-
Die Erfindung betrifft ein Instrument für einen Manipulatorarm eines Endoskopieroboters.
-
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.
-
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.
-
Bei der robotergestützten Chirurgie befindet sich ein entsprechendes Instrument an einem Manipulatorarm eines Endoskopieroboters. Auch hier reicht das Instrument von außerhalb des Patienten in diesen hinein. Der Roboterarm verbleibt stets außerhalb des Patienten. 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”.
-
Das bekannte System bildet ein sogenanntes teleoperiertes Roboterassistenzsystem, bei dem ein Chirurg an einer Bedienkonsole händisch Bewegungseingaben vornimmt. Der Roboter überträgt dann die Bewegungen skaliert über eine geeignete Kinematik auf die im Körper des Patienten befindlichen Instrumente. Derartige Systeme spielen bei der Marktentwicklung eine entscheidende Rolle. Für die Auslegung der Kinematik des Assistenzsystems gibt es zahlreiche Lösungsmöglichkeiten, die sich bisher durch einen störend großen Platzbedarf auszeichnen.
-
Bekannt ist es nämlich, 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 eigentlicher Arbeitskopf, z. B. in Form einer betätigbaren Schere oder eines Greifers. Das Instrument selbst weist also nur einen einzigen Freiheitsgrad auf, z. B. Öffnen oder Schließen der Arme des Greifers.
-
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.
-
Denkbar ist es im Gegensatz hierzu auch anhand neuerer Konzepte, diesem Nachteil entgegenwirken. Zum Beispiel ist es denkbar, verbesserte Instrumente vorzuschlagen, welche selbst mehr Bewegungsfreiheitsgrade ermöglichen als die bisher bekannten starren Instrumente.
-
Die Manipulatorarme dürfen dann weniger Bewegungsspielraum bieten, und dadurch einfacher und platzsparender konstruiert werden.
-
Durch eigenbewegliche Instrumente ist auch die Einsparung von Manipulatorarmen möglich, da an einem Arm mehrere Instrumente gehalten werden können, die dann wegen ihrer Eigenbeweglichkeit dennoch relativ zueinander bewegbar sind. Durch die Tatsache, dass die Instrumente bzw. Endoskope selbst mit mehr Bewegungsfreiheitsgraden ausgestatten werden, bleibt also der vom Endoskopieroboter bzw. dessen Manipulatorarm benötigte Arbeitsraum außerhalb des Körpers begrenzt. Der Hauptteil der Operationsbewegung wird durch eine Mehrfreiheitsgradkinematik innerhalb des Situs umgesetzt.
-
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.
-
Die Herausforderung besteht bei letzteren Ansätzen nun darin, die Vielzahl an Instrumenten und Bewegungsfreiheitsgraden bei kleinem Instrumentendurchmesser zu realisieren. Die Instrumente müssen nämlich in der Regel durch einen Trokar mit einem Innendurchmesser von maximal ca. 10 mm in den Patienten geführt bzw. durch den Trokar hindurch bewegt werden.
-
Ein Problem besteht auch darin, dass bezüglich medizinischer Instrumente immer mehr ein Geschäftsmodel vorzufinden ist, bei welchem die Instrumente als Einweg-Instrumente, sogenannte Disposables, angeboten werden. Hieraus resultiert eine Forderung nach Instrumenten mit niedriger Kostenposition bei gleichzeitig guter Sterilisierbarkeit. Sämtliche der oben genannten Forderungen stoßen bisher auf Realisierungsprobleme.
-
Denkbar ist es, bei einem beweglichen Instrument die Achsen der Instrumentenfreiheitsgrade hauptsächlich durch Drahtseilkonstruktionen anzutreiben, wobei die Drahtseile letztendlich vom Endoskopieroboter angetrieben werden. Ziel dieses Ansatzes ist es, aufgrund eines gewünschten Disposable-Konzeptes möglichst kostengünstig zu bleiben. Für jeden Bewegungsfreiheitsgrad im Instrument müssen mindestens zwei Drahtseile durch die Instrumentenstruktur geführt werden, um beide Bewegungsrichtungen bei dosierbarer Kraft bzw. dosierbarem Drehmoment realisieren zu können.
-
Für ein Instrument, dessen Bewegungsspielraum fünf Freiheitsgrade und einen beweglichen Bearbeitungskopf mit einer Funktion abdecken soll, sind daher an der ungünstigsten Stelle, nämlich zwischen Roboterarm und erstem Gelenk, zehn plus zwei Drahtseile vorzusehen. Die beiden letzteren dienen dann der Endeffektorfunktionalität, z. B. der Betätigung einer Schere oder eines Greifers. Sämtliche Drahtseile müssen zumindest am Befestigungsende des Instruments durch die Struktur geführt werden. Dies ist aufwendig.
-
Weitere Bewegungsachsen können durch Bewegung der Halterung des Instruments am Roboterarm selbst bewirkt werden. Diese stellen jedoch keine echte Beweglichkeit des Instruments, also relativ zum Roboterarm dar.
-
Zwar lässt sich ein derartiges Instrument beispielsweise mit einem Durchmesser von 8 mm konstruieren. Hier verbleibt jedoch keinerlei Bauraum, um z. B. noch eine elektrische Energieleitung im Instrument zu integrieren, wie sie z. B. für ein HF-Messer als Bearbeitungskopf zur Instrumentenspitze geführt werden müsste.
-
Zum anderen ist die Sterilisierbarkeit einer derartigen Konstruktion z. B. gerade im Bereich einer Knickstelle bzw. eines Gelenks in Frage zu stellen. Die Skalierbarkeit auf noch mehr Freiheitsgrade bei gleichem oder sogar geringerem Durchmesser ist höchstwahrscheinlich technisch derzeit nicht mehr umsetzbar.
-
Alternativ wäre eine Verwendung von Direktantrieben mit ausreichender Leistungsdichte oder vorgeschaltetem Getriebe für jedes einzelne Gelenk in entsprechenden Instrumenten denkbar. Zumindest ein Disposable-Konzept für ein derartiges Instrument erscheint jedoch wegen der zu erwartenden Kosten nicht realisierbar. Zudem haben verfügbare Direktantriebe, z. B. piezoelektrische Antriebe mit geeigneten Leistungsdaten einen Bauraum, der bereits den Großteil des Durchmessers eines Instruments einnimmt. Zusätzliche Energie und Signalleitungen, welche am Direktantrieb vorbeizuschleusen sind, lassen sich so im Inneren des Instruments schwer unterbringen. Der Vorteil dieses Ansatzes liegt jedoch in der Tatsache, dass ein solches Systemkonzept bei konstantem Durchmesser skalierbar ist und sowohl die konstruktive als auch die Fertigungskomplexität des Instruments reduziert ist.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Instrument für einen Manipulatorarm eines Endoskopieroboters anzugeben.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Instrument gemäß Patentanspruch 1. Das Instrument enthält einen Bearbeitungskopf zur Durchführung einer medizinischen Maßnahme in einem Patienten. Das Instrument enthält außerdem einen Instrumentenkörper, der den Bearbeitungskopf trägt, wobei der Instrumentenkörper ein am Manipulatorarm befestigbares Kupplungselement enthält. Das Instrument weist eine sterilisierbare Hülle auf, welche zumindest den Instrumentenkörper umschließt. Die Hülle weist wenigstens eine dichtend an den Instrumentenkörper anlegbare Öffnung auf, aus welcher das Kupplungselement herausragt.
-
In der Regel weist die Hülle auch eine zweite Öffnung auf, aus welcher das eigentliche Werkzeug, also der Bearbeitungskopf des Instruments, herausragt. Die Öffnung ist in der Regel so gestaltet, dass die Hülle dank der Öffnung über das Instrument überziehbar ist. Der Instrumentenkörper ist z. B. länglich ausgebildet, wobei sich das Kupplungselement dann am einen Längsende befindet, mit dem das Instrument dem Manipulatorarm zugewandt ist. Der Bearbeitungskopf, z. B. eine Schere, ein Greifer oder ein HF-Endeffektor befindet sich dann am anderen Längsende des Instrumentenkörpers.
-
Mit anderen Worten wird also vorgeschlagen, ein beliebig komplexes Instrument größtenteils mit einer sterilisierbaren – bzw. natürlich auch sterilen – Hülle zu überstülpen. Die Ansatzstellen, also Öffnungen der Hülle, werden hierbei gegenüber dem Instrument abgedichtet. Somit werden zumindest die von der Hülle umschlossenen Instrumententeile gegenüber dem Operationssitus steril abgedichtet. Die Sterilisierbarkeit des Instruments bzw. Instrumentenkörpers selbst ist daher nicht mehr von entscheidender Bedeutung und muss bei der Konstruktion des Instruments nicht berücksichtigt werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt die Hülle zumindest im Bereich der Öffnung eine durch Erwärmung auslösbare Schrumpfeigenschaft, um die dichtende Anlage an den Instrumentenkörper bei Montage der Hülle zu bewerkstelligen. Mit anderen Worten besitzt die Hülle also Schrumpfschlaucheigenschaften, um zumindest an der Öffnung eine sterile Barriere zwischen Instrumentenkörper und Patientensitus zu schaffen. Die nach dem Aufschrumpfen dichtende Anlage kann in Form von Reibschlusseigenschaften auch zur mechanischen Befestigung der Hülle am Instrumentenkörper dienen.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Hülle ein an beiden Enden je eine Öffnung aufweisender Schlauch. Die schlauchförmige Hülle besitzt damit zwei Öffnungen, durch welche der Bearbeitungskopf und das Kupplungselement aus der Hülle herausragen. Eine solche Hülle eignet sich insbesondere für länglich ausgebildete, z. B. stabförmige Instrumentenkörper. Beide Öffnungen sind dichtend an den Instrumentenkörper anlegbar, um eine sterile Barriere zu schaffen. Insbesondere kann ein derartiger Schlauch z. B. auf seiner ganzen Länge als Schrumpfschlauch ausgebildet sein. Durch eine Erwärmung des Schlauches nach Überstülpen über den Instrumentenkörper legt dieser sich steril dichtend und ganzflächig und damit stabil unter Reibschluss am Instrumentenkörper an und ist dadurch auf diesem sicher gehalten.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Instruments weist der Instrumentenkörper mindestens zwei, durch mindestens ein Gelenk verbundene Armsegmente auf. Die Hülle umfasst dann Passungssegmente, welche sich im Bereich der Armsegmente befinden und dort an diesen anliegen. Im Bereich der Gelenke weist die Hülle dagegen Gelenksegmente auf, die eine Bewegung der Gelenke ermöglichen. Zum Beispiel weist die Hülle im Bereich der Gelenksegmente keine Schrumpfeigenschaften auf oder ist sogar entsprechend radial erweitert, z. B. in Form von nicht am Instrumentenkörper anliegenden Balgsegmenten. Insbesondere sind also die in der Regel schwer zu sterilisierenden Gelenke unproblematisch, da sie von der sterilen Hülle abgedichtet sind, und somit selbst nicht sterilisiert werden müssen.
-
Mit anderen Worten wird also bei dieser Ausführungsform ein in Längsrichtung strukturierter Schlauch mit abwechselnden flexiblen Gelenkteilen bzw. entsprechenden eng anliegenden Längsabschnitten über das Instrument bzw. den Instrumentenkörper geführt. Die Elemente des Schlauchs, die über geraden Instrumentengliedern liegen, haben Schrumpfschlaucheigenschaften, sodass bei präoperativer Erhitzung eine Abdichtung des Instruments über den Schlauch erfolgt. Die flexiblen Gelenkelemente des Schlauchs ziehen sich nicht zusammen oder sind so ausgelegt, dass nach der Kontraktion des Schlauches noch eine freie Beweglichkeit des Gelenkes möglich ist. Das gesamte Instrument und vor allem die z. B. Drehgelenke des Instruments sind durch den Schlauch vor Kontamination geschützt. Der Schlauch dient als sterile Barriere für das gesamte Instrument.
-
In einer weiteren Ausführungsform enthält die Hülle eine Leitung, welche sich ausgehend vom Bereich des Kupplungselements entlang des Instrumentenkörpers in Richtung zum Bearbeitungskopf hin erstreckt. Die Leitung kann sich also über die ganze Länge oder nur eine Teillänge der Hülle erstrecken. Die Formulierung „im Bereich des Kupplungselements” ist so zu verstehen, dass bei dem am Roboter montierten Instrument ein Anschluss der Leitung an ein entsprechendes Gegenstück des Endoskopieroboters in dessen Nähe möglich ist. Die Leitung kann sich hierbei sowohl an der Außen- als auch an der Innenseite der Hülle, sowie in deren Innerem erstrecken. Die Leitung kann zu einem beliebigen Zweck dienen, also z. B. eine elektrische Leitung oder eine hohle Transportleitung für Fluid oder Gas sein.
-
Mit anderen Worten können also in den Hüllschlauch selbst Leitungen integriert werden, welche z. B. zur elektrischen Versorgung von Instrumentenkomponenten dienen; z. B. Energie- oder Signalleitungen. Vorstellbar ist zum Beispiel die Realisierung eines dreiadrigen Kommunikationsbusses in der Hülle für die Ansteuerung einzelner Komponenten oder Antriebe im Instrument über eine Signalleitung zur funktionalen Steuerung und zwei weitere Leitungen für die Antriebsenergie.
-
Ein einem instrumenteninternen Antrieb zugeordneter Controller wertet dabei das Bussignal aus und steuert die ihm zugeordneten Instrumentenachsen je nach Vorgabe an. Im Prinzip können gerade bei Integration der Leitungen in ein Kunststoffmaterial als Hülle und der damit verbundenen sehr guten Isoliereigenschaften der Hülle jede Form von Energie und Signalen zu jedem Punkt der Instrumentenstruktur übertragen werden. Zum Beispiel ist auch eine Übertragung von HF-Energie zum Endeffektor in Form des Bearbeitungskopfes über eine in der Hülle verlaufende HF-Leitung denkbar.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Instrumentenkörper und/oder der Bearbeitungskopf ein elektrisches Element auf. Die in der Hülle integrierte Leitung ist dann eine mit dem elektrischen Element kontaktierte elektrische Leitung. Die Kontaktierung zwischen Leitung und elektrischem Element des Instrumentenkörpers geschieht z. B. über im Montagezustand der Hülle aneinanderliegende Kontaktflächen an der Innenseite der Hülle und an der Außenseite des Instrumentenkörpers. Das elektrische Element kann z. B. ein Antrieb, ein Messfühler oder eine Beleuchtungseinrichtung sein. Mit anderen Worten wird also die Kontaktierung zwischen Hüllschlauch und Instrumentenkörper durch sich berührende Elemente zwischen Schlauch und Instrumentenstruktur sichergestellt.
-
Denkbar ist es, die jeweilige Leitung, die Teil der Hülle ist, direkt an der Hülle zu kontaktieren, d. h. mit einem entsprechenden Anschluss des Roboters zu verbinden. Hierzu müssen z. B. an der Hülle Anschlusskupplungen vorgesehen werden.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung jedoch wird die Leitung im Bereich des Kupplungselements auf einen am Instrumentenkörper angeordneten, mit der Leitung kommunizierenden, und am Endoskopieroboter anschließbaren Anschluss geführt.
-
Mit anderen Worten wird die Leitung im Bereich des Kupplungselements von der Hülle zurück an oder in den Instrumentenkörper bzw. das Kupplungselement geführt. Dort ist dann ein entsprechender Anschluss vorgesehen. Ein Gegenstück zum Anschluss befindet sich dann im Manipulatorarm. Mit anderen Worten wird der Kontakt der Leitung mit dem Endoskopieroboter letztendlich doch über das dem Endoskopieroboter zugewandte Ende des Instrumentenkörpers bzw. des Kupplungselements bewerkstelligt. Ein entsprechendes, z. B. aus Metall gefertigtes Endstück des Instrumentenkörpers kann besser als die in der Regel flexible Kunststoffhülle mit Anschlüssen, z. B. in Form von Steckkontakten oder abgedichteten Anschlussrohren, versehen werden. Mit anderen Worten findet dann die externe Energie- und Signalanbindung des Instruments letztendlich über den Instrumentenkörper statt. Die Weiterführung entlang des Instruments erfolgt jedoch über die Hülle.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Hülle an ihrer Innenseite ein Formschlusselement auf, das in ein Gegenelement am Instrumentenkörper derart eingreift, dass die Position der Hülle auf dem Instrumentenkörper festgelegt ist. Die Innenseite der Hülle liegt in der Regel größtenteils am Instrumentenkörper an. Mit anderen Worten ist also beim Aufbringen der Hülle auf den Instrumentenkörper deren relative Montageposition zueinander festgelegt. So wird beispielsweise sichergestellt, dass an der Innenseite der Hülle liegende Kontakte an entsprechend platzierten Gegenkontakten des Instrumentenkörpers anliegen. Auch ist sichergestellt, dass Gelenksegmente der Hülle im Bereich der Gelenke des Instrumentenkörpers liegen.
-
Zum Beispiel bei einem stabförmigen Instrument und einem entsprechenden Hüllschlauch wird die Drehposition des Schlauches in Umfangsrichtung folgendermaßen festgelegt: Eine in Längsrichtung laufenden Nut befindet sich am Instrumentenkörper. Eine radial einwärtige, an der Innenseite der Hülle gefertigte, in die Nut passende Nase befindet sich an der Innenseite der Hülle. Beide Elemente müssen bei der Montage des Schlauches zur Deckung gebracht werden. Die richtige Längsposition des Schlauches auf dem Instrumentenkörper kann dabei einfach dadurch ermittelt und sichergestellt werden, dass sowohl Kupplungselement als auch Bearbeitungskopf aus dem Schlauch ragen müssen. Ein gewisser Spielraum für die endgültige Längspositionierung des Schlauches auf dem Instrument kann z. B. dadurch bewerkstelligt werden, dass entsprechende Kontakte an der Innenseite der Hülle und Gegenkontakte am Instrumentenkörper in Längserstreckungsrichtung des Instruments über einen gewissen Toleranzbereich gefertigt sind.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Hülle eine vom Instrumentenkörper wieder entfernbare sterile Einweghülle. So wird ein Disposable-Konzept auch für aufwendig konstruierte Instrumentenkörper möglich, da das Disposable-Konzept vom Instrument selbst auf dessen Hülle übertragen wird. Somit kommt nun auch z. B. für aufwendige und teure direkt angetriebene Instrumente das Disposable-Konzept als Geschäftsmodell zum Tragen. Da der Schlauch als sterile Barriere dient, bleibt das Instrument bzw. dessen Instrumentenkörper selbst vor Kontamination geschützt und ist wieder verwendbar.
-
Ein entsprechendes Disposable-Konzept eignet sich z. B. auch für modular aufgebaute Instrumentensysteme, bei welchen das jeweilige Instrument jeweils aus Einzelteilen aus einem Baukasten zusammengesetzt wird. Ein Baukasten enthält hierbei verschiedene Bearbeitungsköpfe, die mit verschiedenen Gelenk- und Armsegmenten zu verschiedenen Instrumenten kombinierbar sind. Nach Beendigung der medizinischen Maßnahme wird die Hülle vom Instrumentenkörper entfernt und entsorgt. Das Instrument wird in seine Einzelteile zerlegt. Die Einzelteile selbst sind dann leicht reinigbar bzw. ggf. auch sterilisierbar. Für einen späteren Einsatz wird ein neues Instrument aus Einzelteilen des Baukastens zusammengesetzt und mit einer Einweghülle versehen.
-
Vorgeschlagen wird also ein erfindungsgemäßes Konzept, welches auch die Realisierung eines Instruments in Direktantriebsform zulässt. Die Probleme der Sterilisierbarkeit, der Kostenposition und der Energie- und Signalübertragung sind dabei gelöst. Durch die erfindungsgemäßen Eigenschaften und die lokale Verlagerung einiger Konstruktionskomplexität vom Inneren des Instruments auf dessen äußere Hülle steht einer weiteren Miniaturisierung von Instrumenten nichts mehr im Wege.
-
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
-
1 ein erfindungsgemäßes Instrument,
-
2 im Detail II aus 1 das Ende des Instrumentenkörpers mit Kupplungselement,
-
3 einen Querschnitt des Instruments aus 2 entlang der Linie III-III nach Montage, jedoch vor Erhitzung des Hüllschlauches und
-
4 die Situation aus 3 nach Erhitzung des Hüllschlauches.
-
1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Endoskopieroboter 2, nämlich ein vorderes Ende 4 dessen Manipulatorarms 6. Am Manipulatorarm 6 ist ein erfindungsgemäßes Instrument 8 befestigt. Das Instrument 8 ist länglich und stabförmig ausgebildet und weist an seinem vorderen, also dem Manipulatorarm 6 abgewandten Ende 10a einen Bearbeitungskopf 12, im Beispiel eine Schere, auf. Der Bearbeitungskopf 12 dient zur Durchführung einer medizinischen Maßnahme an einem nicht dargestellten Patienten, im vorliegenden Fall zum Herausschneiden von Gewebe.
-
Der Bearbeitungskopf 12 ist an einem Instrumentenkörper 14 des Instruments 8 gehalten, der sich vom Bearbeitungskopf 12 bis zum gegenüberliegenden Ende 10b des Instruments 8 bzw. dem Manipulatorarm 6 erstreckt. Am Ende 10b weist der Instrumentenkörper 14 ein Kupplungselement 16 auf, welches in einer Aufnahme 18 des Manipulatorarms 6 fest, aber entnehmbar gehalten ist. So ist das gesamte Instrument 8 fest mit dem Manipulatorarm 6 verbunden. In 1 ist das Ende 10b des Instruments 8 bzw. die Aufnahme im Manipulatorarm 6 nur schematisch dargestellt.
-
Der Instrumentenkörper 14 ist von einer zum Instrument 8 gehörenden Hülle 20 umschlossen, welche sich im Wesentlichen vom Ende 10a bis zum Ende 10b erstreckt. Die Hülle 20 weist im Bereich der Enden 10a, b zwei Öffnungen 22a, b auf, durch welche lediglich der Bearbeitungskopf 12 und das Kupplungselement 16 des Instruments 8 aus der Hülle 20 herausragen. Mit anderen Worten ist die Hülle 20 in 1 also ein an beiden Enden Öffnungen 22a, b aufweisender Schlauch. An beiden Öffnungen 22a und 22b liegt die Hülle 20 dichtend am Instrumentenkörper 14 an. Die Hülle 20 selbst ist ebenfalls insofern dicht und steril ausgeführt, dass diese eine sterile Barriere zwischen dem nichtdargestellten Patienten und dem Instrumentenkörper 14 bildet.
-
Der Instrumentenkörper 14 ist gebildet aus drei Armsegmenten 24a–c, welche durch zwei Gelenke 26a, b miteinander verbunden sind. Mit Hilfe der Gelenke 26a, b sind die Armsegmente 24a–c um jeweilige Drehachsen 28a, b in Richtung der Doppelpfeile 30 relativ gegeneinander verschwenkbar. Im Inneren des Instrumentenkörpers 14 sind mehrere Direktantriebe 32a–e vorgesehen. Der Direktantrieb 32a betätigt den Bearbeitungskopf 12, die Direktantriebe 32b, c das Gelenk 26a und die Direktantriebe 32d, e das Gelenk 26b. Jeder der Direktantriebe 32a–e ist über eine Steuerleitung 34 mit einer von drei Steuereinheiten 36a–c im jeweiligen Armsegment 24a–c verbunden. Die Steuereinheiten 36a–c wiederum sind über weitere Steuerleitungen 34 mit Kontakten 38 an der Außenfläche 40 des Instrumentenkörpers 14 verbunden.
-
Die Direktantriebe 32a–e bilden elektrische Elemente 33 des Instruments 8, die mit Versorgungsspannung und Steuersignalen zu versorgen sind.
-
Das Instrument 8 stellt also einen beweglichen Doppelgelenkarm dar. Die Hülle 20 weist daher drei Passungssegmente 42 auf, die im Bereich der jeweiligen Armsegmente 24a–cc an der Außenfläche 40 anliegen. Im Bereich der beiden Gelenke 26a, b weist die Hülle dagegen zwei Gelenksegmente 44 auf, welche die Bewegung der Gelenke 26a, b bzw. des Instruments 8 an dieser Stelle erlauben.
-
2 zeigt als Detail II aus 1 das Ende 10b des Instruments 8 und dessen Aufnahme im Ende 4 des Manipulatorarms 6. Gezeigt ist auch die elektrische Versorgung des Instruments 8 bzw. der Direktantriebe 32a–e, siehe hierzu auch nochmals 1. Hierzu weist die Hülle 20 drei an ihrer Innenseite 46 verlaufende Leitungen 48 auf, die in diesem Beispiel als elektrische Leitungen ausgebildet sind. In 2 sind zwei der Leitungen 46 sichtbar. Diese sind verbunden mit Kontaktflächen 50, welche sich ebenfalls an der Innenseite 46 der Hülle 20 befinden. Die Kontaktflächen 50 sind dabei geometrisch so an der Hülle 20 angeordnet, dass sie sich in dem in 1 und 2 gezeigten Montagezustand der Hülle 20 auf dem Instrumentenkörper 14 in Deckung zu den Kontakten 38 des Instrumentenkörpers 14 befinden. So sind die Elemente 33 mit den Leitungen 48 elektrisch kontaktiert.
-
Die elektrischen Leitungen 48 erstrecken sich längs des Instrumentenkörpers 14 von der hintersten Kontaktfläche 38 am Ende 10b des Instruments 8 bis zur vordersten Kontaktfläche 38 am Armsegment 24a und verbinden so nach Art eines Bussystems sämtliche Kontaktflächen 38 bzw. die entsprechend verbundenen Steuereinheiten 36a–c. Die jeweils in 2 sichtbaren hintersten Kontakte 38 an den Enden 10b des Instruments 8 sind über weitere Steuerleitungen 34 auf Kontaktzungen 52 geführt. Diese stehen aus der hinteren Stirnseite des Instrumentenkörpers 14 am Ende 10b hervor. Sie sind in entsprechende Kontaktfedern 45 des Manipulatorarms 6 bzw. der Aufnahme 18 eingesteckt, wenn das Instrument 8 im Manipulatorarm 6 eingesetzt ist. So wird eine einfache elektrische Kontaktierung des Instruments 8 bzw. der Leitungen 48 der Hülle 20 erreicht, ohne die Hülle 20 direkt über äußere Kontakte separat kontaktieren zu müssen. Die Kontaktzungen 52 wiederum bilden damit Anschlüsse 53 für das Instrument 8.
-
3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie III-III in 2 durch das Instrument 8. 3 zeigt allerdings abweichend eine Situation vor der Endmontage der Hülle 20 auf dem Instrumentenkörper 14. Die Hülle 20 bzw. der Hüllschlauch besitzt hier noch einen größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser des Instrumentenkörpers 14. So verbleibt ein Radialspalt 56 zwischen beiden Elementen. Dieser erlaubt ein Überziehen der Hülle 20 in Längsrichtung des Instrumentenkörpers 14 über diesen. Um zu erreichen, dass – in Radialrichtung bezüglich einer Mittellängsachse des Instruments 8 gesehen – jeweils Kontaktflächen 50 der Leitungen 48 auch den entsprechenden Kontakten 38 am Instrumentenkörper 14 gegenüberliegen, ist eine Orientierungshilfe gegeben: An der Hülle 20 ist ein radial einwärtiger Vorsprung als Formschlusselement 58 vorgesehen, der formschlüssig zu einer im Instrumentenkörper 14 eingebrachten Nut als Gegenelement 60 passt. Bei der Montage muss die Hülle 20 so in Umfangsrichtung zum Instrumentenkörper 14 gedreht werden, dass das Formschlusselement 58 im Gegenelement 60 einliegt. So ist zumindest die Drehstellung zwischen Hülle 20 und Instrumentenkörper 14 festgelegt. Die richtige Axialposition ergibt sich, wie in 1 ersichtlich ist, daraus, dass am vorderen Ende 22a des Instruments 8 Hülle 20 und Instrumentenkörper 14 bündig abschließen müssen. Eine Fehlmontage der Hülle 20 ist damit vermieden.
-
In 3 sind außerdem alle drei elektrischen Anschlüsse der Steuereinheit 36c, stellvertretend für sämtliche Steuereinheiten 36a–c, zu erkennen. Die drei Anschlüsse sind eine positive und negative Spannungsversorgung sowie eine elektrische Signalsteuerleitung nach Art eines Busses.
-
Die Hülle 20 weist Schrumpfeigenschaften auf. Zur Endmontage auf dem Instrumentenkörper 14 wird diese daher erwärmt, wodurch sie sich zusammenzieht. Der Durchmesser der Hülle 20 verringert sich. So gelangen die jeweiligen Kontaktflächen 50 mit den Kontakten 38 in Berührung und bilden einen elektrischen Kontakt. Außerdem zieht sich die Hülle 20 noch soweit zusammen, bis diese am Instrumentenkörper 14 dicht anliegt. Mit anderen Worten berühren sich Außenfläche 40 und Innenseite 46, wodurch die Hülle 20 reibschlüssig fest am Instrumentenkörper 14 gehalten ist. Dies gilt für den Bereich der Passungssegmente 42. Im Bereich der Gelenksegmente 44 dagegen kontrahiert die Hülle 20 nicht. So verbleibt Bewegungsspielraum für die Bewegung der Gelenke 26a, b.
