DE102006059379A1

DE102006059379A1 - Gelenkiges und wechselbares Endoskop für einen chirurgischen Roboter

Info

Publication number: DE102006059379A1
Application number: DE200610059379
Authority: DE
Inventors: Christpher J. Los Altos Hasser; Nitish Sunnyvale Swarup; Thomas G. Menlo Park Cooper; Christpher S. Northamton Anderson
Original assignee: Intuitive Surgical Inc
Current assignee: Intuitive Surgical Inc
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2007-08-16
Also published as: US10506920B2; JP5415578B2; EP3278715B1; KR101487819B1; WO2007120353A2; JP2013046772A; JP5652922B2; EP3785597A1; EP3785597B1; CN102028545A; CN102028545B; EP3087901A1; FR2895665A1; EP2735278A3; CN101340853A; KR20130090922A; CN101978928B; JP2012152562A; EP3087901B1; KR20080089579A

Abstract

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf ein gelenkiges, minimal invasives, chirurgisches Endoskop mit einem flexiblen Handgelenk mit mindestens einem Freiheitsgrad. Wenn es mit einem chirurgischen Roboter mit einer Vielzahl von Roboterarmen verwendet wird, kann das Endoskop mit einem beliebigen der Vielzahl von Armen verwendet werden, wodurch die Verwendung einer universellen Armkonstruktion ermöglicht wird. Das Endoskop gemäß der vorliegenden Erfindung ist für einen Benutzer intuitiver gemacht, indem ein Referenzrahmen, der zum Steuern der Bewegung in dem mindestens einen Freiheitsgrad verwendet wird, am flexiblen Handgelenk für eine Handgelenkbewegung befestigt wird, die dem mindestens einen Freiheitsgrad zugeordnet ist. Das Endoskop gemäß der vorliegenden Erfindung dämpft eine unerwünschte Bewegung an seinem hinteren/proximalen Ende durch Aufnahmen des Bildes des Objekts im Zusammenhang mit dem mindestens einen Freiheitsgrad auf der Basis eines Referenzrahmens, der sich um einen Drehpunkt dreht, der nahe dem flexiblen Handgelenk liegt.

Description

Diese Anmeldung ist eine Teilfortführung der Patentanmeldung mit der Ser.-Nr. 11/071 480, eingereicht am 3. März 2005, die eine Teilfortführung der Patentanmeldung mit der Ser.-Nr. 10/726 795, eingereicht am 2. Dez. 2003 ist, die die Priorität von der vorläufigen Anmeldung Nr. 60/431 636, eingereicht am 6. Dezember 2002, beansprucht. Diese Anmeldung ist auch eine Teilfortführung der Patentanmeldung mit der Ser.-Nr. 10/980 119, eingereicht am 1. November 2004, die eine Fortführung des US-Patents Nr. 6 817 974, herausgegeben am 16. November 2004, ist, die die Priorität von der vorläufigen Anmeldung Nr. 60/301 967, eingereicht am 29. Juni 2001, und der vorläufigen Anmeldung Nr. 60/327 702, eingereicht am 5. Oktober 2001, beansprucht. Diese Anmeldung betrifft die folgenden Patente und Patentanmeldungen, deren vollständige Offenbarungen durch den Hinweis hierin aufgenommen werden:

US-Patent Nr. 6 699 235 mit dem Titel "Platform Link Wrist Mechanism", herausgegeben am 2. März 2004;
US-Patent Nr. 6 786 896 mit dem Titel "Robotic Apparatus", herausgegeben am 7. September 2004;
US-Patent Nr. G 331 181 mit dem Titel "Surgical Robotic Tools, Data Architecture, and Use", herausgegeben am 18. Dezember 2001;
US-Patent Nr. 6 799 065 mit dem Titel "Image Shifting Apparatus and Method for a Telerobotic System", herausgegeben am 28. September 2004;
US-Patent Nr. 6 720 988 mit dem Titel "Stereo Imaging System and Method for Use in Telerobotic System", herausgegeben am 13. April 2004;
US-Patent Nr. 6 714 839 mit dem Titel "Master Having Redundant Degrees of Freedom", herausgegeben am 30. März 2004;
US-Patent Nr. 6 659 939 mit dem Titel "Cooperative Minimally Invasive Telesurgery System", herausgegeben am 9. Dezember 2003;
US-Patent Nr. 6 424 885 mit dem Titel "Camera Referenced Control in a Minimally Invasive Surgical Apparatus", herausgegeben am 23. Juli 2002;
US-Patent Nr. 6 394 998 mit dem Titel "Surgical Tools for Use in Minimally Invasive Telesurgical Applications", herausgegeben am 28. Mai 2002; und
US-Patent Nr. 5 808 665 mit dem Titel "Endoscopic Surgical Instrument and Method for Use", herausgegeben am 15. September 1998; und
US-Patent Nr. 6 522 906 mit dem Titel "Devices and Methods for Presenting and Regulating Auxiliary Information on An Image Display of a Telesurgical System to Assist an Operator in Performing a Surgical Procedure", herausgegeben am 18. Februar 2003.
US-Patent Nr. 6 364 888 mit dem Titel "Alignment of Master and Slave in a Minimally Invasive Surgical Apparatus", herausgegeben am 2. April 2002.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Endoskope und insbesondere lenkbare/gelenkige und wechselbare Endoskope zum Durchführen einer Roboteroperation. Fortschritte in der minimal invasiven chirurgischen Technologie konnten die Anzahl von in einer minimal invasiven Weise durchgeführten Operationen drastisch erhöhen. Minimal invasive medizinische Verfahren sind auf die Verringerung der Menge an äußerem Gewebe, das während diagnostischer oder chirurgischer Eingriffs beschädigt wird, gezielt, wodurch die Patientenerholungszeit, die Unannehmlichkeit und schädliche Nebenwirkungen verringert werden. Die mittlere Länge eines Krankenhausaufenthalts für eine Standardchirurgie kann auch unter Verwendung von minimal invasiven chirurgischen Verfahren signifikant verkürzt werden. Folglich könnte eine verstärkte Übernahme von minimal invasiven Verfahren Millionen von Krankenhaustagen und Millionen von Dollars jährlich an Krankenhausaufenthaltskosten allein einsparen. Die Patientenerholungszeiten, die Patientenunannehmlichkeit, chirurgische Nebenwirkungen und die Fehlzeit von der Arbeit können auch mit der minimal invasiven Chirurgie verringert werden.

Die üblichste Form der minimal invasiven Chirurgie kann die Endoskopie sein. Die wahrscheinlich üblichste Form der Endoskopie ist die Laparoskopie, die eine minimal invasive Untersuchung und Operation innerhalb der Bauchhöhle ist. In der Standard-Laparoskopchirurgie wird der Bauch eines Patienten mit einem Gas aufgeblasen und Kanülenhülsen werden durch kleine (ungefähr 1/2 Inch) Einschnitte geführt, um Eintrittsöffnungen für laparoskopische Operationsinstrumente zu schaffen. Die laparoskopischen Operationsinstrumente umfassen im Allgemeinen ein Laparoskop (zum Betrachten des Operationsfeldes) und Arbeitswerkzeuge. Die Arbeitswerkzeuge sind ähnlich zu jenen, die bei der herkömmlichen (offenen) Chirurgie verwendet werden, außer dass das Arbeitsende oder der Endeffektor jedes Werkzeugs von seinem Griff durch eine Verlängerungsröhre getrennt ist. Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff "Endeffektor" den tatsächlichen Arbeitsteil des Operationsinstruments und kann beispielsweise Klemmen, Greifer, eine Schere, Klammern und Nadelhalter umfassen. Um chirurgische Eingriffe durchzuführen, führt der Chirurg diese Arbeitswerkzeuge oder Instrumente durch die Kanülenhülsen zu einem inneren Operationsort und betätigt sie von außerhalb des Bauchs. Der Chirurg überwacht den Eingriff mittels eines Monitors, der ein Bild des Operationsorts anzeigt, das vom Laparoskop aufgenommen wird. Ähnliche Endoskopverfahren werden z.B. bei der Arthroskopie, Retroperitoneoskopie, Pelviskopie, Nephroskopie, Zystoskopie, Zisternoskopie, Sinoskopie, Hysteroskopie, Urethroskopie und dergleichen verwendet.

Es bestehen viele Nachteile hinsichtlich der aktuellen minimal invasiven chirurgischen (MIS) Technologie. Existierende MIS-Instrumente verwehren beispielsweise dem Chirurgen die Flexibilität der Werkzeuganordnung, die bei der offenen Chirurgie zu finden ist. Die meisten derzeitigen Laparoskopwerkzeuge besitzen starre Schäfte, so dass es schwierig sein kann, sich der Arbeitsstelle durch den kleinen Einschnitt zu nähern. Außerdem verringert die Länge und Konstruktion von vielen Endoskopinstrumenten die Fähigkeit des Chirurgen, Kräfte zu spüren, die durch Gewebe und Organe auf den Endeffektor des zugehörigen Werkzeugs ausgeübt werden. Der Mangel an Geschicklichkeit und Empfindlichkeit von Endoskopwerkzeugen ist eine Hauptbehinderung für die Erweiterung der minimal invasiven Chirurgie.

Minimal invasive telechirurgische Robotersysteme werden entwickelt, um die Geschicklichkeit eines Chirurgen beim Arbeiten innerhalb eines internen Operationsorts zu steigern sowie einem Chirurgen zu ermöglichen, einen Patienten von einem entfernten Ort aus zu operieren. In einem Telechirurgiesystem wird der Chirurg häufig mit einem Bild des Operationsorts an einem Computerarbeitsplatzrechner versehen. Während er ein dreidimensionales Bild des Operationsorts auf einer geeigneten Betrachtungsvorrichtung oder Anzeige betrachtet, führt der Chirurg die chirurgischen Eingriffe am Patienten durch Bedienen von Master-Eingabe- oder -Steuervorrichtungen des Arbeitsplatzrechners durch. Der Master steuert die Bewegung eines servomechanisch bedienten chirurgischen Instruments. Während des chirurgischen Eingriffs kann das telechirurgische System eine mechanische Betätigung und Steuerung einer Vielfalt von chirurgischen Instrumenten oder Werkzeugen mit Endeffektoren, wie z.B. Gewebegreifern, Nadelantriebsvorrichtungen oder dergleichen, die verschiedene Funktionen für den Chirurgen durchführen, z.B. Halten oder Antreiben einer Nadel, Ergreifen eines Blutgefäßes oder Durchschneiden von Gewebe oder dergleichen, in Reaktion auf die Bedienung der Master-Steuervorrichtungen bereitstellen. Obwohl minimal invasive chirurgische Robotersysteme, wie z.B. das Da Vinci^® von Intuitive Surgical Inc. in Sunnyvale, Kalifornien, Chirurgen mit viel mehr Gelenkigkeit und 2D- und 3D-Videobildern mit stark verbesserter Qualität während Operationen als herkömmliche Laparoskopie versehen können, können derzeit solche chirurgischen Robotersysteme hinsichtlich der Flexibilität in bestimmten Funktionen begrenzter sein. Insbesondere aufgrund ihrer Größe und ihres Gewichts muss eine chirurgische Roboterarchitektur mit einem "zweckgebundenen" Roboterarm das Endoskop und seinen Kamerakopf halten, wie z.B. jene, die im US-Patent Nr. 6 451 027 beschrieben ist. Folglich können Chirurgen das Endoskop nicht zwischen den Öffnungen auswechseln, wie es typischerweise bei der herkömmlichen Laparoskopie vorkommt. Überdies verursachen die Größe und das Gewicht des Endoskops eine Schwierigkeit bei der Demontage und manuellen Steuerung des Endoskops, insbesondere um schwierig zu erreichende oder verborgene Bereiche zu sehen. Dieser Verlust an Flexibilität bedeutet, dass, obwohl sich minimal invasive chirurgische Robotersysteme in schwierigen rekonstruktiven Operationen in begrenzten Bereichen wie z.B. dem Herzen und dem Becken auszeichnen, sie für Eingriffe, die einen Zugang zu großen anatomischen Bereichen (z.B. mehreren Quadranten des Bauchs) und/oder einen Zugang aus verschiedenen Richtungen beinhalten, weniger anwendbar werden.

Ferner sind derzeitige Roboterendoskope starr, wobei sie entweder geradeaus (d.h. Winkel von Null (0) Grad) oder in einem Winkel von dreißig (30) Grad von der langen Achse des Endoskops zeigen, was dem Chirurgen ermöglicht, leichter nach unten oder oben zu blicken. Während vieler chirurgischer Eingriffe kann der Chirurg folglich zahlreiche Male zwischen einem Geradeaus-Endoskop und einem Dreißig-Grad-Endoskop hin und her wechseln müssen, um verschiedene Perspektiven innerhalb des Operationsorts zu erhalten. Ein solcher Endoskopwechsel erhöht die Dauer des chirurgischen Eingriffs, die Operations- und logistische Komplexität und sogar Sicherheitsbelange. Selbst mit dem Endoskopwechsel ist der Chirurg jedoch immer noch auf nur einige visuelle Perspektiven und daher einen kleineren Bereich an Sichtbarkeit begrenzt. Außerdem kann der Chirurg immer noch daran gehindert werden, eine gewünschte Sicht der Körpergewebe zu erhalten, die um Hindernisse (z.B. während gynäkologischer Eingriffe) oder zwischen Geweben verborgen sind, was eine gewisse Tunnelführung erfordert (z.B. während einer Vorhoffibrillation oder einer Endoluminaldiagnose und -behandlung).

Folglich existiert ein Bedarf für ein chirurgisches Roboterendoskopsystem und ein Verfahren, das die Vereinfachung von zukünftigen chirurgischen Roboterarchitekturen ermöglicht, eine flexiblere Öffnungsanordnung vorsieht, einen größeren Sichtbarkeitsbereich bereitstellt, mehrere visuelle Perspektiven ohne zusätzliche Operations- und logistische Komplexität oder Sicherheitsbelange bereitstellt und die am meisten erwünschte Ansicht von verborgenen Körpergeweben bereitstellt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Folglich stellt die vorliegende Erfindung ein gelenkiges und wechselbares chirurgisches Roboterendoskopsystem und ein Verfahren bereit, das die Vereinfachung von zukünftigen chirurgischen Roboterarchitekturen ermöglicht, eine flexiblere Öffnungsanordnung vorsieht, einen größeren Sichtbarkeitsbereich bereitstellt, mehrere visuelle Perspektiven ohne zusätzliche Operations- und logistische Komplexität oder Sicherheitsbelange bereitstellt und die am meisten erwünschte Ansicht von verborgenen Körpergeweben bereitstellt.

Die vorliegende Erfindung erfüllt den obigen Bedarf mit einem minimal invasiven gelenkigen chirurgischen Endoskop mit einem länglichen Schaft, einem flexiblen Handgelenk, einer Endoskopkameralinse und einer Vielzahl von Betätigungsverbindungen. Der längliche Schaft besitzt ein Arbeitsende, ein proximales Ende und eine Schaftachse zwischen dem Arbeitsende und dem proximalen Ende. Das flexible Handgelenk besitzt ein distales Ende und ein proximales Ende. Das proximale Ende des Handgelenks ist mit dem Arbeitsende des länglichen Schafts verbunden. Die Endoskopkameralinse ist am distalen Ende des Handgelenks installiert. Die Vielzahl von Betätigungsverbindungen sind zwischen dem Handgelenk und dem proximalen Ende des länglichen Schafts derart verbunden, dass die Verbindungen betätigbar sind, um das Handgelenk mit mindestens einem Freiheitsgrad zu versehen (z.B. sowohl Handgelenkschwenk – als auch – gierungsbewegungen), wobei ein Referenzrahmen, der zum Steuern der Bewegung in dem mindestens einen Freiheitsgrad verwendet wird, am flexiblen Handgelenk für eine Handgelenkbewegung angebracht ist, die dem mindestens einen Freiheitsgrad zugeordnet ist, um mehr Intuition für den Benutzer während der Bewegung in dem mindestens einen Freiheitsgrad vorzusehen. Dagegen ist der Referenzrahmen, der zum Steuern anderer Freiheitsgrade (z.B. Einführungs/Herauszieh-Bewegung im kartesischen Raum und Schaftdrehung) verwendet wird, die dem Endoskop zugeordnet sind, am Objekt befestigt. Das minimal invasive gelenkige chirurgische Endoskop ist mit irgendeinem der Vielzahl von Armen lösbar gekoppelt und ist so ausgelegt, dass es zwischen der Vielzahl von Armen gewechselt wird, so dass eine Standardarmkonstruktion für das chirurgische Robotersystem verwendet wird.

Wenn das gelenkige chirurgische Endoskop verwendet wird, um ein Bild (z.B. ein Orbitalbild) einer Anatomie in Zusammenhang mit dem mindestens einen Freiheitsgrad aufzunehmen, ist der Referenzrahmen für ein solches Bild einer, der sich um einen Drehpunkt dreht, der nahe dem flexiblen Handgelenk liegt, um eine unerwünschte Bewegung am proximalen Ende des Endoskops zu minimieren. Eine solche unerwünschte Bewegung wird weiter gedämpft, wenn der zum Steuern des mindestens einen Freiheitsgrades verwendete Referenzrahmen am flexiblen Handgelenk befestigt ist.

Alle Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele ersichtlich, deren Beschreibung in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen betrachtet werden sollte.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Perspektive eines Operationswerkzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht eines Handgelenks gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Querschnittsansicht des Handgelenks von 2 entlang III-III.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Handgelenks gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4A und 4B sind eine Draufsicht bzw. eine Aufrissansicht eines distalen Teils eines Beispiels eines Handgelenks ähnlich jenem von 4, die Details der Seilanordnung zeigen.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines Handgelenks gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
6 ist eine Draufsicht auf ein Handgelenk gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
7 ist eine Querschnittsansicht eines Handgelenks gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
8 ist eine Draufsicht auf ein Handgelenk gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
9 ist eine Aufrissansicht des Handgelenks von 8 mit einem Werkzeugschaft und einer Kardanplatte.
10 ist eine Draufsicht auf ein Handgelenk gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
11 ist eine Aufrissansicht des Handgelenks von 10.
12 ist eine Aufrissansicht eines Handgelenks gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
13 ist eine Draufsicht auf ein Handgelenk gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
14 ist eine Querschnittsansicht eines Teils eines Handgelenks gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
15 ist eine teilweise Schnittansicht des Handgelenks von 14 beim Biegen.
16 ist eine perspektivische Ansicht eines Handgelenks gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
17 ist eine Draufsicht auf das Handgelenk von 16.
18 ist eine Querschnittsansicht eines Teils eines Handgelenks gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
19 ist eine perspektivische Ansicht eines Handgelenks gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
20 ist eine Draufsicht auf ein Handgelenk gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
21 ist eine perspektivische Ansicht eines Handgelenks gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
22 ist eine Querschnittsansicht eines Teils eines Handgelenks gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
23 und 24 sind Draufsichten auf die Scheiben in dem Handgelenk von 22.
25 ist eine perspektivische Ansicht eines äußeren Stücks für das Handgelenk von 22.
26 ist eine Querschnittsansicht des äußeren Stücks von 25.
27 ist eine perspektivische Ansicht eines Handgelenks gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
28 ist eine Querschnittsansicht einer Handgelenkabdeckung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
29 ist eine Querschnittsansicht einer Handgelenkabdeckung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
30 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils einer Handgelenkabdeckung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
31 stellt ein Ausführungsbeispiel eines gelenkigen Endoskops, das bei der minimal invasiven Roboterchirurgie verwendet wird, gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
32 stellt einen Katheter 321 dar, der mit dem Endoskop 310 durch eine Reihe von lösbaren Klemmen 320 lösbar gekoppelt ist.
33 stellt eine Katheterführung 331 dar, die mit dem Endoskop 310 durch eine Reihe von lösbaren Klemmen 320 lösbar gekoppelt ist.
34 ist ein Videoblockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel der Videoverbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
35 stellt ein Ausführungsbeispiel eines gelenkigen Endoskops, das bei der minimal invasiven Roboterchirurgie verwendet wird, gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
36 ist eine einfache beispielhafte Darstellung von intuitiv gegenüber gegenintuitiv relativ zu verschiedenen Referenzrahmen für ein minimal invasives Roboterendoskop.
37 stellt die verschiedenen potentiellen Drehpunkte für das Endoskop 310'' gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
38 stellt die zwei Master-Eingabevorrichtungen dar, die virtuell kombiniert sind, um in einer ähnlichen Weise zu einer Fahrradlenkstange zu arbeiten.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Wie hierin verwendet, bezieht sich "Endeffektor" auf einen tatsächlichen distalen Arbeitsteil, der mittels des Handgelenkelements für eine medizinische Funktion, z.B. zum Bewirken einer vorbestimmten Behandlung eines Zielgewebes, bedienbar ist. Einige Endeffektoren besitzen beispielsweise ein einzelnes Arbeitselement wie z.B. ein Skalpell, eine Klinge oder eine Elektrode. Andere Endeffektoren besitzen ein Paar oder eine Vielzahl von Arbeitselementen, wie beispielsweise Zangen, Greifer, Scheren oder Klemmenanbringvorrichtungen. In bestimmten Ausführungsbeispielen sind die Scheiben oder Wirbel so gestaltet, dass sie Öffnungen aufweisen, die gemeinsam ein Längslumen oder einen Längsraum entlang des Handgelenks definieren, der einen Kanal für irgendeines von einer Anzahl von alternativen Elementen oder Instrumentalitäten bereitstellt, die zur Bedienung eines Endeffektors gehören. Beispiele umfassen Leiter für elektrisch aktivierte Endeffektoren (z.B. elektrochirurgische Elektroden; Wandler, Sensoren und dergleichen); Kanäle für Fluide, Gase oder Feststoffe (z.B. zum Saugen, Aufblasen, Spülen, für Behandlungsfluide, Zubehöreinleitung, Biopsieentnahme und dergleichen); mechanische Elemente zum Betätigen von sich bewegenden Endeffektorelementen (z.B. Seile, flexible Elemente oder gelenkige Elemente zum Betätigen von Greifern, Zangen, Scheren); Wellenleiter; Schallleitungselemente; faseroptische Elemente; und dergleichen. Ein solcher Längskanal kann mit einer Auskleidung, einem Isolator oder einem Führungselement, wie z.B. einer elastischen Polymerröhre; einem einer mit Spiraldraht umwickelten Röhre oder dergleichen, versehen sein.
Wie hierin verwendet, beziehen sich die Begriffe "chirurgisches Instrument", "Instrument", "Operationswerkzeug" oder "Werkzeug" auf ein Element mit einem Arbeitsende, das einen oder mehrere zu einem Operationsort in einem Hohlraum eines Patienten einzuführende Endeffektoren trägt und von außerhalb des Hohlraums betätigbar ist, um den (die) Endeffektor(en) zu bedienen, um eine gewünschte Behandlung oder medizinische Funktion eines Zielgewebes am Operationsort zu bewirken. Das Instrument oder Werkzeug umfasst typischerweise einen Schaft, der den (die) Endeffektor(en) an einem distalen Ende trägt, und wird vorzugsweise durch ein telechirurgisches System servomechanisch betätigt, um Funktionen, wie z.B. Halten oder Antreiben einer Nadel, Greifen eines Blutgefäßes und Durchschneiden von Gewebe, durchzuführen.
Die hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele des flexiblen Handgelenks sollen relativ kostengünstig herzustellen sein und zur Verwendung für die Kauterisation in der Lage sein, obwohl sie nicht auf die Verwendung zur Kauterisation begrenzt sind. Für MIS-Anwendungen ist der Durchmesser des einführbaren Teils des Werkzeugs klein, typischerweise etwa 12 mm oder geringer und vorzugsweise etwa 5 mm oder geringer, um kleine Einschnitte zu gestatten. Es sollte selbstverständlich sein, dass, obwohl die im Einzelnen beschriebenen Beispiele diesen Größenbereich darstellen, die Ausführungsbeispiele so skaliert werden können, dass sie größere oder kleinere Instrumente umfassen.
Einige der Handgelenkausführungsbeispiele verwenden eine Reihe von Scheiben oder ähnlichen Elementen, die sich in einer schlangenartigen Weise bewegen, wenn sie hinsichtlich Schwenken und Gierung bewegt werden (z.B. 14 und 22). Die Scheiben sind ringförmige Scheiben und können kreisförmige Innen- und Außendurchmesser aufweisen. Typischerweise umfassen diese Handgelenke jeweils eine Reihe von Scheiben, beispielsweise etwa dreizehn Scheiben, die etwa 0,005 Inch bis etwa 0,030 Inch dicke, geätzte Edelstahlscheiben sein können. Dünnere Scheiben können in der Mitte verwendet werden, während dickere Scheiben für die Endbereiche für zusätzliche Festigkeit erwünscht sind, um Seilkräfte zu absorbieren, wie z.B. jene, die an den Seil-U-Windungen um die Endscheibe aufgebracht werden. Die Endscheibe kann eine Senkbohrung (z.B. etwa 0,015 Inch tief) umfassen, in die die zentrale Feder passt, um die Last von den Seilen in einen Druck der zentralen Feder zu übertragen. Die Scheiben können auf eine innere Feder gefädelt werden, die als Lumen zum Ziehen von Seilen für einen Endeffektor wie z.B. einen Greifer, eine Kauterisationsverbindung oder ein Halteseil zum Halten einer Spitze daran wirkt. Die innere Feder stellt auch axiale Steifigkeit bereit, so dass die Greifer- oder Halteseilkräfte das Handgelenk nicht verzerren. In einigen Ausführungsbeispielen umfassen die Scheiben ein Paar von gegenüberliegend angeordneten inneren Ansätzen oder Zungen, die durch die innere Feder festgehalten werden. Die innere Feder liegt auf einer festen Höhe (die Drähte von aufeinander folgenden Schraubensteigungen liegen miteinander in Kontakt, wenn die Feder nicht ausgelenkt ist), außer an Stellen, an denen die Ansätze der Scheiben eingefügt sind, um Spalte in der Feder zu erzeugen. Die Scheiben wechseln in der Richtung der Ansätze ab, um eine abwechselnde Schwenk- und Gierungsdrehung zu ermöglichen. Eine typische innere Feder ist aus einem Draht mit einem Durchmesser von 0,01 Inch hergestellt und benachbarte Scheiben sind durch vier Federwendeln voneinander beabstandet. Wenn die Feder aus einem an der Kante gewickelten Flachdraht (wie ein Slinky) hergestellt ist, kann eine hohe axiale Kraft durch die Seile aufgebracht werden, ohne zu verursachen, dass benachbarte Wendeln übereinander springen.
In einigen Ausführungsbeispielen besitzt jede Scheibe zwölf gleichmäßig beabstandete Löcher zum Aufnehmen von Betätigungsseilen. Drei Seile reichen aus, um das Handgelenk in einer beliebigen gewünschten Richtung zu biegen, wobei die Spannungen an den einzelnen Seilen koordiniert werden, um die gewünschte Biegebewegung zu erzeugen. Aufgrund des kleinen Handgelenkdurchmessers und der auf das Handgelenk durch chirurgische Kräfte ausgeübten Momente ist die Spannung in den drei Seilen ziemlich groß. Mehr als drei Seile werden typischerweise verwendet, um die Spannung in jedem Seil zu verringern (einschließlich zusätzlicher Seile, die für Steuerungszwecke redundant sind). In einigen nachstehend dargestellten Beispielen werden zwölf oder mehr Seile verwendet (siehe Erörterung von 4 nachstehend). Um die Seile anzutreiben, kann eine Kardanplatte oder Schwingplatte verwendet werden. Die Kardanplatte verwendet zwei Standardeingänge, um die Seile zu bedienen, um das Handgelenk in beliebigen Winkeln relativ zu den Schwenk- und Gierungsachsen zu biegen.
Einige Handgelenke sind aus einem röhrenförmigen Element gebildet, das ausreichend flexibel ist, um sich hinsichtlich Schwenken und Gierung zu biegen (z.B. 2 und 4). Eine innere Feder kann enthalten sein. Das röhrenförmige Element kann Ausschnitte umfassen, um die strukturelle Steifigkeit zu verringern, um die Biegung zu erleichtern (z.B. 5 und 19). Eine Weise, das Handgelenk herzustellen, besteht darin, Draht- und Hyporöhrendorne in das mittlere Loch und die Betätigungsdrahtlöcher einzusetzen. Eine Form kann hergestellt werden und die Baugruppe kann mit einem zweiteiligen Platinhärtungs-Silikonkautschuk, der im Ofen gehärtet wird (z.B. bei etwa 165 °C) überformt werden. Die Dorne werden nach dem Formen herausgezogen, um Kanäle zu erzeugen, um das mittlere Lumen und periphere Lumen für die Zugseile zu bilden. In dieser Weise besitzt das Handgelenk keine freiliegenden Metallteile. Der Kautschuk kann einem Autoklaven standhalten und kann der Dehnung während der Handgelenkbiegung, die typischerweise etwa 30 % Dehnung ist, standhaften.
In speziellen Ausführungsbeispielen umfasst das röhrenförmige Element eine Vielzahl von axialen Gleitelementen mit jeweils einem Lumen zum Aufnehmen eines Betätigungsseils (z.B. 8). Das röhrenförmige Element kann durch eine Vielzahl von axialen Federn mit Wendeln, die mit den Wendeln von benachbarten Federn überlappen, gebildet werden, um Lumina zur Aufnahme der Betätigungsseile bereitzustellen (z.B. 10). Das röhrenförmige Element kann durch einen Stapel von Wellenfedern gebildet werden (z.B. 12). Die Lumina im röhrenförmigen Element können durch Innenseiten von axialen Federn gebildet werden (z.B. 16). Das Äußere des röhrenförmigen Elements kann geflochten werden, um Torsionssteifigkeit bereitzustellen (z.B. 27).
A. Handgelenk mit Drähten die durch eine Drahtumhüllung abgestützt sind
1 zeigt ein Handgelenk 10, das zwischen einem distalen Endeffektor 12 und einem proximalen Werkzeugschaft oder einer Hauptröhre 14 für ein chirurgisches Werkzeug verbunden ist. Der gezeigte Endeffektor 12 umfasst Griffe 16, die an einem distalen Gabelkopf 18 montiert sind, wie am besten in 2 zu sehen. Der distale Gabelkopf 18 umfasst Seitenzugangsschlitze 20, die distale Klemmverbindungen 22 einer Vielzahl von Drähten oder Seilen 24 aufnehmen, die proximal mit Hyporöhren 26 verbinden, die sich durch eine Plattform oder Führung 30 und das Innere des Werkzeugschafts 14 erstrecken. Die Führung 30 orientiert die Hyporöhren 26 und die Drahtanordnung und ist am Werkzeugschaft 14 des Instruments befestigt. Die Führung 30 leitet auch die Rollbewegung des Handgelenks 10 ein, wenn der Werkzeugschaft 14 hinsichtlich Rollen bewegt wird. Die Seitenzugangsschlitze 20 ermöglichen herkömmlicherweise, dass die Klemmverbindungen 22 an die Stelle gepresst werden. Andere Weisen zum Befestigen der Drähte 24 am distalen Gabelkopf 18 wie z.B. Laserschweißen können natürlich in anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden.
2 und 3 zeigen vier Drähte 24, aber eine andere Anzahl von Drähten kann in einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden. Die Drähte 24 können aus Nitinol oder anderen geeigneten Materialien bestehen. Die Drähte 24 erzeugen die Verbindung des Handgelenks 10 und sind zwischen dem distalen Gabelkopf 18 und den Hyporöhren 26 starr befestigt. Eine Drahtumhüllung 34 ist um die Drähte 24 ähnlich einer Schraubenfeder gewickelt und erstreckt sich zwischen dem distalen Gabelkopf 18 und den Hyporöhren 26. Die Schrumpfröhre 36 bedeckt die Drahtumhüllung 34 und Teile des distalen Gabelkopfs 18 und der Führung 30. Die Drahtumhüllung 34 und die Schrumpfröhre 36 haften die Drähte 24 in festen Abständen voneinander, wenn die Hyporöhren 26 geschoben und gezogen werden, um zu bewirken, dass sich das Handgelenk 10 hinsichtlich Schwenken und Gierung bewegt. Sie stellen auch eine Torsions- und allgemeine Steifigkeit für das Handgelenk 10 bereit, um zu ermöglichen, dass es sich hinsichtlich Rollen mit dem Werkzeugschaft 14 bewegt und äußeren Kräften Widerstand leistet. Die Drahtumhüllung und die Schrumpfröhre können in anderen Ausführungsbeispielen in anderen Weisen gestaltet sein (ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist in 27 gezeigt und wird im Abschnitt J nachstehend beschrieben.). Sie können beispielsweise in eine Extrusion mit fünf Lumina mit den Drähten 24 als innerem Teil umgewandelt werden. Die Funktion der Drahtumhüllung oder einer äquivalenten Struktur besteht darin, die Drähte 24 in einem konstanten Abstand von der Mittellinie zu halten, wenn sich das Handgelenk 10 hinsichtlich Rollen, Schwenken und/oder Gierung bewegt. Die Schrumpfröhre kann auch eine elektrische Isolation bereitstellen.
B. Handgelenk mit flexibler Röhre die durch Betätigungsseile gebogen wird
4 zeigt ein Handgelenk 40, das eine Röhre 42 mit Löchern oder Lumina 43 umfasst, die um den Umfang verteilt sind, um Betätigungsseile oder Drähte 44 aufzunehmen, die aus Nitinol bestehen können. Die Röhre 42 ist flexibel, um eine Biegung hinsichtlich Schwenken und Gierung zu ermöglichen, indem die Seile 44 gezogen werden. Das Handgelenk 40 umfasst vorzugsweise eine starre distale Abschlussscheibe 41 (wie in einem alternativen Ausführungsbeispiel von 4B gezeigt) oder eine andere Verstärkung, die wesentlich starrer ist als die flexible Röhre 42, um Seilkräfte gleichmäßig auf die flexible Röhre 42 zu verteilen. Das hohle Zentrum der Röhre 42 schafft Raum für Endeffektorseile wie z.B. Greifseile. Typischerweise sind mindestens vier Lumina vorhanden. Eine innere Feder 47 kann vorgesehen sein.
4 zeigt zwölf Lumina für das spezielle Ausführungsbeispiel, um sechs Seife 44 aufzunehmen, die U-Windungen 45 am distalen Ende der Röhre 42 machen. Die hohe Anzahl von verwendeten Seilen ermöglicht, dass die Röhre 42 eine höhere Steifigkeit für dieselbe Seilzugkraft aufweist, um dieselbe Biegung hinsichtlich Schwenken und Gierung zu erreichen. Die Verwendung von zwölf Seilen anstelle von vier Seilen bedeutet beispielsweise, dass die Röhre 42 dreimal so steif für dieselbe Seilzugkraft sein kann. Wenn die Steifigkeit der Röhre 42 gleich bleibt, verringert die Verwendung von zwölf Seelen anstelle von vier Seilen alternativ die erforderliche Seilzugkraft um einen Faktor von drei. Man beachte, dass, obwohl die Materialeigenschaften und die Seilspannungspegel ermöglichen können, dass die U-Windungen 45 direkt am Ende der Röhre 42 anliegen, eine verstärkte distale Abschlussplatte 41 enthalten sein kann, um die Seilkräfte gleichmäßiger über die Röhre 42 zu verteilen. Die proximalen Enden der Seile 44 können mit einem Stellgliedmechanismus verbunden sein, wie z.B. einer Anordnung mit einer Kardanplatte 46, die in der US-Patentanmeldung Nr. 10/187 248, eingereicht am 27. Juni 2002, offenbart ist, deren vollständige Offenbarung durch den Hinweis hierin aufgenommen wird. Dieser Mechanismus erleichtert die Betätigung einer ausgewählten Vielzahl von Seilen in einer koordinierten Weise für die Steuerung eines biegsamen oder lenkbaren Elements wie z.B. Steuern des Biegewinkels und der Richtung des flexiblen Handgelenks. Das Beispiel eines Stellgliedmechanismus der Anmeldung Nr. 10/187 248 kann so angepasst werden, dass eine große Anzahl von peripheren Seilen in einer proportionierten Weise betätigt wird, um eine koordinierte Lenkung eines flexiblen Elements bereitzustellen, ohne eine vergleichsweise große Anzahl von linearen Stellgliedern zu erfordern. Alternativ kann ein separat gesteuerter linearer Betätigungsmechanismus verwendet werden, um jedes Seil oder Seilpaare, die über eine Seilscheibe in einer Schleife geführt sind und mit einem Drehstellglied bewegt werden, zu spannen, wobei die Lenkung durch Koordinieren der linearen Stellglieder gesteuert wird.
Die Röhre 42 kann typischerweise aus einem Kunststoffmaterial oder einem Elastomer mit einem ausreichend niedrigen Elastizitätsmodul bestehen, um eine angemessene Biegung hinsichtlich Schwenken und Gierung zu ermöglichen, und kann durch eine Mehrfachlumen-Extrusion hergestellt werden, um die Vielzahl von Lumina, z.B. zwölf Lumina, aufzunehmen. Es ist erwünscht, dass die Röhre eine hohe Biegesteifigkeit aufweist, um unerwünschte Auslenkungen wie z.B. eine S-Form-Biegung zu begrenzen, dies erhöht jedoch die Seilkräfte, die für die gewünschte Biegung hinsichtlich Schwenken und Gierung erforderlich sind. Wie nachstehend erörtert, kann man eine größere Anzahl von Seilen als erforderlich, um das Handgelenk hinsichtlich Schwenken und Gierung zu betätigen (d.h. mehr als drei Seile), verwenden, um ausreichend hohe Seilkräfte bereitzustellen, um die hohe Biegesteifigkeit der Röhre zu überwinden.
4A und 4B zeigen schematisch ein Beispiel von zwei verschiedenen Seilanordnungen in einem Handgelenkausführungsbeispiel ähnlich dem in 4 gezeigten. Man beachte, dass für eine konstante gesamte Seilquerschnittfläche, einschließlich Seilen in Paaren und einschließlich einer größeren Anzahl von verhältnismäßig kleineren Seilen, beide ermöglichen, dass die Seile in einem größeren seitlichen Versatz relativ zur Handgelenkmittellinie enden. 4A und 4B zeigen eine Draufsicht bzw. eine Aufrissansicht eines Handgelenkausführungsbeispiels, die durch eine Teilungslinie geteilt sind, so dass die rechte Seite von jeder Figur ein Handgelenkbeispiel 1 zeigt und die linke Seite von jeder Figur ein Handgelenkbeispiel 2 zeigt. In jedem Beispiel besitzt die Röhre 42 denselben äußeren Radius R und inneren Radius r, die das zentrale Lumen definieren.
Im Beispiel 1 ist die Anzahl von Seilen 44 im Handgelenk 40.1 gleich vier (n1 = 4), wobei jedes Seil individuell durch einen distalen Anker 44.5 abgeschlossen ist, der in eine Senkbohrung in der distalen Abschlussplatte 41 eingesetzt ist, wobei sich jedes Seil durch ein jeweiliges seitliches Seillumen 43 in der distalen Abschlussplatte 41 und der flexiblen Röhre 42 erstreckt. Der Anker 44.5 kann ein gestauchter Wulst oder ein anderer herkömmlicher Seilanker sein.
Im Beispiel 2 ist die Anzahl von Seilen 44' im Handgelenk 40.2 gleich sechzehn (n2 = 16), wobei die Seile als acht symmetrisch beabstandete Paare von Teilen 44' angeordnet sind, wobei jedes Paar durch eine distale "U-Windungs"-Endschleife 45 abgeschlossen ist, die an der distalen Abschlussplatte 41' zwischen benachbarten Seillumina 43' anliegt. Die Kanten der distalen Abschlussplatte 41' an der Öffnung der Lumina 43' können abgerundet sein, um die Spannungskonzentration zu verringern, und die Schleife 45 kann teilweise oder vollständig in die distale Abschlussplatte 41 versenkt sein. Die Durchmesser der sechzehn Seile 44' sind ½ der Durchmesser der vier Seile 44, so dass die gesamte Querschnittsfläche in jedem Beispiel dieselbe ist.
Beim Vergleich von Beispielen 1 und 2 beseitigt die Verwendung der Abschlussschleife 45 das einem Seilanker 44.5 gewidmete distale Volumen und ermöglicht gewöhnlich, dass das Seillumen 43' näher am Radius R der Röhre 42 liegt als das Seillumen 43. Außerdem bringt der kleinere Durchmesser von jedem Seil 44' die Seilmittellinie näher an die äußere Kante des Seillumens 43'. Diese beiden Eigenschaften ermöglichen, dass die Seile in Beispiel 2 um einen größeren Momentarm L2 relativ zur Mitte der Röhre 42 wirken als der entsprechende Momentarm L1 von Beispiel 1. Dieser größere Momentarm L2 ermöglicht niedrigere Seilspannungen für dasselbe gesamte Biegemoment an der Röhre 42 (was eine längere Seillebensdauer oder einen breiteren Bereich von wahlweisen Seilmaterialien ermöglicht) oder alternativ ein größeres Biegemoment für dieselben Seilspannungen (was eine größere Handgelenkpositionierungssteifigkeit ermöglicht). Außerdem können die Seile mit kleinerem Durchmesser flexibler sein als vergleichsweise dickere Seile. Folglich umfasst ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Handgelenks 40 mehr als drei Seile, vorzugsweise mindestens 6 (z.B. drei Paare von schleifenförmigen Seilen) und bevorzugter zwölf oder mehr.
Man beachte, dass der Anker- oder Abschlusspunkt, der an der distalen Abschlussplatte 41 gezeigt ist, beispielhaft ist und die Seile so abgeschlossen sein können (durch einen Anker oder eine Schleife), dass sie direkt am Material der Röhre 42 anliegen, wenn die Eigenschaften des ausgewählten Materials für die aufgebrachten Spannungen geeignet sind. Alternativ können sich die Seile distal über die Röhre 42 und/oder die distale Abschlussplatte 41 hinaus erstrecken, so dass sie durch eine Verbindung an einem distaleren Endeffektorelement (nicht dargestellt) enden, wobei die Seilspannung ausreichend vorgespannt ist, um das Endeffektorelement sicher mit dem Handgelenk 40 innerhalb des Betätigungsbereichs der Handgelenkbewegung verbunden zu halten.
Eine Weise zum strukturellen Verringern der Steifigkeit der Röhre besteht darin, Ausschnitte vorzusehen, wie in 5 gezeigt. Die Röhre 50 umfasst eine Vielzahl von Ausschnitten 52 auf zwei Seiten und abwechselnd in zwei senkrechten Richtungen, um die Biegung hinsichtlich Schwenken bzw. Gierung zu erleichtern. Eine Vielzahl von Lumina 54 sind um den Umfang verteilt, um Betätigungsseile aufzunehmen.
In einem weitern Ausführungsbeispiel, das in 6 dargestellt ist, ist die Röhre 60 als äußere Manschette ausgebildet, die um eine innere Feder 62 gewickelt ist, die aus einem Material mit höherer Steifigkeit als jenem für die Röhre 60 ausgebildet ist. Die Röhre 60 umfasst innere Schlitze 64, um Betätigungsseile aufzunehmen. Das Vorsehen einer separat ausgebildeten flexiblen Röhre kann die Montage vereinfachen. Eine solche Röhre ist leichter zu extrudieren oder anderweitig zu bilden als eine Röhre mit Löchern zum Durchführen von Seilen. Die Röhre eignet sich auch für die Verwendung von Betätigungsseilen mit vorgeformten Abschlussstrukturen oder Ankern, da die Seile vom zentralen Lumen aus an die Stelle gebracht werden können, und dann die innere Feder innerhalb die Seile eingesetzt werden kann, um den Abstand und den Halt der Seile aufrechtzuerhalten. In einigen Fällen kann die Röhre 60 eine Komponente zur einmaligen Verwendung sein, die steril, aber nicht notwendigerweise im Autoklaven sterilisierbar ist.
7 zeigt eine Röhre 70 mit Ausschnitten 72, die zu den Ausschnitten 52 in der Röhre 50 von 5 ähnlich sein können. Die Röhre 70 kann aus Kunststoff oder Metall bestehen. Eine äußere Abdeckung 74 ist um die Röhre 50 angeordnet. Die äußere Abdeckung 74 kann eine Kapton-Abdeckung oder dergleichen sein und ist typischerweise ein Material mit hohen Modul mit Falten, die in die Ausschnitte 72 passen.
C. Handgelenk mit axialer Zunge und Nutgleitelementen
8 und 9 zeigen ein Handgelenk 80 mit einer Vielzahl von flexiblen, axial gleitenden Elementen 82, die durch eine axiale Zungen- und Nutverbindung 84 miteinander verbunden oder verriegelt sind, um ein röhrenförmiges Handgelenk 80 zu bilden. Jedes Gleitelement 82 bildet ein Längssegment der Röhre 80. Die axiale Verbindung 84 ermöglicht, dass die Gleitelemente 82 axial relativ zueinander gleiten, während die seitliche Position jedes Elements relativ zur Handgelenklängsmittellinie aufrechterhalten wird. Jedes Gleitelement 82 umfasst ein Loch oder ein Lumen 86 zum Aufnehmen eines Betätigungsseils, das benachbart zum distalen Ende des Handgelenks 80 abgeschlossen ist. 9 stellt die Biegung des Handgelenks 80 unter Seilzugkräften der Seile 90 dar, wie durch die Gleitbewegung der Gleitelemente 82 erleichtert. Die Seile 90 erstrecken sich durch den Werkzeugschaft 92 und sind proximal mit einem Betätigungsmechanismus wie z.B. einer Kardanplatte 94 zur Betätigung verbunden. Die Gleitelemente 82 biegen sich um verschiedene Ausmaße aufgrund des Unterschiedes der Krümmungsradien für die Gleitelemente 82 während der Biegung des Handgelenks 80. Alternativ kann ein Ausführungsbeispiel eines Handgelenks mit axial gleitenden Elementen integrierte Seile und Gleitelemente aufweisen, wobei beispielsweise die Gleitelemente einteilig um die Seile (z.B. durch Extrusion) als integrierte Gleitelemente ausgebildet sind, oder wobei ein Betätigungsmechanismus mit den proximalen Enden der Gleitelemente koppelt, wobei die Gleitelemente Kräfte direkt auf das distale Ende des Handgelenks übertragen.
13 zeigt ein Handgelenk 130 mit einer Vielzahl von axialen Elementen 132, die typischerweise aus einem flexiblen Kunststoffmaterial bestehen. Die axialen Elemente 132 können über den Seifen 134 coextrudiert werden, so dass die Seile Metall und immer noch isoliert sein können. Die axialen Elemente 132 können durch eine axiale Zungen- und Nutverbindung 136 miteinander verbunden sein, um ein röhrenförmiges Handgelenk 130 zu bilden. Die axialen Elemente 132 können während der Biegung des Handgelenks 130 hinsichtlich Schwenken und Gierung relativ zueinander gleiten lassen werden. Das Handgelenk 130 ist ähnlich zum Handgelenk 80 von 8, besitzt jedoch eine geringfügig andere Gestalt und die Komponenten weisen andere Formen auf.
D. Handgelenk mit überlappenden axialen Federelementen
10 und 11 zeigen ein Handgelenk 100, das aus einer Vielzahl von axialen Federn 102 gebildet ist, die um einen Umfang angeordnet sind, um ein röhrenförmiges Handgelenk 100 zu bilden. Die Federn 102 sind Schraubenfedern, die in derselben Richtung oder wahrscheinlicher in entgegengesetzten Richtungen gewickelt sind. Ein Seil 104 erstreckt sich durch den Überlappungsbereich jedes Paars von benachbarten Federn 102, wie deutlicher in 11 zu sehen ist. Aufgrund der Überlappung wäre die feste Höhe des Handgelenks 100 zweimal die feste Höhe einer einzelnen Feder 102, wenn das Handgelenk vollständig unter der Seilspannung zusammengedrückt wird. Die Federn 102 sind typischerweise auf Druck vorbelastet, so dass die Seile nicht durchhängen, und um die Handgelenkstabilität zu erhöhen.
In einer Alternative sind die Federn auf einen vollständig zusammengedrückten Zustand der festen Höhe durch eine Seilvorspannung vorgespannt, wenn sich das Handgelenk in einem neutralen oder in einem ungebogenen Zustand befindet. Eine gesteuerte, koordinierte Verringerung der Seilspannung oder ein Seillösen auf einer Seite des Handgelenks ermöglicht, dass sich eine Seite ausdehnt, so dass sich die Federn auf einer Seite des Handgelenks 100 ausdehnen, um den äußeren Radius des gebogenen Handgelenks 100 zu bilden. Das Handgelenk wird bei der erneuten Aufbringung der äußeren Seilzugkraft in die gerade Konfiguration zurückgebracht.
In einer weiteren Alternative werden die Federn durch die Seilvorspannung in einen teilweise zusammengedrückten Zustand vorgespannt, wenn sich das Handgelenk in einem neutralen oder in einem ungebogenen Zustand befindet. Eine gesteuerte, koordinierte Erhöhung der Seilspannung oder ein Seilzug auf einer Seite des Handgelenks ermöglicht, dass sich diese Seite zusammenzieht, so dass sich die Federn auf einer Seite des Handgelenks 100 verkürzen, um den inneren Radius des gebogenen Handgelenks 100 zu bilden. Wahlweise kann dies mit einer Lösung der Spannung am äußeren Radius kombiniert werden, wie bei der vorstehenden ersten Alternative. Das Handgelenk wird bei der Wiederherstellung der ursprünglichen Seilzugkraft in die gerade Konfiguration zurückgebracht.
E. Handgelenk mit Wellenfederelementen
12 zeigt ein Handgelenk in Form einer Wellenfeder 120 mit einer Vielzahl von Wellenfedersegmenten oder -komponenten 122, die gestapelt oder gewickelt sind, um ein röhrenförmiges Wellenfederhandgelenk 120 zu bilden. In einem Ausführungsbeispiel wird die Wellenfeder aus einem durchgehenden Stück von flachem Draht in einer quasi-schraubenförmigen Weise ausgebildet und gewickelt, wobei die Wellenform in jedem Zyklus verändert wird, so dass hohe Punkte eines Zyklus die niedrigen Punkte des nächsten berühren. Solche Federn sind beispielsweise von der Smalley Spring Company kommerziell erhältlich. Löcher werden in dem Wellenfederhandgelenk 120 ausgebildet, um Betätigungsseile aufzunehmen. Alternativ können eine Vielzahl von separaten scheibenartigen Wellenfedersegmenten in einer Perlenweise an den Stellgliedseilen aufgereiht werden (durch die Seile festgehalten oder aneinander geklebt).
Die Wellenfedersegmente 122, wie dargestellt, weisen jeweils zwei gegenüberliegende hohe Punkte und zwei gegenüberliegende niedrige Punkte auf, die um 90 Grad beabstandet sind. Diese Konfiguration erleichtert die Biegung hinsichtlich Schwenken und Gierung. Die Wellenfedersegmente 122 können natürlich andere Konfigurationen aufweisen, wie z.B. ein dichteres Wellenmuster mit zusätzlichen hohen Punkten und niedrigen Punkten um den Umfang des Handgelenks 120.
F. Handgelenk mit Scheiben mit sphärischen Eingriffsoberflächen
14 zeigt mehrere Segmente oder Scheiben 142 des Handgelenks 140. Eine innere Feder 144 ist im Innenraum der Scheiben 142 vorgesehen, während eine Vielzahl von Seilen oder Drähten 145 verwendet werden, um das Handgelenk 140 hinsichtlich Schwenken und Gierung zu biegen. Die Scheiben 142 sind auf die innere Feder 144 gefädelt oder mit dieser gekoppelt, welche als Lumen zum Ziehen von Seilen für einen Endeffektor wirkt. Die innere Feder 144 stellt axiale Steifigkeit bereit, so dass die durch die Zugseile auf den Endeffektor aufgebrachten Kräfte das Handgelenk 140 nicht verzerren. In alternativen Ausführungsbeispielen können gestapelte feste Abstandhalter anstelle der Feder 144 verwendet werden, um diese Funktion zu erreichen. Die Scheiben 142 umfassen zusammen eine gekrümmte äußere Eingriffsoberfläche 146, die mit einer gekrümmten inneren Eingriffsoberfläche 148 der benachbarten Scheibe in Eingriff steht. 15 stellt die Biegung des Handgelenks 140 mit einer zugehörigen relativen Drehung zwischen den Scheiben 142 dar. Die Scheiben 142 können beispielsweise aus Kunststoff oder Keramik bestehen. Die Reibung zwischen den sphärischen Eingriffsoberflächen 146, 148 ist vorzugsweise nicht stark genug, um die Bewegung des Handgelenks 140 zu stören. Eine Weise zum Mildern dieses potentiellen Problems besteht darin, eine geeignete innere Feder 144 auszuwählen, die eine gewisse Druckbelastung tragen und eine übermäßige Druckbelastung an den Scheiben 142 während der Betätigung der Seile 145 zum Biegen des Handgelenks 140 verhindern würde. Die innere Feder 144 kann aus Silikonkautschuk oder dergleichen bestehen. Ein zusätzliches Silikonelement 150 kann die Betätigungsseile ebenso umgeben: In alternativen Ausführungsbeispielen können die separaten Scheiben 142 durch einen durchgehenden Spiralsteifen ersetzt werden.
In alternativen Ausführungsbeispielen kann jedes Seil im Handgelenk 160 in einer Federwindung 162 untergebracht sein, wie in 16 und 17 dargestellt. Eine innere Feder 164 ist auch vorgesehen. Die Scheiben 170 können ohne den ringförmigen Flansch und die Löcher zum Aufnehmen der Seile (wie in den Scheiben 142 in 14 und 15) hergestellt werden. Die festen Dorndrähte 172 innerhalb der Federwindungen 162 können in einer Position entlang der Umfänge der Scheiben 170 angeordnet werden. Ein zentraler Drahtdorn 174 ist in der Mitte zum Aufwickeln der inneren Feder 164 vorgesehen. Die Anordnung kann in Silikon oder dergleichen vergossen werden und dann können die Dorndrähte 172, 174 entfernt werden. Eine gewisse Form von Abdeckung oder dergleichen kann verwendet werden, um zu verhindern, dass das Silikon an den sphärischen Eingriffsoberflächen der Scheiben 170 klebt. Die kleinen Dornfedern 172 werden so gewickelt, dass ein kleiner Spalt (anstelle der festen Höhe) belassen wird, um Raum für eine Schrumpfung vorzusehen, wenn sich das Handgelenk 160 biegt. Das Silikon wird wünschenswerterweise ausreichend gut an die Scheiben 170 geklebt, um Torsionssteifigkeit für die geklebte Anordnung der Scheiben 170 und Federn 172, 174 vorzusehen. Das isolierende Silikonmaterial kann als Kauterisationsisolation für ein Kauterisationswerkzeug dienen, das das Handgelenk 160 beinhaltet.
G. Handgelenk mit Scheiben die durch Elastomerelemente getrennt sind
18 zeigt ein Handgelenk 180 mit einer Vielzahl von Scheiben 182, die durch Elastomerelemente 184 getrennt sind. Die Elastomerelemente 184 können ringförmige Elemente sein oder können eine Vielzahl von Blöcken umfassen, die um den Umfang der Scheiben 182 verteilt sind. Ähnlich zum Handgelenk 140 von 14 ist eine innere Feder 186 im Innenraum der Scheiben 182 und der Elastomerelemente 184 vorgesehen, während eine Vielzahl von Seilen oder Drähten 188 verwendet werden, um das Handgelenk 180 hinsichtlich Schwenken und Gierung zu biegen. Die Scheiben 182 sind auf die innere Feder 184 gefädelt oder mit dieser gekoppelt, welche als Lumen für Zugseile für einen Endeffektor wirkt. Die innere Feder 184 stellt axiale Steifigkeit bereit, so dass die durch die Zugseile auf den Endeffektor aufgebrachten Kräfte das Handgelenk 180 nicht verzerren. Die Konfiguration dieses Handgelenks 180 ist analoger zu einer menschlichen Wirbelsäule als das Handgelenk 140. Die Elastomerelemente 184 verformen sich elastisch, um die Biegung des Handgelenks 180 hinsichtlich Schwenken und Gierung ermöglichen. Die Verwendung der Elastomerelemente 184 beseitigt den Bedarf für Eingriffsoberflächen zwischen den Scheiben 182 und die zugehörigen Reibungskräfte.
H. Handgelenk mit abwechselnden Rippen, die Scheiben für eine Schwenk- und Gierungsbiegung abstützen
19 zeigt ein Handgelenk 190 mit einer Vielzahl von Scheiben 192, die durch abwechselnde Balken oder Rippen 194, 196 abgestützt sind, die in senkrechten Richtungen orientiert sind, um die Schwenk- und Gierungsbiegung des Handgelenks 190 zu erleichtern. Das Handgelenk 190 kann aus einer Röhre gebildet werden, indem Ausschnitte zwischen benachbarten Scheiben 192 entfernt werden, um abwechselnde Schichten von im Allgemeinen senkrechten Rippen 194, 196 zwischen den benachbarten Scheiben 192 zu belassen. Die Scheiben 192 besitzen Löcher 198, damit Betätigungsseile durch diese verlaufen. Die Scheiben 192 und Rippen 194, 196 können aus einer Vielfalt von Material, wie z.B. Stahl, Aluminium, Nitinol oder Kunststoff, hergestellt werden. In einem alternativen Ausführungsbeispiel des Handgelenks 200, wie in 20 dargestellt, umfassen die Scheiben 202 Schlitze 204 anstelle von Löchern zur Aufnahme der Seile. Eine solche Röhre ist leichter zu extrudieren als eine Röhre mit Löchern zum Durchführen von Seilen. Eine Feder 206 ist über die Scheiben 202 gewickelt, um die Seile abzustützen.
In 21 umfasst das Handgelenk 210 Scheiben 212, die durch abwechselnde Balken oder Rippen 214, 216 mit Schnitten oder Schlitzen 217 auf beiden Seiten der Rippen in die Scheiben 212 abgestützt sind, um die Rippen 214, 216 länger zu machen als den Abstand zwischen den Scheiben 212. Diese Konfiguration kann die Biegung mit einem kleineren Krümmungsradius als jenem des Handgelenks 190 in 19 für dieselbe Handgelenklänge erleichtern oder denselben Krümmungsradius unter Verwendung eines kürzeren Handgelenks erreichen. Ein Biegewinkel von etwa 15 Grad zwischen benachbarten Scheiben 212 ist in diesen Ausführungsbeispielen typisch. Die Scheiben 212 weisen Löcher 218 zum Aufnehmen von Betätigungsseilen auf.
I. Handgelenk, das dünne Scheiben verwendet, die entlang einer Schraubenfeder verteilt sind
22 zeigt einen Teil eines Handgelenks 220 mit einer Schraubenfeder 222 mit einer Vielzahl von dünnen Scheiben 224, die entlang der Länge der Feder 222 verteilt sind. Nur zwei Scheiben 224 sind im Handgelenkteil von 22 zu sehen, einschließlich 224A und 224B, die mit Ansätzen 226 orientiert sind, die zueinander senkrecht sind, wie in 23 und 24 dargestellt. Die Feder 222 windet sich in einer festen Höhe abgesehen von Lücken, die zum Einsetzen der Scheiben 224 darin vorgesehen sind. Die Feder 222 ist mit den Scheiben 224 nahe der inneren Kante und den Ansätzen 226 der Scheiben 224 verbunden. Die Scheiben 224 können durch Ätzen ausgebildet werden und umfassen Löcher 228 zum Aufnehmen von Betätigungsseilen. Die Ansätze 226 wirken als Drehpunkt, um zu ermöglichen, dass sich die Feder 222 an bestimmten Punkten während der Biegung des Handgelenks 220 hinsichtlich Schwenken und Gierung biegt. Die Scheiben 224 können in einigen Ausführungsbeispielen relativ starr sein, können jedoch in anderen Ausführungsbeispielen flexibel genug sein, um sich während der Biegung des Handgelenks 220 zu biegen und als Federelemente zu wirken.
Eine äußere Silikonabdeckung kann um die Schraubenfeder 222 und die Scheiben 224 als dielektrischer Isolator vorgesehen sein. Außerdem kann die Baugruppe aus Feder 222 und Scheiben 224 durch eine äußere Struktur geschützt sein, die beispielsweise aus äußeren Stücken oder Mantelstücken 250 gebildet ist, 25 und 26. Jedes Mantelstück 250 umfasst eine äußere Eingriffsoberfläche 252 und eine innere Eingriffsoberfläche 254. Die äußere Eingriffsoberfläche 252 eines Mantelstücks 250 steht mit der inneren Eingriffsoberfläche 254 eines benachbarten Mantelstücks 250 in Eingriff. Die Mantelstücke 250 sind entlang der Länge der Feder 222 gestapelt und halten den Kontakt aufrecht, während sie sich durch die Biegung des Handgelenks 220 drehen.
J. Handgelenk mit äußeren geflochtenen Drähten
Das flexible Handgelenk hängt von der Steifigkeit der verschiedenen Materialien relativ zu den aufgebrachten Lasten für die Genauigkeit ab. Das heißt, je steifer die verwendeten Materialien sind und/oder je kürzer die Länge des Handgelenks ist und/oder je größer der Durchmesser ist, den das Handgelenk aufweist, desto weniger Seitwärtsablenkung besteht für das Handgelenk unter einer gegebenen ausgeübten Operationskraft. Wenn die Zugseile eine vernachlässigbare Nachgiebigkeit aufweisen, kann der Winkel des Endes des Handgelenks genau bestimmt werden, aber es kann eine Wander- oder Seitwärtsablenkung unter einer Kraft bestehen, der nicht durch die Seile entgegengewirkt wird. Wenn das Handgelenk gerade ist und eine solche Kraft ausgeübt wird, kann das Handgelenk beispielsweise eine S-Form-Ablenkung annehmen. Eine Weise, um diesem entgegenzuwirken, ist mit geeigneten Materialien mit ausreichender Steifigkeit und geeigneter Geometrie für das Handgelenk. Eine weitere Weise besteht darin, dass die Hälfte der Zugseile auf halbem Wege entlang der Länge des Handgelenks enden und halb so weit wie die restlichen Seile gezogen werden, wie in der US-Patentanmeldung Nr. 10/187 248 beschrieben. Ein größerer Widerstand gegen die S-Form-Ablenkung geschieht auf Kosten der Fähigkeit, Momenten standzuhalten. Noch eine anderer Weise, um die S-Form-Ablenkung zu vermeiden, besteht darin, eine geflochtene Abdeckung an der Außenseite des Handgelenks vorzusehen.
27 zeigt ein Handgelenk 270 mit einer Röhre 272, die in äußeren Drähten 274 eingewickelt ist. Die Drähte 274 sind jeweils so gewickelt, dass sie eine Drehung von etwa 360 Grad zwischen den Enden der Röhre 272 abdecken. Um die Torsionssteifigkeit des Handgelenks 270 zu erhöhen und die S-Form-Ablenkung des Handgelenks 270 zu vermeiden, können die äußeren Drähte 274 so gewickelt werden, dass sie eine geflochtene Abdeckung über der Röhre 272 bilden. Um die geflochtene Abdeckung zu bilden, werden zwei Sätze von Drähten mit einem rechtsgängigen Satz und einem linksgängigen Satz (d.h. einem im Uhrzeigersinn und einem gegen den Uhrzeigersinn) miteinander verwebt. Das Weben oder Flechten verhindert, dass sich die Drähte im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn radial relativ zueinander bewegen. Die Torsionssteifigkeit wird beispielsweise erzeugt, da unter einer Verdrehung ein Satz von Drähten im Durchmesser zunehmen will, während der andere Satz schrumpft. Das Flechten verhindert, dass ein Satz vom anderen verschieden ist, und der Torsionsablenkung wird Widerstand geleistet. Es ist erwünscht, die Verlegelänge der äußeren Drähte 274 gleich der Länge des Handgelenks 270 zu machen, so dass jeder einzelne Draht des Geflechts nicht in der Länge zunehmen muss, wenn sich das Handgelenk 270 in einem Kreisbogen biegt, obwohl die äußeren Drähte 274 axial gleiten müssen. Das Geflecht widersteht einer S-Form-Ablenkung des Handgelenks 270, da sie erfordern würde, dass die äußeren Drähte 274 in der Länge zunehmen. Überdies kann das Geflecht auch das Handgelenk davor schützen, dass es gerillt oder geschnitten wird, was als Mantel wirkt. Wenn die geflochtene Abdeckung nicht-leitend ist, kann sie die äußerste Schicht sein und als Mantel des Handgelenks 270 wirken. Die erhöhte Torsionssteifigkeit und die Vermeidung der S-Form-Ablenkung des Handgelenks kann auch durch geschichtete Federn, die mit einer rechtsgängigen Windung beginnen, die mit einer linksgängigen Windung und dann einer weiteren rechtsgängigen Windung bedeckt ist, bewerkstelligt werden. Die Federn wären nicht miteinander verwebt.
K. Handgelenkabdeckung
Das Obige offenbart einige Mäntel oder Abdeckungen für die Handgelenke. 28 und 29 zeigen zusätzliche Beispiele von Handgelenkabdeckungen. In 28 ist die Handgelenkabdeckung 280 durch eine flache Spirale aus nicht-leitendem Material wie z.B. Kunststoff oder Keramik ausgebildet. Wenn das Handgelenk gebogen wird, gleiten die verschiedenen Wendeln der Spiralabdeckung 280 übereinander. 29 zeigt eine Handgelenkabdeckung 290, die gebogene oder gekräuselte Kanten 292 umfasst, um eine Überlappung zwischen benachbarten Lagen der Spirale sicherzustellen. Um Torsionssteifigkeit für das Handgelenk vorzusehen, kann die Handgelenkabdeckung 300 Leisten oder Nuten 302 umfassen, die parallel zur Achse des Handgelenks orientiert sind. Die Leisten 302 wirken als Wirbelsäule von einer Spirallage zur nächsten und bilden einen Torsionsstabilisator für das Handgelenk. Man füge die Erörterung der Nitinollaserabdeckung hinzu, die wie Stents konfiguriert ist.
Folglich stellen 1–30 verschiedene Ausführungsbeispiele eines chirurgischen Instruments mit einem flexiblen Handgelenk dar. Obwohl mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsbeispiele beschrieben, erläutern diese Ausführungsbeispiele nur die Erfindung und sollten nicht als Begrenzung des Schutzbereichs der Erfindung aufgefasst werden. Vielmehr können die Prinzipien der Erfindung auf zahlreiche spezielle Systeme und Ausführungsbeispiele angewendet werden.
31–34 stellen verschiedene Ausführungsbeispiele eines chirurgischen Instruments (z.B. eines Endoskops und anderer) mit einem flexiblen Handgelenk dar, um die sichere Anordnung zu erleichtern und eine visuelle Überprüfung des Abtragungskatheters oder anderer Vorrichtungen bei Herzgewebe-Abtragungs-(CTA) Behandlungen bereitzustellen. Einige Teile der Erfindung, die in 31–34 dargestellt sind, sind zu ihren entsprechenden Gegenstücken in 1–30 ähnlich und gleiche Elemente sind somit durch mit Strich versehene Bezugsziffern angegeben. Wenn solche Ähnlichkeiten existieren, werden die Strukturen/Elemente der Erfindung von 31–34, die zu jenen in 1–30 ähnlich sind und in ähnlicher Weise funktionieren, nicht erneut im Einzelnen beschrieben. Es sollte klar sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Anwendung auf CTA-Behandlungen begrenzt ist, sondern ebenso andere chirurgische Anwendungen hat. Obwohl die vorliegende Erfindung ihre beste Anwendung auf dem Gebiet der minimal invasiven Roboterchirurgie findet, sollte überdies klar sein, dass die vorliegende Erfindung auch in irgendeiner minimal invasiven Chirurgie ohne Hilfe von chirurgischen Robotern verwendet werden kann.
L. Gelenkiges/lenkbares Endoskop
Nun wird auf 31 Bezug genommen, die ein Ausführungsbeispiel eines Endoskops 310, das in der minimal invasiven Roboterchirurgie verwendet wird, gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Endoskop 310 umfasst einen länglichen Schaft 14'. Ein flexibles Handgelenk 10' befindet sich am Arbeitsende des Schafts 14'. Ein Gehäuse 53' ermöglicht, dass das chirurgische Instrument 310 lösbar mit einem Roboterarm (nicht dargestellt) koppelt, der sich am entgegengesetzten Ende des Schafts 14' befindet. Eine Endoskopkameralinse ist am distalen Ende des flexiblen Handgelenks 10' implementiert. Ein Lumen (nicht dargestellt) verläuft entlang der Länge des Schafts 14', das das distale Ende des flexiblen Handgelenks 10' mit dem Gehäuse 53' verbindet. In einem "Faserendoskop"-Ausführungsbeispiel kann (können) (ein) Abbildungssensor(en) des Endoskops 310, wie z.B. ladungsgekoppelte Bauelemente (CCDs), innerhalb des Gehäuses 53' montiert sein, wobei verbundene optische Fasern innerhalb des Lumens entlang der Länge des Schafts 14' verlaufen und im Wesentlichen am distalen Ende des flexiblen Handgelenks 10' enden. Die CCDs sind dann über einen Verbindungsstecker 314, der sich am Ende des Gehäuses 53' befindet, mit einer Kamerasteuereinheit gekoppelt. In einem alternativen Ausführungsbeispiel mit "Chip an einem Stab" kann (können) der (die) Abbildungssensor(en) des Endoskops 310 am distalen Ende des flexiblen Handgelenks 10' mit entweder festverdrahteten oder drahtlosen elektrischen Verbindungen mit einer Kamerasteuereinheit montiert sein, die mit dem Verbindungsstecker 314 am Ende des Gehäuses 53' verbunden ist. Der (die) Abbildungssensor(en) kann (können) zweidimensional oder dreidimensional sein.
Das Endoskop 310 weist eine Kappe 312 auf, um die Endoskoplinse 314 an der Spitze des distalen Endes des flexiblen Handgelenks 10' abzudecken und zu schützen. Die Kappe 312, die halbkugelförmig, konisch usw. sein kann, ermöglicht, dass das Instrument während der Steuerung in/nahe dem Operationsort weglenkt. Die Kappe 312, die aus Glas, klarem Kunststoff usw. bestehen kann, ist transparent, um zu ermöglichen, dass das Endoskop 310 Bilder klar betrachtet und aufnimmt. Unter bestimmten Bedingungen, die eine klare Betrachtung und Bildaufnahme ermöglichen, kann die Kappe 312 ebenso durchscheinend sein. In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Kappe 312 für eine verbesserte/erhöhte Betrachtungsfähigkeit des Endoskops 310 aufblasbar (z.B. auf dreimal ihre normale Größe). Eine aufblasbare Kappe 312 kann aus flexiblem klaren Polyethylen, aus dem Gefäßplastikballone hergestellt werden, oder aus einem ähnlichen Material bestehen. Dabei kann die Größe der Kappe 312 und folglich die Größe der minimal invasiven chirurgischen Öffnung, in die das Endoskop 310 eingeführt wird, minimiert werden. Nach dem Einführen des Endoskops 310 an den Operationsort kann die Kappe 312 dann aufgeblasen werden, um eine erhöhte/verbesserte Betrachtung bereitzustellen. Folglich kann die Kappe 312 mit einer Fluidquelle (z.B. Salzlösung, Luft oder anderen Gasquellen) gekoppelt werden, um den geeigneten Druck zum Aufblasen der Kappe 312 auf Verlangen vorzusehen.
Das flexible Handgelenk 10' besitzt mindestens einen Freiheitsgrad, um zu ermöglichen, dass das Endoskop 310 leicht um innere Körpergewebe, Organe usw. lenkt und manövriert, um ein gewünschtes Ziel (z.B. Epikardial- oder Myokardialgewebe) zu erreichen. Das flexible Handgelenk 10' kann ein beliebiges der in Bezug auf 1–30 vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele sein. Das Gehäuse 53' nimmt auch einen Antriebsmechanismus zum Lenken des distalen Teils des flexiblen Handgelenks 10' auf (das das Endoskop aufnimmt). Der Antriebsmechanismus kann ein Seilantrieb, Zahnradantrieb, Riemenantrieb oder andere Arten von Mechanismus sein. Ein beispielhafter Antriebsmechanismus und Gehäuse 53' sind im US-Patent Nr. 6 394 998 beschrieben, das durch den Hinweis aufgenommen wird. Dieser beispielhafte Antriebsmechanismus stellt zwei Freiheitsgrade für das flexible Handgelenk 10' bereit und ermöglicht, dass sich der Schaft 14' um eine Achse entlang der Länge des Schafts dreht. Bei einem CTA-Eingriff manövriert und lenkt das gelenkige Endoskop 310 um innere Organe, Gewebe usw., um visuelle Bilder von schwierig zu sehenden und/oder schwierig zu erreichenden Stellen aufzunehmen. Die aufgenommenen Bilder werden verwendet, um bei der Anordnung des Abtragungskatheters am gewünschten Herzgewebe zu unterstützen. Das gelenkige Endoskop kann das einzige verwendete Endoskop sein oder es kann als zweites oder drittes Endoskop verwendet werden, um alternative Ansichten des Operationsorts relativ zum Hauptbild, das von einem Hauptendoskop aufgenommen wird, vorzusehen.
M. Gelenkiges Endoskop mit lösbar befestigtem Abtragungskatheter/lösbar befestigter Abtragungsvorrichtung
Als Erweiterung des obigen gelenkigen Endoskops kann ein Katheter lösbar mit dem gelenkigen Endoskop gekoppelt werden, um die Anordnung des Abtragungskatheters an einem gewünschten Herzgewebe weiter zu unterstützen. 32 stellt einen Katheter 321 dar, der durch eine Reihe von lösbaren Klemmen 320 mit dem Endoskop 310 lösbar gekoppelt ist. Andere Arten von lösbaren Kopplungen (mechanisch oder anderweitig) können auch verwendet werden und liegen durchaus innerhalb des Schutzbereichs dieser Erfindung. Wie in 32 gezeigt, ermöglichen die Klemmen 320, dass die Abtragungsvorrichtung/der Abtragungskatheter 321 am Endoskop 310 derart lösbar befestigt wird, dass die Abtragungsvorrichtung/der Abtragungskatheter 321 dem Endoskop 310 folgt, wenn es angetrieben, gesteuert und um Strukturen (z.B. Lungengefäße usw.) gelenkt wird, um ein gewünschtes Operationsziel in einem CTA-Eingriff zu erreichen. Wenn das gelenkige Endoskop 310 und die befestigte Abtragungsvorrichtung/der befestigte Abtragungskatheter 321 das Ziel erreichen, wird der Katheter 321 beispielsweise durch ein anderes Instrument, das mit einem Roboterarm verbunden ist, an der Stelle gehalten/festgehalten, während das Endoskop 310 von der Abtragungsvorrichtung/vom Abtragungskatheter 321 gelöst und entfernt wird. Dabei können Bilder, die vom Endoskop 310 von schwierig zu sehenden und/oder schwierig zu erreichenden Stellen während der Steuerung aufgenommen werden, für Führungszwecke verwendet werden. Überdies erleichtert die Gelenkigkeit des Endoskops die Anordnung der Abtragungsvorrichtung/des Abtragungskatheters 321 an schwierig zu erreichenden Herzgeweben weiter.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann anstelle einer Vorrichtung/eines Katheters selbst eine Katheterführung 331 lösbar am Endoskop 310 befestigt werden. Wie in 33 dargestellt, wird die Katheterführung 331 dann ebenso durch das gelenkige Endoskop 310 zu einem Endziel geführt, wie vorstehend erörtert. Wenn das gelenkige Endoskop 310 und die befestigte Katheterführung 331 das Ziel erreichen, wird die Katheterführung 331 beispielsweise durch ein anderes Instrument, das mit einem Roboterarm verbunden ist, an der Stelle gehalten/festgehalten, während das Endoskop 310 von der Katheterführung 331 gelöst und entfernt wird. Ein Abtragungskatheter/eine Abtragungsvorrichtung kann dann unter Verwendung der Katheterführung 331 an ihrem proximalen Ende 332 an die Stelle geschoben werden. In einem Ausführungsbeispiel verwendet die Katheterführung 331 lösbare Kopplungen wie Klemmen 320, um zu ermöglichen, dass der Katheter an die Stelle geschoben wird. In einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet die Katheterführung 331 ein Lumen, das in das Endoskop 310 eingebaut ist, in das die Katheterführung 331 gleiten und geführt werden kann, um das Ziel zu erreichen.
N. Gelenkiges Instrument mit Lumen zum Führen eines Endoskops
In noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird, anstatt, dass ein gelenkiges Endoskop vorhanden ist, ein Endeffektor am flexiblen Handgelenk befestigt, um das Instrument mit der gewünschten Gelenkigkeit zu versehen. Dieses gelenkige Instrument wurde beispielsweise in Bezug auf 1–2 vorstehend beschrieben. Das gelenkige Instrument umfasst jedoch ferner ein Lumen (z.B. einen Hohlraum, einen Arbeitskanal usw.), das entlang des Schafts des Instruments verläuft, in das ein externes Endoskop eingeführt und in Richtung der Spitze des flexiblen Handgelenks geführt werden kann. Dieses Ausführungsbeispiel erreicht im Wesentlichen dieselben Funktionen des gelenkigen Endoskops mit einem lösbar befestigten Abtragungskatheter/einer lösbar befestigten Abtragungsvorrichtung oder mit einer lösbar befestigten Katheterführung, wie vorstehend beschrieben. Der Unterschied besteht darin, dass der Abtragungskatheter/die Abtragungsvorrichtung verwendet wird, um anzutreiben und zu steuern, wobei das Endoskop lösbar an der Abtragungsvorrichtung durch Einführung in ein eingebautes Lumen befestigt ist. Mit dem eingebauten Lumen werden die lösbaren Kopplungen (z.B. Klemmen) beseitigt.
Nun wird auf 34 Bezug genommen, die ein Videoblockdiagramm darstellt, das ein Ausführungsbeispiel der Videoverbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie in 34 dargestellt, steuert eine Kamerasteuereinheit 342 die Bedienung des gelenkigen Endoskops 310, wie z.B. Hineinzoomen, Herauszoomen, Auflösungsbetriebsart, Bildaufnahme usw. Bilder, die vom gelenkigen Endoskop 310 aufgenommen werden, werden zur Kamerasteuereinheit 342 zur Verarbeitung geliefert, bevor sie zum Hauptanzeigemonitor 343 und/oder zum Hilfsanzeigemonitor 344 zugeführt werden. Andere verfügbare Endoskope 345 im System, wie z.B. das Hauptendoskop und andere, werden ebenso durch ihre eigenen Kamerasteuereinheiten 346 gesteuert. Die aufgenommenen Bilder werden ebenso dem Hauptanzeigemonitor 343 und/oder dem Hilfsanzeigemonitor 344 zugeführt. Typischerweise zeigt der Hauptmonitor 343 die vom Hauptendoskop aufgenommenen Bilder an, die dreidimensional sein können. Die vom gelenkigen Endoskop 310 (oder einem in das Lumen des gelenkigen Instruments eingeführten Endoskop) aufgenommenen Bilder können auf dem Hilfsanzeigemonitor 344 angezeigt werden. Alternativ können die vom gelenkigen Endoskop 310 (oder einem in das Lumen des gelenkigen Instruments eingeführten Endoskop) aufgenommenen Bilder als Hilfsinformationen auf dem Hauptanzeigemonitor 343 angezeigt werden (siehe eine Detailbeschreibung im US-Patent Nr. 6 522 906, das durch den Hinweis hierin aufgenommen wird).
Die vorstehend beschriebenen gelenkigen Instrumente/Endoskope können mit einem wahlweisen sterilen Mantel ganz wie ein Kondom bedeckt werden, um das gelenkige Instrument/Endoskop sauber und steril zu halten, wodurch der Bedarf vermieden wird, diese Instrumente/Endoskope nach der Verwendung in chirurgischen Eingriffen sterilisierbar zu machen. Ein solcher steriler Mantel muss durchscheinend sein, um zu ermöglichen, dass das Endoskop Bilder klar betrachtet und aufnimmt. Folglich kann der sterile Mantel aus einem latexartigen Material (z.B. Kraton^®, Polyurethan usw.) hergestellt sein. In einem Ausführungsbeispiel können der sterile Mantel und die Kappe 312 aus denselben Materialien hergestellt und als ein Stück miteinander verbunden werden. Die Kappe 312 kann dann am Schaft 14' durch mechanische oder eine andere Art von Befestigungseinrichtungen befestigt werden.
Daher stellen 31-34 verschiedene Ausführungsbeispiele eines chirurgischen Instruments (z.B. ein Endoskop und andere) mit einem flexiblen Handgelenk dar, um die sichere Anordnung zu erleichtern und eine visuelle Überprüfung des Abtragungskatheters oder anderer Vorrichtungen in Herzgewebe-Abtragungs-(CTA) Behandlungen vorzusehen. Obwohl mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsbeispiele beschrieben, erläutern diese Ausführungsbeispiele lediglich die Erfindung und sollten nicht als Begrenzung des Schutzbereichs der Erfindung aufgefasst werden. Vielmehr können die Prinzipien der Erfindung auf zahlreiche spezielle Systeme und Ausführungsbeispiele angewendet werden.
35–37 stellen ein gelenkiges/lenkbares und wechselbares Endoskop gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Einige Teile der Erfindung, die in 35–37 dargestellt sind, sind zu ihren entsprechenden Gegenstücken in 1–34 sowie in anderen Figuren, die in der Integration durch Verweise beschrieben sind, ähnlich und gleiche Elemente sind somit durch mit Doppelstrich versehene Bezugsziffern angegeben. Wenn solche Ähnlichkeiten existieren, werden die Strukturen/Elemente der Erfindung von 35–37, die zu jenen in 1–34 ähnlich sind und in einer ähnlichen Weise funktionieren, nicht erneut im Einzelnen beschrieben.
O. Gelenkiges/lenkbares und wechselbares Endoskop
Nun wird auf 35 Bezug genommen, die ein Ausführungsbeispiel eines gelenkigen und wechselbaren Endoskops 310'', das in der minimal invasiven Roboterchirurgie verwendet wird, gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Endoskop 310'' umfasst einen länglichen Schaft 14''. Ein flexibles Handgelenk 10'' befindet sich am Arbeitsende des Schafts 14''. Ein Gehäuse 53'' ermöglicht, dass das chirurgische Instrument 310 lösbar mit einem Roboterarm (nicht dargestellt) koppelt, wie z.B. jenem, der im US-Patent Nr. 6 331 181 und 6 394 998 beschrieben ist, welcher sich am entgegengesetzten Ende des Schafts 14'' befindet. Im Gegensatz zum Roboterarm, der im US-Patent Nr. 6 451 027 beschrieben ist, der dazu ausgelegt ist, eine schwerere und voluminösere Endoskopkamera zu halten, ist der Roboterarm, der im US-Patent Nr. 6 331 181 und 6 394 998 beschrieben ist, die durch den Hinweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen werden, für leichtere chirurgische Instrumente ausgelegt. Um Austauschbarkeit/Wechselbarkeit zu erreichen, soll eine Roboterarmkonstruktion, die ähnlich jener ist, die im US-Patent Nr. 6 331 181 und 6 394 998 beschrieben ist, für alle Arme des chirurgischen Roboters verwendet werden. Mit anderen Worten, anstelle der Verwendung eines Roboterarms, der hauptsächlich zum Tragen eines chirurgischen Endoskops ausgelegt ist, wird ein Universal/Standard-Roboterarm, der für eine kleinere Last ausgelegt ist, verwendet, um alle Arten von chirurgischen Instrumenten, einschließlich eines chirurgischen Endoskops, zu tragen. Dabei kann ein chirurgisches Endoskop an irgendeinem der Vielzahl von chirurgischen Roboterarmen des chirurgischen Roboters montiert werden, wodurch ermöglicht wird, dass das chirurgische Endoskop zwischen verschiedenen chirurgischen Armen gewechselt wird, wie während eines Eingriffs erforderlich. Folglich können Chirurgen nun das Endoskop zwischen Öffnungen austauschen, wie es typischerweise bei der herkömmlichen Laparoskopie geschieht. Der Austausch kann leicht durchgeführt werden, indem das Endoskop von einem Arm gelöst und demontiert wird und dann das Endoskop an einem anderen Arm befestigt und verriegelt wird, der ermöglicht, dass das Endoskop in eine andere Operationsöffnung im Körper des Patienten eingeführt wird. Außerdem kann die mechanische und architektonische Konstruktion des chirurgischen Robotersystems vereinfacht werden, da es nicht mehr erforderlich ist, sich an verschiedene Arten von Instrumentenarmen anzupassen.
Um dieses Ziel zu erreichen, muss das Endoskop kleiner und leichter gemacht werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Endoskopkameralinse am distalen Ende des flexiblen Handgelenks 10'' implementiert. Ein Lumen (nicht dargestellt) verläuft entlang der Länge des Schafts 14'', der das distale Ende des flexiblen Handgelenks 10'' mit dem Gehäuse 53'' verbindet. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel mit "Chip an einem Stab" kann (können) der (die) Bildsensoren) des Endoskops 310'' am distalen Ende des flexiblen Handgelenks 10' mit entweder festverdrahteten oder drahtlosen elektrischen Verbindungen mit einer Kamerasteuereinheit montiert sein, die mit dem Verbindungsstecker 314'' am Ende des Gehäuses 53'' gekoppelt ist. Der (die) Abbildungssensor(en) kann (können) zweidimensional (2D) oder dreidimensional (3D) sein. Eine gewisse anspruchsvolle Signalverarbeitungstechnologie kann verwendet werden, um ein 3D-Bild von (einem) 2D-Abbildungssensor(en) abzuleiten. Einige beispielhafte kommerziell erhältliche Endoskoplösungen mit Chip an einem Stab umfassen Olympus America, Inc., in Melville, New York, Visionsense in Petach Tiqua, Israel, und andere. Ein solches Ausführungsbeispiel mit Chip an einem Stab kann die Größe des Endoskops auf einen Bruchteil seiner früheren Größe verringern und sein Gewicht um eine Größenordnung verringern. Folglich stellen die Größe und das Gewicht des Endoskops nicht mehr eine Schwierigkeit bei der Montage/Demontage sowie beim Manövrieren des Endoskops dar. In einem alternativen "Faserendoskop"-Ausführungsbeispiel kann (können) Abbildungssensor(en) des Endoskops 310'' wie z.B. ladungsgekoppelte Bauelemente (CCDs) innerhalb des Gehäuses 53'' montiert sein, wobei verbundene optische Fasern innerhalb des Lumens entlang der Länge des Schafts 14'' verlaufen und im Wesentlichen am distalen Ende des flexiblen Handgelenks 10'' enden.
Das Endoskop 310'' kann eine Kappe 312'' aufweisen, um die Endoskoplinse 314'' an der Spitze des distalen Endes des flexiblen Handgelenks 10'' abzudecken und zu schützen. Die Kappe 312'', die halbkugelförmig, konisch usw. sein kann, ermöglicht, dass das Instrument während der Steuerung im/nahe dem Operationsort Gewebe weglenkt. Die Kappe 312'', die aus Glas, klarem Kunststoff usw. bestehen kann, ist transparent, um zu ermöglichen, dass das Endoskop 310'' Bilder klar betrachtet und aufnimmt. Unter bestimmten Bedingungen, die eine klare Betrachtung und Bildaufnahme ermöglichen, kann die Kappe 312'' ebenso durchscheinend sein. In einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die Kappe 312'' für eine verbesserte/erhöhte Betrachtungsfähigkeit des Endoskops 310'' aufblasbar (z.B. auf dreimal ihre normale Größe) . Eine aufblasbare Kappe 312'' kann aus einem flexiblen klaren Polyethylen, aus dem Gefäßplastikballone bestehen, oder einem ähnlichen Material hergestellt sein. Dabei kann die Größe der Kappe 312'' und folglich die Größe der minimal invasiven chirurgischen Öffnung, in die das Endoskop 310'' eingeführt wird, minimiert werden. Nach dem Einführen des Endoskops 310'' zum Operationsort kann die Kappe 312'' dann aufgeblasen werden, um eine erhöhte/verbesserte Betrachtung vorzusehen. Folglich kann die Kappe 312'' mit einer Fluidquelle (z.B. Salzlösung, Luft oder anderen Gasquellen) gekoppelt werden, um den geeigneten Druck zum Aufblasen der Kappe 312'' auf Verlangen bereitzustellen.
Das flexible Handgelenk 10'' stellt zusätzliche Freiheitsgrade bereit, um zu ermöglichen, dass das Endoskop 310 leicht um innere Körpergewebe, Organe usw. lenkt und manövriert, um ein gewünschtes Ziel (z.B. Epikardial- oder Myokardialgewebe) zu erreichen. Das flexible Handgelenk 10'' kann irgendeines der in Bezug auf 1–30 vorstehend beschriebenen oder im US-Patent Nr. 6 817 974 beschriebenen Ausführungsbeispiele sein, wobei andere Ausführungsbeispiele eine Vielzahl von Gelenken usw. aufweisen. Das Gehäuses 53'' nimmt auch einen Antriebsmechanismus zum Lenken des distalen Teils des flexiblen Handgelenks 10'' auf (das das Endoskop aufnimmt). Der Antriebsmechanismus kann ein Seilantrieb, ein Zahnradantrieb, ein Riemenantrieb oder andere Arten von Mechanismus sein. Ein beispielhafter Antriebsmechanismus und Gehäuse 53'' sind im US-Patent Nr. 6 394 998 beschrieben, das durch den Hinweis aufgenommen wird. Dieser beispielhafte Antriebsmechanismus stellt zwei Freiheitsgrade für das flexible Handgelenk 10'' (Schwenken und Gierung) bereit und ermöglicht, dass sich der Schaft 14'' um eine Achse entlang der Länge des Schafts dreht (Rollen). Die Schwenk- und Gierungsfreiheitsgrade, die die Biegung des Handgelenks 10'' direkt nahe der Spitze der Endoskoplinse um eine imaginäre horizontale Achse bzw. vertikale Achse sind, sind zusätzlich zu einer Einführungs/Herausziehbewegung (z.B. kartesische x-, y- und z-Bewegung) und Instrumentenschaftdrehung (z.B. Rollbewegung). An sich ist das Endoskop 310'' mit denselben Freiheitsgraden wie andere chirurgische Roboterinstrumente (z.B. Greifer usw.) versehen, die die Frage stellen, wie den Chirurgen intuitive Verfahren gegeben werden, um die zusätzlichen Freiheitsgrade des Endoskops zu steuern.
P. Kamerareferenz-Steuerparadigma von Slave-Instrumenten
Es ist erwünscht, Chirurgen mit intuitiven Verfahren zu versehen, um komplexe chirurgische Roboter zu steuern. Wenn ein Chirurg in einen schwierigen und komplexen chirurgischen Eingriff vertieft wird, muss er nicht wissen, wie ein chirurgischer Roboter seine Aufgaben durchführt, und vergisst vielleicht manchmal, dass er einen Roboter verwendet, um den chirurgischen Eingriff durchzuführen, aufgrund der Intuition der Weise, in der der Roboter seine Aufgaben handhabt und durchführt, wie durch den Chirurgen gelenkt. Als einfache beispielhafte Erläuterung von intuitiv gegenüber gegenintuitiv betrachte man 36, die darstellt, dass, wenn das Endoskop einen ebenen Blick besitzt, der geradeaus gezeigt ist, kein Unterschied zwischen der Weltreferenz- (auch bekannt als Bildreferenz) Steuerung und der Kamerareferenz- (z.B. dem Rahmen, der an der distalen Spitze des Endoskops befestigt ist) Steuerung besteht. Wenn sich jedoch die Kamera dreht, beispielsweise um 90 Grad im Uhrzeigersinn, macht das Basieren der Slave-Instrument-Bewegung im Kamerareferenzrahmen einen großen Unterschied beim Halten der Instrumentbewegung intuitiv für den Chirurgen, da, wenn das Instrument auf einer Weltreferenz basiert, eine Links-Rechts-Bewegung der Hand des Chirurgen eine Aufwärts-Abwärts-Bewegung des chirurgischen Instruments zu verursachen seinen würde. Folglich beschreiben das US-Patent Nr. 6 364 888 (nachstehend das '888-Patent) und das US-Patent Nr. 6 424 885 (nachstehend das '885-Patent), die durch den Hinweis in ihrer Gesamtheit aufgenommen werden, die Steuerung aller Slave-Instrument- Bewegungen und -Orientierungen im Endoskop-Kamerareferenzrahmen, um eine solche Intuition vorzusehen. Das im '888-Patent und '885-Patent beschriebene Endoskop besitzt jedoch nicht die Schwenk- und Gierungs-Freiheitsgrade wie das Endoskop in der vorliegenden Erfindung. Daher sind die Herausforderungen und folglich das Paradigma, die mit diesen Freiheitsgraden verbunden sind, unerwartet.
Das erste eines solchen Paradigma wird als nächstes erörtert. Wenn das Endoskop gemäß der vorliegenden Erfindung einer Schwenk- oder Gierungsbewegung unterzogen wird, wenn das Bild vom Kamerareferenzrahmen betrachtet wird, kann die Ansicht für einen Chirurgen gegenintuitiv sein. Dies liegt daran, dass, wenn das Endoskop nach oben geschwenkt wird, die Ansicht vom Kamerareferenzrahmen vielmehr eine Abwärtsansicht als eine Aufwärtsansicht zu sein scheint, die der Chirurg intuitiv erwartet. Wenn das Endoskop nach unten geschwenkt wird, scheint die Ansicht vom Kamerareferenzrahmen vielmehr eine Aufwärtsansicht als eine Abwärtsansicht zu sein, die der Chirurg intuitiv erwartet. Wenn das Endoskop nach links gegiert wird, scheint die Ansicht von der Kamera ebenso vielmehr eine Rechtsansicht als eine Linksansicht zu sein, die der Chirurg intuitiv erwartet. Wenn das Endoskop nach rechts gegiert wird, scheint die Ansicht von der Kamera vielmehr eine Linksansicht als eine Rechtsansicht zu sein, die der Chirurg intuitiv erwartet. Eine solche Gegenintuition ist unerwartet und erfordert eine Änderung des Referenzrahmens für die chirurgischen Slave-Instrumente von einem Kamerareferenzrahmen zu jener der Welt/Bild-Referenz für die Schwenk- und Gierungsbewegung des Endoskops, um die Intuition beizubehalten, die in der vorliegenden Erfindung erwünscht ist. Der Referenzrahmen für die chirurgischen Slave-Instrumente bleibt der Kamerareferenzrahmen für alle anderen Freiheitsgrade des Endoskops (z.B. kartesische x-, y- und z-Einführungs/Herauszieh-Bewegung und Instrumentenschaft-Rollbewegung) in der vorliegenden Erfindung. Mit anderen Worten, der Referenzrahmen für die zusätzlichen Freiheitsgrade wird von jenem für die herkömmlichen Freiheitsgrade, die einem chirurgischen Roboterendoskop zugeordnet sind, abgekoppelt. Trotzdem ist zu erkennen, dass es gemäß der vorliegenden Erfindung für einige Anwendungen vorteilhaft sein kann, eine Wahl zwischen einem Kamerareferenzrahmen und einem Weltreferenzrahmen zum Steuern von jedem und irgendeinem der sechs Freiheitsgrade des gelenkigen/lenkbaren und wechselbaren Endoskops zu bieten. Mit anderen Worten, irgendeiner oder alle der sechs Freiheitsgrade des gelenkigen/lenkbaren und wechselbaren Endoskops kann entweder im Kamerareferenzrahmen oder im Weltreferenzrahmen gesteuert werden.
In einem chirurgischen Master-Slave-Robotersystem wie z.B. dem Da Vinci^® System ändert sich dann, wenn irgendeiner (oder alle) der sechs Freiheitsgrade im Kamerareferenzrahmen gesteuert wird, der Referenzrahmen zusammen mit der Kamerabewegung hinsichtlich der Position und/oder Orientierung. Mit anderen Worten, die Master- (d.h. das Auge des Chirurgen) Beziehung relativ zum Slave (z.B. Endoskopkamera) ändert sich aufgrund der Bewegung der Kamera, die sich auf die Intuition der Wahrnehmung des Chirurgen relativ zu seiner Eingabe nachteilig auswirken kann, wenn eine solche Änderung nicht kompensiert wird. Diese Kompensation wird durch Umpositionieren der Master-Eingabevorrichtung durch Steuertransformationen durchgeführt. Insbesondere wird die Master/Augen-Transformation so eingestellt, dass sie der sich ändernden Slave/Kamera-Transformation entspricht. Vorzugsweise wird eine solche Master-Ausrichtungskompensation vielmehr kontinuierlich und inkremental (über inkrementale Transformationen) während der Kamerasteuerung (d.h. in oder nahe Echtzeit) ausgeführt, als dass eine größere Kompensation durchgeführt wird, die der Kamerasteuerung folgt (d.h. sequentiell), da die zugehörige Verzögerungszeit minimiert wird. Es wird erkannt, dass eine solche Master-Ausrichtungskompensation in nicht-flexiblen und nicht-lenkbaren Endoskopsystemen oder in dem Fall, in dem alle sechs Freiheitsgrade im Weltreferenzrahmen gesteuert werden, nicht erforderlich ist, da der Referenzrahmen in diesen Fällen konstant ist. Eine Master-Eingabevorrichtung, wie z.B. diejenige, im US-Patent Nr. 6 714 839 beschrieben ist, das durch den Hinweis in seiner Gesamtheit hierin aufgenommen wird, kann mit mindestens sechs (6) Freiheitsgraden gesteuert werden. Wenn eine separate Master-Eingabevorrichtung für die linke und die rechte Hand eines Benutzers verwendet wird, wie in 38 gezeigt, stehen insgesamt mindestens zwölf (12) Freiheitsgrade durch die virtuelle Kombination der zwei Master-Eingabevorrichtungen zum Steuern von Positionen und Orientierungen der Endoskopkamera sowie Funktionen wie z.B. Brennpunkt, Blendenöffnung usw. zur Verfügung. 38 stellt die zwei Master-Eingabevorrichtungen dar, die virtuell kombiniert sind, um in einer ähnlichen Weise zu einer Fahrradlenkstange zu arbeiten. Da sich die Kamera entlang der X-, Y- und Z-Achsen bewegen sowie um diese drehen kann, sind sechs (6) Freiheitsgrade von den virtuell kombinierten Master-Eingabevorrichtungen erforderlich, um diese sechs Positionen und Orientierungen unter Verwendung von entweder Geschwindigkeits- (auch bekannt als Rate) oder Positionssteuerung zu befehlen. Außerdem sind drei (3) Freiheitsgrade von den virtuell kombinierten Master-Eingabevorrichtungen erforderlich, um geometrische Einschränkungen der kombinierten Master-Eingabevorrichtungen zu implementieren/behandeln. Folglich bleiben mindestens drei (3) übrige Freiheitsgrade zum Befehlen anderer Kamerafunktionen (z.B. Brennpunkt, Blendenöffnung usw.) zur Verfügung. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die drei Freiheitsgrade, die zum Befehlen dieser anderen Kamerafunktionen verwendet werden: Verdrehen der Lenkstange (d.h. zwei Master-Eingabevorrichtungen), Biegen der Lenkstange und Rollen jeder Master-Eingabevorrichtung in entgegengesetzten Richtungen.
Für einen üblichen Fachmann sollte es klar sein, dass irgendwelche mathematischen Änderungen (z.B. Referenzrahmenpositions-/Orientierungstransformation) sowie Steuersystemänderungen (z.B. Steueralgorithmus), die einer solchen Referenzrahmenänderung zugeordnet sind, angesichts der relevanten detaillierten Beschreibungen des '888-Patents und '885-Patents abgeleitet und implementiert werden können. Der Kürze und Deutlichkeit halber wird folglich keine zusätzliche Erörterung dessen hierin bereitgestellt.
Q. Drehpunkt für Schwenk- und Gierungsbewegung
Ein zweites Steuerparadigma beinhaltet die Auswahl eines Drehpunkts für das gelenkige/lenkbare und wechselbare Endoskop. Der Drehpunkt ist ein Punkt, um den sich der Referenzrahmen einer Endoskopbildansicht dreht. Dieser Drehpunkt wird so ausgewählt, dass ein Intuitionssinn sowie die optimalste Ansicht des Operationsorts für Chirurgen bereitgestellt werden. Für das gelenkige und wechselbare Endoskop gemäß der vorliegenden Erfindung können die zusätzlichen Schwenk- und Gierungsbewegungen (ob einzeln oder beide gleichzeitig) der Kameralinse in Kombination mit einem zweckmäßig ausgewählten Drehpunkt verwendet werden, um das Endoskop (möglicherweise in Kombination mit anderen Freiheitsgraden) zu steuern, um eine Orbitalansicht einer Anatomie (ähnlich der von einem um einen Planeten umlaufenden Satelliten beobachteten Ansicht) innerhalb eines Operationsorts relativ zum Kamerareferenzrahmen bereitzustellen. Es wird angemerkt, dass eine solche Auswahl eines Drehpunkts für herkömmliche chirurgische Roboterendoskope (z.B. ein Endoskop ohne die Schwenk- und Gierungsbewegungen) nicht erforderlich ist und daher nicht erwartet wird. Die Drehpunktkandidaten umfassen; ein angenommenes Zentrum des Operationsorts, das ein Punkt innerhalb des maximalen Arbeitsbereichs eines Endoskops sein kann (z.B. ungefähr achtunddreißig (38) mm von der distalen Spitze eines Olympus-Endoskops), ein Punkt im nahen Bereich des flexiblen Handgelenks 10'', der Endoskop-Operationsort-Eintrittspunkt usw. Nun wird auf 37 Bezug genommen, die die verschiedenen potentiellen Drehpunkte für das Endoskop 310'' gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie in 37 gezeigt, wurde das Endoskop 310'' in die Öffnung 371 an einem Operationsort um das Organ 372, eingeführt. Der Punkt 373 ist das angenommene Zentrum, der Punkt 374 ist der Punkt benachbart zum oder am flexiblen Handgelenk 10'' und der Punkt 375 ist der Punkt, an dem das Endoskop 310'' in den Operationsort eintritt.
Der angenommene zentrale Drehpunkt kann der logischste sein, da die meisten Aktivitäten an einem Operationsort wahrscheinlich in dem nahen Bereich geschehen, der die Spitze des Endoskops umgibt, und in Anbetracht der sechs Freiheitsgrade des gelenkigen/lenkbaren Endoskops der vorliegenden Erfindung zusammen mit der Zoomfähigkeit unbedeutende Einstellungen schnell durchgeführt werden können, um die gewünschte optimale Sicht zu erhalten. Es besteht jedoch ein Nachteil bei einer solchen Auswahl, der die überaktive Bewegung beinhaltet, die mit dem proximalen Ende (Hinterende) des Endoskops 310'' und signifikanter dem Roboterarm, mit dem das Endoskop lösbar gekoppelt ist, verbunden ist, wenn eine Schwenk- und/oder Gierungsbewegung der Kameralinse durchgeführt wird. Die überaktive Bewegung des Roboterarms, der das Endoskop 310'' trägt, kann unerwünscht sein, da er in den Weg von anderen Roboterarmen des Systems gelangen kann, die sich während eines Eingriffs alle gleichzeitig bewegen können, was zu einer Armkollision führt.
Das Bewegen des Drehpunkts zum Endoskop-Operationsort-Eintrittspunkt scheint die Roboterarmbewegung zu dämpfen, da der Abstand zwischen dem Drehpunkt und dem Roboterarm erheblich verringert wird (durch Verringern des Ausmaßes an gekoppelter Dreh- und Translationsbewegung), scheint jedoch auch weniger optimale Betrachtungsbilder des Operationsorts aufgrund der physikalischen und geometrischen Einschränkungen zu erzeugen. Im Vergleich wird, wenn der Drehpunkt um das Zentrum des flexiblen Handgelenks 10'' liegt, der Abstand zwischen dem Drehpunkt und dem Roboterarm verringert, wodurch die Armbewegung auch gedämpft wird, jedoch mit verbesserten Betrachtungsbildern aufgrund von weniger physikalischen und geometrischen Einschränkungen. Daher ist ein Punkt um das Zentrum des flexiblen Handgelenks 10'' der bevorzugte Drehpunkt für das gelenkige, wechselbare Endoskop der vorliegenden Erfindung. Eine beispielhafte Implementierung eines Drehpunkts ist im '885-Patent vorgesehen, das die Abbildung eines Master-Steuerpunkts auf einen Slave-Steuerpunkt beschreibt.
Die vorstehend beschriebenen Anordnungen der Vorrichtung und Verfahren erläutern lediglich Anwendungen der Prinzipien dieser Erfindung und viele weitere Ausführungsbeispiele und Modifikationen können vorgenommen werden, ohne vom Gedanken und Schutzbereich der Erfindung, wie in den Ansprüchen definiert, abzuweichen. Der Schutzbereich der Erfindung sollte daher nicht mit Bezug auf die obige Beschreibung bestimmt werden, sondern sollte statt dessen mit Bezug auf die beigefügten Ansprüche zusammen mit ihrem vollen Umfang an Äquivalenten bestimmt werden.

Claims

Minimal invasives gelenkiges chirurgisches Endoskop, das mit einem chirurgischen Robotersystem mit einer Vielzahl von Armen gekoppelt ist, wobei das Endoskop umfasst: einen länglichen Schaft mit einem Arbeitsende, einem proximalen Ende und einer Schaftachse zwischen dem Arbeitsende und dem proximalen Ende; ein flexibles Handgelenk mit einem distalen Ende und einem proximalen Ende, wobei das proximale Ende des Handgelenks mit dem Arbeitsende des länglichen Schafts verbunden ist; eine Endoskopkameralinse, die am distalen Ende des Handgelenks installiert ist, wobei die Kameralinse ein Bild eines Objekts aufnimmt; und eine Vielzahl von Betätigungsverbindungen, die das Handgelenk mit dem proximalen Ende des länglichen Schafts verbinden, so dass die Verbindungen betätigbar sind, um das Handgelenk mit mindestens einem Freiheitsgrad zu versehen; wobei ein Referenzrahmen, der zum Steuern der Bewegung in dem mindestens einen Freiheitsgrad verwendet wird, am flexiblen Handgelenk für eine Handgelenkbewegung befestigt ist, die dem mindestens einen Freiheitsgrad zugeordnet ist.
Minimal invasives gelenkiges chirurgisches Endoskop nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Freiheitsgrad eine Schwenkbewegung und eine Gierungsbewegung des Handgelenks beinhaltet.
Minimal invasives gelenkiges chirurgisches Endoskop nach Anspruch 2, wobei ein Referenzrahmen, der zum Steuern anderer Freiheitsgrade, die zum Endoskop gehören, verwendet wird, am Objekt befestigt ist.
Minimal invasives gelenkiges chirurgisches Endoskop nach Anspruch 1, wobei ein Bild des Objekts, das vom Endoskop in Zusammenhang mit dem mindestens einen Freiheitsgrad aufgenommen wird, auf dem Referenzrahmen basiert, der sich um einen Drehpunkt dreht, der nahe dem flexiblen Handgelenk liegt.
Minimal invasives gelenkiges chirurgisches Endoskop nach Anspruch 4, wobei das Bild des Objekts eine Orbitalansicht ist.
Minimal invasives gelenkiges chirurgisches Endoskop nach Anspruch 1, wobei das Endoskop mit irgendeinem der Vielzahl von Armen lösbar gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, zwischen der Vielzahl von Armen gewechselt zu werden, so dass eine Standardarmkonstruktion für das chirurgische Robotersystem verwendet wird.
Minimal invasives gelenkiges chirurgisches Endoskop nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Freiheitsgrad hinsichtlich der Position oder Geschwindigkeit gesteuert wird.
Minimal invasives gelenkiges chirurgisches Endoskop, das mit einem chirurgischen Robotersystem mit einer Vielzahl von Armen gekoppelt ist, wobei das Endoskop umfasst: einen länglichen Schaft mit einem Arbeitsende, einem proximalen Ende und einer Schaftachse zwischen dem Arbeitsende und dem proximalen Ende; ein flexibles Handgelenk mit einem distalen Ende und einem proximalen Ende, wobei das proximale Ende des Handgelenks mit dem Arbeitsende des länglichen Schafts verbunden ist; eine Endoskopkameralinse, die am distalen Ende des Handgelenks installiert ist, wobei die Kameralinse ein Bild eines Objekts aufnimmt; und eine Vielzahl von Betätigungsverbindungen, die das Handgelenk mit dem proximalen Ende des länglichen Schafts verbinden, so dass die Verbindungen betätigbar sind, um das Handgelenk mit mindestens einem Freiheitsgrad zu versehen; wobei ein Bild des Objekts, das vom Endoskop in Zusammenhang mit dem mindestens einen Freiheitsgrad aufgenommen wird, auf einem Referenzrahmen basiert, der sich um einen Drehpunkt dreht, der nahe dem flexiblen Handgelenk liegt.
Minimal invasives gelenkiges chirurgisches Endoskop nach Anspruch 8, wobei das Bild des Objekts eine Orbitalansicht ist.
Minimal invasives gelenkiges chirurgisches Endoskop nach Anspruch 8, wobei der zum Steuern der Bewegung in dem mindestens einen Freiheitsgrad verwendete Referenzrahmen am flexiblen Handgelenk für eine Handgelenkbewegung befestigt ist, die dem mindestens einen Freiheitsgrad zugeordnet ist.
Minimal invasives gelenkiges chirurgisches Endoskop nach Anspruch 10, wobei der mindestens eine Freiheitsgrad eine Schwenkbewegung und eine Gierungsbewegung des Handgelenks beinhaltet.
Minimal invasives gelenkiges chirurgisches Endoskop nach Anspruch 11, wobei ein Referenzrahmen, der zum Steuern anderer Freiheitsgrade, die dem Endoskop zugeordnet sind, verwendet wird, am Objekt befestigt ist.
Minimal invasives gelenkiges chirurgisches Endoskop nach Anspruch 8, wobei das Endoskop mit irgendeinem der Vielzahl von Armen lösbar gekoppelt ist und dazu ausgelegt ist, zwischen der Vielzahl von Armen gewechselt zu werden, so dass eine Standardarmkonstruktion für das chirurgische Robotersystem verwendet wird.
Minimal invasives gelenkiges chirurgisches Endoskop nach Anspruch 8, wobei der mindestens eine Freiheitsgrad hinsichtlich der Position oder Geschwindigkeit gesteuert wird.
Verfahren zum Bereitstellen von mehr Intuition für einen Benutzer für ein minimal invasives gelenkiges chirurgisches Endoskop mit einem flexiblen Handgelenk mit mindestens einem Bewegungsgrad, umfassend Befestigen eines Referenzrahmens, der zum Steuern der Bewegung in dem mindestens einen Freiheitsgrad verwendet wird, am flexiblen Handgelenk für eine Handgelenkbewegung, die dem mindestens einen Freiheitsgrad zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der mindestens eine Freiheitsgrad eine Schwenkbewegung und eine Gierungsbewegung des Handgelenks umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei ein Referenzrahmen, der zum Steuern anderer Freiheitsgrade, die dem Endoskop zugeordnet sind, verwendet wird, am Objekt befestigt wird.
Verfahren zum Dämpfen einer Bewegung eines proximalen Endes eines gelenkigen chirurgischen Endoskops mit einem flexiblen Handgelenk an einem distalen Ende mit mindestens einem Bewegungsgrad, wenn ein Bild eines Objekts in Zusammenhang mit dem mindestens einen Freiheitsgrad aufgenommen wird, umfassend: Aufnehmen des Bildes des Objekts in Zusammenhang mit dem mindestens einen Freiheitsgrad auf der Basis eines Referenzrahmens, der sich um einen Drehpunkt dreht, der nahe dem flexiblen Handgelenk liegt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Bild des Objekts eine Orbitalansicht ist.
Master-Slave-Robotersystem mit: einer Master-Steuereinheit, die umfasst: eine Plattform; mindestens eine Master-Eingabevorrichtung, die um drei Achsen in Bezug auf die Plattform drehbar ist und entlang drei Achsen relativ zur Plattform verschiebbar ist; ein Gestänge, das die Eingabevorrichtung in Bezug auf die Plattform abstützt; ein Sensorsystem, das mit dem Gestänge gekoppelt ist, um die Bewegung um eine Vielzahl von Stellen am Gestänge zu messen; ein Antriebssystem, das mit dem angetriebenen Gelenk in Antriebseingriff steht; und einen Prozessor, der mit dem Sensorsystem und dem Antriebssystem koppelt, so dass das Antriebssystem das Gestänge betätigt, während die mindestens eine Master-Eingabevorrichtung umpositioniert wird; und mindestens ein Slave-Gestänge, das mit dem Master gekoppelt ist, wobei das mindestens eine Slave-Gestänge mit 6 Freiheitsgraden in Reaktion auf die Umpositionierung der mindestens einen Master-Eingabevorrichtung lenkt, wobei das Slave-Gestänge ein minimal invasives gelenkiges chirurgisches Endoskop umfasst, wobei das Endoskop umfasst: einen länglichen Schaft mit einem Arbeitsende, einem proximalen Ende und einer Schaftachse zwischen dem Arbeitsende und dem proximalen Ende; ein flexibles Handgelenk mit einem distalen Ende und einem proximalen Ende, wobei das proximale Ende des Handgelenks mit dem Arbeitsende des länglichen Schafts verbunden ist; eine Endoskopkameralinse, die am distalen Ende des Handgelenks installiert ist, wobei die Kameralinse ein Bild eines Objekts aufnimmt; und eine Vielzahl von Betätigungsverbindungen, die das Handgelenk mit dem proximalen Ende des länglichen Schafts verbinden, so dass die Verbindungen betätigbar sind, um das Handgelenk mit mindestens einem Freiheitsgrad zu versehen; wobei ein Referenzrahmen, der zum Steuern der Bewegung in dem mindestens einen Freiheitsgrad verwendet wird, am flexiblen Handgelenk für eine Handgelenkbewegung befestigt ist, die dem mindestens einen Freiheitsgrad zugeordnet ist.
Master-Slave-Robotersystem nach Anspruch 20, wobei der mindestens eine Freiheitsgrad eine Schwenkbewegung und eine Gierungsbewegung des Handgelenks beinhaltet.
Master-Slave-Robotersystem nach Anspruch 21, wobei ein Referenzrahmen, der zum Steuern anderer Freiheitsgrade, die dem Endoskop zugeordnet sind, verwendet wird, am Objekt befestigt ist.
Master-Slave-Robotersystem nach Anspruch 20, wobei ein Bild des Objekts, das vom Endoskop in Zusammenhang mit dem mindestens einem Freiheitsgrad aufgenommen wird, auf dem Referenzrahmen basiert, der sich um einen Drehpunkt dreht, der nahe dem flexiblen Handgelenk liegt.
Master-Slave-Robotersystem nach Anspruch 23, wobei das Bild des Objekts eine Orbitalansicht ist.
Master-Slave-Robotersystem nach Anspruch 20, wobei das Endoskop mit irgendeinem der Vielzahl von Armen lösbar gekoppelt ist und so ausgelegt ist, dass es zwischen der Vielzahl von Armen gewechselt wird, so dass eine Standardarmkonstruktion für das chirurgische Robotersystem verwendet wird.
Master-Slave-Robotersystem nach Anspruch 20, wobei die mindestens eine Master-Eingabevorrichtung ferner verwendet wird, um Funktionen der Endoskopkameralinse, einschließlich Brennpunkt oder Blendenöffnung, zu steuern.
Master-Slave-Robotersystem nach Anspruch 20, wobei eine Master-Ausrichtungskompensation kontinuierlich und inkremental durch Einstellen der Master-Transformation so, dass sie der Slave-Transformation entspricht, während einer Bewegung der Endoskopkameralinse ausgeführt wird, um die Master-Slave-Intuition aufrechtzuerhalten.
Master-Slave-Robotersystem nach Anspruch 20, wobei der mindestens eine Freiheitsgrad hinsichtlich der Position oder Geschwindigkeit gesteuert wird.