DE102015212199A1

DE102015212199A1 - Medizinisches Robotersystem und Verfahren zur Einstellung der Position oder Lage zumindest zweier unabhängig bewegbarer medizinischer Instrumente

Info

Publication number: DE102015212199A1
Application number: DE102015212199.2A
Authority: DE
Inventors: Jan-Hinnerk Borchard; Jens Kotlarski; Tobias Ortmaier; Frank Wehrheim; Matthias LAMBERTZ
Original assignee: Richard Wolf GmbH
Current assignee: Richard Wolf GmbH
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2017-01-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein medizinisches Robotersystem mit mindestens zwei Roboterarmen (8), an welchen jeweils ein medizinisches Instrument (12) zu dessen Bewegung und Positionierung befestigt ist, sowie einer Zugangseinrichtung (4), welche einen zum Einsatz in eine Körperöffnung (26) vorgesehen Wundspreizer (24) mit einem Dichtungsbereich (28) aufweist, welcher jedem der medizinischen Instrumente (12) das Einführen in die Körperöffnung (26) ermöglicht und für jedes der medizinischen Instrumente (12) zumindest zwei, vorzugsweise vier kinematische Freiheitsgrade (32, 34, 36, 38) sowie zumindest einen zusätzlichen kinematischen Freiheitsgrad (D) für eines der Instrumente (12) oder für mehrere Instrumente gemeinsam zulässt sowie ein Verfahren zur Einstellung der Position und/oder Lage zumindest zweier unabhängig bewegbarer medizinischer Instrumente (12), welche durch eine Zugangseinrichtung (4) geführt sind.

Description

Es sind Robotersysteme zur Durchführung endoskopischer Operationen bekannt, bei welchen die einzelnen medizinischen Instrumente durch jeweils einen Roboterarm aktiv bewegt oder geführt werden. Üblicherweise sind zumindest drei Instrumente erforderlich. Zwei besitzen als Manipulatoren ausgestaltete funktionale Enden uns eins ein als Endoskop ausgestaltetes funktionales Ende. Solche Systeme werden insbesondere für die Laparoskopie eingesetzt, d. h. es werden zwei laparoskopische Instrumente und ein Laparoskop eingesetzt, welche jeweils von einem Roboterarm aktiv bewegt oder geführt werden. Bei der Single-Port Laparoskopie werden alle Instrumente durch einen gemeinsamen Zugang durch eine gemeinsame Körperöffnung in das Körperinnere geführt. Dies erschwert die Bewegung der einzelnen Instrumente, da bei der Bewegung Kollisionen sowohl am distalen Ende als auch am proximalen Ende der Instrumente und eine Kollision der Roboterarme vermieden werden muss. Gleichzeitig sollen möglichst viele kinematische Freiheitsgrade im dreidimensionalen Raum für die funktionalen Instrumentenenden zur Verfügung gestellt werden, z. B. bei laparoskopischen Instrumenten möglichst drei kinematische Freiheitsgrade zur Einstellung der Position sowie der Freiheitsgrade zur Einstellung der Orientierung der funktionalen Instrumentenenden. Gleichzeitig soll eine intuitive und ergonomische Steuerung der Position oder Lage, wobei der Begriff der Lage Position und Orientierung einschließt, sowie der Funktion der Instrumentenenden durch den Benutzer möglich sein. Es ist schwierig, alle diese Zielsetzungen gleichzeitig zu verwirklichen, da sie sich teilweise gegenseitig ausschließen.
Im Hinblick auf diese Problematik ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes medizinisches Robotersystem, bestehend aus Roboterarmen, Zugangssystemen und medizinischen Instrumenten, bereitzustellen, welches eine verbesserte aktive Bewegung bzw. Einstellung der Position oder Lage funktionaler Instrumentenenden ermöglicht und es gleichzeitig besser ermöglicht, Kollisionen der Instrumente oder Roboterarme zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch ein medizinisches Robotersystem mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Verfahren mit den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
Das erfindungsgemäße medizinische Robotersystem weist zumindest zwei vorzugsweise unabhängige Roboterarme auf, d. h. die Roboterarme sind vorzugsweise mechanisch unabhängig bzw. entkoppelt und weisen mechanisch unabhängige Antriebe auf, sodass sie unabhängig voneinander bewegbar sind. An jedem der Roboterarme ist zumindest ein medizinisches Instrument befestigt, sodass das medizinische Instrument durch den Roboterarm beweg- und positionierbar ist. Besonders bevorzugt sind zumindest drei derart unabhängige Roboterarme vorgesehen, welche jeweils ein medizinisches Instrument zu dessen Bewegung und Positionierung tragen.
Das medizinische Robotersystem weist darüber hinaus eine Zugangseinrichtung auf, welche dazu vorgesehen ist, in eine Körperöffnung, sei es eine natürliche oder eine künstlich geschaffene Körperöffnung, eingesetzt zu werden. Die Zugangseinrichtung dient dazu, eine Abdichtung der Körperöffnung zu schaffen, die Körperöffnung aufzuweiten und die medizinischen Instrumente durch die Zugangseinrichtung in das Körperinnere zu führen. Die Zugangsrichtung ist weiter bevorzugt so ausgebildet, dass sie eine gedichtete Durchführung der Instrumente in den Körper ermöglicht. So kann die Zugangseinrichtung ein Pneumoperitoneum im Inneren des Körpers im Bereich des Zugangs nach außen abdichten.
Erfindungsgemäß weist die Zugangseinrichtung einen Dichtungsbereich auf, welcher jedem der medizinischen Instrumente das Einführen in die Körperöffnung, vorzugsweise ein gedichtetes Einführen in die Körperöffnung ermöglicht. Der Dichtungsbereich ist so ausgebildet, dass er für jedes der medizinischen Instrumente zumindest zwei, bevorzugt vier kinematische Freiheitsgrade bzw. Bewegungsfreiheitsgrade zulässt. Dies bedeutet die medizinischen Instrumente sind in diesen Freiheitsgraden passiv in dem Dichtungsbereich beweglich. Erfindungsgemäß ist der Dichtungsbereich so ausgebildet, dass er zumindest einen zusätzlichen kinematischen Freiheitsgrad bzw. Bewegungsfreiheitsgrad für eines der Instrumente oder vorzugsweise für mehrere, insbesondere alle Instrumente gemeinsam zulässt. Dies bedeutet bevorzugt sind die einzelnen Instrumente nicht nur einzeln in den ihnen zugewiesenen Freiheitsgraden beweglich, sondern können gemeinsam auch noch in einen zusätzlichen Freiheitsgrad bewegt werden. Alternativ lässt der Dichtungseinsatz nur für eines oder für mehrere Instrumente einen zusätzlichen kinematischen Freiheitsgrad, insbesondere einen fünften kinematischen Freiheitsgrad zu, entlang dem das oder die Instrumente passiv beweglich sind.
Vorzugsweise weist der Dichtungsbereich für jedes der medizinischen Instrumente jeweils einen Instrumentenkanal auf, durch welchen das Instrument in die Körperöffnung einführbar ist. Die Instrumentenkanäle sind so ausgebildet, dass jeder Instrumentenkanal zumindest zwei, vorzugsweise vier kinematische Freiheitsgrade für ein eingesetztes Instrument zulässt, das heißt das eingesetzte Instrument ist in diesen Freiheitsgraden passiv bewegbar. Erfindungsgemäß lässt der Dichtungsbereich darüber hinaus einen zusätzlichen kinematischen Freiheitsgrad für eines der Instrumente oder für mehrere Instrumente gemeinsam zu. Bevorzugt sind die Instrumente in ihren Instrumentenkanälen in ihrer Längsrichtung bewegbar und um die Längsachse drehbar. Zusätzlich können zwei Freiheitsgrade durch Schwenkbewegungen der Instrumentenkanäle um eine Schwenkachse quer zu der Längsachse der Instrumente zugelassen werden.
Erfindungsgemäß ist die Zugangseinrichtung so ausgebildet, dass sie einen Wundspreizer aufweist, welcher zum Einsatz in die Körperöffnung vorgesehen ist und an seinem Außenumfang mit dem die Körperöffnung umgebenden Gewebe in dichtende Anlage kommt. Der Wundspreizer kann die Körperöffnung auf die zur Durchführung der Instrumente erforderliche Größe spreizen bzw. dehnen. Der Wundspreizer ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet. In dem Wundspreizer ist ein Dichtungsbereich vorhanden, welcher vorzugsweise als Dichteinsatz ausgebildet sein kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird in dem Dichtungsbereich eine Gasströmung bzw. ein Überdruck verursacht, sodass ein Pneumoperitoneum im Inneren des Körpers aufrechterhalten werden kann. Gleichzeitig lässt diese Ausführungsform des Dichtungsbereiches bzw. Dichteinsaztes vorzugsweise jeweils sechs kinematische Freiheitsgrade der Instrumente in diesem Bereich passiv zu.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Dichtungsbereich aus einem oder mehreren elastischen oder starren Komponenten aufgebaut. Dabei weist der Dichtungsbereich vorzugsweise Instrumentenkanäle auf, durch welche die Instrumente jeweils in die Körperöffnung einführbar sind. Dabei ist für jedes der Instrumente mindestens ein Instrumentenkanal vorgesehen, in welchen das Instrument eingesetzt werden kann. Vorzugsweise lässt der Instrumentenkanal die Verschiebung des Instruments in seiner Längsrichtung und die Rotation des Instruments um seine Längsachse passiv zu. Die Instrumentenkanäle sind bevorzugt rohrförmig bzw. stutzenförmig ausgebildet und lassen zumindest ein Verschwenken um vorzugsweise zwei normal zueinander ausgerichtete Schwenkachsen gegenüber dem Wundspreizer passiv zu. Besonders bevorzugt können die Instrumentenkanäle aus einem elastisch verformbaren Material, insbesondere Kunststoff gefertigt sein. Dabei können die Instrumentenkanäle bevorzugt einstückig ausgebildet sein, sodass ein einstückig ausgebildeter Dichtungsbereich geschaffen wird. Das Zugangssystem kann vorzugsweise neben den Instrumentenkanälen in dem Dichtungsbereich und/oder dem Wundspreizer zusätzliche Durchgangskanäle, insbesondere für Spül- und/oder Luftleitungen aufweisen. Bevorzugt lässt der Dichtungsbereich zumindest einen weiteren kinematischen Bewegungsfreiheitsgrad zumindest eines der Instrumentenkanäle oder zumindest einen gemeinsamen weiteren Bewegungsfreiheitsgrad mehrerer Zugangskanäle gegenüber dem Wundspreizer passiv zu.
In einer ersten bevorzugten Variante der zweiten Ausführung des Dichtungsbereiches sind die Instrumentenkanäle mittels einer elastischen Membran mit dem Wundspreizer verbunden, sodass eine ausreichende Abdichtung zur Aufrechterhaltung des Pneumoperitoneums gewährleistet ist. Die elastische Verformbarkeit der Membran ist dabei groß genug um die kinematischen Freiheitsgrade, insbesondere sechs Freiheitsgrade zumindest eines Instruments, welches in einem Instrumentenkanal eingesetzt ist, im Bereich der Zugangseinrichtung gegenüber dem Wundspreizer passiv zu ermöglichen.
In einer weiteren bevorzugten Variante ist der Dichtungsbereich bzw. der Dichtungseinsatz in dem Wundspreizer drehbar gelagert. Dabei ist der Dichtungsbereich vorzugsweise mit Instrumentenkanälen versehen, wie sie vorangehend beschrieben wurden. Bevorzugt ist der Dichtungsbereich im Mittelbereich des Wundspreizers in einer kreisförmigen Öffnung drehbar beweglich angeordnet, sodass der Dichtungsbereich eine Drehung um eine Mittel- bzw. Längsachse des Zugangssystems passiv zulässt. Dabei ist der Dichtungsbereich bevorzugt gedichtet in dem Wundspreizer drehbar beweglich, sodass auch an der Schnittstelle zwischen Dichtungsbereich und Wundspreizer eine ausreichende Abdichtung des Pneumoperitoneums gewährleistet werden kann.
Die erfindungsgemäße Kombination aktiv bewegbarer Roboterarme zur Führung und Einstellung der Position oder Lage der medizinischen Instrumente mit einem Dichtungsbereich in der Zugangseinrichtung, welcher zumindest zwei, vorzugsweise vier kinematische Bewegungsfreiheiten bzw. Freiheitsgrade der Instrumente bezüglich des Wundspreizers und außerdem zusätzlich entweder zumindest einen zusätzlichen Freiheitsgrad zumindest eines Instruments im Bereich der Zugangseinrichtung oder zumindest einen zusätzlichen gemeinsamen Freiheitsgrad mehrerer Instrumente im Bereich der Zugangseinrichtung zulässt, ermöglicht Nullraumbewegungen welche dazu genutzt werden können, Kollisionen der Instrumente und/oder der Roboterarme zu vermeiden, ohne die für den Operationsvorgang benötigten Bewegungsabläufe zu beeinträchtigen. Das bedeutet, es können Kollisionen vermieden werden, ohne die zur Verfügung stehenden Freiheitsgrade der funktionalen Instrumentenenden, welche für den Operationsvorgang genutzt werden, einzuschränken. Es ist möglich, zur Kollisionsvermeidung Nullraumbewegungen durchzuführen, bei welchen die Instrumente aktiv durch die Roboterarme relativ zueinander innerhalb der von der Zugangseinrichtung passiv zugelassenen kinematischen Freiheitsgrade verlagert werden, ohne die Position /oder, bei einer zusätzlichen aktiven Einstellung zumindest zwei distaler Instrumentenfreiheitsgrade, ohne die Lage (Position und Orientierung) der funktionalen Instrumentenenden zu verändern.
Die Nullraumbewegung kann dabei außer zur Kollisionsvermeidung auch zur Steigerung diverser Leistungsmerkmale, wie z.B. Genauigkeit, Steifigkeit, Manipulierbarkeit, genutzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Zugangseinrichtung ist jeder der Instrumentenkanäle vorzugsweise in zumindest zwei Freiheitsgraden schwenkbar. Das bedeutet, die Instrumentenkanäle sind besonders bevorzugt um zwei normal zueinander ausgerichtete Schwenk- oder Biegeachsen schwenk- bzw. biegbar. Diese Schwenk- oder Biegeachsen erstrecken sich bevorzugt normal zu der Drehachse, um welche der Dichtungsbereich relativ zu dem Wundspreizer drehbar ist. Die Schwenk- oder Biegbarkeit der Instrumentenkanäle wird besonders bevorzugt, wie oben beschrieben, durch eine elastische Ausgestaltung des Materials, aus welchem die Instrumentenkanäle geformt sind, erreicht. Das elastische Material hat darüber hinaus den Vorteil, dass es gleichzeitig eine gute Abdichtung zu dem Instrumentenschaft des Instrumentes, welches durch den Instrumentenkanal geführt ist, bewirken kann.
Weiter bevorzugt sind die Roboterarme jeweils zur Bewegung des mit ihnen verbundenen medizinischen Instrumentes in zumindest vier aktiven Freiheitsgraden ausgebildet. Vorzugsweise ist das medizinische Instrument an dem Roboterarm auf diese Weise um seine Längsachse drehbar und entlang seiner Längsachse vor- und zurückbewegbar. Zusätzlich ermöglicht der Roboterarm eine Schwenk- bzw. Kippbewegung des Instrumentes um zwei Achsen, insbesondere zwei normal zueinander ausgerichteter Schwenkachsen. Diese beiden Kipp- bzw. Schwenkachsen sind vorzugsweise die vorangehend beschriebenen Biege- bzw. Schwenkachsen der Instrumentenkanäle. D. h. die Instrumente können von dem Roboterarm um zwei, vorzugsweise normal zueinander ausgerichtete, Kipp- bzw. Schwenkachsen, welche im Bereich des Zuganges bzw. der Zugangseinrichtung gelegen sind, verschwenkt werden. Bevorzugt besitzt zumindest einer der Roboterarme zumindest einen zusätzlichen aktiven Bewegungsfreiheitsgrad oder mehrere Roboterarme zumindest einen zusätzlichen gemeinsamen aktiven Bewegungsfreiheitsgrad um unter Ausnutzung der durch die Zugangseinrichtung passiv zugelassenen Bewegungsfreiheitsgrade die Instrumente zu bewegen bzw. zu führen.
Zusätzliche aktive Freiheitsgrade der Instrumente können durch die Ausgestaltung der medizinischen Instrumente bereitgestellt werden, wie sie unten beschrieben werden.
Vorzugsweise weist zumindest eines der medizinischen Instrumente am distalen Ende einen Manipulator und/oder weist zumindest eines der medizinischen Instrumente ein optisches System auf. Besonders bevorzugt ist zumindest ein medizinisches Instrument ein Endoskop, beispielsweise ein Laparoskop, und ein weiteres medizinisches Instrument, insbesondere zwei weitere medizinische Instrumente sind als endoskopische bzw. laparoskopische Instrumente mit einem am distalen Ende ausgebildeten Manipulator, beispielsweise einem Greifwerkzeug oder einem Schneidwerkzeug, ausgebildet. Wie beschrieben werden somit besonders bevorzugt zumindest drei Instrumente, d. h. ein Endoskop und zwei Werkzeuge, d. h. mit Manipulatoren versehene Instrumente, verwendet.
Wie beschrieben können die medizinischen Instrumente so ausgebildet sein, dass sie neben den durch die aktive Bewegung der Roboterarme bewirkten Freiheitsgrade weitere eigene aktive Freiheitsgrade zur Bewegung ihrer funktionalen Enden und/oder eine aktive Bewegung ihrer Manipulatoren bereitstellen. So kann zumindest eines der medizinischen Instrumente einen aktiv beweglichen gelenkigen oder biegbaren Abschnitt aufweisen, über welchen das distale Ende des Instrumentes gegenüber einem sich in proximaler Richtung anschließenden Instrumentenschaft, in zumindest einem, vorzugsweise in zwei Freiheitsgraden, auslenkbar ist. D. h., das distale Ende mit dem Manipulator ist in zumindest einer und vorzugsweise in zwei, besonders bevorzugt normal zueinander gerichteten Schwenk- bzw. Biegeebenen bewegbar. Diese Bewegung kann ebenfalls durch den Roboterarm veranlasst werden, so können im Roboterarm oder in dem Instrument entsprechende Antriebe zum Ausführen dieser Biege- bzw. Schwenkbewegungen vorgesehen sein. Besonders bevorzugt sind in dem Instrument Kraftübertragungsmittel angeordnet, welche von einem am proximalen Ende oder in dem Roboterarm angeordneten Antrieb erzeugte Kräfte zum distalen Ende in den Schwenk- bzw. Biegebereich übertragen, um die genannten Bewegungen aktiv zu veranlassen. So kann die Bewegbarkeit des distalen Endes des medizinischen Instrumentes bzw. eines dort angeordneten Manipulators oder optischen Systems vorzugsweise sechs aktive Freiheitsgrade aufweisen, welche sich aus den aktiven Freiheitsgraden des zugehörigen Roboterarmes, den passiven zugelassenen Bewegungsfreiheitsgraden der Zugangseinrichtung und den aktiven Freiheitsgraden der Gelenke im medizinischen Instrument selber ergeben. Zusätzlich ist der Manipulator, beispielsweise eine Zange oder ein Schneidwerkzeug, zur Durchführung einer Greif- oder Schneidbewegung aktiv bewegbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eines der medizinischen Instrumente so ausgebildet, dass es einen gebogenen bzw. vorgebogenen Schaftabschnitt aufweist. D. h. zumindest eines der Instrumente kann einen starr gekrümmten Abschnitt aufweisen. Eine solche Form ermöglicht es, die Manipulatoren mehrerer Instrumente so anzuordnen, dass sie von mehreren Seiten auf einen gemeinsamen Mittelbereich hin gerichtet sind.
Das medizinische Robotersystem weist zweckmäßigerweise eine gemeinsame Steuereinrichtung zur Steuerung einer Bewegung der Roboterarme und der Instrumente auf. D. h., gemeinsame aktive Freiheitsgrade mehrerer Roboterarme, aktive Freiheitsgrade einzelner Roboterarme sowie aktive Freiheitsgrade der Instrumente , werden zweckmäßigerweise von einer gemeinsamen Steuereinrichtung gesteuert, um eine koordinierte Bewegung der Instrumente zueinander zu ermöglichen, wobei insbesondere eine unerwünschte Kollision der Instrumente und/oder Roboterarme in der hier beschriebenen Weise vermieden wird. Die Roboterarme sind von der Steuereinrichtung bevorzugt derart ansteuerbar, dass die Roboterarme eine Bewegung der Instrumente innerhalb der durch die Zugangseinrichtung passiv zugelassenen Bewegungsfreiheitsgrade bewirken.
Bei einer bevorzugten Variante der Zugangseinrichtung wird auf diese Weise beispielsweise die Rotation und Verschiebung der einzelnen Instrumente in den einzelnen Instrumentenkanälen, das Verschwenken der einzelnen Instrumentenkanäle gegenüber dem Wundspreizer um je zwei Rotationsachsen sowie eine Drehung des Dichtungsbereiches relativ zu dem Wundspreizer aktiv eingestellt. D. h., um eine Drehung des Dichtungsbereiches relativ zu dem Wundspreizer der Zugangseinrichtung zu ermöglichen, ist kein separater Antrieb vorgesehen, dieser passiv zugelassene kinematische Freiheitsgrad wird vielmehr durch eine koordinierte aktive Bewegung der Roboterarme mit den daran angebrachten Instrumenten, welche sich durch die Instrumentenkanäle des Dichtungsbereiches erstrecken, bewirkt. Wenn beispielsweise drei Instrumente vorgesehen sind, werden die für deren Bewegung verantwortlichen drei Roboterarme von der Steuereinrichtung so angesteuert, dass die Instrumente in dem Bereich, in welchem sie sich durch die Instrumentenkanäle des Dichtungsbereiches erstrecken, eine Bewegung vollführen, bei welcher sich der Dichtungsbereich um seine Drehachse relativ zu dem Wundspreizer dreht. Der Wundspreizer verbleibt dabei fest fixiert in einer Körperöffnung.
Neben der Ansteuerung der Roboterarme übernimmt die gemeinsame Steuereinrichtung vorzugsweise auch die Ansteuerung der Antriebe, welche die Bewegung der Instrumententeile zur Realisierung der oben beschriebenen zusätzlichen Freiheitsgrade bewirken. D. h. die Steuereinrichtung steuert die Antriebe, welche die Schwenk- und/oder Drehbewegungen der distalen Enden der Instrumente veranlassen.
Weiter bevorzugt ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet und die Roboterarme sind derart von der Steuereinrichtung ansteuerbar, dass durch die Roboterarme durch deren gemeinsame Bewegung unter Ausnutzung der durch die Zugangseinrichtung passiv ermöglichten Bewegungsfreiheitsgrade einer Verlagerung der Instrumente ermöglicht wird ohne die Position und/oder Lage der funktionalen Instrumentenenden zu verändern.
Weiter bevorzugt ist die Steuereinrichtung derart ausgebildet und die Roboterarme und die aktiven Freiheitsgrade der Instrumente sind derart von der Steuereinrichtung ansteuerbar, dass die Roboterarme durch eine untereinander koordinierten Bewegung unter Ausnutzung der durch die Zugangseinrichtung passiv ermöglichten Bewegungsfreiheitsgrade eine Verlagerung der Instrumente ermöglichen und gleichzeitig durch eine zusätzliche Koordination der Roboterbewegung und der Bewegung der aktiven Freiheitsgrade der Instrumente die Einhaltung einer konstanten Lage (Position und Orientierung) der funktionalen Instrumentenenden ermöglichen.
Bei der bevorzugten Variante des Zugangssystems wird beispielsweise eine Drehung des Dichtungsbereiches relativ zu dem Wundspreizer in der oben beschriebenen Weise bewirkt, ohne die Position oder Lage der distalen Enden bzw. der Position oder Lage der an den distalen Enden gelegenen Manipulatoren der medizinischen Instrumente zu verändern.
So können die Roboterarme mit den medizinischen Instrumenten eine Nullraumbewegung durchführen, bei welcher die Position oder Lage der Manipulatoren bzw. Werkzeuge an den distalen Enden der Instrumente oder ggf. des Blickfeldes eines optischen Systems gleich bleibt. Diese Nullraumbewegungen, welche insbesondere durch die passiven Freiheitsgrade der Zugangseinrichtung ermöglicht werden, können dazu genutzt werden, die Instrumente so auszurichten, dass sie nicht miteinander kollidieren. Bei einem medizinischen Instrument, welches ein optisches System enthält, beispielsweise einem Endoskop, kann dabei die Ausrichtung der Endoskopoptik bzw. des Blickfeldes auf einen konstanten Punkt gehalten werden. Dies ist auch möglich, wenn eine starre Optik zum Einsatz kommt. Dabei ist zu verstehen, dass auch das Instrument, welches die Optik trägt, als flexibles Instrument mit einem aktiv schwenkbaren distalen Ende ausgebildet sein kann und dann bei entsprechender Ansteuerung der Roboterarme und Instrumentenfreiheitsgrade während einer Nullraumbewegung eine konstante Lage des funktionalen Endes einhalten kann.
Wie beschrieben ist die Steuereinrichtung bevorzugt derart ausgebildet, dass sie durch die Bewegung der Roboterarme unter Einhaltung der durch die Zugangseinrichtung passiv zugelassenen Freiheitsgrade die medizinischen Instrumente so auszurichtet, dass eine Kollision der medizinischen Instrumente sowie der Roboter verhindert wird. Dazu ist die Steuereinrichtung insbesondere derart ausgebildet, dass sie die Abstände zwischen Teilen des Systems, d. h. insbesondere der medizinischen Instrumente und der Roboterarme, mit Hilfe eines Modells bestimmt und/oder sensorisch erfasst und die Roboterarme so bewegt, dass bei vorgegebenen Ziellagen der distalen Enden der medizinischen Instrumente bzw. der an den distalen Enden der medizinischen Instrumente angeordneten Manipulatoren ein Produkt der Abstände oder der minimale Abstand zwischen einzelnen Teilen des Systems maximiert bzw. ein minimaler Abstand eingehalten wird. Neben diesen Beispielen sind weitere aus der Robotik bekannte Gütekriterien und Optimierungsziele anwendbar um wesentliche Leistungsmerkmale des Systems zu verbessern. Beispielsweise kann der Abstand zu singulären Stellungen maximiert werden um die Genauigkeit oder Manipulierbarkeit des Systems zu erhöhen. Außerdem kann unter Kenntnis der Singulärwerte der Steifigkeitsmatrix die strukturelle Steifigkeit des Systems erhöht werden. Dadurch, dass die Abstände zwischen den Teilen des Systems und der Instrumente maximiert werden, wird eine Kollision verhindert.
Die Steuereinrichtung ist insbesondere so ausgebildet, dass sie das vorangehend beschriebene Verfahren zur Vermeidung von Kollisionen der einzelnen Instrumente parallel bzw. gleichzeitig mit der Einstellung der Position oder Lage der funktionalen Instrumentenenden bei der Durchführung einer Operation durchführt. D. h., die Kollisionsvermeidung wird der vom Nutzer veranlassten Einstellung der Position oder der funktionalen Instrumentenenden überlagert. Der Nutzer bzw. Operateur gibt über geeignete Handhabungseinrichtungen Bewegungsbefehle für die einzelnen funktionalen Instrumentenenden vor, welche von der Steuereinrichtung erfasst werden und in Bewegungskoordinaten zum Verfahren der einzelnen Instrumente umgesetzt werden. Bei dieser Ansteuerung werden gleichzeitig oben beschriebene Gütekriterien berücksichtigt und die Instrumente werden stets so bewegt, dass oben beschriebene Optimierungsziele verbessert werden und die Instrumente und Roboterarme beispielsweise nicht miteinander kollidieren, gleichzeitig jedoch die vom Operateur vorgegebenen Position oder Lage der Manipulatoren bzw. distalen Enden der Instrumente erreichen.
Gegenstand der Erfindung ist neben dem vorangehend beschriebenen medizinischen Robotersystem auch ein Verfahren zum Einstellen der Position oder Lage zumindest zweier medizinischer Instrumente. Dieses Verfahren kann insbesondere zusammen mit dem oben beschriebenen medizinischen Robotersystem zur Anwendung kommen. In diesem Zusammenhang wird bezüglich möglicher bevorzugter Ausgestaltungen des Verfahrens auf die obige Beschreibung des Robotersystems verwiesen, aus welcher sich ebenfalls bevorzugte Verfahrensmerkmale ergeben.
Das Verfahren dient der Positionierung zumindest zweier, vorzugsweise dreier medizinischer Instrumente, wie sie beispielsweise oben beschrieben wurden. Die Instrumente, werden vorzugsweise von einer gemeinsamen Steuereinrichtung, welche das erfindungsgemäße Verfahren ausführt, zu ihrer Bewegung angesteuert. Dazu können, wie oben beschrieben, Roboterarme zur Bewegung der Instrumente vorgesehen sein. Die medizinischen Instrumente sind im Sinne der Single-Port Technik durch einen gemeinsamen Zugang bzw. eine gemeinsame Zugangseinrichtung geführt. Die Zugangseinrichtung ist zum Einsatz in eine Körperöffnung vorgesehen und weist dazu an ihrem Außenumfang einen Wundspreizer auf. In dem Wundspreizer ist ein Dichtungsbereich, durch welchen die Instrumente in den Körper geführt sind, ausgebildet. Gegenstand des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass bei der Bewegung bzw. Führung bzw. Verlagerung der Instrumente die durch den Dichtungsbereich passiv zugelassenen Freiheitsgrade der Instrumente gegenüber dem Wundspreizer durch eine koordinierte Bewegung der zumindest zwei, vorzugsweise drei medizinische Instrumente ausgenutzt werden. D.h. eine Bewegung entlang zumindest eines der Freiheitsgrade wird durch koordinierte Bewegung zumindest zweier medizinischer Instrumente bewirkt. D.h. zumindest die Bewegung entlang eines der kinematischen Freiheitsgrade, welche die Zugangseinrichtung passiv zulässt, wird nicht durch einen separaten Antrieb, sondern allein durch eine koordinierte Bewegung der Instrumente, welche durch den Dichtungsbereich geführt sind, erreicht. Bei der Verwendung eines der beschriebenen Ausführungen der Zugangseinrichtung ermöglicht die Zugangseinrichtung idealerweise sowohl jeweils vier passive kinematische Bewegungsfreiheitsgrade der Instrumente, als auch zumindest einen weiteren passiven kinematischen Freiheitsgrad zumindest eines der Instrumente oder einen gemeinsamen passiven kinematischen Freiheitsgrad mehrerer Instrumente gegenüber dem Wundspreizer. Diese beschriebenen zusätzlichen Freiheitsgrade werden, wie oben beschrieben, dazu genutzt, um beispielsweise Kollisionen der Instrumente oder Roboterarme zu verhindern.
Bei der beschriebenen Verlagerung der Instrumente unter Ausnutzung der durch den Dichtungsbereich passiv zugelassenen Freiheitsgrade werden die Instrumente und aktiven Freiheitsgrade der Instrumente weiter bevorzugt, wie ebenfalls oben beschrieben, so bewegt, dass die distalen Enden der medizinischen Instrumente bzw. die an den distalen Enden der medizinischen Instrumente ausgebildeten Manipulatoren ihre Position oder Lage beibehalten. D. h., die Instrumente können unter Ausnutzung der passiv zugelassenen Bewegungsfreiheitsgrade des Dichtungsbereiches eine Nullraumbewegung ausführen, bei welcher sich die Position oder die Lage der distalen Enden bzw. Manipulatoren nicht ändert. So kann ein Bewegung ausgeführt werden, welche den Operationsvorgang nicht beeinträchtigt, aber dazu genutzt werden kann, Kollisionen der Instrumente und/oder der sie führenden Roboterarme zu vermeiden. Darüber hinaus kann diese Bewegung auch zur Steigerung weiterer Leistungsmerkmale, wie z.B. Genauigkeit, Steifigkeit oder Manipulierbarkeit (Maß für die Verstärkung zwischen Antriebs- und Endeffektogeschwindigkeiten), genutzt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben. In diesen zeigt:
1 schematisch in einer perspektivischen Ansicht ein medizinisches Robotersystem gemäß der Erfindung,
2 eine Seitenansicht des Robotersystems gemäß 1 mit einem Schnitt durch den Körper,
3 vergrößert den Ausschnitt A aus 2, welcher eine Zugangseinrichtung zeigt,
4 eine Draufsicht auf die in 2 gezeigte Zugangseinrichtung,
5 eine perspektivische Ansicht der Zugangseinrichtung gemäß 3 und 4 mit einem medizinischen Instrument,
6 und 7 eine Draufsicht auf die Zugangseinrichtung entsprechend der Ansicht in 3 in zwei unterschiedlichen Winkelpositionen des Dichtungsbereiches und
8 schematisch ein Beispiel für den Ablauf bzw. die Struktur der Steuerung des Robotersystems gemäß 1–7.
1 zeigt schematisch einen Torso bzw. Körper 2, mit einem Zugang, in welchen ein Zugangssystem bzw. eine Zugangseinrichtung 4 eingesetzt ist. Die Zugangseinrichtung 4 dient zum Einführen endoskopischer Instrumente in das Körperinnere für eine Operation in Form einer Single-Port Laparoskopie. Der Körper kann optional einen zweiten Zugang 6, beispielsweise für Spül- oder Belüftungsaufgaben aufweisen. Das Robotersystem weist drei Roboterarme 8 auf, welche an ihren Endeffektoren 10 jeweils ein medizinisches, d. h. endoskopisches Instrument 12 halten bzw. führen. Die drei Roboterarme 8 sind mechanisch unabhängig voneinander ausgebildet, d. h. weisen unabhängige Antriebe auf und sind unabhängig voneinander bewegbar. Zur Bewegungssteuerung ist eine zentrale Steuereinrichtung 14 vorhanden, welche die Bewegungen der einzelnen Roboterarme 8 und der medizinischen Instrumente 12 koordiniert steuert. Die zentrale Steuereinrichtung 14 ist mit einem Eingabesystem 16 verbunden, über welches der Operateur die Bewegungen der funktionalen Enden der Instrumente 12 bzw. der Manipulatoren ein- bzw. vorgibt. 2 zeigt eine Seitenansicht des Robotersystems, welches in 1 dargestellt ist, wobei die Steuereinrichtung 14 und das Eingabesystem 16 nicht dargestellt sind. In 2 ist der Torso bzw. Körper 2 geschnitten, sodass die Zugangseinrichtung 4 mit den sich durch sie hindurch erstreckenden medizinischen Instrumenten 12 in einer Seitenansicht zu sehen ist.
Wie insbesondere in dem vergrößerten Ausschnitt A in 3 zu sehen ist, sind die Schäfte der medizinischen Instrumente 12 an ihren distalen Enden gekrümmt bzw. gebogen ausgebildet. Zwei der medizinischen Instrumente 12 weisen an ihren distalen Enden Manipulatoren 18 beispielsweise in Form von Zangen oder Schneidwerkzeugen auf. Diese beiden Instrumente 12, welche die Manipulatoren 18 tragen, weisen darüber hinaus einen aktiv biegbaren oder gelenkigen Abschnitt 20 auf, über welchen der Manipulator 18 am distalen Ende gegenüber der Längsachse X des Instrumentenschaftes des zugehörigen medizinischen Instrumentes 12 auslenkbar ist (aktiver Freiheitsgrad). Dabei ist der biegbare Abschnitt 20 in einer Biegeebene auslenkbar, wie weiter unten beschrieben wird. Das gezeigte dritte Instrument 12 ist als Laparoskop 22 ausgebildet, d. h. weist ein optisches System oder ein Bilderfassungssystem auf. Auch bei diesem Laparoskop 22 ist am distalen Ende ein biegbarer Abschnitt 20 vorgesehen, über welchen das distale Ende gegenüber der Instrumentenlängsachse X des Laparoskops 22 auslenkbar ist, um das Blickfeld gezielt ausrichten zu können. Alternativ kann das Laparoskop 22 jedoch auch einen fest gekrümmten distalen Endabschnitt oder eine beispielsweise 30° Seitwärtsoptik aufweisen.
Wie in 3 und in der Draufsicht in 4 zu erkennen ist, ist die Zugangseinrichtung 4 zweiteilig ausgebildet. Als ersten Teil weist sie einen Wundspreizer 24 auf, welcher einen äußeren Ring bildet. Dieser Wundspreizer 24 liegt mit seinem Außenumfang an dem Gewebe des Körpers 2 am Innenumfang der Körperöffnung 26 an. Die Körperöffnung 26 kann eine natürliche oder künstlich geschaffene Öffnung sein. Der Wundspreizer 24 dient dazu, die Körperöffnung 26 auf ein erforderliches Maß zum Einbringen der Instrumente 12 aufzuweiten und sorgt für einen dichten Verschluss der Körperöffnung 26 um ein Pneumoperitoneum im Inneren des Körpers 2 aufrechterhalten zu können. Im Inneren des ringförmigen Wundspeizers 24 ist als zweiter Teil der Zugangseinrichtung 4 ein Dichtungsbereich 28 angeordnet. Der Dichtungsbereich 28 ist kreisförmig ausgebildet und liegt mit seinem Außenumfang am kreisförmigen Innenumfang des Wundspreizers 24 an. So ist der Dichtungsbereich 28 drehbar im Inneren des Wundspreizers 24 beweglich. Dabei ist der Dichtungsbereich 28 um eine Längs- bzw. Drehachse D relativ zu dem umgebenden Wundspreizer 24 drehbar. Die Drehachse D stellt die Mittel- bzw. Längsachse des Wundspreizers 24 und des Dichtungsbereiches 28 dar. Die relative Drehbarkeit des Dichtungsbereiches 28 zu dem Wundspreizer 24 ermöglicht es, den Dichtungsbereich 28 um die Drehachse D zu drehen, während der Wundspreizer 24 fest in der Körperöffnung 26 angeordnet ist.
Der Dichtungsbereich 28 weist drei Instrumentenkanäle 30 auf. Die Instrumentenkanäle 30 sind rohr- bzw. stutzenförmig ausgebildet und weisen einen Innenquerschnitt auf, welcher im Wesentlichen dem Außenquerschnitt der Schäfte der medizinischen Instrumente 12 entspricht. So kann jeweils ein medizinisches Instrument 12 durch einen Instrumentenkanal 30 durch das Zugangssystem 4 hindurch in das Innere des Körpers 2 eingeführt werden. Dabei liegen die Instrumentenkanäle 30 vorzugsweise dichtend an dem jeweiligen medizinischen Instrument 12 an, sodass durch den Instrumentenkanal 30 kein Gas aus dem Pneumoperitoneum im Inneren des Körpers 2 entweichen kann. Die Instrumentenkanäle 30 lassen ein lineares Verschieben der medizinischen Instrumente 12 in ihrer Längsachse X und ein Drehen um diese Längsachse X passiv zu. Ferner lassen die Instrumentenkanäle 30, wie weiter unten beschrieben wird, ein Verschwenken relativ zum Wundspreizer passiv zu. Die drei Instrumentenkanäle 30 sind vorzugsweise einstückig mit den übrigen Teilen des Dichtungsbereiches 28 aus einem elastischen Kunststoffmaterial ausgebildet.
Die beschriebene Ausgestaltung der medizinischen Instrumente 12 und der Zugangseinrichtung 4 ermöglichen die anhand von 5 beschriebenen Freiheitsgrade der Bewegung jedes medizinischen Instrumentes 12. Ein erster Freiheitsgrad 32 des medizinischen Instrumentes 12 wird im Dichtungsbereich passiv zugelassen und ist die Drehbarkeit um die Instrumentenlängsachse X. Ein zweiter Freiheitsgrad 34 ist die Längsbewegbarkeit entlang der Instrumentenlängsachse X, d. h. ein Vorschub in distaler Richtung und ein Zurückbewegen in proximaler Richtung wird im Dichtungsbereich passiv zugelassen. Ein dritter Freiheitsgrad 36 ist eine Kipp- bzw. Schwenkbewegung um eine erste Schwenkachse S1. Ein vierter Freiheitsgrad 38 ist eine Schwenkbewegung um eine zweite Schwenkachse S2, wobei die Schwenkachse S2 sich rechtwinklig zu der Schwenkachse S1 erstreckt. Die Schwenkachsen S1 und S2 werden durch die beschriebene Beweglichkeit des zugehörigen Instrumentenkanals 30 gebildet und erstrecken sich durch den zugehörigen Instrumentenkanal 30 bzw. liegen im Bereich des Zugangssystems 4. Die Schwenkachsen S1 und S2 lassen ein Kippen bzw. Verschwenken des medizinischen Instrumentes 12 in zwei senkrecht zueinander stehenden Schwenk- bzw. Kippebenen passiv zu, d.h. bilden zwei passive kinematische Freiheitsgrade.
Drei weitere Freiheitsgrade werden durch die Beweglichkeit des medizinischen Instrumentes 12 an dessen distalen Ende aktiv bereitgestellt.
So wird ein fünfter Freiheitsgrad 40 durch aktives Auslenken bzw. Biegen des biegbaren Abschnittes 20 in einer Biegeebene um eine Biegeachse Y erreicht. Ein sechster Freiheitsgrad 42 ergibt sich aus der aktiven Drehbarkeit des Manipulators 18 um dessen Längsachse X_M. Dabei ist zu verstehen, dass sich die Längsachse X_M des Manipulators 18 in Richtung der Instrumentenlängsachse X erstreckt, wenn sich der biegbare Abschnitt in einer gestreckten Lage befindet, d. h. keine Biegung oder Auslenkung um die Biegeachse Y gegeben ist. Ein siebter Freiheitsgrad 44 ist der funktionale Freiheitsgrad des Manipulators 18, beispielsweise eine aktive Öffnungs- und Schließbewegung des Zangenmauls um eine Bewegungsachse Z des Manipulators 18. Zusätzlich zu diesen beschriebenen sieben Freiheitsgraden existiert die passiv zugelassene Drehbarkeit des Dichtungsbereiches 28 um die Drehachse D als zusätzlicher kinematischer Freiheitsgrad. Es ist zu verstehen, dass die anderen zwei medizinischen Instrumente 12 entsprechend ausgestaltet sind, wie das in 5 gezeigte Instrument, wobei bei dem Laparoskop 22 von dem fünften Freiheitsgrad 40, dem sechsten Freiheitsgrad 42 und dem siebten Freiheitsgrad 44 einer oder mehrere entfallen können.
Eine Drehbewegung des Dichtungsbereiches 28 um die Drehachse D wird bei dem erfindungsgemäßen Robotersystem passiv zugelassen, d.h. nicht durch einen separaten Antrieb erreicht, sondern durch die koordinierte aktive Bewegung der Roboterarme 8 über eine Bewegung der medizinischen Instrumente 12 hervorgerufen. Diese passiv zugelassene Drehbewegung kann mit den weiteren passiv zugelassenen Drehund Translationsbewegungen entlang der ersten vier beschriebenen Freiheitsgraden 32–38 überlagert sein. Dies wird anhand von 6 und 7 näher beschrieben. Um eine Drehbewegung zu veranlassen, werden von den Roboterarmen 8 die medizinischen Instrumente 12 über die Endeffektoren 10 in Richtung der Pfeile 46 aktiv translatorisch bewegt. Wenn die medizinischen Instrumente 12 in den Bewegungsrichtungen 46, welche in 6 eingezeichnet sind, aktiv translatorisch bewegt werden, führt dies zu einer Drehbewegung 48 um die Drehachse D. 7 zeigt gegenüber 6 eine entsprechende passiv zugelassene rotatorische Verlagerung des Dichtungsbereiches 28.
Die gezeigte Drehbewegung des Dichtungsbereiches 28 um die Drehachse D gibt einen zusätzlichen Freiheitsgrad, welcher Nullraumbewegungen der medizinischen Instrumente 12 in der Weise passiv zulässt, dass die Lage oder Position der distalen Enden der medizinischen Instrumente 12 bzw. der Manipulatoren 18 beibehalten werden kann und gleichzeitig die Roboterarme 8 und die Schäfte der medizinischen Instrumente 12 verlagert werden können, um Kollisionen zu vermeiden. Diese Nullraumbewegung erfolgt durch Überlagerung der von dem Roboterarm 8 aktiv herbeigeführten Translation in der Bewegungsrichtung 46 mit der ebenfalls von dem Roboterarm 8 aktiv herbeigeführten Orientierungsänderung des Instrumentenschaftes und einer aktiven Einstellung der distalen Freiheitsgrade 40 und 42. Hierbei wird der Bewegungssteuerung eine Kollisionsüberwachung in der Steuereinrichtung 14 überlagert. Von dem Operateur oder Chirurgen wird durch die Bewegung seiner Hände an dem Eingabesystem 16 eine gewünschte Bewegung der medizinischen Instrumente 12 bzw. deren Manipulatoren 18 vorgegeben. Alternativ oder in Kombination kann die Steuerung auch mittels der Finger, der Füße, Spracherkennung, eines Neuronalininterface, Eyetracking oder Kombinationen dieser Varianten erfolgen. An der Steuereinrichtung 14 werden daraus Koordinaten für die zu erreichende räumliche Anordnung des distalen Endes / Manipulators über die Roboterarme 8 und die Instrumentenfreiheitsgrade 40 und 42 errechnet. Die so errechneten Positionsdaten werden mit Ist-Werten des Systems, welche aus einem Modell oder durch eine sensorische Erfassung bestimmt werden können, verglichen, um dann die Roboterarme 8 und die Instrumentenfreiheitsgrade 40 und 42 in Echtzeit entsprechend anzusteuern und aktiv zu bewegen. Dieser Bewegungssteuerung wird eine Kollisionsüberwachung überlagert, welche die Ansteuerung der Roboterarme 8 und der Instrumentenfreiheitsgrade 40 und 42 in der Weise durchführt, dass eine Kollision der Roboterarme 8 sowie der Instrumente 12 bei deren Bewegung -verhindert wird. Hierzu kann durch Modellbildung und/oder über sensorische Erfassung der Abstand zwischen den Instrumenten 12 und den Roboterarmen 8 stets maximiert werden.
Die Struktur dieser Steuerung wird näher anhand von 8 erläutert. Im Schritt 50 werden beispielsweise durch Bewegung der Hände des Chirurgen über das Eingabesystem 16 die erforderlichen Bewegungen der distalen Enden der medizinischen Instrumente 12 bzw. deren Manipulatoren 18 vorgegeben. Alternativ kann die Steuerung auch unter Verwendung der zuvor aufgeführten Varianten und Kombinationen aus selbigen erfolgen. Die Fingerbewegungen des Operateurs werden im Schritt 52 interpretiert, um die Instrumentenfunktionen 44, d. h. die funktionalen Bewegungen der Manipulatoren 18, aktiv zu steuern. Diese werden dann direkt an das System 54 weitergegeben, welches aus den drei Robotern bzw. Roboterarmen 8, den medizinischen Instrumenten 12 sowie der Zugangseinrichtung 4 besteht. Im Teil bzw. Schritt 56 werden die Eingaben des Operateurs zur Bewegung desjenigen medizinischen Instrumentes 12, welches als Laparoskop 22 ausgebildet ist, ausgewertet und die Vorgabe für die Bewegung des distalen Abschnittes des Laparoskops in kartesische Koordinaten umgesetzt. Im Berechnungsteil bzw. Schritt 58 werden die vom Operateur vorgegebenen Bewegungen der beiden anderen medizinischen Instrumente 12, d.h. der Manipulatoren 18 umgesetzt und in kartesische Koordinaten übertragen. Die kartesischen Koordinaten der Instrumente 12, welche in den Schritten 56 und 58 gebildet werden, werden im Steuerschritt 60 für eine Steuerung in Echtzeit zur kollisionsfreien Bewegung der medizinischen Instrumente 12 genutzt. Hierzu kann mittels inverser Kinematik, inklusive Berechnung der im Dichtungsbereich passiv zugelassenen Freiheitsgrade 32–38 der Instrumente 12 und der passiv zugelassenen Drehbarkeit des Dichtungsbereiches 28 um die Drehachse D eine Übertragung der kartesischen Koordinaten in Soll- bzw. Stellgrößen im Gelenkraum der Roboterarme 8 und der medizinischen Instrumente 12 erfolgen. Die so erzeugten Steuersignale für die Roboterarme 8 und die medizinischen Instrumente 1 werden dann an das System 54 weitergegeben. Aus dem System 54 erfolgt eine Rückmeldung der Ist-Werte des Systems, d. h. von z.B. Positionsdaten und/oder Kraftdaten und/oder Bilddaten und/oder sonstiger Sensordaten an den Steuerschritt 60 und auch die Schritte 56 und 58. Eine Rückmeldung des erfassten Videobildes 62 erfolgt auch direkt an den Benutzer. Ferner kann dem Benutzer eine Rückmeldung in Form von Bewegungseinschränkungen (Force Feedback 64) gegeben werden.
Bezugszeichenliste

2: Körper
4: Zugangseinrichtung
6: optionaler Zugang
8: Roboterarme
10: Endeffektoren
12: medizinische Instrumente
14: Steuereinrichtung
16: Eingabesystem
18: Manipulatoren
20: biegbare Abschnitte
22: Laparoskop
24: Wundspreizer
26: Körperöffnung
28: Dichtungsbereich
30: Instrumentenkanäle
32: erster Freiheitsgrad
34: zweiter Freiheitsgrad
36: dritter Freiheitsgrad
38: vierter Freiheitsgrad
40: fünfter Freiheitsgrad
42: sechster Freiheitsgrad
44: siebter Freiheitsgrad
46: Bewegungsrichtung
48: Drehbewegung
50, 52: Verfahrensteile bzw. -schritte
54: System
56, 58, 60: Verfahrensteile bzw. -schritte
62: Bildrückmeldung
64: Force Feedback
X: Instrumentenlängsachse
X_M: Manipulatorlängsachse
Y: Biegeachse
Z: Bewegungsachse
D: Drehachse
S1: erste Schwenkachse
S2: zweite Schwenkachse

Claims

Medizinisches Robotersystem mit mindestens zwei Roboterarmen (8), an welchen jeweils ein medizinisches Instrument (12) zu dessen Bewegung und Positionierung befestigt ist, sowie einer Zugangseinrichtung (4), welche einen zum Einsatz in eine Körperöffnung (26) vorgesehen Wundspreizer (24) mit einem Dichtungsbereich (28) aufweist, welcher jedem der medizinischen Instrumente (12) das Einführen in die Körperöffnung (26) ermöglicht und für jedes der medizinischen Instrumente (12) zumindest zwei, vorzugsweise vier kinematische Freiheitsgrade (32, 34, 36, 38) sowie zumindest einen zusätzlichen kinematischen Freiheitsgrad (D) für eines der Instrumente (12) oder für mehrere Instrumente gemeinsam zulässt.
Medizinisches Robotersystem nach Anspruch 1, bei welchem der Dichtungsbereich (28) für jedes der medizinischen Instrumente jeweils einen Instrumentenkanal (30) aufweist, durch welchen das Instrument (12) in die Körperöffnung einführbar ist, wobei jeder Instrumentenkanal (30) zumindest zwei, vorzugsweise vier kinematische Freiheitsgrade (32, 34, 36, 38) für ein eingesetztes Instrument (12) zulässt und der Dichtungsbereich (28) zumindest einen zusätzlichen kinematischen Freiheitsgrad (D) für eines der Instrumente (12) oder für mehrere Instrumente gemeinsam zulässt.
Medizinisches Robotersystem nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die mindestens zwei Roboterarme voneinander unabhängig sind.
Medizinisches Instrument nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem der Dichtungsbereich (28) in dem Wundspreizer (24) drehbar gelagert ist.
Medizinisches Robotersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches zumindest drei Roboterarme (8) aufweist, an welchen jeweils ein medizinisches Instrument (12) zu dessen Bewegung und Positionierung befestigt ist, und bei welchem der Dichtungsbereich (28) vorzugsweise entsprechend zumindest drei Instrumentenkanäle (30) aufweist, durch welche die Instrumente (12) in die Körperöffnung (26) einführbar sind.
Medizinisches Robotersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem jedes Instrument in dem Dichtungsbereich (28) in zumindest zwei Freiheitsgraden (36, 38) schwenkbar ist und vorzugsweise dazu jeder der Instrumentenkanäle (28) in zumindest zwei Freiheitsgraden (36, 38) schwenkbar ist.
Medizinisches Robotersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem die Roboterarme (8) jeweils zur aktiven Bewegung des mit ihnen verbunden medizinischen Instrumentes (12) in zumindest vier Freiheitsgraden (32, 34, 36, 38) ausgebildet sind.
Medizinisches Robotersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem zumindest eines der medizinischen Instrumente (22) am distalen Ende einen Manipulator (18) und/oder zumindest eines der medizinischen Instrumente (12) ein optisches System aufweist.
Medizinisches Robotersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem zumindest eines der medizinischen Instrumente (12) einen gelenkigen oder biegbaren Abschnitt (20) aufweist, über welchen das distale Ende des Instrumentes (12) gegenüber einem Instrumentenschaft, vorzugsweise in zwei Freiheitsgraden (40, 42), auslenkbar ist.
Medizinisches Robotersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem zumindest eines der medizinischen Instrumente (12) einen gebogenen Schaftabschnitt aufweist.
Medizinisches Robotersystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches eine gemeinsame Steuereinrichtung (14) zur Steuerung einer Bewegung der Roboterarme (8) aufweist, wobei die Roboterarme (8) von der Steuereinrichtung (14) derart ansteuerbar sind, dass die Roboterarme (8) durch ihre gemeinsame aktive Bewegung eine Bewegung in zumindest einem von dem Dichtungsbereich (28) zugelassenen Freiheitsgrad (D) und insbesondere eine Drehung des Dichtungsbereiches (28) relativ zu dem Wundspreizer (24) bewirken.
Medizinisches Robotersystem nach Anspruch 11, bei welchem die Roboterarme (8) und vorzugsweise die medizinischen Instrumente (12) von der Steuereinrichtung (14) derart ansteuerbar sind, dass die Roboterarme (8) durch ihre gemeinsame Bewegung eine Bewegung in zumindest einem der von dem Dichtungsbereich (28) zugelassenen Freiheitsgraden (D) und insbesondere eine Drehung des Dichtungsbereiches (28) relativ zu dem Wundspreizer (24) veranlassen, ohne die Position und/oder Lage des distalen Endes zumindest eines der medizinischen Instrumente (12) zu verändern.
Medizinisches Robotersystem nach Anspruch 11 oder 12, bei welchem die Steuereinrichtung (14) derart ausgebildet ist, dass sie durch Bewegung der Roboterarme (8) eine Bewegung in zumindest einem der von dem Dichtungsbereich (28) zugelassenen Freiheitsgraden (D) und insbesondere eine Drehung des Dichtungsbereiches (28) veranlasst, um eine Kollision der medizinischen Instrumente (12) und/oder der Roboterarme (8) zu vermeiden.
Medizinisches Robotersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei welchem die Steuereinrichtung (14) derart ausgebildet ist, dass sie die Abstände zwischen den Teilen des Robotersystems (54) mit Hilfe eines Modells bestimmt und/oder sensorisch erfasst und die Roboterarme (8) und vorzugsweise die medizinischen Instrumente (12) so bewegt, dass bei vorgegeben Zielpostionen oder -lagen der distalen Enden der medizinischen Instrumente (12) ein Mindestabstand zwischen einzelnen Teilen des Robotersystems (54) eingehalten wird.
Verfahren zum Einstellen der Position und/oder Lage zumindest zweier unabhängig bewegbarer medizinischer Instrumente (12), welche durch eine Zugangseinrichtung (4) geführt sind, wobei die Zugangseinrichtung (4) einen zum Einsatz in eine Körperöffnung (26) vorgesehen Wundspreizer (24) sowie einen in dem Wundspreizer (24) angeordneten Dichtungsbereich (28) aufweist, welcher mehrere kinematische Freiheitsgrade für die medizinischen Instrumente (12) zulässt, wobei eine Bewegung entlang zumindest eines Freiheitsgrades (D) durch koordinierte Bewegung zumindest zweier medizinischer Instrumente (12) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, bei welchem die zumindest zwei medizinischen Instrumente zu einer Bewegung entlang mehrerer der von dem Dichtungsbereich zugelassenen Freiheitsgrade so bewegt werden, dass die distalen Enden der medizinischen Instrumente (12) ihre Position und/oder Lage beibehalten.