DE102016102298B4

DE102016102298B4 - Werkzeugvorrichtung, insbesondere für ein Chirurgie-Werkzeug

Info

Publication number: DE102016102298B4
Application number: DE102016102298.5A
Authority: DE
Inventors: Arne JANSEN-TROY; Holger Weber
Original assignee: Smc Innovation GmbH
Current assignee: STUDER, ARMIN, CH
Priority date: 2016-02-10
Filing date: 2016-02-10
Publication date: 2022-03-10
Anticipated expiration: 2036-02-11
Also published as: DE102016102298A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugvorrichtung (10), insbesondere für ein Chirurgie-Werkzeug, zur Verwendung in einem chirurgischen Verfahren, mit einer Werkzeugaufnahmewelle (11), die dazu vorgesehen ist, einen Handgriff (12) und eine Werkzeugaufnahme (13) miteinander drehfest zu verbinden, und mit einer Drehmomenterfassungseinheit (14), die zumindest einen Sensor (15, 16) aufweist, der dazu vorgesehen ist, zur Ermittlung eines auf die Werkzeugaufnahmewelle (11) wirkenden Drehmoments eine Verformung der Werkzeugaufnahmewelle (11) berührungslos zu erfassen, ein Chirurgie-Werkzeug mit einem Handgriff (12), einer Werkzeugaufnahme (13) und einer solchen Werkzeugvorrichtung (10) sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Werkzeugvorrichtung (10).

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Werkzeugvorrichtung, insbesondere für ein Chirurgie-Werkzeug, ein Chirurgie-Werkzeug mit einer Werkzeugvorrichtung, ein System mit einer Anzeigeeinheit und einem Chirurgie-Werkzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Werkzeugvorrichtung.
Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine gattungsgemäße Werkzeugvorrichtung mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich ihres Betriebs bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Die Druckschriften DE 43 43 110 C2 , US 8,438,956 B1 , DE 20 2006 005 695 U1 , DE 3429 950 C2 und DE 42 31 429 C1 offenbaren jeweils ebenfalls eine Werkzeugvorrichtung zu einer Erfassung eines Drehmoments. Die Druckschrift DE 43 43 110 C2 offenbart eine Werkzeugvorrichtung mit einem optischen Kreisel zu einer Erfassung eines Drehwinkels relativ zu einem fiktiven Fixpunkt auf einer Drehachse. Die Druckschrift US 8,438,956 B1 offenbart eine Werkzeugvorrichtung mit einer sich durch ein Drehmoment verformenden Werkzeugaufnahmewelle und mit einer Anzeigeeinheit, die dazu vorgesehen ist, diese Verformung anhand von sich bei einer solchen Verformung relativ zueinander bewegenden Markierungen anzuzeigen.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Werkzeugvorrichtung, insbesondere für ein Chirurgie-Werkzeug, zur Verwendung in einem chirurgischen Verfahren, mit einer Werkzeugaufnahmewelle, die dazu vorgesehen ist, einen Handgriff und eine Werkzeugaufnahme miteinander drehfest zu verbinden, und mit einer Drehmomenterfassungseinheit, die zumindest einen Sensor aufweist, der dazu vorgesehen ist, zur Ermittlung eines auf die Werkzeugaufnahmewelle wirkenden Drehmoments eine Verformung der Werkzeugaufnahmewelle berührungslos zu erfassen, wobei der zumindest eine Sensor als ein optischer Sensor ausgebildet ist, wobei die Werkzeugaufnahmewelle ein Verbindungselement zur Verbindung mit dem Handgriff aufweist.
Es wird vorgeschlagen, dass die Werkzeugaufnahmewelle einen zwischen dem zumindest einen Sensor und dem Verbindungselement angeordneten Torsionsabschnitt aufweist, der für die Verformung vorgesehen ist, wobei die Werkzeugaufnahmewelle ein Messelement aufweist, zu dessen Erfassung der zumindest eine Sensor vorgesehen ist, wobei das Messelement eine Längserstreckungsrichtung aufweist, die senkrecht zu einer Längserstreckungsrichtung der Werkzeugaufnahmewelle orientiert ist, wobei das Messelement eine vergrößerte Radialerstreckung der Werkzeugaufnahmewelle bewirkt, wobei das Messelement dazu vorgesehen ist, eine vergrößerte Auslenkung bei einer Verdrehung der Werkzeugaufnahmewelle in dem Torsionsabschnitt bereitzustellen, wobei der Sensor dazu vorgesehen ist, die Auslenkung des Messelements zu erfassen. Dadurch kann eine Werkzeugvorrichtung realisiert werden, die eine genaue Erfassung eines durch die Werkzeugaufnahmewelle übertragenen Drehmoments ermöglicht. In Verbindung mit einer Rückmeldung an einen Benutzer kann dadurch eine Werkzeugvorrichtung zur Verwendung in einem chirurgischen Verfahren bereitgestellt werden, welche es ermöglicht, eine Schraube oder Ähnliches mit hoher Genauigkeit mit einem vorgegebenen Drehmoment anzuziehen. Durch Verwendung eines berührungslosen Sensors kann auf mechanische Sensoren verzichtet werden. Ein mechanischer Verschleiß kann minimiert und eine Ausfallsicherheit verbessert werden. Unter einem „Handgriff“ soll dabei insbesondere ein Teil der Werkzeugvorrichtung verstanden werden, der von einem Bediener umgriffen werden kann, um die Werkzeugvorrichtung zu positionieren und/oder um ein Drehmoment zum Anzug beispielsweise einer Schraube auszuüben. Unter einer „Werkzeugaufnahme“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Teil der Werkzeugaufnahmewelle verstanden werden, der zur Anbindung eines Werkzeugs vorgesehen ist. Vorzugsweise bildet die Werkzeugaufnahmewelle die Werkzeugaufnahme aus, die zur Aufnahme eines auswechselbaren Einsatzwerkzeugs vorgesehen ist. Alternativ können die Werkzeugaufnahmewelle und das Werkzeug auch einstückig ausgebildet sein. Unter einer „Drehmomenterfassungseinheit mit zumindest einem Sensor“ soll insbesondere eine Einheit verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, ein zwischen dem Handgriff und dem Werkzeug wirkendes Drehmoment zu erfassen und ein elektronisches und/oder elektrisches Signal bereitzustellen, welches dem übertragenen Drehmoment entspricht. Unter einem „Sensor, der zur berührungslosen Erfassung vorgesehen ist“ soll vorzugsweise ein berührungslos arbeitender Weg- und/oder Abstandssensor verstanden werden. Alternativ sind aber auch andere berührungslos arbeitende Sensoren denkbar, welche zur Erfassung der Verformung der Werkzeugaufnahmewelle geeignet sind. Unter „vorgesehen“ soll insbesondere speziell programmiert, ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden.
Der zumindest eine Sensor ist als ein optischer Sensor ausgebildet. Dadurch kann der Sensor besonders einfach ausgebildet sein. Zudem kann das übertragene Drehmoment besonders genau bestimmt werden, da durch einen optischen Sensor die Verformung der Werkzeugaufnahmewelle besonders genau erfasst werden kann. Unter einem „optischen Sensor“ soll dabei insbesondere ein Sensor verstanden werden, der dazu vorgesehen ist, einen Abstand zu einem Messobjekt anhand von Licht, welches von dem Messobjekt reflektiert wird, zu bestimmen. Vorzugsweise umfasst der optische Sensor wenigstens eine Lichtquelle zur Beleuchtung des Messobjekts. Vorzugsweise ist der optische Sensor als ein Infrarot-Sensor ausgebildet.
Die Werkzeugaufnahmewelle weist das Verbindungselement zur Verbindung mit dem Handgriff und einen zwischen dem zumindest einen Sensor und dem Verbindungselement angeordneten Torsionsabschnitt auf, der für die Verformung vorgesehen ist. Dadurch kann erreicht werden, dass das zwischen dem Handgriff und der Werkzeugaufnahme wirkende Drehmoment die Werkzeugaufnahmewelle zumindest im Wesentlichen in dem Torsionsabschnitt verformt. Das Drehmoment kann dadurch besonders genau bestimmt werden. Unter einem „Torsionsabschnitt“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein Abschnitt der Werkzeugaufnahmewelle verstanden werden, in dem die Werkzeugaufnahmewelle eine maximale Querschnittsfläche aufweist, die höchstens halb so groß ist wie eine maximale Querschnittsfläche, welche die Werkzeugaufnahmewelle in angrenzenden Abschnitten aufweist. Vorzugsweise ist die Werkzeugaufnahmewelle einstückig ausgebildet, d.h. der Torsionsabschnitt ist lediglich durch eine Reduzierung der Querschnittsfläche ausgebildet. Alternativ ist auch eine mehrteilige Ausbildung der Werkzeugaufnahmewelle denkbar. Insbesondere ist es denkbar, dass die Werkzeugaufnahmewelle aus unterschiedlichen Materialien besteht, wobei das Material, aus dem die Werkzeugaufnahmewelle in dem Torsionsabschnitt besteht, eine geringere Torsionssteifigkeit aufweist als das Material, aus dem die Werkzeugaufnahmewelle in den angrenzenden Abschnitten besteht.
Die Werkzeugaufnahmewelle weist das Messelement auf, zu dessen Erfassung der Sensor vorgesehen ist. Dadurch kann die Verformung besonders gut bestimmt werden. Unter einem „Messelement“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Ausgestaltung der Werkzeugaufnahmewelle verstanden werden, welche lediglich zur Erfassung des Drehmoments vorgesehen ist, wie insbesondere eine mit der Werkzeugaufnahmewelle einstückig ausgebildete oder an der Werkzeugaufnahmewelle angebrachte Messlippe, die dazu vorgesehen ist, bei einer Verformung der Werkzeugaufnahmewelle ausgelenkt zu werden. Insbesondere soll darunter kein Teil der Werkzeugaufnahmewelle verstanden werden, welcher zur Übertragung des Drehmoments vorgesehen ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die Drehmomenterfassungseinheit einen zweiten Sensor, der zur Erfassung des Messelements vorgesehen ist. Dadurch kann eine Redundanz erreicht werden. Zudem kann eine Messgenauigkeit erhöht werden. Die zumindest zwei Sensoren sind dabei vorzugsweise korrespondierend angeordnet, d.h. die zwei Sensoren sind dazu vorgesehen, unabhängig voneinander ein Sensorsignal bereitzustellen, aus dem das wirkende Drehmoment ermittelt werden kann. Die Messgenauigkeit kann erhöht werden, indem aus den Sensorsignalen ein Mittelwert gebildet wird. Die Redundanz kann erreicht werden, indem wahlweise eines der beiden Sensorsignale ausgewertet wird.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Drehmomenterfassungseinheit eine Recheneinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, aus einem Sensorsignal des zumindest einen Sensors das wirkende Drehmoment zu bestimmen. Dadurch kann das wirkende Drehmoment besondere vorteilhaft bestimmt werden. Unter einer „Recheneinheit“ soll insbesondere eine Einheit mit einem Prozessor, einem Speicher und einem in dem Speicher gespeicherten Betriebs- und/oder Berechnungsprogramm verstanden werden. Bevorzugt ist die Recheneinheit als ein Mikrocontroller ausgebildet. Vorzugsweise ist in der Recheneinheit zumindest eine Kennlinie hinterlegt, die dem Sensorsignal einen Wert für das wirkende Drehmoment zuordnet. Durch Anpassungen der Kennlinie kann die Drehmomenterfassungseinheit justiert werden. Fertigungstechnisch bedingte Toleranzen können einfach ausgeglichen werden.
Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Werkzeugvorrichtung einen Temperatursensor umfasst, der zur Erfassung einer Temperatur für eine Bestimmung eines Korrekturwerts vorgesehen ist. Dadurch können temperaturbedingte Änderungen des Sensorsignals herausgerechnet werden, wodurch die Messgenauigkeit weiter erhöht werden kann. Unter einem „Korrekturwert“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere ein temperaturabhängiger Wert verstanden werden, um den ein aus dem Sensorsignal bestimmter Wert für das wirkende Drehmoment korrigiert wird, um Temperatureinflüsse auf das Sensorsignal zumindest teilweise zu kompensieren.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Recheneinheit dazu vorgesehen ist, in einem drehmomentfreien Zustand einen Referenzwert zu bestimmen. Dadurch kann einfach ein Nullwert bestimmt werden, wodurch eine besonders gute Justierung erreicht werden kann. Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung des Referenzwerts automatisch bei einer Aktivierung der Drehmomenterfassungseinheit.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist die Recheneinheit eine Kommunikationseinheit auf, die für einen Datenaustausch mit einer Einrichtung zur Visualisierung und/oder Signalisierung des wirkenden Drehmoments vorgesehen ist. Dadurch kann die Werkzeugvorrichtung an eine externe Anzeigeeinheit oder sonstige Einheit zur Auswertung, Anzeige oder Signalisierung des wirkenden Drehmoments angebunden werden. Dem Bediener kann einfach eine Rückmeldung über das wirkende Drehmoment gegeben werden. Gleichzeitig kann die Werkzeugvorrichtung kompakt ausgebildet werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Werkzeugvorrichtung eine Energieversorgung aufweist, die für eine zumindest partielle Abschaltung der Drehmomenterfassungseinheit vorgesehen ist. Dadurch kann eine lange Standby-Zeit erreicht werden, auch wenn die Werkzeugvorrichtung eine Energieversorgung mit zumindest einer Batterie als Spannungsquelle aufweist. Unter einer „zumindest partiellen Abschaltung“ soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Abschaltung des zumindest einen Sensors verstanden werden. Insbesondere ist es auch denkbar, dass zudem die Recheneinheit abgeschaltet wird. Unter einer „Abschaltung“ soll dabei insbesondere verstanden werden, dass die Energieversorgung dazu vorgesehen ist, den Sensor und/oder die Recheneinheit von der Spannungsquelle zu trennen und nach einer Aktivierung durch den Bediener wieder mit der Spannungsquelle zu verbinden.
Zudem wird ein Chirurgie-Werkzeug mit einem Handgriff, einer Werkzeugaufnahme und einer erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung vorgeschlagen. Vorzugsweise ist die Werkzeugvorrichtung zumindest teilweise in den Handgriff integriert. Dadurch kann eine besonders kompakte Ausgestaltung erreicht werden. Unter „integriert“ soll dabei insbesondere verstanden werden, dass der Handgriff einen Bauraum aufspannt, in welchem zumindest ein Teil der Werkzeugvorrichtung, und zwar insbesondere die Recheneinheit und die Sensoren, angeordnet ist.
Außerdem werden ein System mit einer Anzeigeeinheit und einem solchen Chirurgie-Werkzeug sowie ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Werkzeugvorrichtung vorgeschlagen.
Figurenliste
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

1 einen Teilschnitt durch ein Chirurgie-Werkzeug mit einer Werkzeugvorrichtung,
2 die Werkzeugvorrichtung in einer perspektivischen Darstellung,
3 die Werkzeugvorrichtung in einem Schnitt und
4 schematisiert ein System mit einer Einrichtung, die eine Anzeigeeinheit aufweist, und mit dem Chirurgie-Werkzeug.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Die 1 bis 3 zeigen ein Chirurgie-Werkzeug. Das Chirurgie-Werkzeug umfasst einen Handgriff 12, eine Werkzeugaufnahme 13 und eine Werkzeugvorrichtung 10. Die Werkzeugvorrichtung 10 ist als eine Handwerkzeugvorrichtung ausgebildet. Die Werkzeugvorrichtung 10 kann in einem chirurgischen Verfahren zum Einsatz kommen.
Die Werkzeugaufnahme 13 weist ein freies Ende auf, an dem sie dazu vorgesehen ist, mit einem nicht näher dargestellten Einsatzwerkzeug lösbar gekoppelt zu werden. Die Werkzeugaufnahme 13 ist dazu vorgesehen, das Einsatzwerkzeug drehfest zu halten. Das Einsatzwerkzeug ist von einem Bediener auswechselbar. Die Werkzeugaufnahme 13 kann beispielsweise als eine Sechskant-Aufnahme ausgebildet sein, die dazu vorgesehen ist, ein als Sechskant-Bit ausgebildetes Werkzeug aufzunehmen. Die Werkzeugvorrichtung 10 ist insbesondere dazu vorgesehen, in einem chirurgischen Verfahren verwendet zu werden, in dem ein Bauteil oder Implantat mit einem definierten Drehmoment beaufschlagt werden muss. Das Chirurgie-Werkzeug bildet insbesondere einen Drehmomentschlüssel, der dazu vorgesehen ist, unterschiedliche Schraubwerkzeuge als Einsatzwerkzeuge aufzunehmen, welche dazu vorgesehen sind, mit einem als Schraube ausgebildeten Implantat drehfest gekoppelt zu werden, um dieses mit einem definierten Drehmoment anziehen zu können.
Die Werkzeugvorrichtung 10 kann grundsätzlich einen Antrieb aufweisen, der dazu vorgesehen ist, ein Drehmoment zum Anziehen von Schrauben bereitzustellen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Chirurgie-Werkzeug für eine händische Bedienung ausgebildet, d.h. das Drehmoment, das an die Schraube übertragen wird, wird von einem Bediener bereitgestellt, der das Chirurgie-Werkzeug an dem Handgriff 12 fasst und durch eine Drehung das Drehmoment bereitstellt.
Die Werkzeugvorrichtung 10 umfasst eine Werkzeugaufnahmewelle 11. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Werkzeugaufnahme 13 einstückig mit der Werkzeugaufnahmewelle 11 ausgebildet. Alternativ ist auch denkbar, dass die Werkzeugaufnahmewelle 11 und die Werkzeugaufnahme 13 getrennt voneinander ausgebildet und drehfest miteinander verbunden sind. Die Werkzeugaufnahmewelle 11 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel, das für eine händische Bedienung vorgesehen ist, drehfest mit dem Handgriff 12 verbunden. Die Werkzeugaufnahmewelle 11 umfasst ein Verbindungselement 17, das für eine formschlüssige Verbindung mit dem Handgriff 12 vorgesehen ist. Das Verbindungselement 17 ist in Form eines Stifts ausgebildet, der in formschlüssigem Eingriff mit dem Handgriff 12 steht. Alternativ ist es denkbar, zwischen dem Handgriff 12 und der Werkzeugaufnahmewelle 11 eine Antriebseinheit vorzusehen, welche dazu vorgesehen ist, die Werkzeugaufnahmewelle 11 relativ zu dem Handgriff 12 zu verdrehen. Eine solche kann ebenfalls an dem Verbindungselement 17 angreifen.
Die Werkzeugaufnahmewelle 11 umfasst ein oberes Ende 26, an dem das Verbindungselement 17 angeordnet ist, und ein unteres Ende 27, an welchem die Werkzeugaufnahme 13 angeordnet ist. Die Werkzeugaufnahmewelle 11 ist teilweise in den Handgriff 12 eingesetzt. Die Werkzeugaufnahmewelle 11 weist einen Abschnitt auf, in dem sie von dem Handgriff 12 umschlossen ist. Die Werkzeugvorrichtung 10 umfasst ein Lager 28, das dazu vorgesehen ist, die Werkzeugaufnahmewelle 11 gegenüber dem Handgriff 12 zu lagern. Das Lager 28 ist in einem Bereich angeordnet, in dem die Werkzeugaufnahmewelle 11 aus dem Handgriff 12 austritt. Das Verbindungselement 17 und das Lager 28 weisen einen Abstand zueinander auf, welcher im Wesentlichen einer Tiefe, mit der die Werkzeugaufnahmewelle 11 in den Handgriff 12 eingreift, entspricht.
Die Werkzeugaufnahmewelle 11 ist dazu vorgesehen, ein Drehmoment zwischen dem Verbindungselement 17, das für die Verbindung mit dem Handgriff 12 vorgesehen ist, und der Werkzeugaufnahme 13 zu übertragen. Durch das Lager 28 wird das dabei auf die Werkzeugaufnahmewelle 11 wirkende Drehmoment im Wesentlichen über das Verbindungselement 17 in die Werkzeugaufnahmewelle 11 eingeleitet. Das Lager 28 ist als ein Kugellager ausgeführt. Ein Drehmoment, das aufgrund von Reibung durch das Lager 28 übertragen wird, ist im Verhältnis zu einem durch das Verbindungselement 17 übertragbaren Drehmoment vernachlässigbar klein.
Zur Erfassung des durch das Verbindungselement 17 übertragenen Drehmoments umfasst die Werkzeugvorrichtung 10 eine Drehmomenterfassungseinheit 14, die zumindest einen Sensor 15 aufweist. Der Sensor 15 ist dazu vorgesehen, zur Ermittlung des auf die Werkzeugaufnahmewelle 11 wirkenden Drehmoments eine Verformung der Werkzeugaufnahmewelle 11 berührungslos zu erfassen. Das auf die Werkzeugaufnahmewelle 11 wirkende Drehmoment wird einerseits durch das Verbindungselement 17 und andererseits durch die Werkzeugaufnahme 13 abgestützt. Entsprechend wirkt auf die Werkzeugaufnahmewelle 11 ein Drehmoment, welches insbesondere einem Anzugmoment einer mittels des Chirurgie-Werkzeugs eingeschraubten Schraube entspricht. Das wirkende Drehmoment bewirkt eine Verformung der Werkzeugaufnahmewelle 11. Eine Stärke der Verformung hängt von dem wirkenden Drehmoment ab.
Der zumindest eine Sensor 15 ist als ein optischer Sensor ausgebildet. Bezogen auf den Handgriff 12 ist der Sensor 15 gehäusefest angeordnet. Die Werkzeugvorrichtung 10 umfasst eine Trägerplatine 29, die fest mit dem Handgriff 12 verbunden ist. Der Sensor 15 ist dazu vorgesehen, eine relative Verformung der Werkzeugaufnahmewelle 11 in Bezug auf den Handgriff 12 zu erfassen, insbesondere wenn ein Drehmoment auf die Werkzeugaufnahmewelle 11 einwirkt. Die Drehmomenterfassungseinheit 14 weist eine Messgenauigkeit auf, mit der das übertragene Drehmoment mit einer Genauigkeit von zumindest 1 Nm, bevorzugt zumindest 0,5 Nm und besonders bevorzugt zumindest 0,1 Nm ermittelbar ist.
Der zumindest eine Sensor 15 ist dazu vorgesehen, eine Verdrehung der Werkzeugaufnahmewelle 11 in sich in einem Abschnitt zwischen dem Verbindungselement 17 und dem Sensor 15 zu erfassen. Die Werkzeugaufnahmewelle 11 weist einen zwischen dem Sensor 15 und dem Verbindungselement 17 angeordneten Torsionsabschnitt 18 auf, der für die Verformung vorgesehen ist. Die Werkzeugaufnahmewelle 11 weist eine Torsionssteifigkeit auf, die entlang einer Längserstreckungsrichtung 30 der Werkzeugaufnahmewelle 11 in dem Torsionsabschnitt 18 ein Minimum aufweist. Wirkt auf die Werkzeugaufnahmewelle 11 ein Drehmoment, verformt sich die Werkzeugaufnahmewelle 11 insbesondere in dem Torsionsabschnitt 18. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Torsionsabschnitt 18 eine Länge von 25 mm auf. Die Drehmomenterfassungseinheit 14 weist einen Messbereich auf, der von 0 Nm bis 12 Nm reicht. Die Werkzeugvorrichtung 10 ist dazu vorgesehen, maximal ein Drehmoment von 15 Nm zu übertragen. Die Werkzeugaufnahmewelle 11 weist außerhalb des Torsionsabschnitts 18 einen Durchmesser von 10 mm auf. In dem Torsionsabschnitt 18 weist die Werkzeugaufnahmewelle 11 einen Durchmesser von 5,3 mm auf. Die Werkzeugaufnahmewelle 11 ist maximal für eine Verdrehung in sich um 3,66 Grad vorgesehen.
Um die Verdrehung zu erfassen, umfasst die Werkzeugaufnahmewelle 11 ein Messelement 19, zu dessen Erfassung der Sensor 15 vorgesehen ist. Das Messelement 19 ist in Form einer Messlippe ausgebildet. Das Messelement 19 weist eine Längserstreckungsrichtung 31 auf, die senkrecht zu der Längserstreckungsrichtung 30 der Werkzeugaufnahmewelle 11 orientiert ist. Das Messelement 19 bewirkt eine vergrößerte Radialerstreckung der Werkzeugaufnahmewelle 11. Das Messelement 19 ist dazu vorgesehen, eine vergrößerte Auslenkung bei einer Verdrehung der Werkzeugaufnahmewelle 11 in dem Torsionsabschnitt 18 bereitzustellen. Das Messelement 19 kann dazu grundsätzlich auch andere Formen aufweisen.
Der Sensor 15 ist dazu vorgesehen, die Auslenkung des Messelements 19 zu erfassen. In drehmomentfreiem Zustand ist das Messelement 19 parallel zu der Trägerplatine 29, auf der der Sensor 15 angeordnet ist, orientiert. Überträgt die Werkzeugaufnahmewelle 11 ein Drehmoment ungleich Null, ändert sich ein Abstand zwischen dem auf der Trägerplatine 29 angeordneten Sensor 15 und dem Messelement 19. Der Sensor 15 stellt ein Sensorsignal bereit, das von dem Abstand zwischen dem Sensor 15 und dem Messelement 19 abhängt. Je nach einer Richtung, in welche das Drehmoment wirkt, vergrößert oder verringert sich der Abstand zwischen dem Messelement 19 und dem Sensor 15.
Die Drehmomenterfassungseinheit 14 umfasst einen zweiten Sensor 16, der ebenfalls zur Erfassung eines Abstands des Messelements 19 vorgesehen ist. Der zweite Sensor 16 ist komplementär zu dem ersten Sensor 15 angeordnet (vgl. 3). Vergrößert sich der Abstand zwischen dem Messelement 19 und dem ersten Sensor 15, verringert sich ein Abstand zwischen dem Messelement 19 und dem zweiten Sensor 16. Der zweite Sensor 16 stellt analog zu dem ersten Sensor 15 ein Sensorsignal bereit, das von dem Abstand zwischen dem Sensor 16 und dem Messelement 19 abhängt. Die zwei Sensoren 15, 16 bilden eine Redundanz aus. Zudem kann durch Verwendung der zwei Sensoren 15, 16 eine Messgenauigkeit erhöht werden.
Die Sensoren 15, 16 sind als Infrarotlicht-Sensoren ausgebildet. Sie sind dazu vorgesehen, den Abstand anhand eines Anteils von an dem Messelement 19 reflektiertem Licht zu bestimmen. Die Sensoren 15, 16 verfügen über eine Umgebungslichtkompensation. Die Drehmomenterfassungseinheit 14 ist für eine Temperatur- und/oder Verformungskompensation vorgesehen.
Die Drehmomenterfassungseinheit 14 umfasst eine Recheneinheit 20, die dazu vorgesehen ist, aus den Sensorsignalen der zwei Sensoren 15, 16 das Drehmoment zu bestimmen. Die Sensoren 15, 16 weisen eine interne Messumwandlung auf. Das Sensorsignal ist als ein Digitalsignal ausgebildet, mittels dessen Werte digital mit einer Auflösung von 16 bit übermittelt werden können. Die Recheneinheit 20 wertet die Sensorsignale aus. Die Recheneinheit 20 umfasst einen Prozessor mit einem Speicher und ein in dem Speicher gespeicherten Betriebsprogramm. Weiter umfasst die Recheneinheit 20 in dem Speicher gespeicherte Kennwerte. Die Kennwerte bilden vorzugsweise eine Kennlinie oder ein Kennfeld zur Bestimmung des Drehmoments in Abhängigkeit von den Sensorsignalen der zwei Sensoren 15, 16. Die Recheneinheit 20 kann dazu vorgesehen sein, weitere Werte zur Berechnung des Drehmoments zu berücksichtigen. Die Recheneinheit 20 ist dazu vorgesehen, aus den von den Sensoren 15, 16 bereitgestellten Sensorsignalen anhand der Kennwerte das Drehmoment zu bestimmen.
Insbesondere weist die Werkzeugvorrichtung 10 zusätzlich einen im Bereich der Sensoren 15, 16 und/oder des Messelements 19 angeordneten Temperatursensor 21 auf, der dazu vorgesehen ist, eine Temperatur für eine Bestimmung eines Korrekturwerts zu erfassen. Die Abstände zwischen dem Messelement 19 und den Sensoren 15, 16 weisen eine Abhängigkeit von der Temperatur, die von dem Temperatursensor 21 erfasst wird, auf. Auch das Sensorsignal der Sensoren 15, 16 selbst kann temperaturabhängig sein. Die Recheneinheit 20 ist dazu vorgesehen, anhand von gespeicherten Kennwerten den Korrekturwert für die Temperatur zu bestimmen und das aus den Sensorsignalen bestimmte Drehmoment um den temperaturabhängigen Korrekturwert zu korrigieren.
Die Recheneinheit 20 ist weiter dazu vorgesehen, in einem drehmomentfreien Zustand einen Referenzwert zu bestimmen. Der Referenzwert ist für eine Kalibrierung der Sensoren 15, 16 vorgesehen. Der Referenzwert wird zu Beginn einer Messung aufgezeichnet. Das Betriebsprogramm der Recheneinheit 20 umfasst eine Kalibrierungsroutine, die zu Beginn einer Messung ausgeführt wird. Die Kalibrierungsroutine wird ausgeführt, wenn die Werkzeugvorrichtung 10 drehmomentfrei ist. Die Kalibrierungsroutine speichert die Sensorsignale der Sensoren 15, 16 als Referenzwerte für ein Drehmoment von Null.
Um das Drehmoment zu bestimmen, wird zunächst ein Winkel bestimmt, um den das Messelement 19 aus seiner Grundstellung, die das Messelement 19 in drehmomentfreiem Zustand aufweist, ausgelenkt wurde. Der Winkel ist definiert über: $α = arctan (\frac{L 1 + R 1}{d})$
L1, R1 stellen dabei die Sensorwerte der Sensoren 15, 16, beispielsweise in mm, und d deren Abstand in der gleichen Maßeinheit entlang der Längserstreckungsrichtung 31 des Messelements 19 dar. Aus dem Winkel α kann dann das Drehmoment M_t bestimmt werden, wobei für das Drehmoment M_t gilt: $c \cdot α = M_{t}$
c stellt dabei die Torsionssteifigkeit der Werkzeugaufnahmewelle 11, insbesondere in dem Torsionsabschnitt 18, dar. Die Torsionssteifigkeit wird für jede Werkzeugaufnahmewelle 11 mit Hilfe einer kalibrierten Messvorrichtung bestimmt. Die Kennwerte, die in der zugehörigen Recheneinheit 20 gespeichert sind, sind an die Torsionssteifigkeit der verwendeten Werkzeugaufnahmewelle 11 angepasst.
Die Recheneinheit 20 weist eine Kommunikationseinheit 22 auf, die für einen Datenaustausch mit einer Einrichtung 24 zur Visualisierung und/oder Signalisierung des wirkenden Drehmoments vorgesehen ist. Die Kommunikationseinheit 22 ist für einen drahtlosen Datenaustausch vorgesehen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Recheneinheit 20 durch einen Mikrocontroller ausgebildet, der ein eingebautes Bluetooth-Interface, vorzugsweise nach dem BLE Bluetooth 4.0-Standard, aufweist. Grundsätzlich können auch andere Protokolle für einen Datenaustausch verwendet werden. Die Werkzeugvorrichtung 10 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Energieversorgung 23 mit zwei Batteriehalterungen 32, 33 auf, welche zur Aufnahme von Knopfzellen vorgesehen sind. Für die Energieversorgung 23 sind zwei CR 1220-Knopfbatterien vorgesehen. Grundsätzlich kann die Energieversorgung 23 auch eine andere Ausgestaltung aufweisen.
Um im deaktivierten Zustand einen Energieerbrauch zu reduzieren, ist die Energieversorgung 23 der Werkzeugvorrichtung 10 für eine automatische Abschaltung insbesondere der Sensoren 15, 16 und des Temperatursensors 21 vorgesehen. Die Energieversorgung 23 ist vorzugsweise auch dazu vorgesehen, die Recheneinheit 20 abzuschalten. Grundsätzlich ist aber auch eine Ausgestaltung der Energieversorgung 23 denkbar, in der die Recheneinheit 20 lediglich in einen Standby-Zustand versetzt wird. Die Energieversorgung 23, insbesondere die automatische Abschaltung, ist vorzugsweise mittels der Recheneinheit 20 ausgebildet.
Die Werkzeugvorrichtung 10 umfasst ein Bedienelement 34, das für eine Aktivierung vorgesehen ist, und ein nicht näher dargestelltes Halteelement, das dazu vorgesehen ist, die die Energieversorgung 23 nach einer Aktivierung mittels des Bedienelements 34 aufrechtzuerhalten. Das Bedienelement 34 weist einen Reed-Kontakt auf, der dazu vorgesehen ist, mittels eines Magneten aktiviert zu werden. Das Bedienelement 34 kann aufgrund dessen innerhalb des Handgriffs 12 angeordnet werden und kann betätigt werden, ohne dass ein mechanisches Element auf einer Oberseite des Handgriffs 12 angeordnet werden muss. Das Halteelement ist durch einen parallel zu dem Bedienelement 34 geschalteten MOSFET ausgebildet, der die Energieversorgung 23 bis zu einer Beendigung einer Messung aufrechterhält.
Die Einrichtung 24, mit der die Werkzeugvorrichtung 10 verbunden werden kann und die zur Visualisierung und/oder Signalisierung vorgesehen ist, umfasst eine Kommunikationseinheit 35, die zum Datenaustausch mit der Kommunikationseinheit 22 der Werkzeugvorrichtung 10 vorgesehen ist (vgl. 4). Die Einrichtung 24 kann beispielsweise als ein Computer mit einem Bildschirm ausgebildet sein. Alternativ ist auch eine Ausgestaltung denkbar, in der die Einrichtung 24 lediglich zur Ausgabe von akustischen Signalen vorgesehen ist. Die Einrichtung 24 zur Visualisierung und/oder Signalisierung ist insbesondere dazu vorgesehen, dem Bediener eine Rückmeldung über das auf die Werkzeugaufnahmewelle 11 wirkende Drehmoment zu geben, beispielsweise um die Schraube mit einem gewünschten Drehmoment anziehen zu können.
Vorzugsweise umfasst die Einrichtung 24 eine Anzeigeeinheit 25, insbesondere in Form eines Bildschirms, die dazu vorgesehen ist, das von der Drehmomenterfassungseinheit 14 aktuell ermittelte Drehmoment während eines Betriebs anzuzeigen. Die Einrichtung 24 umfasst insbesondere eine Recheneinheit und eine Speichereinheit mit einem in der Speichereinheit gespeicherten Betriebsprogramm, das für eine Visualisierung des von der Werkzeugvorrichtung 10 übertragenen Drehmoments vorgesehen ist. Das Betriebsprogramm ist vorzugsweise dazu vorgesehen, auf der Anzeigeeinheit 25 einen Messbalken und/oder eine alphanumerische Anzeige darzustellen, welche das übertragene Drehmoment darstellt. Das Betriebsprogramm ist vorzugsweise zur Einstellung von Sollwerten für das maximal übertragbare Drehmoment vorgesehen, welche für die Darstellung des übertragenen Drehmoments genutzt werden. Insbesondere kann die Einrichtung 24 zur Darstellung eines virtuellen Schleppzeigers vorgesehen werden, wodurch der Bediener das maximal übertragene Drehmoment stets visualisiert bekommt. Sind Sollwerte hinterlegt, ist das Betriebsprogramm dazu vorgesehen, den Messbalken, den Schleppzeiger und/oder die alphanumerische Anzeige mit einer von den Sollwerten abhängigen Farbskalierung zu versehen.

Claims

Werkzeugvorrichtung (10), insbesondere für ein Chirurgie-Werkzeug, zur Verwendung in einem chirurgischen Verfahren, mit einer Werkzeugaufnahmewelle (11), die dazu vorgesehen ist, einen Handgriff (12) und eine Werkzeugaufnahme (13) miteinander drehfest zu verbinden, und mit einer Drehmomenterfassungseinheit (14), die zumindest einen Sensor (15, 16) aufweist, der dazu vorgesehen ist, zur Ermittlung eines auf die Werkzeugaufnahmewelle (11) wirkenden Drehmoments eine Verformung der Werkzeugaufnahmewelle (11) berührungslos zu erfassen, wobei der zumindest eine Sensor (15, 16) als ein optischer Sensor ausgebildet ist, wobei die Werkzeugaufnahmewelle (11) ein Verbindungselement (17) zur Verbindung mit dem Handgriff (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugaufnahmewelle (11) einen zwischen dem zumindest einen Sensor (15, 16) und dem Verbindungselement (17) angeordneten Torsionsabschnitt (18) aufweist, der für die Verformung vorgesehen ist, wobei die Werkzeugaufnahmewelle (11) ein Messelement (19) aufweist, zu dessen Erfassung der zumindest eine Sensor (15, 16) vorgesehen ist, wobei das Messelement (19) eine Längserstreckungsrichtung (31) aufweist, die senkrecht zu einer Längserstreckungsrichtung (30) der Werkzeugaufnahmewelle (11) orientiert ist, wobei das Messelement (19) eine vergrößerte Radialerstreckung der Werkzeugaufnahmewelle (11) bewirkt, wobei das Messelement (19) dazu vorgesehen ist, eine vergrößerte Auslenkung bei einer Verdrehung der Werkzeugaufnahmewelle (11) in dem Torsionsabschnitt (18) bereitzustellen, wobei der Sensor (15, 16) dazu vorgesehen ist, die Auslenkung des Messelements (19) zu erfassen.
Werkzeugvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomenterfassungseinheit (14) einen zweiten Sensor (16) aufweist, der zur Erfassung des Messelements (19) vorgesehen ist.
Werkzeugvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomenterfassungseinheit (14) eine Recheneinheit (20) aufweist, die dazu vorgesehen ist, aus einem Sensorsignal des zumindest einen Sensors (15, 16) das wirkende Drehmoment zu bestimmen.
Werkzeugvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Temperatursensor (21), der zur Erfassung einer Temperatur für eine Bestimmung eines Korrekturwerts vorgesehen ist.
Werkzeugvorrichtung (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (20) dazu vorgesehen ist, in einem drehmomentfreien Zustand einen Referenzwert zu bestimmen.
Werkzeugvorrichtung (10) zumindest nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (20) eine Kommunikationseinheit (22) aufweist, die für einen Datenaustausch mit einer Einrichtung (24) zur Visualisierung und/oder Signalisierung des wirkenden Drehmoments vorgesehen ist.
Werkzeugvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Energieversorgung (23), die für eine zumindest partielle Abschaltung der Drehmomenterfassungseinheit (14) vorgesehen ist.
Chirurgie-Werkzeug mit einem Handgriff (12), einer Werkzeugaufnahme (13) und mit einer Werkzeugvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Chirurgie-Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugvorrichtung (10) zumindest teilweise in den Handgriff (12) integriert ist.
System mit einer Anzeigeeinheit (25) und einem Chirurgie-Werkzeug nach Anspruch 8 oder 9.
Verfahren zum Betrieb einer Werkzeugvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem eine Verformung einer Werkzeugaufnahmewelle (11) zur Bestimmung eines auf die Werkzeugaufnahmewelle (11) wirkenden Drehmoments mittels eines optischen Sensors (15, 16) berührungslos erfasst wird, wobei mittels des Sensors (15, 16) eine Auslenkung eines Messelements (19) der Werkzeugaufnahmewelle (11), welches eine vergrößerte Radialerstreckung der Werkzeugaufnahmewelle (11) bewirkt und dazu vorgesehen ist, eine vergrößerte Auslenkung bei einer Verdrehung der Werkzeugaufnahmewelle (11) in einem Torsionsabschnitt (18) der Werkzeugaufnahmewelle (11) bereitzustellen, erfasst wird.