung der Freigabeeinheit einen Wechsel der Steuereinheit von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand oder umgekehrt bewirkt. Die medizinische Vorrichtung lässt sich mit Hüte de Freigabeeinheit von einem Benutzer somit bedarfsweise in einen Zustand versetzen, in dem ein Bewegung des medizinisch-optischen Geräts unter Aufbietung einer definierten Kraft ermöglich ist (zweiter Betriebszustand der Steuereinheit), oder in dem das medizinische-optische Gerät sicher in einer definierten Position und/oder Ausrichtung im Raum gehalten ist (erster Betriebszustand der Steuereinheit).

[0015] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die medizinische Vorrichtung Mittel zum Blockieren einer Relativbewegung zwischen den zwei Haltearmen auf, und die Steuereinheit ist dazu eingerichtet, bei Überschreiten eines Grenzwerts für die von dem Aktor erzeugte Kraft ein Blockieren der Relativbewegung zu veranlassen. Die Aktivierung der Mittel zum Blockieren de Relativbewegung stellt einen Sicherheitsmechanismus dar, mit dem beispielsweise die Gefahr einer Überbelastung der Aktoren, der Haltearme oder anderer Teile der medizinischen Vorrichtung aufgrund ungewöhnlich starker einwirkender äusserer Kräfte, Fehlbedienungen oder Regelungsfehler verringert werden kann. Alternativ oder ergänzend können in der Steuereinheit auch Grenzwerte für kinematische Zustandsgrössen einzelner, mehrerer oder aller Haltearme der Haltevorrichtung oder für das medizinisch-optische Gerät in einem geeigneten, beispielsweise raumfesten Koordinatensystem definiert sein. Die Grenzwerte können auch so ausgelegt sein, dass kritische Stellungen der Haltevorrichtung im Arbeitsraum vermieden werden, beispielsweise um einen Mindestabstand der medizinisch-optischen Vorrichtung von einem Patienten zu gewährleisten.

[0016] Ein erfindungsgemässes Verfahren zum Betrieb einer medizinischen Vorrichtung umfasst die Verfahrensschritte: - Versetzen der Steuereinheit in den ersten Betriebszustand, in dem ein kinematischer Zustand am Gelenk gemessen wird und der Aktor über den ersten Regler und das Stellglied positionsgeregelt in Abhängigkeit von dem gemessenen kinematischen Zustand angesteuert wird, so dass eine Relativposition zwischen den beiden Haltearmen zumindest weitgehend beibehalten wird; und - Wechsel des Betriebszustands der Steuereinheit in den zweiten Betriebszustand, in dem der Aktor über den zweiten Regler und das Stellglied kraftgeregelt angesteuert wird, so dass eine Relativbewegung zwischen den zwei Haltearmen ermöglicht ist.

[0017] Alternativ oder ergänzend kann das erfindungsgemässe Verfahren auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden, also beginnend mit einem Versetzen der Steuereinheit in den zweiten Betriebszustand und einem anschliessenden Wechsel des Betriebszustand der Steuereinheit in den ersten Betriebszustand. Ferner sind auch mehrfache Wechsel zwischen den Betriebszuständen der Steuereinheit möglich. Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen kann die Steuereinheit zwischen einem Wechsel von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand oder umgekehrt auch weitere Betriebszustände einnehmen, in denen das medizinisch-optische Gerät an der Haltevorrichtung beispielsweise ohne Regelung vom Benutzer geführt wird oder mit Hilfe des Aktors oder mehrerer Aktoren an mehreren Gelenken definiert von einer Lage in eine andere Lage im Arbeitsraum bewegt wird. Eine Freigabeeinheit wäre in diesem Fall bevorzugt so zu konfigurieren, dass die verschiedenen Betriebszustände von einem Benutzer ausgewählt werden können.

[0018] Das erfindungsgemässe Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das medizinisch-optische Gerät einerseits im kraftgeregelten Betriebszustand der Steuereinheit von einem Benutzer unter Ausübung einer definierten Kraft oder sogar nahezu kräftefrei von einer Lage in eine andere Lage verbracht werden kann und andererseits im positionsgeregelten Betriebszustand eine sichere Positionierung des medizinisch-optischen Geräts im Arbeitsraum auch unter Einwirkung äusserer oder innerer Kräfte auf das Gerät oder die Haltevorrichtung gewährleistet ist.

[0019] In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird der Wechsel zwischen den Betriebszuständen durch Betätigung einer Freigabeeinheit initiiert. Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen kann ein Wechsel dabei sowohl von dem ersten in den zweiten Betriebszustand oder umgekehrt einfach oder mehrfach hintereinander initiiert werden.

[0020] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens sind der erste Regler und der zweite Regler so aneinander angepasst, dass ohne Einwirkung äusserer Kräfte im zweiten Betriebszustand unmittelbar nach dem Wechsel eine von dem Aktor abgegebene Kraft sich um weniger als 10%, bevorzugt um weniger als 5%, weiter bevorzugt um weniger als.1%, von einer im ersten Betriebszustand unmittelbar vor dem Wechsel von dem Aktor abgegebene Kraft unterscheidet. Auf diese Weise lässt sich ein Kraft- oder Momentensprung in der von dem Aktor ausgeübten Kraft oder in dem Moment bei einem Übergang zwischen den Betriebszuständen verringern oder vermeiden. Dieser Aspekt ist insbesondere wichtig bei einem Übergang von dem positionsgeregelten in den kraftgeregelten Betriebszustand, um eine plötzliche Bewegung der medizinisch-optischen Vorrichtung (zum Beispiel ein Absacken infolge der Schwerkraft) zu vermeiden.

[0021] In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens wird eine von dem Aktor erzeugte Kraft gemessen, und bei Überschreiten eines Grenzwerts werden Mittel zum Blockieren einer Relativbewegung zwischen den zwei Haltearmen aktiviert, durch die die Relativbewegung gebremst und/oder unterdrückt wird. Damit ist ein Sicherheitsmechanismus realisiert, mit dem beispielsweise die Gefahr einer Überbelastung der medizinischen Vorrichtung vermieden werden kann.

[0022] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen im Einzelnen

Fig. 1: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen medizinischen Vorrichtung;

Fig. 2: eine Drehgelenkverbindung der medizinischen Vorrichtung mit einem Aktor;

Fig. 3: ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemässes Verfahren;

Fig. 4: ein zweites Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemässes Verfahren; und Fig. 5: eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemässen medizinischen Vorrichtung.

[0023] In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen medizinischen Vorrichtung dargestellt. Die medizinische Vorrichtung weist ein medizinisch-optisches Gerät in Form eine Operationsmikroskops 2 auf, das an einer Haltevorrichtung in Form eines Stativs 1 gehaltert ist.

[0024] Während einer Operation ist es häufig erforderlich, die Lage des Operationsmikroskops im Raum zu variieren. Abhängig vom Anwendungsfall können die Variationen dabei sowohl Änderungen der Position als auch Änderungen der Winkelausrichtung des Operationsmikroskop im Raum oder Kombinationen aus den genannten Änderungen umfassen. Um dies bewerkstelligen zu können, umfasst das Stativ 1 mehrere Haltearme 3, 4, 5, 6, die über Gelenkverbindungen 8, 9, 10, 11, 12 miteinander verbunden sind.

[0025] Das Stativ weist einen vertikal angeordneten ersten Haltearm 3 auf, der über ein erstes Drehgelenk 7, welches über eine vertikal angeordnete Drehachse verfügt, mit dem Boden verbunden ist. Alternativ dazu kann der erste Haltearm 3 auch an einer Bodenplatte befestigt sein, die mit Rollen ausgestattet sein kann, um die medizinische Vorrichtung im Operationsraum transportieren zu können. Über das erste Drehgelenk 7 lässt sich das Stativ als Ganzes mit dem daran befestigten Operationsmikroskop 2 um die vertikale Drehachse verschwenken. Der erste Haltearm 3 ist über ein zweites

Drehgelenk 8, welches über eine horizontal angeordnete Drehachse verfügt, mit einem zweiten Haltearm 4 verbunden, der in diesem Ausführungsbeispiel als Parallelogrammkonstruktion ausgeführt ist. Die Parallelogrammkonstruktion umfasst ein drittes Drehgelenk 9, ein viertes Drehgelenk 10 und ein fünftes Drehgelenk 11, deren Drehachsen parallel zu der Drehachse des zweiten Drehgelenks 8 angeordnet sind. Der obere Arm der Parallelogrammkonstruktion ist als dritter Haltearm 5 ausgeführt und erstreckt sich über das fünfte Drehgelenk 11 hinaus. Am anderen Ende des dritten Haltearms 5 ist über ein sechstes Gelenk 12 ein Frontlenker 6 angeordnet, an dem wiederum das Operationsmikroskop 2 über ein siebtes Gelenk 13 gehaltert ist. Das fünfte Gelenk 12 und das sechste Gelenk 13 können mit mehreren Bewegungsfreiheitsgraden, beispielsweise mit mehreren Drehachsen und/oder translatorischen Bewegungsfreiheitsgraden, ausgestaltet sein.

[0026] An einem, mehreren oder allen Gelenken des Stativs 1 sind Aktoren vorgesehen, mit denen eine Bewegung des Stativs unterstützt oder durchgeführt werden kann. Die Aktoren werden in diesem Ausführungsbeispiel exemplarisch anhand eines ersten Aktors 14 und eines zweiten Aktors 15 erläutert. Der erste Aktor 14 ist zwischen dem ersten Haltearm 3 und dem zweiten Haltearm 4 angeordnet, so dass eine Betätigung des ersten Aktors 14 eine Drehung des zweiten Haltearms 4 und der daran angeordneten weiteren Stativelemente als Ganzes um die Drehachse 8 bewirkt. Der zweite Aktor 15 ist innerhalb der Parallelogrammkonstruktion des zweiten Haltearms 4 angeordnet, so dass eine Betätigung des zweiten Aktors eine Verschiebung innerhalb der Parallelogrammkonstruktion bewirkt, durch die der dritte Haltearm 5 um das fünfte Gelenk 11 gekippt wird. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit können weitere Aktoren alternativ oder ergänzend an anderen Gelenken des Stativs vorgesehen sein.

[0027] Anhand der in Fig. 2 dargestellten Verbindung zwischen dem ersten Haltearm 3 und dem zweiten Haltearm 4 wird, im Folgenden der Aufbau einer Drehgelenkverbindung für eine erfindungsgemässe medizinische Vorrichtung näher erläutert. Zwischen den Haltearmen 3, 4 ist der erste Aktor 14 angeordnet, der in diesem Ausführungsbeispiel als Elektromotor ausgeführt ist. Der Elektromotor 14 umfasst einen Stator 20, der an dem ersten Haltearm 3 abgestützt ist, sowie einen Rotor 19 mit einer Welle 16, die an den zweiten Haltearm 4 angebunden ist. Durch den Elektromotor 16 lässt sich ein Drehmoment zwischen dem ersten Haltearm 3 und dem zweiten Haltearm 4 erzeugen.

[0028] Die Welle 16 ist über eine erste Lagereinheit 17 und eine zweite Lagereinheit 18 an dem ersten Haltearm 3 abgestützt. Welle 16, erste Lagereinheit 17 und zweite Lagereinheit 18 bilden gemeinsam das erste Drehgelenk 8 zwischen den beiden Haltearmen. Der zweite Haltearm 4 ist relativ zum ersten Haltearm 3 um die Längsachse der Welle 16 drehbar, so dass das erste Drehgelenk 8 einen rotatorischen Bewegungsfreiheitsgrad aufweist.

[0029] Die medizinische Vorrichtung beinhaltet weiterhin eine Steuereinheit, die Mittel zur Messung eines kinematischen Zustands in Form eines Winkelsensors 21, einen ersten Regler 22, einen zweiten Regler 23 sowie ein Stellglied 24 umfasst.

[0030] Der Winkelsensor 21 ist zwischen dem ersten Haltearm 3 und der Welle 16 angeordnet und damit geeignet, einen Winkel zwischen dem ersten Haltearm 3 und dem zweiten Haltearm 4 zu messen. Der gemessene Winkel ist über eine Signalleitung 25 dem ersten Regler 22 und/oder dem zweiten Regler 23 zufuhrbar.

[0031] Optional kann die Steuereinheit Mittel zur Ermittlung einer von dem ersten Aktor 14 erzeugten Kraft beziehungsweises eines von dem ersten Aktor 14 erzeugten Drehmoments umfassen, die in diesem Ausführungsbeispiel als Drehmomentsensor 28 ausgestaltet sind. Das Ausgangssignal des Drehmomentsensors 28 ist dem ersten Regler 22 und/oder dein zweiten Regler 23 über eine dritte Signalleitung 29 zuführbar. so dass es als Eingangsgrösse für die Regelalgorithmen des ersten Reglers 22 und/oder des zweiten Reglers 23 verwendet werden kann.

[0032] Der erste Regler 22 ist als Positionsregelung ausgeführt. Die Begriffe «Positionsregelung» oder «positionsgeregelt» bedeuten in diesem Zusammenhang, dass der Regler dazu eingerichtet ist. durch einen Vergleich einer oder mehrerer gemessener kinematischer Grössen oder daraus hergeleiteter Grössen mit einem Sollwert unter Anwendung eines aus dem Stand der Technik bekannten Regelungsalgorithmus ein Ausgangssignal zu generieren, welches in dem Stellglied zu einer Stellgrösse für den Aktor (in der Regel ein Strom) umgewandelt wird, so dass der Aktor eine definierte Stellung zumindest weitgehend beibehält oder eine definierte Bewegung ausführt, und zwar auch unter Einwirkung äusserer oder innerer Kräfte.

[0033] Bevorzugt beinhaltet der erste Regler 22 einen Regelalgorithmus zur aktiven Schwingungsdämpfung, Weiter bevorzugt umfasst der Regelalgorithmus des ersten Reglers einstellbare Parameter, mit denen eine Dämpfung und/oder Steifigkeit im geregelten System einstellbar ist. In einem ergänzenden Ausführungsbeispiel umfasst die medizinische Vorrichtung ein Trackingsystem zur Ermittlung und Verfolgung eines kinematischen Zustands des medizinisch-optischen Geräts und/oder der Haltevorrichtung im Raum. Der ermittelte kinematische Zustand wird über eine Steuerleitung der Steuereinheit zugeführt und dient als weitere Eingangsgrösse für die Regelalgorithmen des ersten Reglers 22 und/oder des zweiten Reglers 23. Die Verwendung einer weiteren Eingangsgrösse ermöglicht es, Regelalgorithmen mit einer verbesserten Regelgenauigkeit und/oder -Schnelligkeit einzusetzen.

[0034] Der zweite Regler 23 beinhaltet eine Kraftregelung. Die Begriffe «Kraftregelung» oder «kraftgeregelt» bedeuten in diesem Zusammenhang, dass der Regler dazu eingerichtet ist. durch einen Vergleich einer oder mehrerer gemessener Kräfte oder Drehmomente oder daraus hergeleiteter Grössen mit einem Sollwert unter Anwendung eines aus dem Stand der Technik bekannten Regelungsalgorithmus ein Ausgangssignal zu generieren, welches in dem Stellglied zu einer Stellgrösse für den Aktor (in der Regel ein Strom) umgewandelt wird, so dass der Aktor eine definierte Kraft oder ein definiertes Moment auf die Bauelemente, zwischen denen er angeordnet ist, ausübt. Alternativ kann das Ausgangssignal auch aus hinterlegten Steuerkurven in Abhängigkeit eines gemessenen kinematischen Zustands (beispielsweise translatorische oder rotatorische Position, Geschwindigkeit und/oder Beschleunigung), ähnlich wie in der DE 10 2004 063 606 offenbart, ermittelt werden.

[0035] Die Regler 22, 23 können in an sich bekannter Weise als klassische lineare Regler, zum Beispiel als PID-Regler, oder als Zustandsregler, Fuzzy-Regler, adaptive Regler, selbstlernende Regler oder auf andere Art mit einer zentralen, dezentralen oder kaskadierten Reglerarchitektur aufgebaut sein.

[0036] In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der erste Regler 22 und der zweite Regler 23 über eine weitere Signalleitung 26 mit einer Freigabeeinheit 27 verbunden, über die ein Benutzer wie nachfolgend noch genauer erläutert wahlweise eine Relativbewegung zwischen dem ersten Haltearm 3 und dem zweiten Haltearm 4 freigeben oder unterdrücken kann. Die Freigabeeinheit kann beispielsweise als Handschalter, Mundschalter, Fussschalter, Touchscreen, Sprachsteuerung oder Gestensteuerung ausgeführt sein.

[0037] Das Stellglied 24 beinhaltet eine Leistungselektronik, mit deren Hilfe die Ausgangssignale des ersten Reglers 22 in eine erste Stellgrösse und die Ausgangssignale des zweiten Reglers 23 in eine zweite Stellgrösse, in diesem Ausführungsbeispiel jeweils Ströme, für den ersten Aktor 14 umgewandelt werden. Die Stellgrössen werden dem ersten Aktor 14 über eine Stromleitung 29 zugeführt. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit kann das Stellglied 24 auch unterschiedliche Leistungselektroniken für den ersten Regler 22 und den zweiten Regler 23 umfassen.

[0038] Ein Verfahren zum Betrieb der medizinischen Vorrichtung wird nachfolgend anhand von Fig. 3 beschrieben. Im Betrieb wird fortlaufend geprüft, ob die Freigabeeinheit 27 von einem Benutzer aktiviert wurde. Bei aktivierter Freigabeeinheit 27 wird der zweite Regler 23 zur kraftgeregelten Ansteuerung des Aktors verwendet. In diesem Betriebsmodus lässt sich das Operationsmikroskop 2 von einem Benutzer unter Aufbietung einer definierten Kraft im Raum bewegen. Der zweite Regler 23 kann derart ausgelegt sein, dass Lastmomente im Stillstand in einigen, mehreren oder allen Stellungen der Haltevorrichtung 1 im Arbeitsraum zumindest annähernd vollständig durch den Aktor 14, 15 oder die Aktoren der Haltevorrichtung kompensiert werden. Auf diese Weise lässt sich das Operationsmikroskop 2 durch einen Benutzer nahezu kräftefrei von einer Position in eine andere Position im Arbeitsraum verbringen. Unter dem Arbeitsraum ist dabei die Summe der Positionen zu verstehen, die das Operationsmikroskop 2 unter Berücksichtigung der durch die Haltevorrichtung 1 vorgegebenen kinematischen Zwangsbedingungen einnehmen kann.

[0039] Bei deaktivierter Freigabeeinheit 27 kommt hingegen der erste Regler 22 zur positionsgeregelten Ansteuerung des Aktors 14, 15 zum Einsatz. In diesem Betriebsmodus wird das Operationsmikroskop 2 von dem Aktor 14, 15 zumindest nahezu konstant an einer Position und/oder in einer Ausrichtung im Arbeitsraum gehalten, und zwar auch unter Einwirkung einer äusseren oder inneren Kraft. Äussere oder innere Kräfte können im Betrieb zum Beispiel dadurch entstehen, dass ein Benutzer (unabsichtlich) an das Gerät stösst oder sich am Gerät abstützt, oder durch Übertragung von Bodenvibrationen oder durch Schwingungen anmontierter Hilfseinrichtungen (Pumpen, Lüfter oder ähnliches).

[0040] Besonders bevorzugt sind der erste Regler 22 und der zweite Regler 23 derart aneinander angepasst, dass eine von dem ersten Aktor 14 erzeugte Kraft oder ein Moment bei einem Wechsel zwischen den beiden Reglern zumindest nahezu sprungfrei beibehalten wird. Mit anderen Worten sollte sich eine von dem ersten Aktor 14 unmittelbar vor dem Wechsel als Ergebnis der Ansteuerung mit einem der beiden Regler erzeugte Kraft um weniger als 10%, bevorzugt weniger als 5%, weiter bevorzugt um weniger als 1% von der von dem ersten Aktor 14 unmittelbar nach dem Wechsel als Ergebnis der Ansteuerung mit dem anderen Regler erzeugten Kraft unterscheiden. Damit ist sichergestellt, dass es nicht zu einer ungewollten, plötzlichen Bewegung der Haltevorrichtung 1 und des daran angeordneten Operationsmikroskops 2 bei einem Wechsel kommt.

[0041] In Fig. 4 ist eine Variation des Verfahrens zum Betrieb der medizinischen Vorrichtung dargestellt. Das Verfahren unterscheidet sich von dem gemäss Fig. 3 im Wesentlichen dadurch, dass bei einem Wechsel von einer Kraftregelung in eine Positionsregelung eine Übergangsregelung aktiviert wird. Die Übergangsregelung ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Freigabeeinheit 27 während einer Bewegung des Operationsmikroskops 2 deaktiviert wird, wenn also während der Bewegung der zweite Regler 23 deaktiviert und der erste Regler 22 aktiviert und so von einer Kraftregelung auf eine Positionsregelung umgeschaltet wird. Die Übergangsregelung regelt in diesem Fall das Abbremsen der Haltevorrichtung 1 bis zum Stillstand. In einem Ausführungsbeispiel ist die Übergangsregelung hierfür so ausgestaltet, dass die Haltevorrichtung 1 und das daran angebrachte Operationsmikroskop 2 ohne Überschwingen schnellstmöglich zum Stillstand kommt. Dies hat zwar zur Folge, dass das System nicht an der Position zum Stehen kommt, an der die Freigabeeinheit 27 deaktiviert wurde, aber es treten auch keine oder kaum Schwingungen während des Abbremsvorgangs auf. In einem alternativen oder ergänzenden Ausführungsbeispiel ist die Übergangsregelung so ausgestaltet, dass die Haltevorrichtung 1 und/oder das Operationsmikroskop 2 in die Position verbracht werden, in der sie sich bei der Deaktivierung der Freigabeeinheit 27 befanden. Ein Überschwingen der Position wird in diesem Ausführungsbeispiel in Kauf genommen. Nach dem Wechsel zu einer Positionsregelung wird die Freigabeeinheit 27 anschliessend fortlaufend überwacht und bei erneuter Aktivierung wieder zu einer kraftgeregelten Ansteuerung des ersten Aktors 14 umgeschaltet.

[0042] In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen medizinischen Vorrichtung dargestellt. Gleichwirkende Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Von dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 unterscheidet sich das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5 dadurch, dass Mittel zum Ausgleichen eines statischen Lastmoments an der Haltevorrichtung 1 vorgesehen sind, die in diesem Ausführungsbeispiel als Gegengewichte 30 aus

Claims (9)

1. geführt sind. Mit den Gegengewichten ist es möglich, einen 'Feil oder alle der auftretenden statischen Lastmomente zu kompensieren, so dass eine Balance der Haltevorrichtung im Stillstand unterstützt ist. Dadurch werden der erste Aktor 14 und der zweite Aktor 15 entlastet, da allenfalls nur noch einen Teil der erforderlichen Drehmomente zum Halten der Haltevorrichtung in einer Gleichgewichtsposition von den Aktoren aufgebracht werden müssen. Die Aktoren 14,15 können also kleiner dimensioniert werden. [0043] In einem alternativen oder ergänzenden Ausführungsbeispiel können die Mittel zum Ausgleichen eines statischen Lastmoments auch Kraftelemente, zum Beispiel Federn, pneumatische Vorrichtungen oder weitere Aktoren umfassen, mit denen Kräfte oder Momente zwischen den Haltearmen ausgeübt werden können, so dass ein Gleichgewichtszustand der medizinischen Vorrichtung unterstützt ist. [0044] Optional kann die medizinische Vorrichtung wie in Fig. 2 dargestellt eine Bremse 31 umfassen, die zwischen der Welle 16 und dem ersten Haltearm 3 angeordnet ist. Die Bremse 31 ist über eine drifte Steuerleitung 32 mit der Steuereinheit verbunden. In einem Speicher der Steuereinheit sind Grenzwerte für von dem Aktor oder den Aktoren 14, 15 aufgebrachte Kräfte oder Momente oder für gemessene Kräfte oder Momente hinterlegt. Bei Überschreitung eines Grenzwerts wird die Bremse 31 aktiviert, so dass eine Relativbewegung zwischen dem ersten Haltearm 3 und dem zweiten Haltearm 4 zumindest gebremst, bevorzugt sogar unterdrückt wird. Damit steht ein Sicherheitsmechanismus zur Verfügung, durch den die Gefahr einer Überbelastung der Aktoren 14, 15, der Haltearme 3, 4 oder anderer Teile der medizinischen Vorrichtung aufgrund beispielsweise ungewöhnlich starker einwirkender äusserer Kräfte. Fehlbedienungen oder Regelungsfehler verringert ist. [0045] Die Bremse 31 ist bevorzugt so dimensioniert, dass eine Relativbewegung zwischen den Haltearmen 3, 4 auch bei Anliegen des Maximalmoments, welches durch den ersten Aktor 14 erzeugbar ist, wirkungsvoll unterdrückt werden kann. [0046] Die Erfindung wurde in den Ausführungsbeispielen im Wesentlichen anhand des ersten Aktors 14 zwischen dem ersten Haltearm 3 und dem zweiten Haltearm 4 beschrieben. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit können weitere Aktoren zwischen anderen Haltearmen und/oder zwischen dem Frontlenker 6 und dem Operationsmikroskop 2 vorgesehen sein, mit denen sich Kräfte oder Momente in Richtung eines oder mehrerer der durch die entsprechende Gelenkverbindung vorgegebenen Bewegungsfreiheitsgrade erzeugen lassen, und die sich über entsprechende Steuereinheiten ansteuern lassen. [0047] Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Konfigurationen der Haltevorrichtungen beschränkt sondern auch auf anders aufgebaute Haltevorrichtungen mit unterschiedlichen Anzahlen von Bewegungsfreiheitsgraden anwendbar. Haltevorrichtungen einer erfindungsgemässen medizinischen Vorrichtung können allgemein sowohl translatorische als auch rotatorische ein- oder mehrwertige Gelenkverbindungen zwischen den Haltearmen umfassen, an denen angepasste Aktoren zur Erzeugung einer Längskraft und/oder eines Drehmoments angeordnet sind. Aktoren können beispielsweise elektrisch als DC-Motoren, DCBL-Motoren, Schrittmotoren, Piezoaktorik oder Wanderwellenmotoren ausgeführt sein. Alternativ können als Aktoren auch pneumatische Zylinderantriebe, Membranantriebe oder sogenannte pneumatische Muskeln» zum Einsatz kommen. Wiederum alternativ oder ergänzend ist es auch vorstellbar, hydraulische Zylinderantriebe, Zahnradmaschinen, Flügelmaschinen oder Kolbenmaschinen als Aktoren zu verwenden. [0048] Die erfindungsgemässe medizinische Vorrichtung und das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb zeichnen sich dadurch aus, dass es möglich ist, einerseits ein medizinisch-optisches Gerät unter Aufbietung einer definierten Kraft beziehungsweise nahezu kräftefrei von einer Lage im Arbeitsraum in eine andere Lage im Arbeitsraum zu verbringen, und andererseits das medizinisch-optische Gerät bei Bedarf sicher und kontrolliert in einer bestimmten Position und/oder Ausrichtung im Raum zu halten. Die Ausstattung der Steuereinheit mit einem Positionsregler und einem Kraftregler gestattet es ferner, im Betrieb der medizinischen Vorrichtung auf die Verwendung von Bremsen zu verzichten. Der Einsatz von Bremsen zur Fixierung des medizinisch-optischen Geräts bringt eine Vielzahl von Nachteilen mit sich. Bremsen, die ausreichend dimensioniert sind, um die Haltevorrichtung in verschiedenen Positionen im Arbeitsraum sicher halten zu können, sind in der Regel gross, schwer und teuer. Der Bremsbelag und/oder die Anbindung der Bremse an die Haltevorrichtung weist oft eine gewisse Nachgiebigkeit auf, durch die Schwingungen des Stativs begünstigt sind, die gegebenenfalls durch zusätzliche Dämpfer gedämpft werden müssen. Ausserdem kann bei Friktionsbremsen beim Abbremsen der Haltevorrichtung aus einer Bewegung Abrieb entstehen, der die Bremswirkung reduzieren kann und zu einer Verschmutzung des Systems und schlimmstenfalls des Operationsfelds führen kann. All diese Nachteile können mit der erfindungsgemässen medizinischen Vorrichtung überwunden werden. Patentansprüche

   1. Medizinische Vorrichtung, aufweisend - ein medizinisch-optisches Gerät (2), - eine Haltevorrichtung (1) mit wenigstens zwei Haltearmen (3, 4, 5, 6), die über ein Gelenk (8, 9, 10, 11, 12) mit wenigstens einem Bewegungsfreiheitsgrad beweglich miteinander verbunden sind, und mit einem Aktor (14, 15). der derart mit den zwei Haltearmen (3, 4, 5, 6) verbunden ist, dass über den Aktor (14, 15) eine Kraft zwischen den zwei Haltearmen (3, 4, 5, 6) in Richtung des Bewegungsfreiheitsgrads ausübbar ist, und - eine Steuereinheit, die einen ersten Regler (22) zur Ausgabe eines ersten Steuersignals über ein Stellglied (24) an den Aktor (14, 15) umfasst, wobei das medizinisch-optische Gerät (2) an der Haltevorrichtung (1) gehaltert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit Mittel (21) zur Messung eines kinematischen Zustands am Gelenk und einen zweiten Regler (23) zur Ausgabe eines zweiten Steuersignals über das Stellglied (24) an den Aktor (14, 15) umfasst, und dass die Steuereinheit derart eingerichtet ist, dass sie in einen ersten Betriebszustand und in einen zweiten Betriebszustand versetzbar ist, wobei in dem ersten Betriebszustand der Aktor (14, 15) über den ersten Regler (22) und das Stellglied (24) in Abhängigkeit von dem am Gelenk (8, 9, 10, 11, 12) gemessenen kinematischen Zustand derart positionsgeregelt angesteuert ist. dass eine Relativposition zwischen den zwei Haltearmen (3, 4, 5, 6) zumindest weitgehend unabhängig von äusseren oder inneren Einwirkungen auf die Haltevorrichtung (1) oder das medizinisch-optische Gerät (2) beibehalten wird, und wobei in dem zweiten Betriebszustand der Aktor (14, 15) über den zweiten Regler (23) und das Stellglied (24) derart kraftgeregelt angesteuert ist, dass eine Relativbewegung zwischen den zwei Haltearmen(3, 4, 5, 6) ermöglicht ist.
2. 2. Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, in dem zweiten Betriebszustand den Aktor (14, 15) über den zweiten Regler (23) in Abhängigkeit von einem am Gelenk (8, 9, 10, 11, 12) gemessenen kinematischen Zustand anzusteuern.
3. 3. Medizinische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit Mittel (28) zur Ermittlung einer von dem Aktor (14,15) erzeugten Kraft umfasst, und dass die Steuereinheit derart eingerichtet ist, dass in dem zweiten Betriebszustand der Aktor (14, 15) über den zweiten Regler (23) in Abhängigkeit von der gemessenen Kraft angesteuert ist.
4. 4. Medizinische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die medizinische Vorrichtung eine von einem Nutzer betätigbare Freigabeeinheit (27) umfasst, die derart eingerichtet ist, dass eine Betätigung der Freigabeeinheit (27) einen Wechsel der Steuereinheit von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand oder umgekehrt bewirkt.
5. 5. Medizinische Vorrichtung nach Anspruch 3 oder nach Anspruch 4, rückbezogen auf Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die medizinische Vorrichtung Mittel (31) zum Blockieren einer Relativbewegung zwischen den zwei Haltearmen (3, 4, 5, 6) aufweist, und dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist. bei Überschreiten eines Grenzwerts für die von dem Aktor (14, 15) erzeugte Kraft ein Blockieren der Relativbewegung zu veranlassen.
6. 6. Verfahren zum Betrieb einer medizinischen Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit den Verfahrensschritten: - Versetzen der Steuereinheit in den ersten Betriebszustand, in dem ein kinematischer Zustand am Gelenk gemessen wird und der Aktor (14, 15) über den ersten Regler (22) und das Stellglied (24) positionsgeregelt in Abhängigkeit von dem gemessenen kinematischen Zustand angesteuert wird, so dass eine Relativposition zwischen den beiden Haltearmen (3, 4, 5, 6) zumindest weitgehend beibehalten wird; und -Wechsel des Betriebszustands der Steuereinheit in den zweiten Betriebszustand, in dem der Aktor (14,15) überden zweiten Regler (23) und das Stellglied (24) kraftgeregelt angesteuert wird, so dass eine Relativbewegung zwischen den zwei Haltearmen (3, 4, 5, 6) ermöglicht ist.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel zwischen den Betriebszuständen durch Betätigung einer Freigabeeinheit (27) initiiert wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Regler (22) und der zweite Regler (23) so aneinander angepasst sind, dass ohne Einwirkung äusserer Kräfte im zweiten Betriebszustand unmittelbar nach dem Wechsel eine von dem Aktor (14, 15) abgegebene Kraft sich um weniger als 10% von einer im ersten Betriebszustand unmittelbar vor dem Wechsel von dem Aktor (14, 15) abgegebene Kraft unterscheidet.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine von dem Aktor (14, 15) erzeugte Kraft gemessen wird, und bei Überschreiten eines Grenzwerts Mittel (31) zum Blockieren einer Relativbewegung zwischen den zwei Haltearmen (3, 4, 5, 6) aktiviert werden, durch die die Relativbewegung gebremst und/oder unterdrückt wird.