DE102013100605A1

DE102013100605A1 - Robotersystem und Verfahren zum Steuern eines Robotersystems für die minimal invasive Chirurgie

Info

Publication number: DE102013100605A1
Application number: DE102013100605.1A
Authority: DE
Inventors: Bernd Gombert; Patrick Rothfuss; Leopold Krausen
Original assignee: RG Mechatronics GmbH
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2013-01-22
Filing date: 2013-01-22
Publication date: 2014-07-24
Also published as: US20150359597A1; US9681921B2; WO2014114551A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Robotersystems (1) für die minimal invasive Chirurgie, das wenigstens zwei Roboter (2, 3) umfasst. Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, eine Schleuse (7), die dazu dient, einen Zugang in den Körper eines Patienten (5) bereitzustellen, mittels eines ersten Roboters (2) zu betätigen, und ein chirurgisches Instrument (10), das dazu ausgelegt ist, durch die Schleuse (7) in den Körper des Patienten (5) eingeführt zu werden, mittels eines zweiten Roboters (3) zu betätigen. Durch die getrennte Betätigung von Schleuse (7) und chirurgischem Instrument (10) ist es möglich, die Schleuse (7) synchron zu einer Bewegung des chirurgischen Instruments (10) mitzuführen, die Bewegung des chirurgischen Instruments (10) zu dämpfen oder die Bewegung durch Fixieren der Schleuse (7) zu blockieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Robotersystems für die minimal invasive Chirurgie mit wenigstens zwei Robotern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Steuervorrichtung zum Steuern von wenigstens zwei Robotern eines Robotersystems gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 15 sowie ein Robotersystem mit einer solchen Steuervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 16.
Chirurgische Eingriffe am menschlichen Körper werden heute in zunehmendem Maße in minimal invasiven Verfahren mit Unterstützung von Chirurgierobotern durchgeführt. Je nach Art des Eingriffs können die Chirurgieroboter mit verschiedenen chirurgischen Instrumenten, wie z.B. Endoskopen, Trokaren, Schneid-, Greif- oder Nähinstrumenten bestückt sein. Die Instrumente werden mittels eines oder mehrerer Roboter über eine Schleuse in den Körper des Patienten eingeführt und danach der chirurgische Eingriff durchgeführt. Das Robotersystem wird dabei von einem Chirurgen oder gegebenenfalls auch einem Chirurgen-Team über eine Eingabevorrichtung gesteuert.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, eine künstliche Körperöffnung für den minimal invasiven Eingriff mit Hilfe eines Trokars herzustellen. In diesem Fall wird der Trokar zusammen mit der Trokarhülse z. B. durch die Bauchdecke eines Patienten gestoßen, um einen künstlichen Zugang zum Bauchraum zu legen. Der Trokar wird dann aus der Trokarhülse herausgezogen, wobei die Trokarhülse in der Bauchdecke stecken bleibt und den Zugang in das Körperinnere offenhält. Durch diesen Zugang können dann die benötigen chirurgischen Instrumente, wie z.B. ein Skalpell, eine Pott’sche Schere, ein Endoskop, etc. sowie andere Operationsmittel, wie z.B. Nadel, Faden, etc. in das Körperinnere ein- bzw. ausgeführt werden.
In der US 2009 03 06 697 A1 werden ein herkömmlicher Trokar und eine Trokarhülse beschrieben. In der US 2009 01 92 444 A1 ist gezeigt, wie ein Trokar in das Körperinnere eingeführt wird. In den genannten Druckschriften ist zu sehen, dass die Trokarhülsen nur lose in der Bauchdecke stecken. Insbesondere bei robotergestützten chirurgischen Eingriffen hat dies den Nachteil, dass die Trokarhülse während eines robotergestützten chirurgischen Eingriffs hinsichtlich ihrer Position unkontrolliert bewegt werden oder gegebenenfalls aus der Bauchdecke heraus rutschen kann.
Ein künstlicher Zugang in den Körper eines Patienten kann statt mit einer Trokarhülse auch mittels sogenannter Ports hergestellt werden, wie aus der US 2010 249 694 oder der WO 2011/163520 bekannt ist. Die Funktion eines Ports ist derjenigen einer Trokarhülse vergleichbar; ein wesentlicher Unterschied zu herkömmlichen Trokarhülsen besteht jedoch darin, dass über einen Port in der Regel mehrere chirurgische Instrumente in den Körper eines Patienten eingeführt werden können. Auch hier besteht die Gefahr des Verrutschens bzw. Herauslösens eines Ports aus dem Körper des Patienten, wenn der Port in Verbindung mit einem chirurgischen Robotersystem für die minimal invasive Chirurgie verwendet wird.
Aus der US 7,955,322 B2 (siehe 1) ist ferner ein Roboterarm 100 mit einer Haltevorrichtung 101 für ein chirurgisches Instrument 103 bekannt, an der auch eine Trokarhülse 102 befestigt ist. Das an der Haltevorrichtung 101 befestigte chirurgische Instrument 103 ist mittels eines Schlittens in seiner Axialrichtung (Pfeil 105) verstellbar. Das Instrument 103 kann somit unabhängig vom Roboterarm in Axialrichtung verstellt werden. Bei einer Bewegung des Roboterarms 100 werden allerdings sowohl das chirurgische Instrument 103 als auch die Trokarhülse 102 immer gleichzeitig bewegt. Mit einer solchen Anordnung ist es allerdings nicht möglich, einen automatischen Instrumentenwechsel durchzuführen. Zum Wechseln des chirurgischen Instruments 103 ist nämlich stets ein manueller Eingriff erforderlich, um das Instrument 103 auszutauschen und/oder in die Trokarhülse 102 neu einzuführen.
Die DE 10 2010 029 275 A1 offenbart ein weiteres für chirurgische Operationen geeignetes Robotersystem. Bei diesem Robotersystem kann ein automatischer Instrumentenwechsel durchgeführt werden, indem das chirurgische Instrument mittels eines Roboters in eine im Patienten „lose“ eingesteckte Trokarhülse eingefädelt wird. Um den Roboter zielgenau ansteuern zu können, so dass das chirurgische Instrument genau in die Trokarhülse trifft, ist die Trokarhülse mit einem Marker versehen, der von einer Kamera erfasst wird. Die genauen Positionsdaten der Trokarhülse werden mittels einer Bilderverarbeitungssoftware aus den Bilddaten ermittelt. Ein automatischer Instrumentenwechsel ist somit prinzipiell möglich, das Verfahren ist jedoch relativ aufwendig und kompliziert. Darüber hinaus besteht die Gefahr, dass sich die lose im Körper des Patienten eingesetzte Trokarhülse beim Herausziehen des Instruments aus dem Patienten löst.
Aus der WO 2011/149187 A2 ist schließlich noch ein Robotersystem für chirurgische Eingriffe bekannt, das in Form eines Multiarm-Roboters 200 aufgebaut ist (siehe 2). Dieser Roboter umfasst einen Hauptarm 201, an dem zwei Unterarme 202 und 203 angeschlossen sind. Jeder Unterarm 202, 203 kann dabei mit einem chirurgischen Instrument bestückt werden.
Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mit einem chirurgischen Robotersystem in Verbindung stehende Schleuse losgelöst von den anderen mit dem Robotersystem in Verbindung stehenden chirurgischen Instrumenten bewegen oder betätigen zu können. Insbesondere gilt es ein Robotersystem und ein Verfahren zum Steuern eines Robotersystems zu schaffen, mittels dessen ein automatischer Instrumentenwechsel durchführbar ist, ohne dabei Gefahr zu laufen, dass eine im Körper des Patienten steckende Schleuse bei der Prozedur unkontrolliert bewegt oder herausgezogen wird.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Merkmale. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern eines Robotersystems für die minimal invasive Chirurgie vorgeschlagen, das wenigstens zwei Roboter umfasst, wobei eine Schleuse, die dazu dient, einen künstlichen Zugang in den Körper eines Patienten offen zu halten, mittels eines ersten Roboters betätigt wird, und ein chirurgisches Instrument, das durch die Schleuse hindurch gesteckt ist, mittels eines zweiten Roboters betätigt wird. Die Schleuse und das chirurgische Instrument werden also von unterschiedlichen Robotern betätigt und können somit unabhängig voneinander bewegt werden. Mit einem solchen Robotersystem ist es daher möglich, ein chirurgisches Instrument automatisch in die Schleuse einzuführen oder einen automatischen Instrumentenwechsel durchzuführen. Wenn die Schleuse bei einer solchen Prozedur vom zugehörigen Roboter festgehalten wird, besteht auch keine Gefahr mehr, dass die Schleuse beim Instrumentenwechsel verrutscht oder aus dem Körper des Patienten heraus gezogen wird.
Unter einer „Schleuse“ wird im Rahmen dieses Dokuments insbesondere jede Einrichtung verstanden, die dazu ausgelegt ist, einen Zugang für ein oder mehrere chirurgische Instrumente in den Körper eines Patienten bereitzustellen. Gemäß der Erfindung können Schleusen somit z. B. Trokarhülsen oder beliebige andere hülsenartige Elemente, wie so genannte Ports sein.
Unter einem „Roboter“ wird im Rahmen dieses Dokuments insbesondere eine Vorrichtung mit einem oder mehreren Gelenkarmen verstanden, die mittels eines oder mehrerer Aktuatoren, wie z.B. Elektromotoren, bewegbar sind.
Der Freiheitsgrad des Roboters wird dabei durch die Anzahl seiner Gelenke bestimmt. Der erste Roboter, der die Schleuse trägt, verfügt vorzugsweise über so viele Freiheitsgrade, dass die Schleuse frei im Raum bewegt werden kann, d.h. eine translatorische Bewegung in alle drei Raumachsen und Schwenkbewegungen um alle drei Raumachsen eines kartesischen Koordinatensystems durchgeführt werden können.
Die getrennte Steuerung des chirurgischen Instruments und der Schleuse mittels verschiedener Roboter bietet grundsätzlich die Möglichkeit, die Schleuse bei einer Bewegung des chirurgischen Instruments, wie z. B. einer Schwenkbewegung, synchron mitzuführen (ohne dass die Schleuse eine Kraft auf das chirurgische Instrument ausübt), eine Bewegung des chirurgischen Instruments mittels der Schleuse zu dämpfen, indem die Schleuse eine Bewegung des Instruments hemmt, oder eine Bewegung des chirurgischen Instruments zu blockieren, indem die Schleuse fixiert wird. Das erfindungsgemäße Robotersystem ist vorzugsweise so ausgelegt, dass der erste Roboter, der die Schleuse trägt, wahlweise in wenigstens einem der folgenden Betriebsmodi betrieben werden kann: einem Synchronmodus, in dem die Schleuse im Wesentlichen synchron zu einer Bewegung des chirurgischen Instruments bewegt wird, ohne dabei eine Kraft auf das Instrument auszuüben, einem Dämpfungsmodus, in dem die Schleuse eine die Bewegung des chirurgischen Instruments dämpfende Kraft ausübt, oder einem Fixiermodus, in dem die Schleuse in zumindest einem ihrer Freiheitsgrade fixiert ist und somit die Bewegung des chirurgischen Instruments in wenigstens einer, vorzugsweise in allen Richtungen außer der Axialrichtung begrenzen kann.
Im Fixiermodus kann sich das Instrument prinzipiell noch in begrenztem Ausmaß bewegen, wenn das Instrument mit Spiel in der Schleuse aufgenommen ist. Die Bewegungsfreiheit des Instruments wird dabei im Wesentlichen durch die Geometrie der Schleusenöffnung und den Schaftdurchmesser des Instruments bzw. durch das Spiel zwischen Schaft und Schleuse bestimmt.
In einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann der jeweilige Betriebsmodus vom Benutzer ausgewählt werden. Hierzu kann beispielsweise eine Software-Eingabemaske, ein Eingabepaneel oder jede andere aus dem Stand der Technik bekannte Eingabevorrichtung vorgesehen sein. Der Benutzer kann somit je nach Wunsch einen der Betriebsmodi auswählen und zwischen den einzelnen Betriebsmodi umschalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellen sich die einzelnen Betriebsmodi automatisch in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern ein. Die Parameter können beispielsweise umfassen: die Art des am zweiten Roboter befestigten chirurgischen Instruments, die aktuell durchzuführende chirurgische Prozedur, die Art der Bewegung des chirurgischen Instruments (z. B. translatorische Bewegung, Schwenkbewegung oder Bewegungsrichtung), die Geschwindigkeit der Bewegung, die vom Benutzer eingegebene Steuervorgabe und/oder die Position des chirurgischen Instruments.
Die Art des aktuell verwendeten chirurgischen Instruments kann beispielsweise manuell am Robotersystem eingegeben werden. Vorzugsweise wird das chirurgische Instrument aber automatisch erkannt. In diesem Fall wären dann entsprechende Mittel zur automatischen Instrumentenerkennung vorzusehen; z. B. kann das chirurgische Instrument mit einem RFID-Chip ausgestattet sein. Alternativ kann auch jede andere aus dem Stand der Technik bekannte Technologie eingesetzt werden, wie z. B. eine optische Erkennung mittels Barcode oder eine Bildverarbeitungssoftware, die das jeweilige Instrument identifizieren kann.
Die Abhängigkeit des Betriebsmodus des ersten Roboters von der durchzuführenden chirurgischen Prozedur wird im Folgenden durch ein Beispiel näher veranschaulicht: Zu Beginn einer Operation wird die Bauchdecke eines Patienten mittels eines Trokars punktiert. Dabei wird mit Hilfe des Trokars, der in einer Trokarhülse steckt, eine Öffnung in die Bauchdecke gestochen. Während oder nach der Punktion wird die Trokarhülse in die Einstichstelle eingeführt, so dass sie in der Einstichstelle sitzt und einen Zugang in den Körper des Patienten bereitstellt. Danach wird der Trokar aus der Trokarhülse entfernt. Während der Punktion muss der Trokar in einer vorgegebenen Axialrichtung bewegt werden und darf dabei insbesondere nicht verrutschen oder verkippen. Gemäß der Erfindung wird die Trokarhülse daher zumindest während der Punktion vom ersten Roboter in ihrer Position fixiert. Auch beim Herausziehen des Trokars aus der Trokarhülse sollte letztere fixiert sein, um zu verhindern, dass sie zusammen mit dem Trokar aus der Einstichstelle herausgezogen wird.
Nach einem Werkzeugwechsel wird dann der Betriebsmodus des ersten Roboters automatisch vom Fixiermodus in einen anderen Betriebsmodus, wie z. B. den Dämpfungsmodus umgeschaltet. Die Änderung des Betriebsmodus kann in diesem Fall dadurch ausgelöst werden, dass der Trokar durch ein anderes Instrument ausgetauscht wird, was mittels einer implementierten Instrumentenerkennung erkannt wird, oder z. B. dadurch, dass ein mit einem anderen Instrument bestückter dritter Roboter angesteuert wird, um das chirurgische Instrument in die Trokarhülse einzufädeln.
Zur Bestimmung eines oder mehrerer der übrigen genannten Parameter, wie z. B. die Art oder Geschwindigkeit der Instrumentenbewegung, umfasst das Robotersystem vorzugsweise eine entsprechende Sensorik, wie z.B. einen Bewegungs-, Geschwindigkeits-, Positions-, Winkel- und/oder Beschleunigungssensor.
Im Synchronmodus kann die Schleuse vom ersten Roboter prinzipiell aktiv angesteuert werden, oder die Schleuse kann bei einer Schwenkbewegung des chirurgischen Instruments von diesem passiv mitgenommen werden.
Im Falle einer aktiven Ansteuerung ist das Robotersystem vorzugsweise derart ausgelegt, dass eine vom Bediener der Robotersystems eingegebene Steuervorgabe sowohl in einen ersten Steuerbefehl zur Steuerung des ersten Roboters als auch in einen zweiten Steuerbefehl zur Steuerung des zweiten Roboters umgesetzt wird. Beide Roboter werden also basierend auf derselben Steuervorgabe angesteuert. Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung kann der Steuerbefehl des einen Roboters z. B. der Steuerung des anderen Roboters zur Verfügung gestellt bzw. an diese weitergeleitet werden. Wahlweise könnten aus der Steuervorgabe des Bedieners auch zwei Steuerbefehle für die beiden Roboter parallel generiert werden.
Bei einer anderen Ausführungsform einer aktiven Ansteuerung kann die Bewegung des chirurgischen Instruments sensorisch erfasst werden, beispielsweise durch optische Sensoren, wie z. B. eine Kamera. Die Sensorik zeichnet in diesem Fall die Instrumentenbewegung auf und erzeugt entsprechende Bewegungsdaten, die von der Steuerung des ersten Roboters berücksichtigt werden können, um den ersten Roboter anzusteuern und die Schleuse entsprechend zu bewegen.
Die Sensorik zur Erfassung der Bewegung des chirurgischen Instruments kann auch Kraft- oder Drucksensoren aufweisen, die an der Schleuse oder am Instrument angebracht sind und die zwischen dem chirurgischen Instrument und der Schleuse wirkenden Kräfte erfassen können. Wenn das chirurgische Instrument bei einer Schwenkbewegung gegen die Schleuse drückt, können somit z.B. die resultierende Kraft und gegebenenfalls auch die Position der Krafteinwirkung ausgewertet werden, um den ersten Roboter entsprechend anzusteuern, so dass die Schleuse der Schwenkbewegung des chirurgischen Instruments nachgeführt wird. Alternativ könnten auch noch die in den Elektromotoren des ersten Roboters fließenden Ströme als Maß für die auf die Schleuse wirkenden Kräfte bzw. Momente ausgewertet werden. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können als „aktive“ Steuerung bezeichnet werden, da jeweils Steuersignale für den ersten Roboter generiert werden, mit denen der Roboter angesteuert wird.
Alternativ könnte aber auch eine rein passive Betriebsart vorgesehen sein, bei der die Schleuse einer Schwenkbewegung des chirurgischen Instruments rein passiv folgt. Der erste Roboter könnte in diesem Fall beispielsweise derart betrieben werden, dass er einer vom chirurgischen Instrument gegen die Schleuse ausgeübten Kraft, wenn diese ausreichend hoch ist, automatisch nachgibt, so dass die Schleuse durch die Bewegung des chirurgischen Instruments rein passiv mitgenommen wird.
Wie eingangs erwähnt wurde, kann der erste Roboter derart betrieben werden, dass die Schleuse einer Schwenkbewegung des chirurgischen Instruments synchron folgt, die Bewegung des chirurgischen Instruments dämpft, oder im Extremfall blockiert. Die Stärke der Dämpfung ist vorzugsweise vom Bediener, z.B. durch Eingabe an einer Applikations-Software, oder durch Bedienung eines Hardware-Sensors (z. B. eines Schiebe- oder Drehreglers) einstellbar.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellt sich die Dämpfung aber in Abhängigkeit von einem oder mehreren Parametern automatisch ein. Die Parameter können beispielsweise umfassen: die Art des am zweiten Roboter befestigten chirurgischen Instruments, die aktuell durchzuführende chirurgische Prozedur, die Art der Bewegung des chirurgischen Instruments (z. B. translatorische Bewegung, Schwenkbewegung oder Bewegungsrichtung), die Geschwindigkeit der Bewegung, die vom Benutzer eingegebene Steuervorgabe, die Position des chirurgischen Instruments und/oder eine persönliche Eigenschaft des Benutzers, wie z. B. die Erfahrung des Chirurgen. Die Stärke der Dämpfung kann vorzugsweise variiert werden.
In Bezug auf die Art des chirurgischen Instruments kann die Dämpfung z. B. bei Verwendung eines ersten Instruments, wie z. B. eines Trokars, deutlich stärker sein als bei Verwendung eines zweiten Instruments, wie z. B. eines Skalpells.
Desweiteren kann vorgesehen sein, dass die Bewegung des chirurgischen Instruments an bestimmten Positionen, wie z.B. an den Grenzen eines erlaubten Arbeitsbereichs stärker gedämpft wird als im Zentrum des Arbeitsbereichs, wo mögliche Fehlbedienungen des chirurgischen Instruments weniger folgenschwer sind als an den Arbeitsbereichsgrenzen. Die Größe des erlaubten Arbeitsbereichs kann vom Benutzer über eine Eingabeeinrichtung, wie z. B: einen Touchscreen, definiert oder automatisch vom System festgelegt werden.
In Bezug auf die Art der Bewegung des chirurgischen Instruments kann das Robotersystem so ausgelegt sein, dass die Schleuse bei Bewegungen des chirurgischen Instruments in einer bestimmten Richtung oder bei Schwenkbewegungen um eine bestimmte Schwenkachse stärker oder weniger stark gedämpft wird als bei Bewegungen in eine andere Richtung bzw. Schwenkbewegungen um eine andere Schwenkachse.
Zum Fixieren der Schleuse mittels des ersten Roboters gibt es prinzipiell mehrere Möglichkeiten. Gemäß einer ersten Option kann z. B. eine Bremse vorgesehen sein, die den ersten Roboter bei entsprechender Ansteuerung feststellt. Gemäß einer anderen Option kann der erste Roboter auch derart gesteuert werden, dass dieser eine Kraft ausübt, die derjenigen Kraft des zweiten Roboters entgegen gerichtet und etwa gleich groß ist, so dass die vom zweiten Roboter ausgeübte Kraft kompensiert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Schleuse und das in der Schleuse steckende chirurgische Instrument bezüglich ihres Querschnitts so aufeinander abgestimmt, dass das chirurgische Instrument mit einem gewissen Spiel in der Schleuse geführt wird. Das Spiel ist dabei vorzugsweise so bemessen, dass das chirurgische Instrument gegenüber der Axialrichtung der Schleuse um einen vorgegebenen Winkel gekippt werden kann, der z.B. zwischen 5° und 60°, vorzugsweise zwischen etwa 10° und 40° betragen kann. Dadurch ist es möglich, das chirurgische Instrument innerhalb eines geometrisch vorgegebenen Arbeitsbereichs ungehindert zu führen, ohne hierzu die Schleuse bewegen zu müssen.
Wenn ein chirurgisches Instrument in die Schleuse eingefädelt werden soll, wird vorzugsweise die Position und Lage der Schleuse sensorisch erfasst. Die diesbezüglichen Daten werden vorzugsweise von einer Steuerung des zweiten Roboters verarbeitet, so dass das vom zweiten Roboter geführte chirurgische Instrument präzise in die Schleuse eingefädelt werden kann. Um das Einfädeln des chirurgischen Instruments zu erleichtern, kann der erste Roboter derart angesteuert werden, dass die Schleuse leicht vibriert.
Gemäß einer speziellen Ausführungsform des Robotersystems ist ein Arbeitsbereich definierbar, in dem das chirurgische Instrument arbeiten darf. Der Arbeitsbereich kann beispielsweise manuell vom Chirurgen vorgegeben werden, z. B. durch entsprechende Eingabe an einem Touchscreen oder mittels einer anderen Eingabevorrichtung. Wahlweise könnte auch bestimmten chirurgischen Instrumenten jeweils ein bestimmter zulässiger Arbeitsbereich zugeordnet sein, der z. B. unter Berücksichtigung des Einstichpunkts im Körper des Patienten automatisch ermittelt wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Roboter so gesteuert wird, dass die Schleuse einer Bewegung des chirurgischen Instruments (synchron oder mit Dämpfung) folgt, solange sich das chirurgische Instrument im Zentrum des erlaubten Arbeitsbereichs befindet, und dass die Schleuse automatisch fixiert wird, wenn das chirurgische Instrument in den Grenzbereich des erlaubten Arbeitsbereichs kommt, so dass die Grenze des Arbeitsbereichs nicht überschritten wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Steuervorrichtung zum Steuern von Robotern eines Robotersystems für die minimal invasive Chirurgie, mit einer ersten Steuereinheit zum Steuern eines ersten Roboters, der eine Schleuse betätigt, die dazu dient, einen Zugang in den Körper eines Patienten bereitzustellen, und einer zweiten Steuereinheit zum Steuern eines zweiten Roboters, der ein chirurgisches Instrument trägt, wobei die erste Steuereinheit den ersten Roboter in unterschiedlichen Betriebsmodi ansteuern kann. Insbesondere kann die Steuereinheit in einem ersten Betriebsmodus betrieben werden, in dem die Schleuse fixiert ist oder in einem weiteren Betriebsmodus, in dem die Schleuse einer Schwenk- und/oder Positionierbewegung des chirurgischen Instrumentes folgt, wobei die Nachführung der Schleuse synchron zum Instrument oder gedämpft erfolgen kann.
Die erste Steuereinheit umfasst vorzugsweise Mittel, wie z. B. einen Algorithmus, um den ersten Roboter in wenigstens einem der folgenden Betriebsmodi zu steuern: einem Synchronmodus, einem Dämpfungsmodus oder einem Fixiermodus.
Die Erfindung betrifft schließlich auch noch ein Robotersystem, das eine entsprechende Steuervorrichtung aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 einen aus dem Stand der Technik bekannten Roboter mit einem Schlitten zum Verstellen der Position eines chirurgischen Instruments und einer Halterung für eine Trokarhülse;
2 ein aus dem Stand der Technik bekanntes Robotersystem mit zwei Robotern, die jeweils mit einem chirurgischen Instrument bestückt sind;
3 ein erfindungsgemäßes Robotersystem mit zwei Robotern, von denen einer mit einem chirurgischen Instrument und der andere mit einer Schleuse bestückt ist;
4 eine vergrößerte Darstellung der Schleuse von 3 und der möglichen Freiheitsgrade der Bewegung der Schleuse;
5 verschiedene Positionen der Schleuse beim Punktieren der Bauchdecke eines Patienten;
6 den Arbeitsbereich eines chirurgischen Instruments, das in den Bauchraum eines Patienten eingeführt ist, in einem Betriebsmodus, in dem die Schleuse fixiert ist;
7 den Arbeitsbereich eines chirurgischen Instruments, das in die Bauchhülle eines Patienten eingeführt ist, in einem Betriebsmodus, in dem die Schleuse einer Schwenkbewegung des chirurgischen Instruments folgt;
8 einen beispielhaften Verlauf des Synchronisierungsgrades der Schleuse in Abhängigkeit von der Auslenkung des chirurgischen Instruments;
9 eine Darstellung eines operativen Eingriffs auf einem Monitor;
10 ein erfindungsgemäßes Robotersystem mit insgesamt drei Robotern; und
11 eine schematische Darstellung eines Instrumentenwechsels an einem der Roboter.
Ausführungsformen der Erfindung
Bezüglich der Erläuterung der 1 und 2 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
3 zeigt eine beispielhafte Ausführung eines Robotersystems mit zwei Robotern 2, 3 wobei der erste Roboter 2 mit einer Schleuse 7 und der zweite Roboter 3 mit einem chirurgischen Instrument 10 bestückt ist. Die beiden Roboter umfassen jeweils zwei Roboterarme 13, die über Gelenke 12 gedreht und geschwenkt werden können. Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat jeder Roboter 2, 3 insgesamt sechs Freiheitsgrade, so dass das vom Roboter 2, 3 jeweils getragene Element 7, 10 jeweils frei im Raum bewegt werden kann. Die beiden Roboter 2, 3 sind an einem OP-Tisch 4 befestigt, auf dem der zu behandelnde Patient 5 liegt.
Der erste Roboter 2 hat an seinem freien Kopfende eine Halterung 8, die lösbar in einer Aufnahme 9 befestigt werden kann. Die Halterung 8 ist dabei so ausgelegt, dass eine Schleuse 7 spielfrei aufgenommen werden kann, d.h. zwischen der Schleuse 7 und dem ersten Roboter 2 besteht eine feste Verbindung. Der zweite Roboter 3 umfasst ebenfalls eine Aufnahme 11, an der ein chirurgisches Instrument 10 befestigt werden kann. Das chirurgische Instrument 10 kann z.B. ein Greif-, Halte-, Schneid-, Säge-, Schleif-, Verbinde-, Verfüge- oder ein anderes Werkzeug sein, wie z.B. ein Skalpell, eine Pott’sche Schere, eine Zange, ein Trokar, etc..
Die Schleuse 7 ist im dargestellten Beispiel in eine Einstichstelle 6 in der Bauchdecke des Patienten 5 eingesteckt und stellt einen Zugang für das chirurgische Instrument 10 in den Innenraum des Körpers bereit.
Die beiden Roboter 2, 3 können von einem Chirurgen bzw. Benutzer mittels einer Eingabevorrichtung 43 gesteuert werden. Bei der Eingabevorrichtung 43 kann es sich z.B. um einen Joystick, ein Bilderfassungssystem, eine Maus, ein Touchpad oder jedes andere gängige Eingabegerät handeln.
Die vom Benutzer ausgeführten Steuervorgaben werden von einer Steuervorrichtung 40 in entsprechende Steuerbefehle für die einzelnen Aktuatoren der Roboter 2, 3 umgesetzt. In der Steuervorrichtung 40 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine erste Steuereinheit 41 für den ersten Roboter 2 und eine zweite Steuereinheit 42 für den zweiten Roboter 3 als Software-Steuerung integriert. Die Steuereinheiten 41, 42 können aber auch an anderer Stelle, gegebenenfalls auch verteilt auf mehrere Steuergeräte, angeordnet sein.
Durch die getrennte Betätigung der Schleuse 7 und des chirurgischen Instruments 10 mittels eines ersten bzw. zweiten Roboters 2 bzw. 3 ist es möglich, die Schleuse 7 unabhängig vom chirurgischen Instrument 10 zu bewegen oder gegebenenfalls auch zu fixieren. Daneben besteht die Möglichkeit, eine Bewegung des chirurgischen Instruments 10 mittels der Schleuse 7 zu dämpfen bzw. vollständig zu blockieren. Die Schleuse 7 kann mittels des ersten Roboters 2 aber auch so bewegt werden, dass sie einer Bewegung des chirurgischen Instruments 10 synchron folgt.
4 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Schleuse von 3 und die verschiedenen Bewegungs- bzw. Schwenkrichtungen innerhalb eines kartesischen Koordinatensystems mit den Achsen x, y, z, in deren Richtungen bzw. um deren Achsen die Schleuse 7 prinzipiell bewegt werden kann. Im vorliegenden Fall ist die Schleuse 7 frei im Raum bewegbar. Eine Bewegung in Richtung der orthogonalen Achsen x, y, z ist durch die Pfeile 14, 14‘ und 14‘‘ dargestellt. Die Schwenkbewegungen um die Koordinatenachsen sind durch die Pfeile 15, 15‘ und 16 dargestellt. Zur Durchführung der minimalinvasiven OP steckt die Schleuse 7 im Einstechpunkt 6 des Patienten 5 (auch Trokarpunkt genannt). Um die Einstichstelle 6 nicht übermäßig zu belasten, können vorteilhafterweise neben den Schwenkbewegungen um die x- und y-Achse alle anderen Bewegungsarten auf ein benötigtes Mindestmaß beschränkt werden. Durch den separaten Antrieb von Schleuse 7 und chirurgischem Instrument 10 kann sowohl die Schleuse 7 unabhängig von dem Instrument 10 als auch das Instrument 10 unabhängig von der Schleuse 7 bewegt werden. Beispielsweise kann das Instrument 10 durch den Roboter 3 um seine Längsachse gedreht werden, ohne dass dadurch auch die Schleuse 7 gedreht wird. Der Endeffektor 19 bzw. das chirurgische Instrument 10 kann somit nicht nur durch eine Drehbewegung des Instrumentenschafts um die Achse 21 gedreht werden (vgl. 6), sondern auch durch eine Schwenkbewegung des Roboters 3, der das gesamte Instrument 10 einschließlich Halterung 11 schwenkt. In diesem Fall kann z.B. auf einen separaten Instrumentenantrieb, der den Endeffektor 19 um die Längsachse 21 des Instruments 10 dreht, verzichtet werden.
5 zeigt verschiedene Zustände bei einer Punktion der Bauchdecke eines Patienten 5 mittels eines Trokars 17. Dabei wird zunächst die Schleuse 7 an der gewünschten Einstichstelle 6 positioniert und dann mit Hilfe des ersten Roboters 2 in dieser Position fixiert. Danach wird der Trokar 17 in die Schleuse 7 eingeführt und durch Vorwärtsschieben des Trokars 17 die Bauchdecke durchstoßen. Während oder nach dem Durchstechen der Bauchdecke wird die Schleuse 7 durch den Roboter 2 in die entstandene Öffnung hineingeführt, so dass sie in der Einstichstelle 6 festsitzt und die Öffnung offen hält. Die endgültige Position der Schleuse 7 ist durch eine gestrichelte Linie schematisch dargestellt. In dieser Position wird die Schleuse 7 dann mittels des ersten Roboters 2 fixiert. Danach wird der Trokar 17 aus der Schleuse 7 herausgezogen. D.h. während das Instrument bzw. der Trokar 17 zum Durchstechen der Bauchdecke bewegt wurde, wurde die Schleuse 7 zunächst fixiert, dann bewegt und wieder fixiert. Die Bewegung der Schleuse 7 erfolgte also unabhängig zur Bewegung des Trokars 17.
Zum Fixieren der Schleuse 7 gibt es prinzipiell mehrere Optionen. Gemäß einer ersten Option umfasst der Roboter 2 eine Bremse, mittels derer der Roboter 2 festgestellt werden kann. Geeignete Bremsmechanismen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt.
Gemäß einer zweiten Option kann der erste Roboter 2 auch derart angesteuert werden, dass er eine Gegenkraft bzw. ein Gegenmoment erzeugt, das der vom zweiten Roboter 3 ausgeübten Kraft bzw. dem ausgeübten Moment entgegen gerichtet und etwa gleich groß ist, so dass sich die Kräfte bzw. Momente gegenseitig aufheben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt die Steuerung 41 von Roboter 2 die Fixierung der Schleuse 7 für jeden möglichen Freiheitsgrad (vgl. 4) automatisch ein, wobei die jeweilige Fixierung von verschiedenen Parametern abhängig sein kann, wie z.B. von der Art des chirurgischen Instruments 10, der Art der durchzuführenden Prozedur, der Art der Bewegung des chirurgischen Instruments (translatorische Bewegung, Schwenkbewegung, Bewegung in eine bestimmte Richtung, etc.), der Geschwindigkeit des chirurgischen Instruments 10, der Position des chirurgischen Instruments 10 und/oder von der Erfahrung des Chirurgen.
6 zeigt einen Zustand bei einer Operation, bei der eine Pott’sche Schere über eine in der Schleuse 7 befindliche Dichtung 20 und durch die Schleuse 7 hindurch in den Bauchraum eines Patienten 5 eingeführt ist. Die Längsachse des Instruments 10 ist dabei mit dem Bezugszeichen 21, und die Längsachse der Schleuse 7 mit dem Bezugszeichen 24 bezeichnet.
Wie zu erkennen ist, hat der Schaft des chirurgischen Instruments 10 einen deutlich kleineren Durchmesser als die Durchgangsöffnung der Schleuse 7, so dass das Instrument 10 mit Spiel in der Schleuse 7 aufgenommen ist. Durch das Spiel ist es möglich, das chirurgische Instrument 10 innerhalb eines begrenzten Arbeitsbereichs 23 leicht zu kippen. Die Größe des Arbeitsbereichs 23 wird dabei insbesondere durch das Spiel zwischen Instrument 10 und Schleuse 7 sowie durch die Länge der Schleuse 7 vorgegeben. Typischerweise kann das chirurgische Instrument 10 um einen Winkelbereich von z.B. 5° bis 60° und insbesondere von 10° bis 40° geschwenkt werden. Darüber hinaus kann das chirurgische Instrument 10 auch um seine Längsachse 21 in Richtung des Pfeils 22 gedreht und/oder entlang der Längsachse 21 in Richtung des Pfeiles 18 auf- und ab bewegt werden.
Wenn die Schleuse 7 dagegen nicht durch den Roboter 2 in einer festen Position fixiert wird, kann der Arbeitsbereich 23 deutlich aufgeweitet werden, wie in 7 dargestellt ist. Zu diesem Zweck wird die Schleuse 7 mittels des Roboters 2 gekippt, bzw. ein passives Verkippen zugelassen, wie mittels gestrichelter Linien 7‘, 7‘‘ und 8‘ bzw. 8‘‘ dargestellt ist. Das chirurgische Instrument 10 kann somit zwischen den Positionen 10‘ und 10‘‘ geschwenkt werden.
Der Kippwinkel ist vorteilhafterweise begrenzt, um das Verletzungsrisiko des Patienten zu minimieren. Beispielsweise können bestimmte Grenzwerte in der Steuerung 40 einprogrammiert werden. Wird von der Schleuse 7 ein bestimmter Grenzwert in einer bestimmten Kipp- oder Schwenkrichtung erreicht, kann der Roboter 2 die Schleuse 7 in dieser Richtung umgehend fixieren.
Es ist grundsätzlich möglich, die Schleuse 7 durch Roboter 2 so zu betätigen, dass sie zumindest innerhalb eines bestimmten Wegs und/oder in zumindest einer nach 4 gezeigten Bewegungsrichtung synchron mit dem Instrument 10 bewegt wird. D.h. die Schleuse 7 wird bei einem Kippen und/oder Schwenken des Instruments 10 entsprechend bewegt bzw. nachgeführt. Folglich könnte beispielsweise bei Bewegungen des Instruments das Spiel zwischen Instrument 10 und Schleuse 7 durch den Roboter 2 aufrechterhalten werden. Somit wird von der Schleuse 7 keine Kraft auf das chirurgische Instrument 10 ausübt (und umgekehrt).
Die Zuordnung, bei welchen Bewegungen des Werkzeugs 10 die Schleuse 7 blockiert oder synchron mit bewegt wird, ist frei programmierbar und kann in dem Robotersystem abgelegt werden. Beispielsweise soll die Schleuse 7 bei axialen Bewegungen 14 des Werkzeugs 10 entlang dessen Werkzeugachse (vgl. 4) nicht verstellt werden können, jedoch mit dem Werkzeug 10 nachgeführt werden, wenn mit dem Werkzeug 10 Schwenkbewegungen 15, 15‘ durchgeführt werden.
Hierzu kann das Robotersystem aktiv angesteuert werden. Es ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass eine vom Bediener der Robotersystems eingegebene Steuervorgabe sowohl in einen ersten Steuerbefehl zur Steuerung des ersten Roboters 2 als auch in einen zweiten Steuerbefehl zur Steuerung des zweiten Roboters 3 umgesetzt wird. Beide Roboter 2 und 3 können also basierend auf derselben Steuervorgabe angesteuert werden.
Die Schleuse 7 kann aber auch derart betätigt werden, dass sie eine Bewegung des chirurgischen Instruments 10 dämpft. Die Höhe der Dämpfung kann prinzipiell frei vorgegeben werden. So kann beispielsweise eine bestimmte Dämpfung in der Steuerung des ersten Roboters 2 standardmäßig vorgegeben sein. Wahlweise kann die Dämpfung auch vom Benutzer variiert werden, beispielsweise durch entsprechende Eingabe an einem Terminal. Die Dämpfung kann für jeden Freiheitsgrad der Schleuse 7 prinzipiell so weit erhöht werden, dass die Schleuse 7 in jeder Bewegungsrichtung vollständig blockiert bzw. für jeden Freiheitsgrad der Schleuse 7 soweit gesenkt werden, dass die Schleuse 7 in jeder Bewegungsrichtung dem Instrument 10 ungehemmt synchron nachfolgt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stellt sich die Dämpfung für jeden möglichen Freiheitsgrad der Schleuse 7 (vgl. 4) automatisch ein, wobei die Höhe der Dämpfung von verschiedenen Parametern abhängig sein kann, wie z.B. von der Art des chirurgischen Instruments 10, der Art der durchzuführenden Prozedur, der Art der Bewegung des chirurgischen Instruments (translatorische Bewegung, Schwenkbewegung, Bewegung in eine bestimmte Richtung, etc.), der Geschwindigkeit des chirurgischen Instruments 10, der Position des chirurgischen Instruments 10 und/oder von der Erfahrung des Chirurgen.
So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Dämpfung bei Verwendung eines ersten chirurgischen Instruments 10 größer oder kleiner ist als bei Verwendung eines zweiten chirurgischen Instruments. Zum Erkennen des jeweiligen Instruments 10 kann beispielsweise eine Sensorik, wie z.B. ein RFID-Sensor vorgesehen sein.
Darüber hinaus könnte auch bei bestimmten chirurgischen Eingriffen, wie z.B. bei einer Punktion oder bei der Ausführung eines Schnittes eine unterschiedliche Dämpfung vorgesehen sein. Die Höhe der Dämpfung kann auch von der Position des chirurgischen Instruments abhängen, wobei prinzipiell im Randbereich des Arbeitsbereichs 23 eine höhere Dämpfung gewählt werden sollte als im Zentrum des erlaubten Arbeitsbereichs 23, um mögliche Verletzungen von umliegenden Organen zu vermeiden. Schließlich kann auch eine Sensorik zur Personenerkennung vorgesehen sein, die den Benutzer automatisch oder nach einem entsprechenden Login des Benutzers erkennt und eine personenabhängige Dämpfung auswählt.
Die Schleuse 7 kann somit in Abhängigkeit eines oder mehrerer vorstehend gekannten Parameter entweder synchron zur Bewegung des chirurgischen Instruments 10 bewegt werden, eine Bewegung des chirurgischen Instruments 10 dämpfen oder die Bewegung des chirurgischen Instruments blockieren.
8 zeigt einen beispielhaften Verlauf des Synchronisierungsgrads zwischen der Schleuse 7 und dem chirurgischen Instrument 10 in Abhängigkeit vom Ort des Endeffektors 19. Im dargestellten Beispiel wird das chirurgische Instrument 10 ausgehend von einer Position, in der die Längsachse 18 des chirurgischen Instruments 10 mit derjenigen der Schleuse 7 fluchtet, zunehmend ausgelenkt, indem es gekippt bzw. geschwenkt wird. Bei geringer Auslenkung (z. B. kleiner 10°) wird der erste Roboter 2 derart gesteuert, dass die Schleuse 7 der Schwenkbewegung des chirurgischen Instruments 10 im Wesentlichen synchron folgt. Mit zunehmender Auslenkung des chirurgischen Instruments 10 nimmt dann der Synchronisierungsgrad linear ab bzw. die Dämpfung entsprechend zu. Ab etwa 50% der zulässigen Auslenkung des chirurgischen Instruments 10 wird dann die Schleuse 7 fixiert. In diesem Zustand wirkt die Schleuse 7 wie ein (mechanischer) Anschlag für das Instrument 10. Durch die kontinuierliche Dämpfung kann ein abruptes Abbremsen oder Blockieren des Instruments 10 verhindert werden, wodurch das Instrument beschädigt werden könnte.
Wird die Auslenkung des Instruments 10 wieder zurückgenommen, wird sich der Synchronisierungsgrad des entsprechenden Freiheitsgrads erhöhen, so dass die Schleuse 7 wieder ihre Beweglichkeit steigert, bis die Schleuse 7 ungehemmt (ungedämpft) dem Instrument 10 nachfolgt. Das Instrument 10 kann dann wieder frei bewegt werden.
Eine solche Kennlinie, wie sie in 8 gezeigt ist, kann prinzipiell frei festgelegt werden. Der Verlauf der Kennlinie kann von einem oder mehreren der vorstehend genannten Parameter abhängen. So kann die Kennlinie z.B. personenabhängig definiert sein, um für weniger erfahrene Chirurgen beispielsweise einen engeren Arbeitsbereich 23 zu definieren als für erfahrene Chirurgen. Vorteilhafterweise kann die Dämpfungsfunktion für jeden Freiheitsgrad des Roboters 2 separat appliziert werden.
9 zeigt einen Bildschirm 32, auf dem die Position einer Schleuse 7, die in der Bauchdecke eines Patienten 5 steckt, ein Trokar sowie ein virtuelles chirurgisches Instrument 34 dargestellt sind. Da die Robotersteuerungen 41 und 42 der beiden Roboter 2 und 3 miteinander kommunizieren können, sind die geometrischen Daten des Trokars 17 und/oder der Schleuse 7 dem Robotersystem bekannt, so dass daraus eine potentielle Einstechposition 33 ermittelt werden kann. Unter Berücksichtigung dieser Einstechposition kann darüber hinaus der Arbeitsbereich 23 eines virtuellen chirurgischen Instruments 34 berechnet werden. Beispielsweise kann so vor dem tatsächlichen Herstellen der Öffnung 6 in den Patienten 5 (d.h. vor dem Durchstechen des Trokars 17) geprüft werden, ob das zu operierende Gewebe 30 ausgehend von der potentiellen Einstechposition 33 der Schleuse 7 im Arbeitsbereich 25 des ausgewählten Instruments liegt. Dabei können auch die maximal erlaubten Schwenkwinkel der Schleuse 7 einbezogen werden. Außerdem kann das chirurgische Instrument 34 und der Arbeitsbereich 25 in einer virtuellen Umgebung 31 am Bildschirm 32 dargestellt werden.
Wenn der Arbeitsbereich 23 für den durchzuführenden chirurgischen Eingriff nicht passt, kann der Chirurg die Einstechposition 33 versetzen, indem er die Schleuse 7 an eine andere Stelle bewegt. An der neuen Position werden vorzugsweise wiederum das chirurgische Instrument und der virtuelle Arbeitsbereich 23 dargestellt. Wenn die aktuelle Einstechposition 33 der vom Chirurgen gewünschten Einstechposition entspricht, kann der Chirurg die Schleuse 7 in den Fixiermodus versetzen und mittels des Trokars 17 die Bauchdecke des Patienten 5 durchstechen. Durch die virtuelle Darstellung des chirurgischen Instruments und/oder des Arbeitsbereichs 25 kann somit sichergestellt werden, dass der Körper des Patienten 5 an der richtigen Stelle punktiert wird, von der aus das zu operierende Gewebe 30 behandelt werden kann.
10 zeigt ein Robotersystem mit drei Robotern 2, 3, 27, von denen der erste Roboter 2 wiederum eine Schleuse 7 führt, der zweite Roboter 3 ein chirurgisches Instrument 10 trägt, und der dritte Roboter 27 ein weiteres chirurgisches Instrument 28 trägt. In der dargestellten Situation ist das vom zweiten Roboter 3 gehaltene chirurgische Instrument 10 durch die Schleuse 7 in den Körper des Patienten 5 eingeführt. Um nun einen selbsttätigen Instrumentenwechsel durchzuführen, wird der erste Roboter 2 im Fixiermodus betrieben, damit die Schleuse 7 beim Entfernen des Instruments 10 nicht verrutscht oder aus dem Körper des Patienten 5 herausgezogen wird. Der Roboter 3 fährt hierzu das Instrument 10 aus der Schleuse 7 heraus und bringt es z.B. in eine Ruheposition, wie in 11 dargestellt. Falls erforderlich, kann nun der Roboter 2, die Lage der Schleuse 7 zum Einführen des Instruments 28 korrigieren bzw. verändern. Nach Anpassung der Lage der Schleuse 7 wird der erste Roboter 2 wieder in den Fixiermodus geschaltet, so dass die Schleuse 7 beim Einfädeln des Instruments 2 ihre Lage nicht verändert. Zum Erleichtern des Einfädelns des Instruments 28 kann die Schleuse 7 leicht vibrieren.
Der Roboter 27 wird dann aktiv und fädelt das Instrument 28 in die Schleuse 7 ein. Dabei kann der Roboter 27 auf die Positions- und/oder Lageinformationen der Schleuse 7 zurückgreifen, die aus der Steuerungs-Software des ersten Roboters 2 bekannt sind. Beispielsweise können sämtliche Bewegungen des Robotersystems protokolliert werden. Der Roboter 27 kann somit das Instrument 28 präzise in die Schleuse 7 einführen. Um das Einfädeln zu erleichtern, kann der erste Roboter 2 die Schleuse 7 leicht vibrieren lassen.
Nach dem Einführen des Instruments 28 in die Schleuse 7 kann der erste Roboter 2 z.B. in den Synchron- oder Dämpfungsmodus umgeschaltet werden. Die Anforderungen, in welchem Modus die Schleuse 7 betrieben wird, können wie oben beschreiben von verschiedenen Parametern abhängen.
Wird die Schleuse 7 für zumindest einen Freiheitsgrad in den Synchron- oder Dämpfungsmodus umgeschaltet, so stellt das Robotersystem sicher, dass Roboter 2 die Schleuse 7 nur den Bewegungen desjenigen Instruments 10, 28 automatisch nachfolgen lässt, mit dem die Schleuse 7 in Verbindung steht. Aufgrund der Position der Schleuse 7 und der Instrumente 10, 28 weiß das Robotersystem automatisch, welches Instrument mit der Schleuse 7 in Verbindung steht und welchem Instrument 10, 28 die Schleuse 7 demnach folgen soll. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Ansteuerbefehle aller weiteren Roboter 3, 27 an die Robotersteuerung des ersten Roboters 2 übertragen, so dass die Steuerung des ersten Roboters 2 zur Synchronisierung der Schleuse 7 automatisch die Ansteuerbefehle desjenigen Roboters 3, 27 nutzen kann, dessen Instrument 10, 28 in der Schleuse 7 steckt. Somit ist es erfindungsgemäß möglich, die Schleuse 7 bzw. Roboter 2 mit verschiedenen Robotern 3, 27 bzw. Instrumenten 10, 28 zu synchronisieren. Zudem kann erfindungsgemäß folglich zur Durchführung eines Werkzeugwechsels die Schleuse 7 automatisch in die unterschiedlichen Betriebsmodi Fixiermodus, Synchronmodus und Dämpfungsmodus umgeschaltet werden.
11 zeigt schließlich einen Zustand, in dem das chirurgische Instrument 28 des Roboters 27 in die Schleuse 7 eingefädelt ist. Der zweite Roboter 3 befindet sich in einer Warteposition, in der das Werkzeug 10 ausgetauscht werden kann. Im vorliegenden Fall wird das chirurgische Instrument 10 gegen ein anderes Instrument 29 ausgetauscht. Um im weiteren Operationsverlauf dann mit dem Instrument 29 arbeiten zu können, wird ein erneuter Werkzeugwechsel, wie vorstehend beschrieben, durchgeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20090306697 A1 [0004]
US 20090192444 A1 [0004]
US 2010249694 [0005]
WO 2011/163520 [0005]
US 7955322 B2 [0006]
DE 102010029275 A1 [0007]
WO 2011/149187 A2 [0008]

Claims

Verfahren zum Steuern eines Robotersystems (1) für die minimal invasive Chirurgie, das wenigstens zwei Roboter (2, 3) umfasst, gekennzeichnet durch folgende Schritte: – Betätigen einer Schleuse (7), die dazu dient, einen Zugang in den Körper eines Patienten (5) bereitzustellen, mittels eines ersten Roboters (2), und – Betätigen eines chirurgischen Instruments (10), das dazu ausgelegt ist, durch die Schleuse (7) in den Körper des Patienten (5) eingeführt zu werden, mittels eines zweiten Roboters (3).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Roboter (2) in bestimmten Betriebsphasen in einem Synchronmodus betrieben wird, in dem die Schleuse (7) einer Schwenkbewegung des chirurgischen Instruments (10) etwa synchron folgt, ohne dabei eine Kraft auf das Instrument (10) auszuüben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vom Bediener des Robotersystems (1) vorgegebene Steuervorgabe sowohl in einen ersten Steuerbefehl zur Steuerung des ersten Roboters (2) als auch in einen zweiten Steuerbefehl zur Steuerung des zweiten Roboters (3) umgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Roboter (2) in bestimmten Betriebsphasen in einem Dämpfungsmodus betrieben wird, in dem die Schleuse (7) zumindest einen Freiheitsgrad des durch die Schleuse (7) hindurch geführten chirurgischen Instruments (10) dämpft.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Dämpfung abhängig ist von der Art der durchzuführenden chirurgischen Prozedur, der Art der Bewegung des chirurgischen Instruments (10), der Geschwindigkeit des chirurgischen Instruments (10), der Position des chirurgischen Instruments (10) und/oder von persönlichen Eigenschaften des Chirurgen, insbesondere von dessen Erfahrung.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Dämpfung einstellbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Roboter (2) in bestimmten Betriebsphasen in einem Fixiermodus betrieben wird, in dem zumindest ein Freiheitsgrad der Schleuse (7) fixiert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Roboter (2) in Abhängigkeit von der Art des chirurgischen Instruments (10), der aktuell durchzuführenden chirurgischen Prozedur, der Art der Bewegung des chirurgischen Instruments (10) und/oder der Position des chirurgischen Instruments (10) entweder in einem Synchronmodus nach Anspruch 2 oder in einem Dämpfungsmodus nach Anspruch 4 oder in einem Fixiermodus nach Anspruch 7 betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleuse (7) fixiert wird, indem eine im ersten Roboter (2) integrierte Bremse betätigt oder indem der erste Roboter (2) derart betrieben wird, dass dieser eine Kraft ausübt, die derjenigen des zweiten Roboters (3) entgegen gerichtet und etwa gleich groß ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsart des Robotersystems, in der die Schleuse (7) fixiert ist, und/oder eine Betriebsart, in der die Schleuse bewegbar ist, vom Benutzer einstellbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Robotersystem zwischen den Betriebsarten Fixiermodus, Synchronmodus und/oder Dämpfungsmodus automatisch umschaltet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Position und/oder die Lage der Schleuse (7) sensorisch und/oder protokollarisch erfasst und die diesbezüglichen Daten von einer Steuerung des zweiten Roboters (3) verarbeitet werden, um das vom zweiten Roboter (3) geführte chirurgische Instrument (10) in die Schleuse (7) einzufädeln.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Roboter (2) beim Einfädeln eines chirurgischen Instruments (10) in die Schleuse (7) derart gesteuert wird, dass die Schleuse (7) vibriert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arbeitsbereich (23) definiert wird, in dem das chirurgische Instrument (10) arbeiten darf, und dass der erste Roboter (2) derart betrieben wird, dass die Schleuse (7) einer Bewegung des chirurgischen Instruments (10) folgt, solange sich das chirurgische Instrument (10) innerhalb des erlaubten Arbeitsbereiches (23) befindet, und die Schleuse (7) fixiert wird, wenn das chirurgische Instrument (10) in einen Grenzbereich des erlaubten Arbeitsbereiches (23) gelangt, so dass das chirurgische Instrument (10) nicht über die Grenze des erlaubten Arbeitsbereiches (23) hinaus fährt.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Freiheitsgrad der Schleuse 7 zunehmend gedämpft wird, je mehr sich das chirurgische Instrument (10) dem Grenzbereich des erlaubten Arbeitsbereichs (23) nähert.
Steuervorrichtung (40) zum Steuern von Robotern (2, 3) eines Robotersystems (1) für die minimal invasive Chirurgie, gekennzeichnet durch – eine erste Steuereinheit (41) zum Steuern eines ersten Roboters (2), der eine Schleuse (7) betätigt, die dazu dient, einen Zugang in den Körper eines Patienten (5) bereitzustellen, und – eine zweite Steuereinheit (42) zum Steuern eines zweiten Roboters (3), der ein chirurgisches Instrument (10) betätigt, das dazu ausgelegt ist, durch die Schleuse (7) in den Körper des Patienten (5) eingeführt zu werden, – wobei die erste Steuereinheit (41) Mittel aufweist, um den ersten Roboter (2) entweder in einem ersten Betriebsmodus, in dem zumindest ein Freiheitsgrad der Schleuse (7) fixiert ist, und/oder in einem zweiten Betriebsmodus anzusteuern, in dem die Schleuse (7) einer Bewegung des chirurgischen Instruments (10) synchron folgt, und/oder einem dritten Betriebsmodus, in dem zumindest ein Freiheitsgrad der Schleuse (7) gedämpft wird.
Robotersystem (1) mit wenigstens zwei individuell steuerbaren Robotern (2, 3), gekennzeichnet durch eine Steuervorrichtung (40) nach Anspruch 16.