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Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung, die insbesondere in der Medizintechnik und besonders bevorzugt in der minimal-invasiven Chirurgie einsetzbar ist.
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In der minimal-invasiven Chirurgie sind medizinische Instrumente bekannt, die eine über eine Körperöffnung in den Patienten einführbare Handhabungseinrichtung aufweisen. Bei der Handhabungseinrichtung handelt es sich beispielsweise um Greifeinrichtungen, Schneideinrichtungen und dergleichen. Die Handhabungseinrichtung ist über eine mechanische Kopplungseinrichtung mit einer Aufnahmeeinheit verbunden. Die mechanische Kopplungseinrichtung weist hierbei beispielsweise Seilzüge und/oder Stangen zur Betätigung der Handhabungseinrichtung auf. Das Betätigen der mechanischen Kopplungseinrichtung erfolgt mit Hilfe der Aufnahmeeinheit, wobei die Aufnahmeeinheit üblicherweise zusätzlich eine Steuerungseinrichtung sowie Elektronik und dergleichen zur Betätigung der mechanischen Kopplungseinrichtung aufweist. Die mechanische Kopplungseinrichtung ist über ein Kopplungselement mit der Antriebseinrichtung verbunden. Zum Messen von durch die Kopplungseinrichtung aufgebrachten Kräften und Momenten ist das Vorsehen faseroptischer Kraft-Momenten-Sensoren bekannt. Diese weisen mehrere Glasfasern auf, die im Wesentlichen parallel zur mechanischen Kopplungseinrichtung verlaufen. Die Glasfasern weisen beispielsweise optische Gitter wie Faser-Bragg-Gitter auf und sind beispielsweise in Metallrohren angeordnet. Die Dehnung bzw. Verformung der Metallrohre und somit der Glasfasern kann optisch detektiert werden. Über eine insbesondere in der Antriebseinrichtung angeordnete Auswerteeinrichtung kann sodann die Bestimmung von Kräften und Momenten erfolgen. Bei derartigen faseroptischen Kraft-Momenten-Sensoren besteht die Problematik, dass von der Auswerteeinrichtung nach der Identifikation des Sensors die Kalibrationswerte erfasst bzw. ausgelesen und anhand einer Identifikationsnummer geladen werden müssen. Die Identifikation des Sensors erfolgt hierbei entweder durch manuelle Eingabe einer Sensornummer, oder durch Auslesen der Sensornummer aus einem elektronischen Speicher.
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Bei elektrischen Sensoren kann eine automatische Erkennung erfolgen, indem eine Sensor-Kennung in einem Speicher des Sensors abgelegt ist und diese von der Auswerteeinrichtung ausgelesen werden kann. Auf Basis der Kennung kann über die Auswerteeinrichtung sodann mit Hilfe gespeicherter Kalibrierungsdaten eine Berechnung der tatsächlichen Werte mit Hilfe der Kalibrierungsdaten des Sensors erfolgen. Ebenso ist es möglich, auch die Kalibrierungsdaten in dem Sensorspeicher abzulegen.
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Das Vorsehen elektronischer Sensoren oder auch elektronischer Speicherbauteile in Kombination mit faseroptischen Sensoren ist in der Medizintechnik, insbesondere in der minimal-invasiven Chirurgie, nicht möglich, da medizinische Instrumente sterilisierbar sein müssen. Dies ist bei elektronischen Bauteilen nur schwer möglich. Beispielsweise muss bei der minimal-invasiven Chirurgie die Handhabungseinrichtung zusammen mit der mechanischen Kopplungseinrichtung von der Antriebseinrichtung abgekoppelt werden können, um sodann sterilisiert werden zu können. Es ist daher nicht vorteilhaft, in die Handhabungseinrichtung und/oder die mechanische Kopplungseinrichtung einen elektrischen Sensor oder einen faseroptischen Sensor mit elektrischem Speicherbauteil zu integrieren.
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Auch in anderen Einsatzgebieten der Medizintechnik ist das Vorsehen elektrischer Sensoren und/oder elektrischer Speicherbauteile in Bauteilen, die sterilisiert werden müssen, nicht vorteilhaft.
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Faseroptische Sensoren, wie faseroptische Kraft-Momenten-Sensoren, können auch in anderen Bereichen, wie beispielsweise der Robotertechnik sowie auch der Strukturüberwachung von Bauwerken wie Brückenbauwerken, eingesetzt werden. Wenngleich hier prinzipiell das Vorsehen elektrischer Speicherbauteile möglich ist, ist dies aufwendig. Ferner müsste sowohl eine elektronische als auch eine optische Schnittstelle vorgesehen werden. Der Vorteil der optischen nahezu verlustfreien Übertragung der Sensorsignale über weite Strecken wird durch das zusätzliche Vorsehen einer elektrischen Schnittstelle hierbei relativiert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei faseroptischen Sensoren, die insbesondere für den Einsatz in der Medizintechnik und besonders bevorzugt in der minimal-invasiven Chirurgie geeignet sind, eine automatische Erkennung der Sensoren zu ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung ist insbesondere für medizinische Instrumente geeignet, die sterilisiert werden müssen. Besonders bevorzugt ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung in der minimal-invasiven Chirurgie. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung zur automatischen Erkennung und ggf. sogar zum automatischen Zuordnen und/oder Auslesen der Kalibrierungsdaten eines insbesondere faseroptischen Sensors kann ferner auch in medizinischen Kathetern, zur Strukturüberwachung in Bauwerken wie Brücken, zur Erkennung von Kraft-Momenten-Sensoren bei Robotern und dergleichen eingesetzt werden.
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Die Sensoreinrichtung weist mindestens eine Glasfaser auf, wobei mindestens eine der Glasfasern als faseroptisches Sensorelement ausgebildet ist. Insbesondere handelt es sich bei diesem faseroptischen Sensorelement um ein mit einem faseroptischen Gitter wie einem Bragg-Gitter versehenen Glasfaser, deren Dehnung oder Verformung bestimmt und hieraus Kräfte und/oder Momente berechnet werden können. Vorzugsweise weisen derartige Sensoreinrichtung mehrere Glasfasern auf, wobei die unterschiedliche Verformung und Dehnung der einzelnen Glasfasern zur Berechnung von Kräften und Momenten miteinander kombiniert wird.
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Um erfindungsgemäß ein automatisches Erkennen der Sensoreinrichtung zu ermöglichen, ist ferner ein Identifikationselement vorgesehen, wobei es sich erfindungsgemäß bei dem Identifikationselement um ein optisches Identifikationselement handelt. Hierbei ist das optische Identifikationselement in eine der Glasfasern integriert. Hierbei kann es sich um eine der Glasfasern des Sensorelements oder um eine weitere Glasfaser handeln. Vorzugsweise ist das optische Identifikationselement in einem Kernelement, d. h. insbesondere dem Glasfaserkern und nicht deren Ummantelung, integriert.
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Das Identifikationselement weist vorzugsweise mehrere Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex auf. Hierbei können die Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex unterschiedliche Abstände und/oder unterschiedliche Breiten und/oder unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen. Durch eine derartige Anordnung von Bereichen unterschiedlicher Brechungsindizes ist das Speichern umfangreicher Informationen möglich. Insofern kann das optische Identifikationselement in einer einfachen Ausführungsform der Erfindung zur Identifikation der Sensoreinrichtung genutzt werden. Die Information beschränkt sich somit auf die Art des Sensors. Die Berechnung der tatsächlichen Werte des Sensors erfolgt sodann mit Hilfe der ausgelesenen oder automatisch zugeordneten Kalibrierungsdaten, die beispielsweise in einer Auswerteeinrichtung oder dergleichen hinterlegt und aufgrund der automatischen Identifikation der Sensoreinrichtung mit dieser verknüpft werden können.
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Insbesondere ist es in einer erfindungsgemäßen Weiterbildung auch möglich, eine Vielzahl von Daten in dem optischen Identifikationselement zu hinterlegen, so dass zumindest auch ein Teil der Kalibrierungsdaten unmittelbar aus der Sensoreinrichtung selbst herausgelesen werden kann. Insbesondere ist es auch möglich, dass alle Kalibrierungsdaten in dem optischen Identifikationselement hinterlegt sind, so dass das Ablegen von Kalibrierungsdaten in einer Auswerteeinrichtung und ein entsprechendes Zuordnen der Kalibrierungsdaten zu der Sensoreinrichtung nicht erforderlich ist.
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Die Herstellung des optischen Identifikationselements kann durch Belichten oder anderes Modifizieren der Glasfaser erfolgen. Das optische Identifikationselement kann hierbei als Bragg-Gitter oder auch als Fabry-Perot-Interferometer ausgebildet sein.
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Das Identifikationselement kann somit ein die Sensoreinrichtung identifizierendes Codemuster aufweisen. Das Codemuster kann ferner zumindest auch Teile der Codierungsdaten umfassen. Vorzugsweise umfasst das Codemuster mindestens einen Synchronisierungsblock zur Detektion von Abweichungen aufgrund äußerer Einflüsse, wie beispielsweise der Temperatur etc. Durch den Synchronisierungsblock ist sichergestellt, dass beispielsweise nicht aufgrund einer Dehnung der Glasfaser im Bereich des Identifizierungselements eine Verfälschung der ausgelesenen Daten erfolgt. Vorzugsweise ist das Identifizierungselement unabhängig vom Vorsehen von Synchronisierungsblöcken in einem hinsichtlich des Auftretens von Dehnungen oder anderen Verformungen der Glasfaser neutralen Bereich angeordnet.
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Das erfindungsgemäß als optisches Identifikationselement ausgebildete Identifikationselement, das in eine Glasfaser integriert ist, kann auch bei anderen Gegenständen unabhängig von einem faseroptischen Sensorelement eingesetzt werden. Dementsprechend kann das erfindungsgemäße optische Identifikationselement beispielsweise zur Identifikation medizinischer Instrumente, wie Kathetern, verwendet werden. Auch für die Identifikation von Werkzeugbestandteilen kann die Erfindung eingesetzt werden. Hierbei muss die auslesbare Information nicht unbedingt zur Kalibrierung des Gegenstand genutzt werden. Auch können beispielsweise Grenzwerte, wie beispielsweise Grenzwerte für den Betriebsdruck eines Wasserstrahlinstruments, oder maximale optische Leistungen wie beispielsweise bei einem Laserablationsinstrument, sowie beispielsweise auch Bewegungsbereiche einer Schere oder dergleichen hinterlegt sein. Hierbei wird auch ohne funktionale Werte die Rückverfolgbarkeit gewährleistet.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht eines medizinischen Instruments, wobei es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um ein Instrument der minimal-invasiven Chirurgie handelt,
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2 eine schematische vergrößerte Ansicht des in 1 mit II gekennzeichneten Bereichs ohne Gehäuse, und
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3 eine schematische Darstellung eines in eine Glasfaser integrierten optischen Identifikationselements.
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Ein medizinisches Instrument, wie ein Instrument für die minimal-invasive Chirurgie, weist eine Antriebseinrichtung 10 auf, in die eine insbesondere elektronische Auswerteeinrichtung 12 integriert sein kann. Über ein Kopplungselement 14, 16 ist ein Koppeln und Entkoppeln mit einer mechanischen Kopplungseinrichtung 18 möglich. Die mechanische Kopplungseinrichtung 18 weist an ihrem Ende beispielsweise eine Handhabungseinrichtung 20, wie ein Greif- oder Schneidelement, auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist nahe der Handhabungseinrichtung 20 eine Sensoreinrichtung 22 angeordnet.
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Die Kopplungselemente 14, 16 dient einerseits als optische Kopplungseinrichtung zur Verbindung der Kopplungseinrichtung 18 angeordneten Glasfasern mit der Auswerteeinrichtung 12 sowie ggf. auch zur mechanischen Kopplung von Seilzügen oder Stangen zum Betätigen der Handhabungseinrichtung 20 mit der Antriebseinrichtung 10.
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Die Sensoreinrichtung 22 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel sechs Sensorelemente 24 (2) auf. Die Sensorelemente 24 weisen Glasfasern mit Bragg-Gittern oder anderen Modifikationen auf. Aufgrund der Dehnung bzw. Verformung der Glasfasern in den Sensorelementen 24 können über die Auswerteeinrichtung 12 auftretenden Kräften und Momenten bestimmt werden.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Sensoreinrichtung ferner eine zusätzliche Glasfaser 26 auf, die beispielsweise zur Temperaturkompensation genutzt werden kann. Die Glasfaser 26 ist hierbei insbesondere in einer neutralen Faser angeordnet, so dass sie einer möglichst geringen Dehnung oder Verformung ausgesetzt ist.
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In dieser zusätzlichen Glasfaser 26 ist in bevorzugter Ausführungsform das optische Identifikationselement integriert. Das optische Identifikationselement kann, wie insbesondere anhand 3 schematisch dargestellt, ausgebildet sein. Hierzu ist das optische Identifikationselement im dargestellten Ausführungsbeispiel als streifenförmige Brechungsindexmodulation 28 ausgebildet. Das optische Identifikationselement 28 ist hierbei im Faserkern 30 angeordnet, der von einem Fasermantel 32 umgeben ist. Das Identifikationselement 28, das beispielsweise durch Belichten der beladenen Glasfaser erfolgt, weist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Brechungsgitter auf, das in dem in 3 schematisch unterhalb der Glasfaser 26 dargestellten Diagramm verdeutlicht ist. Hierbei weist das Identifikationselement im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Identifikationsbereich 34 auf, in dem beispielsweise ein binäres Codemuster ähnlich einem Barcode angeordnet ist. Zur Kompensation von ggf. trotz des Anordnens der Glasfaser 26 in einer neutralen Lage auftretenden Verformungen, ist dem Identifikationsbereich 34 ein Synchronisierungsblock 36 vor- und nachgeordnet.
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Das optische Identifikationselement kann in einer gesonderten Zusatzfaser 24 vorgesehen sein. Es ist auch möglich, das optische Identifikationselement in einer Faser vorzusehen, die als Sensorelement dient, wobei das Identifikationselement hierbei wiederum vorzugsweise in einer Lage angeordnet ist, in der die Faser allenfalls geringen äußeren Einflüssen ausgesetzt ist. Ferner ist es bevorzugt, dass das Identifikationselement unabhängig davon, in welcher Art von Faser es angeordnet ist, nahe dem Kupplungselement 14 angeordnet ist.
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Die Messung bzw. das Auslesen der Informationen aus dem optischen Identifikationselement kann beispielsweise durch folgende Verfahren erfolgen: OTDR (optical time domain reflectometry), OFDR (optical frequency domain reflectometry), LCOT (low-coherence optical tomography), low-coherence optical fiber speckle interferometry, Analyse der Raman-Streuung und Messung der Brillouin-Streuung.
