DE102014100131A1 - Surgical instruments and procedures - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein chirurgisches Instrumentarium, umfassend eine Haltevorrichtung (50) mit einem Halteelement (74) zum Halten eines zu bearbeitenden Gegenstandes (15), insbesondere eines Knochens. Um ein derartiges chirurgisches Instrumentarium bereitzustellen, mit dem sich die Bearbeitung des Gegenstandes mit möglichst geringer Invasivität unterstützen lässt, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Halteelement (74) ein Tastelement (78) umfasst oder bildet, über das der Gegenstand (15) mit einer Haltekraft beaufschlagbar ist, dass das Instrumentarium (10; 100; 150) eine Kraftmesseinrichtung (80) umfasst mit mindestens einem Kraftsensor (82), mit dem eine Änderung der Haltekraft am Tastelement (78) erfassbar ist, und dass das Instrumentarium (10; 100; 150) eine Recheneinheit (40) umfasst, mit der abhängig von einem diesbezüglichen Signal der Kraftmesseinrichtung (80) eine Positionsänderung des Gegenstandes (15) feststellbar ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines chirurgischen Instrumentariums.The invention relates to a surgical instrument, comprising a holding device (50) with a holding element (74) for holding an object to be processed (15), in particular a bone. In order to provide such a surgical instrumentation with which the processing of the article can be assisted with the least possible invasiveness, it is proposed according to the invention that the retaining element (74) comprises or forms a sensing element (78) via which the object (15) has a holding force that the instrumentation (10, 100, 150) comprises a force measuring device (80) with at least one force sensor (82), with which a change in the holding force on the probe element (78) can be detected, and in that the instrumentation (10, 100; 150) comprises a computing unit (40) with which a position change of the object (15) can be detected as a function of a relevant signal of the force measuring device (80). Moreover, the invention relates to a method for operating a surgical instrument.
Description
Die Erfindung betrifft ein chirurgisches Instrumentarium, umfassend eine Haltevorrichtung mit einem Halteelement zum Halten eines zu bearbeitenden Gegenstandes, insbesondere eines Knochens.The invention relates to a surgical instrument, comprising a holding device with a holding element for holding an object to be processed, in particular a bone.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines chirurgischen Instrumentariums, das eine Haltevorrichtung mit einem Halteelement zum Halten eines zu bearbeitenden Gegenstandes, insbesondere eines Knochens, umfasst.In addition, the invention relates to a method for operating a surgical instrument, which comprises a holding device with a holding element for holding an object to be processed, in particular a bone.
Eine Haltevorrichtung des Instrumentariums der eingangs genannten Art kann im Rahmen eines operativen Eingriffes eingesetzt werden, beispielsweise bei einer Knieoperation, etwa zur Implantation eines künstlichen Kniegelenkes. Der zu bearbeitende Gegenstand, zum Beispiel ein Knochen wie der Femur oder die Tibia, kann mit dem Halteelement der Haltevorrichtung gehalten werden. Dies dient dazu, den Ort der Bearbeitung, beispielsweise Sägen, Fräsen oder Bohren, konstant zu halten, um dem Operateur die Bearbeitung zu erleichtern. Bekannt ist es dabei, die Haltevorrichtung als invasive Spanneinrichtung auszubilden, die mit dem Gegenstand (insbesondere Femur oder Tibia) fest verbunden wird. Nicht vom eigentlichen Eingriff stammend wird dadurch beim Patienten unerwünschtes Trauma verursacht. Ferner zeigt sich bei Knieoperationen in der Praxis, dass zum vernünftigen Spannen des Femurs oder der Tibia diese(r) hinreichend frei präpariert sein muss, so dass die Halterung von erheblicher Invasivität ist. Außerdem kann die im Operationsfeld angeordnete Haltevorrichtung den Operateur bei der eigentlichen Bearbeitung behindern.A holding device of the instrument of the type mentioned can be used in the context of surgery, for example in a knee surgery, such as the implantation of an artificial knee joint. The object to be processed, for example a bone such as the femur or the tibia, can be held with the holding element of the holding device. This serves to keep the location of the machining, for example sawing, milling or drilling, constant in order to make the machining easier for the surgeon. It is known to form the holding device as an invasive clamping device, which is firmly connected to the object (in particular femur or tibia). Not originating from the actual procedure, this causes unwanted trauma to the patient. Further, in knee surgery, in practice, for reasonable tensioning of the femur or tibia, it must be prepared sufficiently freely such that the retainer is of considerable invasiveness. In addition, the holding device arranged in the operating field can hinder the surgeon during the actual processing.
Ein andersartiger Ansatz um sicherzustellen, dass die Bearbeitung des Gegenstandes an der vorgesehenen Position verfolgt und beibehalten werden kann, liegt im Einsatz einer chirurgischen Navigationsvorrichtung. Dabei wird eine chirurgische Markiereinrichtung mit dem Gegenstand fest verbunden, so dass bei einer Bewegung des Gegenstandes die darauf beruhende Bewegung der Markiereinrichtung mittels eines optischen Nachweissystems erfasst und eine Positionsänderung des Gegenstandes ermittelt werden kann. Der Operateur kann von der Navigationsvorrichtung einen Hinweis über die Bewegung des Gegenstandes erhalten. Nachteilig ist hierbei jedoch auch die invasive Verbindung der Markiereinrichtung mit dem Gegenstand, insbesondere die Fixierung am Femur oder der Tibia mit bikortikalen Knochenschrauben.A different approach to ensure that the processing of the article can be tracked and maintained at the intended location is the use of a surgical navigation device. In this case, a surgical marking device is firmly connected to the object, so that upon movement of the object, the movement of the marking device based thereon can be detected by means of an optical detection system and a change in position of the object can be determined. The operator can receive an indication of the movement of the object from the navigation device. However, the disadvantage here is also the invasive connection of the marking device with the object, in particular the fixation on the femur or the tibia with bicortical bone screws.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes chirurgisches Instrumentarium und ein gattungsgemäßes Verfahren bereitzustellen, mit dem bzw. durch dessen Einsatz sich die Bearbeitung des Gegenstandes mit möglichst geringer Invasivität unterstützen lässt.The object of the present invention is to provide a generic surgical instrumentation and a generic method, with which or by its use, the processing of the article can be supported with the least possible invasiveness.
Diese Aufgabe wird bei einem Instrumentarium der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Halteelement ein Tastelement umfasst oder bildet, über das der Gegenstand mit einer Haltekraft beaufschlagbar ist, dass das Instrumentarium eine Kraftmesseinrichtung umfasst mit mindestens einem Kraftsensor, mit dem eine Änderung der Haltekraft am Tastelement erfassbar ist und dass das Instrumentarium eine Recheneinheit umfasst, mit der abhängig von einem diesbezüglichen Signal der Kraftmesseinrichtung eine Positionsänderung des Gegenstandes feststellbar ist.This object is achieved in an instrument of the type mentioned according to the invention that the holding element comprises or forms a sensing element, via which the object can be acted upon by a holding force, that the instrumentation comprises a force measuring device with at least one force sensor, with a change in the holding force can be detected on the probe element and that the instrumentation comprises a computing unit with which a position change of the object can be detected as a function of a relevant signal of the force measuring device.
Beim erfindungsgemäßen Instrumentarium ist die Möglichkeit gegeben, den Gegenstand mit geringer Invasivität zu halten. Dies kann dadurch erfolgen, dass als Halteelement ein Tastelement zum Einsatz kommt, welches mit einer auf den Gegenstand gerichteten Haltekraft beaufschlagt wird. Dies erlaubt es insbesondere, den Gegenstand mit einer vergleichsweise geringen Haltekraft, etwa einer Vorspannkraft in Richtung auf eine Auflage für den Gegenstand, zu fixieren. Der gehaltene Gegenstand übt eine der Haltekraft entgegengerichtete Gegenkraft auf das Tastelement auf. Bei einer Positionsänderung des Gegenstandes ändert sich die auf das Tastelement wirkende Gegenkraft. Dadurch kann eine Änderung der Haltekraft am Tastelement mit der Kraftmesseinrichtung erfasst werden. Einer oder mehrere Kraftsensoren der Kraftmesseinrichtung können der Recheneinheit ein diesbezügliches Signal bereitstellen, welches die Recheneinheit zur Feststellung der Positionsänderung auswerten kann. Der Einsatz des Tastelementes erlaubt es insbesondere, eine Positionsänderung mit nur geringer Invasivität festzustellen. Das Tastelement kann den Gegenstand mit der Haltekraft beaufschlagen, indem es an diesem anliegt. Eine feste mechanische Verbindung, insbesondere durch Verschraubung, Verspannung oder Verklebung ist nicht erforderlich. Eine gesonderte Inzision für das Tastelement über die für den eigentlichen Eingriff erforderliche Inzision hinaus kann eingespart werden. Im Ergebnis kann das Trauma für den Patienten erheblich verringert werden.The instrument of the invention is given the opportunity to keep the object with low invasiveness. This can be done by using a feeler element as the holding element, which is acted upon by a holding force directed at the object. This makes it possible, in particular, to fix the object with a comparatively small holding force, for example a pretensioning force in the direction of a support for the object. The held object exerts a holding force counter to the opposing force on the probe element. When the position of the object changes, the opposing force acting on the probe element changes. Thereby, a change in the holding force on the probe element can be detected with the force measuring device. One or more force sensors of the force measuring device can provide the arithmetic unit with a signal in this regard which the arithmetic unit can evaluate to determine the change in position. The use of the probe element makes it possible in particular to detect a change in position with only little invasiveness. The probe element can act on the object with the holding force by being applied to this. A solid mechanical connection, in particular by screwing, clamping or bonding is not required. A separate incision for the probe over the required for the actual surgery incision can be saved. As a result, the trauma to the patient can be significantly reduced.
In die Erfindung fließt der Gedanke mit ein, dass von einer starren Halterung des Gegenstandes während der Bearbeitung abgesehen werden kann, wenn über die Recheneinheit ein Hinweis oder Signal bereitgestellt werden kann, dass sich die Position des Gegenstandes ändert. Der Einsatz der "Haltevorrichtung" erfordert vorliegend daher nicht, den Gegenstand festzuhalten, ihn insbesondere unbeweglich zu fixieren. Beispielsweise kann ein entsprechender Hinweis an einen Operateur ausgegeben werden, damit dieser auf eine Änderung der Position des zu bearbeitenden Gegenstandes hingewiesen werden kann. Ein Signal der Recheneinheit kann auch einer chirurgischen Bearbeitungsvorrichtung zugeführt werden, die den Gegenstand mit einem Bearbeitungsorgan bearbeitet, worauf nachfolgend noch eingegangen wird.In the invention, the idea flows in that it can be dispensed with by a rigid support of the object during processing, if via the computing unit an indication or signal can be provided that changes the position of the object. The use of the "holding device" therefore does not require in the present case to hold the object to fix him immobile in particular. For example, a corresponding indication can be issued to an operator, so that he pointed to a change in the position of the object to be processed can be. A signal of the arithmetic unit may also be supplied to a surgical processing device, which processes the object with a processing member, which will be discussed below.
Günstig ist es, wenn mit dem mindestens einen Kraftsensor eine Änderung der Größe und/oder der Richtung der Haltekraft erfassbar ist und wenn mit der Recheneinheit die Positionsänderung des Gegenstandes im Raum ermittelbar ist. Bei einer Bewegung des Gegenstandes ändert sich, wie erwähnt, die von diesem auf das Tastelement ausgeübte Gegenkraft in Richtung und Betrag. Am Tastelement kann dementsprechend eine Kraft- und/oder Momentenänderung infolge der sich ändernden Größe und/oder Richtung der Haltekraft auftreten, die von der Kraftmesseinrichtung erfasst werden kann. Anhand von deren Signal kann die Recheneinheit ermitteln, wie sich die Position des Gegenstandes geändert hat. Dies gibt insbesondere die Möglichkeit, die Bewegung des Gegenstandes im Raum zu verfolgen.It is favorable if a change in the size and / or direction of the holding force can be detected with the at least one force sensor and if the position change of the object in space can be determined with the arithmetic unit. During a movement of the object changes, as mentioned, the force exerted by this on the probe element counterforce in direction and amount. Accordingly, a force and / or moment change as a result of the changing size and / or direction of the holding force, which can be detected by the force-measuring device, can occur on the feeler element. Based on their signal, the arithmetic unit can determine how the position of the object has changed. This gives, in particular, the opportunity to track the movement of the object in space.
Das Instrumentarium kann dadurch eine mechanische Trackingvorrichtung bereitstellen zum kontaktbehafteten Tracken des Gegenstandes bei zugleich möglichst geringer Invasivität.The instrumentation can thereby provide a mechanical tracking device for contact-laden tracking of the object with at the same time the least possible invasiveness.
Vorzugsweise ist das Tastelement ein längserstreckter Vorsprung an der Halteeinrichtung oder umfasst einen solchen Vorsprung. Dadurch wird vom Tastelement nur verhältnismäßig wenig Platz beansprucht, so dass eine Beeinträchtigung des Operateurs oder einer Bearbeitungsvorrichtung am Ort der Bearbeitung möglichst gering gehalten werden kann. Der Vorsprung ist beispielsweise fingerförmig oder zungenförmig und kann mit einem ersten Ende den Gegenstand mit der Haltekraft beaufschlagen, zum Beispiel mit einer Stirnseite. Ein gegenüberliegendes zweites Ende kann an der Haltevorrichtung festgelegt sein.Preferably, the probe element is an elongated projection on the holding device or comprises such a projection. As a result, only relatively little space is required by the feeler element, so that an impairment of the surgeon or a processing device at the point of processing can be minimized. The projection is for example finger-shaped or tongue-shaped and can act on the object with the holding force with a first end, for example with a front side. An opposite second end may be fixed to the fixture.
Die Kraftmesseinrichtung und der mindestens eine Kraftsensor können auf vielfältige Weise ausgestaltet sein. Bevorzugt erlaubt die Kraftmesseinrichtung, wie erwähnt, eine Änderung der Größe und/oder der Richtung der Haltekraft und dementsprechend eine Kraft- und/oder Momentenänderung am Tastelement zu erfassen.The force measuring device and the at least one force sensor can be designed in many ways. Preferably, as mentioned, the force measuring device allows a change in the size and / or the direction of the holding force and, accordingly, to detect a force and / or torque change on the probe element.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Kraftsensor die Kraftänderung über Wegmessung, Druckmessung, Widerstandsmessung, über einen magnetoelastischen Effekt, einen elektroelastischen Effekt, mittels Piezoelektrizität und/oder nach dem Schwingsaitenprinzip ermittelt. Entsprechende, dem zuständigen Fachmann geläufige Ausgestaltungen des mindestens einen Kraftsensors können bei der Haltevorrichtung vorgesehen sein. Es ist denkbar, dass mehr als nur eines der vorstehend genannten Messprinzipien zum Einsatz kommt. Denkbar ist auch, dass bei Vorhandensein von zwei oder mehr Kraftsensoren gleiche oder unterschiedliche Messprinzipien zum Einsatz kommen.For example, it can be provided that the at least one force sensor determines the force change via displacement measurement, pressure measurement, resistance measurement, via a magnetoelastic effect, an electroelastic effect, by means of piezoelectricity and / or according to the vibrating string principle. Corresponding embodiments of the at least one force sensor that are familiar to the person skilled in the art can be provided in the holding device. It is conceivable that more than one of the measuring principles mentioned above is used. It is also conceivable that identical or different measuring principles are used in the presence of two or more force sensors.
Die Kraftmesseinrichtung weist vorzugsweise zwei oder mehr Kraftsensoren auf. Eine Änderung der Haltekraft ist mit den zwei oder mehr Kraftsensoren vorzugsweise in drei Freiheitsgraden der Translation und drei Freiheitsgraden der Rotation erfassbar.The force measuring device preferably has two or more force sensors. A change in the holding force is detectable with the two or more force sensors, preferably in three degrees of freedom of translation and three degrees of freedom of rotation.
Vorteilhafterweise umfasst die Haltevorrichtung zwei oder mehr jeweils an einem Gelenk beweglich miteinander verbundene Haltevorrichtungssegmente. Beispielsweise umfasst oder bildet die Haltevorrichtung einen Haltearm mit gelenkig miteinander verbundenen Haltevorrichtungssegmenten. Das Gelenk oder die Gelenke können Drehgelenke und/oder Schubgelenke sein.Advantageously, the holding device comprises two or more holding device segments which are each movably connected to one another at a joint. For example, the holding device comprises or forms a holding arm with hingedly connected holding device segments. The joint or joints may be hinges and / or push joints.
Günstig ist es, wenn mindestens ein Kraftsensor an einem Gelenk angeordnet oder in ein solches integriert ist, insbesondere wenn jeweils an einem Gelenk ein Kraftsensor angeordnet oder in ein solches integriert sind. Dadurch lässt sich zum Beispiel eine kompakte Bauform der Haltevorrichtung erzielen.It is favorable if at least one force sensor is arranged on or integrated in a joint, in particular if in each case a force sensor is arranged on or integrated in a joint. As a result, for example, a compact design of the holding device can be achieved.
Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Kraftsensor an einer Kontaktfläche des Tastelementes zum Kontaktieren des Gegenstandes angeordnet ist. Ein derartiger Kraftsensor kann vom Gegenstand unmittelbar mit der auf das Tastelement einwirkenden Gegenkraft beaufschlagt werden, so dass zugleich eine Änderung der Haltekraft erfasst werden kann.Alternatively or additionally, it can be provided that at least one force sensor is arranged on a contact surface of the probe element for contacting the object. Such a force sensor can be acted upon by the object directly with the force acting on the probe element counterforce, so that at the same time a change in the holding force can be detected.
Es kann vorgesehen sein, dass die Haltevorrichtung eine starre Ausgestaltung aufweist, bei der das Halteelement, einmal zum Beaufschlagen des Gegenstandes mit der Haltekraft eingestellt, nicht bewegbar ist.It can be provided that the holding device has a rigid configuration in which the holding element, once set for applying the object with the holding force, is not movable.
Bei einer andersartigen bevorzugten Ausführungsform des Instrumentariums ist es von Vorteil, wenn die Haltevorrichtung eine mit der Recheneinheit gekoppelte Antriebseinrichtung aufweist, mit der das Tastelement im Raum beweglich ist, und wenn die Bewegung des Tastelementes abhängig vom Signal der Kraftmesseinrichtung steuerbar und/oder regelbar ist zum Aufrechterhalten der Relativposition des Tastelementes und des Gegenstandes und/oder Aufrechterhalten der Haltekraft auf den Gegenstand. Dies gibt insbesondere die Möglichkeit, dass das Tastelement bei einer Bewegung des Gegenstands über die Antriebseinrichtung nachgeführt werden kann. Dementsprechend kann die Haltevorrichtung eine Nachführeinrichtung aufweisen, welche von der Antriebseinrichtung gebildet ist. Die Recheneinheit kann der Antriebseinrichtung ein Signal bereitstellen, so dass diese abhängig von einer ermittelten Änderung der Position des Gegenstandes das Tastelement so im Raum bewegen kann, dass dessen Position am Gegenstand und/oder die den Gegenstand beaufschlagende Haltekraft konstant gehalten wird.In a different preferred embodiment of the instrumentation, it is advantageous if the holding device has a coupled to the arithmetic unit drive means with which the probe element is movable in space, and if the movement of the probe element is controlled and / or regulated depending on the signal of the force measuring device for Maintaining the relative position of the probe element and the object and / or maintaining the holding force on the object. This gives, in particular, the possibility that the feeler element can be tracked by the drive device during a movement of the object. Accordingly, the holding device may comprise a tracking device, which is formed by the drive device. The arithmetic unit can signal the drive device so that it can move the probe element in space so that its position on the object and / or the holding force acting on the object is kept constant depending on a determined change in the position of the object.
Vorstehende Ausführungsform ermöglicht es, mit dem Instrumentarium eine besonders vorteilhafte mechanische Trackingvorrichtung zum kontaktbehafteten Tracken des Gegenstandes bei geringer Invasivität bereitzustellen. Eine Bewegungsänderung des Gegenstandes wird vom Tastelement "erfühlt". Das Tastelement kann über die Antriebseinrichtung nachgeführt werden und dem Gegenstand dadurch folgen.The above embodiment makes it possible to provide with the instrumentation a particularly advantageous mechanical tracking device for contact-driven tracking of the article with low invasiveness. A movement change of the object is "felt" by the feeler element. The probe element can be tracked via the drive device and thereby follow the object.
Die Antriebseinrichtung ist vorzugsweise so ausgebildet, dass das Tastelement sechs Freiheitsgrade aufweist und dementsprechend in drei Raumrichtungen translatorisch und in drei Raumrichtungen rotatorisch bewegbar ist.The drive device is preferably designed such that the probe element has six degrees of freedom and, accordingly, is translationally movable in three spatial directions and rotationally movable in three spatial directions.
Bei einer Umsetzung des Instrumentariums in der Praxis ist es günstig, wenn die Haltevorrichtung zwei oder mehr jeweils an einem Gelenk beweglich miteinander verbundene Haltevorrichtungssegmente umfasst und wenn die Antriebseinrichtung Antriebseinheiten umfasst, wobei an einem Gelenk jeweils eine Antriebseinheit angeordnet ist, in das Gelenk integriert ist oder das Gelenk ausbildet. Dadurch lässt sich zum Beispiel eine kompakte Bauform der Haltevorrichtung erzielen.In an implementation of the instrumentation in practice, it is advantageous if the holding device comprises two or more each at a joint movably interconnected Haltevorrichtungssegmente and if the drive means comprises drive units, wherein at a joint in each case a drive unit is arranged, is integrated in the joint or forming the joint. As a result, for example, a compact design of the holding device can be achieved.
Ein jeweiliger Kraftsensor kann in eine Antriebseinheit integriert sein oder von der Antriebseinheit umfasst sein.A respective force sensor may be integrated in a drive unit or may be included in the drive unit.
Zur Umsetzung des Instrumentariums in der Praxis ist zum Beispiel vorgesehen, dass die Haltevorrichtung einen Roboterarm umfasst oder als solcher ausgestaltet ist, an dessen Arbeitsende das Tastelement angeordnet ist. Die Recheneinheit ist bevorzugt in den Roboterarm integriert. Sie kann jedoch auch getrennt von diesem und mit diesem signalwirksam verbunden sein.To implement the instrument in practice, for example, it is provided that the holding device comprises a robot arm or is designed as such, at the working end of the probe element is arranged. The arithmetic unit is preferably integrated in the robot arm. However, it can also be separated from this and connected to this signal effectively.
Bevorzugt weist das Instrumentarium eine Bearbeitungsvorrichtung auf, die ein chirurgisches Bearbeitungsorgan mit einem Bearbeitungswerkzeug zum Bearbeiten des Gegenstandes umfasst. Das Bearbeitungsorgan kann vom Operateur handgeführt sein oder von einer Antriebseinrichtung, darauf wird nachfolgend noch eingegangen, geführt sein.Preferably, the instrumentation comprises a processing device which comprises a surgical processing element with a processing tool for processing the article. The processing member may be manually guided by the operator or by a drive device, it will be discussed below, led out.
Bei dem Bearbeitungsorgan handelt es sich beispielsweise um ein chirurgisches Sägorgan, ein Fräsorgan oder ein Bohrorgan ist. Dementsprechend kann das Bearbeitungswerkzeug ein chirurgisches Sägwerkzeug, ein Fräswerkzeug oder ein Bohrwerkzeug sein.The processing member is, for example, a surgical sawing member, a milling member or a drilling member. Accordingly, the machining tool may be a surgical saw tool, a milling tool or a drilling tool.
Von Vorteil ist es, wenn die Bearbeitungsvorrichtung eine mit der Recheneinheit gekoppelte Antriebseinrichtung aufweist, mit der das Bearbeitungswerkzeug im Raum beweglich ist, und wenn die Bewegung des Bearbeitungswerkzeuges abhängig vom Signal der Kraftmesseinrichtung steuerbar und/oder regelbar ist zum Aufrechterhalten der Relativposition des Bearbeitungswerkzeuges und des Gegenstandes. Dies gibt insbesondere die Möglichkeit, das Werkzeug nachzuführen, so dass die Bearbeitungsvorrichtung auch eine Nachführeinrichtung aufweist, zu deren Zweck die Antriebseinrichtung das Werkzeug so im Raum bewegen kann, dass die Position der Bearbeitung des Gegenstandes erhalten bleibt. Abhängig vom Signal der Kraftmesseinrichtung kann das Bearbeitungswerkzeug in konstanter Relativorientierung zu dem sich bewegenden Gegenstand gehalten werden, wobei eine Bewegung des Gegenstandes mittels des Tastelementes und der Kraftmesseinrichtung infolge einer Änderung der Haltekraft erfasst werden kann. Der Operateur kann bei Einsatz dieses Instrumentariums seine volle Aufmerksamkeit auf die Bearbeitung des Gegenstandes richten. Es bleibt ihm insbesondere erspart, das Bearbeitungsorgan selbst zu bewegen oder die Antriebseinrichtung zur Bewegung des Bearbeitungswerkzeuges anzusteuern. Dies erfolgt vielmehr unter der Ansteuerung durch die Recheneinheit.It is advantageous if the processing device has a drive unit coupled to the computing unit, with which the processing tool is movable in space, and if the movement of the processing tool is controllable and / or controllable depending on the signal of the force measuring device for maintaining the relative position of the processing tool and the object. This gives in particular the possibility to track the tool, so that the processing device also has a tracking device, for the purpose of which the drive device can move the tool in space so that the position of the machining of the object is maintained. Depending on the signal of the force measuring device, the machining tool can be held in constant relative orientation to the moving object, wherein a movement of the object can be detected by means of the probe element and the force measuring device as a result of a change in the holding force. When using this instrument, the surgeon can pay close attention to the treatment of the object. He remains spared in particular to move the processing member itself or to drive the drive means for moving the machining tool. This happens rather under the control of the arithmetic unit.
Bei der vorstehend erwähnten vorteilhaften Ausführungsform kann insbesondere auf eine Schablone, beispielsweise zum Sägen, Fräsen oder Bohren, an der das Bearbeitungswerkzeug auszurichten ist, eingespart werden. Außerdem kann eine Halterung für eine Schablone eingespart und dadurch die Invasivität weiter verringert werden.In the above-mentioned advantageous embodiment, in particular, a template, for example for sawing, milling or drilling, on which the machining tool is to be aligned, can be saved. In addition, a holder for a template saved and thereby the invasiveness can be further reduced.
Günstigerweise umfasst die Bearbeitungsvorrichtung zwei oder mehr jeweils an einem Gelenk beweglich miteinander verbundene Bearbeitungsvorrichtungssegmente, und die Antriebseinrichtung umfasst bevorzugt Antriebseinheiten, wobei an einem Gelenk jeweils eine Antriebseinheit angeordnet ist, in das Gelenk integriert ist oder das Gelenk ausbildet. Dies erlaubt es, eine kompakte Bauform der Bearbeitungsvorrichtung zu erzielen. Beispielsweise weist die Bearbeitungsvorrichtung einen Bearbeitungsarm auf oder bildet einen solchen, bei dem beweglich miteinander verbundene Bearbeitungsvorrichtungssegmente vorhanden sind und an dessen Arbeitsende das Bearbeitungsorgan angeordnet ist.Conveniently, the machining device comprises two or more machining device segments movably connected to one another at a joint, and the drive device preferably comprises drive units, a drive unit each being arranged on one joint, being integrated into the joint or forming the joint. This makes it possible to achieve a compact design of the processing device. For example, the machining device has or forms a machining arm in which machining device segments which are movably connected to one another are present and at whose working end the machining element is arranged.
Bei den Gelenken kann es sich um Drehgelenke und/oder Schubgelenke handeln.The joints may be pivots and / or push joints.
Vorzugsweise ist die Antriebseinrichtung so ausgebildet, dass das Bearbeitungswerkzeug sechs Freiheitsgrade aufweist und dementsprechend in drei Raumrichtungen translatorisch und in drei Raumrichtungen rotatorisch bewegbar ist.Preferably, the drive device is designed such that the machining tool has six degrees of freedom and, accordingly, is translationally movable in three spatial directions and rotationally movable in three spatial directions.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Instrumentarium eine integrierte Halte- und Bearbeitungsvorrichtung umfasst, die das Tastelement und das Bearbeitungsorgan umfasst. Darunter kann vorliegend insbesondere verstanden werden, dass die Haltevorrichtung und die Bearbeitungsvorrichtung in eine kombinierte, das Tastelement und das Bearbeitungsorgan umfassende Vorrichtung integriert sind. Weiter kann darunter insbesondere verstanden werden, dass die Bearbeitungsvorrichtung die Haltevorrichtung umfasst oder ausbildet oder umgekehrt. Dies erlaubt es, eine konstruktiv besonders einfache Ausgestaltung des Instrumentariums zu erzielen. Es können getrennte Halte- und Bearbeitungsvorrichtungen eingespart werden. Beispielsweise kommt eine integrierte Halte- und Bearbeitungsvorrichtung mit gelenkig miteinander verbundenen Segmenten zum Einsatz, die zugleich Haltevorrichtungssegmente und Bearbeitungsvorrichtungssegmente der integrierten Halte- und Bearbeitungsvorrichtung sind. Es kann nur eine Antriebseinrichtung zum Einsatz kommen, mit der eine Bewegung des Tastelementes und eine Bewegung des Bearbeitungswerkzeuges im Raum abhängig vom Signal der Recheneinheit ausgeführt werden kann. Dadurch kann gleichzeitig eine Positionsänderung des Gegenstandes verfolgt und der Ort der Bearbeitung am Gegenstand beibehalten werden. Relativposition von Tastelement und Gegenstand einerseits und Bearbeitungswerkzeug und Gegenstand andererseits können dadurch konstant gehalten werden. It is particularly advantageous if the instrumentation comprises an integrated holding and processing device which comprises the feeler element and the processing member. In the present case, this can be understood in particular to mean that the holding device and the processing device are integrated in a combined device comprising the probe element and the processing element. Furthermore, this may in particular mean that the processing device comprises or forms the holding device or vice versa. This makes it possible to achieve a structurally particularly simple embodiment of the instrument. It can be saved separate holding and processing devices. For example, an integrated holding and processing device with hingedly interconnected segments is used, which are at the same time holding device segments and processing device segments of the integrated holding and processing device. Only one drive device can be used, with which a movement of the feeler element and a movement of the machining tool in space can be performed depending on the signal of the arithmetic unit. As a result, a change in position of the object can be tracked at the same time and the location of processing on the object can be maintained. Relative position of probe element and object on the one hand and machining tool and object on the other hand can be kept constant.
Vorzugsweise ist das Tastelement am Bearbeitungsorgan festgelegt, wodurch eine konstruktiv einfache Ausgestaltung erzielbar ist.Preferably, the probe element is fixed to the processing element, whereby a structurally simple design can be achieved.
Bei einer besonders einfachen konstruktiven Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass das Bearbeitungsorgan oder dass das Bearbeitungswerkzeug das Tastelement ausbildet. Dies erlaubt es, ein gesondertes Tastelement einzusparen. Beispielsweise kann das den Gegenstand bearbeitende Bearbeitungswerkzeug zugleich das Tastelement sein und mit einer Haltekraft auf den Gegenstand einwirken. Bei einer Bewegung des Gegenstandes kann eine entsprechende Änderung der Haltekraft wie vorstehend erläutert mittels der Kraftmesseinrichtung erfasst werden. Dies erlaubt es, die Positionsänderung des Gegenstandes zu ermitteln und das Bearbeitungswerkzeug zur Nachführung im Raum zu bewegen.In a particularly simple constructive embodiment can be provided that the processing member or that the machining tool forms the probe element. This makes it possible to save a separate probe element. For example, the machining tool which processes the object can at the same time be the feeler element and act on the object with a holding force. During a movement of the object, a corresponding change in the holding force as described above can be detected by means of the force-measuring device. This makes it possible to determine the change in position of the object and to move the machining tool for tracking in space.
Bei einer andersartigen vorteilhaften Ausführungsform des Instrumentariums ist es günstig, wenn die Bearbeitungsvorrichtung eine von der Haltevorrichtung getrennte Vorrichtung ist.In another advantageous embodiment of the instrumentation, it is favorable if the processing device is a separate device from the holding device.
Die Bearbeitungsvorrichtung kann beispielsweise einen Roboterarm umfassen oder als solcher ausgestaltet sein, an dessen Arbeitsende das Bearbeitungsorgan angeordnet ist. Die Recheneinheit kann in den Roboterarm integriert sein oder getrennt von diesem und mit dem Roboterarm signalwirksam verbunden sein.The processing device may for example comprise a robot arm or be configured as such, at the working end of which the processing member is arranged. The arithmetic unit may be integrated into the robot arm or separated from it and connected to the robot arm signal effective.
Die eingangs gestellte Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass als Halteelement ein Tastelement verwendet wird, über das der Gegenstand mit einer Haltekraft beaufschlagt wird, dass mit einer Kraftmesseinrichtung mit mindestens einem Kraftsensor eine Änderung der Haltekraft am Tastelement erfasst und mit einer Recheneinheit abhängig von einem diesbezüglichen Signal der Kraftmesseinrichtung eine Positionsänderung des Gegenstandes festgestellt wird.The object stated in the introduction is achieved in a generic method according to the invention in that a probe element is used as the holding element, via which the object is subjected to a holding force, that detects a change in the holding force on the probe element with a force measuring device having at least one force sensor and a computing unit depending on a relevant signal of the force measuring device, a change in position of the object is detected.
Die bereits im Zusammenhang mit der Erläuterung des erfindungsgemäßen Instrumentariums erwähnten Vorteile können unter Ausübung des Verfahrens ebenfalls erzielt werden. Es kann daher diesbezüglich auf voranstehende Erläuterungen verwiesen werden.The advantages already mentioned in connection with the explanation of the instrumentation according to the invention can also be achieved by practicing the method. It can therefore be made in this regard to the above explanations.
In entsprechender Weise kann in Bezug auf mögliche vorteilhafte Ausführungsbeispiele des Verfahrens auf die voranstehenden Erläuterungen zu vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Instrumentariums verwiesen werden. Deren Merkmale können zur Ausbildung vorteilhafter Ausführungsbeispiele des Verfahrens dienen.In a corresponding manner, with regard to possible advantageous embodiments of the method, reference may be made to the above explanations on advantageous embodiments of the instrumentation according to the invention. Their features can serve to form advantageous embodiments of the method.
Insbesondere ist es günstig, wenn das Instrumentarium eine Bearbeitungsvorrichtung aufweist, die ein chirurgisches Bearbeitungsorgan mit einem mittels einer Antriebseinrichtung beweglichen Bearbeitungswerkzeug zum Bearbeiten des Gegenstandes umfasst, wobei die Bewegung des Bearbeitungswerkzeuges abhängig vom Signal der Kraftmesseinrichtung gesteuert und/oder geregelt wird zum Aufrechterhalten der Relativposition des Bearbeitungswerkzeuges und des Gegenstandes.In particular, it is expedient for the instrumentation to have a processing device which comprises a surgical processing element with a machining tool for processing the object, the movement of the machining tool being controlled and / or regulated in dependence on the signal of the force measuring device in order to maintain the relative position of the tool Machining tool and the object.
Die nachfolgende Beschreibung vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:The following description of advantageous embodiments of the invention is used in conjunction with the drawings for a more detailed explanation of the invention. Show it:
wobei mit den Instrumentarien gemäß den
being with the instruments according to the
Die Bearbeitungsvorrichtung
Benachbarte Segmente sind an einem jeweiligen Gelenk
Bei den die Segmente
Diese Anordnung der Segmente
Die Bearbeitungsvorrichtung
Die Bearbeitungsvorrichtung
Zum Ansteuern der Antriebseinrichtung
Die Bearbeitungsvorrichtung
An dem dem Aufstellelement
Die Bearbeitungsvorrichtung
Die Bearbeitungsvorrichtung
Das Instrumentarium
Die Anzahl der jeweiligen Segmente
An einem freien Arbeitsende der Haltevorrichtung
Das Halteelement
Die von der Haltevorrichtung
Die Haltevorrichtung
Die Recheneinheit
Das Verfolgen einer Positionsänderung der Tibia
Die Kraftbeaufschlagung über das Tastelement
"Haltevorrichtung" im Fall der vorliegenden Erfindung heißt dementsprechend nicht notwendigerweise Festhaltevorrichtung. Eine Bewegung des zu bearbeitenden Gegenstandes, hier der Tibia
Abhängig vom Signal der Kraftsensoren
Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Ort der Bearbeitung der Tibia
Der Operateur kann seine Aufmerksamkeit auf den Fortgang der Bearbeitung richten und braucht das Bearbeitungsorgan
Über die Leitung
Auch die Antriebseinrichtung
Während bei dem Instrumentarium
Entsprechend der Integration der Bearbeitungsvorrichtung
Die Recheneinheit
Beim Instrumentarium
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