DE102004024128B3

DE102004024128B3 - Vorrichtung zur Änderung der Wirkungsrichtung eines Instrumentes

Info

Publication number: DE102004024128B3
Application number: DE102004024128A
Authority: DE
Inventors: Patrick A Schiemann
Original assignee: Schiemann Patrick A Dr
Current assignee: Schiemann Patrick A Dr
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2024-05-15
Also published as: WO2005110198A1; US20080004493A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines Instruments, welche wenigstens eine Erfassungseinrichtung (1) aufweist, welche zumindest einen Führungsbereich (2) umfasst, der während der Benutzung vom Benutzer mit der Hand geführt wird. Ferner weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Distanzstück (3) auf, dessen erstes Ende mit der Erfassungseinrichtung starr verbunden ist. An einem zweiten Ende des Distanzstückes (3) ist wenigstens eine Steuerungseinrichtung (4) angeordnet, welche zumindest ein zu steuerndes Instrument (20) trägt. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (1) Mittel aufweist, welche eine Lageänderung des Führungsbereichs (2) aus einer Neutrallage heraus erfassen, und die Steuerungseinrichtung (4) Mittel aufweist, welche aufgrund der von der Erfassungseinrichtung erhaltenen Information die Wirkungsrichtung des Instrumentes (20) steuert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Änderung der Wirkungsrichtung eines Instrumentes. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Änderung der Wirkungsrichtung eines endoskopischen Instrumentes, wie es bei endoskopischen Operationen, wie beispielsweise laparoskopischen oder arthroskopischen Eingriffen oder aber auch im Bereich der Kardiologie, beispielsweise bei der Behandlung von koronarer Herzerkrankung oder bei Herzklappenoperationen, Verwendung findet.
Obgleich die Erfindung nachfolgend am Beispiel eines endoskopischen Instrumentes bzw. Werkzeuges beschrieben wird, ist die Erfindung nicht auf derartige Einsatzbereiche beschränkt, sondern stellt vielmehr eine in vielen Bereichen der Technik einsetzbare Möglichkeit dar, Werkzeuge oder Instrumente bzw. deren Wirkungsrichtung an nicht unmittelbar zugänglichen Orten zu steuern.

Bekannte Vorrichtungen zur Steuerung von Instrumenten gemäß dem Stand der Technik weisen vielfach kompliziert gestaltete Mechaniken zur Steuerung des Instrumentes am Einsatzort auf. Aufgrund der Komplexität dieser Mechaniken sind bekannte Vorrichtungen zur Steuerung von Instrumenten häufig sehr teuer in der Herstellung und nur einmal benutzbar, da eine ausreichend gute Reinigung und Sterilisation dieser komplexen Mechaniken nach deren Verwendung, wie sie für einen erneuten Einsatz in der Chirurgie notwendig ist, nur mit hohem Aufwand möglich ist.

So ist beispielsweise das amerikanische Patent US 6 666 854 B1 bekannt, welches ein chirurgisches Endoskopieinstrument betrifft, mit welchem durch ein Kontrollelement die Richtung eines entfernt beabstandeten Teils des Instrumentes durch eine Winkel- oder Drehbewegung gesteuert werden kann. Hierzu weist ein solches Instrument einen Griff, einen Steuerteil, einen länggestreckten rohrförmigen Teil, einen Verbindungsteil und einen Träger für das beabstandete Instrument auf.

Weitere bekannte Vorrichtungen zur Steuerung von Instrumenten weisen zudem den Nachteil auf, dass die Einrichtungen, durch welche das Instrument vom Benutzer geführt wird, nicht so ausgestaltet sind, dass ein schnelles Ablegen und Aufnehmen eines neuen Instrumentes, welches beispielsweise eine andere Funktion erfüllt, schnell und unter sterilen Bedingungen möglich ist, ohne dass die Funktionalität der Vorrichtung hierdurch beeinträchtigt oder eingeschränkt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Vorrichtung zur Steuerung von Instrumenten bereitzustellen, welche die Nachteile der bekannten Vorrichtungen überwindet und sich insbesondere durch einen vereinfachten Aufbau sowie geringe Herstellungskosten bei gleichzeitig im wesentlichen uneingeschränkter Funktionalität gegenüber dem Stand der Technik auszeichnet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegensand der Unteransprüche.

Demnach weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens eine Erfassungseinrichtung auf, welche zumindest einen Führungsbereich aufweist, der vom Benutzer währen der Benutzung der Vorrichtung zur Steuerung eines Instrumentes mit der Hand geführt wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist weiterhin ein Distanzstück auf, welches im Bereich eines ersten Endes mit der Erfassungseinrichtung starr verbunden ist, sowie eine Steuereinrichtung, welche zumindest ein zu steuerndes Instrument bzw. Werkzeug trägt und welche an einem zweiten Ende des Distanzstückes angeordnet ist.

Erfindungsgemäß weist die Erfassungseinrichtung Mittel auf, welche eine Lageänderung des Führungsbereiches aus einer Neutrallage heraus erfassen bzw. durch welche die Lage des Führungsbereiches bezüglich der Neutrallage bestimmbar ist. Weiterhin weist die Steuerungseinrichtung Mittel auf, welche aufgrund der von der Erfassungseinrichtung erhaltenen Information über die Lage bzw. Lageänderung des Führungsbereiches bezüglich der Neutrallage die Wirkungsrichtung des an der Steuerungseinrichtung angeordneten Instrumentes steuert.

Bei dem Distanzstück der erfindungsgemäßen Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um ein einstückiges langgestrecktes Element, welches besonders bevorzugt einen oder mehrere Hohlräume, vorzugsweise röhrenförmige Hohlräume bzw. Lumina aufweist. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Distanzstück um ein starres Element; es sind jedoch auch Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, welche ein zumindest bereichsweise flexibles Distanzstück aufweisen. Desweiteren sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung denkbar, bei denen das Distanzstück aus zwei oder mehreren Elementen, die gegebenenfalls nicht miteinander verbunden sind, besteht.

Das zu steuernde Instrument ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise an einer von der Erfassungseinrichtung abgewandten Seite der Steuerungseinrichtung angeordnet, wobei die Verbindung des zu steuernden Instrumentes mit der Steuerungseinrichtung stoff-, kraft- und/oder formschlüssig und insbesondere durch eine Klebe-, Steck-, Klemm-, Schnapp-, Schraub- und/oder Bajonettverbindung oder dergleichen ausgeführt ist. Besonders bevorzugt ist die Verbindung zwischen der Steuerungseinrichtung und dem Instrument lösbar, so dass die Vorrichtung zur Steuerung eines Instruments für die Steuerung einer Vielzahl von gegebenenfalls verschiedenen Instrumenten in Frage kommt.

Der Führungsbereich der Erfassungseinrichtung wird während der Benutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung vom Benutzer mit wenigstens einer Hand vorzugsweise gehalten bzw. ge- oder umgriffen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind am Führungsbereich Mittel vorgesehen, welche eine geeignete Verbindung zwischen wenigstens einer Hand und insbesondere den Fingern des Benutzers und dem Führungsbereich ermöglichen. Derartige Mittel umfassen beispielsweise Vertiefungen und/oder Durchführungen, in bzw. durch welche der Benutzer mit einem oder mehreren Fingern ein- bzw. hindurch greift.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass zwischen dem Benutzer und der Erfassungseinrichtung außer im Bereich des Führungsbereiches, welchen der Benutzer mit der Hand faßt, greift und/oder in diesen eingreift, keine weitere Verbindung, insbesondere eine die Erfassungseinrichtung, das Distanzstück und/oder die Steuerungseinrichtung bezüglich des Armes oder einem weiteren Körperteil des Benutzers fixierende Verbindung besteht.

Insbesondere bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung von Instrumenten im Bereich der endoskopischen Chirurgie, jedoch auch beim Einsatz in anderen Bereichen der Technik, wird die räumliche Lage der Vorrichtung zur Steuerung eines Instrumentes durch einen vorzugsweise im Bereich des Distanzstückes liegenden Fixationspunkt, beispielsweise in Form einer ring- oder rohrförmigen Durchführung, zumindest teilweise bestimmt. Vorzugsweise erlaubt eine derartige rohr- bzw. ringförmige Durchführung zudem eine Verschiebung des Distanzstückes bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung entlang dieser Durchführung, so dass hierdurch eine Verschiebung des Fixationspunktes entlang des Distanzstückes ermöglicht wird.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Führungsbereich der Erfassungseinrichtung um eine zur Achse der Hauptausdehnungsrichtung des Distanzstückes im Bereich der Verbindung des Distanzstückes mit der Erfassungseinrichtung im wesentlichen orthogonale erste Achse drehbeweglich gelagert. Auf diese Weise wird eine Verkippung des Führungsbereiches um die erste Achse ermöglicht, welche durch die Mittel zur Erfassung der Lage bzw. der Lageänderung des Führungsbereiches der Erfassungseinrichtung bestimmbar ist.

Besonders bevorzugt ist der Führungsbereich zudem um eine zur ersten Achse im wesentlichen orthogonale zweite Achse drehbeweglich gelagert, so dass eine Verkippung des Führungsbereiches außerdem um die zweite Achse ermöglicht wird, wobei die Verkippung um die zweite Achse ebenfalls durch die Mittel zur Erfassung der Lage bzw. der Lageänderung der Erfassungseinrichtung bestimmbar ist.

Besonders bevorzugt sind die erste und die zweite Achse so angeordnet, dass sie sich in einem ersten Schnittpunkt schneiden, wobei dieser Schnittpunkt vorzugsweise in einer Ebene liegt, welche auch einen Verbindungspunkt zwischen dem Distanzstück und der Erfassungseinrichtung enthält.

Durch die drehbare Lagerung des Führungsbereiches um die erste und zweite Achse läßt sich diese in einer sphärisch bzw. asphärisch gekrümmten Ebene bewegen, je nachdem, ob sich die erste und die zweite Achse im ersten Schnittpunkt schneiden, oder nicht.

Besonders bevorzugt ist die drehbare Lagerung des Führungsbereiches um die erste bzw. zweite Achse in Form eines Kardangelenkes ausgeführt, wodurch die Bewegung des Führungsbereiches in einer sphärisch gekrümmten Ebene um den ersten Schnittpunkt ermöglicht wird. Die drehbare Lagerung des Führungsbereiches ist dabei vorzugsweise so ausgestaltet, dass dieser bezüglich einer zur Achse der Hauptausdehnungsrichtung des Distanzstückes im Bereich der Verbindung mit der Erfassungseinrichtung im wesentlichen parallelen Achse kardanisch aufgehängt ist, diese Achse somit bevorzugt den ersten Schnittpunkt schneidet und der Führungsbereich bezüglich dieser Achse im wesentlichen symmetrisch verkippbar ist.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfassen die Mittel zur Erfassung der Lageänderung des Führungsbereiches den Winkel der Rotation des Führungsbereiches um die erste und/oder zweite Achse, also den Grad der Verkippung des Führungsbereiches um die erste bzw. zweite Achse. Diese Art der Erfassung der Lage bzw. Lageänderung des Führungsbereiches liefert als Ergebnis somit eine Information über die relative Lage bzw. Lageänderung bezüglich der Neutrallage des Führungsbereiches.

Die Bestimmung der Lage des Führungsbereiches kann jedoch bei einer weiteren Ausführungsform auch absolut, also ohne eine Bestimmung der Rotation des Führungsbereiches um die erste bzw. zweite Achse, beispielsweise durch eine optische Aufzeichnung der Lage des Führungsbereiches bezüglich eines Verbindungspunktes des Distanzstückes mit der Erfassungseinrichtung oder einem beliebigen anderen Punkt, beispielsweise durch optoelektronische Aufzeichnungselemente, wie z.B. Photodioden, Phototransistoren oder aber CCD-Elemente und dergleichen, erfolgen. Die Bestimmung der absoluten Lage des Führungsbereiches kann beispielsweise ebenso durch eine Registrierung der Position oder der Bewegung des Führungsbereiches in einem elektrischen, elektromagnetischen oder magnetischen Feld erfolgen

Vorzugsweise erfolgt die Aufzeichnung des Rotationswinkels des Führungsbereiches um die erste und/oder zweite Achse mechanisch, elektronisch und/oder optisch.

Zur mechanischen Erfassung des Rotationswinkels des Führungsbereiches um die erste bzw. zweite Achse weist eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wenigstens ein sich zumindest teilweise entlang eines Radius um die erste und/oder zweite Achse erstreckendes Element, wie beispielsweise eine Führungs- und/oder Umlenkrolle oder aber ein Hebelelement oder dergleichen, auf. Derartige sich entlang eines Radius um die erste bzw. zweite Achse erstreckende Elemente sind dabei bezüglich einer Verkippung des Führungsbereiches um die jeweilige Achse drehfest mit dem Führungsbereich verbunden, so dass beispielsweise eine Rotation des Führungsbereiches um die erste Achse zu einer dementsprechenden Rotation des sich entlang eines Radius um die erste Achse erstreckenden Elementes bzw. eine Rotation des Führungselementes um die zweite Achse zu einer dementsprechenden Rotation eines sich entlang eines Radius um die zweite Achse ersteckenden Elementes führt.

Die Erfassung der Rotation derartiger sich zumindest teilweise entlang eines Radius um die erste bzw. zweite Achse erstreckenden Elemente, insbesondere von Rollen bzw. Hebelelementen, kann hierbei ebenfalls mechanisch bzw. elektronisch oder aber auch optisch, wie z.B. mittels optoelektronischer Sensoren oder unter Zuhilfenahme von reflektierenden Elementen, wie z.B. Spiegeln, oder aber durch Induktion erfolgen.

Besonders bevorzugt weisen die Mittel zur Erfassung der Lageänderung des Führungsbereiches wenigstens ein Zug-/Schubelement, insbesondere ein Seilzugelement auf, welches vorzugsweise in Form eines Bowdenzuges ausgeführt ist und direkt oder indirekt mit dem Führungsbereich und/oder einem zumindest teilweise sich radial um die erste bzw. zweite Achse erstreckenden Element verbunden ist oder aber mit diesem in mechanischem Kontakt, wie beispielsweise Reibkontakt, steht.

Die Verbindung bzw. der Kontakt des Zug-/Schubelementes bzw. Seilzugelementes mit dem Führungsbereich bzw. einem sich radial um die erste bzw. zweite Achse erstreckenden Element ist dabei dergestalt, dass eine Verkippung des Führungsbereiches um die erste bzw. zweite Achse zu einer Verlängerung bzw. Verkürzung des Zug-/Schub- bzw. Seilzugelementes führt, je nachdem, ob der Winkel der Rotation bzw. der Kippwinkel bezüglich der Neutrallage des Führungselementes positiv oder negativ ist. Ein sich um ein Rollen- oder Umlenkelement herum erstreckendes Seilzugelement, erfährt bei einer Verkippung des Führungsbereiches um die jeweilige Achse in einem ersten Teilabschnitt eine Verkürzung und in einem zweiten Teilabschnitt eine Verlängerung.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Führungsbereich durch ein Abstandselement von der ersten und/oder der zweiten Achse derart radial beabstandet, dass der Abstand zwischen dem Führungselement und der ersten und/oder zweiten Achse vorzugsweise 1 bis 20 cm, bevorzugt 5 bis 15 cm und besonders bevorzugt ca. 10 cm beträgt.

Besonders bevorzugt ist das Abstandselement so ausgeführt, dass der Führungsbereich bezüglich der ersten und/oder zweiten Achse so angeordnet ist, dass während der Benutzung der Vorrichtung, also während der Benutzer den Führungsbereich hält, greift oder aber in diesen eingreift, das Handgelenk der den Führungsbereich führenden Hand des Benutzers von der ersten und/oder zweiten Achse geschnitten wird, oder aber sich in deren unmittelbarer Nähe befindet. Besonders bevorzugt ist das Abstandselement so ausgeführt, dass sich das Handgelenk des Benutzers während der Benutzung der Vorrichtung zumindest in der Nähe des ersten Schnittpunktes befindet.

Besonders bevorzugt weist der Führungsbereich wenigstens ein Betätigungselement auf, welches die Auslösung oder Steuerung einer Instrumentenfunktion erlaubt. Derartige Betätigungselemente sind beispielsweise druck- bzw. zugempfindliche Elemente, wie Knöpfe, Schalter und dergleichen, sowie zangen- oder scherenartige bzw. Fingerling- oder handschuhförmige Elemente bei denen die Steuerung der Instrumentenfunktion beispielsweise durch eine Veränderung des Abstandes zweiter Eingriffselemente, durch eine Verkippung der beiden Elemente relativ zueinander, durch eine Krümmung, Druck oder Zug oder dergleichen vorzugsweise kontinuierlich möglich ist.

Die Erfassung der Stellung bzw. des Zustands des Betätigungselementes erfolgt bevorzugt ebenfalls mechanisch, elektronisch oder optisch und besonders bevorzugt durch ein mit dem Betätigungselement verbundenes Zug-/Schubelement, insbesondere ein Seilzugelement und bevorzugt einen Bowdenzug.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Verbindung der Erfassungseinrichtung mit dem Distanzstück lösbar ausgeführt, so dass eine Erfassungseinrichtung mit einer Vielzahl von Distanzstücken und hieran angeordneten Steuerungseinrichtungen bzw. Instrumenten verwendbar ist. Hierdurch besteht die Möglichkeit, dass beispielsweise das Distanzstück, die Steuerungseinrichtung und das hieran angeordnete Instrument als steriler Einwegartikel ausgeführt ist, welcher nach der Verwendung verworfen werden kann und gleichzeitig eine Weiterverwendung der Erfassungseinrichtung mit weiteren Instrumenten möglich ist.

Besonders bevorzugt ist die Art der Verbindung des Distanzstückes mit der Erfassungseinrichtung aus einer Gruppe ausgewählt, die formschlüssige, kraftschlüssige und/oder stoffschlüssige Verbindungen und insbesondere Schraubverbindungen, Steckverbindungen, Schnappverbindungen, Nietverbindungen, Bajonettverbindungen, Quetschverbindungen, Klemmverbindungen, Klebeverbindungen, Schweißverbindungen, einstückige Verbindungen sowie beliebige Kombinationen hiervon und dergleichen enthält.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Übertragungsmittel vorgesehen, welche die durch die Erfassungseinrichtung erhaltene Information über die Lageänderung bzw. die Lage des Führungsbereiches an die Steuerungseinrichtung übermitteln. Die Übermittlung erfolgt dabei vorzugsweise elektronisch, durch elektromagnetische Wellen oder aber mechanisch.

Besonders bevorzugt weisen die Übertragungsmittel wenigstens ein Zug-/Schubelemente, insbesondere ein Seilzugelement auf, durch welches die von der Erfassungseinrichtung erhaltene Information über die Lageänderung des Führungsbereiches bezüglich der Neutrallage durch eine Verlängerung bzw. Verkürzung des Zug-/Schub- bzw. Seilzugelementes am Steuerungselement dargestellt wird. Vorzugsweise sind die Zug-/Schub- bzw. Seilzugelemente der Übertragungsmittel mit den Zug-/Schub- bzw. Seilzugelementen der Erfassungseinrichtung bzw. der Mittel zur Erfassung der Lage des Führungsbereiches mechanisch gekoppelt und insbesondere einstückig verbunden.

Besonders bevorzugt erstrecken sich die Zug-/Schubelemente bzw. Seilzugelemente der Übertragungsmittel innerhalb des Distanzstückes und besonders bevorzugt innerhalb der von dem Distanzstück begrenzten röhrenförmigen Hohlräume bzw. Lumina.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Steuerungseinrichtung so ausgeführt, dass die Wirkungsrichtung des Instrumentes in zumindest einer Ebene und bevorzugt zumindest teilweise in einem im wesentlichen kugelförmigen, insbesondere einem halbkugelförmigen Raumsegment variierbar ist. Hierbei wird die von der Erfassungseinrichtung erhaltene Information über die Lage des Führungsbereiches mittelbar oder unmittelbar in eine hierzu korrelierende Auslenkung der Steuerungseinrichtung transponiert bzw. übertragen.

Die Auslenkung der Steuerungseinrichtung erfolgt dabei im wesentlichen der Art, daß der das Instrument tragende Bereich der Steuerungseinrichtung je nach Stellung des Führungsbereiches bezüglich der Neutrallage in eine Richtung weist, welche im wesentlichen parallel zu einem auf einem Teilbereich des kugelförmigen bzw. halbkugelförmigen Raumsegmentes stehenden Lots ausgerichtet ist.

Bei einer Ausführungsform weisen die Mittel der Steuerungseinrichtung zur Änderung der Wirkungsrichtung des Instrumentes wenigstens ein elektromechanisches Element auf, insbesondere einen Motor, einen Schrittmotor oder Linearmotor, ein piezoelektrisches Element und/oder dergleichen auf.

Besonders bevorzugt weisen die Mittel der Steuerungseinrichtung zur Änderung der Wirkungsrichtung des Instrumentes ein mechanisches Element auf, insbesondere ein Zug-/Schubelement, bevorzugt ein Seilzugelement, ein Befestigungs- und/oder Umlenkelement für ein Zug-/Schubelement bzw. ein Seilzugelement, ein Federelement, ein Gelenkelement oder dergleichen auf. Vorzugsweise ist das Zug-/Schubelement bzw. das Seilzugelement der Steuerungseinrichtung mit dem Zug-/Schub- bzw. Seilzugelement der Erfassungseinrichtung bzw. dem Zug-/Schub- bzw. Seilzugelement der Übertragungsmittel mechanisch gekoppelt und insbesondere einstückig verbunden.

Besonders bevorzugt ist das Gelenkelement der Mittel zur Änderung der Wirkungsrichtung ein flexibles Element, insbesondere ein elastisches Element oder eine Feder, welches sich zumindest in seiner Neutrallage zumindest teilweise entlang der Achse des Distanzstückes im Bereich seines zweiten Endes, an welchem die Steuerungseinrichtung angeordnet ist, erstreckt. Ein derartiges Gelenkelement ist dabei vorzugsweise so ausgeführt, dass eine Verkippung, Auslenkung oder Bewegung des Gelenkelementes aus der Neutrallage heraus eine Rückstellkraft des Gelenkelementes hin zur Neutrallage bewirkt.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verbindet ein derartiges Gelenkelement das zweite Ende des Distanzstückes mit einem Befestigungselement, an welchem das Instrument angeordnet ist. Vorzugsweise sind an dem Befestigungselement zudem wenigstens drei Zug-/Schubelemente insbesondere Seilzugelemente befestigt, welche sich in der Neutrallage des Gelenkelementes im wesentlichen parallel zu diesem und in Richtung des zweiten Endes des Distanzstückes erstrecken und welche mit den Zug-/Schubelementen bzw. Seilzugelementen der Übertragungsmittel bzw. der Erfassungseinrichtung gekoppelt und insbesondere einstückig verbunden sind.

Das Gelenkelement ist bevorzugt im wesentlichen zentrisch und die Zug-/Schubelemente hierzu im wesentlichen konzentrisch am Befestigungselement befestigt. Je nach Anzahl der Zug-/Schubelemente sind diese am Befestigungselement im wesentlichen kreisförmig und mit einem im wesentlichen gleichen Abstand zueinander auf der Kreislinie befestigt.

Bei dieser Ausgestaltung der Steuerungseinrichtung führt eine Verkürzung eines der Zug-/Schubelemente bzw. Seilzugelemente zu einer bezüglich der Neutrallage des Gelenkelementes orthogonalen Kraftkomponente in Richtung des sich verkürzenden Zug-/Schubelementes, so dass hierdurch eine Auslenkung des Gelenkelementes aus seiner Neutrallage heraus in Richtung des Punktes, an dem das sich verkürzende Zug-/Schubelement an der Befestigungseinrichtung befestigt ist, erfolgt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im Bereich des zweiten Endes des Distanzstückes, an welchem die Steuerungseinrichtung angeordnet ist, ein Begrenzungselement vorgesehen, welches eine Variation des Aktionsradius des Steuerungselementes ermöglicht, mit anderen Worten, welches die Amplitude oder den Winkel der Auslenkung des Steuerungselements aus der Neutrallage heraus begrenzt. Vorzugsweise ist das Begrenzungselement entlang des Distanzstückes zumindest teilweise längsverschieblich, wodurch auf einfache Weise eine Variation des Aktionsradius der Steuerungseinrichtung bewirkt wird.

Die Vorrichtung zur Steuerung von Instrumenten gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere geeignet zur Steuerung von Instrumenten oder Werkzeugen, welche aus einer Gruppe ausgewählt sind, die Bestrahlungsinstrumente und Aufzeichnungsinstrumente, insbesondere Instrumente zur Emission bzw. Absorption sowie zur Weiterleitung von elektromagnetischen Wellen im sichtbaren und nahen Infrarot- bzw. ultravioletten Bereich und/oder Schallwellen sowie Greif- und/oder Schnittinstrumente, mechanische, optische oder elektrische Ablationsinstrumente, Nähinstrumente und weitere Instrumente, die insbesondere im Bereich der Endoskope, der Arthroskopie, der Torakoskopie, der Laparoskopie, der Neurochirurgie oder der Kardiologie Verwendung finden, und dergleichen enthält.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer besonderen Ausführungsform in Verbindung mit den Figuren und den Ansprüchen.
Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung von Instrumenten;
2a eine Steuerungseinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1;
2b eine weitere Ansicht einer Steuerungseinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1;
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung eines Instrumentes, welche eine Erfassungseinrichtung 1, ein Distanzstück 3 sowie eine Steuerungsvorrichtung 4 aufweist. Das Distanzstück 3 besteht aus einem langgestreckten, starren und im wesentlichen rohrförmigen Element und ist im Bereich eines ersten Endes mit der Erfassungseinrichtung 1 verbunden. Im Bereich des zweiten Endes ist das Distanzstück mit der Steuerungseinrichtung 4 verbunden, welche ein zu steuerndes Instrument 20 trägt.
Die Erfassungseinrichtung 1 weist einen Führungsbereich 2 auf, der um eine zur Achse 5 der Hauptausdehnungsrichtung des Distanzstückes im Bereich der Verbindung 15 mit der Erfassungseinrichtung im wesentlichen orthogonale erste Achse 6 drehbeweglich gelagert ist. Der Führungsbereich 2 ist zudem um eine zur ersten Achse 6 im wesentlichen orthogonale zweite Achse 7 drehbeweglich gelagert, wobei sich die erste Achse 6 und die zweite Achse 7 in einem ersten Schnittpunkt 12 schneiden. Die erste Achse 6 und die zweite Achse 7 sind zudem im wesentlichen orthogonal zur Achse 5 der Hauptausdehnungsrichtung des Distanzstückes im Bereich der Verbindung 15 mit der Erfassungseinrichtung angeordnet.
Die drehbewegliche Lagerung des Führungsbereiches 2 um die erste Achse 6 bzw. die zweite Achse 7 bildet ein Kardangelenk, durch welches der Führungsbereich 2 bezüglich einer zur Achse 5 der Hauptausdehnungsrichtung des Distanzstückes im wesentlichen parallele Achse kardanisch aufgehängt ist.
Die Verbindung der Erfassungseinrichtung mit dem Distanzstück der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist starr, so dass sich die Lage der durch die erste Achse 6 und die zweite Achse 7 aufgespannten Ebene bezüglich der Achse 5 der Hauptausdehnungsrichtung des Distanzstückes nicht verändert.
Der Führungsbereich 2 ist von der ersten Achse 6 bzw. der zweiten Achse 7 und insbesondere von deren erstem Schnittpunkt 12 radial beabstandet, wobei der Abstand des Führungsbereiches von dem ersten Schnittpunkt 12 ca. 10 cm beträgt, was dazu führt, dass sich das Handgelenk des Benutzers, welcher während der Benutzung beispielsweise mit dem Daumen in den Führungsbereich 2 eingreift, um diesen zu führen, in etwa im Bereich des ersten Schnittpunktes 12 befindet. Der Führungsbereich 2 weist zudem ein Betätigungselement 11 auf, welches in Verbindung mit dem Führungsbereich 2 eine scheren- bzw. fingerlingartige Ausgestaltung aufweist und durch welches die Funktion des Instrumentes 20 nach Art der Benutzung einer Schere steuerbar ist, das heißt, dass der Abstand zwischen dem in den Führungsbereich 2 eingreifenden Daumen und einem in das Betätigungselement 11 eingreifenden weiteren Finger der Hand des Benutzers, die Funktion des Instrumentes vorzugsweise kontinuierlich steuert.
Die Erfassungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 weist zudem ein sich um die erste Achse 6 radial erstreckendes Element 8a in Form einer Umlenkrolle sowie ein sich um die zweite Achse 7 radial erstreckendes Element 8b in Form einer Umlenkrolle auf. Die sich um die erste bzw. zweite Achse radial erstreckenden Elemente 8a, 8b sind mit dem Führungsbereich 2 bezüglich einer Rotation um die erste Achse 6 bzw. die zweite Achse 7 über das Abstandselement 10 drehfest verbunden.
Die Erfassungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 weist zudem Zug-/Schubelemente, insbesondere Seilzugelemente und bevorzugt Bowdenzüge 9 auf, welche die Umlenkrollen 8a, 8b umlaufen und mit diesen somit derart zusammenwirken, dass eine Verkippung des Führungsbereiches um die erste Achse 6 bzw. die zweite Achse 7 zu einer Verlängerung bzw. Verkürzung der Teilabschnitte des Bowdenzuges jeweils vor bzw. nach dem Rollenumlauf, führt. Die Erfassung des Rotations- bzw. des Kippwinkels des Führungsbereiches 2 um die erste Achse 6 bzw. die zweite Achse 7 erfolgt somit mechanisch durch die Übersetzung des Kippwinkels in eine Verlängerung bzw. Verkürzung der Teilabschnitte des Seilzugelementes bzw. Bowdenzuges 9.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 1 weist zudem Übertragungsmittel in Form von Seilzügen auf, welche mit den Seilzügen 9 im Bereich der Verbindung 15 verbunden sind, insbesondere einstückig verbunden sind, und welche die Verlängerung bzw. Verkürzung der Teilabschnitte der Seilzugelemente bzw. Bowdenzüge 9 durch eine Verlängerung bzw. Verkürzung am Steuerungselement 4 darstellen. Die Steuerungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 erlaubt durch eine Übersetzung der in Form einer Verlängerung bzw. Verkürzung dargestellten Information über die Lage des Führungsbereiches bezüglich der Neutrallage die Änderung der Wirkungsrichtung des Instrumentes 20 vorzugsweise in einem im wesentlichen kugelförmigen Raumsegment. Die Richtung des Instrumentes 20 korreliert mit der Lage des Führungsbereiches 2 insofern, als dass eine Rotation des Führungsbereiches um die zweite Achse 7, welche zu einer Kippbewegung des Führungsbereiches 2 in einer horizontalen Ebene führt, gleichermaßen zu einer Richtungsänderung des Instrumentes 20 in einer horizontalen Ebene und insbesondere in Richtung der Verkippung des Führungsbereiches aus der Neutrallage heraus führt, und gleichermaßen eine Verkippung des Führungsbereiches 2 um die erste Achse 6, welche zu einer Bewegung des Führungsbereiches innerhalb einer vertikalen Ebene führt, eine Veränderung der Wirkungsrichtung des Instrumentes 20 durch die Steuerungseinrichtung 4 in einer vertikalen Ebene mit sich bringt.
Die 2a und 2b zeigen die Steuerungseinrichtung 4 der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 in einer vergrößerten Darstellung. Das Instrument 20 ist an einem Befestigungselement 42 der Steuerungseinrichtung angebracht, welches selbst an der von der Erfassungseinrichtung abgewandten Seite der Steuerungseinrichtung angeordnet ist und welches von dem zweiten Ende des Distanzstückes 3 durch ein Gelenkelement 40, welches insbesondere in Form eines langgestreckten flexiblen Elementes, insbesondere einer metallischen Feder oder einer Kunststofffeder ausgeführt ist, beabstandet ist. Bei einer Auslenkung des Gelenkelementes aus seiner Neutrallage, die im wesentlichen einer geradlinigen Erstreckung des Gelenkelementes 40 entspricht, weist dieses insbesondere im Bereich des Befestigungselementes eine Rückstellkraft mit einer Komponente in Richtung der Neutrallage auf.
Die Steuerungseinrichtung gemäß der 2a und 2b weist zudem vier Seilzugelemente, bevorzugt Bowdenzüge 44, 45 auf, welche mit den die Umlenkrolle 8a bzw. 8b umlaufenden Teilabschnitten der Seilzugelement 9 korrespondieren und insbesondere einstückig ausgeführt sind. Die Seilzugelemente 44, 45 sind mit der Befestigungseinrichtung 42 derart verbunden, dass sie konzentrisch bezüglich des Verbindungspunktes des Befestigungselementes 42 mit dem Gelenkelement 40 angeordnet sind, wobei die Seilzugelemente mit dem Befestigungselement 42 an Befestigungspunkten verbunden sind, welche sich auf einer zum Befestigungspunkt des Gelenkelementes 40 im wesentlichen konzentrischen Kreisbahn befinden und hierauf im wesentlichen gleichmäßig, das heißt mit im wesentlichen gleichen Abständen voneinander, verteilt sind.
Wie in den 2a bzw. 2b gezeigt, führt eine Verkürzung eines Seilzugelementes 45 aufgrund einer hierzu korrespondierenden Lageänderung des Führungsbereiches 2 gegenüber der Neutrallage zu einer entsprechenden Änderung der Wirkungsrichtung des Instrumentes 20, welche hinsichtlich ihrer Richtung und Amplitude der Auslenkung mit der Lageänderung des Führungsbereiches gegenüber der Neutrallage im wesentlichen korreliert. Im Falle der 2a und 2b führt eine Verkürzung eines der vier mit der Befestigungseinrichtung 42 verbundenen Seilzüge zu einer Veränderung der Wirkungsrichtung des Instrumentes 20 innerhalb einer horizontalen Ebene.
Die 2a und 2b zeigen zudem ein Begrenzungselement 43, welches entlang des Distanzstückes 3 derart verschiebbar ist, dass hierdurch der Bezugspunkt der Steuerungseinrichtung für die Auslenkung bzw. die Richtungsänderung des Instrumentes derart verschiebbar ist, dass dadurch der Aktionsradius der Steuerungseinrichtung variiert werden kann bzw. Richtung und/oder Amplitude der Auslenkung der Steuerungseinrichtung aus ihrer Neutrallage heraus begrenzbar ist.
Eine Verschiebung des Begrenzungselementes 43 entlang des Distanzstückes 3 in Richtung der Erfassungseinrichtung führt dabei zu einer Verlängerung der wirksamen Länge des Gelenkelementes der Steuerungseinrichtung, wodurch sich insbesondere die Amplitude der Auslenkung der Steuerungseinrichtung und damit der Aktionsradius der Steuerungseinrichtung bzw. des hieran angeordneten Instrumentes vergrößert.
Dem gegenüber ist das Begrenzungselement in der 2b in Richtung der dem Instrument zugewandten Seite der Steuerungseinrichtung verschoben, wodurch sich die wirksame Länge des Gelenkelementes entsprechend verkürzt und sich damit die Amplitude der Auslenkung bzw. der Aktionsradius der Steuerungseinrichtung verringert.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt eine Übertragung der in Richtung der Neutrallage der Steuerungseinrichtung wirkenden Rückstellkraft über die Seilzugelemente bzw. Zug-/Schubelemente auf die Erfassungseinrichtung, so dass hierdurch ein automatischer Übergang sowohl der Steuerungseinrichtung als auch der Erfassungseinrichtung in ihre jeweilige Neutrallage gewährleistet ist.

Claims

Vorrichtung zur Steuerung eines Instruments mit: – wenigstens einer Erfassungseinrichtung (1), welche zumindest einen Führungsbereich (2) aufweist, der während der Benutzung vom Benutzer mit der Hand geführt wird, – wenigstens einem Distanzstück (3), dessen erstes Ende mit der Erfassungseinrichtung starr verbunden ist, – wenigstens einer Steuerungseinrichtung (4), welche an einem zweiten Ende des Distanzstückes (3) angeordnet ist und welche zumindest ein zu steuerndes Instrument (20) trägt, – die Erfassungseinrichtung (1) Mittel aufweist, welche eine Lageänderung des Führungsbereiches (2) aus einer Neutrallage heraus erfassen, und die Steuerungseinrichtung (4) Mittel aufweist, welche aufgrund der von der Erfassungseinrichtung erhaltenen Information die Wirkungsrichtung des Instrumentes (20) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsbereich durch ein Abstandselement (10) von der ersten Achse (6) und/oder der zweiten Achse (7) radial beabstandet ist, wobei der Abstand jeweils 1 cm bis 20 cm, vorzugsweise 5 cm bis 15 cm und besonders bevorzugt ca. 10 cm beträgt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsbereich um eine zur Achse (5) der Hauptausdehnungsrichtung des Distanzstückes im Bereich der Verbindung (15) mit der Erfassungseinrichtung im wesentlichen orthogonale erste Achse (6) drehbeweglich gelagert ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsbereich um eine zur ersten Achse (6) im wesentlichen orthogonale zweite Achse (7) drehbeweglich gelagert ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die erste und die zweite Achse schneiden.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erfassung der Lageänderung des Führungsbereiches den Winkel der Rotation des Führungsbereiches um die erste und/oder zweite Achse erfassen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung des Rotationswinkels mechanisch, elektronisch und/oder optisch erfolgt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erfassung der Lageänderung des Führungsbereiches wenigstens ein sich zumindest teilweise entlang eines Radius um die erste und/oder zweite Achse erstreckendes Element (8) aufweisen, welches bezüglich der Bewegung des Führungsbereiches um die erste bzw. zweite Achse starr mit diesem verbunden ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erfassung der Lageänderung des Führungsbereiches wenigstens ein Zug-/Schubelement (9), insbesondere ein Seilzugelement aufweisen, welches mit dem Führungsbereich (2) und/oder dem sich radial um die erste und/oder zweite Achse erstreckenden Element (8) derart in direktem oder indirektem Kontakt steht, daß eine Lageänderung des Führungsbereiches um die erste und/oder zweite Achse zu einer Verlängerung bzw. Verkürzung des Zug-/Schubelementes bzw. des Seilzugelementes führt.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsbereich wenigstens ein Betätigungselement (11) aufweist, durch welches eine Instrumentenfunktion auslös- bzw. steuerbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung (15) der Erfassungseinrichtung (1) mit dem Distanzstück (3) lösbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Übertragungsmittel vorgesehen sind, welche die durch die Erfassungseinrichtung (1) erhaltene Information über die Lageänderung des Führungsbereiches (2) an die Steuerungseinrichtung (4) übermitteln.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsmittel die Information über die Lage des Führungsbereiches elektronisch, durch elektromagnetische Wellen oder mechanisch übermitteln.
Vorrichtung gemäß einem Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsmittel wenigstens ein Zug-/Schubelement, insbesondere ein Seilzugelement aufweisen, durch welches die von der Erfassungseinrichtung erhaltene Information über die Lageänderung des Führungsbereiches bezüglich der Neutrallage durch eine Verlängerung bzw. Verkürzung des Zug-/Schubelementes bzw. des Seilzugelementes am Steuerungselement dargestellt wird.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Steuerungseinrichtung (4) die Wirkungsrichtung des Instrumentes (20) in zumindest einer Ebene und vorzugsweise in einem im wesentlichen kugelförmigen, insbesondere halbkugelförmigen Raumsegment variierbar ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel der Steuerungseinrichtung (4) zur Änderung der Wirkungsrichtung des Instrumentes wenigstens ein elektro-mechanisches Element aufweisen, insbesondere einen Motor, vorzugsweise einen Schrittmotor oder Linearmotor, ein piezo-elektrisches Element oder dergleichen umfassen.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel der Steuerungseinrichtung (4) zur Änderung der Wirkungsrichtung des Instrumentes wenigstens ein mechanisches Element aufweisen, insbesondere ein Zug-/Schubelement, vorzugsweise ein Seilzugelement und besonders bevorzugt einen Bowdenzug, ein Befestigungs- und/oder Umlenkelement für ein Zug-/Schubelement bzw. ein Seilzugelement, ein Federelement, ein Gelenkelement oder dergleichen.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel der Steuerungseinrichtung (4) zur Änderung der Wirkungsrichtung des Instrumentes wenigstens ein flexibles Element (40), vorzugsweise ein flexibles Element mit einer zur Neutrallage des Instrumentes hin wirkenden Rückstellkraft aufweisen, sowie wenigstens 3 Zug-/Schubelemente (41), insbesondere Seilzugelemente, welche an der dem Instrument zugewandten Seite der Steuerungseinrichtung an einem Befestigungselement (42) derart befestigt sind, daß eine Verkürzung wenigstens eines Zug-/Schubelementes bzw. Seilzugelementes zu einer Änderung der Wirkungsrichtung des Instrumentes führt.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerungseinrichtung (4) wenigstens ein Begrenzungselement (43) aufweist, durch welches sich der Aktionsradius der Steuerungseinrichtung variieren läßt.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Instrument aus einer Gruppe von Instrumenten ausgewählt ist, welche Bestrahlungsinstrumente und Aufzeichnungsinstrumente, insbesondere zur Emission, Absorption bzw. zur Weiterleitung von elektromagnetischen Wellen im sichtbaren und nahen Infrarot- bzw. ultravioletten Bereich und/oder Schallwellen sowie Greif- und/oder Schnittinstrumente, mechanische, optische oder elektrische Ablationsinstrumente, Nähinstrumente und weitere Instrumente, die insbesondere im Bereich der Endoskopie, der Arthroskopie, der Torakoskopie, der Laparoskopie, der Neurochirurgie oder der Kardiologie Verwendung finden, und dergleichen enthält.