-
Die Erfindung betrifft ein Chirurgierobotersystem zum Durchführen von minimalinvasiven chirurgischen Eingriffen.
-
Bei der minimalinvasiven robotischen Chirurgie werden meist zwei Roboter verwendet, um minimal-invasive Instrumente zu führen, (Instrumentenroboter) und ein Roboter, um ein Endoskop zu führen (Endoskoproboter). Das Endoskop sowie die Instrumente werden jeweils durch einen Trokar in den Körper eingebracht. Die Erreichbarkeit der Instrumente im Körper ist definiert durch die Kinematik des Roboters (Anzahl und Position der Gelenke, Gelenkweiten und Länge der Strukturen zwischen den Gelenken) sowie durch die Position des Trokars und die Position der Roboterbasis. Häufig kommt es bei minimalinvasiven robotischen Operationen zu einer ungenügenden Erreichbarkeit. Da die Roboterkinematik nicht veränderbar ist und die Position der Trokare nach medizinischen Kriterien (z.B. gefäßarme Region) gewählt wird, kann nur die Roboterbasis variiert werden, um eine optimale Erreichbarkeit der Instrumente im Körper zu gewährleisten.
-
Um eine günstige Roboterbasis zu berechnen, muss das Volumen, in welchem im Körper mit den Instrumenten manipuliert werden soll (Operationsvolumen), vor Positionieren der Instrumentenroboter bekannt sein.
-
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, Operationsvolumina präoperativ anhand präoperativ aufgenommene Bilddaten (z.B. CT-Bilder) zu definieren, sodass diese geometrisch bestimmt sind und für Berechnungen z.B. von optimalen Roboterbasispositionen verwendet werden können. Ein solches Verfahren ist bekannt aus:
-
Konietschke, Rainer (2008) Planning of Workplaces with Multiple Kinematically Redundant Robots"Dissertation Thesis, Technische Universität München, 2008.
-
Desweiteren umfasst der Stand der Technik Methoden, um intraoperativ die Erreichbarkeit der Instrumente bei gegebenen Positionen der Roboterbasis und des Trokars in einer virtuellen Realität anzuzeigen (siehe Lohmann, Martin and Konietschke, Rainer and Hellings, Anja and Borst, Christoph and Hirzinger, Gerhard (2012) A workspace analysis method to support intraoperative trocar placement in minimally invasive robotic surgery (URS). CURAC 2012, 15.-16. Nov. 2012, Düsseldorf).
-
Nachteilig ist, dass die genannten Verfahren keine Möglichkeit bieten, einen zu erreichenden Zielarbeitsraum präoperativ unter Berücksichtigung der tatsächlichen Patientenanatomie zu erfassen.
-
US 2009/0192519 A1 beschreibt ein robotisches Chirurgiesystem zur Durchführung eines minimalinvasiven chirurgischen Eingriffs mit einem Display zur Darstellung von Informationen über den Operationssitus. Es werden Marker im Zielarbeitsraum definiert, die automatisiert durch den Endeffektor angefahren werden können.
-
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Chirurgierobotersystem bereitzustellen, durch das ein genaueres präoperatives Definieren eines zu erreichenden Zielarbeitsraums möglich ist.
-
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
-
Das erfindungsgemäße Chirurgierobotersystem zum Durchführen von minimalinvasiven chirurgischen Eingriffen umfasst mindestens einen Roboterarm zum Führen eines Endeffektors. Unter einem Endeffektor wird dasjenige Instrument verstanden, durch das die tatsächliche Manipulation am Gewebe des Patienten vorgenommen wird. Bei dem Endeffektor kann es sich bspw. um eine Schere, Zange, eine Klammer oder ähnliche aus dem Stand der Technik bekannte chirurgische Instrumente handeln. Bevorzugt sind zwei Roboterarme mit jeweils einem Endeffektor vorgesehen. Das erfindungsgemäße Chirurgierobotersystem umfasst ferner ein Endoskop, das vorzugsweise durch einen eigenen Roboterarm geführt wird. Weiterhin ist ein Display zum Darstellen des durch das Endoskop aufgenommenen Kamerabildes vorgesehen.
-
Ferner ist eine Steuervorrichtung vorgesehen, die ausgebildet ist zum Verursachen eines Anzeigens mindestens eines in seiner Position, Lage und/oder Größe veränderbaren dreidimensionalen virtuellen Platzhalters in einer Augmented Reality Darstellung in dem auf dem Display dargestellten Endoskopbild. Bei dem Display kann es sich um jede Art einer geeigneten Anzeigevorrichtung handeln.
-
Ferner ist eine Markierungsvorrichtung vorgesehen zum Markieren des auf dem Display angezeigten dreidimensionalen Platzhalters als Zielarbeitsraum oder Teil des Zielarbeitsraums, der durch den mindestens ein Endeffektor erreichbar sein soll.
-
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Chirurgierobotersystems sieht somit ein Benutzer, bspw. ein Chirurg direkt den Operationssitus und kann dort mithilfe der virtuellen dreidimensionalen Platzhalter den zu erreichbaren Arbeitsraum auf intuitive Weise definieren. Hierzu ist es möglich, die Position, Lage und/oder Größe dieser virtuellen dreidimensionalen Platzhalter in dem dargestellten Endoskopbild zu verändern. Vorzugsweise wird der zu erreichende Zielarbeitsraum durch eine Vielzahl von einzelnen virtuellen dreidimensionalen Platzhaltern zusammengesetzt. Der Benutzer kann somit einen ersten dreidimensionalen virtuellen Platzhalter hinsichtlich seiner Position, Lage und/oder Größe definieren und anschließend auswählen. Dieser Vorgang kann dann mit weiteren dreidimensionalen virtuellen Platzhaltern wederholt werden, sodass sich der letztendliche zu erreichende Zielarbeitsraum aus mehreren dreidimensionalen virtuellen Platzhaltern zusammensetzt.
-
Durch das erfindungsgemäße Chirurgierobotersystem ist somit das präoperative Aufnehmen von 3D-Bilddaten (z.B. CT-Bilder) ausschließlich zur Definition des Operationsvolumens nicht mehr notwendig. Auch ein aufwendiges Auswerten dieser 3D-Bilddaten kann nunmehr vermieden werden.
-
Weiterhin ist es durch das erfindungsgemäße Chirurgierobotersystem möglich, tatsächliche anatomische Gegebenheiten des Patientenkörpers zu berücksichtigen. Solche anatomischen Gegebenheiten werden möglicherweise in aufgenommenen Bilddaten nicht richtig wiedergegeben, sodass ein in präoperativen Bilddaten definiertes Volumen auf die realen Gegebenheiten bspw. durch Verwendung eines Trackingssystems übertragen werden muss (Registrierung). Hierdurch entstehen ein zusätzlicher Aufwand und eine zusätzliche Fehlerquelle. Diese Nachteile können durch das erfindungsgemäße Chirurgierobotersystem vermieden werden.
-
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuervorrichtung ausgebildet ist zum Berechnen einer optimalen Position für die Basis des mindestens einen Roboterarms, sodass ein größtmöglicher Teil des definierten Zielarbeitsraums durch den mindestens einen Endeffektor erreicht werden kann. Hierdurch kann eine optimale Roboterbasisposition auf sehr einfache Weise gefunden werden.
-
Weiterhin ist die Steuervorrichtung ausgebildet zum Berechnen eines bei der momentanen berechneten Optimalposition für die Basis des Roboterarms nicht erreichbaren Teils des definierten Zielarbeitsraums und zum Verursachen eines Anzeigens dieses nicht erreichbaren Zielarbeitsraums auf dem Display. Ein Benutzer kann somit direkt erkennen, welcher Teil des Zielarbeitsraums bei der momentan berechneten Optimalposition für die Roboterbasen nicht erreichbar wäre. Der Benutzer kann somit entscheiden, ob ein Nicht-Erreichen dieses Teils des Zielarbeitsraums für ihn akzeptabel wäre oder nicht.
-
Die Markierungsvorrichtung umfasst in bevorzugter Ausführungsform Eingabeelemente zum Verändern der Größe, Position und/oder Lage des virtuellen dreidimensionalen Platzhalters.
-
Beispielsweise kann ein Eingabeelement ausgebildet sein zum Hineinschieben und Hinausschieben des virtuellen dreidimensionalen Platzhalters in dem Endoskopbild. Hierbei kann es sich bspw. um ein Drehrad handeln, sodass der virtuelle dreidimensionale Platzhalter durch ein Drehen des Drehrades in eine erste Richtung in das Endoskopbild hineingeschoben wird und durch ein Drehen des Drehrades in die entgegengesetzte Richtung aus dem Endoskopbild hinausgeschoben wird.
-
Ein weiteres Eingabeelement kann ausgebildet sein zum Markieren des aktuell im Endoskopbild angezeigten virtuellen dreidimensionalen Körpers als Zielarbeitsraum. Hierbei kann es sich bspw. um einen einfachen Knopf handeln, der durch den Benutzer betätigt werden kann.
-
Weiterhin ist bevorzugt ein weiteres Eingabeelement zum Rückgängigmachen der genannten Auswahl vorgesehen.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Steuervorrichtung ausgebildet zum Verursachen eines Anzeigens des zu erreichenden Zielarbeitsraums und des nicht erreichbaren Teils des Zielarbeitsraums. Hierbei erfolgt das Anzeigen nach vollständiger Definition des zu erreichenden Zielarbeitsraums in Form einer Virtual Reality Darstellung in Referenz zum Operationsszenario auf dem Display. Eine Referenz zum Operationsszenario kann bspw. hergestellt werden durch Anzeigen des Operationstisches, der Trokarpunkte, der aktuellen und optimalen Positionen der Basen der Roboterarme oder ähnliches. Die genannte Virtual Reality Darstellung kann z.B. aus einem isometrischen Blickwinkel auf dem Operationstisch erfolgen. Im Rahmen dieser Virtual Reality Darstellung kann auch eine Tiefenkarte der innerkörperlichen Anatomie dargestellt werden. Weiterhin können Erreichbarkeitsgrenzen der Instrumente dargestellt werden.
-
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 das Display einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Chirurgierobotersystems mit einem hierauf dargestellten Zielarbeitsraum,
- 2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Markierungsvorrichtung,
- 3 eine schematische Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Chirurgierobotersystems,
- 4 eine auf dem Display dargestellte Virtual Reality Darstellung des Operationsszenarios.
-
In 3 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Chirurgierobotersystems schematisch dargestellt. Es sind zwei Roboterarme 12a,12b an zwei Schienen 13a,13b des Operationstisches 30 befestigt. Die Basen 12a',12b' der Roboterarme können entlang der Schienen 13a,13b verschoben werden. Durch die Roboterarme 12a,12b wird jeweils ein Endeffektor 14a,14b geführt. Diese Endeffektoren werden durch die Trokarpunkte 32a,32b in den nicht dargestellten Patientenkörper eingeführt. Durch den dritten Trokarpunkt 32c wird das Endoskop 16 in den Patientenkörper eingeführt. Dieses wird durch einen dritten Roboterarm 18, der eine Basis 18a' aufweist, geführt.
-
Auf dem Display 20 wird der zu erreichende Zielarbeitsraum 22a,22b,22c,22d dargestellt.
-
Dieser kann durch eine Markierungsvorrichtung 24 definiert werden. Eine erste Ausführungsform einer solchen Markierungsvorrichtung 24 ist im rechten Bereich des Displays 20 gemäß 1 dargestellt. Hier ist ein erstes Eingabeelement 26a ausgebildet zum Vergrößern und Verkleinern des virtuellen dreidimensionalen Platzhalters 22a,22b,22c,22d. Ein weiteres Eingabeelement 26b ist ausgebildet zum Hineinschieben und Hinausschieben des virtuellen dreidimensionalen Platzhalters in dem Endoskopbild, das auf dem Display 20 dargestellt wird.
-
Ein weiteres Eingabeelement 28a ist ausgebildet zum Markieren des aktuell im Endoskopbild angezeigten virtuellen dreidimensionalen Platzhalters als Zielarbeitsraum. Ein weiteres Eingabeelement 28b ist zum Rückgängigmachen dieser Auswahl ausgebildet.
-
Gemäß 2 können solche Eingabeelemente auch in einer Markierungsvorrichtung 24 angebracht sein, die im Roboterarm selber integriert ist. Bspw. kann diese Markierungsvorrichtung 24 in einem Bereich des Roboterarms distal des Schafts, der durch den Trokarpunkt geführt wird, angeordnet sein.
-
Die Definition des zu erreichenden Zielarbeitsraums erfolgt während einer sogenannten Explorationsphase vor der Operation. Hierzu wird das Endoskop vor den Instrumenten in den Körper eingeführt und mit seiner Spitze im Inneren des Körpers bewegt, wodurch das Körperinnere auf dem Display 20 dargestellt werden kann. Die Bewegung des Endoskops 16 kann manuell durch einen Chirurgen erfolgen, wenn das Endoskop noch nicht am Roboterarm 18 angebracht ist. Hierfür muss die Position des Endoskops 16 im Weltkoordinatensystem bekannt sein. Daher muss die Position des Endokops 16 bspw. mit einem optischen Trackingssystem erfasst werden.
-
Das Endoskop kann alternativ auch bereits am Roboterarm 18 angebracht sein. Dieser kann dann in einem Modus gebracht werden, in dem er von Hand verfahren werden kann. Die Position des Endoskops im Weltkoordinatensystem wird in diesem Fall bestimmt durch die Gelenkwinkelkonfiguration und die Basisposition des Endoskoproboters 18. Die Basisposition kann bspw. über eine entsprechende Sensorik an der Schiene 13a, an der die Basis 18a' befestigt ist, erfasst werden.
-
Der virtuelle dreidimensionale Körper 22a,22b,22c,22d kann verschiedene geometrischen Formen aufweisen, bspw. eine Kugel, ein Quadrat oder ähnliche geeignete Formen, die es dem Benutzer ermöglichen, auf einfache Weise den zu erreichenden Zielarbeitsraum zu definieren.
-
Weiterhin kann ein weiteres Eingabeelement an der Markierungsvorrichtung 24 vorgesehen sein, durch das die Form des dreidimensionalen virtuellen Körpers verändert werden kann. Bspw. kann aus einem ursprünglich kugelförmigen Körper ein eiförmiger Körper, ein Hexaeder oder ähnliches gemacht werden, sofern solche Körper dem Benutzer geeigneter erscheinen, um den gewünschten Zielarbeitsraum zu definieren.
-
Das Endoskop 16 kann bspw. als Stereoendoskop ausgebildet sein, sodass eine Tiefeninformation des betrachteten Gewebes berechnet und im Wege einer Virtual Reality Darstellung als Tiefenkarte auf dem Display 20 dargestellt wird. Die Tiefe des betrachteten Gewebes kann bei der Augmentierung berücksichtigt werden, sodass bspw. ein kugelförmiger virtueller Körper ggf. geschnitten dargestellt wird, wenn ein Teil dieses Körpers hinter dem betrachteten Gewebe liegt. Wenn ein Benutzer also durch seine Fachkenntnisse weiß, dass eine gewisse Tiefe hinter dem betrachteten Gewebe noch zum Operationsvolumen gehören soll, dann kann auch dieses als Operationsvolumen definiert werden. Hierzu kann bspw. der hinter dem Gewebe liegende Teil des dreidimensionalen virtuellen Körpers so angezeigt werden, dass das betrachtete Gewebe transparent erscheint und durch den Stereoeindruck des Endoskops abgeschätzt werden kann, wie weit der virtuelle dreidimensionale Körper hinter das betrachtete Gewebe reicht.
-
Es ist bevorzugt, dass nach jeder Neudefinition des zu erreichenden Zielarbeitsraums (bspw. durch Hinzufügen eines weiteren virtuellen dreidimensionalen Platzhalters 22a,22b,22c,22d) für sämtliche Roboter eine neue optimale Roboterbasisposition berechnet wird, um einen größtmöglichen Teil des zu erreichenden Zielarbeitsraums zu erreichen. Hierzu muss die Position der Instrumententrokare bekannt sein. Diese kann bspw. mit einem optischen Trackingsystem erfasst werden, oder indem die Trokare mit den Instrumenten führenden Robotern (mit angebrachter Messspitze) angetastet werden. Hierbei ist die Position der Messspitze wie beim Endoskoproboter über die Roboterbasisposition und die Gelenkwinkelkonfiguration bekannt. Alternativ können die Trokare über das Stereoendoskopbild mit Methoden der Bildverarbeitung erfasst werden. Hierzu ist es bspw. möglich, die Trokare durch ein bestimmtes Farbmuster zu kodieren. Diese Kodierung kann automatisch in der Tiefenkarte erkannt werden.
