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Die Erfindung betrifft ein Instrumentensystem für einen Endoskopieroboter.
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Im Bereich der klinischen Chirurgie nehmen minimalinvasive Eingriffe einen zunehmend größeren Stellenwert ein. Noch vor wenigen Jahren wurden selbst für kleine chirurgische Eingriffe relativ große Bereiche des Situs eröffnet, um eine Navigation des Chirurgen durch natürliche Landmarken zu ermöglichen. Es lässt sich beobachten, dass heute eine Vielzahl dieser Eingriffe mittels Laparoskopie und optischer Unterstützung in Form von Endoskopie durchgeführt wird. In einigen Bereichen der Medizin, z. B. der Urologie, Gynäkologie oder Kardiologie, hat inzwischen die robotergestützte Chirurgie als Weiterentwicklung der klassischen Laparoskopie Einzug gehalten und ist dabei, sich durchzusetzen.
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Bei der Laparoskopie im klassischen Sinne werden Instrumente, welche zur Durchführung einer medizinischen Maßnahme im Inneren eines Patienten dienen, durch einen Trokar zumindest teilweise in den Patienten eingeführt und dabei von einem Chirurgen händisch bedient bzw. geführt.
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Bei der robotergestützten Chirurgie befindet sich ein entsprechendes Instrument an einem Manipulatorarm eines Endoskopieroboters. Die eigentliche Führung des Instruments übernimmt daher der Roboter bzw. dessen Anlagensteuerung. Der Chirurg steuert wiederum lediglich den Roboter mit Hilfe eines Bedieninterfaces. Ein bekannter Endoskopieroboter ist z. B. das System ”Da Vinci” der Firma ”Intuitive Surgical”.
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Für die Akzeptanz der robotergestützten oder -assistierten Chirurgie in der medizinischen Praxis spielt die Flexibilität in Bezug auf die Bewegungsmöglichkeiten der verwendeten Instrumente eine entscheidende Rolle. Das Instrument sollte sich also beim Einsatz im Patienten durch eine Vielzahl an Freiheitsgraden für deren robotergesteuerte Bewegungsmöglichkeiten auszeichnen.
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Da insbesondere der Durchtrittsbereich durch den Patienten, nämlich der in der Regel die Bauchdecke durchsetzende Trokar nur wenig Bewegungsspielraum bietet, müssen verwendete, in den Patienten einzuführende Instrumente einen kleinen Bauraum aufweisen. Aufgrund des kleinen Bauraumes und den geforderten vielen Freiheitsgraden ist ein komplexer Aufbau der Instrumente aufwändig. Bekannt ist es daher, viele verschiedene eingriffsspezifische Bauformen für Instrumente anzubieten, um flexibel auf Operationsgegebenheiten eingehen zu können. Geringste Systemkosten und Komplexität bei höchster Beherrschbarkeit, Intuitivität und Sterilisierbarkeit sind bei einem solchen skalierbaren Ansatz daher wünschenswert. Die Skalierbarkeit bezieht sich auf die verschiedenen, eingriffsspezifischen Bauformen für Instrumente die darüber hinaus auch unterschiedlich große Arbeitsräume abdecken müssen. Problematisch ist jedoch hierbei, dass die Skalierbarkeit mit nur sehr schwer beherrschbarer Systemvielfalt eingeht.
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Bekannt ist es daher, z. B. aus dem o. g. System ”Da Vinci”, die geforderte Beweglichkeit nicht im Instrument selbst vorzusehen, sondern durch den außerhalb des Patienten befindlichen Teil des Endoskopieroboters, nämlich den Manipulatorarm zu realisieren. Der Manipulatorarm stellt also die wesentliche extrakorporale Positioniereinheit für das Instrument dar. Das Instrument selbst ist mehr oder weniger starr und auch starr am Manipulatorarm befestigt. Der Durchtrittspunkt durch den Trokar bildet hierbei in der Regel einen Pivotpunkt für die zur Verfügung stehenden Bewegungen. Bewegbar am Instrument ist allenfalls dessen unmittelbarer Arbeitskopf, z. B. in Form einer betätigbaren Schere oder eines Greifers, also mit nur einem einzigen Freiheitsgrad, nämlich Öffnen oder Schließen derselben.
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Das bekannte System ”Da Vinci” weist bis zu vier Manipulatorarme auf, welche individuell bewegbar sind. Um die o. g. Freiheitsgrade der Instrumentenbewegung zu realisieren, sind diese aufwendig konstruiert und benötigen für ihre Bewegung ein großes Raumvolumen.
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Die für einen Endoskopieroboter zur Verfügung stehenden Instrumente, aus denen ein jeweiliges für eine medizinische Maßnahme gewählt werden kann, bilden ein Instrumentensystem.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein verbessertes Instrumentensystem für einen Endoskopieroboter anzugeben.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Instrumentensystem für einen, einen Manipulatorarm aufweisenden Endoskopieroboter. Das Instrumentensystem weist verschiedene Komponenten auf, wobei die Komponenten nach einem Baukastenprinzip zu einem medizinischen Instrument kombinierbar sind. Das Instrument wiederum ist am Manipulatorarm befestigbar. Das Instrumentensystem umfasst folgende Komponenten:
- – Mindestens einen medizinischen Bearbeitungskopf, wobei dieser zur Durchführung einer medizinischen Maßnahme in einem Patienten dient.
- – Mindestens ein Armelement, das am Bearbeitungskopf oder im Fall mehrerer Armelemente an anderen Armelementen ankoppelbar ist.
- – Mindestens eins der Armelemente weist dabei ein Kupplungselement auf. Mit Hilfe des Kupplungselements ist das Armelement und damit auch weitere an diesem angekoppelte Armelemente und der angekoppelte Bearbeitungskopf am Manipulatorarm zu befestigen.
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Das Instrumentensystem ist derart ausgelegt, dass mindestens eine Komponente ein Bewegungselement aufweist, wobei das Bewegungselement vom Endoskopieroboter verstellbar ist. Das Instrumentensystem bzw. dessen Komponenten ist/sind dabei derart gestaltet, dass jedes aus den Komponenten komplettierte Instrument mindestens ein Bewegungselement aufweist.
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Die Erfindung beruht auf der Idee, ein verbessertes Instrumentensystem für einen Endoskopieroboter vorzuschlagen, das selbst mehr Bewegungsfreiheitsgrade ermöglicht als die bekannten starren Instrumente. Die Manipulatorarme können dann weniger Bewegungsspielraum bieten, dadurch einfacher und platzsparender konstruiert werden.
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Durch eigenbewegliche Instrumente ist auch die Einsparung von Manipulatorarmen möglich, da an einem Arm mehrere Instrumente gehalten werden können, die dann dennoch wegen ihrer Eigenbeweglichkeit relativ zueinander bewegbar sind.
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Durch eine Kombination eines beweglichen Instruments mit einem entsprechenden Manipulatorarm entsteht ein, je nach Verteilung der Freiheitsgrade auf Manipulatorarm und Instrument zumindest teilweise intrakorporal agierender Endoskopieroboter.
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Der Ausdruck ”mindestens” im Zusammenhang mit dem Bearbeitungskopf und dem Armelement ist derart zu verstehen, dass das Instrumentensystem einen tatsächlichen Baukasten ergibt, aus dem mindestens zwei verschiedene Instrumente erstellbar sind. Ist also beispielsweise nur ein einziger Bearbeitungskopf enthalten müssen mindestens zwei Armelemente vorgesehen sein. Ist mindestens ein Armelement vorgesehen, so sind mindestens zwei Bearbeitungsköpfe vorhanden. Das Instrumentensystem ist damit derart gestaltet, dass es für eine jeweilige spezielle von mehreren medizinischen Maßnahmen ein jeweiliges individuell zusammenstellbares Instrument liefert. Die einzelnen Komponenten sind daher in der Regel wiederverwendbar. Nach dem Zerlegen eines ersten Instruments können die Komponenten dann in z. B. anderer Zusammenstellung für ein weiteres Instrument wiederverwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Bedingung, dass jedes komplettierte Instrument mindestens ein Bewegungselement aufweist, ist derart zu verstehen, dass also mindestens der Bearbeitungskopf oder mindestens ein in jedem Instrument notwendiges Armelement mindestens ein Bewegungselement aufweist.
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Um zu dem Baukastenprinzip zu gelangen, weisen die unter Umständen mehreren Bearbeitungsköpfe und Armelemente gleiche bzw. zusammenpassende Verbindungselemente auf, durch welche die Komponenten in verschiedenen Kombinationen zusammenfügbar und wieder zerlegbar sind. Die Armelemente sind hierbei beispielsweise stabförmig, und erstrecken sich damit entlang einer Mittellängsachse. Diese besitzen dann an ihren jeweiligen Längsenden Kupplungen für andere Armelemente, den Manipulatorarm oder den Bearbeitungskopf. Bewegungselemente sind z. B. Dreh-, Schwenk- oder Rotationsgelenke oder Teleskope, die innerhalb einer Komponente oder zwischen zwei Komponenten als Verbindungsglied wirken. z. B. ist also eine Rotation zweiter Hälften eines Armelements zueinander um die Mittellängsachse durch ein Rotationsgelenk innerhalb des Armelements möglich. Ein Drehgelenk am Längsende eines Armelements dagegen erlaubt dessen Verschwenkung bezüglich benachbarter Komponenten.
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Ein beispielhaftes Instrument weist dann z. B. zwischen dem Kupplungselement und dem Bearbeitungskopf zwei in Reihe geschaltete beziehungsweise verbundene Armelemente auf, welche sowohl bezüglich des Manipulatorarms als auch untereinander als auch bezüglich des Bearbeitungskopfes beweglich sind.
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Vorgeschlagen wird gemäß der Erfindung also ein modulares Roboter- beziehungsweise Instrumentensystem, bei welchem die Dreh- und Schubachsen bezüglich der Bewegungsmöglichkeiten des Bearbeitungskopfes je nach Auswahl der Komponenten nach Baukastensystem frei konfiguriert werden können. Das Instrument selbst ist beweglich, d. h. der Arbeitskopf ist relativ zum Manipulatorarm beweglich. Diese Bewegung muss nicht vom Manipulatorarm selbst geliefert werden, weshalb dieser einfacher und weniger beweglich ausgeführt werden kann. Die oben beschriebene schwer zu handhabende Systemvielfalt durch eingriffsspezifische Auslegung der Manipulationskinematiken bezüglich des Arbeitskopfes wird durch dieses modulare Konzept eines Instrumentensystems in seiner Komplexität bezüglich des Endoskopieroboters – ohne Instrument – stark reduziert.
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Denkbar ist beispielsweise ein Instrumentensystem, welches einen Grundsatz von Achstypen und Gliedlängen der Armelemente vorrätig hält, um diese je nach Bedarf beliebig zu einem Instrument zu kombinieren. Das erfindungsgemäße Instrumentensystem als modulares Mikromanipulationssystem bietet die Vorteile der Skalierbarkeit, eine Reduktion der Komplexität des Endoskopieroboters durch eine aus dem Instrumentensystem erzeugbare Instrumenten- und daher Systemvielfalt. Durch Konfiguration eines geeigneten Instruments aus dem Instrumentensystem ist eine eingriffsspezifische optimale Achskonfiguration für die Beweglichkeit des Bearbeitungskopfes möglich. Die Systemkosten werden gesenkt. Durch die Zerlegbarkeit in einzelne Komponenten sind die Einzelkomponenten besser sterilisierbar, obschon für den jeweiligen Eingriff ein komplexes Instrument zur Verfügung steht.
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Die Bewegungselemente des fertiggestellten Instruments befinden sich während der Durchführung der medizinischen Maßnahme in der Regel innerhalb des Patienten, d. h. vom Manipulatorarm aus gesehen jenseits der Trokardurchführung. Die Bewegung des Instruments selbst erfolgt damit vollständig innerhalb des Patienten. Der Manipulatorarm dient dann z. B. nur noch zur Grobpositionierung und -ausrichtung des Instruments nahe einer zu behandelnden Körperregion. Während der Durchführung der Maßnahme bleibt dann der Manipulatorarm unbeweglich. Die Bewegung für die Durchführung der Maßnahme erfolgt alleine aus dem Instrument bzw. dessen Bewegungselementen.
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Denkbar für die Bewegungselemente ist es, dass diese vom Roboter aus bedient bzw. bewegt werden. Hierzu sind dann in den Komponenten z. B. Seilzüge und an den Verbindungsstellen der Komponenten mechanisch betätigbare Kupplungen zur Kraftübertragung vorgesehen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Bewegungselement einen elektrischen Antrieb auf. Der Antrieb befindet sich vor Ort im Bewegungselement selbst oder in dessen unmittelbarer Nähe. Mit anderen Worten besitzt das Instrument selbst dann vor Ort, d. h. direkt lokal am Bewegungselement einen elektrischen Antrieb. Der Endoskopieroboter liefert über den Manipulatorarm lediglich die Energie bzw. das Steuersignal zur Ansteuerung des Antriebs, um die Bewegung des Bewegungselements zu verursachen. Aufwendige Mechanik zur Übertragung einer im Roboter erzeugten Bewegung auf das Instrument, z. B. vom Endoskopieroboter betätigte Seilzüge, entfallen damit im Instrument. Zwischen Instrument und Manipulatorarm muss lediglich eine elektrische Verbindung hergestellt werden. Mit anderen Worten werden also elektrisch aktiv in ihrem Inneren betätigte bzw. angetriebene Instrumente vorgeschlagen. Weist ein Instrument mehrere Bewegungselemente auf, ist in der Regel jedem Bewegungselement ein eigener Antrieb zugeordnet. Jeder Antrieb kann z. B. über eine separate Ansteuerleitung versorgt werden. Günstiger sind in der Regel jedoch Leitungssysteme mit Bus-Intelligenz. Hier sind alle Bewegungselement dann lediglich an einem einzigen Bus in Reihe geschaltet. Im Instrument muss nur ein einziger Bus verlaufen. Z. B. reichen dann drei elektrische Leitungen zum Instrument aus, nämlich zwei Leitungen für positive und negative Spannung und eine Signal- beziehungsweise Bus-Leitung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Instrumentensystem zu mindestens einem Armelement einen Satz gleichartiger Armelemente in verschiedenen Längen. Mit anderen Worten existieren von einem Typ Armelement mit einer bestimmten Funktionalität, z. B. zwei Drehgelenken am jeweiligen Ende, mindestens zwei verschiedene Armelemente mit unterschiedlichen Längen, d. h. Abständen der Drehgelenke. Die gesamte Instrumentenlänge und dessen Bewegungsspielraum können so leicht bei prinzipiell gleicher Bewegungsfunktionalität auf bestimmte Patientendimensionen angepasst werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Instrumentensystem mindestens zwei Armelemente, wobei die Armelemente Bewegungselemente mit unterschiedlichen Freiheitsgraden ihrer möglichen Bewegungseigenschaften aufweisen. Zum Beispiel existieren zwei stabförmige Armelemente, von denen eines an beiden Enden Drehgelenke aufweist und ein anderes zwischen den beiden Enden ein Torsionsgelenk aufweist. Durch die Verwendung der unterschiedlichen Armsegmente können dann andere Freiheitsgrade für die Instrumentenbewegung bei gleichen Abmessungen erreicht werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform enthält das Instrumentensystem eine Ausgabeeinheit zur Übermittlung einer Bewegungseigenschaft des Bewegungselements an den Endoskopieroboter. In der Regel ist dabei jedem Bewegungselement des Gesamtsystems eine Ausgabeeinheit zugeordnet, sodass jedes Bewegungselement seine Bewegungseigenschaft an den Endoskopieroboter übermitteln kann. Je nach verwendetem Instrument beziehungsweise Bewegungselement kennt sodann der Endoskopieroboter die Bewegungseigenschaften des jeweiligen Instrumentes. Weist ein komplettiertes Instrument mehrere Bewegungselemente im Sinne einer kinematischen Kette auf, so ergeben sich kombinierte Bewegungseigenschaften der verschalteten Bewegungselemente im Hinblick auf die kinematische Kette. Die Ausgabeeinheit übermittelt dann z. B. die kombinierte Bewegungseigenschaft, d. h. die Bewegungseigenschaft des aktuell komplettierten Instruments und übermittelt diese an den Endoskopieroboter. Dieser ist dann über die vollständigen Bewegungsmöglichkeiten des Instruments informiert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist dem Bewegungselement ein mit der Ausgabeeinheit kommunizierender Speicher zugeordnet, im Speicher ist die Bewegungseigenschaft des Bewegungselements gespeichert. Mit anderen Worten ist jedem Bewegungselement dessen Bewegungseigenschaft als Information fest zugeordnet, sodass zur Ermittlung der Bewegungsmöglichkeiten des einzelnen Elements oder des Instruments lediglich die jeweiligen Speicher ausgelesen werden müssen. Die Speicher sind beispielsweise im jeweiligen betreffenden Armelement oder Bearbeitungskopf lokal angeordnet. Durch Zusammensetzen der Komponenten zum Instrument beinhaltet damit auch das komplettierte Instrument die gesamte Bewegungsinformation in den vorhandenen Speichern. Zum Beispiel kann der Speicher in Form eines RFID-Chips ausgebildet sein, sodass ein am Instrumentenarm platzierter RFID-Empfänger beim Einsetzen des Instruments die Bewegungsinformation der gesamten kinematischen Kette des Instruments auslesen und verwerten kann.
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Die Komponenten selbst besitzen damit eine dezentrale Intelligenz in Form der Bewegungsinformation ihrer Bewegungselemente. Bei einem komplettierten Instrument ergibt sich so als Summe der Einzelinformationen die Bewegungsinformation sämtlicher verfügbarer Bewegungsachsen des Instruments. Bei der Anbringung des Instruments am Instrumentenarm wird durch das Instrument die bereits vorhandene kinematische Kette des Robotersystems durch die Bewegungsmöglichkeiten des Instruments erweitert beziehungsweise letztere in das System integriert. Ein entsprechendes Instrument kann sich damit z. B. selbst an einem Kommunikationsbus des Endoskopieroboters anmelden. Ein zentrales, übergeordnetes Robotersteuerungssystem erkennt durch eine entsprechend erfolgte Anmeldung am Bus, welche Achstypen in der kinematischen Gesamtkette bis zum Bearbeitungskopf auf welche Art verbunden sind. Dadurch ist die gesamte Kinematik des Systems bekannt und die gewünschten Arbeitsraumlagen des Arbeitskopfes können berechnet und angesteuert werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das Instrumentensystem eine Recheneinrichtung auf, welche folgendermaßen ausgebildet ist: Es empfängt eine Vorgabe für einen gewünschten Bewegungsspielraum für den Bearbeitungskopf relativ zum Instrumentenarm. Der Recheneinrichtung sind alle Geometrieinformation aller Komponenten und die Bewegungseigenschaften aller Bewegungselemente, die im Instrumentensystem vorhanden sind, bekannt. Aus all dem schlägt die Recheneinrichtung eine Kombination eines Bearbeitungskopfes und eines beziehungsweise mehrerer Armelemente als Instrument vor, welches dann als komplettiertes Instrument die Vorgabe erfüllt. Geometrieinformationen sind hier beispielsweise die für die Beweglichkeit des Instruments beziehungsweise Bearbeitungskopfes notwendigen Informationen über Längen, Winkel und Abmessungen der Komponenten. Mit anderen Worten wird also nach einer präoperativen Planung im Sinne der Vorgabe mit den dazugehörigen Arbeitsraumanforderungen für das Instrument beziehungsweise Manipulationssystem automatisiert die bestgeeignete Kombination von Komponenten beziehungsweise die bestgeeignete Gelenkkombination von einem Planungssystem in Form der Recheneinrichtung vorgeschlagen. Ein gewähltes Instrument kann dann auch an einer Recheneinrichtung simuliert werden.
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Hier ist auch denkbar, dass z. B. eine Fehlermeldung ausgegeben wird, wenn gewünschte Vorgaben mit dem vorliegenden Instrumentensystem nicht erfüllbar sind.
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Ein beispielhafter Arbeitsablauf für eine medizinische Maßnahme unter Zuhilfenahme des erfindungsgemäßen Instrumentensystems sieht wie folgt aus: Ein Arzt gibt verschiedene Daten zu einer geplanten Operation in ein Planungssystem, z. B. in Form der o. g. Recheneinrichtung, ein. Daten sind z. B., welche Operation auszuführen ist und die Körpermaße des Patienten. Das Planungssystem schlägt dann die zu verwendenden Module des Instrumentensystems vor, also die Komponenten, und in welcher Reihenfolge diese zu einem Instrument zusammengesetzt werden. Das so komplettierte Instrument wird dann an den Manipulatorarm des Endoskopieroboters angeschlossen. Über die im Instrument integrierten Speicher melden sich die einzelnen Komponenten des Instruments 46 an einer zentralen Steuereinheit des Endoskopieroboters an. Diese ermittelt aus den in den Speichern gespeicherten Bewegungsinformationen der im Instrument verfügbaren Bewegungselemente die Gesamtkinematik des Endoskopieroboters in Verbindung mit dem Instrument, also über die gesamte entstandene kinematische Kette vom Roboter bis zum Bearbeitungskopf.
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Jede einzelne Komponente besitzt also eine eindeutige Identität, mit der sie sich an einer Steuereinheit des Endoskopieroboters anmelden kann. Die Steuereinheit verfügt dann über die entsprechenden Informationen zu dieser Identität, um die Gesamtkinematik des Roboterarms mit Instrument zu ermitteln. In dieser Ausführungsform ist also die o. g. Ausgabeeinheit zur Ermittlung beziehungsweise Übermittlung der Bewegungseigenschaften in die Steuereinheit des Endoskopieroboters integriert.
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Anschließend wird der Roboterarm derart gesteuert beziehungsweise geführt, dass das Instrument über einen Trokar in den Patienten eingeführt wird. Die Operation kann dann durchgeführt werden.
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In einer alternativen Vorgehensweise kann jedoch das zu verwendende Instrument auch nach Erfahrung des Operateurs aus den zur Verfügung stehenden Komponenten – also ohne automatischen Vorschlag durch das Planungssystem – zusammengesetzt werden.
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Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
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1 ein erfindungsgemäßes Instrumentensystem und
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2 einen Endoskopieroboter mit einem erfindungsgemäßen Instrument während eines medizinischen Eingriffs an einem Patienten.
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1 zeigt ein Instrumentensystem 2, welches insgesamt acht Komponenten 4 umfasst. Die Komponenten 4 teilen sich auf in zwei Bearbeitungsköpfe 6 sowie sechs Armelemente 8. Der Bearbeitungskopf 6a ist hierbei eine Schere, der Bearbeitungskopf 6b ein Greifer. Die Armelemente 8 sind stabförmig gerade mit jeweiligen Mittellängsachsen 10 ausgebildet. Ein erstes Armelement 8a weist an seinem einen Längsende 12a ein Kupplungselement 14 auf, welches unten näher erläutert wird. An seinem gegenüberliegenden Längsende 12b befindet sich ein Verbindungselement 16. Auch die restlichen Komponenten 4 weisen jeweilige Verbindungselemente 16 auf. Jeweils zwei Verbindungselemente 16 können zusammengefügt werden, um eine mechanische Verbindung zwischen den Komponenten 4 herzustellen. Sämtliche Verbindungselemente 16 sind in dem Sinne gleich, dass verschiedene Komponenten 4 über die Verbindungselemente 16 hintereinander in Reihe gefügt werden können.
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Die Verbindungselemente 16 weisen außerdem eine Gelenkfunktion mit einer jeweiligen Drehachse 18 auf. Sind zwei Verbindungselemente 16 zusammengefügt, fallen die Drehachsen 18 zusammen, und die jeweiligen Komponenten 4 können in Richtung des Doppelpfeils 20 um die gemeinsame Drehachse 18 relativ zueinander verschwenkt werden. Die Verbindungselement 16 stellen damit auch Bewegungselement 17 dar.
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Die Armelemente 8b–d bilden außerdem einen Satz 22 gleichartiger Komponenten 4, welche sich lediglich hinsichtlich ihrer jeweiligen axialen Länge l, d. h. dem Abstand der endseitigen Verbindungselemente 16 unterscheiden und ansonsten gleichartig sind. Gleichartig bedeutet, sämtliche Komponenten 4 des Satzes 22 weisen einen starren Längskörper mit endseitigen Verbindungselementen 16 auf, welche sämtlich hinsichtlich ihrer Drehachsen 18 gleich orientiert sind.
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Die beide Armelemente 8e, f dagegen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Freiheitsgrade bzw. Bewegungsmöglichkeiten. Neben den Bewegungselementen 17 in Form der Verbindungselemente 16 weisen diese zusätzliche Bewegungselemente 17 in Form eines Rotationsgelenks 24 und eines Knickgelenks 26 auf. Diese teilen die Armelemente 8e, f in zwei Längshälften bzw. Teile.
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Das Rotationsgelenk 24 erlaubt die Verdrehung der zwei Teile des Armelements 8e um die Mittellängsachse 10 in Richtung der Doppelpfeile 28. Die Raumlagen der endseitigen Drehachsen 18 können so zueinander verändert werden.
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Das Knickgelenk 26 hingegen erlaubt eine Verschwenkung der beiden Teile des Armelements 8f um die Schwenkachse 30, sodass auch hierdurch eine Verkippung der jeweiligen Drehachsen 18, wiederum in Richtung des Doppelpfeils 28, zueinander möglich ist. Die Armelemente 8e, f unterscheiden sich somit sowohl untereinander als auch gegenüber dem Satz 22 von Armelementen 8 durch die Anzahl und Art ihrer Freiheitsgrade der Bewegungselemente 17.
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2 zeigt einen Ausschnitt eines Patienten 32, nämlich dessen Bauchdecke 34 und Inneres 36. Am Patienten 32 wird minimalinvasiv eine medizinische Maßnahme durchgeführt. Deshalb wurde in die Bauchdecke 34 minimalinvasiv ein Trokar 38 gesetzt. Die medizinische Maßnahme wird minimalinvasiv mit Hilfe eines Endoskopieroboters 40 durchgeführt, von welchem lediglich ein Manipulatorarm 42 gezeigt ist. Am vorderen Ende 44 des Manipulatorarms 42 ist ein medizinisches Instrument 46 befestigt.
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Das Instrument 46 ist aus ausgewählten Komponenten 4 des Instrumentensystems 2 aufgebaut. Um das Instrument 46 zu bilden, ist als erstes Armelement das Armelement 8a mit einem zweiten in Form des Armelements 8b über deren jeweils einander zugewandte Verbindungselemente 16 verbunden. Am anderen Verbindungselement 16 des Armelements 8b ist als drittes Armelement das Armelement 8f angebracht. Hierzu werden ebenso die beiden Verbindungselemente 16 dieser Armelemente verbunden. Das Armelement 8f ist schließlich mit dem Bearbeitungskopf 6a in Form der Schere verbunden.
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Das Instrument 46 weist 4 Freiheitsgrade auf, nämlich vier Bewegungselemente 17. Drei davon sind gebildet aus den sechs je paarweise verbundenen Verbindungselementen 16 und durch die drei jeweiligen Drehachsen 18 dargestellt. Der vierte Freiheitsgrad ist durch das Knickgelenk 26 als Bewegungselement 17 mit der Schwenkachse 30 gebildet. Das zusammengesetzte Instrument 46 endet am Armelement 8a endseitig mit dem Kupplungselement 14, welches im Ende 44 des Manipulatorarms 42 befestigt ist und damit zur Befestigung des gesamten Instruments 46 dient. Über das Kupplungselement 14 ist das Armelement 8a bezüglich seiner Mittellängsachse 10 drehfest im Manipulatorarm 42 gehalten. Dieser ist jedoch seitens des Endoskopieroboters 40 um die Mittellängsachse 10 rotierbar, sodass hier für die Bewegung des Instruments 46 ein weiterer, jedoch vom. Endoskopieroboter 40 bereitgestellter Freiheitsgrad gegeben ist.
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Die Bewegungsfunktion des jeweiligen Bearbeitungskopfes 6, hier also das Öffnen und Schließen der Schere wird nicht als Bewegungselement 17 im Sinne der vorliegenden Erfindung angesehen. Diese Bewegung betrifft nämlich nicht die eigentliche Beweglichkeit des beweglichen Instruments 46, sondern alleine die auch mit bekannten starren Instrumenten mögliche Betätigung des Bearbeitungskopfes 6 beziehungsweise dessen speziellen Werkzeuges.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform sind die vier Bewegungselemente 17 des Instruments 46 vom Endoskopieroboter über Seilzüge und mechanische Kupplungen angetrieben. 2 zeigt jedoch eine Ausführungsform, bei welcher jedem Bewegungselement 17 vor Ort ein eigener elektrischer Antrieb 48 in Form eines Elektromotors zugeordnet ist. Die jeweilige Bewegung des Instruments 46 um die drei Drehachsen 18 beziehungsweise die Schwenkachse 30 wird damit jeweils direkt am Ort des jeweiligen Bewegungselements erzeugt. Die Antriebe 48 sind also in den jeweiligen Komponenten 4 integriert. Die Antriebe 48 werden über nicht dargestellte elektrische Zuleitungen, die im Inneren des Instruments 46 verlaufen, mit Energie und Steuersignalen versorgt. Die Schnittstelle der elektrischen Leitungen des Instruments 46 zu vom Manipulatorarm 42 befindet sich im Bereich der Kupplungselements 14. Diese ist durch nicht dargestellte Kontakte am Armelement 8a und Gegenkontakte am Ende 44 des Manipulatorarms 42 bewerkstelligt. Die Kontakte und Gegenkontakte gelangen bei Einsetzen des Instruments 46 in den Manipulatorarm 42 in Berührung.
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2 zeigt außerdem in einer weiteren Ausführungsform eine zum Instrumentensystem 2 zugehörige Ausgabeeinheit 50, welche eine Bewegungseigenschaft B des aus dem Instrumentensystem 2 erzeugten Instruments 46 an den Endoskopieroboter 40 übermittelt. Hierdurch verfügt letzterer über die Kenntnis sämtlicher Freiheitsgrade des aktuell eingesetzten Instruments 46 bezüglich der Schwenkachse 30 und den Drehachsen 18 sowie deren Zusammenwirken über die Geometrie der Armelemente 8 und des Bearbeitungskopfes 6.
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In einer ersten Ausführungsform teilt ein nicht dargestellter Bediener des Instrumentensystems 2 die aktuell im Instrument 46 verwendeten bzw. zu diesem kombinierten Komponenten 4 der Ausgabeeinheit 50 mit. Diese ermittelt dann die Bewegungsinformation B aus der in ihr gespeicherten Kenntnis der Bewegungseigenschaften der jeweiligen Komponenten 6.
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In einer alternativen Ausführungsform ist jeder Komponente 4 beziehungsweise jedem Bewegungselement 17 ein eigener Speicher 52 zugeordnet. In diesem ist jeweils eine entsprechende Bewegungseigenschaft B des betreffenden einzelnen Bewegungselements 17 gespeichert. Nach Fertigstellung des Instruments 46 kommunizieren die Speicher 52 der verwendeten Komponenten 6 mit der Ausgabeeinheit 50 und übermitteln die jeweiligen im Instrument 46 vorhandenen, beziehungsweise zur Verfügung stehenden Bewegungseigenschaften B automatisch, ohne dass ein Benutzer diese eingeben müsste, an die Ausgabeeinheit 50. Diese ermittelt daraus dann wieder die Bewegungsinformation B des gesamten Instruments 46 unter Berücksichtigung der entstehenden kinematischen Kette.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei welcher das Instrumentensystem 2 außerdem eine Recheneinrichtung 54 umfasst. Ein Benutzer, z. B. der nicht dargestellte, die medizinische Maßnahme planende Arzt, gibt vor Beginn der Maßnahme eine Vorgabe V in die Recheneinrichtung 54 ein. Diese Vorgabe V beschreibt die von ihm gewünschten Bewegungseigenschaften B, welche ein zu erstellendes Instrument 46 erfüllen soll. Die Recheneinrichtung 54 ermittelt aus den ihr bekannten, im Instrumentensystem 2 zur Verfügung stehenden Komponenten 4 und deren jeweiligen Bewegungseigenschaften B derer Bewegungselemente 17 eine geeignete Auswahl von Komponenten 4, welche dann schlussendlich zum Instrument 46 kombiniert werden, um die angeforderte Bewegungseigenschaft B gemäß der Vorgabe V zu erfüllen.
