DE102014204568B4

DE102014204568B4 - Chirurgisches Instrument

Info

Publication number: DE102014204568B4
Application number: DE102014204568.1A
Authority: DE
Inventors: Timo Cuntz; Tim Bäumlisberger; Dominik Kaltenbacher; Arash Sanagoo
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2019-05-23
Anticipated expiration: 2034-03-13
Also published as: DE102014204568A1

Abstract

Chirurgisches Instrument mit
einem Manipulator, der eine erste (1) und eine zweite Branche (2) aufweist,
wobei die erste und die zweite Branche (2) einen Winkel um eine gemeinsame Branchenachse (3) einschließen und um die gemeinsame Branchenachse (3) gegeneinander drehbar sind, einem Zylinderträger (6), der den Manipulator trägt, zumindest einem ersten Hydraulikzylinder (4a) der ersten Branche (1), der einerseits mit dem Zylinderträger (6) und andererseits mit der ersten Branche (1) so verbunden ist, dass durch den ersten Hydraulikzylinder (4a) der ersten Branche (1) eine Druckkraft auf die erste Branche (1) ausübbar ist, so dass die erste Branche durch den Hydraulikzylinder der ersten Branche (1) um die Branchenachse (3) drehbar ist und zumindest einem ersten Hydraulikzylinder (4c) der zweiten Branche (2), der nicht der Hydraulikzylinder (4a) der ersten Branche (1) ist, der einerseits mit dem Zylinderträger (6) und andererseits mit der zweiten Branche (2) so verbunden ist, dass durch den ersten Hydraulikzylinder (4c) der zweiten Branche (2) eine Druckkraft auf die zweite Branche (2) ausübbar ist, so dass die zweite Branche (2) durch den Hydraulikzylinder der zweiten Branche (2) um die Branchenachse (3) drehbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein chirurgisches Instrument, das vorteilhaft in der minimal invasiven Chirurgie zum Einsatz kommen kann. Das erfindungsgemäße chirurgische Instrument weist einen Manipulator mit zwei Branchen auf, die über jeweils einen Hydraulikzylinder an einem Zylinderträger angeordnet sind und durch den entsprechenden Zylinder jeweils bewegbar sind.
Um den Patienten zu schonen, seine Rekonvaleszenz zu beschleunigen und kosmetische Beeinträchtigungen zu verhindern, werden chirurgische Eingriffe im Bauchraum zunehmend minimal invasiv (laparoskopisch) durchgeführt. Bei dieser Operationstechnik eröffnet der Chirurg den Bauch nicht vollständig, sondern führt über kleine Schnitte in der Bauchdecke eine je nach Operationstyp unterschiedliche Anzahl starrer Zugangsröhren (Trokare) in den Körper des Patienten ein. Die Trokare sind Arbeitskanäle, durch die die langen, stabförmigen Instrumente in den mittels Gasinsufflation aufgeblähten Bauchraum eingeführt und bedient werden. Das Arbeiten mit diesen geraden Instrumenten ist sehr schwierig, da sie nur sehr eingeschränkte Bewegungsfreiheitsgrade ermöglichen. Die diese Operationsmethode praktizierenden Ärzte benötigen eine sehr lange Lernphase.
Gerade bei komplizierten Operationen benötigen die Chirurgen teilweise hundert und mehr Übungseingriffe bis sie alleine und selbstständig mit starren, geraden Instrumenten arbeiten können. Neue Operationsmethoden wie das Operieren durch natürliche Körperöffnungen und minimalinvasive Eingriffe durch nur einen einzigen kleinen Hautschnitt sind mit den geraden Instrumenten noch einmal eine Stufe schwieriger, da der Chirurg bedingt durch das lange flexible Endoskop oder das eine Loch in der Bauchdecke wie mit zusammengebundenen Händen arbeitet.
Chirurgische Instrumente mit mehreren Freiheitsgraden an der Spitze erleichtern den Ärzten das Leben erheblich. Sie müssen durch sie nicht mehr mit geraden stets in eine Richtung zeigenden Instrumenten hantieren. Beispiele für Lösungsansätze für dieses Problem sind das Endowrist des DaVinci Roboters, die r2 DRIVE Instrumente der Firma Tübingen Scientiffic, der Kymerax der Firma Terumo, Jaimy der Firma Endo Control .
Die US 2006/0235368 A1 beschreibt verschieden Ausführungsformen, um ein endoskopisches Werkzeug über Kolben zu aktuieren. In einer Ausgestaltung weist das Werkzeug zwei Kolben auf, die über Drähte mit zwei Branchen eines Werkzeugs verbunden sind. Durch Aktuierung der Kolben ziehen die Drähte die Branchen zusammen. Eine zwischen den Branchen abgeordnete Feder erzeugt eine Gegenkraft, durch welche die Branchen wieder geöffnet werden können.
Die FR 2933601 A1 beschreibt ein chirurgisches Instrument, das durch Kolben aktuiert wird. Dabei greifen zwei Kolben an einer Branche des Instruments an, während die andere Branche fest ist. Die beiden Kolben bewegen die bewegliche Branche in entgegengesetzte Richtungen gegenüber der festen Branche.
Die EP 1785097 B1 beschreibt chirurgische Instrumente für endoskopische Behandlungen, in denen eine bewegliche Branche gegenüber einer festen Branche bewegt wird.
Diese Instrumente, die den Stand der Technik beschreiben, haben allerdings einen entscheidenden Nachteil. Die Kraft wird am Handgriff durch die Hand oder Motoren erzeugt und dann mittels Schubstangen oder Seilzügen an die Spitze des Instrumentes übertragen. Auf Grund der komplizierten mechanischen Kraftübertragung sind sie nur mit einem starren geraden Schaft ausführbar. Speziell gebogene Instrumente lassen sich nur sehr eingeschränkt, flexible Instrumente wie sie in der flexiblen Endoskopie benötigt werde, lassen sich mit diesen mechanischen Aufbauten überhaupt nicht realisieren. Ein zweites Problem dieser mechanischen Lösungen ist die Krafterzeugung und Bewegungseingabe. Erfolgt beides direkt über einen Handgriff, dann entstehen komplizierte Instrumente, deren Bedienung nur mit sehr großem Lernaufwand und dann auch nur eingeschränkt sinnvoll möglich ist. Mangelnde Stabilität und Kraftübertragung sind weitere Probleme dieser Systeme, welche eine robuste Gewebemanipulation verhindern. Wird die Krafterzeugung mit Motoren realisiert und die Bewegungseingabe erfolgt über ein Eingabeinterface, ist zwar eine einfache und intuitive Bedienung möglich, das gesamte Instrumentarium inklusive Haltearmen wird aber schwer, groß, und unhandlich. Allen Lösungen gemein ist, dass sie nur als starre, gerade (oder fast gerade) Instrumente verfügbar und absolut nicht für den Einsatz in flexiblen Endoskopen geeignet sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik zu überwinden. Aufgabe ist es daher insbesondere, ein chirurgisches Instrument anzugeben, das in der flexiblen Endoskopie einsetzbar ist und eine hohe Stabilität bei guter Kraftübertragung gewährleistet. Diese Aufgabe wird gelöst durch das chirurgische Instrument nach Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche geben vorteilhaft Weiterbildungen des chirurgischen Instrumentes nach Anspruch 1 an.
Erfindungsgemäß wird ein chirurgisches Instrument angegeben, das einen Manipulator mit einer ersten und einer zweiten Branche aufweist, wobei die erste und die zweite Branche einen Winkel um eine gemeinsame Branchenachse einschließen und um die gemeinsame Branchenachse gegeneinander drehbar sind. Die Branchen können beispielsweise Greifbacken oder Schneiden einer Zange oder Schere sein. Die Branchen können vorteilhaft über ein Gelenk miteinander verbunden sein, dessen Gelenkachse mit der besagten Branchenachse übereinstimmt. Den Branchen kann vorteilhafterweise jeweils eine Längsachse zugewiesen werden, entlang derer sie sich länglich erstrecken. Die Längsachsen der beiden Branchen können sich dann vorteilhafterweise auf der Branchenachse schneiden, die senkrecht zu den Längsachsen stehen kann. Der genannte Winkel kann dann vorteilhaft zwischen diesen Längsachsen vorliegen. Liegen die Branchen aneinander an, zum Beispiel wenn die Zange oder Schere geschlossen ist, so ist der Winkel vorteilhafterweise Null.
Das erfindungsgemäße chirurgische Instrument weist außerdem einen Zylinderträger auf, der den Manipulator trägt.
Das erfindungsgemäße chirurgische Instrument weist zumindest einen ersten Hydraulikzylinder der ersten Branche auf, der auf seiner einen Seite mit dem Zylinderträger verbunden ist und mit seiner anderen Seite mit der ersten Branche verbunden ist. Der erste Hydraulikzylinder kann also kinematisch zwischen der ersten Branche und dem Zylinderträger angeordnet sein. Der Hydraulikzylinder muss nicht notwendigerweise unmittelbar mit dem Zylinderträger oder der entsprechenden Branche verbunden sein, sondern kann auch über Zwischenelement wie beispielsweise Pleuel mit dem entsprechenden Element verbunden sein.
Der erste Hydraulikzylinder der ersten Branche ist mit dem Zylinderträger und der ersten Branche so verbunden, dass durch den ersten Hydraulikzylinder der ersten Branche eine Druckkraft auf die erste Branche ausübbar ist, so dass die erste Branche durch den Hydraulikzylinder der ersten Branche um die Branchenachse drehbar ist.
Das erfindungsgemäße chirurgische Instrument weist außerdem zumindest einen ersten Hydraulikzylinder der zweiten Branche auf, der mit seiner einen Seite mit dem Zylinderträger verbunden ist und mit seiner anderen Seite mit der zweiten Branche verbunden ist. Dabei ist wiederum der erste Hydraulikzylinder der zweiten Branche mit dem Zylinderträger und der zweiten Branche so verbunden, dass durch den ersten Hydraulikzylinder der zweiten Branche eine Druckkraft auf die zweite Branche ausübbar ist, so dass die zweite Branche durch den Hydraulikzylinder der zweiten Branche um die Branchenachse drehbar ist. Der erste Hydraulikzylinder ersten Branche und der erste Hydraulikzylinder der zweiten Branche sind hierbei zwei Hydraulikzylinder, nicht ein gemeinsamer.
Dass durch einen Hydraulikzylinder eine Druckkraft auf eine Branche ausübbar ist, bedeutet hier vorzugsweise, der Hydraulikzylinder eine Kraft in jener Richtung ausübt, in der sich die Kolbenstange bewegt, wenn sie sich aus dem Kolben hinausbewegt. Vorzugsweise wird also als Druckkraft eine Kraft in Richtung einer kinematischen Kette ausgeübt, welche den Kolben mit der entsprechenden Branche verbindet.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau können die beiden Branchen jeweils unabhängig voneinander um die Branchenachse bewegbar sein. Hierdurch wird es zum Beispiel möglich, dass der Manipulator als Ganzes, also beispielsweise die Schere oder die Zange als Ganzes, um die Branchenachse abgewinkelt werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das chirurgische Instrument außerdem einen Instrumentenschaft auf, an dem der Zylinderträger und über diesen der Manipulator angeordnet sind. Es kann hierbei vorteilhaft das chirurgische Instrument außerdem zumindest einen ersten Träger-Hydraulikzylinder aufweisen, der mit seiner einen Seite mit dem Zylinderträger und mit seiner anderen Seite mit dem Instrumentenschaft so verbunden ist, dass der Zylinderträger um eine Trägerachse drehbar ist, wobei vorzugsweise die Trägerachse senkrecht zur Branchenachse steht. Mittels dieses Trägerhydraulikzylinders kann der Zylinderträger gegenüber dem Instrumentenschaft abgewinkelt werden. Dies erhöht die Beweglichkeit des Manipulators. Wiederum ist es nicht notwendig, dass der Träger-Hydraulikzylinder mit dem Instrumentenschaft oder mit dem Zylinderträger unmittelbar verbunden ist. Die Verbindung kann optional auch über Zwischenelemente hergestellt werden. Eine unmittelbare Verbindung ist jedoch möglich.
Der Hydraulikzylinder der ersten Branche und/oder der Hydraulikzylinder der zweiten Branche und/oder der zumindest eine erste Träger-Hydraulikzylinder können doppelt wirkende Hydraulikzylinder sein oder Hydraulikzylinder mit Rückstellvorrichtung.
Doppelt wirkende Hydraulikzylinder weisen dabei zwei Hydraulikkammern im Zylindergehäuse des entsprechenden Hydraulikzylinders auf gegenüberliegenden Seiten des Kolbens auf. Der Kolben wird dadurch bewegt, dass in die nicht vollständig, sondern führt eingeführt wird und gleichzeitig aus der anderen Hydraulikkammer Hydraulikflüssigkeit abgeleitet wird.
Hydraulikzylinder mit Rückstellvorrichtung können einfach wirkende Zylinder sein mit einer Hydraulikkammer auf nur einer Seite des Kolbens. Diese Hydraulikzylinder können dann ein rückstellendes Element wie beispielsweise eine Feder oder einen elastischen Draht aufweisen, die vorzugsweise eine Kraft auf den Kolben ausübt, die jener Kraft entgegen gerichtet ist, die der Kolben erfährt, wenn Hydraulikflüssigkeit in die Hydraulikkammer eingeleitet wird.
Hydraulikzylinder mit Rückstellvorrichtung und insbesondere doppelt wirkende Hydraulikzylinder ermöglichen eine Realisierung des chirurgischen Instrumentes mit nur einem einzigen Hydraulikzylinder für die erste Branche, einem einzigen Hydraulikzylinder für die zweite Branche und einem einzigen Hydraulikzylinder als Träger-Hydraulikzylinder.
Vorteilhafterweise kann das erfindungsgemäße chirurgische Instrument weiter einen zweiten Hydraulikzylinder der ersten Branche und einen zweiten Hydraulikzylinder der zweiten Branche aufweisen, wobei der zweite Hydraulikzylinder der ersten Branche auf seiner einen Seite mit dem Zylinderträger und auf seiner anderen Seite mit der erste Branche so verbunden ist, dass er bei gleicher Auslenkung wie der erste Hydraulikzylinder der ersten Branche die erste Branche in entgegengesetzter Richtung um die Branchenachse dreht wie der erste Hydraulikzylinder der ersten Branche. Außerdem kann hierbei der zweite Hydraulikzylinder der zweiten Branche mit seiner einen Seite mit dem Zylinderträger und mit seiner anderen mit der zweiten Branche so verbunden sein, dass er bei gleicher Auslenkung wie der erste Hydraulikzylinder der zweiten Branche die zweite Branche in entgegengesetzter Richtung um die Branchenachse dreht wie der erste Hydraulikzylinder der zweiten Branche.
Dass der erste bzw. der zweite Hydraulikzylinder der jeweiligen Branche bei gleicher Auslenkung die entsprechende Branche in entgegengesetzter Richtung um die Branchenachse bewegt kann dadurch erreicht werden, dass der entsprechende Hydraulikzylinder auf gegenüberliegenden Seiten der Branchenachse an der entsprechenden Branche angreift. Die gleiche Auslenkung kann darin bestehen, dass beide Hydraulikzylinder die Kolbenstange ausfahren oder dass beide Hydraulikzylinder die Kolbenstange einfahren. Die entsprechende Bewegung der Kolbenstange führt dann beim einen Zylinder zu einer Drehung der Branche um die Branchenachse in einer Richtung während die gleiche Bewegung des anderen Zylinders zu einer Drehung der Branche um die Branchenachse in die andere Richtung führt.
Auch die zweiten Hydraulikzylinder der ersten und/oder der zweiten Branche sind vorzugsweise so ausgestaltet und angeordnet, dass durch sie eine Druckkraft auf die entsprechende Branche ausübbar ist.
Das chirurgische Instrument kann in diesem Fall also vorteilhafterweise so ausgestaltet sein, dass eine Verbindung, über die der erste Hydraulikzylinder der ersten Branche an der ersten Branche angreift und eine Verbindung, über die der zweite Hydraulikzylinder der ersten Branche an der ersten Branche angreift sich bezüglich der Branchenachse diametral und besonders bevorzugt mit gleichem Abstand zur Branchenachse gegenüberliegen. Zusätzlich oder alternativ kann eine Verbindung, über die der erste Hydraulikzylinder der zweiten Branche an der zweiten Branche angreift und eine Verbindung über die der zweite Hydraulikzylinder der zweiten Branche an der zweiten Branche angreift sich bezüglich der Branchenachse diametral und besonders bevorzugt mit gleichem Abstand zur Branchenachse gegenüber liegen. Die entsprechende Branche kann hierzu vorteilhafterweise einen Bereich aufweisen, mit welchem sie die Branchenachse umschließt. In diesem Bereich können die entsprechenden Hydraulikzylinder oder Elemente, über welche die Hydraulikzylinder mit der entsprechenden Branche verbunden sind, angreifen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der erste Hydraulikzylinder der ersten Branche und/oder der zweite Hydraulikzylinder der ersten Branche mit der ersten Branche über jeweils einen Pleuel verbunden sein. Auch kann vorteilhaft der erste Hydraulikzylinder in der zweiten Branche und/oder der zweite Hydraulikzylinder der zweiten Branche mit der zweiten Branche über jeweils einen Pleuel verbunden sein. Es greift also in diesem Fall jene Seite des entsprechenden Hydraulikzylinders, welche nicht mit dem Zylinderträger verbunden ist, an dem Pleuel, vorzugsweise an einem seiner Enden, an, und jene Seite des Pleuels, vorzugsweise jenes Ende des Pleuels, dass nicht mit dem Kolben verbunden ist, greift an der entsprechenden Branche an.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der erste Hydraulikzylinder der ersten Branche und der zweite Hydraulikzylinder der ersten Branche mit zueinander parallelen Zylinderachsen und/oder Kolbenstangen an oder in dem Zylinderträger angeordnet sein. Entsprechend kann der erste Hydraulikzylinder der zweiten Branche und der zweite Hydraulikzylinder der zweiten Branche mit zueinander parallelen Zylinderachsen und/oder Kolbenstangen an oder in dem Zylinderträger angeordnet sein. Es kann beispielsweise der Zylinderträge rohrförmig oder zylinderförmig mit Hohlraum im Inneren ausgestaltet sein, und die Hydraulikzylinder der ersten und der zweiten Branche können im Inneren dieses Hohlraums wie oben beschrieben angeordnet sein. Die Kolbenstangen können dann aus dem Hohlraum hinaus reichen und über den Rand des Zylindergehäuses des Zylinderträgers hinausstehen. Bevorzugterweise können alle Hydraulikzylinder beider Branchen zueinander parallel angeordnet sein, d.h. mit zueinander parallelen Zylinderachsen und/oder mit zueinander parallelen Kolbenstangen. Besonders bevorzugt können die Mittelachsen der Hydraulikzylinder dabei auf den Ecken eines Quadrates liegen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das chirurgische Instrument zusätzlich einen zweiten Träger-Hydraulikzylinder aufweisen, der nicht der erste Träger-Hydraulikzylinder ist, und der mit seiner einen Seite mit dem Zylinderträger verbunden ist und mit seiner anderen Seite mit dem Instrumentenschaft verbunden ist, sodass der Zylinderträger mit dem zweiten Träger-Hydraulikzylinder bei gleicher Auslenkung wie der erste Träger-Hydraulikzylinder in entgegengesetzte Richtung wie mit dem ersten Träger-Hydraulikzylinder drehbar ist.
Dass ein Zylinder mit seiner einer Seite oder einerseits mit dem Instrumentenschaft oder dem Zylinderträger verbunden ist und mit seiner anderen Seite oder andererseits mit der entsprechenden Branche oder dem Zylinderträger bedeutet vorzugsweise, dass der entsprechende Hydraulikzylinder auf der einen Seite mit seinem Kolbengehäuse an dem entsprechenden Element verbunden ist und auf seiner anderen Seite mit seiner Kolbenstange mit dem entsprechenden anderen Element. Vorzugsweise sind die Hydraulikzylinder der Branchen mit ihrer Kolbenstange mit den entsprechenden Branchen verbunden. Die Träger-Hydraulikzylinder sind vorzugsweise mit ihrem Gehäuse mit dem Instrumentenschaft verbunden und mit ihrer Kolbenstange mit dem Zylinderträger.
Vorteilhafterweise kann der erste Träger-Hydraulikzylinder und/oder gegebenenfalls der zweite Träger-Hydraulikzylinder mit dem Zylinderträger über jeweils einen Pleuel verbunden sein. Der Pleuel greift dann vorzugsweise einerseits an der Kolbenstange des Träger-Hydraulikzylinders an und andererseits am Zylinderträger.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, dass die Kolbenstange des ersten Hydraulikzylinders der ersten Branche und/oder die Kolbenstange des zweiten Hydraulikzylinders der ersten Brache unmittelbar mit der ersten Branche verbunden ist. Auch kann eine Kolbenstange des ersten Hydraulikzylinders der zweiten Branche und/oder eine Kolbenstange des zweiten Hydraulikzylinders der zweiten Branche unmittelbar mit der zweiten Branche verbunden sein. Die entsprechende Kolbenstange ist dann mit der entsprechenden Branche über ein Gelenk verbunden. Die Gelenksachse dieses Gelenkes steht vorzugsweise parallel zur Branchenachse.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das chirurgische Instrument außerdem zwei Branchenachsen-Hydraulikzylinder aufweisen, die mit ihrer einen Seite an der Branchenachse angreifen und mit ihrer jeweils anderen Seite an voneinander beabstandeten Punkten mit dem Zylinderträger verbunden sind. In dieser Ausgestaltung kann vorteilhafterweise der Manipulator mit den beiden Branchen ausschließlich durch die Hydraulikzylinder der ersten und zweiten Branche sowie durch die Branchenachsen-Hydraulikzylinder gegenüber dem Zylinderträger gehalten werden.
Vorteilhafterweise kann der Zylinderträger mit dem Instrumentenschaft über ein um die Trägerachse drehbares Gelenk verbunden sein. Es kann dann der zumindest eine erste Träger-Hydraulikzylinder an einem Punkt mit dem Zylinderträger verbunden sein, der gegenüber der Trägerachse beabstandet ist. Eine Betätigung des Träger-Hydraulikzylinders führt also zu einer Drehung des Zylinderträgers um die Trägerachse.
Vorteilhafterweise kann der Zylinderträger als quadratischer oder rechteckiger Rahmen ausgestaltet sein, dessen eine Seite koaxial zur Trägerachse verläuft und an dessen gegenüberliegender Seite der Träger-Hydraulikzylinder angreift. Der Instrumentenschaft kann hier vorteilhafterweise ein Element aufweisen, dass in einer Ebene senkrecht zur Trägerachse eine dreieckige Form hat. Die Trägerachse kann dann durch eine der Ecken dieses Dreiecks verlaufen während der Träger-Hydraulikzylinder an seiner dem Zylinderträger abgewandten Seite an einer anderen Ecke des Dreiecks angreift. Vorzugsweise werden zwei solche Dreiecksformen vorgehen, die parallel zueinander liegen.
Vorzugsweise ist der Träger-Hydraulikzylinder an seiner dem Zylinderträger abgewandten Seite um eine zu seiner Zylinderachse senkrechte Achse drehbar gelagert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der Instrumentenschaft ein Gelenk aufweisen, an welchem zwei über das Gelenk verbundene Teile des Instrumentenschaftes um eine zu einer zentralen Achse des Instrumentenschaftes koaxiale Achse gegeneinander drehbar sind. Es ist durch dieses Gelenk also vorzugsweise eine Drehung des Manipulators um die Längsachse des Instrumentenschaftes bewirkbar. Hierdurch erhält der Chirurg einen weiteren Freiheitsgrad zur Bewegung des Manipulators.
Die Erfindung kann in ihren vorteilhaften Ausgestaltungen beispielsweise folgende Vorteile realisieren.
Durch hydraulische Antriebe sind sehr flexible Zuleitungen möglich. Vorteil: Sehr gut für den Einsatz in flexiblen Endoskopen, speziell vorgebogenen Instrumenten, und NOTES Operationen geeignet.
Im Gegensatz zu mechanisch betätigten Instrumenten lässt sich der Schaft der Hydraulischen Version beliebig ausführen. So könne speziell für die Wirbelsäulen oder die Single-Port-Chirurgie gekrümmte Instrumente aufgebaut werden, die mehrere Freiheitgrade an der Spitze besitzen. Für die flexible Endoskopie lassen sich Instrumente aufbauen, die trotz eines flexiblen Schafts mehrere Freiheitsgrade an der Spitze besitzen. Diese Instrumente vereinfachen die beschriebenen Operationsmethoden erheblich oder machen einige Eingriffe erst möglich, welche mit geraden starren Instrumenten undenkbar sind
Es besteht vorteilhafterweise eine sehr geringe Reibung durch die hydraulische Übertragung die sich auch bei kleinen Biegeradien und großen Kräften nicht erhöht. Vorteil: Ein gutes Haptisches Feedback, gefühlvolleres Arbeiten ist möglich. Bei Bowdenzügen welche in vielen Instrumenten verbaut sind, erhöht sich die innere Reibung stark, wenn sie nicht gerade verlaufen. Bei Hydraulischen Systemen verändert sich die Reibung in den Zuleitungen durch ein nicht geraden Verlauf nicht.
Durch Biegen der Hydraulikleitung wird anders als beim Bowdenzug keine zusätzliche Zugkraft auf die Branchen des Instruments ausgeübt. Vorteil: Branchen öffnen oder schließen sich nicht ungewollt, sehr genaues Arbeiten wird möglich.
Durch die Biegung werden Bowdenzüge aus der neutralen Faser, also der Mittellinie ihrer Hüllrohre gezogen und verändern dadurch ihre effektive Länge was sich in einer Verstellung der Branchensteilung an der Spitze äußert. Dieses Problem haben hydraulische Antriebe nicht und können daher viel genauer bedient werden.
Durch optionale zwei um 90° zueinander verdrehte Achsen wird die Instrumentenspitze sehr robust. Vorteil: Sehr genaue und kraftvolle Bewegungen der Instrumentenspitze möglich, kein Wackeln der Instrumentenspitze. Ein wesentlicher Nachteil vieler Instrumente des Standes der Technik ist eine mangelnde Robustheit bei der Manipulation von Gewebe. Durch den sehr kompakten Aufbau mit den zwei Achsen lassen sich die Instrumente viel stabiler bauen.
Die Druckerzeugung der Hydraulik kann abseits des Op-Tisches stehen. Vorteil: Es können sehr leichte und kompakte aber dennoch durch Aktoren angetriebene Instrumente aufgebaut werden.
Ein großer Nachteil von durch Motoren angetriebenen Systemen ist, dass sie zu schwer sind oder zu viel Platz am OP-Tisch brauchen. Durch die Auslagerung der Druckerzeugung abseits des OP-Tischs können die Hydraulikinstrumente sehr leicht sein und brauchen keinen zusätzlichen Platz am Op-Tisch. Sie benötigen lediglich einen Anschluss an die Druckerzeugung über Hydraulikleitungen, die aber aufgrund der kleinen Arbeitsvolumina der eingesetzten Zylinder nur minimalste Durchmesser benötigen.
Durch alle Vorteile zusammen ist es möglich sehr robuste und genaue Instrumente mit zusätzlichen Freiheitsgraden an der Spitze mit dennoch flexiblen Zuleitungen zu bauen.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand einiger Figuren beispielhaft erläutert werden. Die in den Beispielen beschriebenen Merkmale können dabei auch unabhängig vom Beispiel realisiert sein und unter verschiedenen Beispielen kombiniert werden. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen gleiche oder entsprechende Merkmale.
Es zeigt:

1 eine Außenansicht eines erfindungsgemäßen chirurgischen Instrumentes,
2 einen Schnitt und eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen chirurgischen Instrumentes,
3 einen zu 2 senkrechten Schnitt und eine zu 2 senkrechte Außenansicht eines erfindungsgemäßen chirurgischen Instrumentes, und
4 eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen chirurgischen Instrumentes in drei Positionen.

1 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen chirurgischen Instrumentes. Das chirurgische Instrument weist hierbei einen Manipulator auf, der eine erste Branche 1 und eine zwei Branche 2 hat, wobei die erste Branche 1 und die zweite Branche 2 einen Winkel um eine gemeinsame Branchenachse 3 einschließen und um die gemeinsame Branchenachse 3 gegeneinander drehbar sind. Die Branchen 1 und 2 sind an einem Zylinderträger 6 angeordnet, der den Manipulator trägt.
Im gezeigten Beispiel ist der Zylinderträger 6 seinerseits an einem Instrumentenschaft 14 angeordnet, und gegenüber diesen um eine Trägerachse 7 drehbar. Im gezeigten Beispiel steht die Trägerachse 7 senkrecht zur Branchenachse 3.
Der Instrumentenschaft 14 weist zwei Teile 14a und 14b auf, die gegeneinander an einem Gelenk 16 drehbar sind. Die Drehachse liegt hierbei koaxial zu einer Zylinderachse des Instrumentenschaftes 4.
Sowohl der Zylinderträger 6, wie auch der Instrumentenschaft 14 können in diesem Beispiel zylinderförmig ausgestaltet sein.
Die Branchen 1 und 2 können beispielsweise Branchen einer Zange oder Schere sein. Sie können in diesem Beispiel unabhängig voneinander um die Branchenachse 3 bewegbar sein. Hierdurch kann der Manipulator um die Branchenachse 3 abgewinkelt werden. Der Antrieb der Branchen erfolgt hierbei über Hydraulikzylinder. Dabei können die Zylinder jeweils über Pleuel 5b und 5c mit der entsprechenden Branche 1 bzw. 2 verbunden sein.
2 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen chirurgischen Instrumentes. Dabei zeigt das linke Teilbild einen Schnitt durch das Instrument in einer Ebene senkrecht zur Branchenachse und das rechte Teilbild zeigt eine seitliche Ansicht des im linken Teilbild gezeigten Instrumentes mit einer Blickrichtung senkrecht auf die Branchenachse 3. Im rechten Teilbild ist die Schnittebene des linken Teilbildes als B eingezeichnet. Der Manipulator weist in 2 die Branchen 1 und 2 auf, die hier in geschlossener Form dargestellt sind, so dass der Winkel zueinander Null ist. Die Branchen 1 und 2 weisen jeweils einen länglichen Bereich auf, mit welchem sie im geschlossenen Zustand aneinander liegen. Darüber hinaus können die Branchen im gezeigten Beispiel einen Bereich aufweisen, mit welchem sie die Branchenachse 3 umgegeben. In 2 ist dieser Bereich kreisförmig. Die Branchenebene kann vorzugsweise zwischen zwei Ösen des Zylinderträgers 6, in diese eingreifend, verlaufen.
Die erste Branche 1 ist mit einem ersten Hydraulikzylinder 4a der ersten Branche über ein Pleuel 5a verbunden. Der Pleuel 5a greift hierbei zum einen am kreisförmigen Bereich der ersten Branche 1 an und zum anderen an einer Kolbenstange des ersten Hydraulikzylinders 4a der ersten Branche 1. Darüber hinaus ist die erste Branche 1 mit einem zweiten Hydraulikzylinder 4b der ersten Branche 1 über einen Pleuel 5b verbunden. Der Pleuel 5b greift also zum einen an einer Kolbenstange des zweiten Hydraulikzylinders 4b und zum anderen an einem kreisförmigen Bereich der ersten Branche 1 an. Dabei greift der zweite Pleuel 5b an der Branche 1 diametral gegenüber dem ersten Pleuel 5a an. Der Abstand der Angriffspunkte zur Branchenachse 3 kann hierbei gleich sein. Es sei darauf hingewiesen, dass der zweite Hydraulikzylinder 4b und der zweite Pleuel 5b hier optional sind. Alternativ könnte beispielsweise auch der erste Hydraulikzylinder 4a der ersten Branche 1 doppelt wirkend sein oder ein Rückstellelement aufweisen. Das Rückstellelement muss nicht Teil des Hydraulikzylinders 4a sein, sondern könnte auch anders eine rückstellende Kraft auf die erste Branche 1 ausüben, beispielsweise in Form einer um die Branchenachse 3 wirkenden Feder.
Der erste und der zweite Hydraulikzylinder 4a und 4b der ersten Branche 1 können im Beispiel im Inneren des zylinderförmigen Zylinderträgers 6 angeordnet sein und die Pleuel 5a und 5b können aus dem Inneren dieses Zylinders heraus greifen. Der Manipulator kann dann oberhalb des Zylinderträgers angeordnet sein.
Der Zylinderträger 6 ist gegenüber dem Instrumentenschaft um die Trägerachse 7 drehbar. Die Drehung kann bewirkt werden über zumindest einen Trägerhydraulikzylinder 8a. Dieser ist mit seinem einen Ende am Instrumentenschaft angeordnet und mit seinem anderen Ende, vorzugsweise mit seinem Kolben oder seiner Kolbenstange am Zylinderträger. Im gezeigten Beispiel greift die Kolbenstange des Trägerhydraulikzylinders 8a über einen Pleuel 9a am Zylinderträger 6 an.
Die Hydraulikzylinder 4a, 4b sind über Hydraulikleitungen 10 mit Hydraulikflüssigkeit versorgbar. Diese sind in 2 zu erkennen. Die Hydraulikzylinder 4a und 4b der Branchen weisen außerdem Entlüftungen 11 auf.
Wie in 2 zu erkennen ist, können vorzugsweise im Inneren des Instrumentenschaftes 14 Durchführungen für die Hydraulikzuleitungen der Hydraulikzylinder 4a, 4b der Branchen vorgesehen sein.
3 zeigt das chirurgische Instrument des in 2 gezeigten Beispiels in einer um 90° versetzten Sichtrichtung. Im rechten Teilbild der 3 verläuft die Sichtrichtung parallel zur Branchenachse 3 während das linke Teilbild einen Schnitt durch das chirurgische Instrument entlang der Schnittebene A zeigt.
In 3 sind die Hydraulikzylinder der Branchen nicht zu erkennen. Zu sehen sind lediglich kleine Teile des Pleuels 5b des zweiten Hydraulikzylinders der ersten Branche und des Pleuels 5c des ersten Hydraulikzylinders der zweiten Branche. Die Hydraulikzylinder der zweiten Branche 2 sind wie jene Hydraulikzylinder 4a und 4b der ersten Branche 1 angeordnet, wie in 2 zu erkennen. Im gezeigten Beispiel können alle Hydraulikzylinder mit zueinander parallelen Zylinderachsen nebeneinander angeordnet sein.
In 3 ist zu erkennen, dass der Zylinderträger 6 mit dem Instrumentenschaft 14 über zwei Träger-Hydraulikzylinder 8a und 8b verbunden ist, die jeweils über einen Pleuel 9a bzw. 9b an dem Zylinderträger 6 angreifen. Auch die Träger-Hydraulikzylinder 8a und 8b sind mit zueinander parallelen Zylinderachsen nebeneinander angeordnet und befinden sich im Inneren des zylinderförmigen Instrumentenschaftes, und die Pleuels 9a und 9b greifen über das Ende dieses Zylinders hinaus und tragen den Zylinderträger 6.
Die Trägerhydraulikzylinder 8a und 8b sind mittels im Inneren des Instrumentenschaftes 14 verlaufenden Hydraulikleitungen 13 angeschlossen, über die Hydraulikflüssigkeit leitbar ist. Die Träger-Hydraulikzylinder 8a und 8b weisen Entlüftungen 15 auf. Vorteilhafterweise können alle Hydraulikleitungen und alle Entlüftungen aller Hydraulikzylinder im Inneren des Instrumentenschaftes 14 verlaufen.
Die Aussagen über die Hydraulikleitungen und Entlüftungen gelten entsprechend für die in 2 und 3 nicht gezeigten Hydraulikzylinder.
Der erste Hydraulikzylinder 4a der ersten Branche 1 und der erste Hydraulikzylinder der zweiten Branche 2 sind so eingerichtet und angeordnet, dass durch sie eine Druckkraft auf die erste bzw. die zweite Branche ausübbar ist. Es ist zu erkennen, dass die Hydraulikzylinder eine Kraft in Richtung der kinematischen Kette ausüben, über welche die Hydraulikzylinder mit der entsprechenden Branche verbunden sind. Die kinematische Kette kann dabei die Pleuel 5a bzw. 5b aufweisen.
4 zeigt eine weitere beispielhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen chirurgischen Instrumentes. Wiederum sind eine erste Branche 1 und eine zweite Branche 2 eines Manipulators um eine gemeinsame Branchenachse 3 drehbar.
4 zeigt das gleiche chirurgische Instrument in drei verschiedenen Positionen.
Im in 4 gezeigten Beispiel ist der Zylinderträger 6 als rechteckiger oder quadratischer Rahmen ausgestaltet, der durch eine Trägerstruktur 17 gehalten wird. Die Trägerstruktur 17 kann hierbei als Teil des Instrumentenschaftes 14 angesehen werden. Eine Trägerachse 7 verläuft hierbei koaxial zu einer Seite des Zylinderträgers 6. Die Trägerstruktur 17 ist hierbei in Ebenen senkrecht zur Trägerachse 7 dreieckig ausgestaltet, wobei die Trägerachse 7 durch eine Ecke des Dreiecks verläuft. An den beiden anderen Ecken ist die Trägerstruktur 17 mit dem restlichen Instrumentenschaft 14 verbunden. Ein Träger-Hydraulikzylinder 8a greift mit seiner einen Seite am Zylinderträger 6 an, und zwar an einer Seite, die jener Seite gegenüber liegt, auf welcher die Trägerachse 7 verläuft. Im gezeigten Beispiel ist hier die Kolbenstange des Trägerhydraulikzylinders 8a mit dem Zylinderträger 6 verbunden. Mit seiner anderen Seite ist der Träger-Hydraulikzylinder 8a mit dem Instrumentenschaft an einer Ecke der dreieckigen Trägerstruktur 17 drehbar verbunden.
Ein erster Hydraulikzylinder 4a einer ersten Branche 1 greift am Zylinderträger an einer dessen Seiten an, die senkrecht zur Trägerachse 7 steht. Ein erster Hydraulikzylinder 4c der zweiten Branche 2 greift an der gegenüberliegenden Seite des Zylinderträgers 6 an. Die Kolbenstangen der Hydraulikzylinder 4a, 4c greifen an einem Ausleger der jeweiligen Branche an, sodass die Branche 1 bzw. 2 um die Branchenachse 3 mittels des entsprechenden Hydraulikzylinders 4a bzw. 4c drehbar ist. Im in 4 gezeigten Beispiel sind außerdem zwei Branchenachsen-Hydraulikzylinder 15a, 15b vorgesehen, die mit ihren Kolbenstangen an der Branchenachse 3 angreifen. Dabei sind die Zylindergehäuse dieser Branchenachsen-Hydraulikzylinder 15a, 15b mit gegenüberliegenden Seiten des quadratischen oder rechteckigen Zylinderträgers 6 verbunden, welche Seiten senkrecht stehen zur der Trägerachse 7. Durch die Branchenachsen-Hydraulikzylinder ist die Branchenachse 3 und damit der gesamte Manipulator beweglich, wie dies im Vergleich des linken Teilbilds mit dem rechten Teilbild deutlich wird.
Durch Betätigung allein der Hydraulikzylinder 4a und 4c der Branchen 1 und 2 ist es möglich, den Manipulator bzw. beide Branchen 1 und 2 gemeinsam, abzuwinkeln, wie dies im Vergleich zwischen dem linken und dem mittleren Teilbild der 4 deutlich wird.
Das beschriebene chirurgische Instrument kann bei jedem denkbaren minimal invasiven Eingriff zum Einsatz kommen, sowohl im humanmedizinischen als auch veterinärmedizinischen Bereich. Darüber hinaus ist auch der Einsatz in der technischen Endoskopie möglich.
Durch den Einsatz mehrerer Hydraulikzylinder an der Spitze eines chirurgischen Instruments können dort mehrere Freiheitsgrade angetrieben werden. Diese zusätzlichen Freiheitsgrade, mit denen die Instrumentenspitze bewegt werden kann, erlauben ein Abwinkeln des Effektors an der Spitze des Instruments um zwei jeweils 90° zueinander verdrehte Achsen. Durch diese zusätzlichen Freiheitsgrade kann der Greifer oder die Schere an der Spitze des Instruments analog zur Bewegung des menschlichen Handgelenks bewegt werden. Durch die flexiblen Hydraulikleitungen lässt sich die Instrumentenspitze beliebig (starr und gerade, starr und in nahezu beliebiger Form vorgebogen, flexibel) mit dem extrakorporalen Teil des Instruments verbinden.

Claims

Chirurgisches Instrument mit einem Manipulator, der eine erste (1) und eine zweite Branche (2) aufweist, wobei die erste und die zweite Branche (2) einen Winkel um eine gemeinsame Branchenachse (3) einschließen und um die gemeinsame Branchenachse (3) gegeneinander drehbar sind, einem Zylinderträger (6), der den Manipulator trägt, zumindest einem ersten Hydraulikzylinder (4a) der ersten Branche (1), der einerseits mit dem Zylinderträger (6) und andererseits mit der ersten Branche (1) so verbunden ist, dass durch den ersten Hydraulikzylinder (4a) der ersten Branche (1) eine Druckkraft auf die erste Branche (1) ausübbar ist, so dass die erste Branche durch den Hydraulikzylinder der ersten Branche (1) um die Branchenachse (3) drehbar ist und zumindest einem ersten Hydraulikzylinder (4c) der zweiten Branche (2), der nicht der Hydraulikzylinder (4a) der ersten Branche (1) ist, der einerseits mit dem Zylinderträger (6) und andererseits mit der zweiten Branche (2) so verbunden ist, dass durch den ersten Hydraulikzylinder (4c) der zweiten Branche (2) eine Druckkraft auf die zweite Branche (2) ausübbar ist, so dass die zweite Branche (2) durch den Hydraulikzylinder der zweiten Branche (2) um die Branchenachse (3) drehbar ist.
Chirurgisches Instrument nach dem vorhergehenden Anspruch, weiter aufweisend einen Instrumentenschaft (14), sowie zumindest einen ersten Träger-Hydraulikzylinder (8a), der einerseits mit dem Zylinderträger (6) und andererseits mit dem Instrumentenschaft so verbunden ist, dass der Zylinderträger (6) um eine Trägerachse (7) drehbar ist, wobei die Trägerachse (7) senkrecht zur Branchenachse (3) steht.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hydraulikzylinder (4a) der ersten Branche (1) und/oder der Hydraulikzylinder (4c) der zweiten Branche (2) und/oder der zumindest eine erste Träger-Hydraulikzylinder (8a) ein doppeltwirkender Hydraulikzylinder oder ein Hydraulikzylinder mit Rückstellvorrichtung ist.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend einen zweiten Hydraulikzylinder (4b) der ersten Branche (1) und einen zweiten Hydraulikzylinder der zweiten Branche (2), wobei der zweite Hydraulikzylinder (4b) der ersten Branche (1) einerseits mit dem Zylinderträger (6) und andererseits mit der ersten Branche (1) so verbunden ist, dass er bei gleicher Auslenkung wie der erste Hydraulikzylinder (4a) der ersten Branche (1) die erste Branche (1) in entgegengesetzter Richtung um die Branchenachse (3) dreht wie der erste Hydraulikzylinder (4a) der ersten Branche (1) und wobei der zweite Hydraulikzylinder der zweiten Branche (2) einerseits mit dem Zylinderträger (6) und andererseits mit der zweiten Branche (2) so verbunden ist, dass er bei gleicher Auslenkung wie der erste Hydraulikzylinder (4c) der zweiten Branche (2) die zweite Branche (2) in entgegengesetzter Richtung um die Branchenachse (3) dreht wie der erste Hydraulikzylinder (4c) der zweiten Branche (2).
Chirurgisches Instrument nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Verbindung, über die der erste Hydraulikzylinder (4a) der ersten Branche (1) an der ersten Branche (1) angreift, und eine Verbindung, über die der zweite Hydraulikzylinder (4b) der ersten Branche (1) an der ersten Branche (1) angreift, sich bezüglich der Branchenachse (3) diametral mit gleichem Abstand zur Branchenachse (3) gegenüberliegen und/oder wobei eine Verbindung, über die der erste Hydraulikzylinder (4c) der zweiten Branche an der zweiten Branche (2) angreift, und eine Verbindung, über die der zweite Hydraulikzylinder der zweiten Branche (2) an der zweiten Branche (2) angreift, sich bezüglich der Branchenachse diametral mit gleichem Abstand zur Branchenachse (3) gegenüberliegen.
Chirurgische Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Hydraulikzylinder der ersten Branche und/oder der zweite Hydraulikzylinder der ersten Branche mit der ersten Branche über jeweils einen Branchenpleuel verbunden ist, und/oder wobei der erste Hydraulikzylinder (4b) der zweiten Branche (2) und/oder der zweite Hydraulikzylinder der zweiten Branche (2) mit der zweiten Branche (2) über jeweils einen Branchenpleuel verbunden ist.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Hydraulikzylinder (4a) der ersten Branche (1) und der zweite Hydraulikzylinder (4b) der ersten Branche (1) mit zueinander parallelen Zylinderachsen und/oder Kolbenstangen an oder in dem Zylinderträger (6) angeordnet sind und/oder wobei der erste Hydraulikzylinder (4c) der zweiten Branche (2) und der zweite Hydraulikzylinder der zweiten Branche (2) mit zueinander parallelen Zylinderachsen und/oder Kolbenstangen an oder in dem Zylinderträger (6) angeordnet sind.
Chirurgisches Instrument nach einem der Ansprüche 2 bis 7, weiter aufweisend einen zweiten Träger-Hydraulikzylinder (8b), der einerseits mit dem Zylinderträger (6) und andererseits mit dem Instrumentenschaft (14) so verbunden ist, dass der Zylinderträger (6) mit dem zweiten Träger-Hydraulikzylinder (8b) bei gleicher Auslenkung wie der erste Träger-Hydraulikzylinder (8a) in entgegengesetzt Richtung wie mit dem ersten Träger-Hydraulikzylinder (8a) drehbar ist.
Chirurgisches Instrument nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei der erste Träger-Hydraulikzylinder (8a) und/oder der zweite Träger-Hydraulikzylinder (8b) mit dem Zylinderträger (6) über jeweils einen Trägerhydraulikzylinderpleuel (9a, 9b) verbunden sind.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Kolbenstange des ersten Hydraulikzylinders (4a) der ersten Branche (1) und/oder eine Kolbenstange des zweiten Hydraulikzylinders (4b) der ersten Branche (1) unmittelbar mit der ersten Branche (1) verbunden ist, und/oder wobei eine Kolbenstange des ersten Hydraulikzylinders (4c) der zweiten Branche (2) und/oder eine Kolbenstange des zweiten Hydraulikzylinders der zweiten Branche (2) unmittelbar mit der zweiten Branche (2) verbunden ist.
Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter aufweisend zwei Branchenachsen-Hydraulikzylinder (15a, 15b), die einerseits an der Branchenachse (3) angreifen und andererseits an voneinander beabstandeten Punkten mit dem Zylinderträger (6) verbunden sind.
Chirurgisches Instrument nach einem der Ansprüche 2 bis 11, wobei der Zylinderträger (6) über ein um die Trägerachse (7) drehbares Gelenk mit dem Instrumentenschaft (14) verbunden ist, und wobei der zumindest eine erste Träger-Hydraulikzylinder (8a) in zur Trägerachse senkrechter Richtung beabstandet mit dem Zylinderträger (6) verbunden ist.