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Die Erfindung betrifft ein Instrumentensystem für die minimal-invasive Chirurgie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Führung für ein Instrument für die minimal-invasive Chirurgie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 6.
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Bei der minimal-invasiven Chirurgie, insbesondere der laparoskopischen und endoskopischen Chirurgie werden Instrumente verwendet, die mit einem langen Schaft durch einen engen Instrumentenkanal, z. B. eine Trokarhülse oder ein Single-Port in das intrakorporale Operationsfeld geführt werden. An dem distalen Ende des Schaftes ist ein Arbeitselement angeordnet, welches der jeweiligen operativen Aktion angepasst ist. Das Arbeitselement kann beispielsweise zum Greifen, Schneiden, Dissektieren oder Koagulieren ausgebildet sein.
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Bei solchen Instrumentensystemen ist es notwendig, das Arbeitselement extrakorporal gesteuert an die intrakorporale Einsatzposition zu bringen. In dieser Position muss das Arbeitselement bezüglich der Längsachse des Schaftes so gedreht werden, dass seine Wirkebene, z. B. die Schneidebene einer Schere oder die Schwenkebene einer Klemme der durchzuführenden Aktion entsprechend ausgerichtet ist. In einer einfachen Ausführung ist ein Instrumentenkanal rohrförmig ausgebildet, wobei eine begrenzte Schwenkbarkeit die Ausrichtung auf das Zielgebiet im Operationsfeld ermöglicht. Das Instrument ist in dem Instrumentenkanal axial verschiebbar, sodass das distale Arbeitselement aus dem distalen Ende des Instrumentenkanals austreten und in die gewünschte Einsatzposition gebracht werden kann. Das Instrument weist im Allgemeinen zur Betätigung an seinem proximalen Ende einen Griff, insbesondere einen Scherengriff auf, der in einer festen Winkelposition zur Wirkebene des Arbeitselements steht. Mittels dieses Griffes kann der Operateur das Instrument um seine Längsachse in dem Instrumentenkanal drehen, um die Wirkebene des Arbeitselements zu drehen und auszurichten. Der durch das Verschwenken des Instrumentenkanals zu erreichende Winkelbereich des intrakorporalen Operationsfeldes ist begrenzt. Die Wirkebene des Arbeitselements schließt dabei die Mittelachse des Instrumentenkanals ein und kann nicht im Winkel gegen die Mittelachse des Instrumentenkanals gestellt werden.
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Weiter sind Instrumentensysteme bekannt, bei welchen der Schaft des Instruments nach Art eines Roboterarms ausgebildet ist, sodass das am distalen Ende des Schaftes angeordnete Arbeitselement von außen dreidimensional gesteuert werden kann, um das Arbeitselement an die gewünschte Einsatzposition im intrakorporalen Operationsfeld zu bringen. Da hierbei der Schaft im Allgemeinen abgewinkelt verläuft, ist eine Drehung des Arbeitselements zur Veränderung und Ausrichtung seiner Wirkebene nicht möglich. Außerdem bedeutet die dreidimensionale Robotersteuerung einen sehr großen technischen Aufwand.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Instrumentensystem für die minimal-invasive Chirurgie zur Verfügung zu stellen, welches einfach aufgebaut ist und eine große Freiheit in Bezug auf die Positionierung des Arbeitselements bietet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Instrumentensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Eine Führung für ein Instrument für die minimal-invasive Chirurgie, wie sie in einem solchen Instrumentensystem verwendbar ist, ist im Patentanspruch 6 angegeben.
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Vorteilhafte Ausführungen der Erfindungen sind in den rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
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Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht darin, in dem starren Instrumentenkanal ein Führungsröhrchen anzuordnen, durch welches das Instrument mit einem flexiblen oder semiflexiblen Schaft hindurchgeführt wird. Das Führungsröhrchen ist in dem Instrumentenkanal axial verschiebbar, sodass der distale Endbereich des Führungsröhrchens gesteuert einstellbar unterschiedlich weit aus dem distalen Ende des Instrumentenkanals hinausgeschoben werden kann. Weiter ist das Führungsröhrchen in dem Instrumentenkanal um seine Achse drehbar. Das Führungsröhrchen ist zumindest in seinem distalen Endlängenbereich elastisch auf Krümmung vorgespannt. Wird das Führungsröhrchen vollständig in den starren Instrumentenkanal hineingezogen, so verläuft der distale Endlängenbereich des Führungsröhrchens koaxial mit dem Instrumentenkanal und wird gegen seine elastische Vorspannung gerade gestreckt gehalten. Wird das Führungsröhrchen distal aus dem Instrumentenkanal herausgeschoben, so krümmt sich der freie distale Endbereich des Führungsröhrchens entsprechend seiner elastischen Vorspannung aus der Achsrichtung des Instrumentenkanals heraus. Je weiter das Führungsröhrchen aus dem Instrumentenkanal distal herausgeschoben wird, um so stärker kann sich der Endbereich krümmen, sodass die distale Austrittsrichtung des Führungsröhrchens zunehmend stärker gegenüber der Achse des Instrumentenkanals abgewinkelt ist.
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Weiter kann das Führungsröhrchen in dem Instrumentenkanal um seine Längsachse gedreht werden. Ist das Führungsröhrchen mit seinem distalen Endbereich aus dem distalen Ende des Instrumentenkanals herausgeschoben und demzufolge nach außen gekrümmt, so liegt das distale Austrittsende des Führungsröhrchens radial versetzt gegen die Mittelachse des Instrumentenkanals. Eine Drehung des Führungsröhrchens in dem Instrumentenkanal bewirkt daher, dass sich das distale Austrittsende des Führungsröhrchens auf einer Kreisbahn um die Mittelachse des Instrumentenkanals bewegt. Die distale Austrittsrichtung des Führungsröhrchens, die im Winkel gegen die Mittelachse des Instrumentenkanals geneigt ist, bewegt sich demzufolge auf einer Kegelfläche um die Mittelachse des Instrumentenkanals.
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Durch das Führungsröhrchen wird ein Instrument mit einem flexiblen oder semiflexiblen Schaft hindurchgeführt, bis das distal an dem Schaft angeordnete Arbeitselement distal aus dem Führungsröhrchen austritt. Durch die Bewegung des Führungsröhrchens gegenüber dem Instrumentenkanal kann das Arbeitselement des Instruments in Kugelkoordinaten dreidimensional gesteuert positioniert werden. Wird das Führungsröhrchen aus dem distalen Ende des Instrumentenkanals herausgeschoben, so nimmt der Polwinkel des distalen Austrittsendes des Führungsröhrchens zu. Befindet sich das Führungsröhrchen vollständig in dem Instrumentenkanal, so ist das Austrittsende des Führungsröhrchens koaxial gegen den Pol gerichtet, sodass der Polwinkel 0° beträgt. Bei zunehmender Austrittslänge des Führungsröhrchens aus dem distalen Ende des Instrumentenkanals bewegt sich das Austrittsende des Führungsröhrchens vom Pol gegen die Aquatorebene, sodass der Polwinkel von 0° auf 90° zunimmt. Durch Drehung des Führungsröhrchens in dem Instrumentenkanal kann weiter die Position des distalen Austrittsendes des Führungsröhrchens im Azimutwinkel um insgesamt 360° gedreht werden.
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Damit das Instrument der Krümmung des distalen Endlängebereichs des Führungsröhrchens folgen kann, ist der Schaft des Instruments flexibel oder semiflexibel ausgebildet. Unter flexibel wird dabei eine Biegsamkeit verstanden, die nahezu keine elastische Rückstellkraft aufweist. Unter semiflexibel wird eine Biegsamkeit verstanden, die eine elastische Rückstellkraft aufweist, sodass der Schaft zwar der Krümmung des Führungsröhrchens folgen kann, jedoch eine ausreichende Längssteifigkeit aufweist, wenn der Schaft ungeführt distal aus dem Führungsröhrchen austritt. Bei einem flexiblen Schaft kann das Instrument nur soweit durch das Führungsröhrchen hindurchgeführt werden, dass sein Arbeitselement aus dem distalen Ende des Führungsröhrchens austritt, der Schaft des Instruments jedoch von dem Führungsröhrchen umschlossen wird. Ist der Schaft in einer bevorzugten Ausführung semiflexibel ausgebildet, so kann das Instrument auch über eine unterschiedliche Länge distal aus dem Führungsröhrchen austreten, wobei der Schaft die Austrittsrichtung des distalen Endbereichs des Führungsröhrchens beibehält. In einer Ausführung mit flexiblem Schaft kann das Arbeitselement somit im Wesentlichen nur auf einer Kugeloberfläche positioniert werden, während bei einer Ausführung mit semiflexiblem Schaft das Arbeitselement zusätzlich durch unterschiedlich weites Herausschieben aus dem distalen Ende des Führungsröhrchens auch noch in seiner radialen Position verstellt werden kann.
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Das Instrument kann in dem Führungsröhrchen um seine Längsachse gedreht werden, sodass beispielsweise mittels eines proximalen Griffes die Wirkebene des Arbeitselements um die Austrittsrichtung aus dem distalen Ende des Führungsröhrchens gedreht werden kann. Das Arbeitselement kann somit extrakorporal gesteuert nicht nur dreidimensional an die gewünschte Einsatzposition im intrakorporalen Operationsfeld gebracht werden, sondern an der jeweiligen Stelle kann auch die Wirkebene des Arbeitselements ausgerichtet werden, insbesondere kann die Wirkebene auch um eine gegen die Mittelachse des Instrumentenkanals abgewinkelte Achse geschwenkt werden.
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Das Führungsröhrchen besteht zumindest in seinem distalen Endlängenbereich aus einem elastischen Werkstoff, der auf Krümmung vorgespannt ist. Die Elastizität wird dabei durch zwei Kriterien eingeschränkt. Zum einen muss das Führungsröhrchen vollständig in den starren Instrumentenkanal hineingezogen werden können, d. h. gerade gestreckt werden können, ohne dass die elastische Rückstellkraft die Verschiebung in dem Instrumentenkanal zu stark behindert. Zum anderen muss der distale Endlängenbereich des Führungsröhrchens eine ausreichende Formstabilität aufweisen, um in dem aus dem distalen Ende des Instrumentenkanals austretenden Endbereich die gewünschte Krümmung formstabil zu halten und den Schaft des Instruments zu führen.
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Das Führungsröhrchen kann hierzu aus einem elastischen Kunststoff oder einem elastischen Metall bestehen. Besonders bevorzugt ist ein Führungsröhrchen, welches zumindest in dem distalen Endlängenbereich aus einer Memory-Legierung besteht, die auch als Formgedächtnislegierung bezeichnet wird. Diese Memory-Legierung weist zumindest in dem Bereich der üblichen Einsatztemperaturen, von beispielsweise 15° bis 45° superelastische Eigenschaften auf. Die Superelastizität, die auch als Pseudoelastizität bezeichnet wird, äußert sich in einer Kennlinie, bei welcher die elastische Rückstellkraft nicht oder nur gering mit zunehmender Auslenkung ansteigt. Bekannte Memory-Legierungen sind z. B. Nickel-Titan-Legierungen wie z. B. Nitinol.
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Der Instrumentenkanal kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein, um die Erfindung zu realisieren.
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In einer Ausführung ist der Instrumentenkanal als starres Rohr ausgebildet, sodass das Instrumentensystem insgesamt in der Form einem herkömmlichen Rohrschaftinstrument entspricht. Der Instrumentenkanal wird durch das äußere starre Rohr gebildet, in welchem das Führungsröhrchen aufgenommen ist, durch welches wiederum das Instrument hindurchgeführt wird.
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In einer anderen Ausführung kann der Instrumentenkanal als Kanal in einem Trokar ausgebildet sein, z. B. in dem Trokardorn, in der Trokarhülse oder zwischen Trokardorn und Trokarhülse. Diese Ausführung ist besonders geeignet, wenn beim Einsetzen eines Trokars mittels durch Instrumentenkanäle hindurchgeführter Instrumente präparative Eingriffe an dem von dem Trokar zu penetrierenden Gewebe oder z. B. in der Bauchhöhle bei der interventionellen Laparoskopie durchgeführt werden sollen.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
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1 eine axial geschnittene Darstellung eines Instrumentensystems und
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2a, b, c das distale Ende des Instrumentensystems in verschiedenen Stellungen.
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Das erfindungsgemäße Instrumentensystem weist einen starren Instrumentenkanal 10 auf. In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Instrumentenkanal 10 durch das Innenlumen eines starren Rohres mit kreisförmigem Querschnitt gebildet. Andere Ausführungen des Instrumentenkanals sind im Rahmen der Erfindung möglich. Beispielsweise kann der Instrumentenkanal auch durch einen Kanal in einem Trokar gebildet sein. Wesentlich ist, dass der Instrumentenkanal 10 durchgehend von einem proximalen Ende zu einem distalen Ende führt.
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Der Instrumentenkanal 10 nimmt ein Führungsröhrchen 12 auf. Das Führungsröhrchen 12 ist in dem Instrumentenkanal 10 axial verschiebbar und um seine Achse drehbar. Die axiale Länge des Führungsröhrchens 12 ist größer als die axiale Länge des Instrumentenkanals 10. Das Führungsröhrchen 12 ist in dem Instrumentenkanal 10 axial so verschiebbar, dass der distale Endlängenabschnitt 14 des Führungsröhrchens 12 vollständig in das distale Ende des Instrumentenkanals 10 hineingezogen werden kann und distal aus dem distalen Ende des Instrumentenkanals 10 hinausgeschoben werden kann. Das Führungsröhrchen 12 besteht zumindest in dem distalen Endlängenabschnitt 14, der aus dem Instrumentenkanal 10 herausgeschoben werden kann, aus einer Memory-Legierung mit superelastischen Eigenschaften, vorzugsweise aus einer Nickel-Titan-Legierung wie z. B. Nitinol. Das Führungsröhrchen 12 ist zumindest in dem distal aus dem Instrumentenkanal 10 herausschiebbaren distalen Endlängenabschnitt 14 gekrümmt vorgespannt. Wird das Führungsröhrchen 12 in proximaler Richtung in den Instrumentenkanal 10 hineingezogen, so wird das Führungsröhrchen 12 insgesamt und insbesondere auch in seinem distalen Endlängenabschnitt 14 gerade gestreckt in dem Instrumentenkanal 10 gehalten. Wird der distale Endlängenabschnitt 14 des Führungsröhrchens 12 distal aus dem Ende des Instrumentenkanals 10 herausgeschoben, so krümmt sich der distal frei kommende Endlängenabschnitt auf Grund der elastischen Vorspannung aus der Axialrichtung des Instrumentenkanals 10 nach außen.
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Am proximalen Ende des Instrumentenkanals 10 und des Führungsröhrchens 12 sind Stellmittel 16 vorgesehen, die in 1 nur schematisch angedeutet sind. Die Stellmittel 16 ermöglichen dem Operateur ein rotatorisches und axiales Bewegen des Führungsröhrchens 12 in Bezug auf den Instrumentenkanal 10. In der jeweiligen Drehstellung und axialen Verschiebungsstellung kann das Führungsröhrchen 12 gegebenenfalls gegenüber dem Instrumentenkanal 10 arretiert werden, z. B. durch eine Rastung, eine Klemmung oder dergleichen. Solche Stellmittel sind dem Fachmann an sich geläufig.
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Anstelle einer manuellen Bestätigung durch den Operateur können die rotatorische und axiale Bewegung des Führungsröhrchens 12 und die Betätigung des Instruments 18 auch robotergesteuert durchgeführt werden.
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Durch das Innenlumen des Führungsröhrchens 12 kann ein an sich bekanntes Instrument 18 hindurchgeführt werden. Das Instrument 18 weist einen flexiblen oder vorzugsweise semiflexiblen Schaft 20 auf, an dessen distalem Ende ein Arbeitselement 22 angeordnet ist. Am proximalen Ende des Schaftes 20 ist ein Griff 24 zur Betätigung des Arbeitselements 22 angebracht, z. B. ein Scherengriff. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Arbeitselement 22 zangenförmig ausgebildet. Andere an sich bekannte Instrumente können in gleicher Weise eingesetzt werden, z. B. Klemmen, Fasszangen, Scheren, Dissektoren, Koagulatoren, Nadelhalter oder Endoskope. Das Instrument 18 ist durch das Führungsröhrchen 12 hindurchführbar und mittels des Griffes 24 in dem Führungsröhrchen 12 drehbar.
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Die Funktionsweise des Instrumentensystems wird aus den 2a bis 2c deutlich.
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Wird das Führungsröhrchen 12 soweit in den Instrumentenkanal 10 hineingezogen, dass der distale Endlängenabschnitt 14 des Führungsröhrchens 12 vollständig in dem distalen Ende des Instrumentenkanals 10 aufgenommen ist, so fallen die Mittelachse 26 des Instrumentenkanals 10 und die distale Austrittsrichtung 28 des Führungsröhrchens 12 zusammen, wie dies in 2a dargestellt ist. Wird das Instrument 18 durch das Führungsröhrchen 12 hindurchgeführt, so tritt der Schaft 20 mit dem Arbeitselement 22 in der Richtung der Mittelachse 26 des Instrumentenkanals 10 distal aus. Das Arbeitselement 22 kann mittels des Griffs 24 um die Achse des Schaftes 20, d. h. um die Mittelachse 26 gedreht werden, sodass die Wirkebene des Arbeitselements 22 um diese Mittelachse 26 des Instrumentenkanals 10 gedreht werden kann, wie dies in 2a durch einen Pfeil angedeutet ist.
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Wird das Führungsröhrchen 12 distal gegenüber dem Instrumentenkanal 10 verschoben, wie dies in 2b gezeigt ist, so tritt der auf Krümmung vorgespannte distale Endlängenabschnitt 14 des Führungsröhrchens 12 aus dem distalen Ende des Instrumentenkanals 10 aus. Dabei krümmt sich der aus dem Instrumentenkanal 10 austretende Endbereich des Endlängenabschnittes 14 von der Mittelachse 26 nach außen, sodass die Austrittsrichtung 28 des Führungsröhrchens 12 mit der Mittelachse 26 des Instrumentenkanals 10 einen Polwinkel β einschließt. Wird das Führungsröhrchen 12 in dem Instrumentenkanal 10 um seine Achse gedreht, so bewegt sich der nach außen abgewinkelte Endlängenabschnitt des Führungsröhrchens 12 um die Mittelachse 26, sodass sich die Austrittsrichtung 28 des Führungsröhrchens 12 um einen Azimutwinkel α um die Mittelachse 26 auf einem Kegelmantel dreht. Auch hier kann die Wirkebene des Arbeitselements 22 mittels des Griffes 24 um die Austrittsrichtung 28 gedreht werden, sodass der Anstellwinkel der Wirkebene in Bezug auf die Mittelachse 26 verschwenkt wird.
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Wird das Führungsröhrchen 12 weiter in distaler Richtung aus dem Instrumentenkanal 10 herausgeschoben, wie in 2c dargestellt ist, so krümmt sich der vorgespannte distale Endlängenabschnitt 14 weiter nach außen, sodass der Polwinkel β einen Wert von maximal annähernd 90° erreichen kann. Auch hier kann die Austrittsrichtung 28 wiederum durch Verdrehen des Führungsröhrchens 12 im Azimut um 360° geschwenkt werden. Wie in 2c gezeigt ist, kann zusätzlich der Schaft 20, sofern dieser semiflexibel ausgebildet ist, distal unterschiedlich weit aus dem Ende des Führungsröhrchens 12 hinausgeschoben werden. Dadurch kann die räumliche Position des Arbeitselements 22 dreidimensional nicht nur im Azimutwinkel α und im Polwinkel β, sondern auch im Radius gesteuert eingestellt werden. Die Position in 2c zeigt besonders deutlich einen Vorteil des erfindungsgemäßen Instrumentensystems. Ist die Austrittsrichtung 28 um einen großen Polwinkel β nach außen geschwenkt, so nähert sich die Achse des Schaftes 20 am distalen Ende einem Polwinkel von 90°. Eine Drehung des Arbeitselements 22 durch Verdrehen des Schaftes 20 verschwenkt somit die Wirkebene des Arbeitselements 22 um eine zur Mittelachse des Instrumentenkanals 10 nahezu senkrechte Querachse. Dies ist für viele Einsatzfälle z. B. beim endoskopischen Nähen von besonderem Vorteil.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Instrumentenkanal
- 12
- Führungsröhrchen
- 14
- distaler Endlängenabschnitt
- 16
- Stellmittel
- 18
- Instrument
- 20
- Schaft
- 22
- Arbeitselement
- 24
- Griff
- 26
- Mittelachse von 10
- 28
- Austrittsrichtung von 12
- α
- Azimutwinkel
- β
- Polwinkel
