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Die Erfindung betrifft einen taktilen Messkopf zum Einführen in den Körper eines Patienten, während eines minimalinvasiven chirurgischen Eingriffs.
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Beispielsweise in der laparoskopischen Chirurgie werden haptische Eindrücke von Operationssitus wegen der Länge des verwendeten Instruments und aufgrund von Reibungseinflüssen stark vermindert. Teilweise gehen taktile Eindrücke vom Operationssitus wie beispielsweise Gewebeverhärtungen und Pulserkennung vollständig verloren. In der minimalinvasiven Chirurgie ist es bekannt, interoperativen Ultraschall (IOUS) einzusetzen, um zum Beispiel Verhärtungen und Läsionen zu erkennen.
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Informationen zu den genannten Technologien können den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden:
- [1] Schostek, S., et al., Taktile Sensorik in der laparoskopischen Chirurgie, Systementwicklung und experimentelle Evaluierung, Dissertation, Eberhard-Karls-Universität zu Tübingen, 2010 43, 42
- [2] Trejos, A., et al. Robot-assisted tactile sensing for minimally invasive tumor localization, The international Journal of Robotivs Research, 28(9), S. 1118–1133, 2009
- [3] Miller, A., et al. Tactile imaging system for localization of lung nodules during video assisted thoracoscopic surgery 1, IEEE International Conference on Robotics and Automation, S. 2996–3001, IEEE, Rom, Italien, 2007
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Herkömmliche Bildgebungsverfahren wie zum Beispiel interoperativer Ultraschall weisen den Nachteil auf, dass sie kleine Verhärtungen (z.B. Lungentumore) und an der Oberfläche liegende Tumore (z.B. Lebermetastasen) nicht darstellen können (siehe [1] und [2]). Solche Veränderungen werden somit bei Eingriffen durch die genannten Methoden nicht entdeckt und können daher teilweise nicht resektiert werden.
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Instrumente mit Krafterkennungssensoren, wie sie zum Teil ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt sind, sind auf den Durchmesser des Trokars beschränkt und können somit große Verhärtungen nur diskret abtasten (siehe Veröffentlichungen [1] bis [3]). Um eine zuverlässige Darstellung der gesamten Verhärtung zu ermöglichen, ist hierbei eine robotisch gesteuerte rasterartige Abtastung notwendig. Eine intuitive Palpation, wie sie bei offenen Operationen mit der Fingerspitze des Chirurgen durchgeführt wird, ist nicht möglich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen taktilen Messkopf für einen minimalinvasiven chirurgischen Eingriff bereitzustellen, der ein vereinfachtes taktiles Erfassen des Operationssitus erlaubt.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Der erfindungsgemäße taktile Messkopf ist geeignet zum Einführen in den Körper des Patienten während eines minimalinvasiven chirurgischen Eingriffs. Er weist eine expandierbare und wieder komprimierbare Trägervorrichtung auf. Unter expandierbar wird verstanden, dass das Gesamtvolumen der Trägervorrichtung, das heißt der Raum, der durch die außen liegenden Komponenten der Trägervorrichtung umschlossen wird, vergrößert werden kann. Umgekehrt bedeutet komprimierbar, dass dieser Raum wieder verkleinerbar ist. Anders ausgedrückt ist somit die Trägervorrichtung in ihren Außenabmessungen vergrößerbar und verkleinerbar.
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Der erfindungsgemäße taktile Messkopf weist ferner eine Sensorvorrichtung auf, die mit der Trägervorrichtung mechanisch verbunden ist und von dieser getragen wird, wenn sich diese in ihrem expandierten Zustand befindet.
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Der erfindungsgemäße taktile Messkopf kann somit in seinen Außenabmessungen verkleinert werden und somit durch den Trokar in den Körper des Patienten eingeführt werden. Nach dem Trokardurchtritt kann der Durchmesser bzw. das Volumen des erfindungsgemäßen taktilen Messkopfs auf ein Vielfaches des Trokardurchmessers vergrößert werden. Hierdurch kann gleichzeitig der Durchmesser des Sensorelements vergrößert werden, so dass es möglich ist, taktile Impressionen des Operationssitus über eine größere Oberfläche gleichzeitig zu erfassen und somit haptische Eindrücke direkt an den Chirurgen weiterzugeben. Somit bietet die Erfindung eine zusätzliche Möglichkeit, die oben beschriebenen Verhärtungen zu lokalisieren und vermindert somit das Risiko einer nicht erfolgenden Resektion von tumorösem Gewebe. Durch die vergrößerte Oberfläche des Sensors kann der Operationssitus intuitiv (wie bei der manuellen Palpation mit dem Finger) abgetastet werden.
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Es ist bevorzugt, dass die Trägervorrichtung mehrere aufklappbare Trägerelemente aufweist, an deren distalem Ende insbesondere die Sensorvorrichtung angebracht ist. Die Trägerelemente können beispielsweise als Blattelemente ausgebildet sein.
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Die Trägervorrichtung kann ein Grundelement aufweisen, mit dem die aufklappbaren Trägerelemente über jeweils ein Gelenk verbunden sind. Dieses Grundelement kann zum Beispiel gegenüber der Außenhülle des minimalinvasiven Instruments verschiebbar gelagert sein. Die Geometrie der Trägerelemente, beispielsweise deren Breite, Länge und Querschnitt, können an die jeweils erforderliche Situation angepasst werden. Die Trägerelemente können beispielsweise Versteifungsrippen aufweisen. Weiterhin können sie eine glatte oder poröse Oberfläche haben. Diese Trägerelemente können beispielsweise aus einer Kombination aus elektrisch leitfähigen und nicht leitfähigen Materialien hergestellt sein, so dass sie in der Lage sind, elektrische Signale zum Sensorelement weiter zu leiten.
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Es ist des Weiteren bevorzugt, dass der maximale Aufklappwinkel α, um den die aufklappbaren Trägerelemente gegenüber dem Grundelement verschwenkbar sind, durch ein Anschlagelement beschränkt ist. Sofern somit die aufklappbaren Trägerelemente vollständig aufgeklappt sind und am Anschlagelement anliegen, ergibt sich der maximale Aufklappwinkel α. Hierdurch kann erreicht werden, dass die Trägervorrichtung bei maximal aufgeklappten Trägerelementen eine genau definierte Außenform aufweist.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass der taktile Messkopf einen mit einem Fluid befüllbaren Hohlkörper aufweist, der derart innerhalb der aufklappbaren Trägerelemente angeordnet ist, dass bei einem Befüllen des Hohlkörpers ein Aufklappen der Trägerelemente erfolgt. Der Hohlkörper kann beispielsweise aus einem Polymermaterial ausgebildet sein und mit Luft, Kochsalzlösung oder Wasser oder anderen Fluiden gefüllt sein.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Außenkontur des Hohlkörpers in seinem vollständig befüllten Zustand mit der Innenkontur der am Anschlagelement anliegenden Trägerelemente im Wesentlichen identisch ist. Sofern somit der Hohlkörper mit Fluid befüllt ist, entspricht seine Außenkontur der Innenkontur der vollständig aufgeklappten Trägerelemente.
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Es ist möglich, dass das distale Ende des Hohlkörpers konvex gewölbt ist. Weiterhin kann der Hohlkörper mehrere Schichten aufweisen. Diese Schichten des Hohlkörpers können unterschiedlich verteilt sein, so dass der Hohlkörper in einigen Bereichen einen dünneren Querschnitt aufweist, während er in anderen Bereichen einen größeren Querschnitt aufweist. Auch kann der Hohlkörper an seiner Oberfläche elektrisch leitfähige Bahnen aufweisen. In einer Ausführungsform kann der Hohlkörper mit den Blattelementen verbunden sein. Auch kann der Hohlkörper in einer weiteren Ausführungsform mit dem Sensorelement verbunden sein.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der taktile Messkopf eine Pumpvorrichtung zum wahlweisen Befüllen und Entleeren des Hohlkörpers mit einem Fluid auf. Hierbei ist es bevorzugt, dass der Druck des Fluids innerhalb des Hohlkörpers innerhalb eines Maximaldrucks und eines Minimaldrucks frei einstellbar ist. Beispielsweise ist es möglich, dass der Hohlkörper aus einem weniger elastischen Polymer ausgebildet ist, so dass sich im Bereich eines bestimmten Befüllungsdrucks (z.B. 8 bis 20 bar) das Volumen des Hohlkörpers nur noch geringfügig ändert. Allgemein ausgedrückt ist es somit möglich, den Befüllungsdruck des Hohlkörpers innerhalb eines bestimmten Druckbereichs zu ändern, ohne dass sich das Volumen des Hohlkörpers verändert. Durch ein Verändern des Drucks des Hohlkörpers kann ein verändertes Ansprechverhalten des Sensors erreicht werden, so dass es dem Chirurgen möglich ist, das erforderliche Ansprechverhalten der Sensorvorrichtung durch ein Verändern des Innendrucks des Hohlkörpers an die jeweilige Situation am Operationssitus anzupassen.
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Grundsätzlich kann der Hohlkörper dazu verwendet werden, das weichere Material der über dem Hohlkörper angeordneten Sensorvorrichtung zu stützen.
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Hierzu kann der Hohlkörper beispielsweise aus einem thermoplastischen Polymer ausgebildet sein, das gut gefaltet werden kann, ferner große Drücke aushält und weniger elastisch ist als die Sensorvorrichtung. Alternativ zu einem thermoplastischen Polymer kann auch ein Elastomer verwendet werden (z.B. PA 66, PET, Polyurethane, Silikon, thermoplastische Elastomere). Der E-Modul des Materials liegt zwischen 800–4000 N/mm2. Bei den Elastomeren liegt die Härte zwischen Shore 60–90 A. Der Hohlkörper stabilisiert somit mechanisch die Sensorvorrichtung und stützt sich seinerseits auf die Trägerelemente ab. Der Kraftfluss der durch den Sensor fließenden Kräfte verläuft somit vom Sensor über den Hohlkörper, die Trägerelemente und von dort in Richtung des Grundelements, an dem die Trägerelemente abgestützt sind.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Durchmesser der Sensorvorrichtung im Wesentlichen dem Durchmesser der Trägervorrichtung im expandierten Zustand entspricht.
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Es ist ferner bevorzugt, dass die Sensorvorrichtung zusammenfaltbar und wieder expandierbar ist. Hierbei kann die Sensorvorrichtung bei befülltem Hohlkörper über den Hohlkörper gespannt sein.
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Die Sensorvorrichtung kann mit dem distalen Ende der Trägerelemente verbunden sein. Dies kann beispielsweise durch eine Klebung, durch einen Kraftschluss beispielsweise mit nietenartigen Elementen oder durch einen Formschluss mit einer porösen Außenstruktur der Trägerelemente erfolgen. Die elektrischen Signale der Sensorvorrichtung können über elektrisch leitfähige Strukturen an den Trägerelementen weitergegeben werden. Auch ist es möglich, eine Kabelführung in radialer Richtung innerhalb der Trägerelemente vorzusehen. Alternativ ist es auch möglich, elektrisch leitfähige Bahnen auf der Oberfläche des Hohlkörpers vorzusehen.
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Die Sensorvorrichtung kann beispielsweise gemäß
DE 10 2007 020 131 A1 ausgebildet sein und mehrere elektrische Widerstandsleitungen an oder in einem elektrisch nicht leitenden und elastischen Grundkörper aufweisen. Die Leitungen werden von Partikelbahnen aus elektrisch leitenden Partikeln in einem elektrisch nicht leitenden und elastisch verformbaren Leitungskörper gebildet. Hierbei kann der Leitungskörper ein Material aufweisen, das sich von dem Material des Grundkörpers unterscheidet. Als Partikel können beispielsweise Rußpartikel oder Graphitpartikel verwendet werden. Der Leitungskörper kann beispielsweise aus Silikon ausgebildet sein.
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Die Sensorvorrichtung kann ferner ausgebildet sein gemäß
DE 10 2010 034 704 A1 und ein polymerbasiertes elastisch dehnbares elektrisches Widerstandselement aufweisen, das eine dehnungsabhängige veränderliche Leitfähigkeit aufweist. Hierdurch kann ein mechanischer Stimulus in eine Änderung der elektrischen Leitfähigkeit umgesetzt werden. Um eine verbessertes taktiles Erfassen von Sensorsignalen zu ermöglichen, kann vorgesehen sein, dass das zumindest eine polymerbasierte dehnbare, dehnungssensitive elektrische Widerstandselement zwischen eine erste polymerbasierte elastische elektrische Leitung und eine zweite polymerbasierte elastische elektrische Leitung geschaltet ist. Eine Leitfähigkeit der Leitungen ist hierbei dehnungsunveränderlich oder zumindest weniger dehnungsabhängig veränderlich als die Leitfähigkeit des zumindest einen polymerbasierten elastisch dehnbaren, dehnungssensitiven elektrischen Widerstandselements.
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Merkmale zur weiteren Ausgestaltung des Sensorelements können den beiden genannten Veröffentlichungen entnommen werden.
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Ein Einsatz des erfindungsgemäßen taktilen Messkopfs kann wie folgt erfolgen:
In zusammengefaltetem Zustand der Trägervorrichtung kann der erfindungsgemäße Sensor durch den Trokar in den Patientenkörper eingeführt werden. Nach dem Trokardurchtritt kann der Hohlkörper mit dem Fluid befüllt werden. Somit erfolgt eine Expansion des Hohlkörpers, der hierdurch wiederum die Trägerelemente nach außen drückt und diese entfaltet, bis diese am Anschlagelement anliegen und ihren maximalen Aufklappwinkel α erreicht haben. Gleichzeitig wird der Sensor durch die aufgefalteten Trägerelemente und/oder aufgeblasenen Hohlkörper gespannt, so dass er sich auf die volle Oberfläche des Hohlkörpers ablegt. Es ist möglich, dass der Hohlkörper eine Oberflächenstruktur aufweist, die sich formschlüssig zwischen die einzelnen Trägerelemente legt, so dass ein Verrutschen des Hohlkörpers verhindert werden kann, wenn sich dieser in aufgeblasenem Zustand befindet. Bei Kontakt des Sensors mit dem Operationssitus wird die Kontaktkraft über den Sensor auf den befüllten Hohlkörper weitergeleitet. Dieser wiederum stützt sich an der Trägervorrichtung. Die aufgenommene Kraft wird somit an das minimalinvasive chirurgische Element weitergegeben, so dass haptische Eindrücke weitergegeben und vom Chirurgen direkt ausgewertet werden können. Taktile Eindrücke des Operationssitus werden über den taktilen Messkopf gemessen.
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Die taktilen Messwerte des Sensors können extrakorporal von einer Auswerteeinheit ausgewertet werden.
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Zum Entfernen des Sensors aus dem Körper des Patienten wird das Fluid aus dem Hohlkörper entfernt. Hierdurch wird der Hohlkörper wieder komprimiert und die Trägerelemente werden zusammengefaltet. Die flexible Sensorvorrichtung kann hierbei mäanderförmig zwischen die Trägerelemente gefaltet werden oder aber sackartig nach außen hängen. In beiden Fällen wird der Außendurchmesser des taktilen Messkopfs verringert, so dass er durch den Trokar geführt werden kann und der Sensor somit aus dem Patientenkörper entfernt werden kann.
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Um eine bessere Mobilität der Sensorvorrichtung zu erreichen und die Bewegungsfreiheitsgrade zu erhöhen, ist es möglich, einen modularen Mehrgelenkmechanismus zur verwenden, wie er beispielsweise in
DE 10 2011 107 510 A1 beschrieben ist. Hierbei können mehrere zueinander verschwenkbare Glieder verwendet werden, wobei zwischen benachbarten Gliedern jeweils ein Gelenkelement angeordnet ist. Die Glieder können über ein erstes Verbindungselement sowie ein zweites Verbindungselement miteinander verbunden sein, wobei die Verbindungselemente in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind, so dass eine deterministische Zwangsführung in zwei Ebenen realisiert werden kann.
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Ferner kann zur Kraftmessung nachgelagert eine Struktur verwendet werden, wie sie beispielsweise beschrieben ist in
DE 10 2011 008 543 A1 . Hierzu kann die Sensoreinrichtung mindestens eine Glasfaser aufweisen, durch die ein faseroptisches Sensorelement ausgebildet ist. Ferner kann zur Identifikation der Sensoreinrichtung ein Identifikationselement vorgesehen sein. Für eine automatische Identifikation der Sensoreinrichtung kann das Identifikationselement als optisches Identifikationselement ausgebildet sein und in eine Glasfaser integriert sein.
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Die Sensoreinrichtung kann ausgebildet sein gemäß
DE 10 2010 052 614 A1 und mindestens ein Sensorelement zur Erfassung einer Dehnung eines Objekts in mindestens einer Raumrichtung aufweisen, aus der ein Kraft oder ein Moment bestimmbar ist. Hierbei kann das Sensorelement eine Lichtleitfaser mit einem Sensorbereich aufweisen, in dem ein Faser-Bragg-Gitter eingebracht ist und das Faser-Bragg-Gitter mit einem vorzugsweise breitbandigen Licht zur Erzeugung eines Reflexionslichtes mit einer Peakwellenlänge beleuchtbar ist. Die Lichtleitfaser kann aus einem Faserkern und mindestens einem den Faserkern umgebenden Mantel aus lichtleitendem Material bestehen. Das Faser-Bragg-Gitter kann in den Faserkern eingebracht sein. Das Material des Mantels kann mit einem fluoreszierenden Material dotiert sein. Das fluoreszierende Material ist mit einer Anregungsstrahlung zur Erzeugung einer Fluoreszenzstrahlung mit mindestens einer Hauptemissionswellenlänge bestrahlbar.
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Weiterhin kann die Sensorvorrichtung ausgebildet sein gemäß
DE 10 2007 037 262 D3 und einen Kraft-Moment-Sensor zum Messen von mindestens drei orthogonalen Belastungen aufweisen. Hierbei können beispielsweise stabartige Elemente in Form von Glasfasern ohne eine Trägerstruktur vorgesehen sein, die in Plattformen fixiert sind. Auch können stabartige Abschnitte eine fortlaufende Glasfaser oder einige wenige Glasfasern bilden, welche wellenförmig um einen gedachten Zylinder gewickelt sind. Auf den Glasfasern kann eine Ummantelung angebracht sein.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen taktilen Messkopfs,
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2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen taktilen Messkopfs,
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3 bis 7 verschiedene Darstellungen, die das Zusammenklappen der Trägerelemente verdeutlichen.
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Gemäß 1 weist der taktile Messkopf 10 eine expandierbare und wieder komprimierbare Trägervorrichtung 12 auf, die aus mehreren Trägerelementen 12a–12h (siehe 3a) ausgebildet sein kann. In der Ausführungsform gemäß 1 sind die Trägerelemente gekrümmt ausgebildet. Die Sensorvorrichtung 14 liegt bei expandierten Hohlkörper 22 auf diesem auf. Bei vollständig aufgeklappten Trägerelementen 12a–12h liegen diese am Anschlagelement 20 auf. Sie sind über Gelenke 18a–18h mit dem Grundelement 16 verbunden. In 2 sind die Trägerelemente 12a–12h nicht gekrümmt sondern gerade ausgebildet. Die Sensorvorrichtung 14 umschließt hierbei den Hohlkörper 2 vollständig, das heißt, sie ist nicht lediglich an seiner Frontseite angeordnet.
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Das Bezugszeichen 24 in 1 bezeichnet eine Hülle des minimalinvasiven chirurgischen Instruments gegenüber der der taktile Messkopf 10 verschiebbar sein kann, so dass er in den Patientenkörper einführbar und aus diesem wieder entfernbar ist.
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Die 3a bis 3c zeigen die aufgeklappten Trägerelemente 12a–12h, die über Gelenke 18a–18h mit dem Grundelement 16 verbunden sind.
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In 4a bis 4c ist zusätzlich der expandierte Hohlkörper 22 innerhalb der Trägerelemente 12a–12h dargestellt. In 4a ist sichtbar, dass die Trägerelemente 12a–12h bei expandiertem Hohlkörper 22 an dessen Außenumfang anliegen. In der dargestellten Ausführungsform ist der Hohlkörper in seinem expandierten Zustand vorzugsweise im Wesentlichen hemisphärisch ausgebildet.
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In den 5a bis 5d ist dargestellt, wie ein Zusammenklappen der Trägerelemente 12a bis 12h erfolgen kann. Wichtig hierbei ist, dass ein möglichst platzsparendes Zusammenklappen der Trägerelemente erfolgen kann, so dass diese wieder durch den Trokar passen und aus dem Patientenkörper entfernt werden können. Hierzu können die Trägerelemente nacheinander nach innen geklappt werden, so dass sie sich in zusammengeklapptem Zustand teilweise übereinander befinden (siehe 6a bis 6c sowie 7a bis 7e). Hierdurch ist es möglich, den erfindungsgemäßen taktilen Messkopf 10 nach seinem Einsatz wieder aus dem Patientenkörper zu entfernen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007020131 A1 [0023]
- DE 102010034704 A1 [0024]
- DE 102011107510 A1 [0029]
- DE 102011008543 A1 [0030]
- DE 102010052614 A1 [0031]
- DE 102007037262 D3 [0032]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Schostek, S., et al., Taktile Sensorik in der laparoskopischen Chirurgie, Systementwicklung und experimentelle Evaluierung, Dissertation, Eberhard-Karls-Universität zu Tübingen, 2010 43, 42 [0003]
- Trejos, A., et al. Robot-assisted tactile sensing for minimally invasive tumor localization, The international Journal of Robotivs Research, 28(9), S. 1118–1133, 2009 [0003]
- Miller, A., et al. Tactile imaging system for localization of lung nodules during video assisted thoracoscopic surgery 1, IEEE International Conference on Robotics and Automation, S. 2996–3001, IEEE, Rom, Italien, 2007 [0003]
