DE102010040987A1 - Method for placing a laparoscopic robot in a predeterminable relative position to a trocar - Google Patents
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Abstract
Bei einem Verfahren zum Platzieren eines Laparoskopieroboters (8) mit einem um dessen Isozentrum (18) isozentrisch bewegbaren Instrumentenarm (14) in einer vorgebbaren Relativlage (R) zu einem in einem Patienten (2) platzierten Trokar (20): – wird am Trokar (20) ein von außerhalb des Patienten (2) ortbarer Ortsmarker (24) angebracht, – wird die Ortsposition (PT) des Trokars (20) anhand des Ortsmarkers (24) erfasst, – wird die Ist-Position (I) des Isozentrums (18) erfasst, – wird anhand der Ist-Position (I), der Ortsposition (PT) und eines Fehlerminimierungsverfahrens (28) der Laparoskopieroboter (8) so bewegt, dass die Relativlage (R) erreicht wird.In a method for placing a laparoscopic robot (8) with an instrument arm (14) that can be moved isocentrically around its isocenter (18) in a predeterminable relative position (R) to a trocar (20) placed in a patient (2): 20) a location marker (24) that can be located from outside the patient (2) is attached, - the location (PT) of the trocar (20) is recorded using the location marker (24), - the actual position (I) of the isocenter (18 ) - the laparoscopic robot (8) is moved based on the actual position (I), the local position (PT) and an error minimization method (28) so that the relative position (R) is reached.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Platzieren eines Laparoskopieroboters mit einem isozentrisch bewegbaren Instrumentenarm in einer vorgebbaren Relativlage zu einem in einem Patienten platzierten Trokar.The invention relates to a method for placing a laparoscopic robot with an isocentrically movable instrument arm in a predeterminable relative position to a trocar placed in a patient.
Minimalinvasive Eingriffe nehmen im Bereich der klinischen Chirurgie einen zunehmend größeren Stellenwert ein. Wurden für kleine chirurgische Eingriffe noch vor wenigen Jahren relativ große Bereiche des Situs eröffnet, um eine Navigation des Chirurgen durch natürliche Landmarken zu ermöglichen, so lässt sich beobachten, dass eine Vielzahl dieser Eingriffe heute mittels Laparoskopie und optischer Unterstützung in Form von Endoskopie durchgeführt wird. Als Weiterentwicklung der klassischen Laparoskopie hat die robotergestützte Chirurgie inzwischen in einigen Bereichen der Medizin Einzug gehalten, z. B. in der Urologie, Gynäkologie oder Kardiologie. Sie ist dabei, sich im medizinischen Alltag durchzusetzen.Minimally invasive interventions are becoming increasingly important in the field of clinical surgery. Whereas small surgeries opened relatively large areas of the site only a few years ago to allow the surgeon to navigate through natural landmarks, it can be seen that a variety of these procedures are now performed by laparoscopy and optical endoscopy. As a further development of classic laparoscopy, robot-assisted surgery has meanwhile taken hold in some areas of medicine. In urology, gynecology or cardiology. She is about to assert herself in the medical routine.
Ein Laparoskopieroboter ist zum Beispiel in Form des Modells „da Vinci” der Firma „Intuitive Surgical” bekannt. Dieser Roboter weist einen ersten Instrumentenarm auf, der an seinem vorderen Ende ein Endoskop trägt. Bis zu drei weitere Instrumentenarme tragen laparoskopische Instrumente.A laparoscopic robot is known for example in the form of the model "da Vinci" of the company "Intuitive Surgical". This robot has a first instrument arm which carries an endoscope at its front end. Up to three additional instrument arms carry laparoscopic instruments.
Sowohl für das Endoskop als auch jedes der Instrumente wird im Patienten jeweils ein Trokar platziert, durch welchen das jeweilige Werkzeug in den Patienten einzuführen ist, um sodann einen roboterassistierter, minimalinvasiven Eingriff am Patienten durchzuführen. Eine Pivotbewegung einzelner Instrumente erfolgt während der Operation um einen Pivotpunkt. Dieser wird so gelegt, dass er sich im Zentrum bzw. Inneren des jeweiligen Trokars befindet. Der Pivotpunkt liegt außerdem im Bereich der Durchdringung des Patienten, also z. B. im Bereich der Durchdringung der Bauchdecke. Die Position des Pivotpunktes muss bei der OP-Vorbereitung dem System händisch mitgeteilt werden.For each of the endoscope and each of the instruments, a trocar is placed in the patient, through which the respective tool is to be introduced into the patient, in order then to perform a robot-assisted, minimally invasive procedure on the patient. A pivot movement of individual instruments takes place during the operation around a pivot point. This is placed so that it is located in the center or interior of the respective trocar. The pivot point is also in the area of the penetration of the patient, so z. B. in the area of penetration of the abdominal wall. The position of the pivot point must be communicated to the system manually during surgical preparation.
Aus der am 17.09.2010 eingereichten
Die Instrumente sind zusätzlich im Inneren des Patienten einzeln bewegbar. Der Zugang zum Patienten erfolgt über einen einzigen, sogenannten Single-Port-Trokar. Die Bewegung der Instrumente bzw. des Roboterarms kann konstruktiv wegen der C-Bogen-Struktur nur isozentrisch erfolgen. Mit anderen Worten lässt sich die C-Bogen-Struktur kinematisch bedingt mit Hilfe der verfügbaren Freiheitsgrade nur um ein bezüglich des Roboters festgesetztes Isozentrum bewegen. Der Instrumentenarm ist isozentrisch um ein Isozentrum verfahrbar, wobei dieses wieder händisch an den Durchtrittspunkt der Instrumente durch die Patientenoberfläche zu legen ist, z. B. in den Bereich der Bauchdecke. Das Isozentrum, also der Pivotpunkt der Bewegung des Roboterarms wird daher so platziert, dass dieses an einem Fixpunkt im Zentrum bzw. wenigstens im Inneren bzw. im Bereich des Trokars liegt. Die isozentrischen Bewegungen des Roboterarms haben so minimalen störenden Einfluss auf den Trokar bzw. den Patienten.The instruments are also individually movable inside the patient. Access to the patient is via a single, single-port trocar. The movement of the instruments or the robot arm can be constructive because of the C-arm structure only isocentric. In other words, the k-bow structure can only be moved kinematically with the help of the available degrees of freedom around an isocenter fixed relative to the robot. The instrument arm can be moved isocentrically around an isocenter, whereby this is manually again to be placed at the passage point of the instruments through the patient surface, z. B. in the area of the abdominal wall. The isocenter, ie the pivot point of the movement of the robot arm, is therefore placed so that it lies at a fixed point in the center or at least in the interior or in the region of the trocar. The isocentric movements of the robotic arm have as minimal disturbing influence on the trocar or the patient.
Im Detail werden der Instrumentenarm bzw. die Instrumente zunächst so platziert, dass diese sich koaxial auf einer gedachten verlängerten Linie der Trokarmittellängsachse außerhalb des Patienten befinden. Die Instrumente bzw. der Instrumentenarm können dann in einem zweiten Schritt axial auf den Trokar zu und durch diesen hindurch in das Innere des Patienten bewegt werden. Zwar kann im ersten Schritt sichergestellt werden, dass die Trokaröffnungen auf einfachem Wege getroffen werden. Es ist jedoch weiterhin erforderlich festzustellen, an welcher Stelle der nun bekannten Linie sich der Trokar befindet. Dies ist wichtig, um das oben genannte Isozentrum in den Bereich des Trokars, also an den gewünschten, durch den Trokar definierten Fixpunkt zu legen.In detail, the instrument arm or instruments are first placed so that they are coaxial with an imaginary extended line of the trocar center longitudinal axis outside the patient. In a second step, the instruments or the instrument arm can then be moved axially onto the trocar and through it into the interior of the patient. Although it can be ensured in the first step that the trocar openings are hit in a simple way. However, it is still necessary to determine at which point of the now known line the trocar is located. This is important in order to place the above-mentioned isocenter in the area of the trocar, that is, at the desired fixed point defined by the trocar.
Bekannt ist es auch hier, den gesamten Roboter zusammen mit dem Isozentrum händisch so lange zu verschieben bzw. zu verfahren, bis das Isozentrum des Roboters im gewünschten Fixpunkt des im Patienten platzierten Trokars liegt. Hierzu werden die ansonsten motorisch bedienbaren Antriebe des Roboters kraftfrei geschaltet bzw. betreffende Bremsen gelöst. Diese Vorgehensweise ist zeit- und kraftaufwändig.It is also known here to move or move the entire robot together with the isocenter by hand until the isocenter of the robot lies in the desired fixed point of the trocar placed in the patient. For this purpose, the otherwise motorized drives of the robot are switched without force or relevant brakes released. This procedure is time consuming and power consuming.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Platzieren eines Laparoskopieroboters mit einem isozentrisch bewegbaren Instrumentenarm in einer vorgebbaren Relativlage zu einem in einem Patienten platzierten Trokar anzugeben.The object of the invention is to provide an improved method for placing a laparoscopic robot with an isocentrically movable instrument arm in a predeterminable relative position to a trocar placed in a patient.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Der isozentrisch arbeitende Laparoskopieroboter soll in einer vorgebbaren Relativlage zum im Patienten bereits gesetzten, also platzierten Trokar platziert werden. Diese Relativlage ist insbesondere die oben beschriebene Lage des Isozentrums an einem gewünschten Fixpunkt innerhalb bzw. im Bereich des Trokars. Erfindungsgemäß wird am Trokar ein von außerhalb des Patienten ortbarer Ortsmarker angebracht. Da die Lage des isozentrischen Fixpunktes relativ zum Trokar bekannt bzw. vorgegeben ist, wird die Ortsposition des Trokars und auch des Fixpunktes dann anhand des Ortsmarkers erfasst. In einem weiteren Schritt wird die Ist-Position des Isozentrums des Laparoskopieroboters erfasst. Anhand der Ist-Position des Isozentrums und der Ortsposition des Trokars bzw. des Fixpunktes, welche mit anderen Worten die Zielposition für das Isozentrum darstellt, und anhand eines Fehlerminimierungsverfahrens wird der Laparoskopieroboter so bewegt, dass die Relativlage erreicht wird bzw. das Isozentrum in den Fixpunkt bewegt wird.The object is achieved by a method according to claim 1. The isocentrically operating laparoscopic robot is to be placed in a predeterminable relative position to the already set in the patient, so placed trocar. These Relative position is in particular the above-described position of the isocenter at a desired fixed point within or in the region of the trocar. According to the invention, a location marker which can be located from outside the patient is attached to the trocar. Since the position of the isocentric fixed point is known or predetermined relative to the trocar, the spatial position of the trocar and also of the fixed point is then detected on the basis of the location marker. In a further step, the actual position of the isocenter of the laparoscopic robot is detected. Based on the actual position of the isocenter and the location of the trocar or fixed point, which in other words represents the target position for the isocenter, and on the basis of a Fehlinimierungsverfahrens the laparoscopic robot is moved so that the relative position is reached or the isocenter in the fixed point is moved.
Gemäß der Erfindung kann sowohl der gesamte Roboter, z. B. auf Rollen, verfahren werden, um das Isozentrum auf den Fixpunkt auszurichten. Denkbar ist jedoch auch, dass der Roboter ein z. B. auf dem Fußboden mit Hilfe von Rollen verfahrbares Grundgerüst aufweist. Auf diesem ist dann relativ zu diesem beweglich ein Träger für den Instrumentenarm angeordnet. Der Träger definiert das Isozentrum, d. h. das Isozentrum weist eine relativ zu diesem feste Raumlage auf. Bei einem solchen Roboter kann z. B. das Grundgerüst zunächst nach Augenmaß in etwa die richtige Position verfahren werden, dass also das Isozentrum zumindest in der Nähe des Fixpunktes liegt. Anschließend wird lediglich der Träger und mit diesem das Isozentrum relativ zum Grundgerüst erfindungsgemäß verschoben. Es kann jedoch auch schon zur Grobpositionierung des Grundgerüstes das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden.According to the invention, both the entire robot, for. B. on rollers, are moved to align the isocenter on the fixed point. It is also conceivable that the robot a z. B. on the floor by means of rollers movable backbone. On this then a support for the instrument arm is arranged relative to this movable. The carrier defines the isocenter, i. H. the isocenter has a fixed spatial position relative to this. In such a robot can, for. For example, the basic scaffold will initially be moved approximately to the correct position, so that the isocenter lies at least in the vicinity of the fixed point. Subsequently, only the carrier and with this the isocenter relative to the backbone is moved according to the invention. However, it is also possible to use the method according to the invention for coarse positioning of the basic structure.
Während der gesamten Justierprozedur wird das Isozentrum stets ortsverfolgt, d. h. die Ist-Position des Isozentrums wird wiederholt erfasst und somit die Abweichung zur Orts-Position des Fixpunktes stets neu berechnet.Throughout the calibration procedure, the isocenter is always tracked, i. H. the actual position of the isocenter is recorded repeatedly and thus the deviation from the position of the fixed point is always recalculated.
Mit anderen Worten ist durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Lageabgleich zwischen dem Isozentrum des C-Bogens bzw. Laparoskopieroboters und dem Trokar bzw. dem Fixpunkt, also dem gewünschten Pivotpunkt der Armbewegung möglich.In other words, a positional balance between the isocenter of the C-arm or laparoscopic robot and the trocar or the fixed point, ie the desired pivot point of the arm movement is possible by the inventive method.
Der Gewinn wertvoller OP-Zeit, eine kürzere Narkosezeit und eine einfachere Bedienung des Roboters sind die direkten Folgen des Verfahrens.Gaining valuable surgery time, shorter anesthesia time, and easier robot operation are the direct consequences of the procedure.
Die auszuführende Verstellung des Laparoskopieroboters kann durch das Fehlerminimierungsverfahren über eine geeignete Anzeige einem Benutzer vorgeschlagen werden. Diese zeigt z. B. an, in welche Richtungen und um wie viel z. B. bestimmte Gelenke des Roboters zu verstellen sind oder das Grundgerüst zu verschieben ist. Das eigentliche Platzieren des Laparoskopieroboters erfolgt damit weiterhin manuell, jedoch unterstützt bzw. angeleitet durch die entsprechende Anzeige.The adjustment of the laparoscopic robot to be performed may be suggested to the user by the error minimization method via a suitable display. This shows z. For example, in which directions and how much z. B. certain joints of the robot are to be adjusted or the skeleton is to move. The actual placement of the laparoscopic robot is thus still manual, but supported or guided by the corresponding display.
Alternativ zur eben genannten händischen Bewegung kann jedoch in einer vorteilhaften Ausführungsform der Laparoskopieroboter auch automatisch bewegt werden. Ein manueller Eingriff des Personals zum Platzieren des Roboters ist dann nicht mehr notwendig, eine entsprechende Anzeige für die o. g. Soll-Bewegungsrichtungen usw. ist dann überflüssig. Die Fehlerminimierung kann also autonom bzw. automatisch, teilautonom oder manuell geschehen.As an alternative to the aforementioned manual movement, however, the laparoscopic robot can also be moved automatically in an advantageous embodiment. A manual intervention of the staff to place the robot is then no longer necessary, a corresponding display for the o. G. Target movement directions, etc. is then superfluous. The error minimization can therefore be autonomous or automatic, semi-autonomous or manual.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens werden die Ortsposition und/oder die Ist-Position durch eine optische Erfassung mit Hilfe einer Kamera ermittelt. Der Ortsmarker ist dann ein durch die Kamera optisch erfassbarer, bzw. sichtbarer Marker. Dieser ist z. B. dann als mindestens drei am Trokar angebrachte Markerpunkte ausgeführt. Hier sind sämtliche aus optischen Navigationssystemen bekannte Konzepte denkbar, z. B. eine Infrarotkamera mit infrarot sichtbaren Markern, wie z. B. vom ”Polaris”-System der Firma NDI bekannt.In an advantageous embodiment of the method, the spatial position and / or the actual position are determined by optical detection with the aid of a camera. The place marker is then a visually detectable by the camera or visible marker. This is z. B. then run as at least three trocar mounted marker points. Here are all known from optical navigation systems concepts conceivable, for. As an infrared camera with infrared visible markers such. B. known from the "Polaris" system of the company NDI.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird am Instrumentenarm ein Endoskop als Kamera angeordnet. Bei den oben genannten Laparoskopierobotern ist ohnehin ein Endoskop vorhanden, welches z. B. hinsichtlich seiner optischen Abbildungseigenschaften im Koordinatensystem des Laparoskopieroboters registriert bzw. kalibriert ist. Dieses Endoskop, welches in der Regel zur Navigation der chirurgischen Maßnahme im Patienten dient, erfüllt dann eine Doppelfunktion als Navigationskamera bei der Platzierung des Laparoskopieroboters bzw. seines Isozentrums. Eine zusätzliche Kamera ist dann nicht mehr notwendig. Außerdem ist die Ist-Position des Isozentrums dann stets durch die aktuelle Kameraposition bekannt. Die Relativposition zwischen Isozentrum und Fixpunkt entartet zur Kameraposition relativ zum Fixpunkt. Eine entsprechende Endoskopkamera ist oft ein Stereokamerasystem, welches die notwendige Raumortung von Ortsmarkern gegenüber einer Einzelkamera deutlich vereinfacht.In a preferred embodiment of the method, an endoscope is arranged as a camera on the instrument arm. In the abovementioned laparoscopic robots, an endoscope is present anyway, which z. B. is registered or calibrated in terms of its optical imaging properties in the coordinate system of the laparoscopic robot. This endoscope, which usually serves to navigate the surgical procedure in the patient, then fulfills a dual function as a navigation camera in the placement of the laparoscopic robot or its isocenter. An additional camera is then no longer necessary. In addition, the actual position of the isocenter is then always known by the current camera position. The relative position between isocenter and fixed point degenerates to the camera position relative to the fixed point. A corresponding endoscope camera is often a stereo camera system, which significantly simplifies the necessary spatial location of location markers compared to a single camera.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Instrumentenarm ein Kombinationsarm für eine Single-Port-Technik verwendet. Wie bereits oben erwähnt, ist insbesondere für den in seinem Durchmesser nicht unerheblichen Single-Port-Trokar und den entsprechend zugehörigen Kombinationsarm eine optimale Platzierung des Pivotpunktes also des Isozentrums des Laparoskopieroboters relativ zum Patienten gemäß der Erfindung entscheidend, um das Eingriffstrauma zu minimieren.In a further preferred embodiment of the method, a combination arm for a single-port technique is used as the instrument arm. As already mentioned above, an optimal placement of the pivot point of the isocenter of the laparoscopic robot relative to the patient according to US Pat Invention crucial to minimize the trauma intervention.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird als Fehlerminimierungsverfahren ein positionsbasiertes Visual-Servoing-Verfahren durchgeführt. Beim positionsbasierten Visual-Servoing (position based visual servoing – PBVS) werden stets die tatsächlichen Relativkoordinaten in einem Bezugskoordinatensystem bestimmt. So sind z. B. für die Lage und/oder Orientierung des Isozentrums und des Instrumentenarms sowie der Marker kartesische Ortskoordinaten bekannt. Unter Ausnutzung der Eigenschaften homogener Transformationen lässt sich so fortlaufend die Lagedifferenz zwischen Trokar und Isozentrum des C-Bogens beschreiben als die Verknüpfung der verschiedenen Koordinatensysteme – z. B. des Isozentrums, der Kamera und des C-Bogens – über entsprechende Transformationsmatrizen.In a preferred embodiment of the method, a position-based visual servoing method is performed as the error minimization method. Position-based visual servoing (PBVS) always determines the actual relative coordinates in a reference coordinate system. So z. B. for the location and / or orientation of the isocenter and the instrument arm and the marker Cartesian location coordinates known. By exploiting the properties of homogeneous transformations, the position difference between the trocar and the isocenter of the C-arm can be continuously described as the combination of the different coordinate systems - eg. B. the isocenter, the camera and the C-arm - via appropriate transformation matrices.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird als Fehlerminimierungsverfahren ein Visual-Servoing-Verfahren durchgeführt. Visual-Servoing-Verfahren sind z. B. aus „
Aus den Projektionen der Marker im Kamerabild, also der Lage der Bildmerkmale, wird bei bekannter Geometrie zwischen den Markern, z. B. am Trokar und der kalibrierten Kamera die Lage – also Position und Orientierung – des Trokars in Bezug auf das Kamerakoordinatensystem geschätzt bzw. ermittelt. Durch ein geeignetes Regelgesetz als Fehlerminimierungsverfahren kann dann das Isozentrum zum Ort des Fixpunktes gebracht werden.From the projections of the markers in the camera image, so the location of the image features, with known geometry between the markers, z. B. the trocar and the calibrated camera, the position - ie position and orientation - of the trocar with respect to the camera coordinate system estimated or determined. By means of a suitable control law as an error minimization method, the isocenter can then be brought to the location of the fixed point.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Fehlerminimierungsverfahren anhand eines Kalman-Filters durchgeführt, wie es z. B. aus dem o. g. Artikel bekannt ist.In a preferred embodiment, the error minimization method is performed on a Kalman filter as described e.g. B. from the o. G. Article is known.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:For a further description of the invention reference is made to the embodiments of the drawings. They show, in each case in a schematic outline sketch:
Der Instrumentenarm
Für die Single-Port-Technik ist daher der Patient
Sämtliche isozentrischen Pivot-Bewegungen des Roboters
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Relativposition R folgendermaßen definiert: Das Isozentrum
Erfindungsgemäß ist daher am Trokar
Im vorliegenden Beispiel ist der Ortsmarker
Die Ortsposition PT und die Ist-Position I werden an ein Fehlerminimierungsverfahren
In einer alternativen Ausführungsform ist keine Anzeige
In einer alternativen Ausführungsform des Verfahrens ist die Kamera
Das Endoskop
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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- 2011-09-05 WO PCT/EP2011/065300 patent/WO2012034886A1/en active Application Filing
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WO2012034886A1 (en) | 2012-03-22 |
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