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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Positionieren eines Endeffektors eines chirurgischen Instruments sowie ein chirurgisches Instrument mit einem integrierten Manipulator.
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Chirurgische Eingriffe am menschlichen Körper werden heute in zunehmendem Maße in minimal invasiven Verfahren mit Unterstützung von Chirurgie-Robotern durchgeführt. Je nach Art des Eingriffs können die Chirurgie-Roboter mit verschiedenen chirurgischen Instrumenten, wie zum Beispiel Endoskopen, Schneid-, Greif- oder Nähinstrumenten bestückt sind. Bei einer Operation werden die Instrumente mittels eines oder mehrerer Roboter über eine Schleuse in den Körper des Patienten eingeführt. Während der Operation wird das chirurgische Instrument dann von einem Chirurgen über eine Eingabevorrichtung des Robotersystems, wie zum Beispiel über Joysticks oder mittels Gestensteuerung, gesteuert.
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Für den chirurgischen Einsatz werden heute verschiedenste Instrumente verwendet, wie zum Beispiel Endoskope, laparoskopische Instrumente, Schneid-, Greif-, Halte-, Verbinde- oder Nähinstrumente sowie andere chirurgische Werkezeuge. Am distalen Ende der chirurgischen Instrumente bzw. Werkzeuge befindet sich der eigentliche Endeffektor, wie zum Beispiel ein Skalpell, eine Schere, eine Nadel, ein Schaber, eine Feile, ein Greifer, etc.. Die aus dem Stand der Technik bekannten chirurgischen Instrumente werden üblicherweise mittels eines Seilantriebs betätigt.
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1 zeigt das distale Ende eines aus der
US 6,312,435 bekannten chirurgischen Instruments
1, das für die robotergestützte minimal invasive Chirurgie ausgelegt ist. Das Instrument
1 umfasst einen Schaft
3, der sich in einer Längsrichtung L erstreckt und an dessen distalem Ende der eigentliche Endeffektor
5, im vorliegenden Fall eine so genannte Pott´sche Schere, schwenkbar befestigt ist. Die Schere umfasst zwei Scherenblätter, die um die Achse A1 auf- und zubewegt werden können. Der gesamte Endeffektor
5 kann darüber hinaus um eine quer zur Achse A1 verlaufende Schwenkachse A2 geschwenkt werden. Das chirurgische Instrument
1 kann ferner um seine Längsachse L rotiert werden. Bei dieser Ausführungsform werden die einzelnen Gelenke jeweils mit Hilfe eines Seilantriebs (nicht gezeigt) bewegt. Der Aufbau- und Antriebsmechanismus eines solchen chirurgischen Instruments sind jedoch relativ aufwendig und kompliziert.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein chirurgisches Instrument zu schaffen, das deutlich einfacher aufgebaut ist als bekannte chirurgische Instrumente mit Seilantrieb. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Positionieren eines Endeffektors eines chirurgischen Instruments zu schaffen, die einfach aufgebaut und mit elektromotorischen Antrieben betätigbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die in den unabhängigen Patentansprüchen angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Positionieren eines Endeffektors eines chirurgischen Instruments vorgeschlagen, die ein erstes rotierbares Element, das um eine erste Rotationsachse drehbar angeordnet ist, sowie ein zweites rotierbares Element, das um eine zweite Rotationsachse drehbar angeordnet ist, umfasst. Die erfindungsgemäße Positioniervorrichtung enthält ferner eine erste Antriebseinheit zum Antreiben des ersten rotierbaren Elements und eine zweite Antriebseinheit zum Antreiben des zweiten rotierbaren Elements. Gemäß der Erfindung sind die erste und zweite Rotationsachse derart angeordnet, dass sie schräg zueinander verlaufen. Der Begriff „schräg“ bedeutet dabei, dass die beiden Rotationsachsen weder quer zueinander stehen noch parallel zueinander verlaufen, der zwischen den Rotationsachsen eingeschlossene Winkel also größer als 0 Grad und ungleich 90 Grad ist. Durch die schräge Anordnung der Rotationsachsen ist es möglich, die rotierbaren Elemente jeweils mit Hilfe eines Elektromotors direkt anzutreiben, ohne die Drehbewegung des Elektromotors über einen Seilmechanismus auf die Schwenkachsen umlenken zu müssen. Die erfindungsgemäße Positioniervorrichtung ist somit deutlich einfacher aufgebaut als entsprechende Vorrichtungen mit Seilantrieb.
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Die erfindungsgemäße Positioniervorrichtung (im Folgenden auch als Manipulator bezeichnet) ist vorzugsweise Teil eines Schafts eines chirurgischen Instruments. Der Manipulator umfasst vorzugsweise Mittel zum lösbaren Befestigen am Schaft eines chirurgischen Instruments. Dadurch wird es möglich, den Manipulator bei Bedarf auszutauschen oder zur warten. Zur Befestigung des Manipulators an einem chirurgischen Instrument kann beispielsweise eine Schraub- oder Steckverbindung vorgesehen sein, die gegebenenfalls Rastmittel aufweisen kann. Der Manipulator kann aber auch fest mit dem Schaft verbunden sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung verläuft die erste Rotationsachse in Längsrichtung eines Schaftes eines chirurgischen Instruments und die zweite Rotationsachse schräg zur Längsrichtung. In diesem Fall kann der gesamte Manipulator um den Schaft des chirurgischen Instruments rotieren, und der Endeffektor ferner um einen vorgegebenen Winkel gegenüber der Längsachse geschwenkt werden.
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Vorzugsweise ist das erste rotierbare Element proximal, und das zweite rotierbare Element distal angrenzend an das erste Element am distalen Ende eines Schafts eines chirurgischen Instruments angeordnet. Eine umgekehrte Anordnung ist ebenfalls möglich.
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Das zweite rotierbare Element ist vorzugsweise so angeordnet, dass seine Längsachse, wenn sich der Manipulator in einem gestreckten Zustand befindet, mit der Längsachse des Schafts eines chirurgischen Instruments fluchtet. Die Rotationsachse und die Längsachse des zweiten rotierbaren Elements verlaufen dagegen schräg zueinander. Bei einem rotierenden Antrieb des zweiten Elements führt das distale Ende des zweiten Elements daher eine Kreisbewegung aus.
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Eine erfindungsgemäße Antriebseinheit umfasst vorzugsweise einen Elektromotor, der eine Welle rotierend antreibt. Gegebenenfalls kann auch ein Getriebe vorgesehen sein, mit dem die Rotation der Welle auf eine zweite Welle, z. B. eine Ausgangswelle, übertragen wird.
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Die Drehbewegung der vom Elektromotor angetriebenen Welle (Ausgangswelle) wird mittels einer Einrichtung zur Drehmomentenübertragung vorzugsweise direkt auf ein benachbartes Element übertragen. Hierzu kann z. B. eine kraftschlüssige oder formschlüssige Verbindung, wie zum Beispiel eine Welle-Nabe-Verbindung, vorgesehen sein. Die Welle oder ein daran befestigtes Element steht vorzugsweise direkt mit dem benachbarten Element in Eingriff.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Manipulator genau zwei rotierbare Elemente. Eines davon rotiert vorzugsweise um die Längsachse des chirurgischen Instruments, das andere um eine schräg dazu verlaufende Achse.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Manipulator genau drei rotierbare Elemente. Das erste und zweite rotierbare Element können wir vorstehend beschrieben angeordnet sein. Das dritte rotierbare Element ist in Reihe zu den beiden anderen Elementen angeordnet und rotiert um eine dritte Rotationsachse. Hierzu wird es von einer dritten Antriebseinheit angetrieben. Die dritte Rotationsachse verläuft vorzugsweise schräg zur ersten Rotationsachse. Eine solche Ausführungsform eines Manipulators mit drei rotierbaren Elementen hat den Vorteil, dass das distale Ende des Manipulators relativ zum proximalen Ende des Manipulators um das zweifache der Summe der beiden Winkel, mit denen die zweite und dritte Rotationsachse gegenüber der ersten Rotationsachse geneigt sind, verstellt werden kann. Wenn beispielsweise die zweite und dritte Rotationsachse jeweils um 22,5 Grad gegenüber der ersten Rotationsachse bzw. Längsachse geneigt ist, kann das distale Ende des Manipulators um bis zu 90 Grad (2 × (22,5 Grad + 22,5 Grad)) abgewinkelt werden.
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Das zweite rotierbare Element ist vorzugsweise zwischen dem ersten rotierbaren Element und dem dritten rotierbaren Element angeordnet und mit den beiden rotierbaren Elementen jeweils drehbar verbunden.
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Das dritte rotierbare Element ist vorzugsweise so angeordnet, dass seine Längsachse, wenn sich der Manipulator in einem gestreckten Zustand befindet, mit der Längsachse des Schafts eines chirurgischen Instruments fluchtet. Die Rotationsachse und die Längsachse des dritten rotierbaren Elements verlaufen dagegen schräg zueinander.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform sind die zweite und dritte Rotationsachse unter dem gleichen Winkel gegenüber der ersten Rotationsachse geneigt. Dies hat den Vorteil, dass der Manipulator symmetrisch aufgebaut ist und somit die vom Endeffektor ausgeführte Schwenkbewegung einfacher zu steuern ist.
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Gemäß einer ersten Variante der zweiten Ausführungsform ist im zweiten rotierbaren Element keine Antriebseinheit integriert. Dagegen umfassen das erste und das dritte rotierbare Element vorzugsweise jeweils wenigstens eine Antriebseinheit.
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Der Antriebsmechanismus zwischen dem zweiten rotierbaren Element und dem benachbarten ersten bzw. dritten rotierbaren Element umfasst vorzugsweise jeweils ein Kegelradgetriebe, mit dem eine rotierende Antriebsbewegung eines Elektromotors auf das jeweils andere Element übertragen werden kann.
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Eine zweite Variante der zweiten Ausführungsform umfasst ebenfalls drei aneinander angrenzende rotierbare Elemente, wie vorstehend beschrieben wurde. Bei dieser Variante sind im zweiten rotierbaren Element jedoch zwei Antriebseinheiten integriert, mit denen das jeweils benachbarte erste bzw. dritte rotierbare Element angetrieben wird. Im dritten rotierbaren Element befindet sich vorzugsweise keine Antriebseinheit.
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Gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung kann der erfindungsgemäße Manipulator auch mehr als drei rotierbare Elemente umfassen. So können beispielsweise am distalen Ende der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ein oder mehrere weitere rotierbare Elemente vorgesehen sein. Am distalen Ende des dritten rotierbaren Elements kann beispielsweise ein viertes rotierbares Element vorgesehen sein, dessen Rotationsachse schräg zur ersten Rotationsachse bzw. seiner Längsachse verläuft. Danach können weitere rotierbare Elemente folgen, deren Rotationsachsen vorzugsweise jeweils schräg verlaufen. Es könnten aber auch ein oder mehrere rotierbare Elemente zwischengeschaltet sein, deren Rotationsachsen in Längsrichtung des Schafts eines chirurgischen Elements verlaufen. Ferner kann in einem rotierbaren Element, vorzugsweise im distal letzten rotierbaren Element, ein Antrieb des Endeffektors integriert werden.
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Die zugehörigen Antriebseinheiten zum Antreiben der weiteren rotierbaren Elemente können prinzipiell wieder in dem rotierbaren Element selbst oder in einem benachbarten Element angeordnet sein.
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Der Winkel zwischen zwei schräg zueinander verlaufenden Rotationsachsen kann z. B. zwischen 10 Grad und 45 Grad, und insbesondere 22,5 Grad betragen.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung kann der Manipulator derart ausgelegt sein, dass sich die erste, zweite und dritte Rotationsachse in einem Punkt schneiden.
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Gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung umfassen die rotierbaren Elemente einen durchgehenden Kanal, durch den ein Medium, wie z. B. Luft oder eine Spülflüssigkeit bis zum Endeffektor des chirurgischen Instrument hindurch geleitet werden kann. Der Kanal kann beispielsweise im Inneren einer vom Elektromotor angetriebenen Welle verlaufen. Die angetriebene Welle ist in diesem Fall innen hohl. Durch den Kanal können aber auch Kabel/Lichtleiter durchgefädelt werden, die Steuersignale und / oder elektrischen Strom zur Versorgung der Elektromotoren übertragen.
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Eine besonders einfache Konstruktion eines erfindungsgemäßen Manipulators ergibt sich, wenn wenigstens zwei der rotierbaren Elemente identisch aufgebaut sind. Eine Vereinfachung der Konstruktion ergibt sich auch, wenn wenigstens zwei der Antriebseinheiten identisch aufgebaut sind.
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Die Erfindung betrifft auch ein chirurgisches Instrument mit einem Schaft, der sich in Längsrichtung des chirurgischen Instruments erstreckt, wobei am Schaft ein Manipulator zum Positionieren des Endeffektors gemäß einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen vorgesehen ist.
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Um einen erfindungsgemäßen Manipulator am Schaftende eines chirurgischen Instruments befestigen zu können, umfasst der Manipulator an seinem proximalen Ende vorzugsweise geeignete Befestigungsmittel. Die Befestigungsmittel können z. B. eine bekannte Schraub- oder Steckverbindung umfassen, die gegebenenfalls eine Rastverbindung aufweisen kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes chirurgisches Instrument;
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2 ein chirurgisches Instrument mit einem integrierten Manipulator zum Positionieren eines Endeffektors;
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3 einen Manipulator zum Positionieren eines Endeffektors eines chirurgischen Instruments gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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4 einen Manipulator zum Positionieren eines Endeffektors eines chirurgischen Instruments gemäß einer ersten Variante einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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5 eine Schnittansicht des Manipulators von 4 in einem gestreckten Zustand;
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6 eine Schnittansicht des Manipulators von 4 in einem abgewinkelten Zustand;
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7 eine Schnittansicht eines rotierbaren Elements mit einer integrierten Antriebseinheit;
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8 eine Außenansicht des rotierbaren Elements von 7;
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9 einen Chirurgieroboter mit einem daran befestigten chirurgischen Instrument mit einem Manipulator zum Positionieren des Endeffektors des chirurgischen Instruments;
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10 einen Manipulator zum Positionieren des Endeffektors des chirurgischen Instruments gemäß einer zweiten Variante der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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11 eine Schnittansicht des Manipulators von 10 in einem gestreckten Zustand; und
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12 eine Schnittansicht des Manipulators von 10 in einem abgewinkelten Zustand.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Bezüglich der Erläuterung von 1 wird auf die Beschreibungseinleitung verwiesen.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines chirurgischen Instruments 1 für die minimal invasive Chirurgie, das zur Befestigung an einem Chirurgieroboter vorgesehen ist, wie er z. B. in 9 dargestellt ist. Das chirurgische Instrument 1 umfasst an seinem proximalen Ende (im Bild rechts dargestellt) eine Befestigungseinrichtung 2, mit der es an einem Chirurgieroboter 50 oder einem Instrumentenhalter befestigt werden kann.
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Das chirurgische Instrument 1 umfasst ferner einen in einer Längsrichtung L verlaufenden Schaft 3, an dessen distalem Ende (im Bild links dargestellt) ein Manipulator 4 zur Betätigung eines Endeffektors 5 befestigt ist. Das chirurgische Instrument 1 kann z. B. ein Greif-, Halte-, Schneid-, Säge-, Schleif; Verbinde- oder Fügeinstrument, oder ein anderes chirurgisches Werkzeug bzw. Instrument sein. Der Endeffektor 5 des chirurgischen Instruments 1 kann entsprechend als Skalpell, Schere, Zange, Trokar, etc. ausgebildet sein. Auch der Einsatz von optischen sowie bildverarbeitenden Werkzeugen, wie z. B. Leuchten, Laparoskopen oder Kameras ist möglich.
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Der Manipulator 4 zum Positionieren des Endeffektors 5 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel die Elemente 7, 8, 9 und 10, die im Folgenden noch genauer vorgestellt werden.
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3 zeigt einen Manipulator 4 zum Positionieren des Endeffektors 5 eines chirurgischen Instruments 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der dargestellte Manipulator 4 umfasst an seinem proximalen Ende 23 (im Bild unten) ein Element 7, das am Schaft 3 eines chirurgischen Instruments 1 befestigt werden kann. Zum Zwecke der Befestigung kann z. B. eine Schraub-, Steck- oder Rastverbindung, oder jeder andere bekannte Verbindungsmechanismus vorgesehen sein.
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Distal an das Element 7 angrenzend folgen ein erstes rotierbares Element 8 und ein zweites rotierbares Element 9. Am distalen Ende 24 des Manipulators 4 sind Mittel zum lösbaren Befestigen eines Endeffektors 5 vorgesehen. Der Endeffektor 5 könnte jedoch auch fest am zweiten rotierbaren Element 9 montiert sein.
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Das erste rotierbare Element 8 ist um eine Rotationsachse 11 rotierbar, die in Richtung der Längsachse L des Schafts 3 des chirurgischen Instruments 1 verläuft. Das zweite rotierbare Element 9 ist dagegen um eine zweite Rotationsachse 12 rotierbar, die gegenüber der ersten Rotationsachse 11 geneigt ist. Der zwischen den Rotationsachsen 11, 12 eingeschlossene Winkel kann z. B. 45 Grad betragen, er kann aber auch größer oder kleiner sein. Bei einem Winkel von 45 Grad kann das zweite rotierbare Element 9 um Winkel von bis zu 90 Grad gegenüber der ersten Rotationsachse 11 bzw. Längsachse L abgewinkelt werden. Die Größe des Winkels ist auf den speziellen Anwendungsfall auszulegen.
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Der dargestellte Manipulator 4 umfasst ferner eine erste elektromotorische Antriebseinheit 30a zum Antreiben des ersten rotierbaren Elements 8, und eine zweite elektromotorische Antriebseinheit 30b zum Antreiben des zweiten rotierbaren Elements 9 (siehe 5). Eine Antriebseinheit kann grundsätzlich in dem rotierbaren Element, das von der Antriebseinheit angetrieben wird, oder in einem benachbarten Element 7–10 integriert sein. So kann bei dem Manipulator 4 von 3z. B. die erste Antriebseinheit 30a für das erste rotierbare Element 8 im Element 7, und die Antriebseinheit 30b für das zweite rotierbare Element 9 im Element 9 integriert sein. Alternativ könnte aber auch das erste rotierbare Element 8 zwei Antriebseinheiten 30a, 30b aufweisen, die das erste rotierbare Element 8 und das zweite rotierbare Element 9 antreiben. Alternativ könnte auch die erste Antriebseinheit 30a für das erste rotierbare Element 8 im Element 7 und die Antriebseinheit 30b für das zweite rotierbare Element 9 im Element 8 integriert sein.
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Das Element 7 könnte auch den Schaft 3 eines chirurgischen Instruments 1 darstellen. In diesem Fall wäre das erste rotierbare Element 8 vorzugsweise so ausgelegt, dass der Manipulator 4 am distalen Ende des Schafts 3 befestigt werden kann. Der Manipulator 4 könnte aber auch fest am Schaft 3 montiert sein.
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4 zeigt eine erste Variante einer zweiten Ausführungsform eines Manipulators 4 zum Positionieren eines Endeffektors 5 eines chirurgischen Instruments 1. Der Manipulator 4 umfasst an seinem proximalen Ende 23 wiederum ein Element 7, mittels dessen der Manipulator 4 am Schaft 3 eines chirurgischen Instruments 1 befestigt werden kann. In distaler Richtung folgen drei rotierbare Elemente 8–10. Das Element 7 ist nicht gegenüber dem Schaft 3 rotierbar.
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Das distal an das Element 7 anschließende erste rotierbare Element 8 ist um eine erste Rotationsachse 11 rotierbar, die in Längsrichtung L des Schafts 3 verläuft. Das distal anschließende zweite rotierbare Element 9 ist um eine zweite Rotationsachse 12 drehbar, die gegenüber der ersten Rotationsachse 11 um einen Winkel α geneigt ist. Das distal angrenzende dritte rotierbare Element 10 ist um eine dritte Rotationsachse 13 drehbar, die gegenüber der ersten Rotationsachse 11 um einen Winkel β geneigt ist. Die Winkel α und β sind vorzugsweise gleich groß, können aber auch unterschiedlich groß sein.
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Die einzelnen rotierbaren Elemente 8, 9 und 10 werden jeweils von einer zugehörigen Antriebseinheit 30a, 30b und 30c (siehe 5) rotierend angetrieben. Die einzelnen Antriebseinheiten 30a, 30b und 30c können prinzipiell wiederum jeweils in den zugehörigen Elementen 8, 9 und 10 oder in einem jeweils benachbarten Element 7–10 integriert sein. Auch die Integration mehrerer Antriebseinheiten 30a–c in ein Element 7–10 ist möglich.
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Durch Drehen des zweiten und dritten rotierbaren Elements 9, 10 um ihre Rotationsachsen 12, 13 kann das distale Ende 24 des Manipulators 4 um einen bestimmten Winkel gegenüber der Längsachse L abgewinkelt werden, wie in 6 dargestellt ist. Dieser Winkel γ entspricht dem doppelten der Summe beider Winkel α und β. Es gilt somit: γ = 2·(α + β). Falls die Winkel α und β jeweils 22,5° betragen, kann das distale Ende 24 des Manipulators 4 um bis zu 90° ausgelenkt werden (90° = 2·(22,5° + 22,5°)). Je nach Auslegung der Rotationsachsen können natürlich auch größere oder kleinere Winkel erreicht werden.
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5 zeigt eine Schnittansicht des Manipulators 4 von 4 in einem gestreckten Zustand. Im proximalen Element 7 ist eine erste Antriebseinheit 30a zum Antreiben des ersten rotierbaren Elements 8 integriert. Wenn die erste Antriebseinheit 30a betätigt wird, dreht sich das erste rotierbare Element 8 um die erste Rotationsachse 11, im vorliegenden Fall die Längsachse L des Schafts 3.
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Im ersten rotierbaren Element 8 ist eine zweite Antriebseinheit 30b integriert, die zum Antreiben des zweiten rotierbaren Elements 9 dient. Durch Betätigen der zweiten Antriebseinheit 30b rotiert das zweite rotierbare Element 9 um die zweite Rotationsachse 12. Eine dritte Antriebseinheit 30c ist im dritten rotierbaren Element 10 untergebracht. Bei einer Betätigung der dritten Antriebseinheit 30c rotiert das dritte rotierbare Element 10 um die dritte Rotationsachse 13. Im zweiten rotierbaren Element 9 ist bei dieser Variante keine Antriebseinheit vorgesehen.
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Wie zu sehen ist, sind die einzelnen Antriebseinheiten 30a–30c alle identisch aufgebaut.
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7 zeigt eine vergrößerte Detailansicht eines der Elemente 7–10 mit einer integrierten Antriebseinheit 30. Die Antriebseinheit 30 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel einen Elektromotor bestehend aus einem Stator 32 und einem Rotor 33, der eine Welle 36 rotierend antreibt. Die Welle 36 ist dabei mit zwei Kugellagern 37, 38 in einem Gehäuse 35 der Antriebseinheit 30 drehbar gelagert. Die Antriebseinheit 30 umfasst ferner ein Getriebe 39, das die von der Welle 36 ausgeführte Drehbewegung auf eine Ausgangswelle 40 überträgt. Die Ausgangswelle 40 ist ebenfalls durch zwei Kugellager 41, 42 im Gehäuse 35 der Antriebseinheit 30 drehbar gelagert.
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Am freien Ende der Ausgangswelle 40 befindet sich ein Ritzel 34, das in eine entsprechende Ausnehmung am benachbarten Element (z. B. dem Element 8) eingreift und die Rotationsbewegung der Ausgangswelle 40 direkt auf das benachbarte Element überträgt. Alternativ könnte natürlich auch jede andere bekannte Einrichtung zur Drehmomentenübertragung vorgesehen sein, bei der das von der elektromotorisch angetriebenen Welle 40 ausgeübte Drehmoment direkt auf das benachbarte Element übertragen wird. Die Einrichtung zur Drehmomentenübertragung kann z. B. als kraft- oder formschlüssige Verbindung, insbesondere als Welle-Nabe-Verbindung, ausgeführt sein.
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In Bezug auf 5 ist am distalen Ende der Ausgangswelle 40 ein Ritzel 34a vorgesehen, das in eine entsprechende Ausnehmung am proximalen Ende des ersten rotierbaren Elements 8 eingreift. Wie 7 zeigt, ist eine solche Ausnehmung 44 im Gehäuse 35 einer Antriebseinheit 30 vorgesehen. Bei einer vom Elektromotor 32a angetriebenen rotierenden Bewegung der Ausgangswelle 40 rotiert somit das erste rotierbare Element 8 und alle damit verbundenen distal nachfolgenden Elemente um die erste Rotationsachse 11. Genauer gesagt wird der gesamte Manipulator 4 (ausschließlich Element 7) um die Längsachse L rotieren.
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Am distalen Ende des ersten rotierbaren Elements 8 ist ein Ritzel 34b vorgesehen, das mit einem Kegelrad 21 zusammenwirkt. Bei einer vom Elektromotor 32b angetriebenen rotierenden Bewegung der Ausgangswelle 40 wird die Rotationsbewegung auf das Kegelrad 21 und somit auf das zweite rotierbare Element 9 übertragen. Das Element 9 rotiert dann um die zweite Rotationsachse 12.
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Die im dritten rotierbaren Element 10 integrierte Antriebseinheit 30c ist in umgekehrter Richtung angeordnet, so dass das Ritzel 34c in die proximale Richtung (im Bild unten) zeigt. Das Ritzel 34c greift wiederum an einem am zweiten rotierbaren Element 9 vorgesehenen Kegelrad 22 ein. Bei einer Betätigung der dritten Antriebseinheit 30c bzw. des Elektromotors 32c wird die rotierende Bewegung der Ausgangswelle 40 auf das Kegelrad 22 übertragen. Da das zweite rotierbare Element 9 fest mit dem Schaft 3 verbunden ist, dreht sich in diesem Fall das dritte rotierbare Element 10 um die dritte Rotationsachse 13.
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Das in 7 dargestellte Element umfasst ferner eine Bremse 43 zum Abbremsen einer Antriebsbewegung. Darüber hinaus umfasst das Element an seinen gegenüberliegenden Enden 45, 46 jeweils eine Einrichtung zum Befestigen des Elements an einem benachbarten Element. Die Befestigungseinrichtung kann z. B. eine Schraub-, Steck- oder Rastverbindung umfassen.
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Wie in 7 ferner dargestellt ist, verläuft im Element ein durchgehender Kanal 68, durch den ein Medium, wie z. B. Luft, oder eine Flüssigkeit, wie z. B. eine Salzlösung, geleitet werden kann. Der Kanal 68 verläuft dabei durch die Wellen 36 und 40 hindurch. Die Wellen 36, 40 sind also innen hohl.
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Der genannte Kanal 68 verläuft vorzugsweise durch den gesamten Manipulator 4 und insbesondere auch durch den gesamten Schaft 3 hindurch, so dass ein Medium durch den Schaft 3 und den Manipulator 4 bis zum Endeffektor 5 geleitet werden kann. Das Medium könnte dabei mit einem Druck p1 in den Kanal eingeleitet werden, der größer ist als ein im Patienten herrschender Druck p2. So kann verhindert werden, dass Körperflüssigkeiten, wie z.B. Blut, in das Instrument eindringen.
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8 zeigt nochmals eine Außenansicht eines der Elemente 7, 8 oder 10. Wie zu sehen ist, verjüngt sich das Gehäuse 35 an einem seiner Enden 46, so dass es in eine am benachbarten Element vorgesehene Ausnehmung gesteckt werden kann. Wie ferner zu sehen ist, ragen die Ausgangswelle 40 und das daran angeordnete Ritzel 34 in Längsrichtung L nach außen vor, so dass sie mit einem benachbarten Element in Eingriff kommen können.
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9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Chirurgieroboters 50 für die minimal invasive Chirurgie, an dem ein chirurgisches Instrument 1 mit einem Manipulator 4 befestigt ist. Der Roboter 50 umfasst zwei gelenkig miteinander verbundene Armelemente 52 und mehrere Gelenke 51. Die Gelenke 51 werden dabei elektromechanisch angetrieben, um das chirurgische Instrument 1 im Raum zu bewegen und eine Operation durchzuführen. Jedes Robotergelenk 51 hat zwei Rotationsachsen, um die ein daran angeschlossenes Armelement 52 rotieren kann. Bei dem dargestellten Roboter 50 ist das chirurgische Instrument 1 an einem Instrumentenhalter befestigt, der wiederum über ein Interface 54 an den Roboterarm gekoppelt ist.
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10 zeigt einen Manipulator 4 zum Positionieren des Endeffektors 5 eines chirurgischen Instruments 1 gemäß einer zweiten Variante der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der Manipulator 4 umfasst wiederum ein mit dem Schaft 3 verbindbares Element 7 und drei rotierbare Elemente, nämlich ein erstes rotierbares Element 8, ein zweites rotierbares Element 9 und ein drittes rotierbares Element 10. Das proximale Element 7 könnte, wie vorstehend erwähnt wurde, auch weggelassen werden.
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Wie in der Schnittansicht von 11 zu sehen ist, rotiert das erste rotierbare Element 8 um eine Rotationsachse 11, die in Richtung der Längsachse L des Schafts 3 verläuft. Das zweite rotierbare Element 9 rotiert dagegen um eine zweite Rotationsachse 12, die gegenüber der ersten Rotationsachse 11 um einen Winkel α geneigt ist und schräg zu Längsachse L verläuft. Das dritte rotierbare Element 10 rotiert um eine dritte Rotationsachse 13, die ebenfalls schräg zur ersten Rotationsachse angeordnet ist und mit dieser einen Winkel β einschließt. Der kinematische Aufbau dieses Manipulators 4 ist somit identisch mit dem der ersten Variante.
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Im Unterschied zur ersten Variante der 4 bis 9 sind die Antriebseinheiten 30a–30c jedoch anders angeordnet. Bei der Variante von 11 befindet sich die erste Antriebseinheit 30a im ersten rotierbaren Element 8. Die Ausgangswelle 40 und das an der Welle 40 angeordnete Ritzel 34 zeigen dabei in die proximale Richtung und greifen in eine entsprechende Ausnehmung im Element 7 ein. Bei einer Betätigung der ersten Antriebseinheit 30a rotieren das erste rotierbare Element 8 und der gesamte Manipulator 4 wiederum um die Rotationsachse 11.
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Die zweite Antriebseinheit 30b und die dritte Antriebseinheit 30c sind hier im zweiten rotierbaren Element 9 integriert. Die Ausgangswelle 40 der zweiten Antriebseinheit 30b zeigt in Richtung der zweiten Rotationsachse 12. Das an der Welle 40 angeordnete Ritzel 34b ist proximal angeordnet. Bei einer Betätigung der zweiten Antriebseinheit 30b rotiert daher das zweite rotierbare Element 9 um die zweite Rotationsachse 12.
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Die Ausgangswelle 40 der dritten Antriebseinheit 30c verläuft in Richtung der dritten Rotationsachse 13. Das Ritzel 34c ist distal angeordnet und greift am dritten rotierbaren Element 10 an, so dass das von der Welle 40 ausgeübte Drehmoment direkt auf das dritte rotierbare Element 10 übertragen wird. Im dritten rotierbaren Element 10 ist keine Antriebseinheit vorgesehen. Allerdings befindet sich am distalen Ende 24 des dritten rotierbaren Elements 10 eine Ausnehmung, in die eine weitere Antriebseinheit 30 eingesetzt werden könnte. Der Manipulator 4 kann somit um weitere Elemente 8–10 verlängert werden.
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Das zweite rotierbare Element 9 ist hier symmetrisch ausgebildet. Die zweite und dritte Rotationsachse 12, 13 schneiden sich an einem gemeinsamen Schnittpunkt 25 mit der ersten Rotationsachse 11.
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Durch eine Betätigung der Antriebseinheiten 30a–30c kann beispielsweise die in 12 dargestellt abgewinkelte Position erreicht werden. Dabei gilt wiederum, dass das distale Ende 24 des Manipulators 4 gegenüber der ersten Rotationsachse 11 um einen Winkel γ ausgelenkt werden kann, der dem zweifachen der Summe beider Winkel α und β entspricht. Es gilt somit: γ = 2·(α + β).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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