DE102004052753A1

DE102004052753A1 - Verfahren und Operations-Assistenz-System zur Steuerung der Nachführung zumindest eines Hilfsinstrumentes bei einem medizinisch minimal-invasiven Eingriff

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Publication number: DE102004052753A1
Application number: DE102004052753A
Authority: DE
Inventors: Juergen Michael Knapp; Robert Geiger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-10-30
Filing date: 2004-10-30
Publication date: 2006-05-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung der Nachführung zumindest eines Hilfsinstrumentes in Bezug auf ein führendes Instrument über ein Operations-Assistenz-System bei einem medizinisch minimal-invasiven Eingriff, bei dem über die Steuereinheit des Operations-Assistenz-Systems die aktuellen Positionskoordinaten eines in einem dreidimensionalen Messraum bewegten ersten Sensorelements ermittelt werden. Das erste Sensorelement ist hierzu an einem aus dem Patientenkörper herausragenden Abschnitt des führenden Instrumentes angeordnet. Anhand der ermittelten Positionskoordinaten des ersten Sensorelements werden die Positionskoordinaten des Hilfsinstrumentes ermittelt und abhängig davon das zumindest eine Hilfsinstrument dem führenden Instrument nachgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und ein Operations-Assistenz-System nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 9.

Minimal-invasive chirurgische Interventionen bzw. Eingriffe gewinnen aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile, insbesondere aufgrund der Reduktion des im Vergleich zu herkömmlichen Operationsmethoden reduzierten Eingriffsraumes zunehmend an Bedeutung. Bei derartigen „minimal-invasiven" Eingriffen wird ein Instrument, beispielsweise ein chirurgisches Instrument oder ein optisches oder bildgebendes Instrument, beispielsweise ein Endoskop, über eine kleinformatige Operations-Öffnung bzw. einen Eingriffsraum in das Innere eines Patientenkörpers eingeführt.

Eine minimal-invasive Durchführung eines operativen Eingriffs bedeutet für den durchführenden Operateur jedoch, dass dieser die unmittelbare optische Kontrolle über das Operationsgebiet bzw. den Operationsraum verliert. Die optische Kontrolle wird hierbei über bildgebende Hilfsinstrumente, wie z.B. Kameras wiederhergestellt, die durch den kleinformatigen Eingriffsraum in den inneren Raum des Patientenkörpers – lapraskopischer Eingriff – eingeführt werden.

Die durch das bildgebende Hilfsinstrument, beispielsweise eine Laparoskop-Kamera, erzeugten Bilder werden über zumindest einem Operationsmonitor dem Operateur angezeigt. Zur optischen Überwachung der im Inneren des Patientenkörpers durchgeführten Bewegungen des chirurgischen Instruments durch den Operateur ist es erforderlich, die Laparoskop-Kamera zur Erfassung des chirurgisches Instruments durch einen Assistenten einstellen bzw. nachführen zu lassen. Das hierzu erforderliche sehr präzise Zusammenwirken zwischen Operateur und Assistent ist insbesondere in Extremsituationen störungsanfällig, so dass technische Steuerungsverfahren wünschenswert sind, die dem Operateur die direkte Kontrolle des Operationsgebiets ohne Einschaltung eines Assistenten ermöglichen.

Zur Durchführung derartiger minimal-invasiver Eingriffe sind beispielsweise „Operations-Assistenz-Systeme" oder „Operations-Assistenz-Roboter" bekannt, die aufgrund der unterschiedlichen Ausgestaltung der Kameranachführung in zwei Gruppen unterteilt werden können:

• Passive Kameraführungsysteme, bei denen die Kameraführung mittels Befehlseingabe über Fuß- oder Handschalter bzw. Sprachkommandos durchgeführt wird und
• Selbstführende bzw. autonome Kameraführungsysteme, bei denen die Ausrichtung des Kamerasystems bzw. die Nachführung der Kamera automatisch anhand einer kontinuierlichen Online-Erfassung eines jeweils aktuell zu erfassenden Zielpunktes durchgeführt wird.

Bei autonomen Kameraführungsystemen wird als Zielpunkt beispielsweise die Spitze eines chirurgischen Operationsinstrumentes, auch dominierendes oder führendes Instrument genannt, verwendet, welches an seiner Operationsspitze ein speziell ausgewähltes Muster, beispielsweise Farb- und/oder Strichmuster oder ähnliche Kennzeichnungselemente aufweist, die über ein „Trackingsystem" bzw. ein Farb- und/oder Mustererkennungssystem erfassbar sind. Die mit dem Kennzeichnungselement ausgestattete Spitze des Operationsinstrumentes befindet sich hierzu in einem abgegrenzten dreidimensionalen Messraum, der durch die Operationskamera optisch erfasst wird. Die über beispielsweise ein Bildverarbeitungssystem ermittelten Positionskoordinaten geben einen Aufschluss über die aktuelle Lage des betrachteten Zielpunktes im Inneren des Patientenkörpers und können zur Steuerung der Kameranachführung ausgewertet werden.

Derartige Verfahren zur automatischen Nachführung zumindest einer Operationskamera nach einem führenden Operationsinstrument weisen jedoch den Nachteil auf, dass die über das Kennzeichnungselement im inneren des Patientenkörpers zu überwachende Spitze des chirurgischen Operationsinstruments visuell identifiziert werden muss. Die hierzu erforderliche Farb- und/oder Mustererkennung versagt insbesondere dann, wenn das zu identifizierende Kennzeichnungselement (Farbmarker oder Muster am Ende des Instrumentes) durch ein weiteres Instrument verdeckt wird oder aufgrund einer Verschmutzung oder Rauchentwicklung im Inneren des Patientenkörpers das Kennzeichnungselement optisch nicht mehr lokalisiert werden kann. Derartige Fehlidentifikationen können zu einer fehlerhaften Nachführung der Laparoskop-Kamera führen, was zu einer Beeinträchtigung der auf den Operationsmonitoren visualisierten Abbildung des Operationsraumes führt.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass für die Erfassung der Tiefenlage (z-Achse) im dreidimensionalen Messraum zwangsläufig ein weiteres teueres und störanfälliges Stereooptiksystem erforderlich ist. Eine Identifikation bzw. korrekte Systemfunktion eines derartigen Stereooptiksystems ist insbesondere nur dann möglich, wenn eine fortlaufend saubere Optikeinheit sowie ein korrekter Weißabgleich sichergestellt werden können.

Darüber hinaus sind elektromagnetische und optische Positionserfassungssysteme beispielsweise der Northern Digital INC. (www.ndigital.com) und der Ascension Technology Corporation (www.ascension-tech.com) bekannt, bei denen ein dreidimensionaler Messraum, beispielsweise ein gepulstes Magnetfeld erzeugt wird und aufgrund unterschiedlicher physikalischer Effekte die Position eines im dreidimensionalen Messraum bewegten Sensorelementes über eine Auswerteeinheit ermittelt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Operations-Assistenz-System zur Steuerung der Nachführung zumindest eines Hilfsinstrumentes, insbesondere eines bildgebenden Hilfsinstruments, bzgl. eines führenden Instrumentes anzugeben, bei dem die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Systeme beseitigt sind und eine zuverlässige Nachführung des zumindest einen Hilfsinstruments sichergestellt ist.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ausgehend von dem Oberbegriff des ein Verfahren zur Steuerung der Nachführung zumindest eines Hilfsinstrumentes betreffenden Patentanspruches 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Ferner wird die Aufgabe ausgehend von dem Oberbegriff des ein Operations-Assistenz-System betreffenden Patentanspruch 9 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteilhaft werden zur Steuerung der Nachführung beispielsweise eines bildgebenden Hilfsinstruments, insbesondere einer Laparoskop-Kamera, anhand der ermitteltenen Positionskoordinaten des ersten Sensorelementes die Positionskoordinaten des Hilfsinstrumentes ermittelt und abhängig davon das zumindest eine Hilfsinstrument dem führenden Instrument nachgeführt wird. Das „Tracking" eines führenden Instruments über ein außerhalb des Patientenkörpers vorgesehenes erstes Sensorelementes bzw. Navigationssensors ist im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren weniger störungsanfällig sowie einfacher und kostengünstiger zu realisieren.

Darüber hinaus werden in einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Positionskoordinaten eines an einem aus dem Patientenkörper herausragenden Abschnitts des Hilfsinstrumentes angeordneten und im dreidimensionalen Messraum bewegten zweiten Sensorelementes bestimmt und abhängig davon die Positionskoordinaten des Hilfsinstrumentes ermittelt.

Weiterhin vorteilhaft werden die Positionskoordinaten des ersten und/oder zweiten Sensorelementes über ein elektromagnetisches und/oder optisches Erfassungssystem ermittelt.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 in einer vereinfachten Darstellung einen Operationstisch mit einem C-Bogen und mit einem Operations-Assistenz-System für minimal-invasive Interventionen;
2 in einer vereinfachten Darstellung den Operationstisch mit einer Ausführung des erfindungsgemäßen Operations-Assistenz-Systems;
3 in einem schematischen Blockschaltbild die Steuereinheit des Operations-Assistenz-Systems.
Der in der 1 allgemein mit 1 bezeichnete Operationstisch besteht in bekannter Weise aus einem Fußteil 2, einer Hubsäule 3 und dem eigentlichen Tischelement 4, welches die Auflage für den Patienten 5 während einer Operation bzw. einem minimal-invasiven Eingriff bildet.
Mit dem Operationstisch 2 verbunden ist bei der dargestellten Ausführungsform ein in der 1 allgemein mit 6 bezeichnetes Operations-Assistenz-System, welches bei der dargestellten Ausführungsform aus einer Kinematik besteht, die eine Tragsäule 7 und mehrere Arme 8, 9 und 10 aufweist, von denen der Arm 10 an seinem freien Ende einen Instrumentenhalter 11 bildet, an der ein Hilfsinstrument 12, welches bei der dargestellten Ausführungsform als Endoskop mit Kamera 13 ausgestaltet ist, um mehrere Achsen anhand mehrer Motoreneinheiten motorisch beweglich gehalten ist. Das Hilfsinstrument 12 wird bei einem minimal-invasiven Eingriff mit seiner Instrumentenspitze 12.1 (beispielsweise eine Optik des Endoskops) durch eine Operationsöffnung in den im Körper des Patienten 5 befindlichen Operationsbereich eingeführt (lapraskopischer Eingriff) und ist entweder manuell durch den Operateur oder automatisch anhand einer auf einer Mikroprozessoreinheit ablaufenden Softwareroutine steuerbar.
Zur manuellen Steuerung ist beispielhaft eine Steuer- oder Betätigungseinrichtung 14 (z. B. Fußschalteranordnung) vorgesehen, die an eine Steuereinheit 15, beispielsweise ein Computersystem, angeschlossen ist. Die Steuereinheit 15 ist über Steuerleitungen 15.1 mit dem Operations-Assistenz-System 6 und über weitere Steuerleitungen 15.2 mit der Steuer- oder Betätigungseinrichtung 14 verbunden.
Am Operationstisch 1 kann beispielsweise ein so genannter C-Bogen 16, an welchem eine bildgebende Einrichtung 17, beispielsweise die Strahlungsquelle einer bildgebenden Einrichtung auf Röntgenbasis, vorgesehen sein, und zwar für eine bildgebende Untersuchung und/oder Überwachung des Operationsbereichs des Patienten 5 während des minimal-invasiven Eingriffs. Als bildgebende Einrichtungen bzw. Methoden kommen außer solchen auf Röntgenbasis auch andere bildgebende Verfahren oder Systeme in Frage, wie beispielsweise Kernspin, Magnetresonanz usw..
Anhand der schematischen Darstellung gemäß 2 wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Operations-Assistenz-Systems 6 bzw. des zugehörigen Verfahrens zur Steuerung der Nachführung eines Hilfsinstrumentes 12 näher beschrieben.
Zusätzlich zu den bereits in 1 dargestellten Komponenten ist in 2 zur Erzeugung eines dreidimensionalen Messraumes 20 eine Messraumerzeugungseinheit 19 beispielsweise am Fußende des Tischelementes 4 angeordnet. Die Messraumerzeugungseinheit 19 erzeugt einen oberhalb des minimal-invasiven Eingriffsbereichs und somit außerhalb des Patientenkörpers liegenden dreidimensionalen Messraum 20. Je nach dem welches in der Steuereinheit 15 Positionsbestimmungsverfahren implementiert ist kann der dreidimensionale Messraum 20 entweder als elektromagnetischer oder als optischer dreidimensionaler Messraum oder beides ausgestaltet sein. Derartige elektromagnetische bzw. optische Positionserfassungssystem werden beispielsweise durch die Firmen Northern Digital INC. und Ascension Technology Corporation hergestellt und unter den Bezeichnungen „Optotrak", „Polaris" bzw. „Flock of Birds" und „microBird" vertrieben. Im Falle eines optischen Positionserfassungssystems kann die Messraumerzeugungseinheit 19 aus mehreren zusammenwirkenden optischen und elektronischen Komponenten aufgebaut sein, die in unterschiedlichen Positionen am Operationstisch 1 oder im Operationssaal angeordnet sind.
Ferner ist zumindest ein führendes Instrument 21 vorgesehen, dass mit seiner Instrumentenspitze 21.1 in den Operationsbereich des Patienten 5 über die Eingriffsöffnung hineinragt. Als führendes Instrument 21 kann beispielsweise ein Operationsmesser oder ähnliches vorgesehen sein, dass manuell oder maschinell durch den Operateur gesteuert während des minimal-invasiven Eingriffs im Inneren des Patienten 5 bewegt wird.
Das Hilfsinstrument 12 und das führende Instrument 21 weisen beispielhaft ein erstes und zweites Sensorelement 22, 23, die jeweils an einem aus dem Patientenkörper 5 herausragenden Abschnitt 21.2, 12.2 des Hilfsinstrumentes 12 und das führende Instrumentes 21 angeordnet sind. Ferner befinden sich das erste und zweite Sensorelement 22, 23 bei der Durchführung des Verfahrens zur Steuerung der Nachführung des zumindest einen Hilfsinstrumentes 12 im dreidimensionalem Messraum 20, in dem die Positionskoordinaten des ersten und zweiten Sensorelementes über ein optisches und/oder elektromagnetisches Positionsbestimmungsverfahren ermittelbar sind. Der dreidimensionale Messraum 20 wird hierzu durch ein dreidimensionales Koordinatensystem 20.1 eindeutig festgelegt.
Im Folgenden soll kurz die Funktionsweise eines elektromagnetischen Positionsbestimmungsverfahrens kurz erläutert werden. Über die Messraumerzeugungseinheit 19 wird in an sich bekannter Weise ein gepulstes Gleichstrommagnetfeld erzeugt, in welchem die Bewegungen eines magnetischen Sensorelementes in Echtzeit erfasst werden. Hierzu weist die Messraumerzeugungseinheit 19 einen Magnetfeldsender mit beispielsweise drei Magnetspulen auf. Die beispielsweise drei Magnetspulen stehen jeweils zueinander orthogonal, so dass hierdurch ein räumliches Koordinatensystem mit x-, y- und z-Achse (siehe 2) mit sechs Freiheitsgraden abgebildet wird.
Zur Erfassung der Koordinaten der Instrumentenspitze 21.1 des führenden Instrumentes 21 wird beispielsweise das erste Sensorelement 22 als passive magnetische Sensoreinheit ausgestaltet. Eine Bewegung eines mit einer derartigen passiven magnetischen Sensoreinheit ausgestalteten führenden Instrumentes 21 innerhalb des durch das Gleichstrommagnetfeld gebildeten dreidimensionalen Messraumes 20 führt zu einer Induzierung eines Stromes in den passiven magnetischen Sensoreinheit bzw. den in der magnetischen Sensoreinheit vorgesehenen Spulen. Aufgrund der Stromabschwächung in zumindest zwei Spulen und der bekannten Geometrie der Spulenanordnung kann ein Rückschluss auf die Rotation bzw. Bewegungsrichtung des ersten Sensorelementes 22 im Magnetfeld gezogen werden. Mit Hilfe eines derartigen Positionsbestimmungsverfahrens können somit alle Bewegungen eines an einem Operationsinstrument angebrachten Sensorelementes 22, 23 in einem betrachteten Gleichstrommagnetfeld bzw. dreidimensionalen Messraum 20 verfolgt und analysiert werden, sowie die ermittelten Positionskoordinaten einer Steuereinheit 15 zur Auswertung zugeführt werden.
Mit Hilfe von bekannten mathematischen Algorithmen ist somit eine exakte Positionsbestimmung als auch eine Bestimmung der Bewegungsrichtung der außerhalb des Patientenkörpers im dreidimensionalen Messraum 20 befindlichen ersten und zweiten Sensorenelemente 22, 23 möglich.
Zur Übermittlung der Messsignale sind sowohl das erste als auch das zweite Sensorelement 22, 23 im Falle eines elektromagnetischen Erfassungssystems entweder über drahtgebundene Verbindungsleitungen oder eine drahtlose Luftschnittstelle mit der Steuereinheit 15 verbunden. Im Falle von optischen Erfassungssystemen sind das erste und zweite Sensorelement als gabelartige Elemente ausgestaltet, die zumindest drei Zacken aufweisen und bei dem die drei Zacken an einem Ende über ein Verbindungsstück zugeführt und an den Abschnitten 12.2, 21.2 der Instrumente 12, 21 befestigt sind. Die anderen Zackenenden weisen jeweils ein optisches Medium reflektierende Elemente, insbesondere Kugeln auf, die somit eine passive Reflexion eines optischen Mediums beispielsweise von Infrarotlicht erzeugen.
Die Befestigungsstelle des ersten und zweiten Sensorelementes 22, 23 am aus dem Patientenkörpers herausragenden Abschnitt des Hilfsinstrumentes 12 bzw. führenden Instrumentes 21 weist jeweils eine starre Verbindung mit der Optik 12.1 bzw. der Instrumentenspitze 21.1 des führenden Instrumentes 21 auf. Zur Anzeige der über die Optik 12.1 und an die Kamera 13 erzeugten Aufnahmen aus dem Inneren des Patientenkörpers 5 sind Monitoreinheiten 18.1, 18.2 vorgesehen, die beispielsweise mit der Steuereinheit 15 verbunden sind. Somit ermöglicht die Optik 12.1 die Übertragung von Aufnahmen des Operationsraumes bzw. Operationsbildern der Instrumentenspitze 21.1 des führenden Instrumentes 21 aus dem Inneren des Patienten 5. Diese dienen dem Operateur zur Überwachung des führenden Instruments 21 bei dem minimal-invasiven Eingriff über die Monitoreinheiten 18.1, 18.2.
Zur Steuerung des Nachführens des Hilfsinstruments 12, insbesondere einer laparoskopischen Kamera im Körperinneren des Patienten 5 sind in der Steuereinheit 15 mehrere Softwareroutinen vorgesehen, deren Zusammenwirken anhand des in 3 dargestellten schematischen Blockschaltbildes näher erläutert wird.
Die Steuereinheit 15 weist eine Mikrokontrollereinheit 24 auf, die an eine Speichereinheit 25 angeschlossen ist. In der Mikrokontrollereinheit 24 sind eine Bewertungsroutine 26, eine Auswerteroutine 27 sowie eine Nachführungsroutine 28 vorgesehen. Anhand der Bewertungsroutine werden die Positionskoordinaten x₁₁, y₁₁, z₁₁ des ersten Sensorelementes 22 im dreidimensionalen Messraum 20 ermittelt und in der Auswertungsroutine 27 mehrere derartiger Positionskoordinaten x₁₁-x_1n, y₁₁-y_1n, z₁₁-z_1n zur Bestimmung der Positionskoordinaten x_FI, y_FI, z_FI des führenden Instrumentes 21 bzw. dessen Instrumentenspitze 21.1 im Inneren des Patientenkörpers 5 ausgewertet.
Über die Nachführungsroutine 28 werden zur Steuerung der Nachführung des zumindest einen Hilfsinstrumentes 12 nach dem führenden Instrument 21 abhängig von den ausgewerteten Positionskoordinaten x_FI, y_FI, z_FI Steuersignale ss erzeugt, über die die Kinematik bzw. die Arme 8–10 des Operations-Assistenz-System 6 über die hierzu vorgesehenen Motoreneinheiten angesteuert werden und eine über die Nachführungsroutine berechnete Zielposition x_z, y_z, z_z anfahren.
Zusätzlich werden anhand der Bewertungsroutine 26 die Positionskoordinaten x₂₁, y₂₁, z₂₁ des im dreidimensionalen Messraum 20 bewegten zweiten Sensorelementes 23 ermittelt und abhängig von den ermittelten Positionskoordinaten x₂₁-x_2n, y₂₁-y_2n, z₂₁-z_2n anhand der Auswertungsroutine 27 die Positionskoordinaten x_HI, y_HI, z_HI des Hilfsinstrumentes 12 bzw. dessen Instrumentenspitze 12.1 bestimmt. Ausgehend von der ermittelten Position der Instrumentenspitze bzw. Optik 12.1 des Hilfsinstrumentes 12 wird über die Nachführungsroutine 28 der Abstand D_IST zwischen den beiden Instrumentenspitzen 12.1, 21.1 berechnet und mit einem Sollwert D_SOLL verglichen. Bei einem Abweichen des aktuellen Abstandes D_IST von dem Sollwert D_SOLL werden durch die Nachführungsroutine 28 Steuersignale ss erzeugt, über die Kinematik bzw. die Arme 8–10 des Operations-Assistenz-System 6 über die hierzu vorgesehenen Motoreneinheiten angesteuert werden. In der Speichereinheit 25 werden die jeweils ermittelten Positionskoordinaten gespeichert und laufend aktualisiert. Beispielsweise können über die Bewertungsroutine 26 und die Auswertungsroutine 27 mehrere hundert Messungen und zugehörige Auswertungen pro Minute durchgeführt werden, so eine hohe Positionsgenauigkeit sichergestellt werden kann.
Wird beispielsweise das führende Instrument 21 in x-Richtung bewegt, so wird diese Bewegung über die Steuereinheit 15 erfasst und zur Steuerung der Nachführung des bildgebenden Hilfsinstrumentes 12 bzw. der Optik 12.1 über die Nachführungsroutine 28 Steuersignale ss erzeugt. Die Steuersignale ss werden an die Motoreneinheiten der Kinematik des Operations-Assistenz-Systems 6 übertragen und führen zu einer Nachführung des Instrumentenhalters 11 über die Arme 8–10 in x-Richtung. Die am Instrumentenhalter 11 starr befestigte Optik 12.1 wird hierdurch solange in x-Richtung bewegt, bis die Instrumentenspitze 21.1 des Operationsinstrumentes 21 von der Optik 12.1 in einem optimalen Umfang erfasst wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Nachführungsroutine 28 derart ausgestaltet sein, das eine Nachführung der Optik 12.1 in eine ermittelte Bewegungsrichtung des Operationsinstrumentes 21 erst dann erfolgt, wenn eine definierte Entfernung bzw. Referenzabstand D_REF von der Instrumentenspitze 21.1 des Operationsinstrumentes 21 zur Optik 12.1 des Kameramoduls erreicht ist. Erst bei einem Überschreiten eines Referenzabstandes D_REF durch den ermittelten Abstand D_IST der beiden Spitzen 12.1, 21.1 des führenden Instrumentes 21 und des Hilfsinstrumentes 21 wird ein Steuersignal ss zur Nachführung des Hilfsinstrumentes 12 erzeugt. Hierdurch kann die Bildstabilität im Bereich des Operationsfeldes deutlich verbessert werden.
Insbesondere sind bisher bekannte magnetische Erfassungssysteme zwar anfällig gegenüber Ferromagnetischen Materialien, jedoch stellt dies beim Einsatz bei laparoskopischen Interventionen kein Hindernis dar, da hier ausschließlich aus paramagnetischen Werkstoffen hergestellte Operationsinstrumente und Optik eingesetzt werden.
In einem typischen Operationsablauf wird zunächst der Operateur über das Betätigungselement 14 manuell die laparoskopische Kamera 12 über die Operationsöffnung an die gewünschte Position innerhalb des Patientenkörpers 5 einführen, um den Operationsbereich auf den Monitoreinheiten 18.1, 18.2 darstellen zu können. Über die Bewertungsroutine 26 werden die Startpositionskoordinaten x_s, y_s, z_s anhand der vom zweiten Sensorelement 23 gelieferten Daten ermittelt und diese in der Speichereinheit 25 gespeichert.
Im Folgenden wird das führende Instrument 21 über die laparoskopische Operationsöffnung eingeführt und bei Vorliegen eines für den Operateur optimalen Darstellung des Operationsbereiches von der manuellen Steuerung der laparoskopische Kamera 12 auf die automatische Steuerung gemäß dem zuvor beschrieben Verfahren umgeschaltet. Der aktuell vorliegende Abstand D_IST wird über die in der Steuereinheit 15 vorgesehenen Bewertungsroutine 26 und Auswerteroutine 27 ermittelt und als Sollabstand D_SOLL in der Speichereinheit 25 abgelegt. Im Anschluß wird die zuvor beschriebene Nachführung der laparoskopische Kamera 12 bzw. deren Optik 12.1 nach dem führenden Instrument 21 automatisch über das Operations-Assistenz-System 6 solange durchgeführt, bis der Operateur beispielsweise durch Betätigung der Fusschalteranordnung 14 auf den manuellen Betrieb umschaltet.
Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

1: Operationstisch
2: Fußteil
3: Hubsäule
4: Tischelement
5: Patient
6: Operations-Assistenz-System
7: Tragsäule
8–10: Arm
11: Instrumentenhalter
12: Hilfsinstrument, insbesondere bildgebendes Hilfsinstrument
12.1: Optik des Hilfsinstrumentes
12.2: Abschnitt des Hilfsinstrumentes
13: Kamera
14: Betätigungselement, beispielsweise Fußschalteranordnung
15: Steuereinheit
15.1: erste Steuerleitungen
15.2: zweite Steuerleitungen
16: C-Bogen
17: Element oder Strahlungsquelle für bildgebende Einrichtung
18.1, 18.2: Monitoreinheiten
19: Messraumerzeugungseinheit
20: dreidimensionaler Messraum
20.1: Raumachsen des dreidimensionalen Messraumes
21: führendes Instrument, insbesondere Operationsinstrument
21.1: Instrumentenspitze des führenden Instruments
21.2: Abschnitt des führenden Instruments
22: erstes Sensorelement
23: zweites Sensorelement
24: Mikrokontrollereinheit
25: Speichereinheit
26: Bewertungsroutine
27: Auswerteroutine
28: Nachführungsroutine
ss: Steuersignale
x₁₁, y₁₁, z₁₁: Positionskoordinaten des ersten Sensorelementes
x_1n, y_1n, z_1n: weitere Positionskoordinaten des ersten Sensorelementes
x_FI, y_FI, z_FI: Positionskoordinaten des führenden Instrumentes
x₂₁, y₂₁, z₂₁: Positionskoordinaten des zweiten Sensorelementes
x_2n, y_2n, z_2n: weitere Positionskoordinaten des zweiten Sensorelementes
x_HI, y_HI, z_HI: Positionskoordinaten des Hilfsinstrumentes
x_s, y_s, z_s: Startpositionskoordinaten
x_z, y_z, z_z: Zielpositionskoordinaten
D_IST: Abstand
D_SOLL: Sollabstand
D_REF: Referenzabstand

Claims

Verfahren zur Steuerung der Nachführung zumindest eines Hilfsinstrumentes (12) in Bezug auf ein führendes Instrument (21) über ein Operations-Assistenz-Systems (6) bei einem medizinisch minimal-invasiven Eingriff, bei dem über die Steuereinheit (15) des Operations-Assistenz-Systems (6) die Positionskoordinaten (x₁₁, y₁₁, z₁₁) eines in einem dreidimensionalen Messraum (20) bewegten ersten Sensorelements (22) ermittelt werden, wobei das erste Sensorelements (22) an einem aus dem Patientenkörper (5) herausragenden Abschnitt (21.2) des führenden Instrumentes (21) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der ermitteltenen Positionskoordinaten (x₁₁, y₁₁, z₁₁) des ersten Sensorelementes (20) die Positionskoordinaten (x_HI, y_HI, z_HI) des Hilfsinstrumentes (12) ermittelt werden und abhängig davon das zumindest eine Hilfsinstrument (12) dem führenden Instrument (21) nachgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionskoordinaten (x₂₁, y₂₁, z₂₁) eines an einem aus dem Patientenkörper (5) herausragenden Abschnitts (12.2) des Hilfsinstrumentes (12) angeordneten und im dreidimensionalen Messraum (20) bewegten zweiten Sensorelementes (23) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu den ermitteltenen Positionskoordinaten (x₁₁, y₁₁, z₁₁) des ersten Sensorelementes (22) die Positionskoordinaten (x₂₁, y₂₁, z₂₁) des zweiten Sensorelementes (23) bei der Ermittlung der Positionskoordinaten (x_HI, y_HI, z_HI) des Hilfsinstrumentes (12) ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionskoordinaten (x_FI, y_FI, z_FI) der Spitze (21.1) des führenden Instrumentes (21) im Inneren des Patientenkörpers (5) anhand der ermittelten Positionskoordinaten (x₁₁, y₁₁, z₁₁; x₂₁, y₂₁, z₂₁) des ersten und/oder zweiten Sensorelementes (22, 23) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionskoordinaten (x_HI, y_HI, z_HI) der Spitze (12.1) des Hilfsinstrumentes (12) im Inneren des Patientenkörpers (5) anhand der ermittelten Positionskoordinaten (x₁₁, y₁₁, z₁₁; x₂₁, y₂₁, z₂₁) des ersten und/oder zweiten Sensorelementes (22, 23) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionskoordinaten (x₁₁, y₁₁, z₁₁; x₂₁, y₂₁, z₂₁) des ersten und/oder zweiten Sensorelementes (22, 23) über ein elektromagnetisches und/oder optisches Erfassungssystem ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Nachführung des Hilfsinstrumentes (12) im Patientenkörper (5) anhand der ermitteltenen Positionskoordinaten (x₁₁, y₁₁, z₁₁; x₂₁, y₂₁, z₂₁) des ersten und/oder zweiten Sensorelementes (22, 23) der Abstand (D_IST) der beiden Spitzen des führenden Instrumentes (21.1) und des Hilfsinstrumentes (12.1) ermittelt wird, dass der Abstand (D_IST) mit einem Sollabstand (D_SOLL) verglichen wird und dass abhängig vom Vergleichsergebnis ein Steuersignal (ss) in der Steuereinheit (15) zur Steuerung der Nachführung des Hilfsinstrumentes (12) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass erst bei einem Überschreiten eines Referenzabstandes (D_REF) durch den ermittelten Abstand (D_IST) der beiden Spitzen des führenden Instrumentes (21.1) und des Hilfsinstrumentes (12.1) ein Steuersignal (ss) zur Nachführung des Hilfsinstrumentes (12) erzeugt wird.
Operations-Assistenz-System zur Steuerung der Nachführung zumindest eines Hilfsinstrumentes (12) in Bezug auf ein führendes Instrument (21) bei einem medizinisch minimal-invasiven Eingriff, mit zumindest einer Steuereinheit (15) und einer zumindest eine Motoreinheit aufweisenden Kinematik (7, 8, 9, 10), wobei über die steuerbare Motoreinheit das zumindest eine Hilfsinstrument (12) entlang der Raumachsen (20.1) eines dreidimensionalen Messraums (20) bewegbar ist, und mit zumindest einem an einem Abschnitt (21.2) des führenden Instrumentes (21) angeordneten ersten Sensorelement (22) und mit einer in der Steuereinheit (15) vorgesehenen Bewertungsroutine (26) zur Ermittlung der Positionskoordinaten (x₁₁, y₁₁, z₁₁) des im dreidimensionalen Messraum (20) bewegten ersten Sensorelementes (22), dadurch gekennzeichnet, dass der dreidimensionale Messraum (20) oberhalb des minimal-invasiven Eingriffsbereichs und außerhalb des Patientenkörpers (5) vorgesehen ist, dass die Steuereinheit (15) eine Auswerteroutine (27) zur Ermittlung der Positionskoordinaten (x_HI, y_HI, z_HI) des Hilfsinstrumentes (12) anhand der ermitteltenen Positionskoordinaten (x₁₁, y₁₁, z₁₁) des ersten Sensorelementes (22) aufweist und dass die Steuereinheit (15) eine Nachführungsroutine (28) zur Steuerung der Nachführung des zumindest einen Hilfsinstruments (12) nach dem führenden Instrument (21) abhängig von den ermittelten Positionskoordinaten (x_HI, y_HI, z_HI) des Hilfsinstrumentes (12) aufweist.
Operations-Assistenz-System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Sensorelement (23) an einem aus dem Patientenkörper (5) herausragenden Abschnitt (12.2) des Hilfsinstrumentes (12) vorgesehen ist.
Operations-Assistenz-System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungsroutine (26) zur Ermittlung der Positionskoordinaten (x₂₁, y₂₁, z₂₁) des im dreidimensionalen Messraum (20) bewegten zweiten Sensorelementes (23) vorgesehen ist.
Operations-Assistenz-System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteroutine (27) zur zusätzlichen Auswertung der Positionskoordinaten (x₂₁, y₂₁, z₂₁) des zweiten Sensorelementes (23) für die Ermittlung der Positionskoordinaten (x_HI, y_HI, z_HI) des Hilfsinstrumentes (12) vorgesehen ist.
Operations-Assistenz-System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungsroutine (26) zur Ermittlung der Positionskoordinaten (x_FI, y_FI, z_FI) der Spitze (21.1) des führenden Instrumentes (21) im Inneren des Patientenkörpers (5) durch Auswertung der ermittelten Positionskoordinaten (x₁₁, y₁₁, z₁₁; x₂₁, y₂₁, z₂₁) des ersten und/oder zweiten Sensorelementes (22, 23) vorgesehen ist.
Operations-Assistenz-System nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungsroutine (26) zur Ermittlung der Positionskoordinaten (x_HI, y_HI, z_HI) der Spitze (12.1) des Hilfsinstrumentes (12) im Inneren des Patientenkörpers (5) durch Auswertung der ermittelten Positionskoordinaten (x₁₁, y₁₁, z₁₁; x₂₁, y₂₁, z₂₁) des ersten und/oder zweiten Sensorelementes (22,23) vorgesehen ist.
Operations-Assistenz-System nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung der Positionskoordinaten (x₁₁, y₁₁, z₁₁; x₂₁, y₂₁, z₂₁) des ersten und/oder zweiten Sensorelementes (22,23) ein elektromagnetisches und/oder optisches Erfassungssystem vorgesehen ist.
Operations-Assistenz-System nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der dreidimensionale Messraum (20) als gepulstes Gleichstrommagnetfeld oder als optischer Messraum ausgestaltet ist.
Operations-Assistenz-System nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfsinstrument (12) ein bildgebendes Instrument, insbesondere die Optik (12.1) einer Kamera (13) oder dergleichen ist.