DE102009042490A1

DE102009042490A1 - Steuerungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102009042490A1
Application number: DE102009042490A
Authority: DE
Inventors: Theodor Lutze; Olaf Hegemann
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2010-12-09
Also published as: US20120130173A1; JP2012527919A; RU2011153010A; WO2010136275A1; RU2506883C2; DE202009012795U1; EP2434940A1; CN102448359A

Abstract

Bei einer Steuervorrichtung, insbesondere zur Verwendung in Endoskopen oder dgl., mit einem proximalen und einem distalen, jeweils eine Gelenkzone umfassenden Endabschnitt sowie mit einem dazwischen angeordneten biegefesten Mittelabschnitt, mit einem äußeren hohlzylindrischen Schaft, einen inneren hohlzylindrischen Schaft sowie mit einem zwischen diesen Schäften angeordneten Steuerungselement mit zwei oder mehr sich im Wesentlichen vom proximalen zum distalen Endabschnitt der Steuerungsvorrichtung erstreckenden, kraftübertragenden Längselementen, wobei die Längselemente in Umfangsrichtung der Steuerungsvorrichtung in im Wesentlichen regelmäßigen Winkelabständen angeordnet und im Bereich ihrer proximalen und distalen Enden jeweils in Umfangsrichtung miteinander verbunden sind, wird vorgeschlagen, dass die Steuerungsvorrichtung eine Haltevorrichtung umfasst, mit der ein Teil einer Gelenkzone biegefest bezüglich der Längsrichtung des Mittelabschnitts der Steuerungsvorrichtung oder einer sich an deren proximalen oder distalen Endabschnitt anschließenden Funktionseinheit fixierbar ist. Damit lassen sich mit geringem Aufwand die Instrumente für unterschiedliche und/oder verschieden große Arbeitsbereiche anpassen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung für feinmechanische oder chirurgische Anwendungen, beispielsweise zur Verwendung in Endoskopen oder dergleichen.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Steuerungsvorrichtung für Instrumente für hoch genaue mechanische Anwendungen oder chirurgische Anwendungen im minimal-invasiven Bereich.
Solche Steuerungsvorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt und weisen einen proximalen, das heißt dem Benutzer/Chirurgen zugewandten, und einen von ihm abgewandten oder distalen Endabschnitt auf, der jeweils eine Gelenkzone umfasst, sowie einen zwischen den Endabschnitten angeordneten, häufig biegesteif ausgestalteten Mittelabschnitt. Sie umfassen ferner einen äußeren hohlzylindrischen Schaft, einen inneren hohlzylindrischen Schaft sowie ein zwischen diesen Schäften angeordnetes Steuerungselement mit zwei oder mehr, sich im Wesentlichen vom proximalen zum distalen Endabschnitt der Steuerungsvorrichtung erstreckenden, Kraft übertragenden Längselementen. Die Kraft übertragenden Längselemente werden in Umfangsrichtung der Steuerungsvorrichtung im Wesentlichen regelmäßig angeordnet und sind im Bereich des proximalen und des distalen Endabschnittes jeweils in Umfangsrichtung miteinander verbunden. Über die Längselemente lassen sich Zug- und Druckkräfte übertragen, mit denen sich eine Schwenkbewegung am proximalen Endabschnitt in eine entsprechende Schwenkbewegung am distalen Endabschnitt umsetzen lässt.
Steuerungsvorrichtungen dieser Art sind zum Beispiel aus der WO 2005/067785 A1 bekannt, bei der eine Vielzahl von Kraft übertragenden Längselementen in Form von Drähten oder Kabeln verwendet werden, welche in Um fangsrichtung direkt aneinander anliegend angeordnet sind und sich so gegenseitig seitlich führen. Für die Führung der Kraft übertragenden Längselemente in Radialrichtung stehen der äußere und der innere hohlzylindrische Schaft zur Verfügung, so dass eine Führung der Kraft übertragenden Längselemente in jeder Richtung gewährleistet ist.
Am proximalen Ende der Steuerungsvorrichtung wird in der Regel ein von Hand zu betätigendes Griffteil montiert, an dessen Stelle selbstverständlich auch Motor betriebene Bedienelemente treten können, während an dem distalen Ende, das auch Kopf genannt wird, Funktionsbauteile, insbesondere Werkzeuge, Kameras, Beleuchtungselemente und dergleichen angeschlossen werden können.
Mit solchen die Steuerungsvorrichtung beinhaltenden Instrumenten lassen sich im mechanischen Bereich beispielsweise komplizierte und schwer zugängliche Innenräume, beispielsweise Motoren, Maschinen, Radiatoren und dergleichen, inspizieren und reparieren oder aber die oben angesprochenen Operationen im minimal-invasiven Bereich durchführen.
Herkömmliche Steuerungsvorrichtungen können mit unterschiedlichen maximal zulässigen Biegewinkeln hergestellt werden, die sich aus der Struktur bzw. der Konstruktion der Gelenkzonen ergeben. Hieraus resultieren unterschiedlich große Arbeitsbereiche für die am distalen Ende angeschlossenen Funktionsbauteile.
In einer Reihe von Anwendungsfällen müssen die mit der Steuerungsvorrichtung versehenen Instrumente aus dem Arbeitsbereich entfernt und wieder eingeführt werden, sei es um die am distalen Endabschnitt montierten Funktionsbauteile auszutauschen, zu reinigen, zu warten oder zu ergänzen. Nach dem Wiedereinführen der Instrumente in den vorherigen Arbeitsbereich ist es wünschenswert, wenn die vorherige Arbeitsposition möglichst einfach wieder aufgefunden werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Aufwand zu minimieren, mit dem die Instrumente für unterschiedliche und/oder verschieden große Arbeitsbereiche ausgestattet werden können.
Die Erfindung schlägt im Zusammenhang mit der eingangs beschriebenen Steuerungsvorrichtung zur Lösung dieser Aufgabe vor, dass die Steuerungsvorrichtung eine Haltevorrichtung umfasst, mit der ein Teil einer Gelenkzone biegefest bezüglich der Längsrichtung des Mittelabschnitts der Steuerungsvorrichtung oder einer sich an deren proximalen oder distalen Endabschnitt anschließenden Funktionseinheit fixierbar ist.
Über die erfindungsgemäß bei der Steuervorrichtung verwendete Haltevorrichtung lässt sich variabel der maximale Biegewinkel der distalen Gelenkzone einstellen, indem auf Seiten des proximalen Endabschnitts die Gelenkzone verkürzt wird, so dass eine konstruktionsbedingte Verminderung des maximalen Biegewinkels auf Seiten des proximalen Endabschnitts resultiert. Da der Biegewinkel auf Seiten des distalen Endabschnitts und dessen Gelenkzone von dem Biegewinkel am proximalen Endabschnitt abhängt, ist damit auch der maximale Biegewinkel des distalen Endabschnitts limitiert.
Somit kann mit der vorliegenden Erfindung für jede sich neu ergebende Applikation bei derselben Steuerungsvorrichtung der maximale Biegewinkel neu eingestellt werden oder auch während der Applikation noch verändert werden, so dass z. B. beim endoskopischen Abtragen von pathologischen Strukturen ein definierter Arbeitsbereich unter Sicht des Operateurs einstellbar ist.
Gemäß einer ersten Variante der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung umfasst die Haltevorrichtung eine entlang der Längsachse des Mittelabschnitts der Steuerungsvorrichtung verschiebliche biegesteife Hülse.
Wird die biegesteife Hülse vom Mittelabschnitt her parallel zur Längsachse der Steuerungsvorrichtung über einen Bereich der proximalen Gelenkzone gescho ben, resultiert eine Verkürzung der Gelenkzone und damit eine Verminderung des maximalen Biegewinkels.
Die verschiebliche biegesteife Hülse kann im Prinzip im Inneren der Steuerungsvorrichtung untergebracht werden. Bevorzugt wird sie jedoch am Außenumfang des äußeren Schafts angeordnet, da sie hier leichter zugänglich und festlegbar ist.
Gemäß einer anderen Variante der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung umfasst die Haltevorrichtung ein sich an der Funktionseinheit des proximalen Endabschnitts, d. h. typischerweise einer Bedieneinheit, abstützendes Halteelement, was den Vorteil mit sich bringt, dass der Bereich der Gelenkzone von Seiten des proximalen Endes her verkürzt werden kann, so dass die Steuerungsvorrichtung über eine größere Länge unverändert bleibt und beispielsweise in einen Trokar eingeschoben werden kann.
Das sich an der Bedieneinheit abstützende Halteelement beinhaltet vorzugsweise einen Ring, der sich am Außenumfang des äußeren Schafts entlang verschieben lässt, und wird über einen Steg mit einer Geradführung an der Bedieneinheit festlegbar gehalten.
Besonders bevorzugt wird bei der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung die Haltevorrichtung so ausgestaltet, dass sie in einer oder in mehreren vorgegebenen Stellungen positionierbar und vorzugsweise auch festlegbar ist.
Damit kann im Vorhinein der maximale Biegewinkel der Steuerungsvorrichtung festgelegt werden und insbesondere auch über die vorgebbaren Stellungen der Haltevorrichtung vordefiniert begrenzt werden.
Wird eine Haltevorrichtung verwendet, die auf Seiten der Bedieneinheit abgestützt ist, lässt sich der maximale Biegewinkel auch während des Gebrauchs der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung einfach sich eventuell neu ergebenden Problemstellungen anpassen.
Bevorzugt werden bei der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung die Kraft übertragenden Längselemente voneinander lateral beabstandet angeordnet sein. Dies vermeidet Reibungskräfte zwischen den Längselementen bei einer Betätigung der Steuerungsvorrichtung und gewährleistet eine Kraft schonende Bedienung derselben.
Je nach Art der Steuerungsvorrichtung kann es von Bedeutung sein, dass zwischen den Kraft übertragenden Längselementen Abstandhalter angeordnet werden, so dass die Längselemente entlang der Länge der Steuerungsvorrichtung in einer vorgegebenen Position gehalten werden.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass die Kraft übertragenden Längselemente entlang der Längsrichtung der Steuerungsvorrichtung mindestens partiell in direktem Kontakt miteinander angeordnet sind, wobei in vielen Fällen hierdurch bereits eine ausreichende seitliche Führung bzw. Führung in Umfangsrichtung gegeben ist.
Besonders bevorzugt werden die Kraft übertragenden Längselemente von dem äußeren und dem inneren Schaft in Radialrichtung geführt, so dass eine besonders einfache und trotzdem genaue Führung der Längselemente gegeben ist und damit einhergehend eine exakt vorhersagbare Biegebewegung des distalen Endes.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Steuerungsvorrichtung ein Steuerungselement auf, welches ein hohlzylindrisches Bauteil umfasst, dessen Zylinderwand mindestens im Bereich eines Abschnitts zwischen dem proximalen und distalen Ende in zwei oder mehr Wandsegmente unterteilt ist, die die Kraft übertragenden Längselemente bilden.
Hierbei können die zwei oder mehr Wandsegmente am distalen Ende des hohlzylindrischen Bauteils über einen Ringbund fest miteinander verbunden sein.
Weiterhin können die zwei oder mehr Wandsegmente im Bereich des proximalen Endes des hohlzylindrischen Bauteils fest miteinander verbunden sein.
Besonders bevorzugt wird das hohlzylindrische Bauteil einstückig ausgebildet. Hier ist die Handhabung beim Zusammenbau der Steuerungsvorrichtung besonders einfach. Außerdem lässt sich das einstückige Bauteil mit besonderer Präzision bezüglich der gegenseitigen Ausrichtung der Wandsegmente herstellen.
Steuerungsvorrichtungen mit dieser Ausgestaltung weisen insbesondere ein hohlzylindrisches Bauteil auf, welches aus einem einzigen Röhrchen gefertigt ist, wobei die Unterteilung der Zylinderwand in Wandsegmente vorzugsweise mittels Laserstrahlschneiden erfolgt.
Steuerungsvorrichtungen dieser Art lassen sich ferner mit sehr kleinen Außendurchmessern realisieren, beispielsweise ca. 2 mm oder weniger, insbesondere auch ca. 1,5 mm, und trotzdem bleibt ein ausreichend großes Lumen im Inneren erhalten, über das weitere Funktionen realisiert werden können. Beispielsweise reicht das Lumen noch aus, um Gewebestücke aus dem Operationsbereich abtransportieren, insbesondere absaugen, zu können oder um eine Lichtquelle und zugehörige Optik zu dem Operationsbereich zu bringen.
Selbstverständlich sind die erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtungen auch mit beliebig großen Durchmessern möglich.
Als Werkstoff zur Herstellung des Steuerungsvorrichtung, insbesondere des Steuerungselements in Form des hohlzylindrischen Bauteils bieten sich insbesondere Stahllegierungen oder Nitinol an.
Bei einer weiteren bevorzugten Steuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Kraft übertragenden Längselemente mindestens abschnittsweise schraubenlinienförmig angeordnet sind, so dass ihre proximalen und distalen Enden in Umfangsrichtung in unterschiedlichen Winkelpositio nen festgelegt sind. Hiermit lässt sich erreichen, dass die Schwenkbewegung des distalen Endes in einer anderen Ebene erfolgen kann als die Schwenkbewegung des proximalen Endes, oder auch, dass die Schwenkrichtung des proximalen Endes und des distalen Endes quasi gegeneinander erfolgt und die Steuerungsvorrichtung eine Art U-Form annimmt. Dies ist der Fall, wenn die proximalen und distalen Enden der Kraft übertragenden Längselemente in einer um 180° unterschiedlichen Winkelposition in Umfangsrichtung festgelegt sind.
Die Kraft übertragenden Längselemente können unterschiedlich ausgebildet sein und insbesondere in Form von Kabeln oder Drähten vorliegen.
Die Kraft übertragenden Längselemente können darüber hinaus einen bananenförmigen Querschnitt aufweisen.
Wie zuvor schon ausgeführt, werden bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Kraft übertragenden Längselemente aus einem hohlzylindrischen Bauteil gebildet, bei dem, beispielsweise mittels Laserstrahlschneiden, die Zylinderwand über den größten Teil, insbesondere nahezu über die gesamte Länge in Axialrichtung zur Ausbildung der Kraft übertragenden Längselemente geschlitzt ist. Die Längselemente werden dabei von Zylinderwandsegmenten gebildet, die im Querschnitt eine Kreisbogenform aufweisen.
Bevorzugt weisen die Wandsegmente im Querschnitt eine Kreisbogenform auf, die einem Bogenwinkel von ca. 20° oder mehr, insbesondere 30° oder mehr entspricht.
Die Zahl der Wandsegmente liegt bevorzugt im Bereich von 4 bis 16, weiter bevorzugt im Bereich von 6 bis 12.
Der Abstand der Wandsegmente in Umfangsrichtung von einander (entspricht der Schlitzbreite) beträgt in Winkelgraden gemessen vorzugsweise ca. 2° bis 15°, weiter bevorzugt ca. 4° bis ca. 8°.
Die Schlitzbreite, wie sie beim Laserstrahlschneiden entsteht, kann bei Bedarf vergrößert werden, so dass die verbleibenden streifenförmigen Wandsegmente berührungslos gegeneinander bewegt werden können. Aufgrund der kreissegmentartigen Querschnitte der Längselemente bleibt der berührungslose Zustand der Längselemente auch im Falle der Zug- oder Druckbelastung auch in den Gelenkbereichen erhalten; dies gilt insbesondere bei einer Führung der Längselemente in Radialrichtung zwischen einem inneren und einem äußeren Schaft.
Die beiden Endbereiche des hohlzylindrischen Elements bleiben ungeschlitzt, so dass die Längselemente über Ringbünde miteinander verbunden bleiben.
Weiterhin kann bei der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung vorgesehen sein, dass die proximale Gelenkzone eine Ausdehnung in Längsrichtung der Steuerungsvorrichtung aufweist, die von der Ausdehnung der distalen Gelenkzone verschieden ist. Eine solche Maßnahme erlaubt, unterschiedlichen Übersetzungsverhältnisse vorzusehen, so dass eine relativ große Winkelbewegung am proximalen Ende eine kleine Winkeländerung am distalen Endabschnitt auslöst oder umgekehrt.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung liegt auch darin, dass das Längenverhältnis der proximalen und der distalen Gelenkzone in vorgegebenen Grenzen frei variiert werden kann. So lässt sich das Längenverhältnis bedarfsgerecht einstellen mit einer korrespondierenden Übersetzung der Schwenkbewegung des proximalen Endabschnitts in eine Schwenkbewegung des distalen Endabschnitts und der daran gehaltenen Funktionseinheit.
Bei einer weiter bevorzugten erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung kann vorgesehen sein, dass mindestens eine der Gelenkzonen elastisch ausgebildet ist, so dass sich mindestens partiell eine selbsttätige Rückstellung der abgebogenen Endabschnitte nach Beendigung der Krafteinleitung einstellt.
Vorzugsweise weisen die Gelenkzonen des äußeren und/oder inneren Schafts in Umfangsrichtung verlaufend mehrere Schlitze auf, die voneinander durch Wandbereiche in Umfangsrichtung bzw. Axialrichtung voneinander getrennt sind.
Auch hier können für den äußeren bzw. inneren Schaft einstückig ausgebildete Röhrchen zum Einsatz kommen.
Zusammen mit einem aus einem einstückigen Röhrchen hergestellten Steuerungselement, wie dies bereits weiter oben beschrieben wurde, ergibt sich im einfachsten Fall eine aus drei ineinandergeschobenen Röhrchen mit den Funktionen äußerer Schaft, Steuerungselement und innerer Schaft eine sehr dünnwandige und trotzdem mechanisch belastbare Struktur, wobei mittels der Steuerungsvorrichtung platzierte Steuerungsvorrichtunge, beispielsweise Greifer, bedient und positioniert werden können, ohne dass es zum Übersprechen der Bewegung des einen auf das andere Element kommt. Insbesondere kann z. B. ein Greifer innerhalb der Steuerungsvorrichtung geführt und gedreht werden, ohne dass sich dabei der Schwenkwinkel und die Position des Steuerungselements selbst ändert oder die Greiferfunktion als solche beeinflusst wird. Ebenso wenig werden Gegenbewegungen hervorgerufen; Drehbewegungen um 360° sind problemlos möglich.
Darüber hinaus können diese Steuerungsvorrichtungen einfach auseinander genommen, sterilisiert und wieder zusammengebaut werden.
Bevorzugt weist ein jeweiliger Wandabschnitt in Umfangsrichtung zwei oder mehr, insbesondere drei oder mehr Schlitze hintereinander angeordnet auf. Die Schlitze sind dabei bevorzugt in Umfangsrichtung mit gleichen Abständen zueinander angeordnet.
In Axialrichtung weisen die Gelenkzonen bevorzugter Steuerungsvorrichtungen drei oder mehr Schlitze nebeneinander angeordnet auf, wobei bevorzugt die nebeneinander angeordneten Schlitze in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sind. Die Abstände, in denen die Schlitze in Axialrichtung zu einander beabstandet angeordnet sind, können gleich sein oder variieren, wobei hiermit die Gelenkeigenschaften, insbesondere der Biegeradius, beeinflusst werden können.
Typischerweise wird vorgesehen, dass die Schlitze die Zylinderwand vollständig durchdringende Schlitze sind. Gute Biegeeigenschaften lassen sich allerdings auch erzielen, wenn die Schlitze die Wand des Schafts nicht vollständig durchsetzen, sondern insbesondere vor dem Erreichen des Innenumfangs enden. Damit bleibt die Wand des Schafts insgesamt geschlossen, was in einigen Anwendungen insbesondere beim äußeren Schaft erwünscht sein kann.
Eine bevorzugte Geometrie der Schlitze liegt vor, wenn die die Schlitze begrenzenden Wandflächen in einem spitzen Winkel zur Radialrichtung angeordnet sind. Vorzugsweise werden dabei gegenüberliegende Wandflächen desselben Schlitzes spiegelbildlich angeordnet, so dass sich am Außenumfang eines Schafts eine größere Schlitzbreite ergibt als benachbart zum Innenumfang.
In Axialrichtung von einander beabstandete Schlitze werden vorzugsweise in Umfangsrichtung überlappend, jedoch gegeneinander versetzt angeordnet, so dass sich eine regelmäßige Anordnung der Schlitze ergibt.
Die Wandflächen der Schlitze können dabei gegen die Axialrichtung unter einem Winkel geneigt sein, der von 90° abweicht, so dass die Breite der Schlitze am Außenumfang größer ist als am Innenumfang des äußeren Schafts. Damit lassen sich auch bei kleinen Schlitzbreiten ausreichend große Schwenkwinkel realisieren, ohne dass die Zahl der Schlitze vergrößert werden müsste bzw. der Gelenkbereich sich über eine größere axiale Länge erstrecken müsste.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen im Einzelnen:
1: mit den Teilfiguren a, b und c den grundlegenden Aufbau einer erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung aus den drei Elementen äußerer Schaft, Steuerungselement und innerer Schaft; Teilfigur 1d zeigt ein alternatives Steuerungselement; die Teilfiguren 1e und 1f zeigen Querschnitte des Steuerungselements der 1d bzw. der Steuerungsvorrichtung der 1;
2: ein typisches Bewegungsverhalten der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung;
3A und B: Ausführungsbeispiele für Gelenkzonen der Steuerungsvorrichtung der 1a und 1c;
4A und B: weitere alternative Steuerungselemente für die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung;
5: einen Gesamtüberblick über eine erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung; und
6: das Funktionsprinzip einer Variante der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung.
Die 1 zeigt den Aufbau einer Steuerungsvorrichtung 10, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, beispielsweise der WO 2005/067785 A1 und wie sie auch der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen kann.
Hierbei umfasst die Steuerungsvorrichtung 10 einen äußeren hohlzylindrischen Schaft 12, einen inneren hohlzylindrischen Schaft 14 sowie ein zwischen diesen Schäften angeordnetes Steuerungselement 16.
Der äußere und der innere Schaft 12, 14 sowie das Steuerungselement 16 weisen im Wesentlichen gleiche Längen auf und sind bezüglich ihrer Außen- und Innendurchmesser bzw. Wandstärken so dimensioniert, dass das Steuerungselement passgenau in den äußeren Schaft eingeschoben werden kann und der innere Schaft 14 passgenau in das Innere des Steuerungselementes 16. Das Innere des inneren Schafts 14 bleibt als Lumen frei für die Einführung von Instrumentensteuerungen, Zuleitungen zu einer Kamera oder anderen optischen Elementen und dergleichen. Das Steuerungselement 16 ist in Radialrichtung durch die Wandungen des äußeren und des inneren Schaftes 12, 14 geführt.
Die Steuerungsvorrichtung 10 weist einen proximalen Endabschnitt 18 sowie einen distalen Endabschnitt 20 auf, die jeweils eine Gelenkzone 22 bzw. 24 umfassen.
Typischerweise wird die Gelenkzone 22, 24 durch eine entsprechende Ausgestaltung des äußeren und/oder inneren Schaftes 12, 14 gebildet, wobei im Stand der Technik vielfältige Vorschläge hierzu verzeichnet sind, unter anderem auch in der WO 2005/067785 A1 .
In 1 sind die Gelenkzonen 21, 24 lediglich in Form von faltenbalgartigen Strukturen angedeutet.
In den 1a, 1b und 1c sind die einzelnen Elemente der Steuerungsvorrichtung 10 der 1 nochmals dargestellt, wobei 1a den äußeren Schaft 12, 1b das Steuerungselement 16 und 1c den inneren Schaft 14 repräsentieren.
Der äußere Schaft 12 weist in den Bereichen, die den Gelenkzonen 22 und 24 entsprechen, eine Struktur auf, die die Gelenkigkeit bzw. Biegbarkeit des äußeren Schaftes 12 in diesen Bereich gewährleistet. Beispielsweise können hier, wie zuvor erwähnt, faltenbalgartige Strukturen verwendet werden. Alternativ kann auch durch eine Schwächung der Wandung des äußeren Schaftes 12 in den den Gelenkzonen 22, 24 entsprechenden Abschnitten die entsprechende Biegbarkeit bzw. Flexibilität hergestellt werden.
Der innere Schaft 14 in 1c kann eine ähnliche Struktur aufweisen wie der äußere Schaft 12 in 1a, so dass auf die Beschreibung der 1a verwiesen werden kann.
Das Steuerungselement 16 der 1b umfasst eine Vielzahl, im vorliegenden Beispiel acht, Kraft übertragende Längselemente, die parallel zur Längsrichtung des Steuerungselements 16 angeordnet sind und die an den jeweiligen Enden des Steuerungselements 16 in Umfangsrichtung lateral miteinander zu Ringbünden 28, 30 verbunden sind.
1d zeigt eine alternative Ausführungsform eines Steuerungselements 16', welches aus einem einstückigen Röhrchen 17 beispielsweise durch Laserstrahlschneiden gefertigt ist.
Die in dem Röhrchen 17 durch Laserstrahlschneiden gebildeten Schlitze 19 verlaufen fast über die gesamte Länge des Röhrchens 17, so dass lediglich am proximalen und distalen Ende ungeschlitzte Ringbünde 28', 30' verbleiben, die die als Kraft übertragende Längselemente fungierenden Wandsegmente 21 jeweils miteinander verbinden.
1e zeigt einen Querschnitt durch ein Steuerungselement der 1d, bei dem allerdings nur vier Wandsegmente 21 vorhanden sind. Die Kreisbogensegmente der Wandsegemente 21 entsprechen einem Bogenwinkel α von ca. 82° bis 86°. Die Ausdehnung der Schlitze 19 in Umfangsrichtung entspricht einem Winkel β von ca. 4° bis 8°.
Den Querschnitt der Steuerungsvorrichtung 10 zeigt 1f, wobei als Steuerungselement das Steuerungselement 16' der 1d zum Einsatz kommt, allerdings mit einer Anzahl von vier Wandsegmenten 21.
Beispielhaft seien der Außendurchmesser D von ca. 2,5 mm und der Innendurchmesser von ca. 1,8 mm genannt.
Aufgrund der Führung der Kraft übertragenden Längselemente 26 zwischen dem äußeren und dem inneren Schaft 12, 14 in der Steuerungsvorrichtung 10 resultiert bei einem Schwenken des proximalen Endabschnittes 18 eine in gleicher Schwenkebene jedoch in entgegengesetzter Richtung verlaufende Abwinkelung am distalen Endabschnitt im Bereich der Gelenkzone 24 um denselben Winkelbetrag. Eine solche Situation ist in 2 dargestellt.
Die Ausgestaltung der Gelenkabschnitte in Form der flexiblen Abschnitte 22, 24 des inneren bzw. äußeren Schafts kann vielfältig sein.
Die 3A und 3B zeigen zwei Varianten von verwandten Ausgestaltungen der flexiblen Abschnitte, hier in Form der Abschnitte 22' bzw. 22'' eines äußeren Schafts 12. Dieselbe Art der Ausgestaltung bietet sich auch für die flexiblen Abschnitte des inneren Schafts 14 an.
Gemeinsam ist den beiden Varianten die Verwendung einer Schlitzstruktur mit in Umfangsrichtung verlaufenden Schlitzen 47 in dem hohlzylindrischen Schaft. Vorzugsweise sind entlang einer Umfangslinie zwei oder mehr voneinander über Stege 49 getrennte Schlitze vorhanden. Da die Anordnung von Schlitzen entlang von nur einer Umfangslinie nur einen sehr kleinen Schwenkwinkel erlauben würde, sind bei typischen Schlitzstrukturen der Gelenkzone 22' eine Mehrzahl in Axialrichtung beabstandeter Umfangslinien mit Schlitzen 47 vorhanden. Bevorzugt sind in Axialrichtung benachbart angeordnete Schlitze 47 gegeneinander im Umfangsrichtung versetzt angeordnet, so dass sich Biegemöglichkeiten in mehreren Ebenen ergeben.
In 3B sind zwei Schlitze 47 pro Umfangslinie vorhanden, die durch Stege 49 von einander getrennt sind. In 3A sind es drei Schlitze 47. Die Schlitzstruktur umfasst in beiden Fällen typischerweise eine Vielzahl von Schlitzen 47, die entlang mehrerer gedachter und in Axialrichtung voneinander beabstandeter Umfangslinien angeordnet sind. Über die Wahl der Schlitzstruktur und die Anzahl der Schlitze lässt sich sehr einfach der zulässige Schwenk winkel vorgeben und auch weitere Eigenschaften eines Gelenkabschnitts, wie z. B. die Biegefestigkeit, auf den jeweiligen Anwendungsfall anpassen.
Eine Verschwenkung des distalen Gelenkabschnittes in beliebig vorgebbare andere Richtungen bezüglich der Verschwenkbewegung des proximalen Endes, d. h. auch in Richtungen, die nicht in derselben Ebene liegen wird bei der Verwendung eines Steuerungselementes möglich, bei dem die Kraft übertragenden Längselemente mit ihren proximalen und distalen Enden in Winkelpositionen in Umfangsrichtung festegelegt, die um einen bestimmten Winkelbetrag differieren, beispielsweise um 180° wie bei dem Beispiel in den 4A und 4B gezeigt.
4A zeigt ein Steuerungselement 40 für die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung 10, bei der acht Kraft übertragende Längselemente 42 über ihre gesamte Länge schraubenlinienförmig angeordnet und mit einem Versatz von 180° an proximalen und distalen Ringbünden 44, 46 festgelegt sind.
Einer Verschwenkbewegung des proximalen Abschnittes 18 der Steuerungsvorrichtung 10 nach oben führt hier zu einer Verschwenkbewegung des distalen Abschnittes 20 in derselben Ebene ebenfalls nach oben.
Im Hinblick darauf, dass die Durchmesser typischer Steuerungselemente nur wenige Millimeter betragen, andererseits die erforderliche Länge der Steuerungselemente 10 cm oder deutlich mehr betragen, sind die Winkel, in denen die schraubenlinienförmig angeordneten Längselemente von der Längsrichtung der Steuerungselemente abweichen, erheblich kleiner als dies die 4A und 4B eventuell suggerieren. Um dies besser zu verdeutlichen, werden zwei Zahlenbeispiele hier vorgestellt:
Bei einem Instrument, wie es typischerweise in der Neurochirurgie eingesetzt wird, beträgt die Länge der Steuerungsvorrichtung ca. 30 cm, die Länge des zugehörigen Steuerungselements 40, 40' beträgt damit ebenfalls 30 cm. Der Außendurchmesser des Steuerungselements 40, 40' beträgt typischerweise 1,7 mm. Wählt man einen Winkelversatz von 180°, mit dem die proximalen und distalen Enden der Kraft übertragenden Längselemente 42, 42' an den Ringbünden 44, 46 bzw. 44', 46' festgelegt sind, so resultiert eine Schraubenlinienform der Längselemente, bei der die Schraubenlinie mit einem Winkel von ca. 0,5° gegen die Längsachse des Elements geneigt ist.
Bei einem in der Laparoskopie eingesetzten Instrument hat die Steuerungsvorrichtung eine Länge von beispielsweise 22 cm, der die Länge des Steuerungselements 40, 40' entspricht. Der Außendurchmesser des Steuerungselements 40, 40' ist verhältnismäßig groß und beträgt ca. 9,7 mm. Bei dieser kürzeren Länge der Steuerungsvorrichtung 10 bei gleichzeitig deutlich größerem Durchmesser erhält man einen Winkel von 3,9°, mit dem die Schraubenlinie, entlang der die Kraft übertragenden Längselemente 42, 42' angeordnet sind, gegen die Längsachse des Steuerungselements 40, 40' geneigt sind.
Die beiden vorstehend geschilderten Beispiele können als Extrembeispiele verstanden werden, und bei einer überwiegenden Vielzahl von erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtungen 10 werden sich die Neigungswinkels der Längselemente 42, 42' gegen die Längsachse des Steuerungselements 40, 40' in den in diesen Beispielen aufgezeigten Grenzen halten.
Wählt man einen anderen Versatz als die 180°, die im Vorstehenden anhand der 4A und 4B beschrieben worden sind, erhält man eine abweichende Bewegungsrichtung für das distale Ende 20, beispielsweise bei einem Versatz von 90° führt eine Biegung des proximalen Abschnittes 18 in der Papierebene zu einer Auslenkung des distalen Endes 20 aus der Papierebene senkrecht heraus.
Vorzugsweise sind die Steuerungselemente für die erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtungen austauschbar, so dass einer Steuerungsvorrichtung 10 lediglich durch Austausch des Steuerungselementes 16, 16' bzw. 40, 40' unterschiedliche Bewegungsgeometrien verliehen werden können.
4B zeigt eine Variante eines Steuerungselements 40', welches ähnlich wie das Steuerungselement 16' der 1d aus einem einstückigen Röhrchen durch Laserschneiden gebildet ist. Die dabei entstehenden Wandsegmente 42' sind durch Schlitze 43' von einander getrennt und nur im Bereich von Ringbünden 44', 46' kraftschlüssig miteinander verbunden. Die Vorteile des schraubenlinienförmigen Verlaufs der Wandsegmente sind dieselben wie bei dem Steuerungselement 40 mit dem schraubenlinienförmig verlaufenden Längselementen 42.
5 zeigt schließlich die vorliegende Erfindung anhand der Steuerungsvorrichtung 10, die an ihrem proximalen Endabschnitt 18 an eine Handhabungsvorrichtung 50 angeschlossen ist.
Die Gelenkzonen 22 und 24 sind mit im Wesentlichen gleicher Länge ausgebildet, so dass sich bei einer Abwinklung des proximalen Endabschnittes 18 um z. B. 30° eine entsprechende Abwinklung des distalen Endabschnittes 20 ebenfalls um 30° ergibt. Die Richtung in der die Abwinklung des distalen Endabschnitts 20 erfolgt hängt von der Wahl des hier im Einzelnen hier nicht gezeigten Steuerungselements und der Festlegung der Enden der Kraft übertragenden Längselemente ab, wie dies weiter oben im Einzelnen beschrieben wurde.
Die in 5 gezeigte Steuervorrichtung 10 weist zusätzlich eine Haltevorrichtung 52 in Form einer Hülse 53 auf, die auf dem äußeren Schaft der Steuervorrichtung 10 mit dem Mittelabschnitt 25 überlappend längsverschieblich angeordnet ist.
Verschiebt man die Hülse 53 in Richtung zum proximalen Endabschnitt 18 und lässt die Hülse 53 mit dieser Gelenkzone 22 überlappen, so verkürzt sich die Gelenkzone 22, wodurch deren maximaler Biegewinkel beschränkt wird. Damit lässt sich variabel der zulässige Biegewinkel im Bereich des distalen Endabschnitts 20 einstellen, so dass zum Beispiel beim endoskopischen Abtragen von pathologischen Strukturen ein definierter Arbeitsbereich unter Sicht des Operateurs einstellbar ist.
5 enthält eine alternative Lösung zu der Haltevorrichtung 52 in Form der Haltevorrichtung 56, welche einen Ring 58 umfasst, der über einen zweifach gekröpften Steg 60 mit einer Geradführung 62 an der Handhabungsvorrichtung 50 längsverschieblich festgelegt ist. Über die Veränderung der Position des Ringes 58 entlang des Abschnittes 18 lässt sich, wie zuvor bezüglich der Hülse 53 erläutert, der für die Biegebewegung des proximalen Endabschnitts zur Verfügung stehende Teil der Gelenkzone 22 verkürzen, so dass wiederum nur ein eingeschränkter Biegewinkel auf Seiten des distalen Endabschnittes 20 zugelassen wird.
Darüber hinaus ist vorstellbar, dass sowohl im Falle der Hülse 53 als auch im Falle des Ringes 58 eine Feststellung in einer vorgegebenen Position, das heißt mit einer vorgegebenen Überlappung der Gelenkzone, vorgenommen wird kann, so dass der eingestellte beschränkte Arbeitsbereich auf Seiten des distalen Endabschnittes 20 gesichert ist.
Andererseits ist vorstellbar, die Hülse 53 auch in Richtung des distalen Gelenkabschnittes 20 zu verschieben, wobei dann bei einer entsprechenden Schwenkbewegung des proximalen Endabschnittes 18 eine übersetzte, das heißt stärkere, Schwenkbewegung im Bereich des distalen Endabschnittes 20 erfolgt.
Ebenso ist vorstellbar, Markierungen für die Position der Hülse 53 bzw. des Ringes 58 oder dessen Geradführung 62 vorzusehen, so dass eine einmal gefundene Winkelbeschränkung auch später immer wieder exakt eingestellt werden kann.
Zur Erläuterung des oben beschriebenen Effekts der Verstärkung der Schwenk- oder Biegebewegung am distalen Ende sei auf die 6 verwiesen, die eine Steuerungsvorrichtung 100 zeigt, die einen proximalen Endab schnitt 102, einen distalen Endabschnitt 104 sowie einen dazwischen liegenden Mittelabschnitt 106 aufweist. Während der Mittelabschnitt 106 biegefest ausgebildet ist, beinhalten die proximalen und distalen Endabschnitte 102, 104 jeweils eine Gelenkzone 108 bzw. 110 mit einer in Axialrichtung gemessenen Länge L₁ bzw. L₂. Die Länge L₂ ist dabei kürzer gewählt als die Länge L₁. Die 6a zeigt die Steuervorrichtung 100 in der Grundstellung, in der keine Kräfte auf den proximalen Endabschnitt 102 wirken.
Wird der proximale Endbereich 102 aus der Axialrichtung herausgeschwenkt, wie dies in der Abbildung der 6b verdeutlicht wird, so ergibt sich in der proximalen Gelenkzone 108 am Außenradius des gebogenen Endbereichs 102 eine vergrößerte Länge der Gelenkzone 108 von L₁ + Δ₁, am Innenradius ergibt sich eine verkürzte Länge von L₁ – Δ₂. Entsprechende Veränderungen in den Längen ergeben sich für den distalen Endabschnitt 104 mit einer Länge am Außenradius L₂ + Δ₂ und einer Länge am Innenradius von L₂ – Δ₁. Da die Längen L₁ und L₂ der Gelenkzonen 108, 110 unterschiedlich sind ergibt sich zwangsweise für den distalen Endabschnitt 104 eine verstärkte Biegebewegung um den von dem proximalen Endabschnitt vorgegebenen Längenänderungen folgen zu können.
Auch dieser Effekt lässt sich nutzen, um beispielsweise in einem proximal eingeschränkten Arbeitsbereich mit verhältnismäßig kleinen Schwenkbewegungen eine vollständige Nutzung des distal gegebenen Schwenkradius zu ermöglichen und distal einen möglichst großen Arbeitsbereich verfügbar zu machen.
Dieses Prinzip lässt sich mit der vorliegenden Erfindung variabel nutzen, indem über eine Haltevorrichtung (vgl. 5) die Länge einer Gelenkzone im Verhältnis zur anderen variiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/067785 A1 [0004, 0062, 0066]

Claims

Steuerungsvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in Endoskopen oder dgl., mit einem proximalen und einem distalen, jeweils eine Gelenkzone umfassenden Endabschnitt sowie mit einem dazwischen angeordneten biegefesten Mittelabschnitt, mit einem äußeren hohlzylindrischen Schaft, einen inneren hohlzylindrischen Schaft sowie mit einem zwischen diesen Schäften angeordneten Steuerungselement mit zwei oder mehr sich im Wesentlichen vom proximalen zum distalen Endabschnitt der Steuerungsvorrichtung erstreckenden, Kraft übertragenden Längselementen, wobei die Längselemente in Umfangsrichtung der Steuerungsvorrichtung in im Wesentlichen regelmäßigen Winkelabständen angeordnet und im Bereich ihrer proximalen und distalen Enden jeweils in Umfangsrichtung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsvorrichtung eine Haltevorrichtung umfasst, mit der ein Teil einer Gelenkzone biegefest bezüglich der Längsrichtung des Mittelabschnitts der Steuerungsvorrichtung oder einer sich an deren proximalen oder distalen Endabschnitt anschließenden Funktionseinheit fixierbar ist.
Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung eine entlang der Längsachse des Mittelabschnitts der Steuerungsvorrichtung verschiebliche biegesteife Hülse umfasst.
Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die biegesteife Hülse am Außenumfang des äußeren Schafts angeordnet ist.
Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung ein sich an der Funktionseinheit abstützendes Halteelement umfasst.
Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung in einer oder mehreren vorgegebenen Stellungen positionierbar und vorzugsweise festlegbar ist.
Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft übertragenden Längselemente voneinander lateral beabstandet angeordnet sind.
Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kraft übertragenden Längselemente Abstandshalter angeordnet sind.
Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft übertragenden Längselemente entlang der Längsrichtung der Steuerungsvorrichtung mindestens partiell in direktem Kontakt miteinander angeordnet sind.
Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft übertragenden Längselemente von dem äußeren und dem inneren Schaft in Radialrichtung geführt sind.
Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerungselement ein hohlzylindrisches Bauteil umfasst, dessen Zylinderwand mindestens im Bereich eines Abschnitts zwischen dem proximalen und distalen Ende in zwei oder mehr Wandsegmente unterteilt ist, die die Kraft übertragenden Längselemente bilden.
Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei oder mehr Wandsegmente am distalen Ende des hohlzylindrischen Bauteils über einen Ringbund fest miteinander verbunden sind.
Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei oder mehr Wandsegmente im Bereich des proximalen Endes des hohlzylindrischen Bauteils fest miteinander verbunden sind.
Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das hohlzylindrische Bauteil einstückig ausgebildet ist.
Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass hohlzylindrische Bauteil aus einem einzigen Röhrchen gefertigt ist, wobei die Unterteilung der Zylinderwand in Wandsegmente vorzugsweise mittels Laserstrahlschneiden erfolgt ist.
Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das hohlzylindrische Bauteil aus einer Stahllegierung oder Nitinol hergestellt ist.
Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft übertragenden Längselemente mindestens abschnittsweise schraubenlinienförmig angeordnet sind, so dass ihre proximalen und distalen Enden in Umfangsrichtung gesehen in unterschiedlichen Winkelpositionen festgelegt sind.
Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft übertragenden Längselemente als Kabel oder Drähte ausgebildet sind.
Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft übertragenden Längselemente einen bananenförmigen Querschnitt aufweisen.
Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die proximale Gelenkzone eine Ausdehnung in Längsrichtung der Steuerungsvorrichtung aufweist, die von der Ausdehnung der distalen Gelenkzone verschieden ist.
Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Gelenkzonen elastisch ausgebildet ist.
Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenkzone(n) des äußeren und/oder inneren Schafts einen Wandabschnitt umfassen, in dem mehrere voneinander beabstandete, in Umfangsrichtung verlaufende Schlitze angeordnet sind.
Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung zwei oder mehr, insbesondere drei oder mehr Schlitze hintereinander angeordnet sind.
Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass in Axialrichtung drei oder mehr Schlitze nebeneinander angeordnet sind.
Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die nebeneinander angeordneten Schlitze in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze die Zylinderwand vollständig durchdringende Schlitze sind.
Steuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die die Schlitze begrenzenden Wandflächen in einem spitzen Winkel zur Radialrichtung angeordnet sind.
Steuerungsvorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass gegenüberliegende Wandflächen desselben Schlitzes spiegelbildlich angeordnet sind, so dass sich am Außenumfang eines Schafts eine größere Schlitzbreite ergibt als benachbart zum Innenumfang.