DE102021114429A1

DE102021114429A1 - Robotic system for minimally invasive surgery

Info

Publication number: DE102021114429A1
Application number: DE102021114429.9A
Authority: DE
Inventors: Christopher SCHLENK; Alexander Kolb; Julian Klodmann; Florian Steidle
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2021-06-04
Filing date: 2021-06-04
Publication date: 2022-12-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Robotersystem für die minimalinvasive Chirurgie, mit einem Roboterarm (3.1), an dessen distalem Ende eine Befestigungsvorrichtung (4.11) zum Befestigen eines Endoskops angebracht ist, einer patientenseitigen Einheit (3.6), die eine Fixiervorrichtung zum Fixieren relativ zu einem Patienten oder einem Operationstisch aufweist, wobei die patientenseitige Einheit (3.6) eine Öffnung zum Hindurchführen des Endoskops (1) und ein Antriebselement (7.2,7.3) zum translatorischen Bewegen und/ oder Rotieren des Endoskops (1) aufweist.The invention relates to a robot system for minimally invasive surgery, having a robot arm (3.1) with a fastening device (4.11) attached to its distal end for fastening an endoscope, a patient-side unit (3.6) which has a fixing device for fixing relative to a patient or an operating table, wherein the patient-side unit (3.6) has an opening for passing through the endoscope (1) and a drive element (7.2, 7.3) for translational movement and/or rotation of the endoscope (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Robotersystem für die minimalinvasive Chirurgie.The invention relates to a robot system for minimally invasive surgery.

Es ist bekannt, in der minimalinvasiven Chirurgie Endoskope einzusetzen, um innerhalb von Hohlorganen diagnostische Aufgaben oder Manipulationen durchzuführen. Während der Eingriffe werden Endoskope typischerweise durch den Operateur manuell geführt. Dies ist insbesondere bei flexiblen Endoskopen anspruchsvoll, da der Operateur in einer Hand das Griffstück des flexiblen Endoskops hält und über einen Hebel am Griffstück die Abwinklung der Endoskopspitze aktuiert. Gleichzeitig wird durch Drehen des Griffstückes das Endoskop um seine Längsachse rotiert. Mit der anderen Hand kontrolliert der Operateur den Vorschub des Endoskopschafts in den Patienten.It is known to use endoscopes in minimally invasive surgery in order to carry out diagnostic tasks or manipulations within hollow organs. During the intervention, endoscopes are typically guided manually by the surgeon. This is particularly challenging with flexible endoscopes, since the surgeon holds the handle of the flexible endoscope in one hand and uses a lever on the handle to actuate the angling of the tip of the endoscope. At the same time, turning the handle rotates the endoscope around its longitudinal axis. With the other hand, the surgeon controls the advancement of the endoscope shaft into the patient.

Informationen zum Stand der Technik können den folgenden Veröffentlichungen entnommen werden:

Deasai, Mihir M., et al. „Flexible robotic retrograde renoscopy: description of novel robotic device and preliminary laboratory experience.“
US 2012/0065470 A1
WO2019139941 A1
US10,219,867 B2
US 9,763,741 B2
US 2017/0119412 A1
US 2018/0092517 A1
US 2019/0191967
DE 10 2019 134 352.6

Information on the state of the art can be found in the following publications:

Deasai, Mihir M., et al. "Flexible robotic retrograde renoscopy: description of novel robotic device and preliminary laboratory experience."
US2012/0065470A1
WO2019139941 A1
US10,219,867 B2
US 9,763,741 B2
U.S. 2017/0119412 A1
U.S. 2018/0092517 A1
U.S. 2019/0191967
DE 10 2019 134 352.6

Aufgabe der Erfindung ist es, ein robotisches System zum Durchführen von minimalinvasiven chirurgischen Eingriffen bereit zu stellen, das eine vereinfachte Handhabung ermöglicht.The object of the invention is to provide a robotic system for carrying out minimally invasive surgical interventions, which allows simplified handling.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention by the features of claim 1.

Das erfindungsgemäße Robotersystem für die minimalinvasive Chirurgie weist einen Roboterarm auf, an dessen distalem Ende eine Befestigungsvorrichtung zum Befestigen eines Endoskops angebracht ist. Diese erlaubt beispielsweise eine Verbindung mit einem unmodifizierten Endoskop für den handgehaltenen Einsatz. Es ist bevorzugt, dass das Einlegen des Endoskopes in die Befestigungsvorrichtung werkzeuglos, beispielsweise durch Schnappverschlüsse, Magnetverschlüsse oder an der Befestigung angebrachte Riegel, möglich ist.The robot system according to the invention for minimally invasive surgery has a robot arm, at the distal end of which a fastening device for fastening an endoscope is attached. This allows, for example, a connection to an unmodified endoscope for hand-held use. It is preferred that the endoscope can be inserted into the fastening device without the use of tools, for example by means of snap fasteners, magnetic fasteners or bars attached to the fastening.

Das erfindungsgemäße Robotersystem weist ferner eine patientenseitige Einheit auf, die eine Fixiervorrichtung zum Fixieren relativ zu einem Patienten oder zu einem Operationstisch aufweist.The robot system according to the invention also has a patient-side unit which has a fixing device for fixing relative to a patient or to an operating table.

Die patientenseitige Einheit weist ferner erfindungsgemäß eine Öffnung zum Hindurchführen des Endoskops auf sowie mindestens ein Antriebselement zum translatorischen Bewegen und/ oder Rotieren des Endoskops.According to the invention, the patient-side unit also has an opening for passing the endoscope through and at least one drive element for translationally moving and/or rotating the endoscope.

Das erfindungsgemäße Robotersystem ermöglicht somit einen besonders einfachen minimalinvasiven chirurgischen Eingriff, beispielsweise in der Ureteroskopie. Hierbei muss der Chirurg den Endoskopgriff nicht mit der Hand halten, was während des gesamten chirurgischen Eingriffs ermüdend sein kann. Diese Aufgabe übernimmt die Befestigungsvorrichtung, an der das Endoskop und insbesondere sein proximales Ende, das heißt der Endoskopgriff, befestigt wird. Durch die patientenseitige Einheit ist ferner ein translatorisches Bewegen des Endoskops in den Patientenkörper hinein und aus diesem hinaus und/ oder ein Rotieren des Endoskops um sein Längsachse möglich. Dies kann automatisiert erfolgen, wobei hierzu unmittelbar an der patientenseitigen Einheit oder dem Roboterarm oder aber an einer anderen geeigneten Stelle eine entsprechende Eingabevorrichtung zum Eingaben von Kommandos durch den Chirurgen zum Durchführen einer translatorischen und/oder rotatorischen Bewegung des Endoskops vorgesehen sein kann. Ein minimalinvasiver chirurgischer Eingriff kann somit vorzugsweise durch einen einzigen Chirurgen, das heißt ohne einen Assistenten, durchgeführt werden. Dieser ist andernfalls zwingend erforderlich, sobald ein Instrument durch den Arbeitskanal des flexiblen Endoskops eingeführt und im Patienteninneren manipuliert werden soll (z.B. Laserfaser, Fasszange oder Bergekörbchen).The robot system according to the invention thus enables a particularly simple, minimally invasive surgical intervention, for example in ureteroscopy. This eliminates the need for the surgeon to hold the endoscope handle by hand, which can be tiring throughout the surgical procedure. This task is performed by the fastening device to which the endoscope and in particular its proximal end, ie the endoscope handle, is fastened. Furthermore, the patient-side unit allows the endoscope to move in a translatory manner into and out of the patient's body and/or to rotate the endoscope about its longitudinal axis. This can be done automatically, with a corresponding input device for entering commands by the surgeon for performing a translational and/or rotational movement of the endoscope being provided directly on the patient-side unit or the robot arm or at another suitable location. A minimally invasive surgical intervention can thus preferably be carried out by a single surgeon, ie without an assistant. This is otherwise absolutely necessary as soon as an instrument is to be inserted through the working channel of the flexible endoscope and manipulated inside the patient (e.g. laser fiber, grasping forceps or retrieval basket).

Es ist bevorzugt, dass die patientenseitige Einheit über eine Datenverbindung mit dem Roboterarm verbunden ist. Eine Steuerung des Roboterarms ist hierbei ausgebildet zum Nachführen des Roboterarms, an dem das proximale Ende des Endoskops befestigt ist, wenn durch das Antriebselement der patientenseitigen Einheit ein translatorisches Bewegen des Endoskops in den Patientenkörper hinein erfolgt. Dies entspricht der bisherigen manuellen Bedienung eines Endoskops während eines minimalinvasiven chirurgischen Eingriffs, bei dem der Chirurg beispielsweise den Endoskopgriff mit der rechten Hand in Richtung des Patienten nachführt, während er mit der linken Hand den Endoskopschaft weiter in den Patienten hineinbewegt. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Position der Befestigungsvorrichtung relativ zur patientenseitigen Einheit durch geeignete Sensorik festgestellt wird, sodass die Steuerung des Roboterarms ermitteln kann, in welche Richtung der Roboterarm beziehungsweise die Befestigungsvorrichtung nachgeführt werden muss. Hierbei muss sichergestellt werden, dass das Endoskop einerseits nicht auf Zug belastet wird, wenn die Befestigungsvorrichtung zu weit von der patientenseitigen Einheit entfernt ist. Andererseits darf das Endoskop nicht geknickt werden. Dies könnte beispielsweise passieren, wenn die Befestigungsvorrichtung zu nah an die patientenseitige Einheit herangeführt wird, ohne dass das Endoskop weit genug in den Patientenkörper hineingeschoben wird.It is preferred that the patient-side unit is connected to the robotic arm via a data connection. A controller for the robot arm is designed to track the robot arm to which the proximal end of the endoscope is attached when the drive element of the patient-side unit causes the endoscope to move in a translatory manner into the patient's body. This corresponds to the previous manual operation of an endoscope during a minimally invasive surgical intervention, in which the surgeon, for example, moves the endoscope handle in the direction of the patient with his right hand while moving the endoscope shaft further into the patient with his left hand. It is preferred that the position of the fastening device relative to the patient-side unit is determined by suitable sensors, so that the controller of the robot arm can determine in wel The direction of the robot arm or the fastening device must be tracked. It must be ensured here that the endoscope is not subjected to tensile stress if the fastening device is too far away from the patient-side unit. On the other hand, the endoscope must not be kinked. This could happen, for example, if the attachment device is brought too close to the patient-side unit without pushing the endoscope far enough into the patient's body.

Es ist bevorzugt, dass der Roboterarm manuell positionierbar und an einer gewünschten Position arretierbar ist, wobei er insbesondere schwerkraftkompensiert ist. Alternativ zu einem aktuierten Roboterarm kann auch ein anders gearteter nicht aktuierter Haltearm verwendet werden, an dessen distalem Ende die Befestigungsvorrichtung angebracht ist. Allerdings wäre dann kein automatisches Nachführen des Endoskopgriffes möglich.It is preferred that the robotic arm is manually positionable and lockable at a desired position, in particular being gravity compensated. As an alternative to an actuated robot arm, a different type of non-actuated holding arm can also be used, with the fastening device being attached to the distal end of the holding arm. However, automatic tracking of the endoscope handle would then not be possible.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass der Roboterarm seine Position automatisch hält, sobald keine Kraft mehr durch den Chirurgen auf ihn ausgeübt wird. Hierdurch kann eine besonders intuitive Bedienung ermöglicht werden.It is further preferred that the robotic arm automatically holds its position once force is no longer exerted on it by the surgeon. A particularly intuitive operation can thereby be made possible.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Befestigungsvorrichtung einen Aktor zum Aktuieren eines Betätigungselements zum Abwinkeln der Spitze des Endoskops aufweist. Ferner weist sie zusätzlich oder alternativ hierzu einen Aktor zum Rotieren des Endoskops um seine eigene Achse auf. Alternativ kann auch die Längsachse des Griffstückes mit der der letzten Achse des Roboters zusammenfallen, sofern diese einen ausreichenden Bewegungsraum bietet.It is furthermore preferred that the fastening device has an actuator for actuating an actuating element for bending the tip of the endoscope. In addition or as an alternative to this, it also has an actuator for rotating the endoscope about its own axis. Alternatively, the longitudinal axis of the handle can also coincide with that of the last axis of the robot, provided this offers sufficient room for movement.

Durch derartige Aktoren wird es möglich, dass der Chirurg Eingabebefehle zum Abwinkeln der Spitze des Endoskops und/ oder zum Rotieren des Endoskops unter Verwendung einer Eingabevorrichtung erzeugen kann, die sich auch distal des Robotersystems, beispielsweise auch in einem anderen Raum, befinden kann. Das Durchführen eines Eingriffs ist hiermit auch vollständig über Telemanipulation möglich.Such actuators make it possible for the surgeon to generate input commands for angling the tip of the endoscope and/or for rotating the endoscope using an input device that can also be located distally of the robot system, for example in another room. It is also possible to carry out an intervention entirely via telemanipulation.

Die Befestigungsvorrichtung ist ferner bevorzugt derart ausgebildet, dass das Endoskop von einem Chirurgen manuell betätigbar ist. Hierzu müssen sämtliche Betätigungshebel etc. am Endoskopgriff für den Chirurgen erreichbar sein, auch wenn sich das Endoskop in der Befestigungsvorrichtung befindet.The fastening device is also preferably designed in such a way that the endoscope can be operated manually by a surgeon. For this purpose, all operating levers etc. on the endoscope handle must be accessible to the surgeon, even when the endoscope is in the fastening device.

Es ist weiterhin bevorzugt eine Eingabevorrichtung zum Erfassen einer Eingabe durch den Chirurgen vorgesehen, die dem Abwinkeln, Rotieren und/ oder translatorischen Bewegen des Endoskops dient. Diese kann wie bereits dargestellt distal, das heißt nicht unmittelbar am Robotersystem angeordnet sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Joystick, Steuerkreuze, eine Space Mouse oder ähnliche aus dem Stand der Technik bekannte Eingabevorrichtungen handeln.Furthermore, an input device is preferably provided for detecting an input by the surgeon, which is used for angling, rotating and/or translationally moving the endoscope. As already shown, this can be arranged distally, ie not directly on the robot system. This can be, for example, a joystick, control pads, a space mouse or similar input devices known from the prior art.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass die patientenseitige Einheit mit einer Schleuse zum Einführen des Endoskops in den Patientenkörper kraftschlüssig und/ oder formschlüssig verbindbar ist. Es ist bevorzugt, dass der entsprechende Mechanismus werkzeuglos bedienbar ist. Die Schleuse kann beispielsweise ein Rohr mit einem Trichter an seinem Eingang aufweisen (dies ist die übliche Bauweise der kommerziell erhältlichen Schleusen in der Urologie) und kann vom Ende der Harnröhre bis zum Operationsgebiet gelegt werden, um Verletzungen des Harntraktes durch wiederholtes Vorschieben und Zurückziehen des Ureteroskopes zu vermeiden. Um das Endoskop automatisiert in den Patienten einführen zu können, muss die Position der Schleuse bezogen auf die patientenseitige Einheit bekannt sein. Hierzu muss diese derart mit der patientenseitigen Einheit verbunden werden, dass sie mechanisch gegenüber dieser festgelegt, das heißt nicht bewegbar ist.Furthermore, it is preferred that the patient-side unit can be connected in a non-positive and/or positive manner to a sheath for inserting the endoscope into the patient's body. It is preferred that the corresponding mechanism can be operated without tools. The sheath may, for example, have a tube with a funnel at its entrance (this is the common design of commercially available sheaths in urology) and may be placed from the end of the urethra to the surgical site to avoid urinary tract injuries by repeatedly advancing and withdrawing the ureteroscope to avoid. In order to be able to automatically insert the endoscope into the patient, the position of the sheath in relation to the patient-side unit must be known. To do this, it must be connected to the patient-side unit in such a way that it is mechanically fixed relative to it, ie cannot be moved.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass die patientenseitige Einheit zwei voneinander beabstandete parallele Antriebswalzen zum translatorischen Bewegen des Endoskops aufweist, wobei das Endoskop derart zwischen den beiden Antriebswalzen aufnehmbar ist, dass es auf jeder Seite mit je einer Antriebswalze kraftschlüssig verbunden ist. Bei einer gegenläufigen Rotation der Antriebswalzen erfolgt ein translatorisches Bewegen des Endoskops.It is also preferred that the patient-side unit has two parallel drive rollers spaced apart from one another for translational movement of the endoscope, with the endoscope being able to be accommodated between the two drive rollers in such a way that it is non-positively connected to one drive roller on each side. When the drive rollers rotate in opposite directions, the endoscope moves in a translatory manner.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass die beiden Antriebswalzen entlang ihrer Längsachse gegenläufig zu einander translatorisch bewegbar sind, sodass hierbei ein Rotieren des Endoskops erfolgt.Furthermore, it is preferred that the two drive rollers can be moved in a translatory manner in opposite directions to one another along their longitudinal axis, so that the endoscope rotates in the process.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass die kraftschlüssige Verbindung zwischen den beiden Antriebswalzen und dem Endoskop auflösbar ist durch Wegbewegen mindestens einer der Antriebswalzen vom Endoskop und/ oder durch Verringern des Durchmessers mindestens einer der Antriebswalzen, wobei die kraftschlüssige Verbindung insbesondere werkzeuglos und mit einer Hand durch den Chirurgen auflösbar ist.It is also preferred that the non-positive connection between the two drive rollers and the endoscope can be released by moving at least one of the drive rollers away from the endoscope and/or by reducing the diameter of at least one of the drive rollers, with the non-positive connection being made in particular without tools and with one hand through the surgeons can be resolved.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass mindestens eine Antriebswalze vom Endoskop wegklappbar und/ oder translatorisch wegbewegbar ist.Furthermore, it is preferred that at least one drive roller can be folded away from the endoscope and/or moved away in a translatory manner.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass mindestens eine Antriebswalze zur Verringerung ihres Durchmessers komprimierbar ist.It is further preferred that at least one drive roller is compressible to reduce its diameter.

Es ist weiterhin bevorzugt, dass der gelöste Zustand, in den die kraftschlüssige Verbindung zwischen den Antriebswalzen und dem Endoskop gelöst ist, selbsttätig gehalten wird. Hierdurch kann der Chirurg beide Hände für die manuelle Bewegung des Endoskops einsetzen.It is further preferred that the released state, in which the non-positive connection between the drive rollers and the endoscope is released, is maintained automatically. This allows the surgeon to use both hands to move the endoscope manually.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass die patientenseitige Einheit mindestens einen Sensor zum Erfassen der rotatorischen und/ oder translatorischen Position des Endoskops aufweist. Insbesondere kann die Translation und/ oder Rotation des Endoskopschaftes gegenüber der patientenseitigen Einheit ermittelt werden. Hierfür kann beispielsweise das Endoskop Kamerabild und eine wiedererkennbare Struktur nahe des Patientenzuganges verwendet werden. Die Aktuierung manipuliert den Schaft so lange, bis diese Struktur in einer definierten Entfernung und Orientierung auf dem Endoskopbild erscheint. Die Messwerte für Translation und Rotation werden nun auf Null gesetzt. Die Position und Orientierung der Endoskopspitze kann dann inkrementell aus den Bewegungen des Aktuierungsmechanismus berechnet werden. Auch kann durch die Sensorik verhindert werden, dass das Endoskop zu weit zurückgezogen wird und die Verbindung zu den Antriebswalzen verliert. Dies kann beispielsweise über eine externe Kamera, die Verwendung des Endoskopkamerabildes oder einen Grenzwert für die Position der Endoskopspitze und eine permanente Überwachung dieses Wertes realisiert werden.Furthermore, it is preferred that the patient-side unit has at least one sensor for detecting the rotational and/or translational position of the endoscope. In particular, the translation and/or rotation of the endoscope shaft relative to the patient-side unit can be determined. For this purpose, for example, the endoscope camera image and a recognizable structure near the patient access can be used. The actuation manipulates the shaft until this structure appears at a defined distance and orientation on the endoscope image. The measurement values for translation and rotation are now set to zero. The position and orientation of the endoscope tip can then be calculated incrementally from the movements of the actuation mechanism. The sensors can also prevent the endoscope from being pulled back too far and losing the connection to the drive rollers. This can be implemented, for example, via an external camera, the use of the endoscope camera image or a limit value for the position of the endoscope tip and permanent monitoring of this value.

Auch ist es möglich, einen Schlupf zwischen den beiden Antriebswalzen und dem Endoskopschaft zu detektieren, damit die Pose der Endoskopspitze korrekt berechnet werden kann. Hierzu kann beispielsweise ein optischer Sensor verwendet werden, wie er auch in eine Computer-Maus verwendet wird. Durch diesen können die Bewegungen der Schaftaußenseite gemessen werden. Diese Messwerte können zur Berechnung einer genaueren Positionsschätzung verwendet werden oder dazu dienen, bei einer zu großen Abweichung eine Warnung an den Chirurgen auszugeben. Alternativ könnte die Bewegung der Kamera an der Endoskopspitze aus dem Kamerabild errechnet und mit der Aktuierung des Endoskops verglichen werden.It is also possible to detect slippage between the two drive rollers and the endoscope shaft, so that the pose of the endoscope tip can be calculated correctly. For this purpose, for example, an optical sensor can be used, as is also used in a computer mouse. This can be used to measure the movements on the outside of the shaft. These readings can be used to calculate a more accurate position estimate or to warn the surgeon if the deviation is too large. Alternatively, the movement of the camera at the tip of the endoscope could be calculated from the camera image and compared with the actuation of the endoscope.

Es ist weiterhin bevorzugt, in unmittelbarer Nähe zur Schleuse eine Ablagemöglichkeit für Material aus dem Patienteninneren (beispielsweise Steinfragmente und Biopsiematerial) vorzusehen. Dies ist insbesondere bei größeren Nierensteinen vorteilhaft, die per Laser zerkleinert werden und dann Stück für Stück mit einem Bergekörbchen aus dem Patiententrakt entfernt werden müssen. Um sicherzustellen, dass die Steinfragmente oder das Biopsiematerial nicht an der Zange beziehungsweise dem Bergekörbchen hängen bleiben, kann im Bereich der Abwurfstelle zusätzlich ein Gebläse vorgesehen werden, welches die Objekte in Richtung der Ablagemöglichkeit bläst.It is also preferred to provide a storage facility for material from inside the patient (for example stone fragments and biopsy material) in the immediate vicinity of the lock. This is particularly advantageous for larger kidney stones that are broken up by a laser and then have to be removed piece by piece from the patient's tract with a basket. In order to ensure that the stone fragments or the biopsy material do not get caught on the forceps or the collection basket, a blower can also be provided in the area of the dropping point, which blows the objects in the direction of the storage option.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.Preferred embodiments of the invention are explained below with reference to figures.

Es zeigen:

1: Ein handgehaltenes Ureteroskop
2: Eine Detailansicht der Endoskopspitze in ungekrümmten und gekrümmten Zustand
3: Das Gesamtsystem für die robotische Manipulation
4: Die Befestigung der Endoskopgriffeinheit am Roboterarm
5 und 6: Alternative Ausführungsformen für die Aktuierung des Endoskopschafts
7: Eine Gesamtansicht der patientenseitigen Einheit
8: Die Basisstruktur der patientenseitigen Einheit
9a und 9b: Querschnitt und Seitenansicht der patientenseitigen Einheit
10 bis 12: Verschiedene Alternativen für die Öffnung des Walzenmechanismus
13: Die Sensorik zur Überwachung der Endoskopbewegung
14: Ein Eingabegerät zur Steuerung des flexiblen Endoskops
15: Beispielhafte Visualisierung des Zustandes des flexiblen Endoskops

Show it:

1 : A hand-held ureteroscope
2 : A detailed view of the tip of the endoscope in the uncurved and curved state
3 : The overall system for robotic manipulation
4 : The attachment of the endoscope handle unit to the robot arm
5 and 6 : Alternative embodiments for the actuation of the endoscope shaft
7 : An overall view of the patient-side unit
8th : The basic structure of the patient-side unit
9a and 9b : Cross-section and side view of the patient-side unit
10 until 12 : Various alternatives for opening the roller mechanism
13 : The sensors for monitoring the movement of the endoscope
14 : An input device to control the flexible endoscope
15 : Exemplary visualization of the condition of the flexible endoscope

1 zeigt ein handgehaltenes flexibles Ureteroskop. Das Griffstück 1.1 kann von einem Chirurgen in der Hand gehalten werden, während der flexible Schaft 1.2 während des endoskopischen Eingriffs teilweise in den Patienten eingeführt wird. Durch Bewegen des Aktuierungselements 1.3 (entlang R2) kann die Endoskopspitze 1.4 in einer Ebene gekrümmt werden. Durch den Arbeitskanal 1.5 können verschiedene Werkzeuge, wie z.B. eine Glasfaser für einen Laser oder ein Bergekörbchen zum Entfernen von Blasensteinen eingeführt werden. Die Ebene, in welcher sich die Endoskopspitze krümmt, kann durch Drehen des gesamten Endoskopes um seine Längsachse (R1) variiert werden. Je nach Modell des Endoskops unterscheidet sich die Anordnung und die Ausgestaltung der Bedienelemente (vgl. die beiden verschiedenen Endoskope in 1 und 4, die Art und Anzahl der Endoskopfreiheitsgrade ist typischerweise bei den verschiedenen Endoskopen für eine Anwendung (wie z.B. Urologie) identisch. 1 shows a hand-held flexible ureteroscope. The handle 1.1 can be held in the hand of a surgeon while the flexible shaft 1.2 is partially inserted into the patient during the endoscopic procedure. By moving the actuating element 1.3 (along R2), the endoscope tip 1.4 can be curved in one plane. Various tools, such as a glass fiber for a laser or a rescue basket for removing bladder stones, can be inserted through the working channel 1.5. The level in which the endoscope tip curves can be varied by rotating the entire endoscope around its longitudinal axis (R1). Depending on the endoscope model, the arrangement and design of the operating elements differ (cf. the two different endoscopes in 1 and 4 , the type and number of degrees of freedom of the endoscope is typically identical for the various endoscopes for an application (such as urology).

Wie in 2 gezeigt, kann die Spitze von flexiblen Endoskops für die Urologie auf Grund des geringen Durchmessers (das Endoskop muss durch die Harnröhre des Patienten passen) nur in einer Ebene und in einem bestimmten Bereich gekrümmt werden. Der flexible Bereich der Endoskopspitze 2.1 wird durch Aktuierung des Stellrades am Griffstück mittels im Endoskopschaft laufender Seile/Stangen gekrümmt. Die Endoskopspitze 2.2 und der übrige Schaft 2.3 bleiben währenddessen starr.As in 2 shown, due to the small diameter (the endoscope must fit through the patient's urethra), the tip of flexible endoscopes for urology can only be curved in one plane and in a certain area. The flexible area of the tip of the endoscope 2.1 is curved by actuating the adjustment wheel on the handle using cables/rods running in the endoscope shaft. The endoscope tip 2.2 and the rest of the shaft 2.3 meanwhile remain rigid.

Bei manuell durchgeführten urologischen Eingriffen mit flexiblen Endoskopen (z.B. einer endoskopischen Nierensteinentfernung) befinden sich während des Eingriffs Chirurg und Assistent zwischen den gespreizt gelagerten Beinen des Patienten, um das flexible Endoskop und die durch dessen Arbeitskanal geführten Werkzeuge zu manipulieren. Der Einsatz eines Roboters für die Manipulation des flexiblen Endoskopes soll derartige Eingriffe künftig auch ohne Einsatz eines Assistenten ermöglichen. 3 zeigt ein mögliches Gesamtsetup für die robotische Manipulation flexibler Endoskope für die Urologie mit (links) und ohne Darstellung des Patienten (rechts): Der Roboterarm 3.1 kann wie dargestellt auf einem fahrbaren und höhenverstellbaren Wagen 3.2 angebracht sein, aber auch an den Seitenschienen des OP-Tisches 3.3 oder einem Deckenstativ (nicht dargestellt) befestigt sein. Ebenso ist es denkbar, dass die Basis des Roboterarmes nicht wie dargestellt vertikal, sondern horizontal orientiert ist. Am Werkzeugflansch des Roboterarms ist eine Befestigung für die Endoskopgriffeinheit 3.4 angebracht. In unmittelbarer Nähe zum Ausgang der Harnröhre des Patienten 3.5 befindet sich die patientenseitige Einheit 3.6. Nicht dargestellt sind zusätzlich notwendige Rechner zur Steuerung des Roboters (welche flexibel im OP-Saal positioniert werden können) sowie das Eingabegerät des Chirurgen zur Steuerung des flexiblen Endoskops und der Bildschirm zur Ausgabe des Endoskopbildes (welche von der Position des Chirurgen zwischen den Beinen des Patienten aus erreichbar bzw. einsehbar sein müssen).During manual urological interventions with flexible endoscopes (e.g. endoscopic kidney stone removal), the surgeon and assistant are positioned between the patient's spread legs during the intervention in order to manipulate the flexible endoscope and the tools guided through its working channel. The use of a robot to manipulate the flexible endoscope should make such interventions possible in the future without the use of an assistant. 3 shows a possible overall setup for the robotic manipulation of flexible endoscopes for urology with (left) and without showing the patient (right): The robot arm 3.1 can be attached to a mobile and height-adjustable trolley 3.2 as shown, but also to the side rails of the OR Table 3.3 or a ceiling mount (not shown) can be attached. It is also conceivable that the base of the robot arm is not oriented vertically, as shown, but horizontally. A mount for the endoscope handle unit 3.4 is attached to the tool flange of the robot arm. The patient-side unit 3.6 is located in the immediate vicinity of the exit of the patient's urethra 3.5. Also not shown are the computers required to control the robot (which can be flexibly positioned in the operating room) and the surgeon's input device for controlling the flexible endoscope and the screen for outputting the endoscope image (which depends on the surgeon's position between the patient's legs must be accessible or visible from).

Im gezeigten Gesamtsetup fungiert der Roboterarm als intelligentes Stativ für die Endoskopgriffeinheit. Der Chirurg kann die Griffeinheit wie von manuell durchgeführten Eingriffen gewohnt frei im Raum bewegen und positionieren, wobei der Roboterarm den Bewegungen schwerkraftkompensiert folgt. Lässt der Chirurg die Griffeinheit los oder arretiert er eine Position über eine entsprechende Benutzereingabe (Knopfdruck, Betätigen eines Fußpedals, Sprachsteuerung, ...) wird der Roboter in einen positionsgeregelten oder steifen impedanzgeregelten Modus geschalten, so dass die Pose (Position und Orientierung) der Endoskopgriffeinheit auch beibehalten wird, nachdem diese vom Chirurgen losgelassen wurde. Wird die Endoskopspitze während des Eingriffes telemanipuliert durch den Chirurgen im Patienteninneren bewegt, kann der Roboterarm auch die Pose der der Endoskopgriffeinheit nach Bedarf variieren, um den Vorschub der Endoskopspitze zu erlauben und eine Torsion des Endoskopschaftes zu vermeiden. Kollisionen mit Patienten oder Chirurg können hierbei entweder durch vorab definierte Arbeitsraumbegrenzungen oder durch eine geeignete Überwachung des OP-Setups (z.B. mit Hilfe von externen Trackingsystemen) vermieden werden.In the overall setup shown, the robotic arm acts as an intelligent tripod for the endoscope handle unit. The surgeon can move and position the grip unit freely in space, as is usual with manual interventions, with the robotic arm following the movements in a gravity-compensated manner. If the surgeon releases the handle unit or locks a position via a corresponding user input (pressing a button, pressing a foot pedal, voice control, ...), the robot is switched to a position-controlled or stiff impedance-controlled mode, so that the pose (position and orientation) of the Endoscope handle unit is retained even after it has been released by the surgeon. If the endoscope tip is telemanipulated by the surgeon inside the patient during the procedure, the robotic arm can also vary the pose of the endoscope handle unit as needed to allow the endoscope tip to advance and avoid torsion of the endoscope shaft. Collisions with patients or surgeons can be avoided either by pre-defined working space limitations or by suitable monitoring of the OR setup (e.g. with the help of external tracking systems).

4 zeigt die Befestigung der Endoskopgriffeinheit am Roboterarm: Für eine robotische Bewegung des Endoskops 4.1 muss seine Griffeinheit 4.2 mit dem Werkzeugflansch 4.3 des Roboterarmes 4.4 verbunden werden. Im gezeigten einfachsten Fall erfolgt dies über mehrere Aluminiumprofile 4.5-4.7 sowie eine formschlüssige Halterung für die Griffeinheit 4.8. Diese Halterung besteht im Beispiel aus zwei miteinander verschraubten Hälften, es sind aber auch andere Varianten (einseitiges Scharnier plus Riegel, Klickverschlüsse zwischen den Hälften, Klettverschlüsse zum Fixieren der Hälften, ...) möglich. Die Aluminiumprofile und die Halterung dürfen weder den Arbeitskanal des Endoskops 4.9 verdecken noch den Chirurgen beim Greifen und Bewegen der Griffeinheit 4.2 sowie bei Aktuieren des Hebels 4.10 behindern. Soll der Hebel 4.10 für eine vollständige Telemanipulierbarkeit der Endoskopbewegung aktuiert werden, muss ein Motor sowie ein geeigneter lösbarer und spielarmer Übertragungsmechanismus zwischen Motor und Hebel vorgesehen werden. 4 shows the attachment of the endoscope handle unit to the robot arm: For a robotic movement of the endoscope 4.1, its handle unit 4.2 must be connected to the tool flange 4.3 of the robot arm 4.4. In the simplest case shown, this is done using several aluminum profiles 4.5-4.7 and a form-fitting holder for the handle unit 4.8. In the example, this bracket consists of two halves screwed together, but other variants (one-sided hinge plus bolt, click fasteners between the halves, Velcro fasteners to fix the halves, ...) are also possible. The aluminum profiles and the holder must neither cover the working channel of the endoscope 4.9 nor hinder the surgeon when gripping and moving the handle unit 4.2 or when actuating the lever 4.10. If the lever 4.10 is to be actuated for complete telemanipulation of the endoscope movement, a motor and a suitable detachable and low-backlash transmission mechanism must be provided between the motor and the lever.

Da auf Grund der Flexibilität des Endoskopschaftes ein präzises Bewegen der Endoskopspitze allein durch die Bewegung der Endoskopgriffeinheit nicht möglich ist, muss der Endoskopschaft in unmittelbarer Nähe des Patientenzuganges in zwei Freiheitsgraden (Translation entlang der Längsachse und Rotation um die Längsachse) manipuliert werden können. Hierfür sind verschiedene Aktuierungskonzepte denkbar.Because of the flexibility of the endoscope shaft, it is not possible to precisely move the tip of the endoscope just by moving the endoscope handle unit, so it must be possible to manipulate the endoscope shaft in two degrees of freedom (translation along the longitudinal axis and rotation around the longitudinal axis) in the immediate vicinity of the patient access. Various actuation concepts are conceivable for this.

5 zeigt das Prinzip der Aktuierung des Endoskopschafts über zwei rotierende Rollen in einer rotierenden Gesamtanordnung. Dabei wird die Translation des Endoskopschaftes durch zwei Rollen aktuiert. Das gegensinnige Rotieren der beiden Rollen um ihre Längsachse führt zu einer Translation des Endoskopschaftes entlang seiner Längsachse (in dieser Abbildung in die Bildebene hinein bzw. aus der Bildebene hinaus) (links und Mitte). Die Rotation des Endoskopschaftes um seine Längsachse erfolgt, indem die beiden Rollen zusammen mit ihrer Lagerung um die Längsachse des Endoskopschaftes rotiert werden (rechts). Das Strukturteil für die Lagerung der Rollen kann hierbei als Kreis oder Kreissegment ausgebildet sein, sein Antrieb beispielweise über Riemen oder Zahnriemen, eine Stirnverzahnung, eine Kegelverzahnung oder ein Schneckengetriebe erfolgen. 5 shows the principle of the actuation of the endoscope shaft via two rotating rollers in a rotating overall arrangement. The translation of the endoscope shaft is actuated by two rollers. The opposite rotation of the two rollers about their longitudinal axis leads to a translation of the endoscope shaft along its longitudinal axis (in this figure into and out of the image plane) (left and center). The endoscope shaft is rotated around its longitudinal axis by rotating the two rollers together with their bearings around the longitudinal axis of the endoscope shaft (right). The structural part for the storage of the rollers can be designed as a circle or a segment of a circle, its drive, for example, via a belt or toothed belt, a Spur gearing, bevel gearing or a worm gear take place.

6 zeigt das Prinzip der Aktuierung des Endoskopschafts über zwei rotierende und translatierende Walzen. 6 shows the principle of the actuation of the endoscope shaft using two rotating and translating rollers.

In dieser bevorzugten Ausführungsvariante wird der Endoskopschaft durch zwei Walzen aktuiert. Das gegensinnige Rotieren der beiden Walzen um ihre Längsachse führt zu einer Translation des Endoskopschaftes entlang seiner Längsachse (in dieser Abbildung in die Bildebene hinein bzw. aus der Bildebene hinaus) (links und Mitte). Eine gegensinnige Translation der beiden Walzen entlang ihrer Längsachse führt zu einer Rotation des Endoskopschaftes um seine Längsachse (rechts). Diese Anordnung erlaubt eine sehr kompakte Bauweise und vereinfacht die Kabelführung für die beiden Walzenantriebe. Sie wurde daher für die weitere Konstruktion zu Grunde gelegt.In this preferred embodiment, the endoscope shaft is actuated by two rollers. The opposite rotation of the two rollers about their longitudinal axis leads to a translation of the endoscope shaft along its longitudinal axis (in this figure into and out of the image plane) (left and middle). A translation of the two rollers in opposite directions along their longitudinal axis leads to a rotation of the endoscope shaft around its longitudinal axis (right). This arrangement enables a very compact design and simplifies the cable routing for the two roller drives. It was therefore used as a basis for further construction.

Die 7 zeigt die gesamte patientenseitige Einheit: Der Schaft des flexiblen Endoskops wird während der Operation über die in die Harnröhre geschobene Schleuse 7.1 in den Patienten eingeführt, um Verletzungen der Harnröhre beim wiederholten Ein- und Ausführen des Endoskopschaftes zu vermeiden. Für ein automatisiertes Bewegen des Schaftes muss die Position der Schleuse bezogen auf die Walzen zur Aktuierung des Schaftes 7.2 und 7.3 bekannt sein, hier gelöst durch eine Schleusenbefestigung 7.4. Um eine definierte Lage des Schaftes zu erreichen, wird er nach der Aktuierung durch die Schleuse sowie vor der Aktuierung durch die beiden Schaftführungselemente 7.5 und 7.6 geführt. Die beiden Seiten des Aktuierungsmechanismus (bestehend aus den Schienen plus den daran befestigten Motoren mit den Walzen) können aufgeklappt werden (vgl. 12), um den Endoskopschaft in die patientenseitige Einheit einlegen zu können oder um ihn bei Bedarf als Chirurg auch manuell bewegen zu können (z.B. wenn eine haptische Rückmeldung für ein besonders feinfühliges Bewegen erforderlich ist). Im zugeklappten Zustand werden die beiden Seiten des Aktivierungsmechanismus durch eine geeignete Verriegelung (z.B. den Rastbolzen 7.7) lösbar gegeneinander fixiert.the 7 shows the entire unit on the patient side: the shaft of the flexible endoscope is inserted into the patient during the operation via the sheath 7.1 pushed into the urethra in order to avoid injuries to the urethra when the endoscope shaft is repeatedly inserted and removed. For automated movement of the shank, the position of the sluice relative to the rollers for actuating the shank 7.2 and 7.3 must be known, solved here by a sluice attachment 7.4. In order to achieve a defined position of the shaft, it is guided through the sheath after the actuation and through the two shaft guide elements 7.5 and 7.6 before the actuation. The two sides of the actuation mechanism (consisting of the rails plus the attached motors with the rollers) can be opened (cf. 12 ) in order to be able to insert the endoscope shaft into the patient-side unit or to be able to move it manually if necessary as a surgeon (e.g. if haptic feedback is required for particularly sensitive movement). In the closed state, the two sides of the activation mechanism are releasably fixed to one another by a suitable lock (eg the locking bolt 7.7).

In 8 ist die Basisstruktur der patientenseitigen Einheit mit der Schleusenbefestigung dargestellt: Das Zahnrad 8.1 und der Motor 8.2 zur Aktuierung der Walzentranslation sind starr mit dem Unterteil der Schleusenbefestigung 8.3 verbunden. Der Oberteil der Schleusenbefestigung 8.4 ist mittels eines Scharniers 8.5 gegenüber dem Unterteil beweglich und kann über einen formschlüssigen Schnapper 8.6 mit diesem verbunden werden. Die Lage und Orientierung der Schleuse (nicht dargestellt) wird durch die Aussparungen in beiden Teilen der der Schleusenbefestigung und durch die beiden Passstifte 8.7 festgelegt, d.h. die Schleusenbefestigung ist in diesem Bereich formschlüssig zur verwendeten Schleuse.In 8th shows the basic structure of the patient-side unit with the sluice attachment: The gear wheel 8.1 and the motor 8.2 for actuating the roller translation are rigidly connected to the lower part of the sluice attachment 8.3. The upper part of the sluice attachment 8.4 can be moved relative to the lower part by means of a hinge 8.5 and can be connected to it via a positive-locking snapper 8.6. The position and orientation of the sluice (not shown) is determined by the recesses in both parts of the sluice attachment and by the two dowel pins 8.7, ie the sluice attachment is form-fitting to the sluice used in this area.

9 zeigt die Aktuierung der Antriebswalzen in einem Querschnitt durch die Mitte der Schienen (links) und einer seitlichen Ansicht (rechts): Die Antriebswalzen 9.1 und 9.2 werden von den Motoren 9.3 und 9.4 synchron rotatorisch angetrieben. Diese sind auf Schlitten 9.5 und 9.6 befestigt, die in vertikaler Richtung auf den Schienen 9.7 und 9.8 geführt werden. Die Befestigung der Motoren ist in horizontaler Richtung senkrecht zur Schiene (Pfeile im linken Bild) mittels Langlöchern nachjustierbar, um den Vorschub von Endoskopen mit unterschiedlichem Durchmesser zu ermöglichen. Die Schlitten werden durch zwei antagonistische Kräfte in Position gehalten: Die auf zwei zylindrischen Metallstangen geführten Druckfedern 9.9 und 9.10 üben eine Kraft in Richtung der Walzen aus, der Zahnriemen 9.11 wiederum hält die Schlitten zurück (und wird somit durch die beiden Druckfedern vorgespannt). Der Zahnriemen greift in eine Antriebsrolle 9.12, deren Rotation die Schlitten gegenläufig translatorisch bewegt. Die Schienen 9.7 und 9.8 sind drehbar um zwei Achsen 9.13 und 9.14 befestigt, um die Walzen für den manuellen Betrieb auf die Seite zu klappen. Der Schleusenhalter 9.15 befindet sich oberhalb des Antriebsmotors 9.17, welcher die Antriebsrolle 9.12 des Zahnriemens 9.11 aktuiert. 9 shows the actuation of the drive rollers in a cross section through the middle of the rails (left) and a side view (right): The drive rollers 9.1 and 9.2 are driven synchronously in rotation by the motors 9.3 and 9.4. These are mounted on slides 9.5 and 9.6, which are guided in the vertical direction on the rails 9.7 and 9.8. The attachment of the motors can be readjusted in the horizontal direction perpendicular to the rail (arrows in the left picture) by means of elongated holes in order to enable endoscopes with different diameters to be advanced. The carriages are held in position by two antagonistic forces: the compression springs 9.9 and 9.10, guided on two cylindrical metal rods, exert a force in the direction of the rollers, while the toothed belt 9.11 holds the carriages back (and is thus pretensioned by the two compression springs). The toothed belt engages in a drive roller 9.12, the rotation of which moves the carriages in opposite translational directions. The rails 9.7 and 9.8 are rotatably mounted about two axes 9.13 and 9.14 to fold the rollers aside for manual operation. The lock holder 9.15 is located above the drive motor 9.17, which actuates the drive roller 9.12 of the toothed belt 9.11.

Es existieren verschiedene konstruktive Lösungen, um eine lösbare kraftschlüssige Verbindung zwischen den Antriebswalzen und dem Endoskopschaft herzustellen.There are various constructive solutions to create a detachable non-positive connection between the drive rollers and the endoscope shaft.

10 beschreibt eine Möglichkeit, den Kraftschluss durch das Auslenken gefederter Walzenbefestigungen zu lösen. Hierzu können beispielsweise angepasste kommerziell erhältliche Seitendruckstücke verwendet werden: Die Walzen 10.1 werden durch ein Gewinde 10.2 mit einem Seitendruckstück 10.3 verbunden, welches in die zur Walze gehörige angetriebene Welle 10.4 eingepresst ist. Somit drückt die Feder 10.3.1 des Seitendruckstücks die daran befestigte Walze in eine senkrechte Position und sorgt für eine reibschlüssige Verbindung zum Endoskopschaft. Um diesen Reibschluss zu lösen (und somit den Endoskopschaft frei beweglich zu machen) muss eine externe, vom Schaft weg weisende Kraft F auf den oberen Teil der Walze ausgeübt werden, welche groß genug ist, um die Federkraft des federnden Druckstücks zu überwinden. Dann bewegt sich die Walze vom Endoskopschaft weg (gestrichelte Linie). Der dargestellte Öffnungsmechanismus kann auch mit einer gefederten und einer starren Walzenbefestigung statt wie abgebildet zwei gefederten Walzenbefestigungen umgesetzt werden. 10 describes a way of releasing the frictional connection by deflecting spring-loaded roller attachments. For this purpose, for example, adapted, commercially available side pressure pieces can be used: The rollers 10.1 are connected by a thread 10.2 to a side pressure piece 10.3, which is pressed into the driven shaft 10.4 belonging to the roller. The spring 10.3.1 of the side pressure piece thus presses the roller attached to it into a vertical position and ensures a frictional connection to the endoscope shaft. In order to release this frictional connection (and thus make the endoscope shaft freely movable), an external force F, pointing away from the shaft, must be exerted on the upper part of the roller, which is large enough to overcome the spring force of the spring-loaded pressure piece. Then the roller moves away from the endoscope shaft (dashed line). The opening mechanism shown can also be implemented with one spring-loaded and one rigid roller attachment instead of two spring-loaded roller attachments as shown.

Ebenso kann wie in 11 gezeigt eine Durchmesseränderung von elastischen Walzen genutzt werden, um den Kraftschluss herzustellen bzw. zu lösen: Eine elastische Walze 11.1 ist auf einer Hülse 11.2 geführt, welche wiederum auf der Drehachse 11.3 zentriert ist. Eine Schraube 11.4 drückt über eine Unterlegscheibe 11.5 (und optional eine größere Druckscheibe 11.6) auf die Oberseite der elastischen Walze. Durch diese Druckkraft wird die elastische Rolle in ihrer Länge komprimiert, was zu einer Vergrößerung des Durchmessers führt. Die Hülse 11.2 fungiert hierbei als Endanschlag für die Kompression. Werden die Schrauben herausgedreht (vgl. rechte Anordnung) führt die Elastizität der Walzen zu einer Erhöhung der Länge bei gleichzeitiger Reduktion des Durchmessers. Hierdurch wird der Spalt zwischen den beiden Walzen größer und der zuvor kraftschlüssig geführte Endoskopschaft kann problemlos entnommen werden. An Stelle von Schrauben können alternativ auch werkzeuglos bedienbare Spannelemente wie Exzenterspanner zum Einsatz kommen.Likewise, as in 11 shown, a change in diameter of elastic rollers can be used to establish or release the frictional connection: An elastic roller 11.1 is guided on a sleeve 11.2, which in turn is centered on the axis of rotation 11.3. A screw 11.4 presses on the top of the elastic roller via a washer 11.5 (and optionally a larger thrust washer 11.6). This compressive force compresses the length of the elastic roller, resulting in an increase in diameter. The sleeve 11.2 acts as an end stop for the compression. If the screws are unscrewed (see arrangement on the right), the elasticity of the rollers leads to an increase in length while at the same time reducing the diameter. As a result, the gap between the two rollers becomes larger and the previously non-positively guided endoscope shaft can be removed without any problems. Alternatively, instead of screws, clamping elements that can be operated without tools, such as eccentric clamps, can also be used.

Während die in 10 und 11 gezeigten Konzepte zum Lösen des Kraftschlusses nur einen relativ geringen Abstand zwischen Endoskopschaft und Walze realisieren können, erlaubt ein Öffnen des Walzenmechanismus durch Aufklappen wie in dargestellt eine deutliche räumliche Trennung von Walzen und Endoskopschaft. Dabei wird der Walzenmechanismus geöffnet, indem die beiden Seitenteile mit den Linearschienen gegenüber dem Mittelteil 12.1 um die Achsen 12.2 und 12.3 verkippt werden. Bevorzugt erfolgt das Verkippen der beiden Hälften synchron, z.B. durch Verwendung zweier Zahnräder 12.4 und 12.5. Für das Beibehalten der geöffneten und der geschlossenen Konfiguration sind entsprechende Anschläge und/oder Verriegelungsmechanismen vorzusehen. Beispielsweise können magnetische Anschläge zum Einsatz kommen. Die V-förmigen Aussparungen der beiden Schaftführungselemente 12.6 und 12.7 fangen beim Zuklappen des Walzenmechanismus den Schaft ein und positionieren ihn koaxial zur Schleuse 12.8.While the in 10 and 11 shown concepts for releasing the frictional connection can only achieve a relatively small distance between the endoscope shaft and the roller, allows the roller mechanism to be opened by unfolding it as in shown a clear spatial separation of rollers and endoscope shaft. The roller mechanism is opened in that the two side parts with the linear rails are tilted about the axes 12.2 and 12.3 in relation to the central part 12.1. The two halves are preferably tilted synchronously, for example by using two gear wheels 12.4 and 12.5. Appropriate stops and/or locking mechanisms must be provided to maintain the open and closed configuration. For example, magnetic stops can be used. The V-shaped recesses of the two shaft guide elements 12.6 and 12.7 catch the shaft when the roller mechanism is closed and position it coaxially to the lock 12.8.

Zwischen der Schleuse und den Antriebswalzen können noch zusätzliche technische Komponenten vorgesehen werden, insbesondere die oben beschriebene definierte Abwurfstelle für Steinfragmente und Biopsiematerial sowie die in 13 gezeigte Sensorik zur Überwachung der Endoskopbewegung. Um Schlupf zwischen den Antriebswalzen 13.1 und dem Endoskopschaft 13.2 detektieren zu können, können in Schaftnähe (bevorzugt zwischen Antriebswalzen und Schleuse, wo die Schaftposition gut definiert ist) zusätzliche Sensoren vorgesehen werden, welche die Schaftbewegung messen. Weicht das Ergebnis der Messungen von der durch die Antriebswalzen aufgeprägten Bewegung ab, ist dies ein Anzeichen für Schlupf zwischen Antriebswalzen und Endoskopschaft. Die Sensoren können wie links gezeigt optisch funktionieren, wobei ähnlich wie bei einem optischen Maussensor eine LED/ein Laser 13.3 den Schaft beleuchtet und das reflektierte Licht durch eine Mikrokamera 13.4 aufgenommen wird. Sollte die natürliche Strukturierung der Schaftoberfläche nicht für eine zuverlässige Funktion ausreichen, können auf ihr auch wie in der Abbildung gezeigt zusätzliche Markierungen 13.5 angebracht werden. Alternativ kann die Schaftbewegung auch mechanisch erfasst werden. Hierbei wird eine leicht gegen den Schaft gepresste Rolle 13.6 bei der Schaftbewegung in Rotation versetzt. Diese Rotationsbewegung kann über einen geeigneten Sensor 13.7 (optisch, magnetisch, induktiv, Potentiometer ...), welcher mit der Rolle und der ortsfesten Struktur verbunden ist, gemessen werden.Additional technical components can be provided between the sluice and the drive rollers, in particular the above-described dropping point for stone fragments and biopsy material as well as the 13 sensors shown for monitoring the movement of the endoscope. In order to be able to detect slippage between the drive rollers 13.1 and the endoscope shaft 13.2, additional sensors which measure the shaft movement can be provided in the vicinity of the shaft (preferably between the drive rollers and the lock, where the shaft position is well defined). If the result of the measurements deviates from the movement imposed by the drive rollers, this is an indication of slippage between the drive rollers and the endoscope shaft. The sensors can function optically as shown on the left, with an LED/laser 13.3 illuminating the shaft and the reflected light being recorded by a micro-camera 13.4, similar to an optical mouse sensor. If the natural structuring of the socket surface is not sufficient for reliable function, additional markings 13.5 can also be applied to it as shown in the figure. Alternatively, the shaft movement can also be recorded mechanically. Here, a roller 13.6 pressed lightly against the shank is set in rotation during the movement of the shank. This rotational movement can be measured via a suitable sensor 13.7 (optical, magnetic, inductive, potentiometer...) connected to the roller and the fixed structure.

Bei der Arbeit mit handgehaltenen flexiblen Endoskopen ist das Mapping zwischen den Bewegungen des Griffstückes und des dortigen Hebels und den Bewegungen der Endoskopspitze gerade für weniger erfahrene Chirurgen unintuitiv und schwer vorhersagbar. Die robotische Manipulation des flexiblen Endoskopes bietet die Möglichkeit, ein intuitiveres Mapping zwischen der Eingabe des Chirurgen und der Endoskopbewegung herzustellen. Voraussetzung hierfür ist ein ergonomisches Eingabegerät, wie es in dargestellt ist: Das Eingabegerät bietet mindestens drei Freiheitsgrade zur Aktuierung der drei Endoskopfreiheitsgrade (Vorschub, Rotation, Abwinklung). Der Benutzer aktuiert diese Freiheitsgrade über einen zylindrischen Stift 14.1, welcher mit einem Sensormodul 14.2 zur Detektion der vom Benutzer aufgebrachten Kräfte verbunden ist. Bevorzugt ist, dass die Neigung der gesamten Anordnung angepasst werden kann (gestrichelter Pfeil), beispielsweise über ein Scharnier 14.3. Als zusätzliche Eingabemöglichkeit können am Sensormodul bzw. am Stift noch Buttons 14.4 oder vergleichbare Bedienelemente angebracht sein. Ein bevorzugtes Mapping zwischen Eingabegerät und flexiblem Endoskop sieht wie folgt aus: Die Translation des zylindrischen Stifts entlang seiner Längsachse 14.5 steuert die Translation des Endoskops entlang dessen Längsachse, die Rotation des Stiftes um seine Längsachse 14.6 steuert die Rotation des Endoksops um dessen Längsachse und das Rotieren des Stiftes um das Sensormodul 14.7 steuert die Abwinkelung der Endoskopspitze. Die Abbildung zeigt eine prototypische Umsetzung des Eingabegerätes auf Basis einer Spacemouse. Ein speziell für die Endoskopsteuerung optimiertes Eingabegerät sollte zusätzlich insbesondere die Randbedingungen des Arbeitens im sterilen Bereich (Wasserdichte, Desinfizierbarkeit, steriles Verpacken mit Hilfe von sterilem Drape) berücksichtigen und Möglichkeiten zur Umsetzung von haptischem Feedback bieten.When working with hand-held flexible endoscopes, the mapping between the movements of the handle and the lever there and the movements of the endoscope tip is unintuitive and difficult to predict, especially for less experienced surgeons. The robotic manipulation of the flexible endoscope offers the possibility to create a more intuitive mapping between the surgeon's input and the endoscope movement. The prerequisite for this is an ergonomic input device, as described in is shown: The input device offers at least three degrees of freedom for actuating the three degrees of freedom of the endoscope (feed, rotation, angling). The user activates these degrees of freedom via a cylindrical pin 14.1, which is connected to a sensor module 14.2 for detecting the forces applied by the user. It is preferred that the inclination of the entire arrangement can be adjusted (dashed arrow), for example via a hinge 14.3. As an additional input option, buttons 14.4 or comparable operating elements can also be attached to the sensor module or to the pen. A preferred mapping between input device and flexible endoscope is as follows: The translation of the cylindrical pin along its longitudinal axis 14.5 controls the translation of the endoscope along its longitudinal axis, the rotation of the pin about its longitudinal axis 14.6 controls the rotation of the endoscope about its longitudinal axis and the rotation of the pin around the sensor module 14.7 controls the deflection of the tip of the endoscope. The figure shows a prototype implementation of the input device based on a space mouse. An input device specially optimized for endoscope control should also take into account the boundary conditions of working in the sterile area (watertightness, ability to be disinfected, sterile packaging using sterile drapes) and offer opportunities for implementing haptic feedback.

Durch die robotische Aktuierung der Endoskopfreiheitsgrade fehlen dem Chirurgen Informationen zum Endoskopzustand, welche er beim handgehaltenen Endoskop aus seiner Selbstwahrnehmung erhalten würde, nämlich die Position und Drehung des Endoskopgriffstückes sowie die Position des Hebels für die Abwinkelung der Endoskopspitze. Die entsprechenden Informationen müssen dem Chirurgen folglich anderweitig zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise mit der in 15 gezeigten Visualisierung: Der Benutzer wird über die drei Freiheitsgrade des Endoskopes in drei leicht verständlichen Anzeigen informiert: Der Vorschub des Endoskops kann durch die numerische Anzeige der Entfernung vom Schleuseneingang dargestellt (links oben) werden. Optional können potentiell kritische Zustände (Verlassen des Schleuseneingangs oder Erreichen der maximalen Schaftlänge) durch eine farbliche Hervorhebung der Anzeige verdeutlicht werden. Die Abwinkelung der Endoskopspitze kann als kontinuierlicher Skalenwert (grüner Zeiger) zwischen gerader Endoskopspitze und maximaler Abwinkelung dargestellt (rechts oben) werden. Die Rotation des Endoskopschaftes um seine Längsachse kann ebenfalls als kontinuierlicher Skalenwert (grüner Zeiger) zwischen den beiden Maximalrotationen dargestellt werden.Due to the robotic actuation of the degrees of freedom of the endoscope, the surgeon lacks information about the state of the endoscope, which he would receive from his own perception with a hand-held endoscope, namely the position and rotation of the endoscope handle and the position of the lever for bending the endoscope tip. The relevant information must therefore be made available to the surgeon in some other way, for example with the in 15 shown visualization: The user is informed about the three degrees of freedom of the endoscope in three easy-to-understand displays: The advancement of the endoscope can be shown by the numerical display of the distance from the lock entrance (top left). Optionally, potentially critical states (leaving the lock entrance or reaching the maximum shaft length) can be illustrated by a color highlighting of the display. The deflection of the endoscope tip can be displayed as a continuous scale value (green pointer) between a straight endoscope tip and maximum deflection (top right). The rotation of the endoscope shaft around its longitudinal axis can also be displayed as a continuous scale value (green pointer) between the two maximum rotations.

Zusätzlich sollte die für die Translation des Endoskops notwendige Kraft überwacht werden: Hierdurch kann die Bewegung des Endoskops gestoppt werden, bevor dieses mechanisch überlastet und womöglich beschädigt wird (beispielsweise wenn ein gegriffenes Steinfragment zu groß für die Schleuse ist, oder der Chirurg das Endoskop durch die Schleuse zurückziehen möchte, obgleich dessen Spitze noch abgewinkelt ist).In addition, the force required to translate the endoscope should be monitored: This allows the movement of the endoscope to be stopped before it is mechanically overloaded and possibly damaged (e.g. if a stone fragment being gripped is too large for the sheath, or if the surgeon slides the endoscope through the sheath wants to withdraw sheath, although its tip is still angled).

Um letzteres zu Verhindern kann das System auch automatisch eine Warnung ausgeben, wenn der Chirurg bei abgewinkelter Endoskopspitze das distale Ende des Endoskops in die Schleuse zieht.To prevent the latter, the system can also automatically issue a warning if the surgeon pulls the distal end of the endoscope into the sheath when the endoscope tip is angled.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

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Claims

Robotic system for minimally invasive surgery, with a robot arm (3.1), at the distal end of which a fastening device (4.11) for fastening an endoscope is attached, a patient-side unit (3.6) which has a fixing device for fixing relative to a patient or an operating table, wherein the patient-side unit (3.6) has an opening for the passage of the endoscope (1) and a drive element (7.2, 7.3) for translational movement and/or rotation of the endoscope (1).

robot system claim 1 , characterized in that the patient-side unit (3.6) is connected to the robotic arm (3.1) via a data link, with a controller for the robotic arm (3.1) being designed to track the robotic arm (3.1) to which the proximal end of the endoscope is attached when the drive element (7.2, 7.3) moves the endoscope (1) in a translatory manner into the patient's body.

robot system claim 1 or 2 , characterized in that the robot arm (3.1) can be positioned manually and locked in a desired position, it being gravity-compensated in particular.

robot system claim 3 , characterized in that the robot arm (3.1) automatically holds its position as soon as no more force is exerted on it by the user.

robot system claim 1 - 4 , characterized in that the fastening device (4.11) has an actuator for actuating an actuating element for angling the tip of the endoscope (1) and/or has an actuator for rotating the endoscope (1) about its own axis.

robot system claim 1 - 5 , characterized in that the fastening device (4.11) is designed in such a way that the endoscope (1) can be actuated manually by a surgeon.

robot system claim 1 - 6 , characterized by an input device (14) for detecting an input by the surgeon, which serves to bend, rotate and/or translate the endoscope (1).

robot system claim 1 - 7 , characterized in that the patient-side unit (3.6) with a lock for inserting the endoscope in the patient's body is non-positively and / or positively connected.

robot system claim 1 - 8th , characterized in that the patient-side unit (3.6) has two parallel drive rollers (7.2, 7.3) spaced apart from one another for the translatory movement of the endoscope (1), the endoscope (1) being able to be accommodated between the two drive rollers (7.2, 7.3) in such a way that in that it is non-positively connected to a drive roller on each side, with counterrotating rotation of the drive rollers (7.2, 7.3) causing the endoscope (1) to move in a translatory manner.

robot system claim 9 , characterized in that the two drive rollers (7.2, 7.3) are in each case translationally movable in opposite directions to one another along their longitudinal axis, so that this causes the endoscope (1) to rotate.

Robot system according to Claim 9 or 10, characterized in that the non-positive connection between the two drive rollers (7.2, 7.3) and the endoscope (1) can be broken by moving at least one of the drive rollers away from the endoscope and/or by reducing the diameter of at least one of the drive rollers, wherein the non-positive connection can be released by a user in particular without tools and with one hand.

Robot system according to Claim 11, characterized in that at least one drive roller (7.2, 7.3) can be folded away and/or moved away in a translatory manner.

Robot system according to Claim 11, characterized in that at least one drive roller (7.2, 7.3) can be compressed in order to reduce its diameter.

Robot system according to Claims 11 to 13, characterized in that the released state, in which the non-positive connection between the drive rollers (7.2, 7.3) and the endoscope (1) is released, is maintained automatically.

Robot system according to Claims 11 to 14, characterized in that the patient-side unit (3.6) has at least one sensor for detecting the rotational and/or translational position of the endoscope (1).