DE102006059163A1

DE102006059163A1 - Steriler chirurgischer Adapter

Info

Publication number: DE102006059163A1
Application number: DE102006059163A
Authority: DE
Inventors: Joseph Norwalk Orban; Christopher S. Northampton Anderson; Roman Sunnyvale Devengenzo; Bruce Menlo Park Schena; Michael Menlo Park Prindiville; Thomas G. Menlo Park Cooper; William Sandy Hook Burbank
Original assignee: Intuitive Surgical Inc
Current assignee: Intuitive Surgical Operations Inc
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2026-12-15
Also published as: JP2012152583A; JP5807974B2; FR2974000A1; JP2014076361A; JP2007167643A; FR2996116B1; US20120247489A1; FR2894807B1; WO2007142698A3; CN101340848B; CN101340848A; DE102006059163B4; JP5403864B2; US8998799B2; FR2974000B1; FR2894807A1; US20100174293A1; US7666191B2; JP2015091331A; US8216250B2

Abstract

Eine sterile Abdeckung mit einem integrierten sterilen Adapter, ein chirurgisches Telerobotersystem und ein Verfahren zur Verwendung werden für die Abdeckung von Teilen eines chirurgischen Telerobotersystems bereitgestellt, um eine sterile Barriere zwischen dem sterilen chirurgischen Feld und dem nicht-sterilen Robotersystem aufrechtzuerhalten, während auch eine Schnittstelle für die Übertragung von mechanischer und elektrischer Energie und Signalen bereitgestellt wird.

Description

Diese Anmeldung ist eine Teilfortführung der anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 10/922 346, eingereicht am 19. August 2004, die eine Fortführung der US-Patentanmeldung Nr. 10/004 399, eingereicht am 30. Oktober 2001, ist, die eine Fortführung der US-Patentanmeldung Nr. 09/406 360, eingereicht am 28. September 1999, nun US-Patent Nr. 6 346 072, ist, die eine Fortführung der US-Patentanmeldung Nr. 08/975 617, eingereicht am 21. November 1997, nun US-Patent Nr. 6 132 368, ist, die die Priorität zur vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/033 321, eingereicht am 12. Dezember 1996, beanspruchte, deren vollständige Offenbarungen hiermit durch den Hinweis für alle Zwecke aufgenommen werden.
Diese Anmeldung ist auch eine Teilfortführung der anhängigen US-Patentanmeldungen Nrn. 11/240 087 und 111240 113, beide eingereicht am 30. September 2005, deren vollständige Offenbarungen hiermit durch den Hinweis für alle Zwecke aufgenommen werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen chirurgische Robotersysteme und insbesondere einen wegwerfbaren sterilen Adapter einer sterilen Abdeckung zum Abdecken von Teilen des chirurgischen Robotersystems.

Bei der robotergestützten oder Teleroboterchirurgie bedient der Chirurg typischerweise eine Master-Steuereinheit, um die Bewegung von chirurgischen Instrumenten am Operationsort von einer Stelle, die vom Patienten entfernt sein kann (z.B. über den Operationssaal, in einem vom Patienten anderen Raum oder vollständig anderen Gebäude) fernzusteuern. Die Master-Steuereinheit umfasst gewöhnlich eine oder mehrere Handeingabevorrichtungen wie z.B. Steuerhebel, Exoskeletthandschuhe oder dergleichen, die mit den chirurgischen Instrumenten mit Servomotoren für die Lenkung der Instrumente am Operationsort gekoppelt sind. Die Servomotoren sind typischerweise ein Teil einer elektromechanischen Vorrichtung oder eines chirurgischen Manipulators ("der Slave"), der die chirurgischen Instrumente trägt und steuert, die direkt in einen offenen Operationsort oder durch Trokarhülsen in eine Körperhöhle wie z.B. den Bauch des Patienten eingeführt wurden. Während der Operation sieht der chirurgische Manipulator eine mechanische Gelenkigkeit und Steuerung einer Vielfalt von chirurgischen Instrumenten, wie z.B. Gewebegreifern, Nadelantriebsvorrichtungen, elektrochirurgischen Kauterisationssonden usw., vor, die jeweils verschiedene Funktionen für den Chirurgen durchführen, z.B. Halten oder Antreiben einer Nadel, Greifen eines Blutgefäßes oder Durchtrennen, Kauterisieren oder Koagulieren von Gewebe.

Dieses neue Verfahren zum Durchführen einer Teleroboterchirurgie durch entfernte Bedienung hat natürlich viele neue Herausforderungen erzeugt. Eine solche Herausforderung ergibt sich aus der Tatsache, dass ein Teil des elektromechanischen chirurgischen Manipulators mit den chirurgischen Instrumenten in direktem Kontakt steht und auch benachbart zum Operationsort angeordnet wird. Folglich kann der chirurgische Manipulator während der Operation verunreinigt werden und wird typischerweise weggeworfen oder zwischen Operationen sterilisiert. Aus einer Kostenperspektive wäre es bevorzugt, die Vorrichtung zu sterilisieren. Die Servomotoren, Sensoren, Codierer und elektrischen Verbindungen, die erforderlich sind, um die Motoren durch Roboter zu steuern, können jedoch typischerweise nicht unter Verwendung von herkömmlichen Verfahren, z.B. Dampf, Wärme und Druck, oder Chemikalien sterilisiert werden, da die Systemteile im Sterilisationsprozess beschädigt oder zerstört werden würden.

Eine sterile Abdeckung wurde vorher verwendet, um den chirurgischen Manipulator zu bedecken, und hat Löcher enthalten, durch die ein Adapter (beispielsweise ein Handgelenkseinheitsadapter oder ein Kanülenadapter) in das sterile Feld eintreten würde. Dies erfordert jedoch nachteiligerweise ein Lösen und eine Sterilisation der Adapter nach jedem Eingriff und verursacht auch eine größere Wahrscheinlichkeit für eine Verunreinigung durch die Löcher in der Abdeckung.

Noch eine weitere Herausforderung bei chirurgischen Telerobotersystemen besteht darin, dass ein Chirurg typischerweise eine große Anzahl von verschiedenen chirurgischen Instrumenten/Werkzeugen während eines Eingriffs verwendet. Da die Anzahl von Manipulatorarmen aufgrund von Raumeinschränkungen und Kosten begrenzt ist, werden viele von diesen chirurgischen Instrumenten am gleichen Manipulatorarm mehrere Male während einer Operation befestigt und von diesem gelöst. Bei Laparoskopeingriffen ist beispielsweise die Anzahl von Eintrittsöffnungen in den Bauch des Patienten während der Operation aufgrund von Platzeinschränkungen sowie eines Wunsches, unnötige Einschnitte im Patienten zu vermeiden, im Allgemeinen begrenzt. Folglich wird typischerweise eine Anzahl von verschiedenen chirurgischen Instrumenten durch dieselbe Trokarhülse während der Operation eingeführt. Ebenso besteht bei der offenen Chirurgie typischerweise nicht genügend Raum um den Operationsort, um mehr als ein oder zwei chirurgische Manipulatoren anzuordnen, und somit wird der Assistent des Chirurgen gezwungen, Instrumente häufig vom Manipulatorarm zu entfernen und sie gegen andere chirurgische Werkzeuge auszutauschen.

Was daher erforderlich ist, sind verbesserte Telerobotersysteme und Verfahren zum Fernsteuern von chirurgischen Instrumenten an einem Operationsort an einem Patienten. Insbesondere sollten diese Systeme und Verfahren so konfiguriert sein, dass sie den Bedarf für die Sterilisation minimieren, um die Kosteneffizienz zu verbessern, während auch das System und der Operationspatient geschützt werden. Außerdem sollten diese Systeme und Verfahren so ausgelegt sein, dass sie die Instrumentenaustauschzeit und die Schwierigkeit während des chirurgischen Eingriffs minimieren. Folglich ist ein steriler Adapter und ein System für die Roboterchirurgie mit verbesserter Effizienz und Kosteneffizienz sehr erwünscht.

Die vorliegende Erfindung stellt einen sterilen Adapter bereit, der mit einer sterilen Abdeckung zum Abdecken von Teilen eines chirurgischen Telerobotersystems integriert ist, um eine sterile Barriere zwischen dem sterilen Operationsfeld und dem nicht-sterilen Robotersystem aufrechtzuerhalten, während auch eine Schnittstelle zum Übertragen von mechanischer und elektrischer Energie und Signalen bereitgestellt ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine sterile Abdeckung zum Abdecken eines nicht-sterilen Teils eines chirurgischen Robotersystems bereitgestellt, wobei die sterile Abdeckung umfasst: eine äußere Oberfläche benachbart zu einem sterilen Feld zum Durchführen eines chirurgischen Eingriffs; eine innere Oberfläche, die einen Hohlraum zum Aufnehmen des nicht-sterilen Teils des chirurgischen Robotersystems bildet; und einen sterilen Adapter zum Koppeln zwischen einem nicht-sterilen Manipulatorarm des chirurgischen Robotersystems und einem Operationsinstrument im sterilen Feld.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein chirurgisches Robotersystem zum Durchführen eines Eingriffs innerhalb eines sterilen Feldes bereitgestellt, wobei das System umfasst: einen Manipulatorarm in einem nicht-sterilen Feld; ein Operationsinstrument im sterilen Feld; und eine sterile Abdeckung, die den Manipulatorarm bedeckt, um den Manipulatorarm vom sterilen Feld abzuschirmen, wobei die sterile Abdeckung einen sterilen Adapter zum Koppeln zwischen dem Manipulatorarm und dem Operationsinstrument umfasst.

Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Koppeln eines Operationsinstruments mit einem Manipulatorarm eines chirurgischen Robotersystems bereitgestellt, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer sterilen Abdeckung mit einer äußeren Oberfläche benachbart zu einem sterilen Feld zum Durchführen eines chirurgischen Eingriffs, einer inneren Oberfläche, die einen Hohlraum zum Aufnehmen eines nicht-sterilen Teils des chirurgischen Robotersystems bildet, und einem sterilen Adapter zum Koppeln zwischen einem Manipulatorarm im nicht-sterilen Feld und einem Operationsinstrument im sterilen Feld; Positionieren der sterilen Abdeckung über dem Manipulatorarm; Koppeln des Adapters mit einem Aufnahmeteil des Manipulatorarms; und Koppeln des Adapters mit dem Operationsinstrument.

Vorteilhafterweise stellt die vorliegende Erfindung eine verbesserte Installation und Kopplung eines Operationsinstruments mit einem Manipulatorarm, eine verbesserte Unempfindlichkeit des sterilen Feldes und eine erhöhte Visualisierung des Patienten durch Verringern der Größe der Abdeckungen mit mehr Formschlussmerkmalen bereit. Durch Bereitstellen eines wegwerfbaren Adapters werden die Kosten unter Verwendung von weniger teuren Materialien verringert, während gleichzeitig die Unempfindlichkeit und Zuverlässigkeit der Vorrichtung gesteigert werden.

Der Schutzbereich der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert, die durch den Hinweis in diesen Abschnitt integriert werden. Ein vollständigeres Verständnis von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird für Fachleute ebenso wie eine Erkenntnis von zusätzlichen Vorteilen davon durch eine Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung von einem oder mehreren Ausführungsbeispielen geschaffen. Es wird auf die beigefügten Zeichnungsblätter Bezug genommen, die zuerst kurz beschrieben werden.
1 ist eine schematische Ansicht eines Operationssaals, die ein chirurgisches Telerobotersystem und ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist eine vergrößerte Ansicht des Operationssaals von 1, die ein Paar von Montagegelenken, die mit einem Operationstisch gekoppelt sind, gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
3A ist eine perspektivische Ansicht eines chirurgischen Robotermanipulators, der teilweise mit einer sterilen Abdeckung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bedeckt ist.
3B ist eine perspektivische Ansicht des chirurgischen Robotermanipulators von 3A ohne die sterile Abdeckung, um einen Arm mit mehreren Freiheitsgraden darzustellen, der eine Antriebsanordnung mit einer Handgelenkeinheit und einem chirurgischen Werkzeug koppelt.
4 stellt den chirurgischen Robotermanipulator von 3A–3B dar, der eine Kamera und ein Endoskop zum Betrachten des Operationsorts beinhaltet.
5 ist eine teilweise Ansicht des Robotermanipulators von 3A–3B, die mechanische und elektrische Kopplungen zwischen dem Arm und der Handgelenkeinheit darstellt.
6 ist eine teilweise aufgeschnittene Schnittansicht eines Unterarms und eines Wagens des Manipulators von 3A und 3B.
7 ist eine perspektivische Ansicht der Handgelenkeinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Seitenquerschnittsansicht eines Teils des Robotermanipulators, die den Arm und die Antriebsanordnung darstellt.
9A ist eine perspektivische Ansicht einer sterilen Abdeckung mit einem installierten Operationsinstrument an einem sterilen Instrumentenadapter, die einen chirurgischen Robotermanipulator vollständig bedeckt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
9B ist eine Seitenansicht des chirurgischen Manipulators, des installierten Operationsinstruments und des integrierten sterilen Instrumentenadapters von 9A ohne Teil der sterilen Abdeckung.
10A ist eine perspektivische Ansicht der sterilen Abdeckung von 9A ohne das Operationsinstrument und chirurgische Zubehörteil gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
10B ist eine perspektivische Ansicht des chirurgischen Manipulators und der Zubehörklemme von 10A ohne die sterile Abdeckung.
11A–11L sind Ansichten einer PSM-Abdeckung mit einem integrierten sterilen Instrumentenadapter gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
12A, 12B und 12C stellen eine perspektivische Draufsicht von oben, eine perspektivische Draufsicht von unten bzw. eine Schnittansicht des ISA gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
13 stellt eine Nahschnittansicht eines elektrischen Kontakts des ISA gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
14A und 14B stellen perspektivische Nahdraufsichten von oben bzw. unten auf eine Scheibe des ISA gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
15A und 15B stellen perspektivische Draufsichten von oben und unten auf eine obere Rückzugsplatte des ISA gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
16 stellt eine perspektivische Ansicht eines Adapteraufnahmeteils eines Manipulators gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
17A bis 17F zeigen die Installation/den Eingriff des ISA am bzw. mit dem Adapteraufnahmeteil, die Installation/den Eingriff des Operationsinstruments am bzw. mit dem ISA und die Entfernung des Operationsinstruments vom ISA gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung und ihre Vorteile werden am besten durch Bezugnahme auf die ausführliche Beschreibung, die folgt, verstanden. Es sollte erkannt werden, dass gleiche Bezugsziffern verwendet werden, um gleiche Elemente zu identifizieren, die in einer oder mehreren der Figuren dargestellt sind. Es sollte auch erkannt werden, dass die Figuren nicht notwendigerweise maßstäblich gezeichnet sein können.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Mehr-Komponenten-System und ein Verfahren zum Durchführen von robotergestützten chirurgischen Eingriffen an einem Patienten, insbesondere einschließlich offener chirurgischer Eingriffe, neurochirurgischer Eingriffe wie z.B. Stereotaxis und endoskopischer Eingriffe wie z.B. Laparoskopie, Arthroskopie, Thorakoskopie und dergleichen, bereit. Das System und Verfahren der vorliegenden Erfindung sind als Teil eines chirurgischen Telerobotersystems besonders nützlich, das dem Chirurgen ermöglicht, die Operationsinstrumente durch einen Servomechanismus von einem vom Patienten entfernten Ort aus zu bedienen. Dazu wird die Manipulatorvorrichtung oder der Slave der vorliegenden Erfindung gewöhnlich durch einen kinematisch äquivalenten Master angetrieben, um ein Telepräsenzsystem mit Kraftreflexion zu bilden. Eine Beschreibung eines geeigneten Slave-Master-Systems ist in der US-Patentanmeldung Nr. 08/517 053, eingereicht am 21. Aug. 1995, zu finden, deren vollständige Offenbarung durch den Hinweis für alle Zwecke hierin aufgenommen wird.
Mit Bezug auf die Zeichnungen im Einzelnen, in denen gleiche Ziffern gleiche Elemente angeben, ist ein chirurgisches Telerobotersystem 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie in 1 gezeigt, umfasst das Telerobotersystem 2 im Allgemeinen eine oder mehrere chirurgische Manipulatoranordnungen 4, die an oder nahe einem Operationstisch O montiert sind, und eine Steueranordnung 6, um dem Chirurgen S zu ermöglichen, den Operationsort zu betrachten und die Manipulatoranordnungen 4 zu steuern. Das System 2 umfasst auch eine oder mehrere Betrachtungsendoskopanordnungen 19 und eine Vielzahl von Operationsinstrumentanordnungen 20, die dazu ausgelegt sind, abnehmbar mit den Manipulatoranordnungen 4 gekoppelt zu werden (nachstehend im Einzelnen erörtert). Das Telerobotersystem 2 umfasst gewöhnlich mindestens zwei Manipulatoranordnungen 4 und vorzugsweise drei Manipulatoranordnungen 4. Die exakte Anzahl von Manipulatoranordnungen 4 hängt unter anderen Faktoren von dem chirurgischen Eingriff und den Platzeinschränkungen innerhalb des Operationssaals ab. Wie nachstehend im Einzelnen erörtert, bedient eine der Anordnungen 4 typischerweise eine Betrachtungsendoskopanordnung 19 (z.B. in Endoskopeingriffen) zum Betrachten des Operationsorts, während die anderen Manipulatoranordnungen 4 Operationsinstrumente 20 zum Durchführen verschiedener Eingriffe am Patienten P bedienen.
Die Steueranordnung 6 kann sich an einer Konsole C des Chirurgen befinden, die sich gewöhnlich im gleichen Raum wie der Operationstisch O befindet, so dass der Chirurg mit seinem (seinen) Assistenten A sprechen und die Operationsprozedur direkt überwachen kann. Es sollte jedoch selbstverständlich sein, dass sich der Chirurg S in einem anderen Raum oder einem vom Patienten P vollständig anderen Gebäude befinden kann. Die Steueranordnung 6 umfasst im Allgemeinen einen Träger 8, einen Monitor 10 zum Anzeigen eines Bildes des Operationsorts für den Chirurgen S und eine oder mehrere Steuereinheiten) 12 zum Steuern der Manipulatoranordnungen 4. Die Steuereinheiten) 12 kann (können) eine Vielzahl von Eingabevorrichtungen wie z.B. Steuerhebel, Handschuhe, Auslösepistolen, handbetätigte Steuereinheiten, Spracherkennungsvorrichtungen oder dergleichen umfassen. Vorzugsweise ist (sind) die Steuereinheiten) 12 mit denselben Freiheitsgraden wie die zugehörigen Operationsinstrumentanordnungen 20 versehen, um den Chirurgen mit Telepräsenz oder mit der Wahrnehmung, dass die Steuereinheiten) 12 mit den Instrumenten 20 integral ist (sind), zu versehen, so dass der Chirurg eine starke Wahrnehmung für die direkte Steuerung der Instrumente 20 hat. Positions-, Kraft und taktile Rückkopplungssensoren (nicht dargestellt) können auch an den Instrumentanordnungen 20 verwendet werden, um Positions-, Kraft- und taktile Empfindungen vom Operationsinstrument zu den Händen des Chirurgen zurück zu übertragen, während er das Telerobotersystem bedient. Ein geeignetes System und Verfahren zum Vorsehen von Telepräsenz für den Operateur ist in der US-Patentanmeldung Nr. 08/517 053, eingereicht am 21. Aug. 1995, beschrieben, die vorher durch den Hinweis hierin aufgenommen wurde.
Der Monitor 10 ist mit der Betrachtungsendoskopanordnung 19 geeigneterweise derart gekoppelt, dass ein Bild des Operationsorts benachbart zu den Händen des Chirurgen auf der Chirurgenkonsole C bereitgestellt wird. Vorzugsweise zeigt der Monitor 10 ein invertiertes Bild auf der Anzeige 18 an, das so orientiert ist, dass der Chirurg spürt, dass er tatsächlich direkt nach unten auf den Operationsort blickt. Dazu scheint ein Bild der Operationsinstrumente 20 im Wesentlichen dort zu liegen, wo sich die Hände des Chirurgen befinden, selbst wenn die Beobachtungspunkte (d.h. das Endoskop oder die Betrachtungskamera) nicht vom Blickpunkt des Bildes sein können. Außerdem wird vorzugsweise das Echtzeitbild in ein perspektivisches Bild transformiert, so dass der Operateur den Endeffektor und die Handsteuerung bedienen kann, als ob er den Arbeitsplatz in im Wesentlichen wahrer Anwesenheit betrachten würde. Mit wahrer Anwesenheit ist gemeint, dass die Darstellung eines Bildes ein echtes perspektivisches Bild ist, das den Blickpunkt eines Operateurs simuliert, der physikalisch die Operationsinstrumente 20 bedient. Folglich transformiert eine Steuereinheit (nicht dargestellt) die Koordinaten der Operationsinstrumente 20 in eine wahrgenommene Position, so dass das perspektivische Bild das Bild ist, das man sehen würde, wenn sich die Kamera oder das Endoskop direkt hinter den Operationsinstrumenten 20 befinden würde. Ein geeignetes Koordinatentransformationssystem zum Liefern dieses virtuellen Bildes ist in der US-Patentanmeldung Nr. 08/239 086, eingereicht am 5. Mai 1994, nun US-Patent Nr. 5 631 973, beschrieben, deren vollständige Offenbarung durch den Hinweis für alle Zwecke hierin aufgenommen wird.
Wie in 1 gezeigt, ist ein Servomechanismus 16 zum Übertragen der mechanischen Bewegung der Steuereinheiten 12 auf die Manipulatoranordnungen 4 vorgesehen. Der Servomechanismus 16 kann von den Manipulatoranordnungen 4 separat oder mit diesen einteilig sein. Der Servomechanismus 16 stellt gewöhnlich eine Kraft- und Drehmomentrückkopplung von den Operationsinstrumenten 20 zu den handbetätigten Steuereinheiten 12 bereit. Außerdem umfasst der Servomechanismus 16 eine Sicherheitsüberwachungssteuereinheit (nicht dargestellt), die jegliche Roboterbewegung in Reaktion auf erkannte Bedingungen (z.B. Ausüben von übermäßiger Kraft auf den Patienten, "Ausreißen" der Manipulatoranordnungen 4 usw.) einfrieren oder zumindest hemmen kann. Der Servomechanismus besitzt vorzugsweise eine Servobandbreite mit einer Grenzfrequenz bei 3 dB von mindestens 10 Hz, so dass das System schnell und genau auf die schnellen Handbewegungen, die vom Chirurgen verwendet werden, reagieren kann. Um mit diesem System effektiv zu arbeiten, weisen die Manipulatoranordnungen 4 eine relativ geringe Trägheit auf und die Antriebsmotoren 170 (siehe 8) weisen Zahnrad- oder Riemenscheibenkopplungen mit relativ niedrigem Verhältnis auf. Irgendein geeigneter herkömmlicher oder spezialisierter Servomechanismus kann bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wobei jene, die Kraft- und Drehmomentrückkopplung beinhalten, für den Telepräsenzbetrieb des Systems besonders bevorzugt sind.
Mit Bezug auf 7 umfassen die Operationsinstrumentanordnungen 20 jeweils eine Handgelenkeinheit 22 und ein Operationswerkzeug 24 (3A und 3B), das abnehmbar an der Handgelenkeinheit 22 befestigt ist. Wie nachstehend im Einzelnen erörtert, umfasst jede Handgelenkeinheit 22 im Allgemeinen einen länglichen Schaft 56 mit einer proximalen Kappe 58 und einem distalen Handgelenk 60, das mit dem Operationswerkzeug 24 schwenkbar gekoppelt ist. Jede Handgelenkeinheit 22 ist im Wesentlichen dieselbe und weist verschiedene oder dieselben Operationswerkzeuge 24, die daran befestigt sind, in Abhängigkeit von den Anforderungen des chirurgischen Eingriffs auf. Alternativ können die Handgelenkeinheiten 22 spezialisierte Handgelenke 60 aufweisen, die für individuelle Operationswerkzeuge 24 ausgelegt sind, so dass die Handgelenkeinheiten 22 mit herkömmlichen Werkzeugen 24 verwendet werden können. Wie in 1 gezeigt, werden die Instrumentanordnungen 20 gewöhnlich an einem Tisch T oder einem anderen geeigneten Träger benachbart zum Operationstisch O montiert. Gemäß einem Verfahren der vorliegenden Erfindung (nachstehend beschrieben) können die Handgelenkeinheiten 22 und ihre zugehörigen Operationswerkzeuge 24 während des chirurgischen Eingriffs durch Koppeln und Abkoppeln von Handgelenkeinheitsschäften 56 mit bzw. von den Manipulatoranordnungen 4 schnell ausgewechselt werden.
Mit Bezug auf 2 ist jede Manipulatoranordnung 4 vorzugsweise am Operationstisch O durch ein Montagegelenk 30 montiert. Montagegelenke 30 stellen eine Anzahl von Freiheitsgraden (vorzugsweise mindestens 5) für die Anordnungen 4 bereit und sie umfassen eine Bremse (nicht dargestellt), so dass die Anordnungen 4 in einer geeigneten Position und Orientierung relativ zum Patienten fixiert werden können. Die Gelenke 30 sind an einer Fassung 32 zum Montieren der Gelenke 30 am Operationstisch O und zum Verbinden jeder Manipulatoranordnung 4 mit dem Servomechanismus 16 montiert. Außerdem kann die Fassung 32 Gelenke 30 mit anderen Systemen wie z.B. einer elektrischen HF-Leistungsquelle, einem Saug-Spül-System usw. verbinden. Die Fassung 32 umfasst einen Montagearm 34, der entlang einer äußeren Schiene 36 des Operationstischs O verschiebbar angeordnet ist. Die Manipulatoranordnungen 4 können auch über dem Operationstisch O mit anderen Mechanismen angeordnet werden. Das System kann beispielsweise ein Trägersystem (mit der Decke oder einer Wand des Operationssaals gekoppelt) beinhalten, das eine oder mehrere Manipulatoranordnungen 4 über dem Patienten bewegt und hält.
Mit Bezug nun auf 3–8 wird die Manipulatoranordnung 4 genauer beschrieben. Die Manipulatoranordnung 4 ist eine Drei-Komponenten-Vorrichtung, die eine nicht-sterile Antriebs- und Steuerkomponente, einen sterilisierbaren Endeffektor oder ein Operationswerkzeug (d.h. Operationswerkzeuganordnung 20) und eine Zwischenverbindungskomponente umfasst. Das Zwischenverbindungselement umfasst mechanische Elemente zum Koppeln des Operationswerkzeugs 24 mit der Antriebs- und Steuerkomponente und zum Übertragen einer Bewegung von der Antriebskomponente auf das Operationswerkzeug 24. Wie in 3B gezeigt, umfasst die Antriebs- und Steuerkomponente im Allgemeinen eine Antriebsanordnung 40 und einen Roboterarm 42 mit mehreren Freiheitsgraden, der mit einer Montagestütze 44 gekoppelt ist, die zur Montage an den Montagegelenken 30 (2) ausgelegt ist. Vorzugsweise sind die Antriebsanordnung 40 und der Roboterarm 42 schwenkbar mit der Stütze 44 um eine X-Achse gekoppelt, die sich durch ein entferntes Zentrum einer sphärischen Drehung 45 (siehe 8, nachstehend genauer erörtert) erstreckt. Die Manipulatoranordnung 4 umfasst ferner eine Unterarmanordnung 46, die an einem distalen Ende 48 des Arms 42 befestigt ist, und einen Handgelenkeinheitsadapter 52, der mit der Unterarmanordnung 46 gekoppelt ist, um die Handgelenkeinheit 22 und das Operationswerkzeug 24 an der Manipulatoranordnung 4 zu montieren.
Für Endoskopeingriffe umfasst die Manipulatoranordnung 4 außerdem einen Kanülenadapter 64, der an einem unteren Teil des Unterarms 46 befestigt ist, um eine Kanüle 66 an der Manipulatoranordnung 4 zu montieren. Alternativ kann die Kanüle 66 eine einteilige Kanüle (nicht dargestellt) sein, die in die Unterarmanordnung 46 eingebaut ist (d.h. nicht abnehmbar). Die Kanüle 66 kann ein Kraftabtastelement (nicht dargestellt) wie z.B. einen Dehnungsmesser oder einen Kraftabtastwiderstand umfassen, das an einem ringförmigen Lager innerhalb der Kanüle 66 montiert ist. Das Kraftabtastlager stützt ein Operationswerkzeug 24 während einer Operation ab, was ermöglicht, dass sich das Werkzeug dreht und axial durch die zentrale Bohrung des Lagers bewegt. Außerdem überträgt das Lager seitliche Kräfte, die vom Operationswerkzeug 24 ausgeübt werden, auf das Kraftabtastelement, das mit dem Servomechanismus 16 zur Übertragung dieser Kräfte zu der (den) Steuereinheiten) 12 verbunden ist. In dieser Weise können Kräfte, die auf die Operationswerkzeuge 24 wirken, ohne Störungen von Kräften, die auf die Kanüle 66 wirken, wie z.B. das Gewebe, das den chirurgischen Einschnitt umgibt, oder durch Schwerkraft und Trägheitskräfte, die auf die Manipulatoranordnung 4 wirken, erfasst werden. Dies erleichtert die Verwendung der Manipulatoranordnung 4 in einem Robotersystem, da der Chirurg die gegen das Operationswerkzeug 24 wirkenden Kräfte direkt spürt.
Wie in 3A gezeigt, umfasst die Manipulatoranordnung 4 ferner eine sterile Abdeckung 70, die so bemessen ist, dass sie im Wesentlichen die ganze Manipulatoranordnung 4 bedeckt. Die Abdeckung 70 weist ein Paar von Löchern 72, 74 auf, die so bemessen und angeordnet sind, dass der Handgelenkeinheitsadapter 52 und der Kanülenadapter 64 sich durch die Löcher 72, 74 erstrecken können, um die Handgelenkeinheit 22 und die Kanüle 66 an der Manipulatoranordnung 4 zu montieren. Die sterile Abdeckung 70 umfasst ein Material, das dazu ausgelegt ist, die Manipulatoranordnung 4 vom Operationsort wirksam abzuschirmen, so dass die meisten Komponenten der Anordnung 4 (d.h. der Arm 42, die Antriebsanordnung 40 und die Unterarmanordnung 46) vor oder nach dem chirurgischen Eingriff nicht sterilisiert werden müssen.
Wie in 3A gezeigt, erstrecken sich der Handgelenkeinheitsadapter 52 und der Kanülenadapter 64 durch die Löcher 72, 74 der Abdeckung 70, so dass die Unterarmanordnung 46 und der Rest der Manipulatoranordnung 4 während des Eingriffs vom Patienten abgeschirmt bleiben. In einem Ausführungsbeispiel werden der Handgelenkeinheitsadapter 52 und der Kanülenadapter 64 als wiederverwendbare Komponenten hergestellt, die sterilisiert werden, da sich diese Komponenten in das sterile Feld des Operationsorts erstrecken. Die Handgelenkeinheits- und Kanülenadapter 52, 64 können durch normale Verfahren, d.h. Dampf, Wärme und Druck, Chemikalien und dergleichen, sterilisiert werden. Mit erneutem Bezug auf 3B umfasst der Handgelenkeinheitsadapter 52 eine Öffnung 80 zum Aufnehmen des Schafts 56 der Handgelenkeinheit 22. Wie nachstehend im Einzelnen erörtert, kann der Schaft 56 seitlich durch die Öffnung 80 gedrückt und in den Adapter 52 eingeschnappt werden, so dass der nicht freiliegende Teil des Handgelenkeinheitsadapters 52 steril bleibt (d.h. auf der sterilen Seite der Abdeckung 70 gegenüber dem sterilen Feld bleibt). Der Handgelenkeinheitsadapter 52 kann auch einen Riegel (nicht dargestellt) umfassen, um die Handgelenkeinheit 22 darin zu befestigen. Ebenso umfasst der Kanülenadapter 64 eine Öffnung 82 zum Einschnappen der Kanüle 66 in diesen, so dass der nicht freiliegende Teil des Adapters 64 während des chirurgischen Eingriffs steril bleibt.
Wie in 4 gezeigt, kann der Handgelenkeinheitsadapter 52 auch dazu ausgelegt sein, ein Betrachtungsendoskop 100 zum Betrachten des Operationsorts aufzunehmen. Für Endoskopeingriffe kann das Betrachtungsendoskop 100 ein herkömmliches Endoskop sein, das typischerweise eine starre, längliche Röhre 102 umfasst, die ein Linsensystem (nicht dargestellt) und eine Kamerahalterung 104 am proximalen Ende der Röhre 102 umfasst. Eine kleine Videokamera 106 ist vorzugsweise an der Kamerahalterung 104 befestigt und mit dem Videomonitor 10 verbunden, um ein Videobild des Eingriffs zu liefern. Vorzugsweise besitzt das Endoskop 100 ein distales Ende (nicht dargestellt), das dazu ausgelegt ist, eine seitliche oder abgewinkelte Betrachtung relativ zur Röhre 102 zu ermöglichen. Das Betrachtungsendoskop kann auch eine führbare Spitze aufweisen, die durch Bedienen eines Stellgliedes an einem proximalen Ende der Röhre 102 abgelenkt oder gedreht werden kann. Diese Art von Endoskop ist von Baxter Healthcare Corp in Deerfield, III., oder Origin Medsystems, Inc., in Menlo Park, Kalif., kommerziell erhältlich.
Wie in 4 gezeigt, umfasst das Betrachtungsendoskop 100 ferner einen Endoskopadapter 110 zum Koppeln des Betrachtungsendoskops 100 mit dem Handgelenkeinheitsadapter 52. Der Endoskopadapter 110 ist sterilisierbar, ETO und im Autoklaven sterilisierbar und er umfasst eine Vielzahl von Bewegungsdurchführungen (nicht dargestellt) zum Übertragen der Bewegung von der Antriebsanordnung 40 auf das Endoskop 100. In der bevorzugten Konfiguration umfasst die Bewegung eine Schwenk- und Gierungsbewegung, eine Drehung um die Z-Achse und eine Bewegung entlang der Z-Achse.
Mit Bezug nun auf 5 und 6 wird die Unterarmanordnung 46 genauer beschrieben. Wie in 5 gezeigt, umfasst die Unterarmanordnung 46 ein Gehäuse 120, das am Arm 42 befestigt ist, und einen beweglichen Wagen 122, der mit dem Gehäuse 120 verschiebbar gekoppelt ist. Der Wagen 122 montiert den Handgelenkeinheitsadapter 52 verschiebbar am Gehäuse 120, um den Handgelenkeinheitsadapter 52 und die Handgelenkeinheit 20 in der Z-Richtung zu bewegen. Außerdem definiert der Wagen 122 eine Anzahl von Öffnungen 123 zum Übertragen einer Bewegung und von elektrischen Signalen von der Unterarmanordnung 46 auf den Handgelenkeinheitsadapter 52. Wie in 6 gezeigt, sind eine Vielzahl von drehbaren Wellen 124 innerhalb des Gehäuses 120 montiert, um die Bewegung vom Arm 42 durch die Öffnungen 123 auf den Handgelenkeinheitsadapter 52 und die Handgelenkeinheit 22 zu übertragen. Die Drehwellen 124 sehen vorzugsweise mindestens vier Freiheitsgrade für die Handgelenkeinheit 22 vor, einschließlich Gierungs- und Schwenkbewegung des Operationswerkzeugs 24 um das Handgelenk 60 der Handgelenkeinheit 22, eine Drehung der Handgelenkeinheit 22 um die Z-Achse und die Betätigung des Werkzeugs 24. Das System kann auch so ausgelegt sein, dass es mehr oder weniger Freiheitsgrade bereitstellt, falls erwünscht. Die Betätigung des Werkzeugs 24 kann eine Vielzahl von Bewegungen umfassen, wie z.B. Öffnen und Schließen von Klauen, Greifern oder Scheren, Anbringen von Klemmen oder Klammern und dergleichen. Die Bewegung der Handgelenkeinheit 22 und des Werkzeugs 24 in der Z-Richtung wird durch ein Paar von Wagenseilantrieben 126 bereitgestellt, die sich zwischen drehbaren Seilscheiben 128, 129 an beiden Enden des Unterarmgehäuses 120 erstrecken. Die Seilantrieben 126 fungieren zum Bewegen des Wagens 122 und der Handgelenkeinheit 22 in der Z-Richtung relativ zum Unterarmgehäuse 120.
Wie in 6 gezeigt, umfasst das distale Ende 48 des Arms 42 eine Kopplungsanordnung 130 mit einer Vielzahl von Bewegungsdurchführungen 132 zum Übertragen einer Bewegung vom Arm 42 auf die Unterarmanordnung 46. Außerdem umfasst die Kopplungsanordnung 130 eine Anzahl von elektrischen Verbindungselementen (nicht dargestellt) zum Übertragen von elektrischen Signalen vom Arm 42 zur Handgelenkeinheit 22. Ebenso umfasst der Handgelenkeinheitsadapter 52 eine Vielzahl von Bewegungsdurchführungen (nicht dargestellt) und elektrischen Verbindungen (nicht dargestellt) zum Übertragen einer Bewegung und zum Senden und Empfangen von elektrischen Signalen zur und von der Handgelenkeinheit 22 (z.B. zum Senden und Empfangen von Kraft- und Drehmoment-Rückkopplungssignalen vom Operationsort zu den Steuereinheiten 12). Die Komponenten auf beiden Seiten der Kopplungsanordnung 130 und des Handgelenkeinheitsadapters 52 besitzen einen endlichen Bewegungsbereich. Gewöhnlich ist dieser Bewegungsbereich mindestens 1 Umdrehung und vorzugsweise größer als 1 Umdrehung. Diese Bewegungsbereiche sind aufeinander ausgerichtet, wenn die Unterarmanordnung 46 mit der Kopplungsanordnung 130 mechanisch gekoppelt ist und wenn der Handgelenkeinheitsadapter 52 mit dem Unterarm 46 mechanisch gekoppelt ist.
Mit Bezug auf 7 wird die Handgelenkeinheit 22 nun genauer beschrieben. Wie gezeigt, umfasst die Handgelenkeinheit 22 einen hohlen Schaft 56 mit einer Kappe 58, die an seinem proximalen Ende befestigt ist, und ein Handgelenk 60, das an seinem distalen Ende befestigt ist. Das Handgelenk 60 umfasst eine Kopplung (nicht dargestellt) zum entfernbaren Koppeln einer Vielzahl von Operationswerkzeugen 24 mit dem Schaft 56. Der Schaft 56 ist mit der Kappe 58 drehbar gekoppelt, um eine Drehung des Schafts 56 und des Werkzeugs 24 um die Längsachse des Schafts 56 (d.h. die Z-Achse) vorzusehen. Die Kappe 58 nimmt einen Mechanismus (nicht dargestellt) zum Übertragen einer Bewegung vom Handgelenkeinheitsadapter 52 auf Antriebsseile (nicht dargestellt) innerhalb des Schafts 56 auf. Die Antriebsseile sind geeignet mit Antriebsseilscheiben innerhalb des Schafts 56 gekoppelt, um das Werkzeug 24 um das Handgelenk 60 zu schwenken und um Endeffektoren 140 am Werkzeug 24 zu betätigen. Das Handgelenk 60 kann auch durch andere Mechanismen wie z.B. Differentialgetriebe, Schubstangen oder dergleichen betätigt werden.
Das Werkzeug 24 ist mit dem Handgelenk 60 der Handgelenkeinheit 22 abnehmbar gekoppelt. Das Werkzeug 24 umfasst vorzugsweise einen Endeffektor 65 (3A und 3B) mit einer Anordnung von taktilen Sensoren (nicht dargestellt) zum Liefern einer taktilen Rückkopplung an den Chirurgen. Das Werkzeug 24 kann eine Vielzahl von gelenkigen Werkzeugen, wie z.B. Klauen, Scheren, Greifer, Nadelhalter, Mikrodissektoren, Klammeranbringvorrichtungen, Hefter, Saug-Spül-Werkzeuge, Klemmenanbringvorrichtungen, die Endeffektoren aufweisen, die durch Drahtverbindungen, Exzenternocken, Schubstangen oder andere Mechanismen angetrieben werden, umfassen. Außerdem kann das Werkzeug 24 ein nicht-gelenkiges Instrument wie z.B. Schneidklingen, Sonden, Spülvorrichtungen, Katheter oder Saugöffnungen umfassen. Alternativ kann das Werkzeug 24 eine elektrochirurgische Sonde zum Abtragen, Entfernen, Schneiden oder Koagulieren von Gewebe umfassen. Im letzteren Ausführungsbeispiel umfasst die Handgelenkeinheit 22 ein leitendes Element wie z.B. einen proximalen Bananenstecker, der mit einem Zuleitungsdraht oder einer Stange gekoppelt ist, der/die sich durch den Schaft 56 zum Werkzeug 24 erstreckt.
Mit Bezug auf 4 und 8 wird eine spezielle Konfiguration der Antriebs- und Steuerkomponente der vorliegenden Erfindung (d.h. des Roboterarms 42 und der Antriebsanordnung 40) genauer beschrieben. Wie vorstehend erörtert, sind der Arm 42 und die Antriebsanordnung 40 um ein Paar von Stiften 150, die sich von der Montagestütze 44 erstrecken, drehbar gekoppelt. Der Arm 42 umfasst vorzugsweise einen länglichen, im Wesentlichen starren Körper 152 mit einem distalen Ende 48, das mit der Unterarmanordnung 48 gekoppelt ist, und einem proximalen Ende 154, das mit der Antriebsanordnung 40 und der Stütze 44 für eine Drehung um Schwenken und Gieren oder die X- und Y-Achsen schwenkbar gekoppelt ist (man beachte, dass die Y-Achse zur Seite senkrecht ist und sich durch den Punkt 45 erstreckt, siehe 8). Der Arm 40 kann andere Konfigurationen aufweisen, wie z.B. einen Ellbogenarm (ähnlich dem menschlichen Arm), einen prismatischen Arm (gerade ausfahrbar) oder dergleichen. Ein stationärer Giermotor 156 ist an der Montagestütze 44 zum Drehen des Arms 42 und der Antriebsanordnung 40 um die X-Achse montiert. Die Antriebsanordnung 40 umfasst auch einen Schwenkmotor 158, der mit dem Arm 42 zum Drehen des Arms um die Y-Achse gekoppelt ist. Ein Paar von im Wesentlichen starren Gestängeelementen 160, 124 erstrecken sich von der Stütze 44 zum Roboterarm 42, um den Arm 42 um die Y-Achse schwenkbar mit der Stütze 44 zu koppeln. Eines der Gestängeelemente 160 ist mit dem Arm 42 schwenkbar gekoppelt und das andere Gestängeelement 124 ist mit einem dritten Gestängeelement 164 schwenkbar gekoppelt, das sich parallel zum Arm 42 erstreckt. Vorzugsweise ist der Roboterarm 42 ein kanalförmiges starres Element, das zumindest teilweise das dritte Gestängeelement 164 aufnimmt. Die Gestängeelemente 160, 124 und 164 und der Arm 42 bilden ein Parallelogrammgestänge, in dem die Elemente für eine relative Bewegung nur in der durch die Elemente gebildeten Ebene in einem Parallelogramm miteinander verbunden sind.
Die Z-Achse der Handgelenkeinheit 22, die am distalen Ende 48 des Arms 42 gehalten wird, schneidet die x-Achse des vorstehend beschriebenen Parallelogrammgestänges. Die Handgelenkeinheit 22 besitzt ein entferntes Zentrum einer sphärischen Drehung um die durch die Ziffer 45 in 8 angegebene Position. Folglich kann das distale Ende der Handgelenkeinheit 22 um seine eigene Achse oder die X- und Y-Achsen gedreht werden, während das entfernte Drehzentrum 45 an derselben Stelle bleibt. Eine vollständigere Beschreibung einer Positionierungsvorrichtung für ein entferntes Zentrum ist in der US-Patentanmeldung Nr. 08/504 301, eingereicht am 20. Juli 1995, nun US-Patent Nr. 5 931 832, zu finden, deren vollständige Offenbarung durch den Hinweis für alle Zwecke hierin aufgenommen wird. Es sollte beachtet werden, dass der Arm 42 und die Antriebsanordnung 40 mit einem breiten Bereich von anderen Positionierungsvorrichtungen als der vorstehend beschriebenen und in 8 gezeigten verwendet werden können, wie z.B. einer stereotaktischen Positionierungseinrichtung, einem festen Kardanring oder dergleichen.
Mit erneutem Bezug auf 8 umfasst die Antriebsanordnung 40 ferner eine Vielzahl von Antriebsmotoren 170, die mit dem Arm 42 zur Drehung mit diesem gekoppelt sind. Die Schwenk- und Giermotoren 156, 158 steuern die Bewegung des Arms 42 (und der Antriebsmotoren 170) um die X- und Y-Achsen und die Antriebsmotoren 170 steuern die Bewegung der Handgelenkeinheit 22 und des Operationswerkzeugs 24. Vorzugsweise sind mindestens fünf Antriebsmotoren 170 mit dem Arm 42 gekoppelt, um mindestens fünf Freiheitsgrade für die Handgelenkeinheit 22 bereitzustellen. Die Antriebsmotoren 170 umfassen vorzugsweise Codierer (nicht dargestellt) zum Reagieren auf den Servomechanismus 16 und Kraftsensoren (nicht dargestellt) zum Übertragen einer Kraft- und Drehmomentrückkopplung zum Chirurgen S. Wie vorstehend erörtert, umfassen die fünf Freiheitsgrade vorzugsweise eine Bewegung des Wagens 122 und der Handgelenkeinheit 22 in der Z-Richtung, eine Drehung der Handgelenkeinheit 22 um die Z-Achse, eine Schwenk- und Gierdrehung des Operationswerkzeugs 24 um das Handgelenk 60 und eine Betätigung des Werkzeugs 24.
Wie gezeigt, erstrecken sich Seile 172 von jedem Motor 170 um eine Motorantriebsseilscheibe 174, eine Spannseilscheibe 176 innerhalb des Arms 42 und entlang einer relativ großen Topfhaspel 178, um die Wirkung des Reibungsdrehmoments auf die Seile 172 zu minimieren. Die Seile 172 erstrecken sich jeweils um eine weitere Spannseilscheibe 180 am distalen Ende 48 des Arms 42, um eine Kopplungsantriebsseilscheibe 182 und zurück zum Motor 170. Die Seile 172 werden vorzugsweise an der Motorantriebsseilscheibe 174 gespannt und dort verankert ebenso wie an der Kopplungsantriebsseilscheibe 182. Wie in 8 gezeigt, ist die Kopplungsantriebsseilscheibe 182 mit einer Vielzahl von kleineren Seilscheiben 184 innerhalb der Kopplungsanordnung 130 über eine Vielzahl von Seilen 186 zum Übertragen der Bewegung von den Motoren 170 auf den Handgelenkeinheitsadapter 52 verbunden.
Ein Verfahren zum Durchführen eines chirurgischen Eingriffs an einem Patienten gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf 1–8 beschrieben. Wie in 2 gezeigt, sind Montagegelenke 30 an der Fassung 32 befestigt, die am Operationstisch O durch Verschieben des Montagearms 34 entlang einer Schiene 36 befestigt wird. Jede Manipulatoranordnung 4 wird dann an ihrem jeweiligen Montagegelenk 30 befestigt und wird relativ zum Patienten P in die korrekte Position und Orientierung gelenkt. Die Fassungen 32 werden dann mit dem Servomechanismus 16 und anderen Systemen gekoppelt, die während des chirurgischen Eingriffs erforderlich sein können, wie z.B. einer HF-Stromquelle, einem Saug/Spül-System usw. Sterile Abdeckungen 70 werden über den Manipulatoranordnungen 4 angeordnet, bevor, während oder nachdem der Patient anästhetisiert wurde (3A). Zur Vorbereitung auf den chirurgischen Eingriff können die Manipulatoranordnungen 4 chemisch gereinigt werden oder nicht, bevor sie mit den Abdeckungen 70 bedeckt werden. Handgelenkeinheitsadapter 52, Kanülenadapter 64 und Endoskopadapter 110 werden auf die Unterarmanordnungen 46 der Manipulatoranordnungen 4 eingeschnappt (siehe 3B und 5). Die Anzahl und relativen Positionen der Endoskopadapter 110 und Handgelenkeinheitsadapter 52 hängen natürlich von dem individuellen chirurgischen Eingriff ab (z.B. können die Kanülenadapter 64 für offene chirurgische Eingriffe nicht erforderlich sein).
Während des chirurgischen Eingriffs werden Operationsinstrumentanordnungen 20 mit ihren jeweiligen Manipulatoranordnungen 4 durch seitliches Drücken jedes jeweiligen Handgelenkeinheitsschafts 56 durch die Öffnung 80 des Handgelenkeinheitsadapters 52 gekoppelt. Jede Handgelenkeinheit 22 weist eine geeignete Identifikationseinrichtung (nicht dargestellt) auf, um schnell und leicht anzugeben, welche Art von Werkzeug 24 mit der Handgelenkeinheit 22 verbunden ist. Wenn der Chirurg die Operationswerkzeuge 24 wechseln will, betätigt er die Steuereinheiten) 12, so dass sich der Wagen 122 in eine obere oder proximale Bewegungsposition entlang der Unterarmanordnung 46 bewegt (siehe 3B). In dieser Position befindet sich das Operationswerkzeug 24 innerhalb der Kanüle 66 oder während offener Eingriffe vom Operationsort entfernt. Der (die) Assistenten) A zieht (ziehen) dann an der Handgelenkkappe 58 nach oben, um den Riegel (nicht dargestellt) zu lösen, wodurch ermöglicht wird, dass die Handgelenkeinheit 22 weiter nach oben und aus der Kanüle 66 gleitet. Der (die) Assistenten) A kann (können) dann die Handgelenkeinheit 22 seitlich ziehen, um sie vom Handgelenkeinheitsadapter 52 abzukoppeln. Wenn die Handgelenkeinheit 22 nicht mehr mit dem Adapter 52 gekoppelt ist, versteht der Steuermechanismus, dass sich das System in der "Werkzeugwechselbetriebsart" befindet, und treibt den Wagen 122 in die proximate Position an, wenn er nicht bereits vom Chirurgen dorthin bewegt wurde.
Um eine weitere Operationsinstrumentanordnung 20 mit der Manipulatoranordnung 4 zu koppeln, ergreift (ergreifen) der (die) Assistenten) A eine weitere Anordnung 20 vom Tisch T, drückt (drücken) den Handgelenkeinheitsschaft 56 seitlich in die Öffnung 80 des Handgelenkeinheitsadapters 52 und bewegt (bewegen) dann die Handgelenkeinheit 22 nach unten, so dass sich das Operationswerkzeug 24 innerhalb der Kanüle 66 befindet (siehe 1 und 3B). Diese Abwärtsbewegung der Handgelenkeinheit 22 bringt automatisch die elektrischen Kopplungen und Bewegungsdurchführungen (nicht dargestellt) innerhalb der Handgelenkkappe 58 und des Handgelenkeinheitsadapters 52 in Eingriff. Das System kann einen Steuermechanismus umfassen, der dazu ausgelegt ist, die Bewegung des Wagens 122 in der oberen oder proximalen Position zu verriegeln, z.B. durch Betätigen einer Bremse (nicht dargestellt), bis die Kopplungen in Eingriff stehen und die Handgelenkeinheit 22 nicht mehr nach unten bewegt wird. And diesem Punkt kann der Chirurg S den chirurgischen Eingriff fortsetzen.
Das System und Verfahren der vorliegenden Erfindung umfasst vorzugsweise einen Mechanismus zum Zählen der Anzahl von Malen, die die Handgelenkeinheit 22 von dem Handgelenkeinheitsadapter 52 abgekoppelt und mit diesem gekoppelt wird. In dieser Weise kann der Hersteller die Anzahl von Malen, die die Handgelenkeinheit 22 verwendet werden kann, begrenzen. In einer speziellen Konfiguration ist ein integrierter Schaltungschip (nicht dargestellt) innerhalb der Handgelenkkappe 58 untergebracht. Der Schaltungschip zählt die Anzahl von Malen, die die Handgelenkeinheit 22 mit dem Handgelenkeinheitsadapter 52 gekoppelt wird, z.B. 20 mal, und eine Warnung zeigt sich auf der Konsole C des Chirurgen. Das Steuersystem setzt dann die Leistung des Systems durch Verringern der Last, die es liefern kann, oder Erhöhen des scheinbaren Spiels herab.
Mit Bezug nun auf 9A–9B und 10A–10B wird ein chirurgisches Robotersystem 200 mit einem chirurgischen Robotermanipulator 204, der vollständig mit einer sterilen Abdeckung 270 bedeckt ist, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die vorliegende Erfindung stellt einen sterilen Adapter bereit, der mit einer sterilen Abdeckung zum Abdecken von Teilen eines chirurgischen Telerobotersystems integriert ist, um eine sterile Barriere zwischen dem sterilen Operationsfeld und dem nicht-sterilen Robotersystem aufrechtzuerhalten, während auch eine Schnittstelle zum Übertragen von mechanischer und elektrischer Energie und Signalen zwischen einem Operationsinstrument und dem Robotersystem bereitgestellt ist. Vorteilhafterweise ermöglicht die vorliegende Erfindung einem Benutzer, Operationsinstrumente am System wiederholt und leicht zu installieren und zu entfernen, während eine sterile Barriere zwischen dem sterilen Operationsinstrument und dem nicht-sterilen Robotersystem aufrechterhalten wird.
9A zeigt ein Operationsinstrument 250, das an einem sterilen Instrumentenadapter (ISA) 300 installiert ist, der mit einer sterilen Abdeckung 270 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung integriert ist. Der ISA 300 ist wiederum betriebsbereit mit einem Adapteraufnahmeteil 500 des Manipulators 204 gekoppelt (z.B. am Unterarm 246. 9B ist eine Seitenansicht des chirurgischen Robotermanipulators von 9A ohne einen sterilen Abdeckungsteil (ausgenommen der ISA 300 ist gezeigt), um einen Arm mit mehreren Freiheitsgraden darzustellen, der eine Antriebsanordnung mit dem ISA 300, einem betriebsfähig gekoppelten Operationswerkzeug oder -instrument 250, einer chirurgischen Zubehörklemme 264 und einem betriebsfähig gekoppelten chirurgischen Zubehörteil 266 koppelt. 10A und 10B stellen den ISA 300 (mit integrierter steriler Abdeckung 270) und eine Zubehörklemme 264 ohne chirurgisches Instrument 250 und ohne chirurgisches Zubehörteil 266 dar, wobei 10B ohne Abdeckung 270 gezeigt ist. In einem Ausführungsbeispiel kann der ISA 300 dauerhaft an der sterilen Abdeckung mittels eines Filmklebstoffmaterials befestigt sein, das unter Verwendung eines Klebefilms an der sterilen Abdeckung durch einen Impuls wärmeversiegelt und/oder befestigt wird.
Das System 200 ist ähnlich zum vorstehend mit Bezug auf 1–8 gezeigten und beschriebenen System, aber Adapter (z.B. ein Handgelenkeinheitsadapter oder ein Kanülenadapter) erstrecken sich nicht durch Löcher in der Abdeckung 270, um mit einem Operationsinstrument im sterilen Feld zu koppeln. Statt dessen ist der ISA 300 mit der sterilen Abdeckung 270 integriert und ein Teil der Abdeckung 270 schirmt effektiv die Zubehörklemme 264 vom sterilen Feld der Operation ab, so dass der Manipulator 204 im Wesentlichen vollständig mit der Abdeckung 270 während des Eingriffs bedeckt ist. In einem Ausführungsbeispiel ist die Abdeckung vollständig wegwerfbar. Vorteilhafterweise müssen der ISA 300 und die Zubehörklemme 264 vor oder nach einem chirurgischen Eingriff nicht sterilisiert oder ausgetauscht werden, was folglich Kosteneinsparungen ermöglicht, und da im Wesentlichen eine vollständige Abdeckung durch die sterile Abdeckung besteht, ist das System 200 vor dem sterilen Feld besser abgeschirmt, was eine größere Isolation der Systemausrüstung und einen Schutz für den Patienten ermöglicht.
Dieselbe oder eine ähnliche Manipulatoranordnung 4 mit einer Antriebsanordnung 40, einem Arm 42, einer Unterarmanordnung 46, Handgelenkeinheitsadaptern 52, Handgelenkeinheiten 22 und Werkzeugen 24 (mit derselben oder einer ähnlichen Funktionalität), die vorstehend beschrieben sind, kann innerhalb des Systems 200 und mit dem ISA 300 und der Zubehörklemme 264 verwendet werden und auf eine wiederholte Beschreibung derselben oder ähnlichen Teile) wird verzichtet. Eine andere Antriebsanordnung 240, ein anderer Arm 242, eine andere Unterarmanordnung 246 und eine andere Schnittstelle 252 zum Betätigen des Werkzeugs 224 mit dem Schaft 256 und den Endeffektoren 265 ist jedoch in 9A–9B und 10A–10B dargestellt. Die Ausführungsbeispiele der Antriebsanordnung 240, des Arms 242, der Unterarmanordnung 246 und anderer anwendbarer Teile sind beispielsweise im US-Patent Nrn. 6 331 181, 6 491 701 und 6 770 081 beschrieben, deren vollständige Offenbarungen (einschließlich durch einen Hinweis darin aufgenommener Offenbarungen) durch den Hinweis für alle Zwecke hierin aufgenommen werden.
Ausführungsbeispiele von anwendbaren Operationsinstrumenten 250, Schnittstellen 252, Adaptern, Werkzeugen oder Zubehörteilen sind beispielsweise auch im US-Patent Nrn. 6 331 181, 6 491 701 und 6 770 081 beschrieben, deren vollständige Offenbarungen (einschließlich Offenbarungen, die durch einen Hinweis darin aufgenommen sind) für alle Zwecke durch den Hinweis hierin aufgenommen werden. Es wird angemerkt, dass verschiedene Operationsinstrumente gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf gelenkige Werkzeuge mit Endeffektoren, wie z.B. Klauen, Scheren, Greifern, Nadelhaltern, Mikrodissektoren, Klammeranbringvorrichtungen, Heftern, Saug-Spül-Werkzeugen und Klemmenanbringvorrichtungen, und nicht-gelenkige Werkzeuge, wie z.B. Schneidklingen, Kauterisationssonden, Spüleinrichtungen, Katheter und Saugöffnungen. Solche Operationsinstrumente sind von Intuitive Surgical, Inc., in Sunnyvale, Kalifornien, kommerziell erhältlich.
Mit Bezug nun auf 11A–11M ist eine Patientenseiten-Manipulator- (PSM) Abdeckungsverpackung 400 mit einer PSM-Abdeckung 404, die ein Teil der sterilen Abdeckung 70 (vorstehend mit Bezug auf 3A beschrieben) ist, gezeigt. Die PSM-Abdeckung 404 kann ein verbundener oder getrennter Abschnitt der sterilen Abdeckung 70 sein. 11A zeigt die PSM-Abdeckungsverpackung 400 mit einem PSM-Abdeckungsbeutel 402, in dem die PSM-Abdeckung 404 gefaltet ist. Die PSM-Abdeckung ist dazu ausgelegt, eine sterile Barriere zwischen den nicht-sterilen PSM-Armen und dem sterilen Feld des chirurgischen Eingriffs herzustellen. Die PSM-Abdeckung 404 umfasst einen integrierten sterilen Instrumentenadapter (ISA) 406, der dauerhaft an der Abdeckung montiert ist, wobei die vollständige Baugruppe den ISA umfasst, der verwendet wird, um mit einem Operationswerkzeug in Eingriff zu gelangen. Vorteilhafterweise unterstützen verschiedene Merkmale der PSM-Abdeckung den Abdeckungs- und Installationsprozess.
11B zeigt die PSM-Abdeckung 404 aus dem Beutel 402 entnommen. 11C zeigt ein Beispiel des ISA 406, der dauerhaft an der PSM-Abdeckung 404 nahe einem geschlossenen Ende der PSM-Abdeckung 404 montiert ist. 11D zeigt Reißstreifen 408, die das Hauptloch in der gefalteten PSM-Abdeckung definieren, und gefaltete Klappen 410. 11E zeigt die Klappen 410 entfaltet und 11F zeigt die PSM-Abdeckung 404 vollständig entfaltet. Die PSM-Abdeckung 404 wird so verpackt, dass die gefaltete Abdeckung zuerst über dem PSM-Arm angeordnet werden kann und dann der dauerhaft montierte ISA 406 am PSM-Arm befestigt wird, indem zuerst ein vorderes Zungenmerkmal in einer Stütze am PSM-Arm angeordnet wird, gefolgt vom Schwenken des anderen Endes des sterilen Adapters, bis er mit einem Riegel am PSM-Arm in Eingriff kommt. Die PSM-Abdeckung 404 wird in dieser anfänglichen Position unter Verwendung von Reißstreifen 408 gehalten, die das gesteuerte Entfalten der Abdeckung durch Reißen ermöglichen, wenn an diesen mit der erforderlichen Kraft gezogen wird. Der Benutzer zieht die Abdeckung entlang der Länge des PSM-Arms durch Legen seiner Hände in einteilige Manschetten 412 (11G) und Ziehen der Abdeckung entlang des PSM-Arms.
11G1 und 11G2 zeigen die einteilige Manschette 412 am offenen Ende der PSM-Abdeckung 404, wobei die Kante der Manschette 412 ein blaues Band 411 umfasst. Die sterile Operationsschwester kann ihre Hände in die Manschette legen, wenn sie die PSM-Abdeckung entlang des PSM-Arms zieht, und unter Verwendung der Manschette wird dem Benutzer versichert, dass seine Hände nichts berühren, das nicht steril ist, während sie in ihrer Weise entlang des PSM-Arms arbeiten. Das blaue Band 411 wirkt als physikalische Markierung an der Abdeckung, um die sterilen und nicht-sterilen Enden zu bezeichnen. Indem diese Markierung vorhanden ist, kann eine nicht-sterile Person wissen, auf der nichtsterilen Seite zu ziehen, wenn sie der sterilen Operationsschwester assistiert.
11H zeigt Bänder 414 der Abdeckung, um bei der Steuerung der Abdeckung zu helfen und die visuelle Größe der Abdeckung zu verringern (d.h. das Volumen oder den Raum, der von der entfalteten Abdeckung eingenommen wird, zu verringern). Ein Band liegt nahe dem Kanülenmontagebereich, ein weiteres Band liegt nahe einer "Verbindung 3" des PSM-Arms und ein weiteres Band liegt entlang eines "Einrichtungsarms" (z.B. Arm 42 von 4 und 5), an dem der PSM-Arm montiert ist.
11I zeigt Bänder 416 entlang der Einführungsachse und einen Kanülenmontagebeutel 418. Ein Kanülenmontagebeutel, der verwendet werden kann, ist in der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung (Anwaltsregister Nr. M-15932 US), eingereicht am 30. September 2005, offenbart, deren Inhalt durch den Hinweis vorher hierin aufgenommen wurde. Die Streifen 416 sind kaltverformbare Streifen an der Abdeckung in einem Einführungsachsenbereich. Die Streifen 416 sind an der Abdeckung zwischen dem sterilen Adapter und dem Kanülenmontagebereich befestigt. Sobald die Abdeckung am PSM-Arm installiert ist, kann der Benutzer die kaltverformbaren Streifen 416 verformen, um zu helfen, überschüssiges Abdeckungsmaterial umzufalten. Indem überschüssiges Abdeckungsmaterial umgefaltet und befestigt werden kann, kann veranlasst werden, dass die Abdeckung eng an die Form des PSM-Arms passt. Vorteilhafterweise verringert dies die visuelle Größe des Systems und ermöglicht dadurch mehr Sichtbarkeit des Patienten und seiner Umgebungen für den Chirurgen oder andere(n) Benutzer. Die Streifen 416 sind auch ausreichend kaltverformbar, um sich öffnen zu können, um zu ermöglichen, dass das System den maximalen Bewegungsbereich ohne Zerreißen der Abdeckung erreicht.
11J zeigt die PSM-Abdeckung 404 über einem Teil des PSM-Arms 417 und einen sterilen Adapter 406 an der Stelle, bevor die Streifen 416 vom Benutzer zurückgebogen werden. 11K zeigt die Streifen 416, nachdem sie vom Benutzer zurückgebogen wurden, so dass die PSM-Abdeckung 404 enger an die Form des PSM-Arms passt, wodurch die Größe des Systems verringert wird. 11L zeigt eine weitere Ansicht der Streifen 416, die biegsam genug sind, um für einen maximalen Bewegungsbereich geöffnet zu werden, und die vom Benutzer nach Wunsch während des Eingriffs umgeformt werden können.
Die vorstehend beschriebene Abdeckung 400 besteht vorzugsweise aus einem Material mit ausreichender Steifigkeit und Festigkeit, um eine zweckmäßige Anordnung über einem PSM-Arm zu ermöglichen und einem Reißen selbst unter der Aufbringung von zyklischen Lasten in verschiedenen Richtungen standzuhalten, besteht jedoch vorzugsweise aus einem Material mit ausreichender Flexibilität, um die Bewegung mit den aktiven Abschnitten der Manipulatorarme zu ermöglichen. Die Abdeckung 400 kann aus verschiedenen haltbaren Materialien bestehen und besteht in einem Beispiel aus Polyethylen, Polyurethan, Polycarbonat oder Gemischen davon. In einem Ausführungsbeispiel kann die Abdeckung 400 als Teil einer einzigen Abdeckung oder als separate Abdeckungen, die an der sterilen Hauptabdeckung 70 über Klebstoff, Wärme, HF-Schweißen oder andere Mittel befestigt werden können, im Vakuum ausgebildet werden. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Abdeckung 400 als getrennte Abdeckungen (jedoch möglicherweise zueinander benachbart oder mit Überlappung) verwendet werden, um verschiedene Teile des chirurgischen Robotersystems abzudecken.
Der ISA 300, der Adapteraufnahmeteil 500 und die Installation/der Eingriff zwischen dem ISA 300 und dem Adapteraufnahmeteil 500 und zwischen dem Operationsinstrument 250 und dem ISA 300 werden nun genauer beschrieben.
Mit Bezug auf 12A, 12B und 12C sind eine perspektivische Draufsicht von oben, eine perspektivische Draufsicht von unten bzw. eine Schnittansicht des ISA 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Der ISA 300 umfasst ein Gehäuse 302, eine Scheibe 304, eine obere Rückzugsplatte 306, ein Instrumentanschlagmerkmal 308 des Gehäuses 302, ein Schienenmerkmal 301 des Gehäuses 302, einen Kontakt 310 und eine untere Rückzugsplatte 312. Die obere Rückzugsplatte 306 und die untere Rückzugsplatte 312 bilden eine Rückzugsplattenanordnung 313, die sich relativ zum Gehäuse 302 bewegt. Die Scheiben 304 sind innerhalb der Rückzugsplattenanordnung 313 festgehalten und bewegen sich relativ zur Anordnung.
13 stellt eine Nahschnittansicht eines Kontakts 310 dar, der in einem Ausführungsbeispiel in das Gehäuse einsatzgeformt ist.
14A und 14B stellen perspektivische Nahdraufsichten von oben bzw. unten auf die Scheibe 304, die einen Zahn 314 an der Basis der Scheibe 304, ein Loch 316 im Körper der Scheibe 304 zum Aufnehmen von Stiften 253 eines Operationsinstruments 250 (siehe 17D und 17E), ein Loch 317 in der Unterseite der Scheibe 304 zum Aufnehmen von Stiften 505 von federbelasteten Eingängen 504 (siehe 16) und einen Ansatz 315 zum Bewegen der Scheibe 304 aus einer Totzone umfasst, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der ISA 300 vier Scheiben 304, wobei jede Scheibe 304 vier Zähne 314 und zwei Löcher 316 umfasst. Die vier Zähne 314 sind in einem Ausführungsbeispiel um 90 Grad auseinander angeordnet. Es wird angemerkt, dass in anderen Ausführungsbeispielen mehr oder weniger Scheiben, Zähne und Schlitze möglich sind, jedoch mit einem Adapteraufnahmeteil am Manipulator und einem Operationsinstrument wirksam koppeln müssen.
15A und 15B stellen perspektivische Draufsichten von oben und unten auf die obere Rückzugsplatte 306 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Die obere Rückzugsplatte 306 umfasst eine Stange 318 für den Eingriff der Rückzugsplatte und der Rückzugsplattenanordnung und einen Zahn 319 zum Eingriff mit einem Zahn 314 der Scheibe 304 in Abhängigkeit von der relativen Position. Wie gezeigt, umfasst die obere Rückzugsplatte 306 vier Öffnungen 307 für die vier Scheiben 304.
16 stellt eine perspektivische Ansicht eines Adapteraufnahmeteils 500 eines Manipulators 204 (z.B. eines PSM) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar. Der Adapteraufnahmeteil 500 umfasst eine Umhüllung 502, um elektrische Kontakte 510 zu isolieren, einen federbelasteten Eingang 504 mit einem Stift 505, einen Federtauchkolben 506 und eine Stütze 508, um den ISA 300 an der Stelle zu halten. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst der Adapteraufnahmeteil 500 vier federbelastete Eingänge 504, wobei jeder zwei Stifte 505 aufweist, und vier Federtauchkolben 506.
Mit Bezug nun auf 17A bis 17F sind die Installation/der Eingriff des ISA 300 am bzw. mit dem Adapteraufnahmeteil 500, die Installation/der Eingriff des Operationsinstruments 250 am bzw. mit dem ISA 300 und die Entfernung des Operationsinstruments 250 vom ISA 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt.
17A zeigt den ISA 300 am Adapteraufnahmeteil 500 des Manipulators 204 installiert und mit diesem in Eingriff. ISA-Kontakte 310 sind mit Manipulatorkontakten 510 gekoppelt, Scheiben 304 stehen mit federbelasteten Eingängen 504 in Eingriff, die untere Rückzugsplatte 312 steht mit den Federtauchkolben 506 in Eingriff und das Instrumentanschlagmerkmal 308 steht mit der Stütze 508 in Eingriff. Das Instrumentanschlagmerkmal 308 ermöglicht das Stoppen des Instruments (für die Patientensicherheit), wenn der Benutzer die Schienen 301 verfehlt, wenn er das Instrument am ISA installiert. Das Instrument wird durch die Stange 318 an der oberen Rückzugsplatte 306 vollständig gestoppt, wenn es installiert wird. Vor der Installation befinden sich die federbelasteten Eingänge 504 und die Federtauchkolben 506 in ihrer am weitesten ausgestreckten Position und die Scheiben 304 des ISA können sich frei zu irgendeinem willkürlichen Ort innerhalb der Rückzugsplattenanordnung drehen. In einem Ausführungsbeispiel ordnet der Benutzer zum Installieren des ISA 300 am Adapteraufnahmeteil 500 den vorderen Abschnitt des ISA-Gehäuses in einer Stütze an und schwenkt das hintere Ende nach unten, wodurch ein Riegel 511 in Eingriff gebracht wird.
In dieser installierten, aber Voreingriffsposition werden die Scheiben 304 gegen die obere Rückzugsplatte 306 durch federbelastete Eingänge 504 nach oben gedrückt und die Rückzugsplattenanordnung 313 wird durch federbelastete Eingänge 504 und die Federtauchkolben 506 nach oben gedrückt. An jeder Plattenstelle (Öffnung 307 der Rückzugsplatte 306) ist ein Zahn 319 an der Rückzugsplatte 306 vorhanden, der mit Zähnen 314 der Scheibe 304 in Eingriff steht. Die Zahnkonfiguration besitzt mehrere Funktionen, von denen eine darin besteht, die Scheiben 304 aus einer "Totzone" zu schieben, die eine Winkelorientierung ist, in der die Löcher 317 in der Unterseite der Scheibe 304 in einer Position liegen, in der sie nicht mit Stiften 505 der federbelasteten Eingänge 504 in Eingriff stehen, da sie sich nicht um volle 360 Grad drehen. Eine weitere Funktion der Zahnkonfiguration besteht darin zu verhindern, dass sich die Scheibe 304 mehr als um 90 Grad während der Eingriffssequenz des sterilen Adapters dreht.
Während der Eingriffssequenz stehen die Scheibenzähne 314 mit den Rückzugsplattenzähnen 319 in Eingriff, wenn die federbelasteten Eingänge 504 aktiviert werden, um eine Bewegung der Scheibe 304 durch Reibung zwischen den Stiften 505 und der unteren Oberfläche der Scheibe 304 und durch Kontakt mit dem Ansatz 315 zu verleihen. Die Anwesenheit der vier Zähne 314 stoppt diese Drehbewegung der Scheibe 304 und die Stifte 505 werden sich auf die Löcher 317 der Scheibe 304 ausrichten lassen, wenn sich die federbelasteten Eingänge 504 relativ zur Scheibe 304 drehen. Wenn sich die Löcher 317 auf der Unterseite der Scheibe 304 und die Stifte 505 der federbelasteten Eingänge 504 ausrichten, fallen die Scheiben 304 auf die federbelasteten Eingänge 504. An diesem Punkt geben die Zähne 319 der oberen Rückzugsplatte 306 die Zähne 314 der Scheibe 304 frei, wenn die Scheibe 304 nach unten fallen gelassen wird, wodurch ermöglicht wird, dass sich die Scheibe 304 frei um 360 Grad relativ zur Rückzugsplatte 306 bewegt. Wenn die Scheiben 304 mit den federbelasteten Eingängen 504 in Eingriff gebracht werden, wird der ISA 300 mit dem Adapteraufnahmeteil 500 in Eingriff gebracht.
In einem Ausführungsbeispiel geschieht die Eingriffssequenz in Millisekunden nach der Installation des ISA 300 am Adapteraufnahmeteil 500. Wenn der ISA 300 in die Position nach unten geschwenkt wird, kommen die elektrischen Kontakte 310 mit elektrischen Kontakten 510 (z.B. Stifte) in Eingriff, so dass zwei anfänglich offene Stromkreise am Manipulator 204 geschlossen werden, was die ISA-Eingriffssequenz aktiviert. Es wird angemerkt, dass der einsatzgeformte Kontakt 310 im Gehäuse 302 mehrere elektrische Wege (Kontaktlöcher) aufweisen kann, die mit Kontakten am Adapteraufnahmeteil 500 in Eingriff kommen und die auch verwendet werden, um eine Kommunikation mit einem Operationsinstrument 250 über elektrische Kontakte 255 des Instruments herzustellen (17C).
17B zeigt das Operationsinstrument 250 teilweise installiert und 17C zeigt das Operationsinstrument 250 vollständig installiert und mit dem ISA 300 in Eingriff. Anfänglich, wenn der Benutzer das Operationsinstrument 250 am ISA 300 installiert, wird die Rückzugsplattenanordnung 313 in Richtung des Adapteraufnahmeteils 500 nach unten geschoben, wenn die obere Rückzugsplatte 306 durch das Instrument 250, das mit der mittleren Stange 318 in Eingriff kommt, nach unten gedrückt wird. Vor dem elektrischen Eingriff zwischen dem Instrument 250 und dem ISA 300 kommt eine Abschrägung an der Stange 318 mit einer Abschrägung an der Unterseite des Instruments 250 in Eingriff und, wenn diese zwei Abschrägungen ausgerichtet werden, wird das Instrument aufgrund der Federkraft der federbelasteten Eingänge und Federtauchkolben in seine Ruheposition gezogen. Wenn das Instrument in seine Ruheposition gezogen wird, beginnt die Rückzugsplattenanordnung 313, in das chirurgische Instrument anzusteigen, und in im Wesentlichen derselben Bewegung kommen die elektrischen Kontakte 255 des Instruments 250 mit elektrischen Kontakten 310 des ISA 300 in Kontakt. Wenn das Instrument 250 am ISA 300 installiert wird, drückt die obere Rückzugsplatte 306 auf die Unterseite des Instruments und die Stange 318 befindet sich innerhalb eines Zwischenraumschlitzes im Instrumentgehäuse. Vor dem Instrumenteingriff werden die Scheiben 304 und die federbelasteten Eingänge 504 vom Instrument weggedrückt, da die Eingänge am Instrument nicht mit den Löchern 316 an der Oberseite der Scheibe 304 in Eingriff gebracht werden.
17D und 17E stellen eine Eingriffssequenz der Scheibe 304 mit dem Instrument 250 dar. In 17D wird die Scheibe 304 nicht mit dem Instrument 250 in Eingriff gebracht, bis sich die Scheibe 304 dreht, um sich auf die Instrumentenscheibe 251 auszurichten, die sich anfänglich in einer zufälligen Position befindet. Wie vorher in Bezug auf die Eingriffssequenz zwischen dem ISA 300 und dem Adapteraufnahmeteil 500 erwähnt, wird, wenn die elektrischen Kontakte des Instruments mit den Kontakten 310 des ISA 300 in Eingriff gelangen, ein normalerweise offener Stromkreis am ISA geschlossen, was die Instrumenteingriffssequenz aktiviert. Die federbelasteten Eingänge 504 und Scheiben 304 drehen sich zusammen als Baugruppe, bis die Löcher 316 der Scheibe 304 mit den Stiften 253 der Instrumentscheiben 251 in Eingriff kommen. Wenn die Löcher auf die Stifte ausgerichtet werden, wird ermöglicht, dass sich die Scheibe 304 und die federbelasteten Eingänge 504 nach oben bewegen. 17E zeigt eine Instrumentenscheibe 251 mit einem Stift 253, der mit dem Loch 316 der ISA-Scheibe 304 in Eingriff steht. An diesem Punkt wird das Instrument 250 als mit dem ISA 300 in Eingriff betrachtet. Es wird angemerkt, dass andere Kontakte am ISA 300 elektrische Signale zwischen dem chirurgischen System und der Instrument-RTI-Platine übertragen können.
Wenn das Instrument vollständig installiert ist, wird es an drei Punkten entlang seines Gehäuses in der Position gehalten. Zwei Punkte liegen an den Schienenmerkmalen 301 entlang der Seiten des Instruments und ein dritter Punkt liegt im zentralen Niederhalteansatz 309 entlang der vorderen Mitte des Instruments. Durch Niederhalten des Instruments an drei Stellen wird das Instrument vorteilhafterweise nicht überbeansprucht und die Installation und Entfernung sind leichter gemacht.
17F stellt die Entfernung des Instruments 250 (nicht dargestellt) vom ISA 300 dar. Wenn der Benutzer das Instrument entfernen will, werden Hebel auf beiden Seiten gepresst und das Instrument wird wieder aus dem ISA gezogen. Die Hebel am Instrument wirken auf die mittlere Stange 318 der oberen Rückzugsplatte, die wiederum die Rückzugsplatte vom Instrument weg nach unten zieht. Wenn sich die Rückzugsplatte weiter weg bewegt, werden die Scheiben 304 von den Stiften des Instruments gelöst, was die Entfernung des Instruments ermöglicht.
Vorteilhafterweise stellen die Abdeckungen der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Installation und Kopplung eines Operationsinstruments mit einem Manipulatorarm, eine verbesserte Unempfindlichkeit des sterilen Feldes und eine erhöhte Visualisierung des Patienten durch Verringern der Größe der Abdeckungen mit mehr Formschlussmerkmalen bereit.
Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele erläutern, aber begrenzen die Erfindung nicht. Es sollte auch selbstverständlich sein, dass zahlreiche Modifikationen und Veränderungen gemäß Prinzipien der vorliegenden Erfindung möglich sind. Die Anzahl von Stiften, Schlitzen, Scheiben und Zähnen kann beispielsweise variieren, muss jedoch eine bedienbare Kopplung zwischen dem ISA, dem Manipulatorarm und dem Operationsinstrument ermöglichen. Folglich ist der Schutzbereich der Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche definiert.

Claims

Sterile Abdeckung zum Abdecken eines nicht-sterilen Teils eines chirurgischen Robotersystems, wobei die sterile Abdeckung umfasst: eine äußere Oberfläche benachbart zu einem sterilen Feld zum Durchführen eines chirurgischen Eingriffs; eine innere Oberfläche, die einen Hohlraum zum Aufnehmen des nichtsterilen Teils des chirurgischen Robotersystems bildet; und einen sterilen Adapter zum Koppeln zwischen einem nicht-sterilen Manipulatorarm des chirurgischen Robotersystems und einem Operationsinstrument im sterilen Feld.
Sterile Abdeckung nach Anspruch 1, wobei die Abdeckung aus einem Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyethylen, Polyurethan und Polycarbonat besteht.
Sterile Abdeckung nach Anspruch 1, wobei die Abdeckung ein im Vakuum gebildeter Teil einer größeren Abdeckung oder ein separat geformter Teil ist.
Sterile Abdeckung nach Anspruch 1, wobei das Operationsinstrument aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus gelenkigen Werkzeugen mit Endeffektoren, wie z.B. Klauen, Scheren, Greifern, Nadelhaltern, Mikrodissektoren, Klammeranbringvorrichtungen, Heftern, Saug-Spül-Werkzeugen und Klemmenanbringvorrichtungen, und nicht-gelenkigen Werkzeugen, wie z.B. Schneidklingen, Kauterisationssonden, Spülvorrichtungen, Kathetern und Saugöffnungen besteht.
Sterile Abdeckung nach Anspruch 1, wobei der sterile Adapter einen elektrischen Kontakt zum Koppeln mit einem elektrischen Kontakt am Manipulatorarm und mit einem elektrischen Kontakt am chirurgischen Instrument umfasst.
Sterile Abdeckung nach Anspruch 5, wobei der elektrische Kontakt des sterilen Adapters in ein Gehäuse des sterilen Adapters einsatzgeformt ist.
Sterile Abdeckung nach Anspruch 1, wobei der sterile Adapter eine Scheibe mit Öffnungen und Zähnen zum Eingriff des Manipulatorarms und des sterilen Instruments umfasst.
Sterile Abdeckung nach Anspruch 1, wobei der Manipulatorarm einen Adapteraufnahmeteil umfasst, der federbelastete Eingänge zum Eingriff mit dem Adapter aufweist.
Chirurgisches Robotersystem zum Durchführen einer Prozedur innerhalb eines sterilen Feldes, wobei das System umfasst: einen Manipulatorarm in einem nicht-sterilen Feld; ein Operationsinstrument im sterilen Feld; und eine sterile Abdeckung, die den Manipulatorarm abdeckt, um den Manipulatorarm vor dem sterilen Feld abzuschirmen, wobei die sterile Abdeckung einen sterilen Adapter für die Kopplung zwischen dem Manipulatorarm und dem Operationsinstrument umfasst.
System nach Anspruch 9, wobei der Manipulatorarm ein Patientenseiten-Manipulatorarm oder ein Endoskopkamera-Manipulatorarm ist.
System nach Anspruch 9, wobei die Abdeckung aus einem Material besteht, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Polyethylen, Polyurethan und Polycarbonat besteht.
System nach Anspruch 9, wobei das Operationsinstrument aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus gelenkigen Werkzeugen mit Endeffektoren, wie z.B. Klauen, Scheren, Greifern, Nadelhaltern, Mikrodissektoren, Klammeranbringvorrichtungen, Heftern, Saug-Spül-Werkzeugen und Klemmenanbringvorrichtungen, und nicht-gelenkigen Werkzeugen, wie z.B. Schneidklingen, Kauterisationssonden, Spülvorrichtungen, Kathetern und Saugöffnungen besteht.
System nach Anspruch 9, wobei der sterile Adapter einen elektrischen Kontakt zum Koppeln mit einem elektrischen Kontakt am Manipulatorarm und mit einem elektrischen Kontakt am Operationsinstrument umfasst.
System nach Anspruch 13, wobei der elektrische Kontakt des sterilen Adapters in ein Gehäuse des sterilen Adapters einsatzgeformt ist.
System nach Anspruch 9, wobei der sterile Adapter eine Scheibe mit Öffnungen und Zähnen zum Eingriff des Manipulatorarm und des sterilen Instruments umfasst.
System nach Anspruch 9, wobei der Manipulatorarm einen Adapteraufnahmeteil umfasst, der federbelastete Eingänge zum Eingriff mit dem Adapter aufweist.
Verfahren zum Koppeln eines Operationsinstruments mit einem Manipulatorarm eines chirurgischen Robotersystems, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen einer sterilen Abdeckung mit: einer äußeren Oberfläche benachbart zu einem sterilen Feld zum Durchführen eines chirurgischen Eingriffs; einer inneren Oberfläche, die einen Hohlraum zum Aufnehmen eines nichtsterilen Teils des chirurgischen Robotersystems bildet; und einem sterilen Adapter zum Koppeln zwischen einem Manipulatorarm im nicht-sterilen Feld und einem Operationsinstrument im sterilen Feld; Anordnen der sterilen Abdeckung über dem Manipulatorarm; Koppeln des Adapters mit einem Aufnahmeteil des Manipulatorarms; und Koppeln des Adapters mit dem Operationsinstrument.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Operationsinstrument aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus gelenkigen Werkzeugen mit Endeffektoren, wie z.B. Klauen, Scheren, Greifern, Nadelhaltern, Mikrodissektoren, Klammeranbringvorrichtungen, Heftern, Saug-Spül-Werkzeugen und Klemmenanbringvorrichtungen, und nicht-gelenkigen Werkzeugen, wie z.B. Schneidklingen, Kauterisationssonden, Spülvorrichtungen, Kathetern und Saugöffnungen besteht.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Kopplung des Adapters mit einem Aufnahmeteil des Manipulatorarms das Installieren des Adapters über dem Aufnahmeteil des Manipulatorarms und den Eingriff einer Scheibe des Adapters mit einem federbelasteten Eingang des Aufnahmeteils des Manipulatorarms umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Kopplung des Adapters mit dem Operationsinstrument die Installation des Instruments über dem Adapter und den Eingriff einer Scheibe des Adapters mit einem Stift des Instruments umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, welches ferner das vollständige Bedecken des Manipulatorarms mit der sterilen Abdeckung umfasst.