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Die Erfindung betrifft ein endoskopisches Instrument, insbesondere zum Anschluss an einen Operationsroboter.
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Endoskopische Instrumente sind im Bereich der medizinischen Diagnose und insbesondere auch der Behandlung zahlreich im Einsatz. Sie bestehen typischerweise aus einem lang gestreckten Schaft mit einem Instrumentenkopf am distalen Schaftende und einer Handhabe am proximalen Schaftende. Der Instrumentenkopf kann als Werkzeug ausgebildet sein und beispielsweise eine Zange oder Schere aufweisen, deren Branchen von der proximalen Handhabe steuerbar sind. Sowohl bei starren als auch bei flexiblen Instrumenten oder Endoskopen zählt es zum Stand der Technik, das distale Instrumentenende gegenüber dem übrigen Schaft abzuwinkeln. Darüber hinaus zählt es bei flexiblen Endoskopen zum Stand der Technik, das distale Endoskopende aus der Längsachse herauszuschwenken, um auch Bereiche des Körpers betrachten zu können, die seitlich der Längsachse des Endoskops angeordnet sind.
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In jüngster Zeit etablieren sich endoskopische Instrumente, die zum Anschluss an einen Operationsroboter vorgesehen sind, deren Freiheitsgrade hinsichtlich der Bewegbarkeit des Werkzeugkopfes die von manuellen Instrumenten deutlich übersteigen. Die Koordination der Bewegungen ist dabei in der Regel durch direkte manuelle Einwirkung am Instrument nicht mehr möglich, weshalb die Bedienung über elektronische Bedienhilfen erfolgt, wobei die Bewegungskoordination mittels Elektromotoren und einer digitalen Steuerelektronik umgesetzt werden.
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Derartige endoskopische Instrumente für Operationsroboter sind beispielsweise aus
US 5,792,135 A sowie
US 6,685,698 B2 bekannt. Die dort beschriebenen endoskopischen Instrumente weisen zwar einen distalen Instrumentenkopf auf, der abwinkelbar, drehbar und darüber hinaus hinsichtlich des daran befindlichen Werkzeugs betätigbar ist, doch erfolgt die Abwinklung stets um eine Querachse, die den Instrumentenschaft schneidet. Insbesondere bei starker Abbiegung gestalten sich die Kraftübertragungen zwischen Schaft und Instrumentenkopf schwierig. Andererseits muss die Abwinklung definiert erfolgen, da sonst das angeschlossene Computersystem die Position des Instrumentenkopfes, insbesondere des darin befindlichen Werkzeuges nicht exakt bestimmen kann, was jedoch für derartige Operationsroboter zwingend erforderlich ist.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein endoskopisches Instrument insbesondere zum Anschluss an einen Operationsroboter so auszubilden, dass eine Abwinklung mit einer Krümmungsachse außerhalb des Instrumentes ermöglicht wird, die jedoch einem definierten Weg folgt. Darüber hinaus soll das Instrument bei kleinem Durchmesser möglichst robust und kostengünstig im Aufbau sein.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein endoskopisches Instrument mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Instrumentes ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Das erfindungsgemäße endoskopische Instrument, welches insbesondere zum Anschluss an einen Operationsroboter vorgesehen und bestimmt ist, weist einen lang gestreckten Schaft auf, an dessen distalen Ende ein Instrumentenkopf angeordnet ist. Dabei ist gemäß der Erfindung ein distaler Endbereich des Schaftes krümmbar ausgebildet, wobei innerhalb des Schaftes Mittel zum Steuern der Krümmung vorgesehen sind, die von einem Bedienteil am proximalen Schaftende betätigbar sind.
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Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es, ein endoskopisches Instrument bereitzustellen, das im distalen Endbereich des Schaftes, also noch vor dem Schaftkopf, definiert krümmbar ausgebildet ist, um auf diese Weise den Schaftkopf außerhalb der Längsachse des Instrumentes zu verbringen. Die erfindungsgemäße Ausbildung kann ggf. zusätzlich mit einem Gelenk zwischen Schaftkopf und distalem Schaftende kombiniert werden, dessen Schwenkachse den Schaft schneidet. Da der Schaft gemäß der Erfindung definiert krümmbar ausgebildet ist, kann je nach Krümmungsgrad die dadurch erfolgte Positionsänderung des Instrumentenkopfes exakt bestimmt werden, was für die Einsätze an einem Operationsroboter zwingend erforderlich ist.
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Das erfindungsgemäße endoskopische Instrument ist insbesondere zur Anwendung in Verbindung mit einem Operationsroboter bestimmt und geeignet, jedoch auf diesen Anwendungsfall nicht eingeschränkt, es kann bei entsprechender Ausbildung der proximalen Steuerung mit einer Handhabe versehen sein und auch zum manuellen Gebrauch dienen. Bevorzugt ist der Schaft kreisförmig biegbar, d. h. dass von der lang gestreckten geraden Stellung mit einem Biegeradius R = ∞ dieser Radius mit zunehmender Krümmung verringert wird, wobei der Kreismittelpunkt stets außerhalb des Instrumentes liegt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der distale Endbereich des Schaftes in nur einer Ebene krümmbar ist, und zwar in einer Ebene, in der auch die Längsachse des Schaftes liegt. Grundsätzlich kann die Krümmbarkeit des distalen Schaftendes auf eine Richtung begrenzt werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn, was gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein kann, der distale Endbereich des Schaftes in zwei Richtungen zur Längsachse des Schaftes krümmbar ist. Da die Krümmung nur in einer Ebene erfolgt, kann der distale Endbereich also wahlweise je nach Anordnung des Instrumentes nach oben oder nach unten bzw. nach rechts oder nach links erfolgen. Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass das Instrument bezogen auf seine Längsachse nie um mehr als 180˚ gedreht werden muss.
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Um eine definierte kreisbogenförmige Krümmung des distalen Endbereichs des Schaftes zu erreichen, sind gemäß der Erfindung vorteilhaft innerhalb dieses distalen Endbereiches zwei elastisch biegbare Stäbe angeordnet, die zu zwei Seiten der Längsachse des Schaftes mit Abstand zu dieser angeordnet und endseitig jeweils festgelegt sind. Dabei ist das distale Ende dieser Stäbe in einem gemeinsamen distalen Endkörper festgelegt, an den der Instrumentenkopf anschließt und welcher das distale Schaftende bildet. Die proximalen Enden dieser Stäbe sind vorteilhaft in proximalen Endkörpern festgelegt, die innerhalb des Schaftes längsbeweglich angeordnet und relativ zueinander bewegbar sind. Diese Anordnung ermöglicht es, durch Relativbewegung der proximalen Endkörper zueinander die Krümmung des distalen Endbereiches des Schaftes gezielt zu steuern.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die beiden elastisch biegbaren Stäbe zu beiden Seiten der Längsachse des Schaftes im distalen Endbereich, die innerhalb der Krümmungsebene liegen, einen Querschnitt aufweisen, der in Richtung quer zu dieser Ebene, in welcher der distale Endbereich des Schaftes krümmbar ist, eine größere Erstreckung als in der Ebene haben. Diese Dimensionierung unterstützt eine gezielte Krümmung des distalen Endbereiches in diese Krümmungsebene, da in anderen Ebenen der Widerstand um ein Vielfaches höher ist. Es versteht sich, dass im Bereich der flachen Seite der Stäbe diese mit wesentlich geringerem Kraftaufwand biegbar sind als quer dazu, wodurch die definierte Krümmung des distalen Endbereiches des Schaftes gefördert wird.
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Vorteilhaft sind neben den beiden querschnittsoptimierten Stäben, die innerhalb der Krümmungsebene liegen, weitere elastisch biegbare Stäbe mit Abstand zur Längsachse des Schaftes im distalen Endbereich vorgesehen, um dem Schaft eine ausreichende Eigenstabilität zu geben. Diese Stäbe haben vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt und dienen in erster Linie zur Stabilisierung.
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Weiterhin zur Stabilisierung des distalen Endbereich des Schaftes, in welchem die Krümmung erfolgen kann, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, die Stäbe an von einander in Längsrichtung des Schaftes beabstandet angeordneten Stützkörpern anzuordnen, wobei das gesamte Gebilde bestehend aus Stützkörpern und Stäben umfänglich durch eine elastischen Hüllschlauch umgeben wird. Dabei weisen die Stützkörper vorteilhaft mindestens eine oder auch mehrere Ausnehmungen auf, für durch den Schaft geführte Steuermittel für den Instrumentenkopf. So kann der achsnahe Freiraum in der Mitte des Schaftes für derartige Steuermittel benutzt werden. Dabei sind die Stützkörper vorteilhaft nur mit den Stabilisierungsstäben fest verbunden, wohingegen die Stäbe in der Krümmungsebene auf diesen nur abgestützt sind.
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Um die proximalen Endkörper relativ zueinander bewegen zu können und somit gezielt eine definierte Krümmung des distalen Endbereiches des Schaftes herbeizuführen, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, die proximalen Endkörper als Ringabschnitte auszubilden und sie an ihrer Innenseite mit einem Gewindeabschnitt in Längsrichtung der Schaftachse zu versehen. Dabei sind die Gewindeabschnitte der gegenüberliegenden Ringabschnitte mit gegenläufigen Gewinden versehen, in die formschlüssig ein zentraler Körper mit entsprechenden Außengewinden eingreift, der vom proximalen Instrumentenende aus rotierbar ist. Um die gegenläufigen Gewindeabschnitte gleichzeitig mit dem zentralen Körper in Eingriff zu bringen, sind die Außengewinde des zentralen Körpers an unterschiedlichen Abschnitten und auf unterschiedlichen Durchmessern angebracht. Auf diese Weise ist es möglich, je nach Drehung des zentralen Körpers den distalen Endabschnitt aus der Mittelstellung in die eine oder andere Richtung zu krümmen. Die elastisch biegbaren Stäbe in der Krümmungsebene werden dabei in ihrer wirksamen Länge verkürzt bzw. verlängert, da ihre distalen Enden in dem gemeinsamen distalen Endkörper festgelegt sind, wodurch die Krümmung zustande kommt.
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Dabei ist vorteilhaft auch der zentrale Körper mit einer zentralen Ausnehmung versehen, um die durch den Schaft geführten Steuermittel für den Instrumentenkopf aufzunehmen.
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Das erfindungsgemäße Instrument kann einen Instrumentenkopf aufweisen, der drehbar um die Instrumentenachse angeordnet ist und ein mechanisch betätigbares Werkzeug trägt, beispielsweise eine Zange oder Schere, wobei in an sich bekannter Weise durch zentral durchgeführte Steuerdrähte vom proximalen Instrumentenende aus sowohl die Drehbewegung des Kopfes als auch die Werkzeugbewegung gesteuert werden kann. Ggf. kann zwischen Werkzeugkopf und dem distalen Schaftende noch ein Gelenk mit einer Schwenkachse quer zur Schaftachse vorgesehen sein.
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Der distale Endbereich des Schaftes kann, so wie er von seinem inneren Aufbau im Wesentlichen bestehend aus den elastisch biegsamen Stäben, dem distalen Endkörper, den proximalen Endkörpern und ggf. den vorhandenen Stützkörpern aus einem einstückigen Bauteil, z. B. aus Kunststoffspritzguss oder auch aus Metall, Carbon oder anderen geeigneten Werkstoffen hergestellt sein, eine solche Ausbildung ist insbesondere für Einmalinstrumente von Interesse, da die Herstellungskosten besonders gering sind.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
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1 in stark vereinfacht schematischer und perspektivischer Darstellung ein endoskopisches Instrument gemäß der Erfindung,
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2 den distalen Endbereich des Schaftes nach 1 in vergrößerter Darstellung ohne Hüllschlauch und
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3 den Schaftbereich gemäß 2 im Längsschnitt.
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Bei dem anhand der Figuren dargestellten endoskopischen Instrument handelt es sich um eine endoskopische Fasszange, die zum Anschluss an einen Operationsroboter vorgesehen ist. Das Instrument weist einen langgestreckten Schaft 1 auf, der proximalseitig in einem Bedien- und Steuerteil 2 endet, welches zur Aufnahme in der entsprechenden Halterung eine Operationsroboters bestimmt und vorgesehen ist. Anstelle dieses für den Roboterbetrieb ausgelegten Bedien- und Steuerteils 2 kann hier auch eine Handhabe vorgesehen sein, welche zum unmittelbaren manuellen Bedienen des Instrumentes dient.
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Der Schaft 1 weist einen distalen Endbereich 3 auf, an den distalseitig ein Instrumentenkopf 4 anschließt, der im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Zange aufweist. Der langgestreckte vom Bedien- und Steuerteil 2 bis zum distalen Endbereich 3 reichende Schaftteil ist starr ausgebildet und umhüllt die für die Steuerung des Instruments erforderlichen Bauteile. Der distale Endbereich 3 des Schaftes 1, der beim praktischen Einsatz beispielsweise durch ein Trokar in eine Körperhülle eingeführt ist, befindet sich dann innerhalb des Körpers und ist krümmbar ausgebildet. Die Krümmungsachse liegt außerhalb des Schaftes. Der Schaft 1 ist sowohl in seinem starren Teil als auch in dem krümmbaren distalen Endbereich 3 durch einen elastischen Schlauch umgeben, welcher in den 2 und 3 zum Zwecke der Erkennbarkeit des funktionalen Aufbaus entfernt ist.
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Der distale Endbereich 3 weist zwei elastisch biegsame flache Stäbe 6 auf, die zu zwei Seiten mit Abstand zur Längsachse 5 nahe dem Außenumfang diametral angeordnet sind und innerhalb einer Ebene 7 liegen, in welcher dieser distale Endbereich 3 des Schaftes 1 krümmbar ist. Diese Ebene 7 ist durch die Längsachse 5 einerseits und die gedachte Längsmittellinien der flachen Stäbe 6 definiert. Der Querschnitt der flachen Stäbe 6 ist so gewählt, dass sich diese bevorzugt in die Ebene 7 zum Zwecke der Krümmung des Endbereichs 3 abbiegen. Sie weisen daher in ihrem Querschnitt eine deutlich größere Breite als Höhe auf, wobei sich die Breite quer zur Ebene 7 und die Höhe in der Ebene 7 erstreckt. Die flachen Stäbe 6 sind distalseitig in einem distalen Endkörper 8 festgelegt, d. h. fest mit diesem verbunden. Proximalseitig sind sie in proximalen Endkörpern 9 und 10 festgelegt, welche längsbeweglich innerhalb des Schaftes 1 geführt sind.
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Parallel zu den flachen Stäben 6 sind jeweils bezogen auf die Längsachse 5 um 90˚ versetzt im Querschnitt kreisrunde Stäbe 11 vorgesehen, welche im Wesentlichen stabilisierende Funktionen haben und ebenfalls endseitig in dem distalen Endkörper 8 festgelegt sind. Proximalseitig sind diese Stäbe 11 in proximalen Endkörpern 12 festgelegt, die zwischen den proximalen Körpern 9 und 10 angeordnet sind. Zwischen den Stäben 6 und 11 sind innerhalb des distalen Endbereiches 3 mit Abstand zueinander Stützkörper 13 angeordnet, welche die Stäbe 6 und 11 radial abstützen, mit einer zentralen Ausnehmung 14 versehen sind sowie darüber hinaus Randausnehmungen aufweisen, welche zum Durchführen von nicht dargestellten Steuerdrähten vorgesehen sind. Diese Steuerdrähte durchziehen den Schaft 1 über die gesamte Länge, sind im Bedien- und Steuerteil 2 festgelegt durch den distalen Endkörper 8 hindurchgeführt und im Instrumentenkopf 4 befestigt. Die Stützkörper 13 sind mit den in den 2 und 3 seitlich dargestellten Stabilisierungsstäben 11 fest verbunden, wohingegen die in den 2 und 3 oben und unten dargestellten flachen Stäbe 6 nur abstützen, so dass diese bei Krümmung des Endbereichs 3 auf den Stützkörpern 13 gleiten können. Der anhand der 2 und 3 dargestellte Endbereich kann, soweit es die Bauteile 6, 8, 9, 10, 11, 12 und 13 angeht, als Kunststoffspritzgussbauteil gefertigt werden.
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Die proximalen Endkörper 9, 10 und 12 sind durch Ringabschnitte bzw. Ringsegmente gebildet, wobei dieser Ring eine lang gestreckte eher rohrförmige Form hat. Sie bilden an ihrer Außenseite eine im Querschnitt im Wesentlichen runde Auflagefläche für den darüber befindlichen elastischen Schlauch. Die Innenseiten der proximalen Endkörper 12 sind glatt gestaltet, diese Endkörper dienen im Wesentlichen zur proximalen Festlegung der Stäbe 11 und als Drehmomentstütze für die Endkörper 8 und 9, die jeweils an ihrer Innenseite mit einem Gewindeabschnitt 15 bzw. 16 versehen sind, wie dies aus 3 ersichtlich ist. So hat der proximale Endkörper 9, welcher den in den 2 und 3 oberen flachen Stab 6 aufnimmt, an seiner Innenseite ein rechtsgängiges Innengewinde 15, wohingegen der gegenüber liegend angeordnete proximale Endkörper 10 ein linksgängiges Innengewinde 16 aufweist. An der Innenseite werden die proximalen Endkörper 9, 10 und 12 von einem zentralen Körper 17 formschlüssig abgestützt, welcher hohlzylindrisch abgestuft ausgebildet ist. Es weist an einem ersten distalen Abschnitt ein Außengewinde 18 auf, welches linksgängig ist und mit dem Innengewinde 16 des proximalen Endkörpers 10 in Eingriff steht. An den Abschnitt mit dem Außengewinde 18 schließt sich proximalseitig ein Abschnitt ebenfalls mit einem Außengewinde 19 an, welches dieselbe Steigung aber umgekehrte Richtung wie das Außengewinde 18 aufweist und mit dem Innengewinde des proximalen Endkörpers 9 in Eingriff steht. Weiterhin weist der zentrale Körper 17 eine zentrale Durchgangsbohrung 20 auf, durch welche die Steuerdrähte vom Bedien- und Steuerteil 2 durch den Schaft 1 bis zum Instrumentenkopf 4 geführt sind.
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Wie die Pfeildarstellungen in den 2 und 3 verdeutlichen, wird bei Drehung des zentralen Körpers 17 in Pfeilrichtung 21, also rechts herum, die wirksame Länge des in den Figuren unteren flachen Stabes 6 verlängert und die des oberen flachen Stabes 6 verkürzt, da der proximale Endkörper 9 auf dem zentralen Körper 17 distalwärts und der proximale Endkörper 10 auf dem zentralen Körper 17 entsprechend proximalwärts wandert, wodurch der distale Endbereich 3 eine Krümmung in Richtung des Pfeils 22 vollzieht. In analoger Weise erfolgt eine Krümmung in Gegenrichtung, wenn der zentrale Körper 17 entgegen der Drehrichtung 21 bewegt wird. Der zentrale Körper 17 ist durch den Schaft 1 bis in das Bedien- und Steuerteil 2 geführt, so dass die Krümmung des distalen Endbereichs 3 vom Bedien- und Steuerteil 2 aus steuerbar ist. Mit zunehmender Krümmung verringert sich der Krümmungsradius, der Krümmungsmittelpunkt liegt stets außerhalb des Schaftbereiches.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schaft
- 2
- Bedien- und Steuerteil
- 3
- distaler Endbereich
- 4
- Instrumentenkopf
- 5
- Längsachse
- 6
- flache Stäbe
- 7
- Krümmungsebene
- 8
- distaler Endkörper
- 9
- proximaler Endkörper
- 10
- proximaler Endkörper
- 11
- Stabilisierungsstäbe
- 12
- proximaler Endkörper
- 13
- Stützkörper
- 14
- zentrale Ausnehmung in 13
- 15
- rechtsgängiges Innengewinde von 9
- 16
- linksgängiges Innengewinde von 10
- 17
- zentraler Körper
- 18
- linksgängiges Außengewinde
- 19
- rechtsgängiges Außengewinde
- 20
- Durchgangsbohrung
- 21
- Drehrichtung
- 22
- Krümmungsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5792135 A [0004]
- US 6685698 B2 [0004]
