DE102013108228A1

DE102013108228A1 - Assistenzeinrichtung zur bildgebenden Unterstützung eines Operateurs während eines chirurgischen Eingriffs

Info

Publication number: DE102013108228A1
Application number: DE102013108228.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Bernhart; Bastian Ibach; Kathrin Roberts; Holger Borchers
Original assignee: Maquet GmbH
Current assignee: Maquet GmbH
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-02-05
Also published as: EP3027105A1; CN105517481A; JP2016532488A; US20160135670A1; WO2015014952A1; RU2016106640A3; RU2016106640A; KR20160037184A

Abstract

Beschrieben ist eine Assistenzeinrichtung (10) zur bildgebenden Unterstützung eines Operateurs während eines chirurgischen Eingriffs. Die Assistenzeinrichtung umfasst ein Endoskop (12) mit einer Kamera (16) zum Erzeugen von Bilddaten; ein Sichtgerät (20) zum Darstellen eines Bewegtbildes auf Grundlage der von der Kamera (16) erzeugten Bilddaten; einen mit dem Endoskop (12) gekoppelten Manipulator (14) zum Bewegen des Endoskops (12); und eine Steuereinheit (22) zum wahlweisen Ansteuern des Manipulators (14) entsprechend einem von mehreren Bedienzuständen derart, dass das dargestellte Bewegtbild durch Bewegen des Endoskops (12) entsprechend dem jeweils gewählten Bedienzustand beeinflussbar ist. Vorgesehen ist ein mit der Steuereinheit (22) gekoppeltes Bedienelement zum Auswählen des jeweiligen Bedienzustands, wobei das Bedienelement aus einem einzigen Schaltelement (28) mit genau zwei Schaltzuständen gebildet ist, von denen ein Schaltzustand ein betätigter Zustand und der andere Schaltzustand ein nicht-betätigter Zustand ist; und auf Grundlage der beiden möglichen Schaltzustände des Schaltelementes (28) den Bedienzuständen voneinander unterscheidbare Schaltmuster zugeordnet sind, die mit Hilfe des Schaltelementes (28) generierbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Assistenzeinrichtung zur bildgebenden Unterstützung eines Operateurs während eines chirurgischen Eingriffs, umfassend ein Endoskop mit einer Kamera zum Erzeugen von Bilddaten, ein Sichtgerät zur Darstellen eines Bewegtbildes auf Grundlage der von der Kamera erzeugten Bilddaten, einen mit den Endoskop gekoppelten Manipulator zum Bewegen des Endoskops, und eine Steuereinheit zum wahlweisen Ansteuern des Manipulators entsprechend einem von mehreren Bedienzuständen derart, dass das dargestellte Bewegtbild durch Bewegen des Endoskops entsprechend dem jeweils gewählten Bedienzustand beeinflussbar ist.
Während eines laparoskopischen Eingriffs betrachtet der Operateur das Bewegtbild des Operationssitus auf einem Sichtgerät, z.B. einem Monitor. In dem Bewegtbild sind die laparoskopischen Instrumente zu sehen, mit denen der Operateur die anatomische Strukturen und Organe im Patienten manipuliert. Das auf dem Sichtgerät in Echtzeit dargestellte Bewegtbild wird von einer Kamera aufgenommen, die Teil eines über einen Trokar in den Körper des Patienten eingeführten und auf den Operationssitus gerichteten Endoskops ist.
Üblicherweise wird das Endoskop von einem Assistenten gehalten, der dem Operateur während des Eingriffs zur Seite steht. Dabei versucht der Assistent das Endoskop so auf den Operationssitus richten, dass sich der Zielbereich, in dem die Instrumentenspitzen und die zu manipulierenden anatomischen Strukturen zu sehen sind, in einer Referenzposition des Bewegtbildes befindet. Üblicherweise liegt diese Referenzposition etwa in der Mitte des Bewegtbildes. Soll der betrachtete Bildausschnitt verändert werden, so muss das Endoskop bewegt werden, um den neuen Zielbereich wieder in die Mitte des Bewegtbildes zu bringen.
Für den auf das Sichtgerät blickenden Operateur sind verschiedene Bildbewegungen relevant. Zunächst sind dies zweidimensionale Veränderungen des Bildausschnitts, nämlich auf dem Sichtgerät nach oben und unten gerichtete Bewegungen des Bildausschnitts, auf dem Sichtgerät nach rechts und links gerichtete Bewegungen des Bildausschnitts, sowie kombinierte Bewegungen, z.B. von links unten nach rechts oben. Ferner muss der Bildausschnitt auf dem Sichtgerät durch eine entsprechende Zoomoperation auch in der dritten Dimension verändert, d.h. vergrößert und verkleinert werden können.
Aus dem Stand der Technik sind Assistenzeinrichtungen zur bildgebenden Unterstützung der Operateurs bekannt, die ohne einen menschlichen Assistenten auskommen. Dementsprechend müssen diese Assistenzeinrichtungen vom Operateur selbst über entsprechende Steuerbefehle bedient werden können.
Beispielsweise ist aus dem Stand der Technik ein Bedienkonzept bekannt, bei dem der Operateur die Bewegungsrichtung des auf dem Sichtgerät dargestellten Bildes über eine Kopfbewegung vorgeben kann. Mittels eines Aktivierungspedals wird die Endoskopbewegung freigegeben. Hierzu wird beispielhaft auf die Druckschriften EP 2169348 B8 , EP 2052675 A1 , US 2009/0112056 A1 , EP 0761177 B1 und US 5766126 A verwiesen.
Andere Bedienkonzepte sehen eine Sprachsteuerung oder eine Steuerung der Endoskopbewegung mittels eines mit mehreren Schaltern ausgestatteten Fußpedals vor. Hierzu ist auf die Druckschriften US 6932089 B1 , US 2006/0100501 A1 und US 2011/0257475 A zu verweisen.
Assistenzeinrichtungen, die eine automatische Verfolgung markierter Instrumente ermöglichen, sind in den Druckschriften US 6820545 A1 und DE 19529950 C1 beschrieben.
Die Druckschrift EP 1937177 B1 schlägt zur Bedienung einer Assistenzeinrichtung einen auch als Joystick bezeichneten Bedienungshebel vor, der an einem laparoskopischen Instrument angebracht wird. Der Operateur kann so mit der Hand, mit der er das Instrument hält, auch die Endoskopbewegung steuern.
Ein vollautomatisch arbeitendes System, die eine automatische Verfolgung markierter Instrumente ermöglicht, ist schließlich in der DE 199 61 971 B4 beschrieben.
Trotz der vorstehend dokumentierten Vielzahl an technischen Lösungen besteht weiterhin der Wunsch, eine Assistenzeinrichtung so zu optimieren, dass sie auf der einen Seite eine möglichst weitgehende Automatisierung der Endoskopnachführung ermöglicht, um den Operateur so wenig wie nur möglich mit der Bedienung der Assistenzeinrichtung zu belasten, und die auf der anderen Seite jedes Risiko für den Patienten vermeidet. Zudem sollte die Bedienung einer solchen Assistenzeinrichtung leicht erlernbar sein und einfach durchzuführen sein.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Assistenzeinrichtung anzugeben, die der Operateur während der Durchführung eines chirurgischen Eingriffs besonders einfach und intuitiv bedienen kann.
Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einer Assistenzeinrichtung eingangs genannter Art durch ein mit der Steuereinheit gekoppeltes Bedienelement zum Auswählen des jeweiligen Bedienzustands, wobei das Bedienelement aus einem einzigen Schaltelement mit genau zwei Schaltzuständen gebildet ist, von denen ein Schaltzustand ein betätigter Zustand und der andere Schaltzustand ein nicht-betätigter Zustand ist, und wobei auf Grundlage der beiden möglichen Schaltzustände des Schaltelementes den Bedienzuständen voneinander unterscheidbare Schaltermuster zugeordnet sind, die mit Hilfe des Schaltelementes generierbar sind.
Durch das Vorsehen eines einzigen Schaltelementes, das nur genau zwei Schaltzustände aufweist, ist es dem Operateur auf besonders einfache Weise möglich, der Assistenzeinrichtung mitzuteilen, wohin sich das mit dem Manipulator gekoppelte Endoskop zu bewegen hat, um die gewünschte Bilddarstellung auf dem Sichtgerät zu bewirken. Das erfindungsgemäße Schaltelement bildet dabei gleichsam ein „eindimensionales“ Bedienelement, durch das die intraoperative Bedienung der Assistenzeinrichtung so einfach wie möglich gehalten werden kann. Auf Grundlage der beiden möglichen Schaltzustände des Schaltelementes lassen sich leicht erlernbare Schaltmuster vordefinieren, die der Operateur durch eine entsprechende Betätigung des Schaltelementes generieren kann, um den gewünschten Bedienzustand einzustellen.
Die Funktion des Schaltelementes beschränkt sich dabei nicht auf die intraoperative Bedienung der Assistenzeinrichtung. So kann das Schaltelement beispielsweise zusätzlich genutzt werden, vor der eigentlichen Inbetriebnahme der Assistenzeinrichtung einen Setup- oder Einrichtungsprozess durchzuführen, in dem etwa Steuerparameter eingestellt und/oder Betriebszustände konfiguriert werden.
Da der Operateur nur ein einziges Schaltelement bedienen muss, vereinfacht sich die Handhabung deutlich. So kann der Operateur das Schaltelement ohne Hinsehen jederzeit finden, wodurch seine Konzentration auf den durchzuführenden Eingriff nicht gestört wird. Das einzelne Schaltelement lässt sich einfach und eindeutig positionieren, etwa an dem medizinischen Instrument, mit dem der Operateur den Eingriff durchführt, oder an der Hand bzw. den Fingern des Operateurs. Dies ist mit einer Bedieneinheit, die mehr als zwei Bedienelemente aufweist, nicht so leicht möglich.
Da nur ein einziges Schaltelement zur Verfügung steht, über das sich alle während des Eingriffs erforderlichen Funktionen der Assistenzeinrichtung steuern lassen, muss zudem keine Zuordnung bestimmter Funktionen zu verschiedenen Bedienelementen erlernt werden. Es ist von vornherein klar, dass sämtliche Funktionen allein diesem einen Schaltelement zugeordnet sind.
Da für die erfindungsgemäße Realisierung des Bedienelementes ein einziges Schaltelement mit zwei Schaltzuständen ausreichend ist, kann hierfür beispielsweise ein Fußschalter mit einem einzigen Pedal, wie er zur Steuerung anderer technischer Systeme im Operationssaal üblich ist, verwendet werden. Ebenso ist es möglich, einen entsprechend klein bemessenen Schalter oder Taster am Handgriff des für den Eingriff genutzten Instrumentes anzubringen. Prinzipiell ist jedoch jedes steril und ohne Weglegen des medizinischen Instrumentes auslösbare Schaltelement verwendbar, das es gestattet, die erfindungsgemäßen Schaltmuster zu generieren.
Vorzugsweise ist für mindestens einen der durch die Schaltmuster auswählbaren Bedienzustände eine vordefinierte Ansteueroperation der Steuereinheit zu bedienzustandsspezifischen Bewegung des Endoskops vorgesehen. Die Steuereinheit führt dann nach Auswahl dieses Bedienzustands die zugehörige Ansteueroperation kontinuierlich durch, während sich das Schaltelement in dem betätigten Zustand befindet. Bei dieser vorteilhaften Ausführungsform wird beispielsweise durch Drücken des Schaltelementes ein bestimmter Bedienzustand ausgewählt und, solange das Schaltelement gedrückt gehalten wird, die für diesen Bedienzustand vordefinierte Ansteueroperation ausgeführt. Auf diese Weise kann der Operateur mit einer einzigen Betätigung des Schaltelementes eines Wechsels zwischen zwei Bedienzuständen herbeiführen und zugleich die für den neu eingestellten Bedienzustand vordefinierte Ansteuerung des Endoskops veranlassen.
Vorzugsweise wechselt die Steuereinheit nach Auswahl des Bedienzustands in einen Grundzustand, wenn sich das Schaltelement länger als eine vorbestimmte Zeit in dem nicht-betätigten Zustand befindet. Somit weiß der Operateur, dass sich die Assistenzeinrichtung ohne Betätigung des Schaltelementes stets in einem wohldefinierten Grundzustand befindet, aus dem heraus sich die einzelnen Bedienzustände auswählen lassen. Auch dies erleichtert dem Operateur das Erlernen des erfindungsgemäßen Bedienkonzeptes.
Vorzugsweise beinhalten die Schaltmuster jeweils mindestens eine impulsartige Einmalbetätigung des Schaltelementes und/oder mindestens eine über eine gewisse Betätigungszeit andauernde Betätigung des Schaltelementes. Unter einer impulsartigen Einmalbetätigung ist einmalige Auslösung des Schaltelementes gemeint, die aus dem nicht-betätigten Schaltzustand nur kurzzeitig in den betätigten Schaltzustand und von dort zurück in den nicht-betätigten Schaltzustand führt. Mit diesen impulsartigen Betätigungen lassen sich auf besonders einfache Weise Folgen von Triggersignalen vordefinieren, die besonders einfach erlernbar sind. Diese sind insbesondere geeignet, die Assistenzeinrichtung in die verschiedenen Bedienzustände zu bringen. Demgegenüber kann eine länger andauernde Betätigung des Schaltelementes dafür vorgesehen sein, innerhalb eines einmal eingestellten Bedienzustands die diesem Zustand zugeordnete Ansteueroperation durchzuführen, um das Endoskop so lange kontinuierlich zu bewegen, wie die Betätigung des Schaltelementes gehalten wird.
Vorzugsweise sind die zumindest einem Teil der Bedienzustände zugeordneten Schaltmuster sukzessive aufeinander aufbauend konfiguriert, wodurch die zugehörigen Bedienzustände mit Hilfe des Schaltelementes in einer vorbestimmten Reihenfolge nacheinander auswählbar sind. Dadurch kann der Operateur die Assistenzeinrichtung in leicht erlernbarer Weise sukzessive von einem Bedienzustand in den nächsten führen.
Vorzugsweise enthält die Steuereinheit ein Bildverarbeitungsmodul, das auf Grundlage der von der Kamera erzeugte Bilddaten mindestens ein medizinisches Instrument in dem dargestellten Bewegtbild erfasst und eine Positionsabweichung des medizinischen Instrumentes gegenüber einer innerhalb des dargestellten Bewegtbildes festgelegten Referenzposition ermittelt. Dabei ist einer der mit dem Schaltelement auswählbaren Bedienzustände vorzugsweise ein Nachführzustand, in dem die Steuereinheit anhand der Positionsabweichung einen Sollwert ermittelt und den Manipulator in Abhängigkeit dieses Sollwertes derart ansteuert, dass das in dem dargestellten Bewegtbild erfasste medizinische Instrument durch Nachführen des Endoskops in die festgelegte Referenzposition gebracht wird. Dabei erfasst das Bildverarbeitungsmodul vorzugsweise eine Spitze des medizinischen Instrumentes und ermittelt die Positionsabweichung dieser Spitze. In dieser Ausführungsform lässt sich die durch das Bildverarbeitungsmodul durchgeführte Instrumentenerkennung, die eine Information über die Position der Instrumentenspitze in dem Bewegtbild liefert, besonders vorteilhaft mit der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Schaltelementes kombinieren, das hier als Freigabeelement dient. So ist es möglich, mit der Instrumentenspitze das Bewegtbild dynamisch in jede beliebige Richtung zu führen. Das Bewegtbild folgt dem erkannten Instrument, solange das als Freigabeschalter wirkende Schaltelement gedrückt ist. Somit lässt sich im Unterschied zu herkömmlichen Assistenzeinrichtungen, die in der Regel nur Bewegungen in fest vorgegebenen Richtungen, etwa nach oben oder unten bzw. nach rechts oder links, ermöglichen, beliebige Bewegungsrichtungen realisieren.
Die vorstehend erläuterte Funktion des Schaltelements im Sinne eines im Nachführzustand verwendeten Freigabeschalters lässt sich besonders einfach realisieren, wenn das Schaltmuster, mit dem der Nachführzustand auswählbar ist, aus einem einzigen Zustandswechsel besteht, der aus dem nicht-betätigten Zustand in den betätigten Zustand des Schaltelementes führt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinheit mit dem Zustandswechsel aus dem nicht-betätigten Zustand in den betätigten Zustand des Schaltelementes die kontinuierliche Ansteuerung des Manipulators zum Nachführen des Endoskops startet und diese Ansteuerung mit dem nachfolgenden Zustandswechsel aus dem betätigten Zustand in den nicht-betätigten Zustand des Schaltelementes beendet. Solange der Operateur das Schaltelement gedrückt hält, wird so das Endoskop nachgeführt und der auf dem Sichtgerät dargestellte Bildausschnitt bewegt. Sobald der Operateur das Schaltelement loslässt, stoppt der Bildausschnitt und bleibt ortsfest.
Vorzugsweise ist einer der mit dem Schaltelement auswählbaren Bedienzustände ein Instrumentenauswahlzustand, in dem mit Hilfe des Schaltelementes eines von mehreren medizinischen Instrumenten, die von dem Bildverarbeitungsmodul in dem Bewegtbild erfasst worden sind, als Führungsinstrument auswählbar ist, das in dem Nachführzustand durch Nachführen des Endoskops innerhalb des Bewegtbildes in die festgelegte Referenzposition zu bringen ist. In dieser Ausführungsform lässt sich mit Hilfe des Schaltelementes in einfacher Weise ein Wechsel des Führungsinstrumentes, auf das beim Nachführen des Endoskops Bezug genommen wird, vornehmen.
Vorzugsweise ist eine grafische Benutzerschnittstelle vorgesehen, die für eine dem Bewegtbild überlagerte Darstellung einer von der Steuereinheit übermittelten Steuerinformation auf dem Sichtgerät sorgt. Somit kann dem Operateur eine relevante Steuerinformation unmittelbar auf dem Sichtgerät zur Kenntnis gebracht werden.
Vorzugsweise übermittelt die Steuereinheit in dem Instrumentenauswahlzustand der grafischen Benutzerschnittstelle eine das ausgewählte Führungsinstrument identifizierende Steuerinformation, wobei die grafische Benutzerschnittstelle für eine dem Bewegtbild überlagerte Darstellung einer Markierung sorgt, durch die das Führungsinstrument in dem Bewegtbild markiert ist. Dadurch kann der Operateur beispielsweise darüber in Kenntnis gesetzt werden, welche Instrumentenspitze bei einer Freigabe der Nachführung in der Bildmitte zentriert werden würde. Über die Markierung wird somit angegeben, welches der verwendeten Instrumente aktuell das Führungsinstrument darstellt. Als Markierung, die den Bewegungen des Führungsinstrumentes dynamisch folgt, dient beispielsweise ein rechteckiger Kasten oder eine breite Linie. Vorzugsweise liegt die Markierung über dem distalen Schaftende des Instruments und hat eine dezente, jedoch deutlich sichtbare Farbe. Hierdurch ist das Führungselement eindeutig identifizierbar, ohne den Operateur von seiner eigentlichen Tätigkeit abzulenken. Demgegenüber sollte es eher vermieden werden, die Markierung direkt über die Instrumentenspitze zu legen, damit der Operateur freie Sicht auf die Instrumentenspitze hat.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung übermittelt die Steuereinheit der grafischen Benutzerschnittstelle eine den ausgewählten Bedienzustand identifizierende Steuerinformation, wobei die grafische Benutzerschnittstelle für eine dem Bewegtbild überlagerte Darstellung eines Symbols sorgt, durch das der ausgewählte Bedienzustand in dem Bewegtbild angegeben ist. Der Operateur erhält so eine Rückmeldung, in welchem Bedienzustand sich die Assistenzeinrichtung gerade befindet. Beispielsweise ist denkbar, am Rand des Bewegtbildes Symbole oder Piktogramme anzuzeigen, die sich je nach gewähltem Bedienzustand verändern.
Vorzugsweise ist einer der mit dem Schaltelement auswählbaren Bedienzustände ein erster Zoomzustand, in dem die Steuereinheit den Manipulator derart ansteuert, dass ein Bildausschnitt in dem Bewegtbild vergrößert dargestellt wird, während ein anderer der mit dem Schaltelement auswählbaren Bedienzustände ein zweiter Zoomzustand ist, in dem die Steuereinheit den Manipulator derart ansteuert, dass ein Bildausschnitt in dem Bewegtbild verkleinert dargestellt wird.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zu bildgebenden Unterstützung eines Operateurs während eines chirurgischen Eingriffs vorgesehen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Assistenzeinrichtung;
2 ein Zustandsdiagramm, das die durch Betätigen des Schaltelementes erzeugbaren Bedienzustände zeigt; und
3 eine Tabelle, in der die in dem Ausführungsbeispiel vorgesehenen Bedienzustände näher charakterisiert sind.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Assistenzeinrichtung 10 in einem Blockdiagramm.
Die Assistenzeinrichtung 10 umfasst ein Endoskop 12, das von einem Manipulator 14, der beispielsweise als Roboterarm ausgeführt ist, gehalten wird. Der Manipulator 14 weist mechanische Freiheitsgrade auf, die eine Nachführung des Endoskops 12 ermöglichen.
Das Endoskop 12 enthält einer Kamera 16, die ein Bild der behandelten anatomischen Struktur aufnimmt. Dementsprechend erzeugt sie Bilddaten, die in Form eines Datenstroms an eine Kamerasteuerung 18 ausgegeben werden. Die Kamerasteuerung 18 übermittelt diese Bilddaten einem Sichtgerät 20, z.B. einem Bildschirm, auf dem ein den Bilddaten entsprechendes Bewegtbild der behandelten anatomischen Struktur dargestellt wird.
Die Kamerasteuerung 18 leitet den Bilddatenstrom über in 1 nicht gezeigtes Bilderfassungsmodul, beispielsweise einen sogenannten Framegrabber, einer Steuereinheit 22 zu. Die Steuereinheit 22 enthält ein Bildverarbeitungsmodul 24, das den ihr zugeführten Bilddatenstrom als Eingangssignal nutzt, um eine Instrumentenerkennung durchzuführen. Die Instrumentenerkennung erfolgt in an sich bekannter Weise unter Anwendung von Bildverarbeitungsalgorithmen. Hierbei werden in dem Bewegtbild sichtbare medizinische Instrumente von dem Bildverarbeitungsmodul 24 erkannt und deren Positionen erfasst. Insbesondere ermittelt das Bildverarbeitungsmodul 24 für das jeweils erkannte Instrument eine Positionsabweichung, welche die Spitze dieses Instrumentes gegenüber dem Mittelpunkt des auf dem Bildschirm 20 dargestellten Bewegtbildes aufweist.
Das Bildverarbeitungsmodul 24 gibt die ermittelten Positionsabweichungen der Instrumentenspitzen an eine Bahnsteuerung 26 aus, die daraus Sollwerte zur Ansteuerung des Manipulators 14 ermittelt. Bei Bedarf wird der Manipulator 14 in Abhängigkeit dieser Sollwerte angesteuert, das Endoskop 12 so zu bewegen, dass die Instrumentenspitze eines als Führungsinstrument ausgewählten Instrumentes in die Mitte des Bewegtbildes gebracht wird.
Die Assistenzeinrichtung 10 weist ferner ein Schaltelement 28 auf, das mit einer in der Steuereinheit 22 enthaltenen Schnittstellensteuerung 30 gekoppelt ist. Das Schaltelement 28 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein monostabiler, durch Drücken betätigbarer Taster mit genau zwei Schaltzuständen, nämlich einem betätigten Zustand und eine nicht-betätigten Zustand.
Neben dem Schaltelement 28, das der direkten Steuerung der Assistenzeinrichtung 10 durch den Operateur dient, weist die Assistenzeinrichtung 10 weitere Bedienelemente auf, die in 1 allgemein mit 32 bezeichnet sind. Diese weiteren Bedienelemente dienen der Eingabe von Befehlen, um die Assistenzeinrichtung 10 zu konfigurieren oder Veränderungen an bestimmten Steuerparametern, z.B. Verstellgeschwindigkeiten, vorzunehmen. Sie können in Form eines mobilen Eingabegerätes mit berührungssensitiver Oberfläche, einer Fernbedienung oder eines Bedienpanels ausgeführt sein. Außerdem können sie als Eingabeelemente, z.B. Schalter, an dem Manipulator 14 angeordnet sein.
Ferner enthält die Assistenzeinrichtung 10 eine grafische Benutzerschnittstelle 34, die einerseits mit dem Bildverarbeitungsmodul 24 und der Schnittstellensteuerung 30 und andererseits mit dem Bildschirm 20 gekoppelt ist.
In einem Zustandsdiagramm nach 2 ist beispielhaft veranschaulicht, wie der Operateur mit Hilfe des einzigen Schaltelementes 28 verschiedene Bedienzustände der Assistenzeinrichtung 10 auswählen und die den einzelnen Bedienzuständen zugeordneten Steueroperationen veranlassen kann.
Solange der Operateur das Schaltelement 28 nicht betätigt, befindet sich die Assistenzeinrichtung 10 in einem Grundzustand „0“. In diesem Grundzustand „0“ berechnet die Bahnsteuerung 26 zwar kontinuierlich die zur Ansteuerung des Manipulators 14 vorgesehenen Sollwerte, jedoch erfolgt noch keine Ansteuerung des Manipulators 14 mit diesen Sollwerten.
Soll die Endoskopnachführung freigegeben werden, so muss der Operateur das Schaltelement 28 drücken, wodurch ein Nachführzustand „1“ ausgewählt wird. Solange das Schaltelement 28 gedrückt bleibt („Hold“ in 2), ist der Nachführzustand „1“ aktiviert. Bei aktiviertem Nachführzustand „1“ ist die Endoskopnachführung freigegeben, d.h. die Bahnsteuerung 26 steuert den Manipulator 14 kontinuierlich mit den von ihr ermittelten Sollwerten an. Dementsprechend bewegt der Manipulator 14 das Endoskop 12 so, dass die Instrumentenspitze nachgeführt wird. Durch diese Nachführung bleibt die Instrumentenspitze in dem Bewegtbild, das auf dem Bildschirm 20 dargestellt wird, in der Bildmitte. Die Nachführung wird so lange durchgeführt, bis der Operateur das Schaltelement 28 entlastet, dieses also in seinen nicht-betätigten Zustand wechselt. Unmittelbar nach der Entlastung des Schaltelements 28 kehrt die Assistenzeinrichtung 10 wieder in den Grundzustand „0“ zurück.
Soll ausgehend von dem Grundzustand „0“ ein Bedienzustand „2“ ausgewählt werden, so nimmt der Operateur ein impulsartige Betätigung („Klick“ in 2) des Schaltelementes 28 vor. Der Bedienzustand „2“ ist ein erster Zoomzustand, in dem der Manipulator 4 durch eine weitere Betätigung des Schaltelementes 28 so ansteuerbar ist, dass das Endoskop 12 eine den betrachteten Bildausschnitt verkleinernde Zoombewegung durchführt. Diese Zoombewegung wird tatsächlich jedoch erst dann ausgeführt, wenn der Operateur das Schaltelement 28 nochmals betätigt und gedrückt hält. In diesem Fall wird eine dem Bedienzustand „2“ zugeordnete Steueroperation „2a“ durchgeführt, durch welche die Zoombewegung veranlasst wird. Solange das Schaltelement 28 gedrückt bleibt, erfolgt eine kontinuierliche die Zoombewegung des Endoskops 12.
Entlastet der Operateur das Schaltelement 28, so wird die Steueroperation „2a“ beendet. Bleibt anschließend das Schaltelement 28 während einer vorbestimmten Zeitspanne (z.B. 2 Sekunden) unbetätigt, d.h. findet eine Zeitüberschreitung („Timeout“ in 2) ohne jegliche Betätigung des Schaltelementes 28 statt, so kehrt die Zustandseinrichtung 10 in den Grundzustand „0“ zurück.
Nimmt dagegen der Operateur innerhalb der vorstehend genannten Zeitspanne eine impulsartige Einmalbetätigung des Schaltelementes 28 vor, so wechselt die Assistenzeinrichtung 10 aus dem Bedienzustand „2“ in einen Bedienzustand „3“.
Der Bedienzustand „3“ ist ein zweiter Zoomzustand, der eine Zoombewegung des Endoskops 12 ermöglicht, durch die der betrachtete Bildausschnitt vergrößert wird. Diese Zoombewegung des Endoskops 12 wird jedoch erst dann ausgeführt, wenn der Operateur das Schaltelement 28 nochmals betätigt und gedrückt hält. In diesem Fall wird eine dem Bedienzustand „3“ zugeordnete Steueroperation „3a“ durchgeführt, durch welche die Zoombewegung veranlasst wird. Solange das Schaltelement 28 gedrückt bleibt, erfolgt eine kontinuierliche die Zoombewegung des Endoskops 12.
Entlastet der Operateur das Schaltelement und bleibt Letzteres anschließend während einer vorbestimmten Zeitspanne (z.B. 2 Sekunden) unbelastet, so kehrt die Assistenzeinrichtung 10 in den Grundzustand „0“ zurück.
Nimmt dagegen der Operateur innerhalb der vorbestehend genannten Zeitspanne eine impulsartige Einmalbetätigung des Schaltelementes 28 vor, so wechselt die Assistenzeinrichtung 10 aus dem Bedienzustand „3“ in einen Bedienzustand „4“.
Der Bedienzustand „4“ ermöglicht einen Wechsel des in dem Bewegtbild dargestellten Führungsinstrumentes, auf das in der Endoskopnachführung Bezug genommen wird. Dieser Wechsel des Führungsinstrumentes wird jedoch erst dann ausgeführt, wenn der Operateur das Schaltelement 28 nochmals betätigt und gedrückt hält. In diesem Fall wird eine dem Bedienzustand „4“ zugeordnete Steueroperation „4a“ durchgeführt, die den Wechsel des Führungsinstrumentes veranlasst.
Während der Operateur das Schaltelement 28 gedrückt hält, wird das in dem Bewegtbild sichtbare Führungsinstrument mit einer Markierung versehen. Nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne (z.B. 1 Sekunde) wechselt die Markierung zu dem jeweils nächsten erkannten Instrument. Möchte der Operateur ein bestimmtes Instrument als Führungsinstrument auswählen, so hält er das Schaltelement 28 solange gedrückt, bis die Markierung auf dieses Instrument wechselt. Sobald dies geschehen ist, entlastet der Operateur das Schaltelement 28. Bleibt das Schaltelement 28 anschließend während einer vorbestimmten Zeitspanne (z.B. 2 Sekunden) unbelastet, so kehrt die Assistenzeinrichtung selbsttätig 10 in den Grundzustand „0“ zurück. Nimmt dagegen der Operateur innerhalb dieser Zeitspanne ein impulsartige Einmalbetätigung des Schaltelementes 28 vor, so erzwingt er damit den Wechsel in den Grundzustand „0“.
Wie das Zustandsdiagramm nach 2 zeigt, bilden die Betätigungen, die der Operateur an dem Schaltelement 28 zur Auswahl der einzelnen Bedienzustände vornimmt, vorbestimmte Schaltmuster, die allein auf Grundlage der beiden Schaltzustände des Schaltelementes 28, nämlich des betätigten Zustands und des nicht-betätigten Zustands, realisiert sind. Dadurch ist die Bedienung der Assistenzeinrichtung einfach und intuitiv.
Die vorstehend genannten Schaltmuster sind für das beschriebene Ausführungsbeispiel noch einmal in der Tabelle nach 3 zusammengefasst. Dort sind für die einzelnen Bedienzustände zudem Symbole angegeben, die am Rand des Bewegtbildes angezeigt werden, um den Operateur über den gerade gewählten Bedienzustand in Kenntnis zu setzen. Hierzu empfängt die in 1 gezeigte grafische Benutzerschnittstelle 34 von der mit dem Schaltelement 28 gekoppelten Schnittstellensteuerung 30 Informationen über die aktuellen Schaltmuster, mit denen das Schaltelement 28 beaufschlagt worden ist. Ferner empfängt die grafische Benutzerschnittstelle 34 weitere Informationen über die aktuellen Bedienzustände der weiteren Bedienelemente 32. Die grafische Benutzerschnittstelle 34 sorgt dann dafür, dass diese Informationen dem auf dem Bildschirm 20 dargestellten Bewegtbild überlagert werden.
Es versteht sich von selbst, dass die vorstehend beschriebene Ausführungsform rein beispielhaft zu verstehen ist. So kann die vorstehend erläuterte Belegung der Bedienzustände in ihrer Reihenfolge je nach Bedarf, Wichtigkeit und Anwenderwunsch angepasst werden.
Das vorgestellte Bedienkonzept kann auch um zusätzliche Bedienzustände erweitert werden, um auch andere Steueroperationen über das Schaltelement 28 auslösen zu können. Auch ist es möglich, Zoom- und Nachführbewegungen miteinander zu kombinieren. So ist es beispielsweise denkbar, dass bei einer Freigabe einer der beiden Zoomzustände gleichzeitig die Spitze des Führungsinstrumentes in der Bildmitte zentriert wird.
Bezugszeichenliste

10: Assistenzeinrichtung
12: Endoskop
14: Manipulator
16: Kamera
18: Kamerasteuerung
20: Bildschirm
22: Steuereinheit
24: Bildverarbeitungsmodul
26: Bahnsteuerung
28: Schaltelement
30: Schnittstellensteuerung
32: weitere Bedienelemente
34: grafische Benutzerschnittstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2169348 B8 [0006]
EP 2052675 A1 [0006]
US 20090112056 A1 [0006]
EP 0761177 B1 [0006]
US 5766126 A [0006]
US 6932089 B1 [0007]
US 2006/0100501 A1 [0007]
US 2011/0257475 A [0007]
US 6820545 A1 [0008]
DE 19529950 C1 [0008]
EP 1937177 B1 [0009]
DE 19961971 B4 [0010]

Claims

Assistenzeinrichtung (10) zur bildgebenden Unterstützung eines Operateurs während eines chirurgischen Eingriffs, umfassend: ein Endoskop (12) mit einer Kamera (16) zum Erzeugen von Bilddaten; ein Sichtgerät (20) zum Darstellen eines Bewegtbildes auf Grundlage der von der Kamera (16) erzeugten Bilddaten; einen mit dem Endoskop (12) gekoppelten Manipulator (14) zum Bewegen des Endoskops (12); und eine Steuereinheit (22) zum wahlweisen Ansteuern des Manipulators (14) entsprechend einem von mehreren Bedienzuständen derart, dass das dargestellte Bewegtbild durch Bewegen des Endoskops (12) entsprechend dem jeweils gewählten Bedienzustand beeinflussbar ist; gekennzeichnet durch ein mit der Steuereinheit (22) gekoppeltes Bedienelement zum Auswählen des jeweiligen Bedienzustands, wobei das Bedienelement aus einem einzigen Schaltelement (28) mit genau zwei Schaltzuständen gebildet ist, von denen ein Schaltzustand ein betätigter Zustand und der andere Schaltzustand ein nicht-betätigter Zustand ist; und auf Grundlage der beiden möglichen Schaltzustände des Schaltelementes (28) den Bedienzuständen voneinander unterscheidbare Schaltmuster zugeordnet sind, die mit Hilfe des Schaltelementes (28) generierbar sind.
Assistenzeinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens einen der durch die Schaltmuster auswählbaren Bedienzustände eine vordefinierte Ansteueroperation der Steuereinheit (22) zur bedienzustandsspezifischen Bewegung des Endoskops (12) vorgesehen ist; und die Steuereinheit (22) nach Auswahl dieses Bedienzustands die zugehörige Ansteueroperation kontinuierlich durchführt, während sich das Schaltelement (28) in dem betätigten Zustand befindet.
Assistenzeinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) nach Auswahl des Bedienzustands in einen Grundzustand wechselt, wenn sich das Schaltelement (28) länger als eine vorbestimmte Zeit in dem nicht-betätigten Zustand befindet.
Assistenzeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltmuster jeweils mindestens eine impulsartige Einmalbetätigung des Schaltelementes (28) und/oder mindestens eine über eine gewisse Betätigungszeit andauernde Betätigung des Schaltelementes (28) beinhalten.
Assistenzeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest einem Teil der Bedienzustände zugeordneten Schaltmuster sukzessive aufeinander aufbauend konfiguriert sind, wodurch die zugehörigen Bedienzustände mit Hilfe des Schaltelementes (28) in einer vorbestimmten Reihenfolge nacheinander auswählbar sind.
Assistenzeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) ein Bildverarbeitungsmodul (24) enthält, das auf Grundlage der von der Kamera (16) erzeugten Bilddaten mindestens ein medizinisches Instrument in dem dargestellten Bewegtbild erfasst und eine Positionsabweichung des medizinischen Instrumentes gegenüber einer innerhalb des dargestellten Bewegtbildes festgelegten Referenzposition ermittelt; und einer der mit dem Schaltelement (28) auswählbaren Bedienzustände ein Nachführzustand ist, in dem die Steuereinheit (22) an Hand der Positionsabweichung einen Sollwert ermittelt und den Manipulator (14) in Abhängigkeit dieses Sollwertes derart ansteuert, dass das in dem dargestellten Bewegtbild erfasste medizinische Instrument durch Nachführen des Endoskops (12) in die festgelegte Referenzposition gebracht wird.
Assistenzeinrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bildverarbeitungsmodul (24) eine Spitze des medizinische Instrumentes erfasst und die Positionsabweichung dieser Spitze ermittelt.
Assistenzeinrichtung (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltmuster, mit dem der Nachführzustand auswählbar ist, aus einem einzigen Zustandswechsel aus dem nicht-betätigten Zustand in den betätigten Zustand des Schaltelementes (28) besteht.
Assistenzeinrichtung (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) mit dem Zustandswechsel aus dem nicht-betätigten Zustand in den betätigten Zustand des Schaltelementes (28) die kontinuierliche Ansteuerung des Manipulators (14) zum Nachführen des Endoskops (12) startet und diese Ansteuerung mit einem nachfolgenden Zustandswechsel aus dem betätigten Zustand in den nicht-betätigten Zustand des Schaltelementes (28) beendet.
Assistenzeinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass einer der mit dem Schaltelement (28) auswählbaren Bedienzustände ein Instrumentenauswahlzustand ist, in dem mit Hilfe des Schaltelementes (28) eines von mehreren medizinischen Instrumenten, die von dem Bildverarbeitungsmodul (24) in dem Bewegtbild erfasst worden sind, als Führungsinstrument auswählbar ist, das in dem Nachführzustand durch Nachführen des Endoskops (12) innerhalb des Bewegtbildes in die festgelegte Referenzposition zu bringen ist.
Assistenzeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine grafische Benutzerschnittstelle (34), die für eine dem Bewegtbild überlagerte Darstellung einer von der Steuereinheit (22) übermittelten Steuerinformation auf dem Sichtgerät (20) sorgt.
Assistenzeinrichtung (10) nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) in dem Instrumentenauswahlzustand der grafischen Benutzerschnittstelle (34) eine das ausgewählte Führungsinstrument identifizierende Steuerinformation übermittelt; und die grafische Benutzerschnittstelle (34) für eine dem Bewegtbild überlagerte Darstellung einer Markierung sorgt, durch die das Führungsinstrument in dem Bewegtbild markiert ist.
Assistenzeinrichtung (10) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (22) der grafischen Benutzerschnittstelle (34) eine den ausgewählten Bedienzustand identifizierende Steuerinformation übermittelt; und die grafische Benutzerschnittstelle (34) für eine dem Bewegtbild überlagerte Darstellung eines Symbols sorgt, durch das der ausgewählte Bedienzustand in dem Bewegtbild angegeben ist.
Assistenzeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der mit dem Schaltelement (28) auswählbaren Bedienzustände ein erster Zoomzustand ist, in dem die Steuereinheit (22) den Manipulator (14) derart ansteuert, dass ein Bildausschnitt in dem Bewegtbild verkleinert dargestellt wird; und ein anderer der mit dem Schaltelement (28) auswählbaren Bedienzustände ein zweiter Zoomzustand ist, in dem die Steuereinheit (22) den Manipulator (14) derart ansteuert, dass ein Bildausschnitt in dem Bewegtbild vergrößert dargestellt wird.
Verfahren zur bildgebenden Unterstützung eines Operateurs während eines chirurgischen Eingriffs, umfassend folgende Schritte: Erzeugen von Bilddaten mittels einer in einem Endoskop (12) enthaltenen Kamera (16); Darstellen eines Bewegtbildes auf Grundlage der von der Kamera (16) erzeugten Bilddaten auf einem Sichtgerät (20); und wahlweises Ansteuern eines mit dem Endoskop (12) gekoppelten Manipulators (14) entsprechend einem von mehreren Bedienzuständen derart, dass das dargestellte Bewegtbild durch Bewegen des Endoskops (12) entsprechend dem jeweils gewählten Bedienzustand beeinflussbar ist; dadurch gekennzeichnet, dass zum Auswählen des jeweiligen Bedienzustands ein mit der Steuereinheit (22) gekoppeltes Bedienelementes vorgesehen wird; als Bedienelement ein einziges Schaltelement (28) mit genau zwei Schaltzuständen verwendet wird, von denen ein Schaltzustand ein betätigter Zustand und der andere Schaltzustand ein nicht-betätigter Zustand ist; auf Grundlage der beiden möglichen Schaltzustände des Schaltelementes (28) den Bedienzuständen voneinander unterscheidbare Schaltmuster zugeordnet werden, die mit Hilfe des Schaltelementes (28) generierbar sind; und der jeweilige Bedienzustand ausgewählt wird, indem das diesem Bedienzustand zugeordnete Schaltmuster mit Hilfe des Schaltelementes (28) generiert wird.