CN106236261B - 用于机器人辅助外科手术的装置以及定位辅助单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机器人辅助外科手术的装置和一种用于定位辅助单元(600、700)。所述装置包括定位辅助单元(600、700)，所述定位辅助单元替代器械单元(300)与操作臂(16)的耦合单元(100)连接。器械单元(300)具有带有器械柄(512)的外科手术器械(500)，所述器械柄的近中端部能通过患者(18)的身体开口(802)被引导到目标区域。

Description

用于机器人辅助外科手术的装置以及定位辅助单元

技术领域

本发明涉及一种用于机器人辅助外科手术的装置以及一种用于在用于机器人辅助外科手术的装置的坐标系统中对操作臂进行定位时提供辅助的定位辅助单元。所述装置具有器械单元，所述器械单元包括具有器械柄的外科手术器械。器械柄的近中端部能通过患者的身体开口被引导到目标区域。器械单元能够与所述装置的操作臂连接。

背景技术

在微创外科手术中，越来越多地使用所谓的远程操作系统，所述远程操作系统也称为机器人辅助系统或一般而言称为用于机器人辅助外科手术的装置。借助于用于机器人辅助外科手术的装置，基于操作输入来在外科手术器械的位置和定向上控制外科手术器械。外科手术器械此外还机械地、电地和/或光学地耦合到所述远程操作系统上，以便能够实现对外科手术器械进行主动定位和定向并且实现对外科手术器械期望的操作。为此，除了具有末端执行器的器械还包括内窥镜和要操作的医疗器具的外科手术器械具有耦合接口，所述耦合接口可以构造成耦合单元并且也称为无菌单元。用于机器人辅助外科手术的装置还具有至少一个操作臂，耦合单元设置在所述操作臂的近中端部上，无菌单元能够与所述耦合单元连接，以便能够在操作臂和外科手术器械之间实现机械的、电的和/或光学的耦合。

已知这样的装置，其中操作臂和操作臂的耦合单元不是无菌的，而外科手术器械是无菌的。无菌的手术区域借助于无菌的覆盖物保护，免受远程操作系统非无菌的元件影响。所述无菌的覆盖物可以包括无菌闸门，所述无菌闸门设置在操作臂的耦合单元和外科手术器械的无菌单元之间。这种无菌闸门使得可以在器械单元的无菌单元与操作臂分离之后对操作臂的耦合单元的非无菌的耦合元件进行无菌的遮盖。这种具有无菌闸门的布置结构例如由未在先公开的专利申请DE 10 2014 117 407.0和DE 10 2014 117 408.9已知。

此外由文献US 7,666,191 B1已知一种远程操作系统，其中非无菌的操作臂通过无菌膜覆盖。操作臂的耦合单元包括四个旋转致动器，这些旋转致动器与集成在无菌膜中的无菌转接器的第一侧耦合。所述无菌转接器包括四个集成的能旋转地支承的传递件，所述传递件接入操作臂的耦合单元和外科手术器械的无菌单元之间。

由文献DE 102 42 953 A1已知，借助于成像方法产生患者身体的数据集并将其在坐标系中示出。此外，使三个不是位于一个平面中的基准点与坐标系相关联。

在设置用于机器人辅助外科手术的装置时，对于躺卧在手术台上的患者确定外科手术器械的处置点并由此出发将与操作臂耦合的外科手术器械以器械尖端对准所述确定的处置点。器械关于目标区域的定向通过操作人员根据其经验估计来进行。对外科手术器械的操作臂关于目标区域的定向的技术监控或检查方案在现有技术中没有涉及。

发明内容

本发明的目的是，提供一种用于机器人辅助外科手术的装置，其中，可以简单地实现外科手术器械包括内窥镜关于设定的目标区域的定向。此外，给出一种定位辅助单元，用于在对用于机器人辅助外科手术的装置的操作臂进行定位时提供辅助。

所述目的通过按照本发明的装置以及通过按照本发明的定位辅助单元来实现。根据本发明的用于机器人辅助外科手术的装置具有器械单元，所述器械但与包括外科手术器械，所述外科手术器械的近中端部能通过患者的身体开口被引导到通过该装置的坐标系的坐标确定的目标区域。此外，所述装置包括定位辅助单元，所述定位辅助单元发出作为射线束的光。所述装置包括至少一个操作臂，定位辅助单元或器械单元能有选择地与所述操作臂连接。在定位辅助单元与操作臂连接时，由定位辅助单元发出的射线束的中轴线的位置和替代定位辅助单元而与操作臂连接的器械单元的器械柄的纵轴线的位置相一致。所述装置包括控制单元，所述控制单元在定位辅助单元与操作臂连接时确定在中轴线与通过所述坐标确定的目标区域之间的与中轴线垂直的距离向量，并且当所确定的距离向量的数值具有或低于预先设定的第一值时，所述控制单元产生并优选输出第一控制信息。此外，所述装置包括具有输出单元，所述输出单元根据第一控制信息输出信号。

通过这种用于机器人辅助外科手术的装置实现了，操作臂能借助于定位辅助单元简单地定位，使得替代定位辅助单元与操作臂连接的器械单元关于在要手术的患者身体中设定的进入点以及关于通过所述装置的坐标系X、Y、Z中的坐标x_z、y_z、z_z确定的目标区域处于正确的定位。所述位置这里特别是包括器械单元的外科手术器械的器械柄的纵轴线的位置和定向。

由此能够在对患者进行手术处置之前简单地对用于机器人辅助外科手术的装置的操作臂进行定向。由此，操作臂的定位和定向可以不是通过医生而是通过适合于此的人员执行。医生的责任此时仅在于检查借助于定位辅助单元定位的器械单元的位置。外科手术器械在本发明的范围内特别是内窥镜，如杆式内窥镜，或者具有末端执行器的外科手术器械。

有利的是，当所确定的距离向量的数值具有或低于预先设定的第二值时，控制单元至少产生并优选输出第二控制信息。因此通过所述第二控制信息可以表明，器械柄的纵轴线相对于目标区域的位置正确定向。

预先设定的第二值优选为零或是近似零值的值，从而光束的中轴线或外科手术器械的纵轴线延伸通过目标区域。由此可以关于操作臂在空间中的位置特别简单地对操作臂进行定位并实现操作臂关于外科手术器械的纵轴线的定向。

垂直的距离向量的所确定的数值优选是中轴线和目标区域之间最短的垂直距离向量的数值。

此外有利的是，控制单元将所产生的第一控制信息和所产生的第二控制信息传输给定位辅助单元。由此实现了，可以在定位辅助单元中进一步处理所述控制信息并将其输出。

此外有利的是，所述装置和/或所述定位辅助单元具有输出单元，所述输出单元基于第一控制信息输出第一声音信号和/或第一光学信号，和/或所述输出单元基于第二控制信息仅输出第二声音信号或第二光学信号。通过所述光学和/或声音信号可以简单地向操作人员提供关于与操作臂相连的定位辅助单元的正确定向或仍需修正的定向的信息，从而以简单的方式在外科手术处置之前辅助实现操作臂的正确定位。第一和/或第二光学信号可以借助于由定位辅助单元发出的光束输出，特别是通过改变通过所述射线发出的光的波长谱的波长、通过光束形状的造型/改变和/或通过发出光脉冲或改变光脉冲的频率和/或时长来输出。

此外有利的是，第一声音信号是渐强和渐弱的声音(Ton)或者具有第一重复频率的声音序列，并且第二声音信号是持续声音。所述声音序列这里优选包括多个相同的声音。重复频率可以随着所确定的距离向量的数值的减小而提高，从而操作人员能够通过所述重复频率以声音的方式获得关于逐渐接近或逐渐远离目标区域的信息。

声音信号的输出可以在控制单元上、在操作台上或在定位辅助单元上进行。

备选地或附加地，第一光学信号可以是具有第一闪烁频率的闪烁的光信号，而第二光学信号是持续光信号。这里，第一光信号的光和第二光信号的光可以具有相同的波长或相同的波长谱。闪烁的信号特别是通过脉冲的射线束产生。持续光信号优选借助于连续的射线束产生。闪烁频率可以随着到目标区域的距离向量的数值减小而增加，并且在到目标区域的距离向量的数值增大时降低。光学信号的输出可以在控制单元、操作台或定位辅助单元上进行。

备选或附加地有利的是，定位辅助单元为了产生第一光学信号发出具有第一波长的光，而为了产生第二光学信号发出具有与第一波长不同的第二波长的光。为了产生光学信号，使用具有可见光范围的波长的光。优选第一波长的光是红光，而第二波长的光是绿光。由此，向操作人员提供关于操作臂的位置和定向的信息，所述信息可以借助于光信号简单直观地理解。光学信号的输出可以在控制单元、操作台或定位辅助单元上进行。

特别有利的是，定位辅助单元为了产生第一和/或第二光学信号装备有发出射线束的单元，通过它借助于所述射线束实现将十字线和/或至少一个绕射线束的中轴线同心设置的圆投射到投影面上。所述投影面这里可以是患者的身表或是已经导入患者身体的套管针。由此可以简单地将光束对准现有的或计划中的、特别是已经标记的、将外科手术器械导入患者身体的进入点。十字线和/或同心设置的圆可以简单地对齐所述希望的进入点。

这里有利的是，用于产生第一和/或第二光学信号的射线束以在15°至35°范围内的角度发出。由此能够简单地实现用于将光学信号投射到患者体表或投射到已经引入患者身体的套管针上的合适的投射区域。特别有利的是，借助于用于产生第一和/或第二光学信号的射线束能实现投射多个绕射线束的中轴线同心设置的圆，这些圆优选相对于总发射角具有相同角间距。优选按下面的等式得出各个圆之间的间距角alpha(k)的数值:

alpha(k)＝alpha(g)/(2*i)

其中，

alpha(g)是总发射角，并且

i是圆的数量。

在有五个圆时，当总发射角为28.2°时，各圆相互间的角间距alpha(k)为2.82°。

此外有利的是，定位辅助单元具有用于向用于产生第一和/或第二光学信号和/或用于产生第一和/或第二声音信号的信号发生单元供能的能量源。所述信号发生单元可以是电路的组成部分。由此用于借助于定位辅助单元对操作臂进行定位所需的信息能简单地间接地由定位辅助单元输出，由此实现了简单和紧凑的结构。

能量供应单元(能量源)可以是干电池、蓄电池、电容器或用于从操作臂的耦合单元向定位辅助单元无线地传输能量的布置系统。能量供应单元可以在操作臂的耦合单元的各侧面上包括RFID读和/或写单元，借助于所述RFID读和/或写单元可以给定位辅助单元的RFID装置供能并实现RFID读和/或写单元和定位辅助单元之间的数据传输。备选或附加地，使用用于能量传输的线圈布置系统，如在现有技术用于已知通常用于无线供能的线圈布置系统。

此外有利的是，控制单元的控制信号和/或其他信息能够借助于无线的数据传输无线地、通过光学接口光学地或通过固定布线的连接通过电接通传输给定位辅助单元。为此，定位辅助单元可以具有RFID应答器，其中将所述信息写入RFID应答器的寄存器或存储器中。第一和第二控制信息可以借助于操作臂的耦合单元的RFID读和/或写单元传输给RFID应答器。为了产生第一和/或第二光学信号，定位辅助单元优选包括光源，所述光源特别是包括至少一个激光源、至少一个单色或多色的LED光源、包括至少两个LED的LED光源，其中LED以不同的波长发射光。由此能够简单地在定位辅助单元中产生用于发出射线束的光。

能量传输和/或数据传输也可以通过电触点和/或无线地和/或通过光学接口在定位辅助单元和耦合单元之间双向地进行。

此外有利的是，定位辅助单元以及器械单元都能通过与操作臂的耦合单元连接的无菌闸门与操作臂连接。通过所述无菌闸门可以实现非无菌的耦合单元与无菌的区域的无菌分离。在器械单元的无菌单元与无菌闸门耦合时，优选打开无菌闸门的无菌活门，从而可以建立无菌单元的元件与耦合单元之间的直接连接。在定位辅助单元与无菌闸门连接时，打开闸门活门或备选地保持闸门活门关闭。在定位辅助单元与无菌闸门分离之后，闸门活门关闭。无菌单元优选具有无菌活门，所述无菌活门在将无菌单元与无菌闸门连接时打开，从而能够在特别是机械驱动元件的传递元件之间、在耦合单元和无菌单元之间建立直接的连接。从而既无菌地遮盖了无菌单元的传动元件，也无菌地遮盖了耦合单元的传动元件。此外通过所述无菌单元能够在耦合单元和定位辅助单元之间建立电的和/或光学的连接。

本发明的第二方面涉及一种用于在将操作臂定位在用于机器人辅助外科手术的装置的坐标系中时提供辅助的定位辅助单元，所述定位辅助单元能替代器械单元而与操作臂的耦合单元连接。定位辅助单元具有光源，所述光源发出作为射线束的光，由与耦合单元连接的定位辅助单元的光源发出的射线束的中轴线的位置与替代定位辅助单元与耦合单元连接的器械单元的外科手术器械的中轴线的位置相一致。此外，定位辅助单元具有电子电路，所述电子电路具有用于接收第一控制信号的接口，所述第一控制信号说明，通过坐标系的坐标x_z、y_z、z_z确定的目标区域与所述中轴线之间所确定的与中轴线垂直的距离向量的数值具有预先设定的第一值或低于所述第一值。借助于这种定位辅助单元，操作臂能够以简单的方式相对于所确定的目标区域定位，就是说将其带到相应的位置和定向中。所述电子电路的接口优选是与装置的控制单元的接口，所述控制单元确定通过坐标系的坐标x_z、y_z、z_z确定的目标区域与所述中轴线之间的与中轴线垂直的距离向量的数值并检查，所确定的数值是否具有或低于预先设定的第一值。控制单元根据检查的结果产生第一和/或第二控制信息并通过所述接口将所述控制信息传输给电子电路。

此外，所述电子电路的接口用于接收第二控制信息，所述第二控制信息说明，目标区域的坐标x_z、y_z、z_z与中轴线之间的距离向量的数值具有或低于预先设定的第二值。预先设定的第二值优选是零。

本发明的第三方面涉及一种用于在用于机器人辅助外科手术的装置的坐标系中对操作臂进行定位的方法，其中，确定患者的目标区域的坐标x_z、y_z、z_z。为了对用于机器人辅助外科手术的装置的操作臂进行定位，特别是以便准备对患者进行手术，替代器械单元将定位辅助单元与操作臂的耦合单元连接。通过定位辅助单元发出作为射线束的光，由与耦合单元连接的定位辅助单元的光源发出的射线束的中轴线的位置与替代定位辅助单元与耦合单元连接的器械单元的外科手术器械的中轴线的位置相一致。在将定位辅助单元与操作臂连接时，借助于控制单元确定中轴线与通过坐标x_z、y_z、z_z确定的目标区域之间的与中轴线垂直的距离向量的数值。当所确定的数值具有或低于预先设定的第一值时，输出第一光学信号和/或第一声音信号。由此确保，射线束的中轴线或者在后面外科手术器械的中轴线既延伸通过患者的计划中的、特别是已经标记的或现有的手术的身体开口，也延伸通过所述目标区域。由此能简单地实现操作臂简单、直观、正确的定位，特别是以便使用于机器人辅助外科手术的装置准备好进行外科手术处置。为此不需要经过专门培训的医疗专业人员、特别是不需要医生。

此外有利的是，当距离向量所确定的数值等于或低于预先设定的第二值时，输出第二光学信号和/或第二声音信号。所述预先设定的第二值优选是零。

操作臂优选手动地这样定向，使得射线束的中轴线延伸通过患者计划中的、特别是标记的、或现有的手术身体开口。此外，操作臂还这样定向，使得输出第一和/或第二光学和/或声音信号。

此外也有利的是，操作臂首先这样定向，使得射线束的中轴线延伸通过患者计划中的、特别是已经标记的、或实际的手术身体开口并且输出第一和/或第二光学和/或声音信号。由此能够简单地继续对操作臂进行定向和定位，直至所确定的距离向量的数值等于第二值或低于第二值。

有利的是，在第一步骤中使操作臂这样定向，使得射线束的中轴线延伸通过患者计划中的或现有的手术身体开口，并且在第二步骤中使操作臂这样运动，使得借助于控制单元确定的、延伸通过患者计划中的或现有手术的身体开口的中轴线与通过坐标确定的目标区域之间的距离等于预先设定的第二距离或低于第二距离，从而输出第二光学和/或声音信号。操作臂为此通过所述装置本身自动地或手动地运动。定向运动的一部分也可以通过所述装置本身自动地进行，而定向运动的另一部分可以通过操作人员手动地进行。

附加地可以在第三步骤中使定位辅助单元与操作臂分离，而在第四步骤中，将器械单元与操作臂连接。这里在第三以及在第四步骤中，操作臂的位置和定向都不变地保持在所述在第二步骤中确定的位置和定向中。

备选地，可以在第一步骤中使这样操作臂定向，使得借助于控制单元确定的中轴线和目标区域的坐标x_z、y_z、z_z的距离向量的数值等于预先设定的第二距离或低于所述第二距离。此时，在第二步骤中，可以是操作臂这样定向，使得射线束的中轴线延伸通过患者现有的或计划中、特别是标记的手术身体开口，并且此时射线束的中轴线保持对准所述目标区域。这里，在第一和/或第二步骤中，操作臂可以通过所述装置本身自动地和/或手动地通过操作人员运动。

特别有利的是，在第三步骤中，使定位辅助单元与操作臂分离，并且在第四步骤中使器械单元与操作臂连接。在执行第三和第四步骤期间，操作臂的位置和定向不变地保持在通过第二步骤实现的定位、即位置和定向中。

通过本发明的目的通过按照本发明的所述解决方案，可以通过对用于机器人辅助外科手术的装置的操作臂仅手动和/或自动的预定位来实现器械单元的最佳预定位。根据本发明，为此替代实际的带有外科手术器械的器械单元将定位辅助单元与操作臂的耦合单元连接。这里定位辅助单元承担多个功能：

1.通过将射线束投射到患者的体表上，特别是通过投射光学可识别的图案、如十字线或同心圆或类似图案，对于操作者指示了计划中的或现有的身体开口的定位，以便将外科手术器械导入患者的身体中。这里光束或图案指示患者身体上这样的点，与操作臂连接的器械单元的外科手术器械在所述点处进入该部位。这里此时使用套管针，外科手术器械的器械柄此时被引导穿过所述套管针。

2.通过所投射射线束或图案的颜色和/或通过声音信号向操作人员输出这样的信息，所述信息说明，通过操作臂的耦合单元构成的耦合接口是否实现了这样的走向，即定向，使得器械单元的外科手术器械的器械柄的延长部是否延伸通过目标区域。这样，例如绿色的十字线表明器械柄具有正确的走向，而红色的十字线用信号表明，要与操作臂连接的器械单元的器械柄没有这样定向，即，使得器械柄的延长部或器械柄的纵轴线没有指向目标区域。操作臂可以是具有伸缩结构，用于使耦合单元沿伸缩结构的伸缩轴线运动。在伸缩结构伸出和缩回时，这样控制伸缩结构的位置，使得器械柄沿其延长的纵轴线运动，就是说，纵轴线在空间中的位置保持恒定。

通过前面所述两个功能的组合，使用者可以识别，射线束与定位(光束到达希望的进入点的位置)和定向相对应的颜色(例如绿色和/或声音信号)是否同时成功设定。在这个位置，在所述位置导入的套管针最佳地与操作臂为此可选地设置的耦合接口连接。在任何情况下，在这个位置，操作臂都处于对于计划中的手术处置最佳的初始位置。

患者解剖学结构的相关区域、特别是目标区域优选通过患者坐标系X’、Y’、Z’中的坐标x’_z、y’_z、z’_z来确定。患者坐标系X’、Y’、Z’的坐标原点例如可以确定在正中矢状平面与仰卧时的额面横面的交点处。患者坐标系的坐标与用于机器人辅助外科手术的装置的坐标系X、Y、Z处于已知的固定的关系，从而所述装置各元件的坐标x、y、z能够简单地换算成患者坐标系X’、Y’、Z’的坐标x’、y’、z’，而患者坐标系X’、Y’、Z’的坐标x’、y’、z’，例如目标区域的坐标x’_z、y’_z、z’_z能够简单地换算成所述装置的坐标系X、Y、Z的坐标x_z、y_z、z_z。

例如目标区域在患者坐标系X’、Y’、Z’中的坐标x’_z、y’_z、z’_z可以这样来确定，即，执行对患者的手动测量，例如借助于卷尺进行测量。这里以厘米精度确定目标区域的坐标x_z、y_z、z_z对于患者坐标系X’、Y’、Z’的坐标和其转换成装置的坐标系X、Y、Z的坐标x_z、y_z、z_z提供了足够的精度，以便能够充分好地对外科手术器械进行定位和定向。备选地，目标区域的测量也可以直接以装置的坐标系的坐标x_z、y_z、z_z进行。

此外，现今的成像方法，如例如计算机X射线断层术或磁共振X射线断层摄影术能提供能实现精确地确定患者坐标系X’、Y’、Z’中的坐标以及由此出发确定装置坐标系中的坐标的数据。

定位辅助单元优选具有柄，所述柄的位置和定向与能替代定位辅助单元与操作臂连接的器械单元的外科手术器械的器械柄的位置和定向相对应。定位辅助单元的所述柄优选具有这样的长度，所述长度在操作臂的伸缩结构的收缩状态下是这样的，使得所述柄导入在所述位置导入的套管针的深度为约1cm。在这个状态下，可选地存在于操作臂上的套装支座也与套管针连接。在伸缩结构的收缩状态下，所述柄的近中端部与套管针支座的导向元件的距离在5cm至30cm的范围内，优选在10cm至25cm的范围，和/或以其近中端部接触套管针支座的导向元件。通过借助于定位辅助单元对操作臂的定向，当定位辅助单元的柄以1cm的深度沉入套管针中时，套管针支座类似于自动地与套管针连接正确地定位。

与目标区域术前确定的、特别是借助于计算机X射线断层术或磁共振X射线断层摄影术确定的数据相结合，可以在借助于定位辅助单元的设置和对接过程中，相对于目标区域，将射线束的中轴线的位置或在用器械单元更换定位辅助单元之后器械柄的中轴线的延长线的位置显示在附加地安装在操作者的视野中的监视器上。优选为此通过患者的CT和/或MRT数据集显示垂直于器械柄中轴线的剖切面。所述剖切面通过CT和/或MRT数据集穿过目标手术区域。由此，除了在现有的或计划中的手术身体开口上投射的光束和附加的声音和光学信息以外，操作者还关于射线束的中轴线或外科手术器械的中轴线与目标区域的距离获得了另外的辅助判断信息，以便能够针对计划中的外科手术处置最佳地设置用于机器人辅助外科手术的装置的操作臂。所述用于机器人辅助外科手术的装置优选具有多个、特别是四个或五个操作臂，其中优选一个操作臂与内窥镜连接，其他的操作臂与具有带有用于执行外科手术处置的末端执行器的外科手术器械的器械单元连接。特别是设定为用于具有带有用于末端执行器的外科手术器械的器械单元的操作臂优选依次借助于定位辅助单元定位和定向，以便接下来执行外科手术处置所需的操作。目标区域的坐标这里优选可以给定一个空间区域，从而与设置操作臂相关的目标区域具有空间尺寸。对于每个外科手术器械也可以设置单独的目标区域，这里这些目标区域可以至少部分地重叠。

定位辅助单元优选包括电子电路，所述电子电路具有发送和/或接收单元，通过所述发送和/或接收单元可以向用于机器人辅助外科手术的装置的控制单元传输信息和/或从用于机器人辅助外科手术的装置向定位辅助单元传输信息，以便：

-自动识别定位辅助单元，

-确保在单一手术中在无菌的手术区域中使用定位辅助单元，单一的定位辅助单元可以在一次手术中用于对多个操作臂进行定位，

-向定位辅助单元和/或向控制单元传输控制信息。

定位辅助单元可以具有自己的能量源，如例如蓄电池或干电池，以便向所述电子电路供应能量，或者所述定位辅助单元具有用于与操作臂的耦合单元电连接的电触点和/或包含耦合线圈和/或天线，以便从操作臂的耦合单元向定位辅助单元传输能量。

由定位辅助单元优选借助于投射装置、如例如光束成形光学装置发射光，所述光在患者的体表或在导入患者的套管针上投射特别是希望的光图案，如例如十字线或同心环。

用于机器人辅助外科手术的装置的控制单元特别是用于：

-输入和存储目标区域在患者坐标系和/或所述装置的坐标系中的坐标，

-由操作臂各部段的位置计算要使用的器械的走向，

-操控在控制单元和/或定位辅助单元中所述光学和/或声音信号的激活，如例如以便激活开关状态：光源关闭、只有绿光的光源打开、只有红光的光源打开、或只有白光的光源打开、只有绿光的光源打开、只有红光的光源打开。

定位辅助单元的电子电路特别是可以包括RFID标签或由RFID标签构成。

所述目标区域特别是目标手术区域。备选或附加地，所述目标区域可以通过目标点，如例如通过目标手术区域的中点或通过与另一个外科手术器械的位置相关的点来确定。当所述另一个外科手术器械是已经至少部分地导入患者体内的内窥镜，如例如杆式内窥镜，或者是其他用于获取目标手术区域的至少一个局部的图像的成像系统，有利的是，目标区域与内窥镜或所述其他成像系统的位置相关。例如目标区域可以通过内窥镜的光学元件的光轴上的一个点或所述其他成像系统的光学元件的光轴上的一个点来确定。目标点特别是景深范围内的一个点，例如焦点或焦点与内窥镜近中端部之间的一个点。

所述其他成像系统特别可以是基于不可见光的光学系统，特别是X射线系统、计算机X射线断层术系统、磁共振X射线断层摄影术系统或其他适当的成像系统。

“近中”通常是指任意元件朝向患者的端部。“远中”通常是指任意元件背向患者的端部。

附图说明

其他的特征和优点由下面结合附图根据实施例详细解释本发明的说明得出。

其中

图1示出用于机器人辅助外科手术的系统的示意性侧视图，所述系统具有操作机，所述操作机具有四个操作臂，器械单元分别能与这些操作臂连接；

图2示出根据图1的系统的示意性正视图；

图3示出用于将设置在无菌区域中的器械单元与操作臂的非无菌的耦合单元连接的布置结构；

图4示出根据第一实施形式的定位辅助单元；

图5示出根据第二实施形式的定位辅助单元；

图6示出根据图3的布置结构，其中替代器械单元将根据图4的定位辅助单元与操作臂的耦合装置连接；

图7示出根据第一实施形式的操作臂带有耦合单元和与耦合单元连接的定位辅助单元的部段，其中操作臂的伸缩结构伸出；

图8示出根据图7的布置结构，其中伸缩结构缩回；

图9示出根据图7的布置结构，这里伸缩结构伸出，其中，替代定位辅助单元将器械单元与操作臂的耦合单元连接；

图10示出根据图7的布置结构，其中伸缩结构缩回，从而外科手术器械一直被引导到目标区域或超过目标区域；

图11在装置的坐标系中示出定位辅助装置和目标手术区域的示意图；

图12示出根据第一种处理方式相对于目标手术区域对与操作臂连接的定位辅助单元进行定向的示意图；

图13示出根据第二种处理方式相对于目标手术区域对与操作臂连接的定位辅助单元进行定向的示意图；

图14示出患者身体带有四个标记的用于患者计划中的身体开口的位置的局部，在这些位置处分别导入一个套管针；

图15示出根据第二实施形式的操作臂带有耦合单元和与耦合单元连接的定位辅助单元的部段的布置结构，其中操作臂的伸缩结构缩回；

图16示出根据图15的布置结构，其中操作臂的套管针支座与导入患者体内的套管针连接；

图17示出根据图16的布置结构，其中在操作臂和耦合单元具有相同定向的情况下替代定位辅助单元将器械单元与操作臂的耦合单元连接；

图18示出根据第三实施形式的操作臂带有耦合单元和与耦合单元连接的定位辅助单元的部段的布置结构，其中操作臂的伸缩结构伸出，其中带有导入患者体内的套管针，用于接下来导入外科手术器械的近中端部，还带有通过另一个套管针至少部分地导入患者体内的内窥镜；

图19示出根据图18的布置结构，其中，伸出的伸缩结构的位置发生了改变，从而由定位辅助单元发出的射线述的中轴线延伸通过患者身体中已确定的目标区域；

图20示出根据图19的布置结构，其中用带有外科手术器械的器械单元替换定位辅助单元，而没有改变操作臂的耦合单元的位置；以及

图21示出根据图20的布置结构，其中伸缩结构缩回。

具体实施方式

图1示出用于机器人辅助外科手术的系统10，具有操作机12，所述操作机具有支架14和四个操作臂16a至16d。操作机12通常称为用于机器人辅助外科手术的装置。系统10用于对定位在手术台34上的患者18执行外科手术处置。基于患者18的解剖结构和所要执行的手术，确定目标手术区域30在患者坐标系X’、Y’、Z’中的坐标x’_z、y’_z、z’_z，并预设地存储所述坐标x’_z、y’_z、z’_z。操作机12具有装置12的坐标系X、Y、Z，该坐标系的坐标原点设置在操作机的支架14的支架底脚24中。支架14具有L形的支架臂28，在所述支架臂远离支架底脚24的端部上通过支架头20连接操作臂16a至16d。

手术台34具有手术台支柱32，在手术台支柱中设置手术台34的控制单元36和包括多个部段的患者支承面38。控制单元36用于控制手术台34各元件的运动，特别是用于对手术台支柱32进行长度调节并由此用于调节患者支承面38的高度，以及用于调节各单个部段以及患者支承面38的斜度和侧倾。但优选在手术处置期间借助于操作机12锁定对手术台34各部段的调节。系统10还包括操作机12的控制单元46以及中央控制单元40，所述中央控制单元通过数据线路与操作机12的控制单元46、手术台34的控制单元36以及具有显示单元44的操作台42连接。控制单元40具有输出单元41，控制单元46具有输出单元47，通过所述输出单元能够分别输出光学和/或声音的信号。

患者支承面38的表面构成额面(Frontalebene)，患者18仰卧地在所述额面中定位。此外，横面延伸通过患者坐标系X’、Y’、Z’的坐标原点，坐标轴X’、Z’位于所述横面中。此外正中矢状平面延伸通过所述坐标原点，坐标轴Z’、Y’位于所述正中矢状平面中。

目标区域在患者坐标系X’、Y’、Z’中的坐标x’_z、y’_z、z’_z是已知的并且在操控操作臂16a至16d以及与操作臂16a至16d连接的用于借助于操作机12执行外科手术处置的器械单元时可以通过患者坐标系X’、Y’、Z’相对于装置12的坐标系X、Y、Z已知的位置简单地对目标区域的坐标加以考虑，特别是将其换算成装置12的坐标系X、Y、Z中的坐标x_z、y_z、z_z。

目标手术区域30的中点的坐标y’_z、z’_z的位置在图1中关于坐标轴Y’和Z’借助于延伸通过目标坐标区域的虚线示出。

图2示出根据图1的系统示意性正视图。在操作臂16a至16d的近中端部上分别设置耦合单元100a至100d，分别有一个用于执行外科手术处置的器械单元300a至300d与所述耦合单元连接。器械单元300a至300d的相应外科手术器械的器械柄通过虚线示出，所述虚线在图2中从耦合单元100a、100b、100c、100d和器械单元300a、300b、300c、300d与耦合单元100a、100b、100c、100d连接的在图3中示出的无菌单元400a、400b、400c、400d延伸到目标手术区域30中。这里所述虚线给出器械柄的纵轴线或纵轴线的延长线。借助于延伸通过目标手术区域30并平行于坐标轴X’和Z’延伸的虚线示出目标手术区域30的中点31关于坐标轴X’和Z’的坐标y’_z、z’_z。

下面参考操作臂16a来说明器械单元300a通过无菌闸门200a与操作臂16a的耦合单元100a的耦合。说明的内容以相同的方式适用于其他操作臂16b至16d以及适用于与这些操作臂16b至16d通过无菌闸门200b至200d连接的器械单元300b至300d。为了简化，下面在不使用用于在各个操作臂之间进行区分所使用的小写字母的情况下使用附图标记。

图3示出操作臂16的耦合单元300、无菌闸门200以及具有无菌单元400和外科手术器械500的器械单元300，所述器械具有末端执行器514。所示为在将无菌闸门200与耦合单元100组装之前以及在接着将无菌单元400与无菌闸门200组装之前的耦合单元100、无菌闸门200以及器械单元300。设计成无菌膜201的柔性无菌外罩在无菌闸门200的环绕的连接边缘202上与无菌闸门通过合适的连接方式、如夹紧连接、粘结连接、搭绊连接和/或焊接连接固定地连接，从而无菌膜201与无菌闸门200一起绕操作臂16伸入无菌的手术区域的区域构成封闭无菌的覆盖部。

为了更好地显示，在图3中仅示出无菌膜201绕无菌闸门200周围的局部。在后面的附图中，无菌膜201部分地没有示出。

为了将无菌单元400与耦合单元100耦合，在无菌单元400和耦合单元100之间设置无菌闸门200，所述无菌闸门使得在无菌单元400与耦合单元100的耦合状态下耦合单元400的第一传递件102和无菌单元400的未示出的第二传递件能够直接耦合。

借助于第一传递件102，在当前实施例中在耦合单元100和无菌单元400之间既传递机械能也传输电能。为此，耦合单元100的第一传递件102例如具有至少四个机械的驱动元件110至116，而无菌单元400的第二传递件406具有四个与驱动元件110至116互补的受驱动的元件412至418。此外，第一传递件102具有电传输元件104，所述电传输元件具有两个电触点106、108，第二传递件具有与第一传递件102的电传输元件104互补的电传输元件。

第一传动元件102还包括光学的传输件109，用于传输光和/或光学信号。第一传递件102的驱动元件包括第一平移驱动元件110和第二平移驱动元件112，分别用于传递平移运动，还包括第一旋转驱动元件114和第二旋转驱动元件116，用于传递旋转运动。第一和第二平移驱动元件110、112分别构造成直线升降叉，而第二和第二旋转驱动元件114、116构造成驱动具有直齿部的驱动小齿轮。此外，耦合单元100还具有设置在凹部中的耦合传感器，当无菌闸门200正确地与耦合单元100耦合并且无菌单元400正确地与无菌闸门200耦合时，所述耦合传感器检测由无菌单元400中突出的第二检测销构成的第一检测元件。

在其他实施例中，第一和第二传递件也可以包括更多或更少的驱动元件、受驱动的元件和电传输元件，它们通过直接耦合传输机械能和/或电能。这里直接耦合是指传递件这样的耦合，其中，在第一传递件和第二传递件之间没有设置传递元件，用于传输机械能和/或电能和/或光学辐射，其中，特别是在设置在耦合单元100和无菌单元400之间的无菌屏障，如无菌闸门200中没有设置电、机械或光学的传递元件。此外，耦合单元100具有RFID读写单元121，借助于所述RFID读写单元能够对无菌单元400的RFID应答器194进行读和/或写。

为了将耦合单元100与无菌闸门200连接，耦合单元100具有相对置的导向槽122、124，无菌闸门200的导向销204、206插入所述导向槽中，直至导向销到达相应导向槽122、124的前端部123、125。导向销204、206在无菌闸门200的第一端部处在相对的侧面上向外伸出。接着，向下推压无菌闸门200相对置的第二端部，从而无菌闸门200绕延伸通过导向销204、206的旋转轴线转动，直至卡锁元件128的卡锁突起126嵌入无菌闸门200的互补的卡锁区中。

解锁按键134绕旋转轴线能摆动地设置并且通过弹簧保持在其在图3中所示的卡锁位置中。为了释放卡锁连接，用一个手指按压卡锁元件129的解锁按键134，从而弹簧张紧并使卡锁元件128与卡锁突起126一起摆动，从而使卡锁突起126脱离与无菌闸门200的互补的卡锁元件的接合。由此可以使无菌闸门200之前与卡锁突起126相接合的第二端部重新从耦合单元100中摆动出来。在无菌闸门200的所述第二端部从耦合单元100中摆动出来之后，无菌闸门200可以重新完全与耦合闸门100分离，其方式是，利用与导向槽122、124相接合的导向销204、206使无菌闸门200沿导向槽122、124从导向槽中抽出，直至导向元件204、205不再与导向槽122、124相接合。在导向槽122、123和卡锁元件128之间存在通过耦合单元100的壳体中相应的凹部构成的容纳区域，所述容纳区域在当前实施例中在测个侧面并且在底部侧至少部分地包围无菌闸门200。

无菌闸门200具有闸门活门208、210，所述闸门活门能够通过铰链摆动。借助于所述铰链，闸门活门208、210能由在图3中所示的关闭状态摆动到打开状态。在打开状态下，闸门活门208、210可以实现耦合单元100的第一传递件102与无菌单元400的第二传递件的直接耦合。

在无菌闸门200的侧壁和端壁的外侧上构成环绕的边缘202，无菌的覆盖件的无菌膜201以适当的方式和形式与所述边缘连接。

无菌单元400还具有相对设置的卡锁和操作元件438、440，通过所述卡锁和操作元件在将无菌单元400与无菌闸门200连接时自动地建立能重新松开的卡锁连接。

图4示出根据第一实施形式的定位辅助单元600，所述定位辅助单元替代器械单元300与无菌闸门200连接，以便在经由带有操作臂16的耦合单元100的无菌闸门200对患者进行计划中外科手术处置之前对操作臂16进行定位。

定位辅助单元600具有无菌活门602、604，所述无菌活门在定位辅助单元600与无菌闸门200连接时自动解锁并打开，直至所述无菌活门处于图4中所示的打开状态。在将定位辅助单元600与无菌闸门200分离时，无菌活门602、604自动关闭，优选借助于至少一个弹簧的弹簧力自动关闭，接着被锁定，从而借助于无菌闸门602、604无菌地覆盖定位辅助单元600内部的各元件。

定位辅助单元600的壳体606在这个实施例中与器械单元300的无菌单元400的壳体相同。在另外的实施形式中，壳体606也可以在尺寸和形状上是不同的。定位辅助单元600具有设置在从定位辅助单元600的壳体606中伸出的柄608中的光源610。光源610的光作为具有可见光的射线束612通过形成光束的光学元件611从柄608的顶端作为射线束612发出，所述射线束的中轴线614与柄608的纵轴线重合。

定位辅助元件600具有两个电触点616、618，所述电触点在无菌活门602、604打开时与耦合100的触点106、108导电地直接连接。通过所述触点616、618给光源610供应电能并对其进行操控。在其他实施形式中，也可以设置三个或更多耦合单元100的电触点106、108和三个或更多定位辅助单元600的电触点616、618，以便操控发出不同波长的光的光源610。备选地单一的光源610发出的光的波长通过定位辅助单元600相应的操控电路实现，所述操控电路例如通过电触点616、618之间不同的电势差来操控不同的电源610或一个电源610，使得所述光源发出不同波长的光。例如在电触点616、618之间的电势差为5V时可以通过光源610发射红光，而在电触点616、618之间的电势差为12V时，通过光源610发出绿光。光源610特别是可以包括一个或多个激光器，一个或多个LED、特别是多色LED，或者一个或多个白炽灯。在最简单的情况下，光源610连续地发出具有恒定波长或具有恒定波长谱的光。此外，定位辅助单元600具有输出单元616，通过所述输出单元能够备选或附加地输出声音信号。

此外，定位辅助单元600具有RFID应答器620，借助于耦合单元的RFID读写单元121能对所述RFID应答器进行读和/或写。RFID应答器620特别是与RFID读写单元121和控制单元46相结合用于监控和禁止在多次手术中多次使用定位辅助单元600。以和无菌单元400相同的方式，定位辅助单元600具有两个相对设置的卡锁和操作元件622、624，通过所述卡锁和操作元件能够在定位辅助单元600和无菌闸门200之间建立能松开的卡锁连接。借助于耦合传感器120以与结合无菌单元400说明的相同的方式对定位辅助单元600与无菌闸门200和耦合单元100的正确连接进行监控。

图5示出了根据第二实施形式的定位辅助单元700。该定位辅助单元700能够以与定位辅助单元600相同的方式替代器械单元300通过无菌闸门200与耦合单元120连接。与根据图4的定位辅助单元600不同，定位辅助单元700没有无菌活门并且由此也没有用于操作无菌活门的机构。定位辅助单元700的在结构和/或功能上与定位辅助单元600的元件相同的元件具有相同的附图标记。定位辅助单元700附加地具有电池形式的能量源702和电子电路704，所述电子电路特别是可以包括用于操控光源610的控制器。电子电路704包括输出单元706，通过所述输出单元能够输出光学和/或声音的信号。

能量源702给电子电路704以及光源610供电。此外，在电子电路704与操作器12的控制单元46之间设有无线数据连接，用于传输控制信息。在备选的实施形式中，通过RFID应答器620向电子电路704传输控制信息。因此在定位辅助单元700与非无菌的元件、特别是耦合单元100的传动元件102之间不发生直接接触，从而在连接定位辅助单元700时定位辅助单元700的元件不会受到耦合单元100的非无菌的元件污染，从而在这个实施形式中不需要用于确保无菌地操作定位辅助单元700的无菌活门602、604。在定位辅助单元600的根据图4的实施形式中，在定位辅助单元600与无菌闸门200分离后需要对电触点616、618进行无菌的覆盖，因为电触点616、618与耦合单元100的非无菌的电触点106、108发生过接触并且由此受到污染。

定位辅助单元600的壳体606和定位辅助单元700的壳体706的其他结构和功能与无菌单元400相同。

当定位辅助单元600或700替代器械单元300通过无菌闸门200与耦合单元100连接时，定位辅助单元600、700的射线束612的中轴线614与器械柄512的中轴线510在位置和定向上相同。

图6示出操作臂166的耦合单元100、无菌闸门200以及定位辅助单元600。图中示出在无菌闸门200与耦合单元100拼装之前以及在接下来定位辅助单元600与无菌闸门200拼装之前的耦合单元100、无菌闸门200以及定位辅助单元600。如结合图4和5已经说明的那样，定位辅助单元600发出的射线束612的中轴线614与器械柄512的纵轴线510在位置和定向上相同，从而在射线束612投射到一个表面上时可以用图形指示器械柄512的纵轴线与投射面的交点。外科手术器械500的器械柄512的纵轴线510的位置和定位在用器械单元300更换了通过无菌闸门200与耦合单元100连接的定位辅助单元600之后与射线束512的中轴线614相同，如果在这种更换中操作臂16的耦合单元100的位置和定向保持不变。

图7示出操作臂16的一个部段，耦合单元100通过伸缩结构60连接在操作臂的近中端部上。伸缩结构60具有能相对于彼此移动的部段62、64、66并且在图7中以伸出的状态示出。伸缩结构60的部段62、64、66可以借助于驱动单元68缩回和伸出，从而定位辅助单元600的柄608的顶端能沿柄608的纵轴线或由定位辅助单元600发出的射线束612的中轴线614运动。操作臂16具有多个能相对于彼此运动的区段，这些区段相对于彼此的位置是可变的。伸缩结构60还通过耦合传动装置59与操作臂16的其他区段能摆动地连接，从而在用器械单元300更换定位辅助单元600之后外科手术器械500的器械柄512的纵轴线的位置和定向在其定位上，就是说在其定向和位置上都可以通过操作台42上的操作输入来改变。为了在手术之前设置每个操作臂16，使得耦合单元100这样定向，使得与耦合单元100连接的外科手术器械100的器械柄512的纵轴线510延伸穿过要手术的患者18计划中的或现有身体卡口并通过所确定的目标手术区域30。在图7中，在身体进入点802上向患者18体内导入套管针800，通过所述套管针此时为了执行外科手术处置将外科手术器械500的柄512的前部与末端执行器一起一直引导到目标手术区域30。由定位辅助单元600发出的射线束612这里通过操作机12自动地或由操作人员进行定向，使得其中轴线614延伸通过套管针800的开口。这里可以借助于射束成形的光学元件611投射辅助图案，如例如十字线或多个绕射线束612的中轴线614形成的同心环，所述辅助图案简化了射线束612居中地对准希望的或现有的身体进入点802。此外，操作机的控制单元46和/或中央控制单元40确定所发出的射线束612的中轴线614到目标手术区域30的距离向量的数值，特别是所述中轴线614到目标手术区域30的垂直距离向量的数值。这里可以确定到目标手术区域30的边缘的距离向量的数值，并且备选或附加地可以确定到目标手术区域30的中点31的距离向量的数值。

在当前实施例中，中轴线614延伸通过目标手术区域20的中点31，从而在当前实施例中中轴线614和到目标手术区域30之间的距离向量的数值为零，因为中轴线614延伸通过目标手术区域30。到目标手术区域30的中点31的距离也为零，因为中轴线614延伸通过目标手术区域30的中点31。如果垂直的距离向量的数值低于第一值，则可以向操作人员输出第一光学和/或声音信号，如果距离向量的数值达到或低于第二值，则向操作人员输出第二光学和/或声音信号。第二值特别可以是零，从而当中轴线614延伸通过目标手术区域30或其中点31时，输出第二光学和/或声音信号。所输出的光学和/或声音信号也可以根据所确定的距离向量的数值的改变随所述距离的改变连续地改变或按多个步骤改变，从而以声音或光学的方式通知操作人员，中轴线614是远离还是接近目标手术区域30。

图8示出根据图7的布置结构，其中，伸缩结构60的部段62至66与图7不同以缩回的状态示出。操作臂16在设置时优选这样定位，使得当伸缩结构80缩回时，定位辅助单元600的柄608的顶端伸入导入患者18体内的套管针800。这里，操作臂16这样定位，使得柄608的顶端优选以在0.5cm至5cm之间的范围内、优选在0.7cm至2cm之间的范围内、特别是1cm的长度伸入套管针800。如果此时伸缩结构60伸出，如图7中示出的那样，定位辅助单元600可以通过操作卡锁和操作元件622、624与无菌闸门200分离并从无菌闸门中取出，并且替代定位辅助单元600将器械单元300的无菌单元400装入无菌闸门200中并使其与无菌闸门连接。定位辅助单元600的柄608和器械柄512的长度这里这样相互协调，使得外科手术器械500的末端执行器514此时以优选较小的长度设置在套管针800的内部，如在图9中示出的那样。该长度的值优选在2cm至6cm的范围内并且特别是为4cm。接着可以使伸缩结构60缩回，从而通过套管针800将外科手术器械500的末端执行器514一直引导到目标手术区域30中。如图10所示，末端执行器514也可以沿器械柄512的纵轴线510的方向通过目标手术区域30并运动越过所述目标手术区域30。

图11在装置或操作机12的坐标系X、Y、Z中示出定位辅助单元600和目标手术区域30的示意图。目标手术区域30的空间延展针对于具体患者18借助于适当的成像方法确定并且这里可以作为简单的几何体，如通过球体，或者通过针对对于患者18的具体外科手术处置获得和/或确定的目标手术区域30的具体空间延展利用多个坐标确定。对于患者18，目标手术区域30可以借助于成像方法确定或者在分析评估所获得的图像时自动地或由操作人员确定。作为成像方法可以使用X射线法、计算机X射线断层术、磁共振X射线断层摄影术或其他适当的方法。目标手术区域30的外部尺寸在图11所示的坐标系26中通过X方向上的坐标x_Z1和x_Z3以及通过Y轴上的坐标y_Z1和y_Z3确定。所确定的目标手术区域30的中点31通过X轴上的坐标x_Z2和Y轴上的坐标y_Z2确定。目标手术区域30在垂直于图平面的Z轴的空间延展以相同的方式已知或确定。向量V与射线束612的中轴线614的交点的坐标在图11中用x_m、y_m、z_m表示。

通过无菌闸门200与耦合单元100连接的定位辅助单元600的由定位辅助单元600发出的射线束612的中轴线614在其位置和定向上与替代定位辅助单元600通过无菌闸门200与耦合单元100连接的器械单元的器械柄512的纵轴线相同。如上所述，操作臂16连同耦合单元100一起在对患者18进行外科手术处置之前这样定位，使得由定位辅助单元600发出的射线束612到达希望的身体开口802，并且所发出的射线束612的中轴线614延伸通过目标区域。特别是为了在对操作臂16和耦合单元100进行正确定向时对操作人员提供辅助，控制单元46确定中轴线614和目标区域的中点31之间到中轴线614最短的三维垂直的距离向量V的数值。如果距离向量V的数值达到或低于第一值，则输出第一光学和/或声音信号，如果所述数值达到或低于第二值，则输出第二光学和/或声音信号，从而向操作人员提供关于耦合单元100的正确定向的光学和/或声音信息。由此实现了一种简单和舒适的可能性，使得在实际的外科手术处置之前在设置操作机12时和在定位操作臂16a至16d时向操作人员提供辅助。

图12示出用于按照第一处理方式对与耦合单元100连接的定位辅助单元600相对于目标手术区域30进行定向的示意图。在这种处理方式中，操作臂16连同耦合单元100一起在第一步骤中这样定向，使得由定位辅助单元600发出的射线束612的中轴线614到达套管针800的器械导入口。在这种定向下，距离向量V的数值大于预设的值，从而控制单元46产生这样的控制信息，所述控制信息表明，中轴线614没有验收通过目标手术区域30。但距离向量V的数值有这样的大小，使得该数值超过预先设定的第一值，从而定位辅助单元600仅发出白光和/或不输出声音信号。如果耦合单元100连同定位辅助单元600一起从位置P1沿箭头A1的方向摆动到位置P2，则目标手术区域30的中点31与由定位辅助单元600’发出的射线束612’的中轴线614’之间的距离向量V’的数值小于预先设定的第一值，从而定位辅助单元600输出第一声音信号和/或发出另一个谱的光和/或此前发出的光的部分谱的光，从而操作人员能够简单地根据颜色变化获知中轴线614’向目标手术区域30的接近。此时，耦合单元100与定位辅助单元600’从位置P2继续沿箭头A2的方向摆动，直至定位辅助单元602’到达位置P3，距离向量V’的数值进一步减小，直至该数值特别是达到值零，从而距离向量V’的数值达到或低于预先设定的第二值。如果是这种情况，定位辅助单元600”输出第二光学和/或声音信号，通过所述信号，使用人员获得关于中轴线614”关于目标区域的正确定向的信息。第二光学信号可以相对于第一光学信号具有不同的波长谱或不同的波长，从而操作人员通过颜色改变获知关于操作臂16正确定向的信息。

备选或附加地第二光学信号相对于第一光学信号可以具有不同的闪烁频率。接着操作人员可以将定位辅助单元600从无菌闸门200上并由此从耦合单元100上分离，并替代定位辅助单元600将设定为用于该操作臂16的器械单元300通过无菌闸门200与耦合单元100连接。

因此，在设置两个用于与距离向量V的数值分别进行比较的极值时，能够检测三个状态，从而在靠近目标手术区域30时就能向操作人员输出相应的光学和/或声音信号，并且在定位辅助单元600正确地对准目标手术区域30时，能够输出另一个光学和/或声音信号。在仅设置一个极值时，可以简单地区分两个状态，特别是在目标手术区域30和中轴线614之间存在间距的状态，就是说，中轴线614没有延伸通过目标手术区域30，以及中轴线614延伸通过目标手术区域30的状态。

图13示出用于根据第二处理方式使与操作臂16连接的定位辅助单元600相对于目标手术区域30定向的示意图，其中与第一处理方式不同，射线束612的中轴线614在第一步骤中这样定向，使得所述中轴线延伸通过目标手术区域30并且向操作人员输出相应的光学和/或声音信号。中轴线614相对于目标手术区域30的定向这里可以如在第一处理方式的步骤2中结合图12说明的那样进行。与此操作人员在这里也可以以光学和/或声音的方式获得关于中轴线614与目标手术区域30的距离和/或中轴线向目标手术区域靠近的信息。如果中轴线614延伸通过目标手术区域30，如在图13中针对定位辅助单元600示出的那样，则定位辅助单元沿箭头A3的方向摆动，直至由定位辅助单元600发出的射线束的中轴线614’到达套管针800的器械口。

与结合图12和13说明的情况不同，定位辅助单元也可以进输出一个光学和/或声音信号或者例如通过声音信号和/或光学信号的脉冲序列通过脉冲宽度和/或脉冲时长向操作人员提供关于到目标手术区域30和/或目标手术区域30的中点垂直的距离向量V的数值大小的信息。

图14示出患者18具有四个身体开口T1至T4的一个局部，向所述身体开口中分别导入套管针800a至800d。通过在进入点T1导入的套管针800b将器械单元300b的与操作臂16b的耦合单元100b连接的杆式内窥镜导入患者18体内。通过在位置T2导入患者18体内的套管针800a将与操作臂16a的耦合单元100a连接的器械单元300a的外科手术器械500a导入患者18体内。通过在位置T3导入患者18体内的套管针800c将与操作臂16c的耦合单元100c连接的器械单元300c的外科手术器械500c导入患者18体内。通过在位置T4导入患者18体内的套管针800d将与操作臂16d的耦合单元100d连接的器械单元300d的外科手术器械500d导入患者18体内。

图15示出带有耦合单元100的操作臂16和与耦合单元连接的定位辅助单元600的根据第二实施形式的布置结构，其中操作臂16的伸缩结构60缩回。在图16中示出根据图15的布置结构，其中操作臂16的套管针支座17与导入患者18体内的套管针800连接。根据图15和16的第二实施形式的布置结构与在图7至14中示出和说明的第一实施形式的区别仅在于，套管针支座17固定地与操作臂16连接。套管针支座17具有用于将套管针支座17与套管针800连接的连接元件19。操作臂16的定位和定向以在结合第一实施形式说明的相同的方式进行。具有相同的功能或相同的结构的元件具有相同的附图标记。

将定位辅助单元600这样定向，即使得定位辅助单元600的柄608的顶端以在1cm至6cm之间的范围内的长度、特别是以在2cm和4cm之间的长度导入套管针800，此后，套管针支座17的连接元件19这样自动地预定位，使得套管针800可以能旋转运动地与套管针支座17的连接元件19连接。由此不需要对连接单元19进行单独的定向。

图17示出根据图16的布置结构，在操作臂16、耦合单元100和带有连接元件19以及套管针800的套管针支座17相同的定向下，替代定位辅助单元600将器械单元300与操作臂16的耦合单元100连接。为了用器械单元300更换定位辅助单元600，伸缩结构60由在图15至17中示出的缩回位置运动到其在图9中示出的伸出位置，而不必相对于伸缩结构60改变操作臂16、耦合单元100、带有连接元件19以及套管针800的套管针支座17的定向。在更换之后，器械单元300的外科手术器械500设置在图9中所示的位置并且可以伸缩结构600的缩回和摆动沿器械柄512的纵轴线510运动，直至外科手术器械500的末端执行器514到达目标手术区域30或沿外科手术器械500的纵轴线510的方向越过目标手术区域30伸出，如在图17中示出的那样。

图18示出根据第三实施形式的操作臂16的具有耦合单元100和内窥镜900的部段的布置结构。操作臂16的伸缩结构60以伸出状态示出。此外，定位辅助单元600与耦合单元100耦合。具有相同结构或相同功能的元件具有相同的附图标记。

内窥镜900是杆式内窥镜。杆式内窥镜900的成像光学装置的至少一部分位于杆912中，所述杆的近中端部通过套管针810经由第二身体开口812导入患者18体内。借助于杆式内窥镜900拍摄目标手术区域30的至少一部分的图像。杆式内窥镜900具有头部910，通过所述头部，杆式内窥镜900与用于机器人辅助手术的系统10的操作台42和/或显示单元44连接。由此可以在操作台42或显示单元44上向操作人员、特别是外科手术医生显示借助于内窥镜900拍摄的图像。

杆式内窥镜900也可以通过头部910与特别是另一个操作臂16的另一个耦合单元100耦合。用虚线示意性示出杆式内窥镜900的成像光学装置的光路914的外部成像线。杆式内窥镜900的成像光学装置的光轴，即杆式内窥镜900的光轴处于光路914的中心。杆式内窥镜900的成像光学装置的焦点用916表示。

在当前实施例中，求得由定位辅助单元600发出的光的射线束612的中轴线614与杆式内窥镜900的成像光学装置的焦点916之间的垂直的距离向量V。焦点916因此用作目标点。对操作臂16的位置和定向的分析评估利用定位辅助单元600以与结合前两个实施例已经参考图4至17说明的相同方式进行。为此，与耦合单元100耦合的定位辅助单元600的位置与操作臂16的至少一部分区段一起改变，使得射线束612的中轴线614靠近用作目标点的焦点916直至预先设定的第一距离值和/或第二距离值，或者如图19所示，中轴线614延伸通过焦点916。为此，在图19中，操作臂的伸缩结构16相对于在图18中示出的位置借助于耦合传动装置59和/或通过操作臂16的其他区段发生了摆动。

在图20中示出根据图19的布置结构，其中定位辅助单元600已用具有外科手术器械500的器械单元300更换，而不必改变操作臂16的耦合单元100的位置。伸缩结构60此时处于伸出状态。定位辅助单元600和套管800的距离这里如结合前面两个实施例所述的那样已经预先设定，使得在用器械单元300更换定位辅助单元600之后器械单元300的外科手术器械500的器械柄512的近中端部被导入套管针的器械口中。器械柄512的所述端部优选以其末端执行器514以在2cm至6cm的范围内、特别是4cm的长度伸入套管针800的器械口，从而末端执行器优选位于套管针800的器械口，如在图20示出的那样。

在图21中示出根据图20的布置结构，其中伸缩结构60缩回。通过伸缩结构60的缩回，末端执行器514运动到杆式内窥镜900的视野范围内并运动到目标手术区域30中，并且可以在这里视觉检查下操作和定位。通过所述的处理方式因此已经可以这样预先设定所使用的外科手术器械500的定位，即定向和位置，使得将外科手术器械被引导到目标手术区域30并在这里可靠地带入杆式内窥镜900的视野范围中(field of view)。目标点或目标区域可以通过装置的坐标系X、Y、Z的坐标x_Z、y_Z、z_Z或通过患者坐标系X’、Y’、Z’的坐标x’_Z、y’_Z、z’_Z确定并且在必要时换算成相应另外的坐标系的坐标。

在根据图4至17的第一实施形式和第二实施形式中，也可以替代目标手术区域30确定目标点，如例如所确定的目标手术区域30的中点31或与另一个外科手术器械900的位置相关的目标点。在第三实施形式中，也可以替代内窥镜900使用另一个成像系统，用于检测目标手术区域30的至少一个局部。目标区域此时与所述另一个成像系统的位置相关。目标点特别是内窥镜或所述成像系统的成像光学装置的景深范围内的点，如例如是成像光学装置的焦点或者是所述焦点和内窥镜900的近中端部之间的点。目标区域备选或附加地可以通过围绕一点的距离来确定。

在所述三个实施形式中结合定位辅助单元600对用于对操作臂16进行定位的处理方式进行了说明。替代定位辅助单元600也可以使用定位辅助单元700，此时，操作臂16和耦合单元100的定位以与结合定位辅助单元600所说明的相同的方式进行。

附图标记列表

10 系统

12 操作机

14 支架

16、16a至16d 操作臂

17 套管针支座

18 患者

19 连接元件

20 支架头

24 支架底脚

28 支架臂

30 目标手术区域

31 目标手术区域的中点

32 手术台支柱

34 手术台

36 手术台的控制单元

38 患者支承面

40 装置的中央控制单元

41 输出单元

42 操作台

44 显示单元

46 操作机的控制单元

47 输出单元

59 耦合传动装置

60 伸缩结构

62、64、66 伸缩结构的部段

68 驱动单元

100、100a至100d 耦合单元

102 第一传递件

104 电传输元件

106、108 电触点

109 光学传递元件

110 第一平移驱动元件

112 第二平移驱动元件

114 第一转动驱动元件

116 第二转动驱动元件

120 耦合传感器

121 RFID读写单元

122、124 导向槽

123、125 导向销

126 卡锁突起

128 卡锁元件

134 解锁按键

200 无菌闸门

201 无菌膜

202 连接边缘

204、206 导向销

208、210 闸门活门

300、300a至300d 器械单元

400、400a至400d 无菌单元

438、440 卡锁和操作元件

494 RFID应答器

500、500a至500d 外科手术器械

510 纵轴线

512 器械柄

514 末端执行器

600、700 定位辅助单元

602、604 无菌活门

606 壳体

608 柄

610 光源

611 射束成形的光学元件

612 射线束

614 中轴线

616、618 电触点

620 RFID应答器

622、624 卡锁和操作元件

626 输出单元

702 能量源

704 电子电路

706 输出单元

800 套管针

802 身体开口

900 杆式内窥镜

910 头部

912 杆

914 光路

916 焦点

A1至A3 运动方向

V、V’ 距离向量

x_Z、y_Z、z_Z 目标区域在装置坐标系中的坐标

X、Y、Z 装置坐标系

X’、Y’、Z’ 患者坐标系

Claims (20)

1.用于机器人辅助外科手术的装置，所述装置：

具有器械单元(300)，所述器械单元具有带有器械柄(512)的外科手术器械(500)，所述器械柄的近中端部能通过患者(18)的身体开口(802)被引导到通过该装置的坐标系(X、Y、Z)的坐标(x_z、y_z、z_z)确定的目标区域；

具有定位辅助单元(600、700)，所述定位辅助单元发出作为射线束(612)的光；

具有操作臂(16)的至少一个耦合单元(100)，定位辅助单元(600、700)或器械单元(300)能有选择地与所述耦合单元连接，

其中，在定位辅助单元(600、700)与耦合单元(100)连接时，由定位辅助单元(600、700)发出的射线束(612)的中轴线(614)的位置和替代定位辅助单元(600、700)而与耦合单元(100)连接的器械单元(300)的器械柄(512)的纵轴线(510)的位置一致；

具有控制单元(40、46)，

-所述控制单元在定位辅助单元(600、700)与耦合单元(100)连接时确定在中轴线(614)和通过所述坐标(x_z、y_z、z_z)确定的目标区域之间的与中轴线(614)垂直的距离向量(V)，

-当所确定的距离向量(V)的数值等于或低于预先设定的第一值时，所述控制单元产生第一控制信息；

具有输出单元(41、47、626、706)，所述输出单元根据第一控制信息输出信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，当所确定的距离向量(V)的数值等于或低于预先设定的第二值时，控制单元(40、46)至少产生第二控制信息，并且输出单元(41、47、626、706)输出信号。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置的输出单元(41、47)和/或定位辅助单元(600、700)的输出单元(626、706)基于第一控制信息输出第一声音信号和/或第一光学信号。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置的输出单元(41、47)和/或定位辅助单元(600、700)的输出单元(626、706)基于第一控制信息输出第一声音信号和/或第一光学信号，和/或所述输出单元(41、47、626、706)基于第二控制信息仅输出第二声音信号和/或仅输出第二光学信号。

5.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，控制单元(40、46)将所产生的第一控制信息传输给定位辅助单元(600、700)，并且定位辅助单元(600、700)包括所述输出单元(626、706)。

6.根据权利要求2或4所述的装置，其特征在于，控制单元(40、46)将所产生的第一控制信息和/或所产生的第二控制信息传输给定位辅助单元(600、700)，并且定位辅助单元(600、700)包括所述输出单元(626、706)。

7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，第一声音信号是渐强和渐弱的声音或具有第一重复频率的声音序列，第二声音信号是持续声音。

8.根据权利要求4或7所述的装置，其特征在于，第一光学信号是具有第一闪烁频率的闪烁的光信号，第二光学信号是具有第二闪烁频率的光信号。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二闪烁频率是零。

10.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，定位辅助单元(600、700)为了产生第一光学信号发出具有第一波长的光，而为了产生第二光学信号发出具有与第一波长不同的第二波长的光。

11.根据权利要求3或4或10所述的装置，其特征在于，为了产生第一光学信号，借助于射线束(612)在患者(18)计划中的或现有的身体开口(802)的区域中产生十字线的投影和/或产生至少一个绕中轴线(614)同心设置的圆的投影。

12.根据权利要求4或10所述的装置，其特征在于，为了产生第一和/或第二光学信号，借助于射线束(612)在患者(18)计划中的或现有的身体开口(802)的区域中产生十字线的投影和/或产生至少一个绕中轴线(614)同心设置的圆的投影。

13.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，定位辅助单元(600、700)具有能量源(702)，用于给用于产生第一光学和/或声音信号的信号生成单元供能。

14.根据权利要求4或7或10所述的装置，其特征在于，定位辅助单元(600、700)具有能量源(702)，用于给用于产生第一和/或第二光学和/或声音信号的信号生成单元供能。

15.根权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，所述目标区域通过目标点来确定。

16.根权利要求15所述的装置，其特征在于，所述目标区域通过目标手术区域(30)的中点(31)或通过与其他外科手术器械的位置相关的点来确定。

17.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于，所述目标区域通过至少部分地导入患者(18)体内的内窥镜(900)的位置或者用于获得目标手术区域(30)的至少一个局部的图像的其他成像系统的位置来确定。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述目标区域通过所述内窥镜或所述成像系统的成像光学装置的光轴和/或焦点(916)来确定。

19.定位辅助单元，用于对操作臂(16)在用于机器人辅助外科手术的装置的坐标系(X、Y、Z)中的定位提供辅助，定位辅助单元(600、700)能替代器械单元(300)而与操作臂(16)的耦合单元(100)连接，所述定位辅助单元：

具有光源(610)，所述光源发出作为射线束(612)的光，与耦合单元(100)连接的定位辅助单元(600、700)的由光源(610)发出的射线束(612)的中轴线(614)的位置和与耦合单元(100)连接的器械单元(300)的外科手术器械(500)的外科手术器械柄(512)的纵轴线(510)的位置一致；以及

具有电子电路(704)，所述电子电路具有用于所述装置的控制单元的接口，用于接收第一控制信息，所述第一控制信息表明，在通过坐标(x_z、y_z、z_z)确定的目标区域与中轴线(614)之间的、与中轴线(614)垂直的、所确定的距离向量(V)的数值等于或低于预先设定的值。

20.根据权利要求19所述的定位辅助单元，其特征在于，电子电路(704)的接口此外还用于接收第二控制信息，所述第二控制信息表明，在目标区域的坐标(x_z、y_z、z_z)与中轴线(614)之间的、与中轴线(614)垂直的、所确定的距离向量(V)的数值达到或低于预先设定的第二值。

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