DE102015114742A1

DE102015114742A1 - Kinematik für ein intrakorporal angetriebenes Instrument eines Endoskops

Info

Publication number: DE102015114742A1
Application number: DE102015114742.4A
Authority: DE
Inventors: Gerd Sebastiani; Roland Michel; Dr. Leidholdt Wolfgang; Manfred Wirth; Ronny Göpfert; Jens Trepte; Gerhard Strugala
Original assignee: IMK AUTOMOTIVE GmbH
Current assignee: IMK AUTOMOTIVE GmbH
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2035-09-04
Also published as: DE102015114742B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kinematik für ein intrakorporal angetriebenes endoskopisches Instrument eines Endoskops, mit wenigstens einem Aktor aus einem Antriebsmotor und einem Getriebe sowie mit Mitteln zur Aufnahme und/oder Betätigung eines diagnostischen und/oder chirurgischen Instruments, wobei sich erfindungsgemäß der wenigstens eine Aktor im distalen (intrakorporalen) Ende der Kinematik befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kinematik für ein intrakorporal angetriebenes Instrument, welches in einem Endoskop Anwendung findet, nach dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Der innovative Kern der Erfindung liegt in der kinematischen Umsetzung der Instrumentenausrichtung und -aktuation des Endoskops. Betrachtet man den diesbezüglichen Stand der Technik, so lassen sich die Varianten einteilen in

• Starre Endoskope – Fixes Werkzeug im Schaft – Ausrichtbares Instrument in der Spitze – Ausrichtkinematik in Schaft oder Endstück – Schwenkprisma
• Flexible Endoskope – Abwinkelbare Spitze – Flexibler Schaft – Ausrichtkinematik in Spitze
• Kapselendoskope: PillCam

Die dargestellten Varianten unterscheiden sich in der Art der Zuführung des im Folgenden als Untersuchungskopf bezeichneten Instrumententrägers am distalen Ende. Das distale (körperabgewandte) Ende wird in der Endoskopie abweichend von der herkömmlichen Nomenklatur aus der Blickrichtung des Operateurs bezeichnet. Somit befindet sich das proximale Ende beim Operateur außerhalb (extrakorporal) des Körpers.
Starre Endoskope führen einen Untersuchungskopf auf direktem Wege von der Eintrittsöffnung – hier meist als Wunde ausgeführt – zur Untersuchungszone. Da letztere meist nicht auf direktem Weg erreichbar ist, bedingt dies die Verwendung mindestens einer Zuführwunde. Die starre Anordnung erlaubt dafür eine Anordnung der Instrumente im Schaft, was insbesondere bei den optischen Stablinsensystemen eine preisgünstigere Variante ermöglicht. Derartige Systeme sind typischerweise in ihrer Blick- bzw. Wirkrichtung auf die Winkel 0°, 30°, 70° oder 90° festgelegt was eine Vorauswahl oder einen Wechsel des Endoskops bei der Operation bedingt.
Abhilfe schaffen hier einstellbare Endoskope, deren Wirkrichtung durch eine Kinematik verändert werden kann. Diese Endoskope nutzen dabei den durch den starren Schaft zu Verfügung stehenden Bauraum, wobei sich hier eine extrakorporale Anordnung der Antriebseinheit – manuell bis automatisiert – anbietet. Nachteile starrer Endoskope sind – neben der offensichtlichen Einschränkung hinsichtlich des Zuganges – in der im Stab verbauten Optik begründet. Klassische Linsenaufbauten sind hochgradig biegeempfindlich und anfällig für Sichtbehinderungen durch Kondensation auf den Linsen. Diesen Nachteilen stehen die geringeren Kosten als Vorteil gegenüber.
Flexible Endoskope bestehen aus einen flexiblen Schaft der sich am distalen Ende von der Orientierung der Einführrichtung ablenken lässt. Dabei kann der restliche Schaft starr oder entsprechend dem Flexoskop nach Hirschowitz [ US 3 753 672 ] verformbar ausgeführt werden. Soll der Untersuchungskopf an der Untersuchungszone ausgerichtet werden, so ist entweder eine Kinematik im Schaft oder an der Spitze erforderlich. Wesentlicher Vorteil flexibler Endoskope ist die einfachere Zufuhr durch eine einzelne Wunde (Single Port) oder idealerweise durch vorhandene, natürlich Körperöffnungen (natural orifice translumenal endoscopic surgery = „NOTES“).
Kapselendoskope sind Einwegkameras, die als (Einweg-)Pillen eingenommen und durch die Peristaltik der Verdauungsorgane zur Untersuchungsstelle transportiert werden. Die dabei erzeugten Aufnahmen werden via Funk an eine extrakorporale Auswerteeinheit gesendet. Die offensichtlichen Vorteile der Kapselendoskopie zeigen sich durch den fehlenden Schaft und den natürlichen Transport der Kapsel zur Untersuchungsstelle. Dadurch werden Perforations- und Blutungsrisiken sowie die Notwendigkeit von Narkosen eliminiert. Nachteile ergeben sich aus der langen Transportdauer der Kapsel zur Untersuchungsstelle (Aufblasen von Hohlorganen nur bedingt extern steuerbar, während dieser Zeit aufgenommene Nahrung behindert die Untersuchung), der willkürlichen Ausrichtung der Kapsel (keine detaillierten Inspektionen oder chirurgischen Eingriffe möglich) sowie der Beschränkung auf Untersuchungen des Verdauungstraktes [http://www.pillcam.ch].
Schwenkprismensysteme sind starre Stablinsensysteme bei denen die Blickrichtung durch die Ausrichtung eines Prismas in der Endoskopspitze erreicht wird. Zur Sterilisation im Autoklaven (wasserdampfgesättigte Atmosphäre bei 2 bar Überdruck 134°C) [Oginski, S.: Entwicklung und Aufbau eines neuartigen Assistenzsystems für die medizinische Endoskopie. Dissertation 2013] müssen die optischen Elemente von einem gelöteten Metallgehäuse geschützt werden. Die sich daraus ergebenen Anforderungen können von Endoskopen für den technischen Einsatz nicht erfüllt werden. Einziges bekanntes System im medizintechnischen Bereich ist das System EndoCAMeleon der Firma Karl Storz. Das EndoCAMeleon erreicht einen Blickwinkel von 0°–120° bei einer Schaftlänge von 180 mm und einem Durchmesser von minimal 4 mm.
Tilt- und Shift-Objektive (TSO) verändern durch Schwenken (Tilt) und Verschieben (Shift) jeweils Schärfenebene und Verzerrung des aufgenommenen Bildes. Somit sind verschiedene Blickwinkel mit einer Kameraposition realisierbar, welche wiederum zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden können. Die starke Verzerrung des Bildes bedarf einer rechenintensiven Bildkorrektur nebst einer aufwendigen Ausleuchtung des Operationsgebietes. Eine aktuelle Lösung ist durch das ORS Image Trac der Firma Olympus gegeben.
Abwinkelbare Spitzen können die komplette Endoskopspitze auf der Basis eines meist starren Schaftes abwinkeln und neu ausrichten. Dies bedingt einen für die Abwinkelung ausreichenden Zwischenraum. Erhältlich und dokumentiert sind die folgenden Systeme:

• LTF-VP EndoEYE (Olympus Europa Holding GmbH): Starres Endoskop mit abwinkelbarer Spitze. Durchmesser 5,4 mm mit 100° Abwinkelung in vier Richtungen. CCD-on-Tip-Optik.
• [Bühs, F.: Entwicklung eines Endoskops mit flexibler Endoskopspitze für die minimalinvasive Chirurgie. Dissertation 2011]: Starres Endoskop mit abwinkelbarer Spitze. 140° Abwinkelung in x- und y-Richtung. CCD-on-Tip-Optik. Fokussiermodul auf Basis eines Linearmotors. Kooperationsprojekt der TU Berlin mit der Karl Storz GmbH.
• Silver Scope (Karl Storz): Videoendoskop mit flexibel abwinkelbarer Spitze.
• Endochoice (RMS): Flexibles Endoskop. Durchmesser 8,9 mm. Maximale Abwinkelung 210° (Auf/ab) bzw. 120° (links/rechts).
• FNS-2800 (emos technology): Flexibles Endoskop, Durchmesser 2,8 mm, Abwinkelung 150° (auf/ab).
• ENF-34-300 (Endodoctor GmbH): Flexibles Endoskop, Durchmesser 3,4 mm, Abwinkelung 150° (je auf/ab).
• Gastro 98 (Endo-Tech Hamburg): Flexibles Endoskop, Durchmesser 9,8 mm mit einen Arbeitskanal von 2,8 mm. Abwinkelung in vier Richtungen (oben 190°, unten, links, rechts jeweils 100°).
• RS1 & RX1 (orlvision): Flexibles USB-Videoendoskop. Durchmesser 3,9 mm. Abwinkelung (auf/ab) um je 130°.
• MEE050500 (Karlheinz Hinze Optoengineering GmbH): Flexible Glasfaser, Durchmesser 0,5 mm, Sichtbereich 70° (keine Abwinkelung des Kopfes).
• invendoscopeTM SC20 (invendo medical): Durchmesser 18 mm, Elektrohydraulische Abwinkelung um 180° in jede Richtung.
• 830 001 3118 (Henke-Sass, Wolf GmbH): Flexibles Videoendoskop. Durchmesser 3,2 mm, Abwinkelung (auf/ab) 130°.
• EG-530 NP (FujiFilm): Flexibles Gastroskop, Durchmesser 4,9 mm, 210° oben, 120° unten.
• EB-470 P (FujiFilm): Flexibles Bronchoskop, Außendurchmesser: 3,8 mm, Abwinkelung: 180° oben, 130° unten.
• GIF-XP 190 N (Olympus): Flexibles Gastroskop. Außendurchmesser: 5,8 mm. Abwinkelung: 210° oben, 90° unten, 100° links/rechts.
• BF-3C 160 (Olympus): Flexibles Bronchoskop. Außendurchmesser: 3,8 mm. Abwinkelung: 180° oben, 130° unten.
• Anubis (Karl Storz): Flexibles Endoskop (NOTEScope) als Multifunktionsinstrument ohne Optik. Durchmesser 16 mm.
• TransPort (USGI): Flexibles Multifunktionsendoskop mit vier Arbeitskanälen (für Endoskopie und/oder Instrumente).
• EndoSamurai (Olympus): Flexibles Multifunktionsendoskop mit 15,7 mm.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene seilzuglose, elektromotorische Verstelleinrichtungen für die Orientierung des distalen Endes bekannt:

1. [ DE 10 2012 202 552 B3 ]: Ein Videoendoskop mit verstellbarer Blickrichtung, dessen flexibles distales Ende über einen verstellbares Innenskelett ausgelenkt wird. Das Innenskelett besteht aus ringförmigen magnetischen Aktorelementen, die sich bei Anlegen eines Stroms relativ zueinander verkippen. Nachteilig erweist sich hier der resultierende große Krümmungsradius.
2. [ DE 10 2010 009 003 A1 ]: Eine Matrix aus elektroaktiven Polymeren, welche sich bei entsprechender Ansteuerung der Einzelelemente in verschiedene Richtungen auslenken lässt. Ebenfalls nachteilig ist der resultierende große Krümmungsradius.
3. [ DE 699 240 82 T2 ]: Die Endoskopspitze ist als elastische Hülle mit einer eingelegten Feder aus einer Formgedächtnislegierung ausgeführt. Diese Feder wird mittels lokaler induktiver Erwärmung ausgelenkt.
4. [ EP 2 073 058 A1 ]: Aus dem nicht-medizinischen Bereich wird eine Inspektionskamera für Rohre und Kanäle beschrieben, deren „distales“ Ende aus mehreren motorisch angetriebenen Gelenken besteht. Ein Glied dieser kinematischen Kette besteht aus zwei Gelenkelementen mit jeweils einem Rotationsfreiheitsgrad senkrecht zur proximalen Achse sowie zum vorangehenden Gelenk. Jedes Gelenk wird über einen Riementrieb angetrieben, dessen Abtrieb das kugelförmige Gelenkelement umschlingt. Durch eine kinematische Kette mehrerer Gelenkelemente sind Schwenkbereiche > 90° realisierbar.
5. [ EP 1 759 629 B1 ]: Dieses Patent beschreibt einen distal starren Schaft, welcher zwei hintereinander angeordnete Motoren enthält. Diese Motoren leiten die Bewegung entweder über lange Wellen oder Hebelmechanismen zum distalen Ende, welches zwei parallele Schwenkachsen aufweist. Das erste Gelenk schwenkt die Endoskopspitze um ca. 90° aus der Schaftachse, während das zweite Gelenk die Endoskopspitze weiter, in eine rückwärtige Ausrichtung zu schwenken vermag. Der Schaft lässt sich axial durch einen proximal integrierten Getriebemotor drehen, dessen Ritzel an eine Innenverzahnung im Schaft eingreift.
6. [ EP 1 332 710 B1 ]: Ein Endoskop mit motorisch verstellbarer Seitenblickoptik. Der Motor ist distal direkt hinter einen axial drehbaren Hohlzylinder angeordnet, welcher ein Kamerasystem nebst Spiegel enthält. Der Spiegel ist in 45° zur axialen Kamerablickrichtung zusammen mit der Kamera im Hohlzylinder angeordnet, so dass bei einer Drehung des Zylinders ein Blickfeld von 360° radial zur Drehachse zur Verfügung steht. Der Motor überträgt das Drehmoment über ein Reibrad. Eine weitere Ausführung positioniert den Motor proximal und leitet die Bewegung über eine biegsame Welle zum Hohlzylinder.
7. [ DE 10 2011 089 132A1 ]: Wie auch in [ EP 1 332 710 B1 ], beschreibt diese Offenlegung ein seitlich blickendes Videoendoskop, bei dem eine axial drehbare Optik elektromotorisch vor einem feststehenden Bildsensor verstellt wird. Die Optik ist ebenfalls in einem, im Endoskopschaft gelagerten Hohlzylinder untergebracht.
8. [ DE 10 2011 077 273 A1 ]: Diese Offenlegung beschreibt ein optisches Endoskop mit distalen Kugelgelenk. Die Kugelpfanne enthält Elektromagnete, welche die Kugel durch einen, in der Kugel des Gelenks befindlichen, Permanentmagnet ausrichten.
9. [ WO 2009/058 350 A1 ]: Das hier beschriebene „Columbia Imaging Device“ besteht aus einer intrakorporal schwenkbaren Schaft, die zwei elektrische Antriebe enthält. Während ein Motor eine axiale Drehbewegung realisiert, treibt der zweite Motor über eine Schnecken- und Stirnrad-Getriebestufe eine Zahnstange an, welche den Kopf um 90° schwenken kann. Letzterer ist ein Geräteträger für Kamerasysteme. Der Schwenkmechanismus mittels Zahnstange wird bereits in [ US 2003/032 863 A1 ] offenbart.
10. [ DE 10 2006 003 548 B4 ]: Dieses „Zangen- oder Schereninstrument mit Getriebeverbindung“ verfügt über ein Kegelradgetriebe zur synchronen Bewegung von Zangenbacken. Die Getriebewelle besteht hierbei aus einer Stange die vom proximalen Ende her angetrieben wird. Diese Erfindung benötigt somit ein starres Endoskop mit einem Antrieb außerhalb des Körpers.
11. [ WO 2003/086 179 A1 ]: Die Anmeldung beschreibt ein optisches Endoskop, dessen distales Ende senkrecht aus der Endoskopachse schwenken kann. Die Schwenkbewegung wird über eine Schubstange von einem proximalen bzw. im Endoskopschaft befindlichen Aktuator bereitgestellt.
12. [ US 2003 0032 863 A1 ]: Es wird eine optisches Endoskop offenbart, welches das distale Ende senkrecht zur Endoskopachse schwenken kann. Die Schwenkbewegung wird über eine Schubstange, Zahnstange oder Seilzug von einem proximal liegenden Aktuator zum Gelenk geführt.
13. [ US 8 771 169 B2 ]: Eine Klammer- oder Zangenkinematik wird über zwei distale Motoren angetrieben. Die Motoren sind proximal zu einem Schwenkgelenk um die Schaftachse positioniert. Die Rotation wird über ein Kegelradgetriebe über das Gelenk an ein distal liegendes Getriebe übertragen. Eine Motorbewegung wird im Folgenden mittels einer Getriebespindel und einer Kulisse in eine Öffnungsbewegung einer Zangenbacke übertragen, während die andere, stillstehende Backe ein Klammerwerkzeug beinhaltet. Dieses wird in ähnlicher Weise vom zweiten Motor angetrieben, welcher ebenfalls die Rotation in eine Translation wandelt um damit die Klammerung auszulösen. Während dieses Patent die Anwendung von Getriebemotoren nahe am distalen Gelenk beschreibt, dienen diese rein zur Aktuation der Werkzeuge.
14. [ EP 1830461 ]: Weiterhin gegeben ist der in [ EP 1830461 ] beschriebene Servomotor (MSD), welcher eine konzeptionelle Basis für die geplanten Entwicklungen darstellt.
15. [ DE 10 2012 212 094 A1 ]: Ein endoskopisches Instrument bekannt, welches einen langgestreckten Schaft und einen distalen Instrumentenkopf aufweist der vom proximalen Instrumentenende aus steuerbar ist. Es ist ein Gelenk im Schaft oder zwischen dem distalen Schaftende und dem Instrumentenkopf vorgesehen sowie Mittel zum Schwenken eines distalen Gelenkteils in Bezug auf einen proximalen Gelenkteil. Es sind weiter Getriebemittel zur Übertragung von mindestens einer Steuerfunktion vom proximalen Instrumentenende zum Instrumentenkopf vorgesehen. Die Getriebemittel weisen mindestens ein Umlaufgetriebe auf, dessen zentrale Achse mit der Gelenkachse zusammenfällt. Die Getriebemittel sind dabei in Form einer Übertragungskinematik aus hintereinander geschalteten Planetengetriebestufen ausgebildet und übertragen eine Bewegung auf Zug- und Druckstangen. Der entscheidende Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass die Eingangsgröße eine translatorische Bewegung bildet, die in eine rotierende Bewegung gewandelt werden muss, wofür ein relativ hoher konstruktiver Aufwand erforderlich ist. Die Verwendung von Stangen ist weiterhin nur für ein starres Endoskop nutzbar, wodurch eine Eintrittswunde unabdingbar ist. Bevorzugt werden jedoch Lösungen für Flexible Endoskope unter Zuhilfenahme natürlicher Körperöffnungen (NOTES; NOTES ist das Akronym für Natural Orifice Transluminal Endoscopic Surgery).
16. [ DE 10 2004 058 929 A1 ]: Ein Endoskop mit rotierbarem distalen Endoskopkopf. Dieser verfügt über ein abwinkelbares Endstück mit einem Endoskopschaft zu einem rohrförmigen Bauteil verbunden ist. Erfindungsgemäß ist zwischen dem Endoskopschaft und dem abwinkelbaren Endstück ein zusätzliches Rotationselement zur Rotation des abwinkelbaren Endstücks um die Längsachse des Endoskopschafts eingefügt. Dafür wird ein Untersetzungsgetriebe in Form eines koaxialen Getriebes, insbesondere eines Planetengetriebes oder ein sog. "Harmonic Drive" mit hoher Untersetzung und somit als selbsthemmendes Getriebe verwendet. Dieses Getriebe ist in der Getriebekammer untergebracht, welche ebenfalls vom Mittenabschnitt des Gehäuses des Rotationselements umschlossen ist. Durch das selbsthemmende Getriebe ergibt sich ein schlechter Gesamtwirkungsgrad. Weiterhin besteht ein großer Nachteil um dem großen benötigten axialen Bauraum und der geringen Zahl von Freiheitsgraden.
17. [ DE 11 2008 000 121 T5 ] offenbart einen Motor und einen Endoskopkopf, in dem der Motor verwendet wird. Ein Untersetzungsgetriebekopf wird von dem Motor angetrieben, wobei der Untersetzungsgetriebekopf ein Planeten-Untersetzungsgetriebe aufweist. Die grundsätzliche Struktur des Planeten-Untersetzungsgetriebemechanismus beinhaltet zwei Sätze voneinander unabhängiger Trageelemente, die hintereinander von der Seite des Motors zu der Seite der Abtriebswelle angeordnet sind, und einen Satz von Trageelementen, der am Basisende der Abtriebswelle angeordnet ist. Dieser Endoskopkopf verfügt über nur einen Freiheitsgrad, der für viele Anwendungsfälle ein zu geringes Bewegungsspektrum zur Verfügung stellt. Besonders nachteilig ist, dass keine Schwenkbewegung realisiert werden kann.

Die vorgenannten modernen Endoskope sind in Ihrer Blickrichtung stark eingeschränkt.
Durch eine bewegliche Form der Optik ist eine genauere Inspektion der Untersuchungsstelle möglich. Daher ist auch der Arbeitsbereich von endoskopischen Manipulatoren stark eingeschränkt. Dabei erfolgt die Positionierung des intrakorporalen Endoskopendes durch mechanische Einwirkung außerhalb des Körpers. Dies belastet die Eintrittswunde des Endoskops in den Körper sehr stark. Miniaturisierte Kinematiken in der mikroinvasiven Chirurgie sind nur als extrakorporale Ausführung bei starren Endoskopen bekannt [Oginski, 2013: http://nbnresolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:83-opus-39014]. Dies bedingt stets den Zugang durch eine Operationswunde. Flexible Endoskope können in den meisten Anwendungsfällen über reguläre Körperöffnungen zur Behandlungsstelle zugeführt werden. Sämtliche Patente beschreiben eine Unterbringung der Motoren in einem starren Schaft, wobei die Bewegung über eine Kinematik (Zahnstange, Hebel, usw.) durch den Schaft bis zum Gelenk geleitet werden muss. Die bisherige Aktuation der distalen Instrumente erfolgt vorrangig über Seilzüge oder Stangen, die – insbesondere bei offenliegenen Instrumenten wie im Falle des DaVinci-Systems – hohes Potential für Keimbildung und Verunreinigungen in den schwer zugänglichen Bereichen der Kinematik oder im Spalt zwischen den Drähten einer Litze bieten. Intrakorporale elektromotorische Anwendungen sind aufgrund der geringen Drehmomente von Kleinstmotoren bislang nur bei der optischen Endoskopie vorgesehen. Zur haptischen Rückmeldung über den Widerstand des operierten Gewebes sind zusätzliche Sensoren in der Spitze notwendig [Haßelbeck, C. F.: Experimentelle Evaluation von Haptik in der telemanipulatorgestützten Herzchirurgie [Elektronische Ressource]; München, Techn. Univ., Diss., 2009]. Dies wiederum bedingt zusätzliche Daten- und Energieleitungen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung einer Kinematik für ein intrakorporal angetriebenes Instrument eines Endoskops mit deutlich erweitertem Sicht- und Aktionsbereich bei Verwendung als endoskopisches Operationsinstrument, so dass der Wirkbereich endoskopischer Behandlungen nicht auf die subterminale Zone (vor der Endoskopspitze) beschränkt ist und mit dem zum anderen die mechanische Einwirkung auf die Zuführwunde – gegeben durch die Handhabung des Endoskops durch die Operierenden – reduziert oder auf einen unkritischen Bereich verlagert wird.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der innovative Kern der Erfindung liegt in der kinematischen Umsetzung der Instrumentenausrichtung und -aktuation des Endoskops.
Die Kinematik für das intrakorporal angetriebene Instrument eines Endoskops weist erfindungsgemäß wenigstens einen Aktor aus einem Antriebsmotor und einem Getriebe sowie Mittel Aufnahme und/oder Betätigung von diagnostischen und/oder chirurgischen Instrumenten auf, wobei sich der Aktor erfindungsgemäß im distalen (intrakorporalen) Ende der Endoskopkinematik befindet. Durch eine distal angetriebene Endoskopkinematik wird das Problem des eingeschränkten Aktionsbereiches des Endoskops beseitigt.
Dabei besteht der Aktor im Wesentlichen aus einem Elektromotor und einem Planetengetriebe, mit dem die für die Biopsie erforderlichen Kräfte aufgebracht werden.
Das Problem der zu geringen Motorkräfte wird dabei durch die Verwendung eines Elektromotors in Form eines Mikro-Getriebemotors gelöst. Das Getriebe ist dabei in einem Getriebegehäuse angeordnet, so dass das nach dem Stand der Technik vorhandene Problem der Verunreinigung der Seilzüge damit behoben ist. Es ist nach dem Eingriff eine einfache Reinigung möglich, wobei durch das Getriebegehäuse eine Verunreinigung des Getriebes vermieden wird.
Vorteilhafter Weise wird durch eine Messung der am Motor aktuell vorliegen elektrischen Kennwerte die Last am Instrument ermittelt. Bevorzugt wird die am Instrument ermittelte Reaktionskraft als Kraft oder Widerstand dem Bediener zurückgemeldet, so dass der Bediener eine haptische Rückmeldung durch eine Motorstromregelung erhält.
Das Planetengetriebe weist mehrere Getriebestufen auf, wobei mindestens zwei Stufen des Planetengetriebes ein Kegelradgetriebe bilden.
Bevorzugt wird ein Schwenkfreiheitsgrad (Pitch oder Yaw) durch das Getriebe bestimmt. Die Schwenkwinkel werden bevorzugt durch indirekt Anschläge definiert, da das Volumen des zu schwenkenden Element bei einem Winkel von 180° zur Achse des vorangehenden Elementes in letzterem zu liegen käme. Insofern bildet die kinematische Kette an sich implizite Anschläge. Es besteht die Möglichkeit, dass die Steuerung den/die Anschläge über den Motorstrom erkennt. Eine genaue Erkennung ist beispielsweise über einen inkrementalen Weggeber nebst Nullpunktreferenz sinnvoll. Die Referenzfahrt erfolgt dann extrakorporal. Die axiale Drehbewegung (Roll-Drehbewegung um die Längsachse) benötigt noch einen explizit ausgeführten Anschlag, da sonst theoretisch die weiterführenden Leitungen oder außenliegende flexible Umhüllungen bis zur Beschädigung tordiert werden könnten. Die Endoskopkinematik weist eine distale Werkzeugaufnahme für die Instrumente auf und wird durch eine Kombination von mindestens einer der nachfolgend beschriebenen Kinematiken gebildet. Die Steuersignale und/oder die Energieversorgung werden für mindestens ein Aktor durch die mechanische Struktur der Kinematik geleitet. Dies ist beispielsweise dadurch realisierbar, dass ein elektrisch leitendes Skelett sowie elektrisch leitende Gelenke hergestellt werden, die zur Umgebung abgekapselt sind. In diesem Fall verwendet man beispielsweise die Frequenzmodulation des über das Skelett geleiteten Antriebsstroms als Steuersignal. Dazu können beispielsweise das elektrisch leitende Skelett oder in die Hülle integrierte Leitungen an den Gelenken über flexible Überbrückungen (Kabel, oder elektrisch Leitfähige Polymere) verbunden sein. Die Leitungen der Steuersignale und/oder der Energieversorgung für mindestens einen Aktor werden dazu bevorzugt durch eine flexible, die mechanische Struktur der Kinematik umgebende Hülle geleitet. Diese in der Art eines Gehäuses ausgebildete Hülle ist autoklavierbar und somit im Autoklaven sterilisierbar/desinfizierbar und schützt die umhüllten Teile vor den Umgebungseinflüssen der Einsatzumgebung. Die leitenden Elemente des endoskopischen Elements bestehen bevorzugt aus elektrisch leitfähigen Polymeren um darüber elektrische Energie und/oder Signale zu leiten. Die Getriebestufe ist, falls notwendig, für ein Gelenk mehrfach ausgeführt. Dabei sind die jeweiligen Getriebestufen bevorzugt einzeln schaltbar und derart ausgeführt, dass die Freiheitsgrade der einzelnen Gelenke ebenfalls schaltbar sind. Vorteilhafter Weise werden alle Gelenke über eine gemeinsamen Antriebsstrang angetrieben. Ein Endeffektor des endoskopischen Instruments nimmt ausrichtungsabhängige Sensordaten der Umgebung mittels einer Kamera auf, deren Orientierung durch eine inverskinematische Berechnung der Achsenwinkel bestimmt wird. Dadurch ist die Orientierung des Bildes korrigierbar. Dies ist von erheblicher Bedeutung, da sich die Kamera des Effektors willkürlich im Raum dreht und es dem operierenden Arzt durch die Bildorientierung übel bzw. schwindlig werden kann. Misst man nun den Achswinkel jeder Achse, kann daraus die Orientierung des Endpunktes der Kinematik (d.h. der Kamera) berechnet werden. Entsprechend kann man nun das Bild so drehen, dass das Bild immer in die gleiche Richtung, bevorzugt zum Boden orientiert ist. Der Endeffektor weist mehrere Freiheitsgrade auf, die durch eine Getriebekinematik sowohl individuell als auch gemeinsam bewegbar sind.
Die erfindungsgemäße Aufgabe kann durch den Einsatz der Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst werden. Der aus elektroantrieb und Getriebe bestehende Aktor weist dabei bevorzugt einen miniaturisierten Servoantrieb auf, der im Geräteträger des Endoskops angeordnet ist.
Nach der konventionellen Grobpositionierung des Endoskop nahe der Untersuchungsstelle (beispielsweise im Magen), richten die Operierenden die im Geräteträger befindliche Optik mit Hilfe der – ebenfalls im Geräteträger angebrachten – servogesteuerten Stelleinrichtung aus.
Die Arbeit in engen Kavitäten wird sehr viel einfacher, da die Erfindung keinen Aktionsradius zum Abwinkeln benötigt, was von aktuellen flexiblen Endoskopen nicht erfüllt wird.
Da die Blickrichtung der Erfindung willkürlich und kontinuierlich verändert werden kann, hat sie gegenüber Schwenkprismen entscheidende Vorteile.
Durch die Substitution der Seilzüge durch die miniaturisierten Servomotoren werden die Freiheitsgrade der Instrumente und Manipulatoren wesentlich erweitert.
Durch entsprechende Kapselung und eine widerstandsfähige Kunststoffoberfläche kann das Endoskop automatisch in Desinfektions- und Reinigungsgeräten behandelt werden.
Dabei können nacheinander viele Instrumente durch einen Zugang in den Körperhohlraum eingeführt werden. Jedes Instrument braucht nur ein dünnes Kabel.
Die Instrumente müssen nicht von außen feinpositioniert werden. Nach der Grobpositionierung an den Ort des Einsatzes bewegen sich die Instrumente in sich selbst.
Da die Kräfte werden durch die Antriebe erzeugt werden, ist man unabhängig von der Kabellänge. Die Operationseinrichtung kann somit beliebig im Operationsraum aufgestellt werden.
Die Instrumente erzeugen eine definiert steuerbare Kraft, unabhängig von der Kabelwindung.
Die endoskopischen Instrumente sind variabler als bisher positionierbar; insbesondere in mehreren Ebenen („um die Ecke“). Durch zusätzliche Freiheitsgrade des durch die Stelleinrichtung bewegten Geräteträgers werden der Arbeitsraum und der sichtbare Untersuchungsbereich deutlich vergrößert.
Die Bedienung ist unabhängig vom Seilzugsystem als ergonomisch und haptisch optimierte Lösung realisierbar; beispielsweise mittels Joystick, Augenbewegung, Bewegungsspiegelung (auch mit definierter Kraftrückwirkung), Sprachsteuerung, Gestensteuerung oder Datenhandschuh.
Die Bedienung kann von verschiedenen Bedienorten oder online erfolgen. Somit ist technisch eine flächendeckende mikroinvasive Grundversorgung realisierbar. Im Falle mobiler Anwendungen – z.B. im Katastrophenschutz oder Verteidigungsfall – muss sich der Spezialist nicht vor Ort in Gefahr begeben.
Da keine mechanische Ausrichtung von außen erfolgt, entstehen keine Reaktionslasten in der Zuführungswunde und somit keine weitere Belastung derselben.
Letztendlich kann über die Messung des Motorstroms die am Instrument vorherrschende Reaktionskraft bestimmt und diese als haptische Rückmeldung den Operierenden zu Verfügung gestellt werden.
Es werden die Funktionen Hüllstruktur, Drehmomentübertragung und Drehmomentwandlung durch ein Planetengetriebe realisiert, dessen Hohlrad durch einen Zahnkranz in der Hülle des folgenden Gliedes bereitgestellt wird, d.h. der axiale Drehfreiheitsgrad (Rollbewegung-Drehbewegung um die Längsachse des Aktors) wird durch einen Getriebemotor mit Planetengetriebe bestimmt, dessen Hohlrad von der sich um die Längsachse drehenden Struktur aufgenommen oder gebildet wird. Die Funktionen Drehmomentwandlung und Ändern der Bewegungsrichtung werden durch die Kombination eines Planeten- mit einem Kegelradgetriebe realisiert. Dieses dient der Umsetzung einer Schwenkbewegung, bzw. in Anspruch 9 der weiteren Erhöhung der Freiheitsgrade, da die distale Werkzeugaufnahme durch eine Kombination von mindestens einem von jedem der beiden Kinematiken gebildet wird.
Weitere Funktionen der Endoskopkinematik werden in die die Kinematik umgebende Hülle integriert, da die Steuersignale bzw. die Signalversorgung und/oder die Energieversorgung durch die mechanische Struktur der Kinematik geleitet werden und bevorzugt durch die die Kinematik umgebende Hülle führen. Die Hülle wiederum dichtet die Kinematik sowie die innenliegenden Komponenten des Endoskops vor Umgebungseinflüssen, wobei Hülle im Autoklaven behandelbar ist und somit einfach desinfiziert/sterilisiert werden kann.
Die Außenhaut der Hülle besteht bevorzugt aus leitenden Polymeren und ist beispielsweise in der Art eines Gummischlauches bzw. Polymerschlauches ausgebildet.
mehrfache Ausführung der Getriebestufe für ein Gelenk, die einzeln schaltbar sind und wobei die Freiheitsgrade der einzelnen Gelenke separat schaltbar sind, erweitert die Kinematik zu einer kinematischen Kette mit entsprechenden Kombinationsmöglichkeiten für die entsprechenden Getriebe. Dies umfasst die Kombination mehrerer Getriebestufen als Basis für die damit ermöglichte Schaltbarkeit derselben sowie das individuelle Festlegen einzelner Gelenke. Somit wird es möglich, mit nur einem Antrieb jedes Gelenk sequentiell in die gewünschte Position zu bewegen. Es ist weiterhin möglich, alle Gelenke über einen gemeinsamen Antriebsstrang anzutreiben und ggf. dafür eine zuschaltbare biegsame Welle vorzusehen.
Der Endeffektor (das letzte Element der kinematischen Kette) der Endoskopkinematik nimmt vorteilhafter Weise ausrichtungsabhängige Sensordaten der Umgebung auf. Somit kann dessen Orientierung durch eine invers-kinematische Berechnung der Achsenwinkel bestimmt und nachfolgend korrigiert werden. Durch die Verwendung von Servomotoren ist es möglich, die Position der Welle und somit die resultierende Lage des Gelenks zu erfassen. Aus der kinematischen Berechnung ergibt sich die Ausrichtung des Endeffektors. Diese lässt sich mit der Ausgangslage vergleichen – oder durch Referenzmessungen kalibrieren – so dass den Operierenden stets referenzierte Messwerte zu Verfügung stehen. Ein Anwendungsfall wäre ein optischer Sensor (Kamera), der bei verstellter Ausrichtung ein zur Schwerkraft verstelltes Bild anzeigt. Dies kann zu Übelkeit bei Bedienpersonal führen.
Der Endeffektor enthält bevorzugt mehrere Freiheitsgrade, die durch eine Getriebekinematik sowohl individuell als auch gemeinsam bewegt werden können, wodurch beispielsweise eine Klemme, Schere oder Zange für eine Betätigung ausrichtbar sind.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Lösung zur Aktuation des axialen Rotationsfreiheitsgrad durch einen Motor mit Planetengetriebe am distalen Ende,
2 eine Lösung zur Aktuation des Schwenkfreiheitsgrad durch Kegelrad-Planetengetriebe am distalen Ende,
3 ein Getriebeschaubild zur gleichzeitigen und individuellen Aktuation einzelner Zangenbacken mittels Planetengetrieben,
4 eine Konstruktive Lösung zur gleichzeitigen und individuellen Aktuation einzelner Zangenbacken mittels Planetengetrieben,
5 die Prinzipskisse eines distalen Endes eines Endoskopes mit einem ersten Aktor und einem zweiten Aktor sowie einem Instrument mit zwei Zangenbacken in einem Teillängsschnitt,
6 die Prinzipskizze des distalen Endes eines Endoskops mit zwei ersten Aktoren sowie zwei zwischen diesen angeordneten zweiten Aktoren und einem distalen Instrument mit zwei Zangenbacken,
7 die Prinzipskizze des distalen Endes eines Endoskops mit einem ersten Aktor und zwei zweiten Aktoren, deren Ausgangswellen zueinander parallel angeordnet sind, in einem Teillängsschnitt,
8 die Prinzipskizze des distalen Endes eines Endoskops mit zwei ersten Aktoren, zwischen welchen ein zweiter Aktor angeordnet ist, in einem Teillängsschnitt. Gemäß 1 erfolgt die Aktuation des axialen Rotationsfreiheitsgrades der Kinematik, d.h. die Realisierung einer Drehbewegung um eine erste Längsachse A1 des ersten Aktors 1 durch einen ersten Elektromotor 16 und mit einem ersten Planetengetriebe P1 am distalen Ende.
Der erste Elektromotor 16 ist im proximalen Ende 11 fixiert und dessen Antriebswelle 16.1 ist mit dem Sonnenrad 14 des ersten Planetengetriebes P1 drehfest verbunden. Das Sonnenrad 17 kämmt mit wenigstens einem Planetenrad 15, das um seine eigene, nicht bezeichnete Drehachse drehbar aber in Bezug auf die Längsachse A1 in einem Planetenträger 17 fixiert ist. Der Planetenträger 17 ist hier in der Art einer Platte ausgebildet, die eine der Anzahl der Planetenräder entsprechende Anzahl von Ausnehmungen 18 aufweist, in denen die Planeten 15 drehbar gelagert sind. Das/die Planetenräder 15 kämmen mit einem Hohlrad 13. Der Elektromotor 16 treibt über seine Antriebswelle 16.1 das Sonnenrad 14 direkt an. Die Bewegung wird über ein (oder mehrere) in Bezug auf die Längsachse A1 feststehendes aber um die eigene Achse drehbar im Planetenträger 17 gelagertes Planetenrad 15 an das Hohlrad 13 übertragen, welches zugleich eine distale Aufnahme bildet. Der Planetenträger 17 nimmt axiale Kräfte in distaler Richtung auf.
Das distale Ende 11 kann weitere Kinematiken aufnehmen, z.B. wie nachfolgend in den 5 bis 8 beschrieben. Gemäß 2 erfolgt bei einem zweiten Aktor 2 die Aktuation eines Schwenkfreiheitsgrad durch die Kombination eines zweiten Elektromotors 28 mit einem zweiten Planetengetriebe P2, durch die Gestaltung des zweiten Planetengetriebes P2 in Form eines Kegelrad-Planetengetriebes am distalen Ende 11. Die Antriebswelle 28.1 des zweiten Elektromotors 28 ist drehfest mit dem Sonnenrad 27 verbunden und um die zweite Längsachse A2 antreibbar. Mit dem Sonnenrad 27 kämmen ein oder mehrere Planetenräder, beispielsweise wenigstens ein erstes Kegelrad 24. Der zweite Elektromotor 28 und die um ihre eigene nicht bezeichnete Achse drehbaren Planetenwellen 25 des/der Planetenräder (Kegelräder 24) sind im Gehäuse am proximalen Ende 12 mittels einer angedeuteten Halterung 21 fixiert. Das als Planetenrad ausgeführte erste Kegelrad 24 kämmt mit einem zweiten Kegelrad 23, dessen Welle 22 eine Drehachse AA2.1 (bzw. eine Schwenkachse) bildet, die zur Längsachse A2 des zweiten Aktors 2 hier um 90° versetzt ist.
Die Welle 22 des zweiten Kegelrades 23 kann gemäß den 5 bis 8 Kinematiken bzw. einen nicht dargestellten Endeffektor aufnehmen.
Der zweite Elektromotor 28 treibt das Sonnenrad 27 direkt an. Die Bewegung wird über das in Bezug auf die zweite Längsachse A2 aber um seine eigene Achse drehbar gelagerte feststehende erstes Kegelrad 24 seitlich umgeleitet und an ein Pseudo-Hohlrad in Form des zweiten Kegelrades 23 übertragen. Dieses bildet zugleich eine distale Aufnahme. Das Ende des zweiten Aktors 2 wird über einen Deckel 26 gekapselt oder über einen nicht dargestellten Schrumpfschlauch zur weiteren Kabelführung abgedichtet.
Aus 3 ist das Getriebeschaubild zur gleichzeitigen und individuellen Aktuation einzelner Zangenbacken des endoskopischen Instruments 3 mittels Planetengetriebes mit zwei Planetenstufen ersichtlich, welches beispielsweise mit einem ersten und/oder zweiten Aktor kombiniert werden kann und in 4 die dreidimensionale Darstellung eines entsprechenden Instrumentes 3 mit Zangenbacken 37.
Am linken und rechten Rad 35 ist gem. 3 je eine nicht dargestellte Zangenbacke über einen Befestigungspunkt 36 angebracht und im die Schwenkachse A3.1 schwenkbar. Ein Steg 31 und die Räder 32 links und rechts werden je über eine nicht dargestellte Zahnstange angetrieben.
Wird der Steg 31 angetrieben und die Räder 32 festgehalten, schwenken simultan beide Zangenbacken um die Schwenkachse A3.1. Wird der Steg 31 festgehalten, können die hier nicht ersichtlichen Zangenbacken über die Räder 32 individuell verfahren/ geschwenkt werden.
Die Räder 33, 34 realisieren aufgrund Ihres unterschiedlichen Durchmessers lediglich eine weitere Übersetzungsstufe.
Die Räder 25 und 35 bilden jeweils ein Sonnenrad und die Räder 33 und 34, die mit dem jeweiligen Sonnenrad kämmenden Planeten, wobei hier ein Hohlrad nicht erforderlich ist.
Weiterhin sind die Antriebsmotoren zum separaten Antrieb jeder Zangenbacke 37 nicht dargestellt. Die beiden Zangenbacken 37 erstrecken sich gem. 4 in Richtung der Längsachse A3 des Instruments 3. Die Schwenkachsen A3 der Zangenbacken 37 fluchten zueinander und sind zur Längsachse A3 des Instruments 3 um 90° versetzt angeordnet.
In 4 wird die dreidimensionale Darstellung des intrakorporal angetriebenen endoskopischen Instruments gem. 3 gezeigt. Es ist erkennbar, dass jeweils am linken und rechten Rad 35 je eine Zangenbacke 37 angebracht ist. Der Steg 31 und beidseitigen Räder 32 werden beispielsweise je über eine hier nicht dargestellte Zahnstange durch den hier nicht ersichtlichen Elektromotor angetrieben. Bei Antrieb des Steges 31 angetrieben und festhalten der Räder 32, schwenken simultan beide Zangenbacken 37 in die gleiche Richtung. Wird der Steg 31 festgehalten, können die Zangenbacken 37 über die Räder a32 individuell verfahren werden, d.h. in unterschiedliche Richtungen drehen Im Detail bedeutet dies dass man:

a. Die Zangenbacken 37 aufeinander zu schwenken und die Zange (das Instrument) schließen,
b. die Zangenbacken 37 von einander weg schwenken und die Zange damit öffnen,
c. eine Zangenbacke 37 festhalten und die andere Zangenbacke darauf zu oder weg schwenken, und
d. die Ausrichtung beider Zangenbacken bei einer fixen Position der Backen zueinander – z.B. bei einem gegriffenen Objekt – verändern kann.

5 zeigt die Prinzipskizze eines distalen Endes eines Endoskopes mit einem ersten Aktor 1 gemäß 1, an welchen ein zweiter Aktor 2 gemäß 2 gekoppelt ist, wobei sich an den zweiten Aktor 2 ein Instrument 3 mit zwei Zangenbacken gem. 3 und 4 anschließt.
In dem hier dargestellten Ausgangszustand fluchten die Längsachsen A1, A2, A3 des ersten und zweiten Aktors 1, 2 und des Instrumentes 3.
Wird Aktor 1 betätigt, vollführen Aktor 2 und das Instrument eine Drehbewegung um ihre Längsachsen A2, A3. Wenn Aktor 2 betätigt wird, wird das Instrument 3 um die Achse A2.1 geschwenkt. Jede der beiden Zangenbacken 37, von denen hier im Teilschnitt nur eine Zangenbacke 37 dargestellt ist, kann mittels eines separaten Antriebsmotors M3 um die Schwenkachse A3.1 geschwenkt werden.
Das Instrument 3 ist daher um die Achse A3 drehbar und zusätzlich um die Achse A2.1 schwenkbar.
6 zeigt eine Prinzipskizze einer Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Kinematik, bei welcher zwei erste und zwei zweite Aktoren 1, 2 mit einem Instrument 3 mit zwei Zangenbacken 37 kombiniert ist (zwei Aktoren 1, zwei Aktoren 2 und das Instrument 3 sind gestrichelt angedeutet). Diese Kinematik ist von einer flexiblen Hülle 40 ummantelt, aus welcher lediglich die zwei Zangenbacken 37 ragen.
Gemäß 6 sind hier von links nach rechts folgende Komponenten vorgesehen:

– Ein erster Aktor 1, dessen Antriebswelle 16.1 um die Längsachse A1 rotiert,
– ein zweiter Aktor 2, dessen Antriebswelle 22 ausgangsseitig quer zu dessen Längsachse A2 abgehend angeordnet ist und um die Achse A2.1 rotiert,
– ein gehäuseseitig mit der Antriebswelle 22 verbundener weiterer zweiter Aktor 2, der jedoch mit seiner Antriebswelle 22 um 90° versetzt zur Antriebswelle 22 des vorherigen zweiten Aktors 2 angeordnet ist, wodurch die Antriebswelle eine um 90° versetzte Achse A2.1 aufweist,
– einen ersten Aktor 1, der gehäuseseitig mit der Antriebswelle 22 des weiteren zweiten Aktors 6 verbunden ist,
– ein Instrument 3, das mit der Antriebswelle 16.1 des weiteren ersten Aktors 1 verbunden ist und dessen Zangenbacken 37 um die Schwenkachse A3.1 mittels zweier separater Antriebsmotoren M3 schwenkbar sind.

Das distale Instrument 3 ist dadurch um seine Längsachse A3 und um jede Längsachse A1 drehbar und in zwei unterschiedliche Schwenkrichtungen um die beiden Achsen A2.1 der beiden um 90° zueinander gedrehten zweiten Aktoren schwenkbar.
In 7 wird der Teillängsschnitt einer Kinematik dargestellt, bei welcher (hier von links nach rechts) auf einen ersten Aktor 1 zwei zweite Aktoren 2 folgen. Der hier rechte zweite Aktor kann weitere Komponenten wie einen weiteren Aktor, ein Instrument 3 usw. aufnehmen. Mit dieser Lösung ist eine Axialdrehung eine Schwenkung und eine weitere Schwenkung in die gleiche Richtung möglich.
8 zeigt die Prinzipskizze des distalen Endes eines Endoskops mit zwei ersten Aktoren 1, zwischen welchen ein zweiter Aktor 2 angeordnet ist, in einem Teillängsschnitt. Der hier rechts dargestellte distale zweite Aktor kann ebenfalls eine weitere Komponente aufnehmen, wie z.B. ein Instrument 3. Mit dieser Kinematik kann eine Axialdrehung mit einer Schwenkung alternierend realisiert werden.
Neben den vorgenannt beschriebenen Ausführungsbeispielen sind eine Vielzahl weiterer Kombinationen eines oder mehrerer erster Aktoren mit einem oder mehreren zweiten Aktoren und einem Instrument realisierbar.
Bevorzugt sind die Aktoren miteinander und mit dem/den Instrumenten über geeignete Schnittstellen bzw. Koppelstellen lösbar miteinander verbindbar, z.B. durch bekannte Schnellverbindungen.
Bezugszeichenliste

1: erster Aktor
2: zweiter Aktor
11: Distales Ende; Aufnahme Getriebemotor, fix
12: Proximales Ende, drehbar um axiale Drehachse (Rollbewegung)
13: Hohlrad
14: Sonnenrad
15: Planetenrad
16: erster Elektromotor
16.1: Antriebswelle
17: Axiale Lagerplatte
18: Motorlager
21: Halterung Motor (28) und Planetenwelle (25) in Proximalen Ende
22: Welle Schwenkachse (Pitch/Yaw) an äußere Schwenkaufnahme
23: Kegelrad; entspricht (Pseudo-)Hohlrad in Getriebe
24: Kegelrad; entspricht Planetenrad in Getriebe
25: Planetenwelle, an Motor und Gehäuse fixiert
26: Deckel
27: Sonnenrad
28: zweiter Elektromotor
28.1: Antriebswelle
31: Steg
32: Rad a
33: Rad b
34: Rad b‘
35: Rad c
36: Befestigungspunkt Zangenbacke
37: Zangenbacke
40: Flexible Hülle
A1: erste Längsachse
A2: zweite Längsachse
A3: Drehachse/Schwenkachse
P1: erstes Planetengetriebe
P2: zweites Planetengetriebe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Haßelbeck, C. F.: Experimentelle Evaluation von Haptik in der telemanipulatorgestützten Herzchirurgie [Elektronische Ressource]; München, Techn. Univ., Diss., 2009 [0013]

Claims

Kinematik für ein intrakorporal angetriebenes Instrument eines Endoskops, mit wenigstens einem Aktor aus einem Antriebsmotor und einem Getriebe sowie mit Mitteln zur Aufnahme und/oder Betätigung eines diagnostischen und/oder chirurgischen Instruments, dadurch gekennzeichnet dass sich wenigstens ein Aktor im distalen (intrakorporalen) Ende der Kinematik befindet.
Kinematik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Aktor aus einem Elektromotor mit Planetengetriebe besteht.
Kinematik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Freiheitsgrad der distal angebrachten Instrumente mit wenigstens einem Aktor antreibbar ist.
Kinematik nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Messung von, am Elektromotor aktuell vorliegenden elektrischen Kennwerten eine Last am Instrument bestimmbar ist.
Kinematik nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine am Instrument ermittelte Reaktionskraft als Kraft oder Widerstand dem Bediener anzeigbar ist.
Kinematik nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Aktor einen axialer ersten Drehfreiheitsgrad (Rollbewegung) in Form einer ausgangsseitigen Drehbewegung um eine erste Längsachse (A1) des ersten Aktors aufweist.
Kinematik nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aktor einen ersten Elektromotor (16) und ein erstes Planetengetriebe (P1) aufweist, wobei ein mit einer ersten Antriebswelle (16.1) des ersten Elektromotors (16) drehfest verbundenes erstes Sonnenrad (14) mit wenigstens einem ersten Planeten (15) kämmt, der wiederum mit einem ersten Hohlrad (13) des ersten Planetengetriebes kämmt und die ausgangsseitige Drehbewegung um die Längsachse (A1) auf ein proximales Ende (12) der Kinematik überträgt oder das proximale Ende (12) der Kinematik bildet.
Kinematik nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das ein zweiter Aktor einen im Winkel zu seiner Längsachse (A2) geneigten zweiten Drehfreiheitsgrad in Form einer ausgangsseitigen Drehbewegung um eine zur Längsachse (A2) geneigten Drehachse (A3) aufweist.
Kinematik nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Aktor einen zweiten Elektromotor und ein zweites Planetengetriebe aufweist und dass mindestens zwei Stufen des zweiten Planetengetriebes ein Kegelradgetriebe bilden.
Kinematik nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit einer zweiten Antriebswelle (28.1) des zweiten Elektromotors (16) drehfest verbundenes zweites Sonnenrad (27) mit wenigstens einem als Kegelrad ausgebildeten zweiten Planeten (25) kämmt, der wiederum mit einem als Kegelrad ausgebildeten Pseudo-Hohlrad (33) des zweiten Planetengetriebes kämmt, wobei das Pseudo-Hohlrad (33) die ausgangsseitige Drehbewegung um die Drehachse (A3) bereitstellt auf ein proximales Ende (12) der Kinematik überträgt oder das proximale Ende (12) der Kinematik bildet.
Kinematik nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Schwenkfreiheitsgrad (Pitch oder Yaw) des zweiten Aktors durch das zweite Planetengetriebe bestimmt ist.
Kinematik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Aufnahme und/oder Betätigung von diagnostischen und/oder chirurgischen Instrumenten, in Form einer distalen Werkzeugaufnahme ausgebildet sind, die durch eine Kombination von mindestens einem ersten Aktors und mindestens einem zweiten Aktors gebildet wird.
Kinematik nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale und/oder Energieversorgung für mindestens einen Aktor durch die mechanische Struktur der Kinematik geleitet werden.
Kinematik nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuersignale und/oder Energieversorgung für mindestens ein Aktor durch eine flexible, die mechanische Struktur der Kinematik umgebende Hülle geleitet werden.
Kinematik nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle autoklavierbar ist und die umhüllten Teile vor den Umgebungseinflüssen der Einsatzumgebung schützt.
Kinematik nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet dass die leitenden Elemente aus elektrisch leitfähigen Polymeren bestehen.
Kinematik nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebestufe für ein Gelenk mehrfach ausgeführt ist.
Kinematik nach einem der Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Getriebestufen schaltbar ausgeführt sind.
Kinematik nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Freiheitsgrade der einzelnen Gelenke schaltbar ausgeführt sind.
Kinematik nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke über einen gemeinsamen Antriebsstrang antreibbar sind.
Kinematik nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass d die Kinematik einen Endeffektor aufweist, der ausrichtungsabhängige Sensordaten der Umgebung aufnimmt, deren Orientierung durch eine invers-kinematische Berechnung der Achsenwinkel bestimmt und nachfolgenden korrigiert.
Kinematik nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet dass der Endeffektor mehrere Freiheitsgrade enthält, die durch eine Getriebekinematik sowohl individuell als auch gemeinsam bewegbar sind.