DE102013007761A1

DE102013007761A1 - Chirurgisches Instrument

Info

Publication number: DE102013007761A1
Application number: DE102013007761.3A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Lohmeier; Wolfgang Schober; Sven Brudniok
Original assignee: KUKA Laboratories GmbH
Current assignee: KUKA Deutschland GmbH
Priority date: 2013-05-06
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2014-11-06

Abstract

Ein erfindungsgemäßes chirurgisches Instrument weist auf: ein Antriebsmodul (25; 25'; 125) mit wenigstens einem, insbesondere unbegrenzt, drehbaren Abtriebsglied (31); einen mit dem Antriebsmodul lösbar verbindbaren Instrumentenschaft (20; 20'; 120) mit wenigstens einem, insbesondere zwischen Endanschlägen (37.1, 37.2), verschiebbar geführten Eintriebsglied (32; 32'; 32''; 132; 132'; 132''); und eine Schnittstelle (24) zwischen dem Antriebsmodul und dem Instrumentenschaft, die ein Führungselement (30; 30'; 30''; 130; 330) und eine Nut (33; 33') aufweist, wobei die Nut an einem von dem Ab- und Eintriebsglied und das Führungselement an dem anderen von dem Ab- und Eintriebsglied angeordnet und in der Nut verschiebbar geführt ist, wenn Ab- und Eintriebsglied miteinander gekoppelt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein, insbesondere robotergeführtes und/oder minimalinvasives, chirurgisches Instrument sowie ein Antriebsmodul und einen Instrumentenschaft eines solchen Instruments und ein Verfahren zu deren Verbinden.
Beispielsweise aus der WO 2011/143022 A1 ist ein robotergeführtes minimalinvasives Instrument mit einem Instrumentenschaft bekannt, der durch einen Roboter durch eine natürliche oder künstliche kleine Öffnung in den Patienten eingeführt wird. Zur Aktuierung intrakorporaler Freiheitsgrade, insbesondere eines Endeffektors, ist ein extrakorporales Antriebsmodul lösbar mit dem Instrumentenschaft verbunden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein vorteilhaftes chirurgisches Instrument zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein chirurgisches Instrument mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 13 stellt ein Antriebsmodul für ein solches Instrument unter Schutz, Anspruch 14 einen Instrumentenschaft, Anspruch 15 ein Verfahren zu deren Verbinden. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Ein chirurgisches Instrument nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein Antriebsmodul mit einem oder mehreren drehbaren Abtriebsgliedern auf. Ein Abtriebsglied ist in einer Ausführung eine Abtriebswelle eines Aktuators des Antriebsmoduls, insbesondere eines Elektromotors oder eines damit gekoppelten Getriebes. In einer Ausführung ist ein Abtriebsglied unbegrenzt drehbar, in einer anderen Ausführung um höchstens 360°, vorzugsweise um höchstens 215°.
Das chirurgische Instrument weist weiter einen Instrumentenschaft auf, der mit dem Antriebsmodul lösbar verbind bar, insbesondere verbunden ist. Der Instrumentenschaft weist einen oder mehrere, insbesondere intrakorporale, Freiheitsgrade auf.
In einer Ausführung weist der Instrumentenschaft ein starres, gelenkiges oder biegsamens Rohr auf, an dessen distalem Ende ein Endeffektor, insbesondere ein Skalpell, eine Zange, Schere, Klemme, Nadel, Pipette oder dergleichen angeordnet sein kann. Der Endeffektor kann eine Öffnung zum Ein- und/oder Austreten von elektromagnetischer Strahlung, insbesondere eine Optik einer Kamera oder eines Lasers, und/oder von gasförmigen und/oder flüssigen Fluid, insbesondere eine Saug- bzw. Spüldüse, aufweisen.
Der Endeffektor kann einen oder mehrere funktionale Freiheitsgrade, beispielsweise das Öffnen und Schließen einer Zange oder Öffnung, aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann der Endeffektor einen oder mehrere kinematische Freiheitsgrade, beispielsweise das Drehen und/oder Verschieben einer Zange oder Öffnung, aufweisen. Ein intrakorporaler Freiheitsgrad des Instrumentenschaftes kann insbesondere ein funktionaler oder kinematischer Freiheitsgrad eines Endeffektors oder ein Gelenk- bzw. elastischer Freiheitsgrad des gelenkigen oder biegsamen Rohrs sein. In einer Ausführung weist das Rohr einen oder mehrere Drehfreiheitsgrade um seine Längsachse auf. Diese können durch intra- und/oder extrakorporale Drehgelenke implementiert sein. Zur kompakteren Darstellung werden auch solche Drehfreiheitsgrade um die Rohrlängsachse als intrakorporale Freiheitsgrade des Instrumentenschaftes bezeichnet, da sie eine Drehbarkeit eines intrakorporalen Schaftendes, insbesondere Endeffektors darstellen. Um einen oder mehrere Freiheitsgrade des Instrumentenschaftes durch das damit verbundene Antriebsmodul zu aktuieren, weist der Instrumentenschaft ein oder mehrere verschiebbar geführte Eintriebsglieder auf, die mit einem Abtriebsglied des Antriebsmoduls gekoppelt werden bzw. sind, wenn Antriebsmodul und Instrumentenschaft miteinander verbunden sind. Ein Eintriebsglied aktuiert in einer Ausführung einen oder mehrere Freiheitsgrade des Instrumentenschaftes. Gleichermaßen können auch mehrere Eintriebsglieder denselben Freiheitsgrad aktuieren. In einer Ausführung ist ein Eintriebsglied durch ein oder mehrere, insbesondere gegensinnige, Zug- und/oder Druckmittel, beispielsweise Seilzüge oder Druckstangen, mit dem Rohr oder dem Endeffektor des Instrumentenschaftes verbunden, wobei das Zug- und/oder Druckmittel vorzugsweise, wenigstens im Wesentlichen, parallel zu einer Verschiebeachse des Eintriebsgliedes ist. In einer Ausführung ist ein Eintriebsglied formschlüssig und/oder zwischen zwei Endanschlägen, verschiebbar geführt.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird somit eine Drehbewegung wenigstens eines Abtriebsgliedes in einer Schnittstelle zwischen dem Antriebsmodul und dem Instrumentenschaft in eine translatorische, insbesondere lineare, Bewegung eines mit dem Abtriebsglied gekoppelten Eintriebsgliedes umgesetzt.
Hierzu sind Ab- und Eintriebsglied nach einem Aspekt in der Schnittstelle kreuzschubkurbelartig koppelbar bzw. gekoppelt. Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Schnittstelle eine, insbesondere gerade bzw. lineare, Nut und ein Führungselement auf, das in der Nut verschiebbar geführt ist, wenn Ab- und Eintriebsglied miteinander gekoppelt sind.
In einer Ausführung ist die Nut an, insbesondere in, dem Eintriebsglied angeordnet. Die Nut kann in einer Weiterbildung quer, insbesondere wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu einer Verschiebeachse des verschiebbar geführten Eintriebsgliedes sein bzw. mit dieser einen Winkel einschließen, dessen Betrag vorzugsweise zwischen 45° und 90° liegt. Das Führungselement ist, vorzugsweise exzentrisch, an dem drehbaren Abtriebsglied angeordnet. Die Drehachse des drehbaren Abtriebsgliedes ist in einer Weiterbildung quer, insbesondere wenigstens im Wesentlichen senkrecht zu einer Verschiebeachse des verschiebbar geführten Eintriebsgliedes und/oder der Nut. Insbesondere kann in einer Ausführung die Drehachse mit der Verschiebeachse und/oder mit der Nut jeweils einen Winkel einschließen, dessen Betrag vorzugsweise zwischen 45° und 90° liegt.
Gleichermaßen kann umgekehrt die Nut an dem Abtriebsglied angeordnet sein, das Führungselement entsprechend an dem Eintriebsglied.
Das Eintriebsglied ist in einer Ausführung verschiebbar an dem Instrumentenschaft geführt. Zusätzlich oder alternativ kann es an dem mit dem Instrumentenschaft verbundenen Antriebsmodul verschiebbar geführt sein. Insbesondere kann das Eintriebsglied mit einem größeren Spiel, insbesondere lose, verschiebbar an dem Instrumentenschaft geführt sein und mit einem kleineren Spiel, insbesondere wenigstens im Wesentlichen spielfrei, an dem Antriebsmodul verschiebbar geführt sein, wenn dieses mit dem Instrumentenschaft verbunden ist. Hierdurch kann die aufwändigere, präzisere Führung auf das Antriebsmodul verlagert und so der Instrumentenschaft einfacher und/oder kostengünstiger, insbesondere leichter sterilisierbar und/oder als Einmalartikel ausgebildet werden bzw. sein. Sobald Instrumentenschaft und Antriebsmodul verbunden sind, übernimmt dieses die – präzisere – Führung des Eintriebsgliedes. In einer Ausführung ist das Eintriebsglied unverlierbar, insbesondere formschlüssig, an dem Instrumentenschaft gesichert.
In einer Ausführung weist das Führungselement einen oder mehrere drehbar gelagerte Wälzkörper zum Kontaktieren der Nut auf. Hierdurch kann in einer Ausführung vorteilhaft die Reibung zwischen Führungselement und Nut reduziert werden. In einer Weiterbildung weist das Führungselement einen Zapfen auf, auf dem wenigstens ein Wälzkörper in Form eines Laufrings gleitgelagert ist, der ebenfalls einen Wälzkörper im Sinne der vorliegenden Erfindung darstellen kann. Zur kompakteren Darstellung werden also auch ein oder mehrere konzentrische Ringe, deren Inner(st)er auf dem Zapfen angeordnet ist und deren Äußer(st)er die Nut kontaktiert, und von denen wenigstens einer radial innen und/oder außen gleitgelagert ist, zur kompakteren Darstellung verallgemeinernd als Wälzkörper bezeichnet, auch wenn sie keine Roll- bzw. Abwälzbewegung ausführen. In einer anderen Ausführung sind zwischen dem Zapfen und dem Laufring mehrere in Umfangsrichtung verteilte Wälzkörper, insbesondere eines Kugel-, Nadel- oder Zylinderrollenlagers, angeordnet. In einer anderen Ausführung sind auf dem Zapfen ein oder mehrere Wälzkörper, insbesondere eines außenringlosen Kugel-, Nadel- oder Zylinderrollenlagers, angeordnet, die die Nut kontaktieren, wenn Ab- und Eintriebselement gekoppelt sind.
Zum Koppeln von Ab- und Eintriebselement kann ein Spiel zwischen der Nut und dem Führungselement in der Verschiebeachse vorteilhaft sein. Auf der anderen Seite ist zur präzisen Aktuierung des Instrumentenschaftes durch das Antriebsmodul eine möglichst spielfreie Kopplung in dieser Achse vorteilhaft. Daher ist in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ein Toleranzelement vorgesehen, welches das Abtriebsglied und das Eintriebsglied in der Verschiebeachse des Eintriebsgliedes verspannt, wenn Ab- und Eintriebsglied miteinander gekoppelt sind. In einer Weiterbildung verspannt das Toleranzelement das am Abtriebsglied angeordnete Führungsglied gegen das Eintriebsglied oder das am Eintriebsglied angeordnete Toleranzelement das Führungsglied gegen das Abtriebsglied. Dieses Toleranzelement kann in einer Ausführung eine präzise Übertragung von Bewegungen zwischen Ab- und Eintriebsglied bewirken und andererseits beim An- bzw. Abkoppeln gegen seine Vorspannung ausweichen und dieses so verbessern. In einer Ausführung weist das Toleranzelement eine Toleranzelementnut auf, die vorzugsweise, wenigstens im Wesentlichen parallel zu der Nut der Schnittstelle ist und von dem Führungselement durchgriffen wird, wenn Ab- und Eintriebselement gekoppelt sind.
In einer Weiterbildung ist das Toleranzelement an dem Eintriebsglied und/oder dem Führungselement verschiebbar geführt und gegen dieses elastisch vorgespannt. Gleichermaßen kann es integral mit dem Eintriebsglied oder Führungselement ausgebildet sein, insbesondere durch einen Hohlraum, in den ein integraler Schenkel einfedern kann, der ein- oder beidseitig gelagert ist.
Das Toleranzelement ist in einer Ausführung parallel zu einer Verschiebeachse des verschiebbar geführten Eintriebsglieds verschiebbar geführt und vorgespannt. Zusätzlich oder alternativ kann das Toleranzelement axial auf dem Führungselement geführt und vorgespannt sein. In einer Ausführung weisen die Nut und das Führungselement, insbesondere ein Wälzkörper des Führungselementes, und/oder das Toleranzelement, insbesondere gegensinnige, komplementäre Schrägen auf. Insbesondere durch axiales Zustellen solcher Schrägen kann in einer Ausführung ebenfalls das Toleranzelement (auch) in Verschiebeachsen vorspannen und so die Führung des Führungselements in der Nut verbessern. Eine oder mehrere der Schrägen können in einer Weiterbildung konvex, insbesondere bogenförmig ausgebildet sein, vorzugsweise in der Art eines Axial-Pendelrollenlagers mit asymmetrischen Tonnenrollen.
Um Ab- und Eintriebsglied miteinander beim oder nach dem Verbinden von Antriebsmodul und Instrumentenschaft zu koppeln bzw. vor oder beim Lösen von Antriebsmodul und Instrumentenschaft voneinander zu entkoppeln, ist das Führungselement in einer Ausführung axial verschiebbar gelagert. Hierdurch kann es axial in die Nut ein- bzw. aus dieser ausgeführt werden.
In einer Weiterbildung ist das axial verschiebbar gelagerte Führungselement axial vorgespannt. Auf diese Weise kann es in einer Ausführung selbsttätig in die Nut einfahren und/oder in dieser elastisch gesichert sein.
In einer Ausführung ist eine Kulisse zum axialen Verschieben des Führungselements vorgesehen. Auf diese Weise kann durch Drehen des Abtriebsgliedes zunächst über die Kulisse das Führungselement verschoben und so in und/oder außer Eingriff mit der Nut gebracht werden. Die Kulisse kann insbesondere eine oder mehrere Schrägen in Drehrichtung aufweisen, auf denen ein Vorsprung, vorzugsweise ein Bund, des Führungselements durch Drehen des Abtriebsglieds aufläuft und das Führungselement so axial verschiebt. In einer Weiterbildung weist die Kulisse zwei in Drehrichtung voneinander beabstandete gegensinnige Schrägen auf, an denen der Vorsprung in in Drehrichtung voneinander beabstandeten Drehstellungen aufläuft und das Führungselement auf diese Weise in den verschiedenen Drehstellungen gegensinnig axial verschiebt.
Der Drehbereich zum axialen Verschieben des Führungselements schließt in einer Ausführung an einen Drehbereich des Abtriebsgliedes zum Aktuieren des damit gekoppelten Eintriebsgliedes an. Auf diese Weise kann durch (Weiter)Drehen des Abtriebsgliedes das Eintriebsglied an- oder abgekoppelt und anschließend bzw. zuvor das Eintriebsglied aktuiert werden.
Das Führungselement kann an dem Ab- oder Eintriebsglied axial verschiebbar gelagert und vorgespannt sein. Gleichermaßen kann das Führungselement zusammen mit dem Ab- oder Eintriebsglied axial verschiebbar gelagert und vorgespannt sein. Insbesondere hierzu kann das Abtriebsglied an dem Antriebsmodul und/oder das Eintriebsglied an dem Instrumentenschaft, vorzugsweise parallel zur Drehachse des Abtriebsgliedes, verschiebbar gelagert und vorgespannt sein.
Um Ab- und Eintriebsglied miteinander beim oder nach dem Verbinden von Antriebsmodul und Instrumentenschaft zu koppeln bzw. vor oder beim Lösen von Antriebsmodul und Instrumentenschaft voneinander zu entkoppeln, weist in einer Ausführung eine Führungswand der Nut eine Öffnung zum Einführen des Führungselementes durch Drehen des Abtriebsgliedes auf. Hierdurch kann das Führungselement in die Nut ein- bzw. aus dieser herausgedreht werden. Die Öffnung kann insbesondere durch einen verkürzten Schenkel eines offenen bzw. U-förmigen oder im Übrigen geschlossenen bzw. O-förmigen Schenkelpaares ausgebildet sein, das seinerseits die Nut definieren kann.
Es kann, insbesondere zur Erfassung einer Koordinate eines Freiheitsgrades des Instrumentenschaftes auf Basis der Drehstellung des damit gekoppelten Abtriebsgliedes, vorteilhaft sein, wenn An- und Eintriebsglied bzw. Führungselement und Nut, wenigstens im Wesentlichen, eineindeutig miteinander koppeln, so dass jeder Position des Eintriebsgliedes in seiner Verschiebeachse genau eine Drehstellung des Abtriebsgliedes entspricht.
Insbesondere daher ist in einer Ausführung die Nut asymmetrisch zur Drehachse des Abtriebsgliedes und/oder einer Verschiebeachse des Eintriebsglieds ausgebildet. In einer Weiterbildung erstreckt sie sich, wenigstens im Wesentlichen, nur bis zu dieser Drehachse.
In einer Ausführung ist das Eintriebsglied mit genau einem Zug- und/oder Druckmittel verbunden, das, wenigstens im Wesentlichen, parallel zu einer Verschiebeachse des Eintriebsgliedes ist. Hierdurch kann eine Bewegung des Eintriebsglieds vorteilhaft präzise und einfach in eine Aktuierung eines Freiheitsgrades des Instrumentenschaftes umgesetzt werden.
Ein chirurgisches Instrument nach der vorliegenden Erfindung kann insbesondere als minimalinvasives und/oder robotergeführtes Instrument verwendet werden. Hierzu weist in einer Ausführung das Instrument, insbesondere der Instrumentenschaft und/oder das Antriebsmodul, eine Schnittstelle zur Anbindung an einen Roboter auf. Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird entsprechend ein Roboter mit einem damit, vorzugsweise lösbar, über eine Schnittstelle verbundenen Instrument unter Schutz gestellt, wie es hier offenbart ist. Gleichermaßen wird ein Antriebsmodul bzw. ein Instrumentenschaft für ein solches chirurgisches Instrument unter Schutz gestellt, das bzw. der eine oder mehrere Nuten oder Führungselemente der hier offenbarten Schnittstelle des chirurgischen Instruments aufweist, um mit entsprechenden Führungselementen bzw. Nuten eines Instrumentenschaftes bzw. Antriebsmoduls zu koppeln.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden bei oder nach einem Verbinden des Antriebsmoduls und des Instrumentenschaftes eines vorstehend erläuterten chirurgischen Instruments das bzw. die Führungselemente in die entsprechende(n) Nut(en) rotiert oder axial eingeschoben, um Ab- und Eintriebsglied(er) zu koppeln. Zum Entkoppeln werden beim oder vor dem Lösen der Verbindung des Antriebsmoduls und des Instrumentenschaftes das bzw. die Führungselemente aus den entsprechende(n) Nut(en) herausrotiert oder axial herausgezogen.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
1: ein chirurgisches Instrument nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
2A, 2B: eine Schnittstelle des chirurgischen Instruments der 1 in perspektivischen Ansichten;
3(a), (b): Schritte beim Koppeln eines Führungselements mit einer Nut der Schnittstelle der 2;
3(c)–(f): Schritte beim Aktuieren eines Eintriebsglieds durch ein Abtriebsglied des chirurgischen Instruments der 1;
4: eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Teilschnitt;
5A, 5B: eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht (5A) und einem Teilschnitt (5B);
6: eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in 5B entsprechender Weise;
7A, 7B: eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Stellungen;
8: eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
9A–9D: eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht in Richtung einer Verschiebeachse (9A, 9B) bzw. in perspektivischer Ansicht (9C, 9D), wobei ein Ab- und Eintriebsglied nicht miteinander gekoppelt (9A, 9C, 9D) bzw. miteinander gekoppelt (9B) sind.
1 zeigt schematisch ein chirurgisches Instrument nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einem Instrumentenschaft 20. Der Instrumentenschaft weist ein starres, gelenkiges oder biegsamens Rohr 22 auf, an dessen distalem Ende ein Endeffektor 21 angeordnet ist, der einen oder mehrere funktionale und/oder kinematische Freiheitsgrade aufweist. In einem proximalen Instrumentengehäuse 23 des Instrumentenschafts ist ein Antriebsmodul 25 lösbar an einer Schnittstelle 24 mit dem Instrumentenschaft verbunden. Das Rohr 22 kann an dem Instrumentengehäuse 23 fixiert oder drehbar gelagert sein, sodass das Rohr 22 einen Drehfreiheitsgrad um seine Längsachse aufweist.
2A, 2B zeigen diese Schnittstelle in unterschiedlichen perspektivischen Ansichten. Zur besseren Übersicht sind nur einige Komponenten des Antriebsmoduls 25 und Instrumentenschaftes 20 dargestellt und daher durch einen Apostroph (') gekennzeichnet. Insbesondere ist nur ein Antriebsstrang zur Aktuierung eines Freiheitsgrades des Instrumentenschaftes gezeigt, weitere Antriebsstränge sind analog aufgebaut und beispielsweise parallel zu dem gezeigten Antriebsstrang angeordnet.
Jeder Antriebsstrang weist einen Aktuator in Form einer Elektromotor-Getriebe-Einheit 31' auf, deren Abtriebswelle ein unbegrenzt drehbares Abtriebsglied des Antriebsmoduls darstellt.
Mit diesem Abtriebsglied wird in nachfolgend beschriebener Weise ein Eintriebsglied 32' gekoppelt, das in einem Schublager 34' formschlüssig in einer Verschiebeachse B' verschiebbar in dem Instrumentenschaft geführt ist.
Das Eintriebsglied ist durch ein Zugmittel oder eine Druckstange 36 mit dem Endeffektor 21 verbunden, um diesen zu aktuieren (nicht dargestellt), wobei die Druckstange parallel zu der Verschiebeachse B' ist. Das Eintriebsglied ist zwischen zwei Endanschlägen 37.1, 37.2 (vgl. 7, in 2 nicht dargestellt) verschiebbar.
An dem Eintriebsglied ist eine lineare Nut 33' angeordnet, die senkrecht zu der Verschiebeachse B' ist. Ein Führungselement 30' ist exzentrisch an dem drehbaren Abtriebsglied angeordnet und in der Nut verschiebbar geführt, wenn Ab- und Eintriebsglied miteinander gekoppelt sind. Die Drehachse des drehbaren Abtriebsgliedes ist senkrecht zu der Verschiebeachse B' des verschiebbar geführten Eintriebsgliedes und der Nut.
Das Führungselement 30' weist einen Zapfen auf, auf dem ein Wälzkörper in Form eines Laufrings gleit- oder wälzgelagert ist. In einer Abwandlung kann stattdessen auch ein außenringloses Wälzlager auf dem Zapfen angeordnet sein.
3(a), (b) zeigen Schritte beim Koppeln des Führungselements mit der Nut, 3(c)–(f) Schritte beim Aktuieren des Eintriebsglieds durch das Abtriebsglied.
In 3(a) sind Antriebsmodul und Instrumentenschaft miteinander verbunden, wobei Abtriebsglied und Eintriebsglied 32' noch nicht miteinander gekoppelt sind. Durch Drehen des Abtriebsgliedes (vgl. Bewegungspfeil A' in 2A, 3(c)) rotiert das Führungselement 30' durch eine Öffnung in der in 3 oberen Führungswand der Nut 33' in die Nut (vgl. Bewegungspfeil F in 3(a)) und koppelt so – zunächst einseitig – Abtriebsglied und Eintriebsglied (3(b)). Bei Weiterdrehen des Abtriebsgliedes (vgl. Bewegungspfeil A' in 3(c)) verschiebt das nun in der Nut 33' geführte Führungselement 30' das Eintriebsglied 32' im Schublager 34' in seiner Verschiebeachse B'. In den 3(d) bis 3(f) wird deutlich, wie das drehende Abtriebsglied das Eintriebsglied beidseitig entlang seiner Verschiebeachse B' verschiebt und so den Endeffektor aktuieren kann: durch Drehen des Abtriebsglieds und des daran exzentrisch angeordneten Führungselements 30' in Richtung bzw. entgegen dem Bewegungspfeil A' in 3(c) kann das Eintriebsglied 32' in seiner Verschiebeachse B' in beide Richtungen (nach oben/unten in 3) verschoben und so über das Zugmittel bzw. die Druckstange 36 (vgl. 2) ein intrakorporaler Freiheitsgrad des Instruments aktuiert werden.
In der Ausführung der 2, 3 weist die (in den Figuren obere) Führungswand der Nut eine Öffnung zum Einführen des Führungselementes durch Drehen des Abtriebsgliedes auf, die durch einen verkürzten Schenkel eines offenen bzw. U-förmigen Schenkelpaares ausgebildet ist, das seinerseits die Nut definiert.
4 zeigt in 2 entsprechender Weise eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Teilschnitt. Wie in 2 sind zur besseren Übersicht nur einige Komponenten eines Antriebsmoduls 125 und Instrumentenschaftes 120 dargestellt, insbesondere nur ein Antriebsstrang zur Aktuierung eines Freiheitsgrades des Instrumentenschaftes gezeigt, weitere Antriebsstränge können analog aufgebaut und beispielsweise parallel zu dem gezeigten Antriebsstrang angeordnet sein.
Jeder Antriebsstrang weist einen Aktuator, beispielsweise in Form einer Elektromotor-Getriebe-Einheit, 131 auf, deren Abtriebswelle ein unbegrenzt drehbares Abtriebsglied des Antriebsmoduls darstellt.
Mit diesem Abtriebsglied wird in nachfolgend beschriebener Weise ein Eintriebsglied 132 gekoppelt, das in einem Schublager (nicht dargestellt) formschlüssig in einer Verschiebeachse B''' verschiebbar in dem Instrumentenschaft geführt und durch ein Zugmittel oder eine Druckstange 136 mit dem Endeffektor verbunden ist, die parallel zu der Verschiebeachse B''' ist.
In dem Eintriebsglied ist eine lineare Nut (geschnitten in 4) angeordnet, die senkrecht zu der Verschiebeachse B''' und einer Achse eines Führungselements 130 ist, welches exzentrisch an dem drehbaren Abtriebsglied angeordnet und in der Nut verschiebbar geführt, wenn Ab- und Eintriebsglied miteinander gekoppelt sind. Die Drehachse des drehbaren Abtriebsgliedes ist senkrecht zu der Verschiebeachse B''' des verschiebbar geführten Eintriebsgliedes und der Nut. Das exzentrische Führungselement 130 stützt sich über ein Radiallager 140 an einem Rahmen 139 des Aktuators 131 ab.
In der Ausführung der 4 ist ein Toleranzelement 132.3 vorgesehen. Das Toleranzelement ist an dem Eintriebsglied 132 parallel zu dessen Verschiebeachse B''' verschiebbar geführt und gegen dieses durch ein Federmittel 132.4 elastisch vorgespannt. Hierdurch verspannt das Toleranzelement 132.3 das Abtriebsglied und das Eintriebsglied in der Verschiebeachse B''' des Eintriebsgliedes, wenn Ab- und Eintriebsglied miteinander gekoppelt sind.
Das Toleranzelement weist eine Toleranzelementnut auf, die parallel zu der Nut in dem Eintriebsglied 132 ist und von dem Führungselement 130.2 durchgriffen wird, wenn Ab- und Eintriebselement gekoppelt sind.
In der Ausführung der 4 weist das Führungselement einen drehbar gelagerten Wälzkörper in Form eines gleit- oder wälzgelagerten Laufrings 130.2 zum Kontaktieren der Nut in dem Eintriebselement auf. Axial daneben ist ein weiterer drehbar gelagerter Wälzkörper in Form eines gleit- oder wälzgelagerten Laufrings 130.1 zum Kontaktieren der Toleranzelementnut angeordnet. In einer Abwandlung können stattdessen auch außenringlose Wälzlager vorgesehen sein.
Das Führungselement 130 ist axial verschiebbar in dem Abtriebsglied gelagert. Hierdurch kann es axial in die Nut in dem Eintriebselement und die Toleranzelementnut ein- bzw. aus diesen ausgeführt werden. Es ist durch eine Axialfeder (nicht dargestellt) gegen die Nuten vorgespannt, so dass es selbsttätig in diese einfährt.
Eine Kulisse 138 zum axialen Verschieben des Führungselements ist drehfest mit dem Rahmen 139 verbunden. Sie weist eine Schräge in Drehrichtung auf, auf der ein Bund des Führungselements aufläuft. Auf diese Weise kann durch Drehen des Abtriebsgliedes in der in 4 durch einen Bewegungspfeil A''' angedeuteten Richtung über die Kulisse 138 das Führungselement 130.2 axial verschoben (nach links in 4) und so außer Eingriff mit den Nuten gebracht werden. In einer nicht dargestellten Abwandlung kann durch die Kulisse das Führungselement in voneinander beabstandeten Drehstellungen gegensinnig axial verschoben und so nicht nur außer Eingriff, sondern auch in Eingriff mit den Nuten gebracht werden. Hierfür kann die Kulisse entsprechend der in 4 dargestellten Schräge eine weitere, hierzu gegensinnige und in Drehrichtung beabstandete Schräge aufweisen, die den Bund des Führungselements bei Drehen des Abtriebsglieds entgegen der Richtung A''' axial in die Nut einschiebt. In diesem Fall kann eine Vorspannung durch eine Axialfeder reduziert werden oder entfallen.
5A, 5B zeigen in perspektivischer Ansicht (5A) und einem Teilschnitt (5B) eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Diese entspricht im Wesentlichen der Ausführung der 4, so dass auf deren Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
In der Ausführung der 5 ist das Toleranzelement integral mit dem Eintriebsglied 132'' ausgebildet, und zwar durch einen Hohlraum 333.3, in den eine integraler Schenkel 333.1 einfedern kann, der beidseitig (links, rechts in 5A) gelagert ist.
Im Teilschnitt der 5B ist das Führungselement 330 erkennbar, das durch ein Wälzlager 330.2 in der Nut 333.2 des Eintriebsglieds 132'' geführt ist. Zusätzlich stützt sich das Führungselement 330 über ein weiteres Wälzlager 330.1 an dem Schenkel 333.1 des integralen Toleranzelements ab, welches das Führungselement 330 und damit das Abtriebsglied, in dem dieses gelagert ist, und das Eintriebsglied 132'' in einer Verschiebeachse des Eintriebsgliedes (vertikal in 5B) verspannt.
6 zeigt in 5B entsprechender Weise eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Teilschnitt. Diese entspricht im Wesentlichen der Ausführung der 4, so dass auf deren Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
In der Ausführung der 6 ist auf einem Zapfen 130' des Führungselements ein Innenring 230.3 eines außenringlosen Wälzlagers mit Wälzkörpern 130.1, 130.2 angeordnet. Dabei fungiert der in 6 rechte Wälzkörper 130.2 als Toleranzelement, das das Führungselement und damit das Abtriebsglied gegen das Eintriebsglied 132' in einer Verschiebeachse B^IV des Eintriebsgliedes verspannt, wenn Ab- und Eintriebsglied miteinander gekoppelt sind.
Hierzu weist der in 6 linke Wälzkörper 130.1 des Führungselementes und das Toleranzelement 130.2 gegensinnige Schrägen auf, die zu gegensinnigen Schrägen 233.1, 233.2 des Eintriebselements 132' komplementär sind. Das Toleranzelement 130.2 ist auf dem Innenring 230.3 des Führungselements axial verschiebbar geführt und gegen diesen durch ein Federmittel 230.4 elastisch vorgespannt. Durch das federmittelbedingte axiale Zustellen der Schräge des Toleranzelementes 130.2 verspannt dieses das Abtriebsglied und das Eintriebsglied 132' in der Verschiebeachse B^IV.
Wie vorstehend ausgeführt, stellen auch der in 6 linke Laufring 130.1, der radial außen an dem Eintriebsglied 132' und/oder radial innen auf dem Innenring 230.3 gleitgelagert sein bzw. gleiten kann, sowie das in 6 rechte Toleranzelement 130.2, das radial außen an dem Eintriebsglied 132' und/oder radial innen auf dem Innenring 230.3 gleitgelagert sein bzw. gleiten kann, Wälzkörper im Sinne der vorliegenden Erfindung dar, Wälzkörper 130.1, 130.2 und Innenring 230.3 zusammen somit ein außenringloses Wälzlager im Sinne der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich oder alternativ zu einer Drehbarkeit bzw. Gleitlagerung der Wälzkörper 130.1, 130.2 gegenüber dem Eintriebsglied 132' und/oder dem Innenring 230.3 kann der Innenring 230.3 auf dem Zapfen 130' drehfest oder gleitgelagert sein bzw. gleiten.
7A, 7B zeigen eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Stellungen. Diese entspricht im Wesentlichen den vorstehend erläuterten Ausführungen, so dass auf deren Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
In der Ausführung der 7 ist die O-förmig geschlossene Nut 33'' im Eintriebselement 32'' asymmetrisch zur Drehachse des Abtriebsgliedes 31'' (senkrecht auf der Bildebene der 7) und Verschiebeachse B'' des. Eintriebselements 32'' ausgebildet und erstreckt sich im Wesentlichen nur bis zu dieser Drehachse.
Hierdurch werden Abtriebsglied 31'' und Eintriebsglied 32'' eindeutig miteinander gekoppelt. Denkt man sich die Nut 33'' hingegen über die Drehachse hinaus, insbesondere symmetrisch zu dieser, verlängert (nach links in 7), wird deutlich, dass das Führungselement 30'' dann jeweils in zwei zur Verschiebeachse B'' symmetrischen Drehstellungen in die Nut 33'' eingreifen könnte. Durch eine asymmetrische Ausbildung der Nut 33' kann dies verhindert werden, durch diese kann das Führungselement 30'' nur in je genau einer Drehstellung in die Nut 33'' eingreifen.
Die Figurenfolge 7A → 7B verdeutlicht nochmals das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Schnittstelle. Dreht das Abtriebselement 31'' in der in 7 durch den Bewegungspfeil A'' angedeuteten Richtung, wird das hiermit gekoppelte Eintriebsglied 32'' in seinem Schublager (schraffiert in 7) in seiner Verschiebeachse B'' verschoben. Zur Begrenzung dieser Verschiebung, insbesondere bei abgekoppeltem Abtriebsglied, sind zwei Endanschläge 37.1, 37.2 vorgesehen, auf die Stirnseiten 32.1'' bzw. 32.2'' die Eintriebsglieder auflaufen.
Der (Voll)Hub H des Eintriebsglieds ergibt sich bei entkoppeltem Abtriebsglied durch den Abstand der Endanschläge 37.1, 37.2 abzüglich der Abstände B der Stirnseiten 32.1'' bzw. 32.2'' von einer Mittellinie der Nut 33''. Daher ist in einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, für die die Darstellung der 7 nur eine mögliche Ausführung zeigt, allgemein ein Abstand B einer Stirnseite des Eintriebsgliedes von einer Mittellinie der Nut in dem Eintriebsglied wenigstens gleich dem Vollhub zuzüglich der halben Nutweite, mit den Bezeichungen der 7: B ≥ H + D/2 mit

B:: Abstand einer Stirnseite des Eintriebsgliedes von einer Mittellinie der Nut;
H:: Gesamthub des Eintriebsgliedes; und
D:: Nutweite.

8 zeigt eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung. Diese entspricht im Wesentlichen den vorstehend erläuterten Ausführungen, so dass auf deren Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
In der Ausführung der 8 ist zwischen dem Führungselement 30 des Abtriebsglieds 31 des Antriebsmoduls 25, das in die Nut 33 des am Schublager 34 des Instrumentenschaftes 20 in Verschiebeachse B geführten Eintriebsglieds 32 eingreift, um eine Drehbewegung A des Führungselements 30 in einer translatorischen Verschiebung des Eintriebsglieds 32 umzusetzen, eine Sterilbarriere 35 angeordnet. Diese kann auch in den vorstehend erläuterten Ausführungen der 1–7 vorgesehen sein, ohne dort gezeigt zu sein.
9A–9D zeigen eine Schnittstelle eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in einer Draufsicht in Richtung einer Verschiebeachse (9A, 9B) bzw. in perspektivischer Ansicht (9C, 9D), wobei das Ab- und Eintriebsglied nicht miteinander gekoppelt (9A) bzw. miteinander gekoppelt (9B) sind. Diese entspricht im Wesentlichen den vorstehend erläuterten Ausführungen, insbesondere gemäß 2, so dass auf die Beschreibung der vorhergehenden Ausführungen Bezug genommen und nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen wird.

In der Ausführung der 9 ist das Eintriebsglied 32' in einem Schublager 34' mit einem größeren Spiel, insbesondere lose, verschiebbar an dem Instrumentenschaft geführt. Zusätzlich ist es in einem Schublager 340 mit einem kleineren Spiel, insbesondere wenigstens im Wesentlichen spielfrei, an dem Aktuator 31' des Antriebsmoduls verschiebbar geführt sein, wenn dieses mit dem Instrumentenschaft verbunden ist (vgl. 9B). Im verbundenen Zustand wird somit die ungenauere Führung am Instrumentenschaft funktionslos. Hierdurch kann die aufwändigere, präzisere Führung auf das Antriebsmodul verlagert und so der Instrumentenschaft einfacher und/oder kostengünstiger, insbesondere leichter sterilisierbar und/oder als Einmalartikel ausgebildet werden bzw. sein. Sobald Instrumentenschaft und Antriebsmodul verbunden sind, übernimmt dieses die – präzisere – Führung des Eintriebsgliedes. Bezugszeichenliste

20; 20'; 120	Instrumentenschaft
21	Endeffektor
22	Rohr
23	Instrumentengehäuse
24	Schnittstelle
25; 25'; 125	Antriebsmodul
30; 30'; 30''; 130; 330	Führungselement
31	Abtriebsglied
31'; 31''; 131	Elektromotor-Getriebe-Einheit (Aktuator)
32; 32'; 32''; 132; 132'; 132''	Eintriebsglied
32.1''; 32.2''	Stirnseite
33; 33', 33''	Nut
34; 34'	Schublager
35	Sterilbarriere
36; 136	Zugseil/Druckstange
37.1, 37.2	Endanschlag

130.1	Laufring (Wälzkörper)
130.2	Laufring (Toleranzelement)
130'	Zapfen
132.3	Toleranzelement
132.4	Federmittel
138	Kulisse
139	Rahmen
140	Radiallager

230.3	Innenring
230.4	Federmittel
233.1, 233.2	Schrägen

330.1, 330.2	Wälzlager
333.1	Schenkel (integrales Toleranzelement)
333.2	Nut
333.3	Hohlraum
340	Schublager

A; A'; A'';	Drehbewegung
B; B'; B''; B'''; B^IV	Verschiebeachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2011/143022 A1 [0002]

Claims

Chirurgisches Instrument mit: einem Antriebsmodul (25; 25'; 125) mit wenigstens einem, insbesondere unbegrenzt, drehbaren Abtriebsglied (31); einem mit dem Antriebsmodul lösbar verbindbaren Instrumentenschaft (20; 20'; 120) mit wenigstens einem, insbesondere zwischen Endanschlägen (37.1, 37.2), verschiebbar geführten Eintriebsglied (32; 32'; 32''; 132; 132'; 132''); und einer Schnittstelle (24) zwischen dem Antriebsmodul und dem Instrumentenschaft, die ein Führungselement (30; 30'; 30''; 130; 330) und eine Nut (33; 33') aufweist, wobei die Nut an einem von dem Ab- und Eintriebsglied und das Führungselement an dem anderen von dem Ab- und Eintriebsglied angeordnet und in der Nut verschiebbar geführt ist, wenn Ab- und Eintriebsglied miteinander gekoppelt sind.
Chirurgisches Instrument nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Eintriebsglied an dem Instrumentenschaft und/oder dem damit verbundenen Antriebsmodul verschiebbar geführt (34; 34') ist.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement wenigstens einen drehbar gelagerten Wälzkörper (130.1; 330.2) zum Kontaktieren der Nut aufweist.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Toleranzelement (130.2; 132.3; 333.1), welches das Abtriebsglied und das Eintriebsglied in einer Verschiebeachse (B; B'; B''; B'''; B^IV) des Eintriebsgliedes verspannt, wenn Ab- und Eintriebsglied miteinander gekoppelt sind.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement, insbesondere vorgespannt, axial verschiebbar gelagert ist.
Chirurgisches Instrument nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Kulisse (138) zum axialen Verschieben des Führungselements.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Führungswand der Nut eine Öffnung zum Einführen des Führungselementes durch Drehen des Abtriebsgliedes aufweist.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut asymmetrisch zu einer Drehachse des Abtriebsgliedes und/oder einer Verschiebeachse (B; B'; B''; B'''; B^IV) des Eintriebsglieds, insbesondere im Wesentlichen nur bis zu dieser Drehachse ausgebildet ist.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement exzentrisch an dem Abtriebsglied, insbesondere einer Abtriebswelle eines Drehmotors des Antriebsmoduls, angeordnet ist.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut quer, insbesondere senkrecht, zu einer Verschiebeachse (B; B'; B''; B'''; B^IV) des Eintriebsgliedes an diesem angeordnet ist.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eintriebsglied mit einem Zug- und/oder Druckmittel (36; 136) verbunden ist, das, wenigstens im Wesentlichen, parallel zu einer Verschiebeachse des Eintriebsgliedes ist.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Schnittstelle zur Anbindung an einen Roboter.
Antriebsmodul (25; 25'; 125) für ein chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem, insbesondere unbegrenzt, drehbaren Abtriebsglied (31) und dem Führungselement (30; 30'; 30''; 130; 330) oder der Nut der Schnittstelle des chirurgischen Instruments.
Instrumentenschaft (20; 20'; 120) für ein chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit wenigstens einem, insbesondere zwischen Endanschlägen (37.1, 37.2), verschiebbar geführten Eintriebsglied (32; 32'; 32''; 132; 132'; 132'') und der Nut oder dem Führungselement der Schnittstelle des chirurgischen Instruments.
Verfahren zum lösbaren Verbinden des Antriebsmoduls und des Instrumentenschaftes eines chirurgischen Instruments nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Führungselement axial in die Nut eingeschoben oder in die Nut rotiert wird.