DE102021119517A1

DE102021119517A1 - Verfahren zum Umformen und/oder zum Befestigen von Lenkdrähten an einer räumlich verstellbaren Scheibe, Lenkdrähten zum Bewegen einer distalseitigen Gelenkmechanik, medizinisches Instrument und Roboter

Info

Publication number: DE102021119517A1
Application number: DE102021119517.9A
Authority: DE
Inventors: Dominik Längle; Janosz Schneider; Jochen Stefan; Sven Grüner
Original assignee: Karl Storz SE and Co KG
Current assignee: Karl Storz SE and Co KG
Priority date: 2021-07-28
Filing date: 2021-07-28
Publication date: 2023-02-02
Also published as: WO2023006677A1; EP4376754A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen und/oder zum Befestigen von Lenkdrähten an einer räumlich verstellbaren Scheibe, wobei mittels der Lenkdrähte eine distalseitige Gelenkmechanik zum Abwinkeln eines distalen Endabschnittes eines medizinischen Instrumentes bewegbar ist, die Lenkdrähte eine Werkstoffhärte aufweisen und die räumlich verstellbare Scheibe für jeden Lenkdraht ein Loch mit einem Querschnitt durch eine Dicke der räumlich verstellbaren Scheibe aufweist, mittels eines Einlegebauteils mit folgenden Schritten:- Anordnen des Einlegebauteils auf einer proximalen Seite der räumlich verstellbaren Scheibe, wobei das Einlegebauteil korrespondierende Löcher zu den Löchern der räumlich verstellbaren Scheibe und eine Werkstoffhärte gleich oder größer der Werkstoffhärte der Lenkdrähte aufweist,- Durchführen der Lenkdrähte mit einem jeweiligen Lenkdrahtende durch das jeweilige Loch der räumlich verstellbaren Scheibe und das korrespondierende Loch des Einlegebauteils, sodass die jeweiligen durchgeführten Lenkdrahtenden an einer proximalen Seite des Einlegebauteils überstehen,- Umformen der Lenkdrahtenden mittels eines Umformwerkzeuges derart, dass die Lenkdrahtenden jeweils eine Abschlussform mit einer Abmessung mit einem größeren Querschnitt als den Querschnitt des jeweiligen Loches aufweist und somit die Lenkdrähte an der räumlich verstellbaren Scheibe befestigt sind.Des Weiteren betrifft die Erfindung Lenkdrähte, ein medizinisches Instrument und einen Roboter.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umformen und/oder zum Befestigen von Lenkdrähten an einer räumlich verstellbaren Scheibe, wobei mittels der Lenkdrähte eine distalseitige Gelenkmechanik zum Abwinkeln eines distalen Endabschnittes eines medizinischen Instrumentes bewegbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung Lenkdrähte zum Bewegen einer distalseitigen Gelenkmechanik zum Abwinkeln eines distalen Endabschnittes eines medizinischen Instrumentes, ein medizinisches Instrument und einen Roboter.
In medizinischen und nicht-medizinischen Anwendungen werden häufig abwinkelbare Instrumente eingesetzt, welche als handgeführte und/oder robotische Instrumente ausgebildet sein können. Um eine Abwinkelung des Schaftes eines medizinischen Instrumentes zu ermöglichen, sind üblicherweise vier oder mehrere außenliegende Lenkdrähte und/oder Lenkseile um Schwenkglieder einer distalseitigen Gelenkmechanik angeordnet. Zur exakten und homogenen Steuerung des distalen, abwinkelbaren Endes des Schaftes und/oder des Roboterarms ist der Einsatz einer Vielzahl von dünnen Lenkdrähten vorteilhaft, um eine gleichmäßige Bewegung und Kraftverteilung in alle Abwinkelungsrichtungen zu ermöglichen. Dazu müssen die Lenkdrähte distalseitig (benutzerfern) und proximalseitig (benutzernah) in einem gespannten Zustand fixiert sein.
Aus der US 2017/0281296 A1 ist ein medizinisches Instrument mit Lenkkabeln zum Bewegen eines Endeffektors bekannt, bei dem die Lenkkabel durch Öffnungen einer Kardanplatte und einer Verriegelungsplatte geführt werden, welche an den sich gegenüberliegenden Seiten jeweils Verriegelungskeile aufweisen, welche beim Aneinandersetzen der Kardanplatte und der Verriegelungsplatte durch Verschieben die Lenkkabel einklemmen. Zur Fixierung werden anschließend die Kardanplatte und die Verriegelungsplatte miteinander verschraubt. Nachteilig ist hierbei, dass Fertigungstoleranzen beim Fertigen der Kardanplatte und der Verriegelungsplatte dazu führen, dass die Spannungen, mit denen die Lenkkabel fixiert werden, variieren können. Zudem besteht die Gefahr, dass durch scharfe Kanten an der Kardanplatte und der Verriegelungsplatte und/oder durch das Einklemmen die Lenkkabel beschädigt werden können. Dadurch besteht der Nachteil, dass die einzelnen Litzen des Lenkkabels ausfransen und somit die Montage erheblich stören oder erschweren.
Zudem ist es bekannt, die Lenkdrähte an einer proximalseitigen, antreibbaren Taumelscheibe zu verschrauben. Hierzu muss zunächst jeder Lenkdraht einzeln vorgespannt und anschließend an der Taumelscheibe verschraubt werden. Neben einem hohen Zeitaufwand kann dies ebenfalls zur Vorschädigung der Lenkdrähte führen. Des Weiteren benötigen die Gewindebohrungen an der Taumelscheibe und die entsprechenden Schrauben, welche üblicherweise in und an der radial umlaufenden Seitenwand der Taumelscheibe ein- und angebracht werden, einen hohen Bauraum.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zum Umformen und/oder zum Befestigen von Lenkdrähten an einer räumlich verstellbaren Scheibe, wobei mittels der Lenkdrähte eine distalseitige Gelenkmechanik zum Abwinkeln eines distalen Endabschnittes eines medizinischen Instrumentes bewegbar ist, die Lenkdrähte eine Werkstoffhärte aufweisen und die räumlich verstellbare Scheibe für jeden Lenkdraht ein Loch mit einem Querschnitt durch eine Dicke der räumlich verstellbaren Scheibe aufweist, mittels eines Einlegebauteils mit folgenden Schritten:

- Anordnen des Einlegebauteils auf einer proximalen Seite der räumlich verstellbaren Scheibe, wobei das Einlegebauteil korrespondierende Löcher zu den Löchern der räumlich verstellbaren Scheibe und eine Werkstoffhärte gleich oder größer der Werkstoffhärte der Lenkdrähte aufweist,
- Durchführen der Lenkdrähte mit einem jeweiligen Lenkdrahtende durch das jeweilige Loch der räumlich verstellbaren Scheibe und das korrespondierende Loch des Einlegebauteils, sodass die jeweiligen durchgeführten Lenkdrahtenden an einer proximalen Seite des Einlegebauteils überstehen,
- Umformen der Lenkdrahtenden mittels eines Umformwerkzeuges derart, dass die Lenkdrahtenden jeweils eine Abschlussform mit einer Abmessung mit einem größeren Querschnitt als den Querschnitt des jeweiligen Loches aufweist und somit die Lenkdrähte an der räumlich verstellbaren Scheibe befestigt sind.

Dadurch wird ein Verfahren bereitgestellt, mit dem schnell und in einfacher Weise die Lenkdrähte an einer räumlich verstellbaren Scheibe montiert und die proximalseitigen Lenkdrahtenden mittels des Umformen in Kombination mit dem sehr harten Einlegebauteil befestigt werden.
Es ist besonders vorteilhaft, dass die Lenkdrähte in einem gespannten Zustand an der räumlich verstellbaren Scheibe verbindbar sind. Folglich werden Lenkdrähte bereitgestellt, welche an der proximalen Seite der räumlich verstellbaren Scheibe optimal mit einer festen, vorgegebenen Spannung im gespannten Zustand fixiert sind. Durch das reproduzierbare Umformen der Lenkdrahtenden sind die Lenkdrähte einheitlich befestigt und folglich homogen vorgespannt.
Dadurch wird eine proximale Antriebsbewegung auf die räumlich verstellbare Scheibe mittels der befestigten und gespannten Lenkdrähte optimal auf die distalen Komponenten einer distalen Gelenkmechanik zum Abwinkeln des distalen Endabschnittes des medizinischen Instrumentes übertragen.
Es ist besonders vorteilhaft, dass in diesem Verfahren durch Umformen der proximalseitigen Lenkdrahtenden ein Befestigen der Lenkdrähte an der räumlich verstellbaren Scheibe mithilfe des Einlegebauteils realisiert ist. Dadurch, dass das Einlegebauteil eine gleiche oder größere Werkstoffhärte als die Lenkdrähte aufweist, wird ein Einschneiden und/oder ein Setzverhalten der Lenkdrähte im Befestigungsbereich durch die optimale Werkstoffpaarung verhindert.
Zudem ist zum Befestigen der jeweiligen proximalen Lenkdrahtenden lediglich ein Umformwerkzeug und sind nicht zwingend weitere Hilfsstoffe und/oder Befestigungsmittel erforderlich.
Ein Kerngedanke der Erfindung ist, dass das jeweilige Lenkdrahtende mittels des Umformwerkzeuges in eine Abschlussform umgeformt wird, wobei die Abschlussform in einer Abmessung im Querschnitt durch das Umformen größer wird als die Querschnittsfläche des jeweiligen korrespondierenden Loches des Einlegebauteils und des jeweiligen Loches der räumlich verstellbaren Scheibe und die Abschlussform unter Spannung der Lenkdrähte direkt am Einlegbauteil mit gleicher oder höherer Werkstoffhärte anliegt.
Durch das Umformen der proximalen Lenkdrahtenden in eine Abschlussform mit einer Abmessung mit einem größeren Querschnitt als dem Querschnitt des Loches wird folglich verhindert, dass die einzelnen Lenkdrähte nicht mehr in Richtung zur distalen Seite durch die korrespondierenden Löcher des Einlegebauteils und der räumlich verstellbaren Scheibe gezogen werden können. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass die Lenkdrähte eben gerade nicht direkt an der räumlich verstellbaren Scheibe, sondern mittels des Umformens mithilfe des Einlegebauteils indirekt proximalseitig befestigt werden. Dadurch liegen die distalen Seiten der umgeformten Abschlussform als proximales Lenkdrahtende an der proximalen Seite des Einlegebauteils an, welches eine gleichartige oder höhere Härte als die Abschlussform aufweist. Folglich wird beim Spannen der Lenkdrähte ein Einschneiden an der Oberfläche des Einlegebauteils und weiterhin ein Setzverhalten und eine Spannungsänderung der Lenkdrähte vermieden. Dementsprechend erfolgt das Spannen der Lenkdrähte homogener, die Montage der Lenkdrähte innerhalb der Gelenkmechanik wird deutlich vereinfacht und ist schneller durchführbar.
Demgemäß wird eine Spannkraft über die umgeformten Abschlussformen der proximalen Lenkdrahtenden auf das Einlegebauteil und über dessen distaler Kontaktfläche an die distalseitig angeordnete räumlich verstellbare Scheibe übertragen. Dadurch liegt eine homogene Kraftverteilung zwischen der distalen Seite des Einlegebauteils und der proximalen Seite der räumlich verstellbaren Scheibe vor.
Dadurch, dass die Abschlussformen der Lenkdrahtenden jeweils an dem Einlegebauteil mit gleicher oder höherer Werkstoffhärte anliegen und die Lenkdrähte indirekt an der räumlich verstellbaren Scheibe befestigt werden, wird für die räumlich verstellbare Scheibe selbst eine freie Werkstoffwahl ermöglicht. Somit muss diese weder aus schwer zerspanbarem und/oder fügbaren Material, wie beispielsweise Nitinol, noch aus einem gehärteten Werkstoff gefertigt werden. Somit kann durch die Verwendung des härteren Einlegebauteils die räumlich verstellbare Scheibe selbst aus einem deutlich weicheren und somit günstigeren, leichter und besser zu bearbeitenden Material gefertigt werden.
Es ist besonders vorteilhaft, dass das Befestigen der Lenkdrähte proximalseitig mittels des Einlegebauteils und der zu Abschlussformen umgeformten proximalen Lenkdrahtenden erfolgt, wodurch je nach Dicke des Einlegebauteils gegebenenfalls zwar die Länge des Schaftes und/oder der Gelenkmechanik in Längsrichtung geringfügig, wenn überhaupt, verlängert wird, aber die Baugröße vor allem nicht in radialer Richtung und/oder am Umfang der räumlich verstellbaren Scheibe erhöht wird. Diese indirekte Verbindung der Lenkdrähte mit der räumlich verstellbaren Scheibe in proximaler Längsrichtung ist somit optimal in einem Instrumentenschaft integrierbar, dessen Querschnitt von vornherein aufgrund der Anwendung begrenzt ist.
[17] Folgendes Begriffliche sei erläutert:
Ein „Lenkdraht“ ist insbesondere ein dünnes und langes geformtes biegsames Metall und/oder Metalllegierung. Ein Lenkdraht weist insbesondere einen Nickel-Titan-Legierung und somit Nitinol auf. Bevorzugt besteht ein Lenkdraht vollständig aus Nitinol. Ein Lenkdraht kann prinzipiell jede Querschnittsform, beispielsweise einen kreisförmigen, ovalen und/oder gebogenen Querschnitt, einen Flachkant-, Vierkant- oder Profildrahtquerschnitt aufweisen. Bevorzugt weist der Lenkdraht einen runden Querschnitt auf. Üblicherweise werden ≥ 3 oder 4, bevorzugt 10 oder beliebig viele Lenkdrähte in einer Gelenkmechanik im Inneren des Schaftes innerhalb eines medizinischen Instrumentes eingesetzt. Neben der proximalseitigen Befestigung der Lenkdrahtenden an der räumlich verstellbaren Scheibe sind die gegenüberliegenden distalen Lenkdrahtenden jeweils innenliegend an dem abwinkelbaren distalen Endabschnitt fixiert. Bei einem Lenkdraht kann es sich auch um ein Lenkseil handeln, welches mehrere, insbesondere geflochtenen oder verdrehte, Drähte aufweist.
Im Bereich des distalen abwinkelbaren Endabschnittes sind die Lenkdrähte außen radial umlaufend um Schwenkglieder und/oder Gliederkörper angeordnet, mittels welchen eine feingliedrige Abwinkelung des distalen Endabschnittes realisiert wird. Über eine mittels eines proximalen Antriebs bewirkte Bewegung der räumlich verstellbaren Scheibe wird über die mit der Scheibe verbundenen Lenkdrähte, welche entlang der Längsrichtung des Schaftes bis zu den im distalen Endabschnitt fixierten distalen Lenkdrahtenden gespannt sind, in eine entsprechende relative Bewegung der distalseitigen Schwenkglieder übertragen und somit ein Abwinkeln des distalen Endabschnittes bewirkt. Für eine feinmotorische Steuerung des distalen Endabschnittes des medizinischen Instrumentes werden hierzu insbesondere eine Vielzahl an dünnen Lenkdrähten verwendet, um eine gleichmäßigere Kraftverteilung und somit relative Bewegungen in alle möglichen Abwinkelungsrichtungen zu erzielen.
Eine „Gelenkmechanik“ weist insbesondere eine „distalseitige Gelenkmechanik“ und eine „proximalseitige Gelenkmechanik“ auf. Die „proximalseitige Gelenkmechanik“ weist insbesondere das Einlegebauteil, die räumlich verstellbare Scheibe, zugehörige Wellen und die proximalseitigen Lenkdrahtabschnitte auf. Auf der distalen Seite der proximalseitigen Gelenkmechanik sind insbesondere die Lenkdrähte beispielsweise über einen Führungsring oder eine Fächerscheibe in Richtung auf die distale Spitze auf einen engeren Abstand der Lenkdrähte von der Längsachse des Schaftes zusammengeführt, sodass diese im Wesentlichen parallel am proximalen Ende des Schaftes eintreten und innerhalb des Schaftes bis zum distalen Endabschnitt geführt sind. Beispielsweise findet eine Verengung des Durchmessers der radial die Längsachse des Schaftes umgebenden Lenkdrähte von 18 mm auf 4 mm statt. Auf der distalen Seite der proximalseitigen Gelenkmechanik ist in distaler Richtung insbesondere die zugehörige Welle der räumlich verstellbaren Scheibe mit einer Hauptwelle verbunden, wobei über letztere die Rotation des Schaftes realisierbar ist. Die Gelenkmechanik kann insbesondere im Übergang zwischen Hand- und/oder Halteteil des medizinischen Instrumentes und dem Schaft oder im Hand- und/oder Halteteil angeordnet sein. Die „distalseitige Gelenkmechanik“ weist insbesondere die distalseitigen Lenkdrahtabschnitte und die Schwenkglieder und/oder Gliederkörper auf, durch welche ein Abwinkeln des distalen Endabschnittes realisierbar ist.
Eine „räumlich verstellbare Scheibe“ (auch „Taumelscheibe“ genannt) ist insbesondere eine Scheibe, welche derart gelagert ist, dass diese bei Bewegung durch einen proximalen Antrieb relativ zur Scheibenmitte eine äußere Schwenkbewegung quer zur Längsachse durch die Scheibe und somit beidseitig eine Auf- und Ab-Bewegung (Taumelbewegung) ausführt. Die Taumelscheibe weist insbesondere eine kardanische Lagerung auf. Zur Übertragung der jeweiligen proximalseitigen und distalseitigen Bewegung ist die räumlich verstellbare Scheibe insbesondere mit einer distalseitigen Kugelwelle oder einem distalseitigen Kugelgelenk und einer proximalseitigen Kugelwelle oder einem distalseitigen Kugelgelenk verbunden. Durch die Dicke der räumlich verstellbaren Scheibe sind die Lenkdrähte geführt. Somit wird beispielsweise bei Betrachtung des Schaftes im Längsquerschnitt der quer zur Längsrichtung des Schaftes obenliegende Abschnitt der Taumelscheibe in Richtung zum distalen Ende verschoben, während der untenliegende Abschnitt zum proximalen Ende verschoben wird, wobei aufgrund der entsprechenden Bewegung der an der Taumelscheibe fixierten Lenkdrähte der distale Endabschnitt entsprechend nach unten abgewinkelt wird. Folglich werden insbesondere je nach Anordnung der gespannten und fixierten Lenkdrähte an der Taumelscheibe durch Schwenkbewegung der Taumelscheibe simultan einige Lenkdrähte geschoben und andere Lenkdrähte gezogen.
Ein „medizinisches Instrument“ ist insbesondere jegliche mechanische oder mechanisch-elektrische Wirkeinheit, welche zur Diagnose und/oder Behandlung von Menschen oder Tieren geeignet ist. Das medizinische Instrument wird insbesondere zur Inspektion einer menschlichen oder einer tierischen Körperhöhle und/oder zur Manipulation von menschlichem oder tierischem Gewebe verwendet. Das medizinische Instrument weist insbesondere einen Handgriff oder Handteil, einen Schaft und ein Werkzeug und/oder ein optische System zur Betrachtung eines Sichtbereiches auf. Das medizinische Instrument kann insbesondere ein Fasswerkzeug, ein Schneidwerkzeug, einen Nadelhalter, einen Clipsetzer und/ oder ein andersartiges Werkzeug aufweisen. Bei einem medizinischen Instrument handelt es sich beispielsweise um ein Endoskop mit einem langen Schaft und einem abwinkelbaren Endabschnitt. Bei dem medizinischen Instrument kann es sich um ein handgehaltenes und/oder handgeführtes Instrument handeln. Das medizinische Instrument kann auch als Endeffektor an einem Roboterarm eines Chirurgieroboters angeordnet und somit ein robotergestütztes Instrument sein.
Der „Schaft“ des medizinischen Instrumentes ist insbesondere als langgestreckte Röhre ausgestaltet. Der Schaft weist insbesondere einen Durchmesser in einem Bereich von 2mm bis 10mm auf. Der Schaft kann insbesondere weitere Komponenten, wie einen Lichtwellenleiter zur Beleuchtung des Objektfeldes, einen Arbeitskanal oder mehrere Arbeitskanäle zum Zuführen von Spülflüssigkeit oder eines Werkzeuges, wie einer Biopsienadel oder einer Elektrode, aufweisen. Insbesondere im Falle eines starren Schaftes kann von seinem proximalen bis distalen Ende im Inneren des Schaftes ein zentrales Betätigungselement, beispielsweise ein Zug-/Schubseil, zum Betätigen eines Werkzeuges, beispielsweise eines Maulteils, an der abwinkelbaren, distalen Instrumentenspitze angeordnet sein.
Bei einem „proximalen Antrieb“ handelt es sich um eine Antriebseinheit zur Einwirkung und somit zum Verschwenken der räumlich verstellbaren Scheibe. Somit wird insbesondere die Antriebsbewegung des proximalen Antriebs in eine Schwenkbewegung der räumlich verstellbaren Scheibe und durch die an der räumlich verstellbaren Scheibe befestigten Lenkdrähte auf eine entsprechende Relativbewegung der distalseitigen Schwenkglieder und/oder Gliederkörper zum Verschwenken des Endabschnittes des medizinischen Instrumentes übertragen. Bei dem proximalen Antrieb kann es sich um einen manuellen Antrieb mittels beispielsweise der Drehbewegung eines Betätigungselementes handeln oder um einen motorisierten Antrieb. Im Falle eines motorisierten Antriebs weist dieser einen Motor oder mehrere Motoren und/oder ein Getriebe, wie beispielsweise angetriebene Zahnräder, auf. Der proximale Antrieb ist insbesondere im Hand- und Halteteil angeordnet.
Eine „Betätigungseinheit“ ist insbesondere ein Bauteil oder besteht aus mehreren Bauteilen, welche auf den proximalen Antrieb einwirken. Eine Betätigungseinheit kann insbesondere ein oder mehrere Betätigungselemente aufweisen. Bei den Betätigungselementen kann es sich beispielsweise um einen Druckknopf oder ein Drehrad handeln, mittels dessen Bewegung der proximale Antrieb betätigt wird. Bei einem Betätigungselement der Betätigungseinheit kann es sich jedoch auch um ein elektronisches Steuersignal handeln. Somit kann es sich bei der Betätigungseinheit um eine manuell betätigbare Handhabe oder auch um eine für den robotischen Einsatz ausgelegte und frei von einer manuellen Handlung betätigbaren Baueinheit handeln.
Ein „Loch“ ist insbesondere ein üblicherweise runder Durchbruch durch die Dicke der räumlich verstellbaren Scheibe. Das Loch kann beispielsweise mittels Laser- oder Wasserstrahlschneiden oder Bohren in die räumlich verstellbare Scheibe eingebracht sein. Auch können die Löcher direkt beim Fertigen der räumlich verstellbaren Scheibe und somit beim formgebenden Prozess, wie Gießen oder Sintern, eingebracht werden. Das Loch muss jedoch nicht zwingend einen runden Querschnitt haben, sondern kann auch eine unrunde oder der Form des Lenkdrahtes angepassten Form aufweisen. Jedes Loch weist jeweils einen Querschnitt auf, welcher größer als der Außendurchmesser des durch das jeweilige Loch geführten Lenkdrahtes ist.
Bei einer „korrespondierenden Loch“ handelt es sich in der Form und Ausführung um ein oben definierte Loch, jedoch ist diese Loch durch die Dicke des mindestens einen Einlegebauteils in Längsrichtung des Schaftes ausgeführt. Unter „korrespondierend“ ist hierbei zu verstehen, dass die jeweils zugehörigen Löcher der räumlich verstellbaren Scheibe und des Einlegebauteils, durch welche jeweils dasselbe Lenkdrahtende geführt wird, bei Sicht in Längsrichtung übereinander liegen und/oder der Mittelpunkt dieser beiden Löcher fluchtend in einer geraden Linie, insbesondere in einer geraden Linie parallel zur Längsachse des Schaftes, liegt.
Ein „Einlegebauteil“ ist insbesondere ein Bauteil, welches an der proximalen Seite der räumlich verstellbaren Scheibe in Längsrichtung des Schaftes angeordnet ist. Das Einlegebauteil ist insbesondere nach Umformen der proximalen Lenkdrahtenden zwischen den umgeformten Abschlussformen der Lenkdrähte und der proximalen Seite der räumlich verstellbaren Scheibe eingelegt. Das Einlegebauteil kann einstückig ausgeführt sein oder es können zwei oder mehrere Einlegebauteile verwendet werden. Das Einlegebauteil weist insbesondere eine Werkstoffhärte größer/gleich der Werkstoffhärte der Lenkdrähte auf. Das Einlegebauteil weist insbesondere einen Querschnitt auf, welcher größer als der Querschnitt des jeweiligen Loches oder der Löcher der räumlich verstellbaren Scheibe ist. Das Einlegebauteil weist insbesondere korrespondierend zum Loch oder den Löchern der räumlich verstellbaren Scheibe eigene korrespondierende Löcher auf. Bei einem Einlegebauteil handelt es sich insbesondere um einen gehärteten Werkstoff, beispielsweise Stahl. Bei Härten erfolgt eine gezielte Erhöhung der mechanischen Widerstandsfähigkeit des Werkstoffes durch Änderung und Umwandlung dessen Gefüges. Das Härten kann beispielsweise durch Wärmebehandlung mit anschließendem Abschrecken erfolgen. Ebenso kann das Einlegebauteil Keramik und/oder Hartmetall aufweisen.
Eine „Abschlussform“ ist insbesondere eine umgeformte Form jedes proximalen Lenkdrahtendes, welche einen größeren maximalen Querschnitt als der Querschnitt des korrespondierenden Loches des Einlegebauteils aufweist. Die Abschlussform wird insbesondere direkt aus dem Material des jeweiligen proximalen Lenkdrahtendes durch Umformen geformt. Neben dem eigentlichen proximalen Lenkdrahtende kann jedoch zusätzliches Material, beispielsweise in Form einer über das proximale Lenkdrahtende gestülpten Hülse, vor dem Umformen zugegeben und zusammen mit dem Lenkdrahtende umgeformt werden. Das Umformen zum Ausbilden der Abschlussform muss jedoch nicht direkt am proximalen Lenkdrahtende erfolgen, sondern kann an einer beliebigen Position eines Lenkdrahtes durchgeführt werden, wobei nach Umformen in die Abschlussform der Lenkdraht proximalseitig von der Abschlussform abgeschnitten wird, sodass dadurch ein proximalseitiges Lenkdrahtende vorliegt. Die jeweils mittels Umformens erstellte Abschlussform kann prinzipiell jede geometrische Form und/oder einen räumlichen Verlauf aufweisen und muss lediglich an einer Stelle und/oder Abmessung einen Querschnitt aufweisen, welcher größer als das korrespondierende Loch des Einlegebauteils und/oder der Loch der räumlich verstellbaren Scheibe ist. Die Abschlussformen der umgeformten Lenkdrähte können alle dieselbe oder unterschiedliche Formen aufweisen. Die Abmessung mit einem größeren Querschnitt wird bei einem Lenkdraht mit einem runden Querschnitt beispielsweise durch Plattdrücken des Lenkdrahtes erzielt, sodass der runde Querschnitt in der Pressrichtung flacher und quer zur Pressrichtung breiter wird. Durch diese Materialverbreitung passt die derart umgeformte Abschlussform des Lenkdrahtes nicht mehr durch das jeweilige zugehörige Loch des Einlegbauteils und der räumlich verstellbaren Scheibe.
Die „Werkstoffhärte“ ist insbesondere ein mechanischer Widerstand, den ein Werkstoff der mechanischen Eindringung eines anderen Körpers entgegensetzt. Die Werkstoffhärte charakterisiert nicht nur den Widerstand gegen härtere Körper, sondern auch gegen weichere oder gleichharte Körper. Die Werkstoffhärte gibt insbesondere auch ein Maß für das Verschleißverhalten von Materialien an. Die Werkstoffhärte kann nach verschiedenen Härteprüfverfahren und Härteskalen angegeben werden. Die Werkstoffhärte wird insbesondere in Rockwell als eine international gebräuchliche Maßeinheit für die Härte technischer Werkstoffe angegeben mit dem Kürzel HR (Hardness Rockwell) sowie einem nachgestellten Buchstaben zur Kennzeichnung des jeweiligen Prüfverfahrens, wobei der Buchstabe die Skala und damit die Prüfkräfte und Prüfkörper angibt. Bei der Skala C wird insbesondere ein Diamantkegel mit 120° Spitzenwinkel und einer Prüfvorkraft von 98,0665N verwendet, wobei die Prüfzusatzkraft 1372,931N beträgt. Somit wird bei dem Prüferfahren nach Skala C (C steht für „Cone“ und somit Kegel) die Maßeinheit in HRC angegeben.
Unter „Umformen“ wird insbesondere ein Fertigungsverfahren verstanden, bei dem eine Formänderung gezielt eingebracht wird. Beim Umformen wird insbesondere das jeweilige proximale Lenkdrahtende gezielt in eine Abschlussform des jeweiligen Lenkdrahtes geformt. Das Umformen umfasst insbesondere das Drahtumformen und/oder Massivumformen. Das Umformen kann insbesondere durch Walzen, Freiformschmieden, Gesenkschmieden, Pressen, Anpressen, Einpressen, Klemmen, Verdrehen und/oder Biegen erfolgen. Bei dem Umformen kann es sich um ein Kaltumformen, Halbwarmumformen und/oder Warmumformen handeln. Das Kaltumformen wird insbesondere unterhalb der Rekristallisationstemperatur des Materials des Lenkdrahtendes durchgeführt. Beim Halbwarmumformen findet ein Erwärmen des Lenkdrahtendes statt, jedoch auf eine Temperatur, die unterhalb der Rekristallisationstemperatur liegt. Beim Warmumformen wird das Lenkdrahtende vor dem Umformen auf eine Temperatur über der Rekristallisationstemperatur des Werkstoffes des Lenkdrahtendes erwärmt, wodurch es während des Umformens zu Rekristallisation kommt. Je nach gewähltem Umformverfahren wird zum Umformen ein entsprechendes Umformwerkzeug verwendet.
In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens wird als Material des Einlegebauteils ein gehärtetes Metall, eine gehärtete Metalllegierung, ein Hartmetall und/ oder ein keramischer Werkstoff verwendet.
Somit kann das Einlegebauteil in einfacher Weise aus einem Metall und/oder einer Metalllegierung gefertigt und/oder gehärtet werden, wobei an den Werkstoff des Einlegebauteils lediglich die Anforderung gestellt wird, dass die Werkstoffhärte gleich oder größer der Werkstoffhärte der Lenkdrähte ist. Ebenso kann das Einlegbauteil aus einem Hartmetall und somit einem Metallmatrix-Verbundwerkstoff und/oder einem keramischen Werkstoff gefertigt werden. Es ist besonders voreilhaft, dass das Einlegebauteil fertigungstechnisch in einfacher Weise aus einem entsprechend harten Werkstoff herstellbar ist.
Damit die Lenkdrähte eine große Belastung aufnehmen und gegenüber Wechselbeanspruchung aufgrund superelastischer Eigenschaften sehr robust sind und das Einlegebauteil mit einer mindestens äquivalenten Werkstoffhärte ausbildbar ist, wird als Material der Lenkdrähte und/oder des Einlegebauteils jeweils eine Nickel-Titan-Legierung verwendet.
Folglich können für die Lenkdrähte die vorteilhaften Eigenschaften einer Nickel-Titan-Legierung (auch Nitinol genannt) genutzt und trotz dessen begrenzter Bearbeitungsmöglichkeit aufgrund der speziellen Eigenschaften von Nitinol eine optimale Befestigung der Lenkdrähte mittels des Verfahrens an der räumlich verstellbaren Scheibe realisiert werden. Prinzipiell können die Lenkdrähte insbesondere auch aus Edelstahl hergestellt werden. Bevorzugt werden die Lenkdrähte insbesondere aus Nitinol gefertigt, während das Einlegebauteil optional ebenfalls aus Nitinol oder einem anderen Werkstoff, wie beispielsweise einem pulvermettalurgischen Stahl mit einer Werkstoffhärte von 64 HRC bis 67 HRC oder einem gehärteten Carbonstahl, gefertigt sein kann. Durch die optimale Werkstoffpaarung der Lenkdrähte und des Einlegebauteils wird neben dem Verhindern des Setzverhaltens und/oder des Einschneidens der Lenkdrähte auch eine freie Werkstoffwahl für die räumlich verstellbaren Scheibe ermöglicht.
Der Werkstoff Nitinol besitzt eine Werkstoffhärte von circa 64 HRC. Da die räumlich verstellbare Scheibe selbst jedoch fertigungstechnisch nicht aus einem derart harten Werkstoff herstellbar ist und durch ein nachfolgendes Härten der räumlich verstellbaren Scheibe die erforderliche Härte nicht oder nur sehr schwer erreichbar ist, würden die Lenkdrähte aus Nitinol insbesondere an einer jeweiligen Befestigungsstelle sich in die räumlich verstellbare Scheibe einschneiden und die Drahtspannung der Lenkdrähte würde sich in der Gelenkmechanik mit fortschreitender Einsatzdauer verringern. Dieses Einschneiden wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gerade dadurch verhindert, dass zwischen der räumlich verstellbaren Scheibe und den umgeformten Lenkdrahtenden das Einlegebauteil mit einer Werkstoffhärte von ≥ 64 HRC eingelegt ist, wodurch ein Einschneiden der umgeformten Lenkdrahtenden aufgrund der Befestigung über die jeweilige Abschlussform an dem Einlegebauteil verhindert wird.
Eine „Nickel-Titan-Legierung“ ist insbesondere eine Nickel-Titan-intermetallische Verbindung. Bei einer Nickel-Titan-Legierung handelt es sich insbesondere um Nitinol. „Nitinol“ ist insbesondere eine intermetallische Phase NiTi mit einer geordnet, kubischen Kristallstruktur, welche sich von der von Titan und Nickel unterscheidet. Die Nickel-Titan-Legierung und Nitinol weisen üblicherweise einen etwas größeren Anteil von Nickel, beispielsweise 55 %, und Titan auf. Nitinol kann aber auch 50 % Nickel und 50 % Titan und/oder andere Legierungsverhältnisse und/oder zusätzliche Legierungsbestandteile in geringen Mengen enthalten. Nitinol weist insbesondere ein thermisches Formgedächtnis und Superelastizität auf. Üblicherweise sind herkömmliche Verfahren der Bauteilfertigung bei Raumtemperaturen wegen der extremen Elastizität von Nitinol und/oder seines thermischen Formgedächtnisses nicht geeignet. Prinzipiell sind spanabhebende Verfahren zur Formgebung möglich, diese sind jedoch mit einem erheblichen Werkzeugverschleiß verbunden. Diesbezüglich ist vorteilhaft, dass durch Fertigung der Lenkdrähte und des Einlegebauteils beide in Nitinol, die Taumelscheibe aus einem anderen Material gefertigt und zerspant werden kann. Die Lenkdrähte aus Nitinol werden insbesondere mittels Durchziehen hergestellt, wobei zwischen den Ziehvorgängen der Draht weichgeglüht wird. Eine Formgebung von Nitinol kann beispielsweise durch Schleifen oder Elektroerosion erfolgen. Aufgrund der superelastischen Eigenschaften können die Lenkdrähte aus Nitinol insbesondere stärker gebogen werden als beispielsweise aus Edelstahl gefertigte Lenkdrähte. Zudem können die Lenkdrähte aus Nitinol mehrfach gebogen werden, bleiben aber dennoch steuerbar. Des Weiteren hält Nitinol seine Form auch bei Spannung aufrecht und ist knickfest.
Zudem können bei der Verwendung von Nitinol für die Lenkdrähte die spezifischen Eigenschaften, wie thermische Formgedächtnis und das mechanische Formgedächtnis als Superelastizität, ausgenutzt werden. Hierbei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass Nitinol-Legierungen nach einer plastischen Verformung in ihre ursprüngliche Gestalt zurückkehren, wenn diese oberhalb ihrer Umwandlungstemperatur erwärmt werden. Um jedoch die optimalen superelastischen Eigenschaften von Nitinol zu erreichen, kann nach einer Kaltumformung eine Wärmebehandlung bei 350 °C bis 600 °C durchgeführt werden. Für das Umformen zur Erzielung vor allem der superelastischen Eigenschaften ist die Umwandlungstemperatur von Nitinol üblicherweise in der Medizintechnik nicht kritisch, da die Umwandlungstemperatur normalerweise unter der Anwendungstemperatur liegt. Lenkdrähte aus Nitinol können beispielsweise ohne Wärmebehandlung kaltverformt werden. Auch kann der Lenkdraht beispielsweise gezogen, weichgeglüht und anschließend das Lenkdrahtende kalt verformt werden. Durch eine vorgeschaltete Wärmebehandlung kann insbesondere die Sprödigkeit von Nitinol verringert werden.
Zum Verwenden derselben Werkstoffhärte für die Lenkdrähte und das Einlegebauteil können das Material der Lenkdrähte und des Einlegebauteils dieselbe Nickel-Titan-Legierung aufweisen.
In eine weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens wird ein einteiliges oder mehrteiliges Einlegebauteil verwendet.
Durch die Verwendung eines zwei- oder mehrteiligen Einlegebauteils kann die Montage weiter vereinfacht werden. Zudem können die zwei oder mehreren Einlegebauteile eine geringere Fläche als die proximale Stirnfläche der räumlich verstellbaren Scheibe einnehmen, sodass Material eingespart und/oder die Kraftverteilung gezielt eingestellt wird. Somit muss nicht die gesamte Kontaktfläche an der proximalen Seite der räumlich verstellbaren Scheibe mit einem Einlegebauteil oder mehreren Einlegebauteilen belegt sein, sondern zwei oder mehrere Einlegebauteile können lokal im Bereich der Löcher der räumlich verstellbaren Scheibe angeordnet sein. Bei einem zweiteiligen Einlegebauteil kann es sich beispielsweise um zwei Halbringe handeln.
Bei einem „mehrteiligen Einlegebauteil“ handelt es sich in der Funktion um ein oben definiertes Einlegebauteil, wobei das Einlegebauteil jedoch zwei oder mehrere Bauteile aufweist oder zwei oder mehrere Einlegebauteile umfasst.
Um das Einlegen und die Montage zu erleichtern, wird als Einlagebauteil ein Ring verwendet.
Durch Ausgestaltung des Einlegebauteils in Ringform kann dieses mit seinem Innendurchmesser und Außendurchmesser formgleich und komplett anliegend an die proximale Stirnseite der räumlich verstellbaren Scheibe ausgebildet sein, wodurch eine optimale Kontaktfläche zwischen beiden realisiert wird. Bevorzugt weist der Ring, insbesondere ein Drahtsicherungsring, die korrespondierenden Löcher auf, sodass die proximalen Lenkdrahtenden durch die Löcher der räumlich verstellbaren Scheibe und durch die korrespondierenden Löcher des Rings geführt und auf der proximalen Seite des Rings unter Ausbildung der Abschlussformen umgeformt werden. Ein Ring muss nicht zwingend kreisförmig ausgebildet sein, sondern kann beispielsweise auch eine sechseckige Form aufweisen.
In einer weiteren Ausgestaltungsform des Verfahrens erfolgt das Umformen der jeweiligen Lenkdrahtenden in die jeweilige Abschlussform in Form eines Keils, eines Würfels, eines Quaders, eines Trapezes, einer Kugel, eines Kegels, eines Zylinders und/oder einer Pyramide.
Prinzipiell kann das Umformen des jeweiligen Lenkdrahtendes in jegliche Abschlussform erfolgen, solange die Abschlussform an einer Position in ihrer Längsrichtung einen Querschnitt größer des korrespondierenden Loches und/oder des Loch aufweist. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die jeweilige Abschlussform distalseitig entweder eine ebene, homogene Stirnfläche aufweist, welche an der Fläche des Einlegebauteils anliegt, oder wenn die Abschlussform von ihrem distalen Ende sich beispielsweise konisch auf einen größeren Durchmesser erweitert, sodass beim Spannen des Lenkdrahtes und Ziehen der Abschlussform in distaler Richtung zu dem korrespondierenden Loch eine definierte Sperrung erfolgt.
Um auch ein proximales Lenkdrahtende mit ungünstigen aufgefransten Litzen einfacher zu verwenden oder mehr Material zum Umformen bereitzustellen, wird alternativ zum Umformen auf den jeweiligen Lenkdraht eine Hülse geklemmt.
Somit wird in diesem Fall lediglich die Hülse selbst durch Klemmen umgeformt.
Ebenso kann in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ergänzend vor dem Umformen auf das jeweilige Lenkdrahtende eine Hülse aufgesetzt werden, wobei die Hülse nach dem Umformen das Lenkdrahtende ausbildet.
In diesem Fall werden die Hülse und das Lenkdrahtende zusammen umgeformt.
Eine „Hülse“ ist insbesondere ein fester, rohrförmiger Körper, welcher das proximale Lenkdrahtende zumindest teilweise umschließt. Die Hülse weist zumindest auf der distalen Seite eine Öffnung zum Einschieben des jeweiligen proximalen Lenkdrahtendes oder Lenkdrahtes auf. Bevorzugt stellt die umgeformte Hülse nach dem Umformen das proximalseitige Lenkdrahtende dar. Hierzu kann nach dem Umformen der proximalseitig überstehende Lenkdraht abgeschnitten und/oder entfernt werden. Die proximale Stirnseite der Hülse kann offen und/oder geschlossen sein. Prinzipiell kann das Umformen der Hülse teilweise oder vollständig erfolgen. Bei der Hülse handelt es sich insbesondere um eine gehärtete Hülse mit einer Werkstoffhärte größer gleich der Werkstoffhärte der Lenkdrähte.
Aufgrund der indirekten Befestigung der proximalen Lenkdrahtenden mittels Umformen zu den jeweiligen Abschlussformen und des Verwendens des Einlegebauteils, kann als Material der räumlich verstellbaren Scheibe rostfreier Stahl, rostfreie Stahllegierung, Aluminium und/oder Kunststoff verwendet werden.
Dadurch wird eine freie Materialwahl für die räumlich verstellbare Scheibe ermöglicht und alle gängigen Werkstoffe der Medizintechnik können für die räumlich verstellbare Scheibe eingesetzt werden. Folglich kann hier unabhängig vom Material der Lenkdrähte aus Nitinol, da diese nicht an der räumlich verstellbaren Scheibe direkt befestigt werden, eine optimale Materialwahl für die räumlich verstellbare Scheibe erfolgen. Durch die Verwendung von rostfreiem Stahl, rostfreier Stahllegierung, Aluminium und/oder Kunststoff kann die Formgebung der räumlich verstellbaren Scheibe freier und einfacher durchgeführt werden.
Um eine spannungsfreie Montage und ein anschließendes Vorspannen zu ermöglichen, wird vor dem Umformen die räumlich verstellbare Scheibe mit einer distalseitigen Kugelwelle in eine Hauptwelle der proximalseitigen Gelenkmechanik eingeschoben und nach Umformen der Lenkdrahtenden zum Vorspannen der befestigten Lenkdrähte wird die räumlich verstellbare Scheibe mit der distalseitigen Kugelwelle teilweise aus der Hauptwelle in proximaler Richtung gezogen.
Eine „Kugelwelle“ ist insbesondere eine Welle mit einem Kugelgelenk. Die räumlich verstellbare Scheibe (Taumelscheibe) weist insbesondere eine proximalseitige Kugelwelle zum Übertragen der Antriebsbewegung des proximalen Antriebs auf die räumlich verstellbare Scheibe in Form einer Schwenkbewegung auf. Hierzu weist die Taumelscheibe insbesondere eine Aufnahme zum Gleiten auf dem Kugelkopf der Kugelwelle und somit eine bewegliche Aufnahme um alle Achsen auf. Des Weiteren weist die räumlich verstellbare Scheibe eine distalseitige Kugelwelle zum Vorspannen der fixierten Lenkdrähte an der räumlich verstellbaren Scheibe zum Verbinden mit der Hauptwelle und/oder zum Übertragen der Bewegung auf die Hauptwelle auf.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch Lenkdrähte zum Bewegen einer distalseitigen Gelenkmechanik zum Abwinkeln eines distalen Endabschnittes eines medizinischen Instrumentes, wobei die Lenkdrähte an einer räumlich verstellbaren Scheibe mittels eines zuvor beschriebenen Verfahrens befestigt sind.
Somit werden indirekt an einer räumlich verstellbaren Scheibe verbundene Lenkdrähte bereitgestellt, welche im Spannungszustand aufgrund eines Kraftschlusses mittels den Abschlussformen an den proximalen Seiten der Lenkdrähte und dem Einlegebauteil ohne Einschneiden und Setzverhalten verbunden sind. Damit sind diese Lenkdrähte bei Verwenden in einem Schaft in einem medizinischen Instrument für eine stufenlose und sehr flüssige Steuerung der distalen Gelenkmechanik zur Abwinkelung des distalen Endabschnittes des medizinischen Instrumentes geeignet.
Des Weiteren wird ein Schaft mit Lenkdrähten bereitgestellt, wobei die Lenkdrähte nach dem oben beschriebenen Verfahren befestigt sind, welche aufgrund der homogenen indirekten Verbindung und gleichmäßigen, definierten Spannung eine optimal steuerbare Gelenkmechanik im Schaft ermöglichen. Der Schaft ist insbesondere lösbar mit einem Hand- und/oder Halteteil eines medizinischen Instrumentes verbindbar und/oder wiederverwendbar oder für den einmaligen Gebrauch ausgelegt.
In einem zusätzlichen Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein medizinisches Instrument mit einem langgestreckten Schaft, wobei an einem proximalen Ende des Schaftes eine Betätigungseinheit zum Betätigen eines proximalen Antriebes und an einem distalen Ende ein Endabschnitt angeordnet ist, wobei der Endabschnitt mittels einer distalseitigen Gelenkmechanik relativ zur Längsachse des Schaftes abwinkelbar ist, mehrere Lenkdrähte durch den langgestreckten Schaft geführt sind und den proximalseitigen Antrieb mit der distalseitigen Gelenkmechanik verbinden, wobei der proximalseitige Antrieb auf eine räumlich verstellbare Scheibe einwirkbar ist, und jeder Lenkdraht mit seinem proximalen Lenkdrahtende jeweils durch ein Loch mit einem Querschnitt durch eine Dicke der räumlich verstellbaren Scheibe und durch jeweils ein korrespondierendes Loch eines proximalseitig angeordneten Einlegebauteils auf eine proximalen Seite des Einlegebauteils geführt ist und die proximalen Lenkdrahtenden jeweils eine Abschlussform mit einer Abmessung mit einem größeren Querschnitt als die jeweiligen Löcher aufweisen, wobei das Einlegebauteil eine Werkstoffhärte größer/gleich einer Werkstoffhärte der Lenkdrähte aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform des medizinischen Instruments weisen die Lenkdrähte und/oder das Einlegebauteil jeweils eine Nickel-Titan-Legierung auf.
Aufgrund der optimalen Werkstoffpaarung der Lenkdrähte und des Einlegebauteils kann die räumlich verstellbare Scheibe einen rostfreien Stahl, eine rostfreie Stahllegierung, Aluminium und/oder Kunststoff aufweisen.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Roboter mit mindestens einem Roboterarm zum Halten und/oder Positionieren eines medizinischen Instrumentes und/oder mit einem Aktuator zum Ansteuern einer distalseitigen Gelenkmechanik des medizinischen Instruments, wobei das medizinische Instrument ein zuvor beschriebenes medizinisches Instrument ist, sodass das medizinische Instrument mittels des mindestens einen Roboterarms positionierbar und/oder durch Einwirken des Aktuators des Roboters auf den proximalen Antrieb des medizinischen Instruments die distalseitige Gelenkmechanik betätigbar ist.
Somit können die an einer räumlich verstellbaren Scheibe befestigten Lenkdrähte neben einem handgeführten medizinischen Instrument auch in einem robotisch geführten Instrument eingesetzt werden. Hierbei wird durch den Roboter zum einen ein festes Halten des medizinischen Instrumentes am Ende des mindestens einen Roboterarms als auch ein positionsgenaues Ausrichten des medizinischen Instrumentes gewährleistet. Zum anderen kann die Gelenkmechanik und das Abwinkeln des distalen Endabschnittes des medizinischen Instrumentes als Endeffektor sehr genau über eine Eingabeeinrichtung am Roboter geführt werden, beispielsweise mittels eines Joysticks einer Kontrollkonsole und/oder an der Hand befestigten Eingabegriffen des Roboters. Prinzipiell kann der proximale Antrieb des medizinischen Instrumentes auch in dem distalen Ende des Roboterarms angeordnet werden und eine Koppel- und/oder Schnittstelle zwischen dem distalen Ende des Roboterarms und der Halteeinheit des medizinischen Instrumentes entsprechend ausgelegt werden.
Ein „Roboter“ ist insbesondere ein medizinischer und/oder chirurgischer Roboter. Ein Roboter ist insbesondere ein Operationsroboter. Der Roboter ist üblicherweise ein Telemanipulator, welcher auf der einen Seite die Eingabe- und/oder Bedienelemente des Chirurgen verwenden, um das medizinische Instrument als Endeffektor auf der anderen Seite am Ende eines Roboterarms zu steuern. Der Roboter weist bevorzugt mehrere Roboterarme auf, wobei an einem Roboterarm eine Kamera, insbesondere eine dreidimensionale Kamera, angeordnet ist und an dem Roboterarm oder den anderen Roboterarmen ein oder mehrere auswechselbare medizinische Instrumente. Jeder Roboterarm ist insbesondere 3- bis 8-achsig beweglich ausgelegt. Statt einem Roboter mit mehreren Armen können selbstverständlich auch mehrere Roboter mit jeweils einem Arm oder auch nur zwei Armen verwendet werden, welche gemeinsam angesteuert werden. Auch kann die Kamera endoskopisch oder exoskopisch gehalten sein.
Durch eine Koppel- und/oder Schnittstelle zwischen dem Ende des Roboterarms, welcher das medizinische Instrument hält, und dem medizinischen Instrument kann mittels des Aktuators des Roboterarms der proximale Antrieb des medizinischen Instruments betätigt werden. Hierbei kann als Aktuator jegliches antriebstechnische Bauteil oder eine Baueinheit verwendet werden, welche ein elektrisches Signal in eine mechanische Bewegung umsetzt.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

1 eine schematische dreidimensionale Darstellung von befestigten Lenkdrähten an einer Taumelscheibe in proximalseitiger Ansicht sowie in einem Ausschnitt B einen Presskeil an einem Drahtsicherungsring,
2 eine schematische, dreidimensionale Darstellung von befestigten Lenkdrähten an einer Taumelscheibe in distalseitiger Ansicht,
3 ein Fließdiagramm eines Verfahrens zum Befestigen von Lenkdrähten mit zugehörigen Schritten,
4 eine dreidimensionale Darstellung eines Videoendoskops mit einer abwinkelbaren Spitze eines Schaftes, und
5 eine stark schematische Darstellung eines chirurgischen Roboters mit einem an einem Roboterarm befestigten endoskopischen Instrument.

Ein medizinisches Instrument 101 umfasst ein Videoendoskop 127, wobei das Videoendoskop 127 einen Handgriff 133 und einen flexiblen Schaft 129 aufweist. An dem Handgriff 133 sind mehrere Bedienelemente 135 zum Bedienen des Videoendoskopes 127 durch einen Benutzer angeordnet. Des Weiteren ist der Handgriff 133 des Videoendoskops 127 mit einem Versorgungsschlauch 137 verbunden, an dessen Ende ein Stecker 141 angeordnet ist. Der flexible Schaft 129 des Videoendoskops 127 weist eine abwinkelbare Spitze 131 auf, welche mittels einer innenliegenden Gelenkmechanik im Schaft 129 über die Bedienelemente 135 abwinkelbar ist (4).
Eine Gelenkmechanik des Schaftes 129 weist eine innenliegende proximalseitige Gelenkmechanik 103 auf, welche eine Taumelscheibe 109 aus Edelstahl mit einem mittigen Lenkring 111 aufweist, wobei die Taumelscheibe 109 proximalseitig innenliegend mit einer proximalseitigen Kugelwelle 121 verbunden ist. Mittels eines nicht gezeigten Antriebes wird über die proximalseitige Kugelwelle 121 der Taumelscheibe 109 eine Schwenkbewegung aufgeprägt. Des Weiteren weist die Gelenkmechanik zehn Lenkdrähte 105 aus Nitinol auf, welche innenliegend im Bereich der abwinkelbaren Spitze 131 distalseitig befestigt sind und gespannt durch den Schaft 129 zum gegenüberliegenden proximalseitigen Ende des Schafts 129 zur proximalseitigen Gelenkmechanik 103 geführt sind.
Proximalseitig sind die Lenkdrähte 105 gleichmäßig radial umlaufend verteilt durch nicht in 1 sichtbare Löcher durch die Taumelscheibe 109 mit integriertem Lenkring 111 und einem proximalseitig direkt an der Taumelscheibe 109 anliegenden gehärteten Drahtsicherungsring 115 durch ebenfalls nicht sichtbare korrespondierende Löcher geführt. Die auf der proximalseitigen Stirnfläche des Drahtsicherungsrings 115 geführten Lenkdrahtenden weisen jeweils einen Presskeil 117 als Abschlussform auf. Beim Spannen der Lenkdrähte 105 werden die Presskeile 117 als proximale Abschlussformen der Lenkdrähte 105 gegen die proximalseitige Stirnfläche des Drahtsicherungsrings 115 gezogen, wobei aufgrund eines größeren Querschnitts der Presskeile 117 als der Querschnitt des jeweiligen korrespondierenden Loches in dem Drahtsicherungsring 115 ein Verschieben des jeweiligen Presskeils 117 in distaler Richtung verhindert wird. Dadurch wird eine Schwenkbewegung, welche der Taumelscheibe 109 zum Abwinkeln der distalen, abwinkelbaren Spitze 131 aufgeprägt wird, auf eine nicht in 1 gezeigte distalseitige Gelenkmechanik im Bereich der abwinkelbaren Spitze 131 mittels der gespannten Lenkdrähte 105 sehr feingliedrig übertragen.
Zum Befestigen der Lenkdrähte 105 aus Nitinol an dem gehärteten Drahtsicherungsring 115 aus Edelstahl und somit indirekt an der Taumelscheibe 109 werden in einem Verfahren 201 zum Befestigen von Lenkdrähten 105 folgende Arbeitsschritte durchgeführt (siehe 3):
Der Drahtsicherungsring 115 wird als Einlegebauteil an der proximalen Stirnseite der Taumelscheibe 109 angelegt und somit montiert (Schritt 203), wobei die zugehörigen Löcher der Taumelscheibe 109 und die korrespondierenden Löcher des Drahtsicherungsrings 115 jeweils fluchtend durchgängig sind. Die jeweiligen proximalen Lenkdrahtenden der Lenkdrähte 105 werden durch die Löcher der Taumelscheibe 109 mit Lenkring 111 und die korrespondierenden Löcher des Drahtsicherungsrings 115 durchgeführt, sodass die Lenkdrahtenden proximalseitig an der proximalen Seite des Drahtsicherungsrings 115 überstehen (Schritt 205). Anschließend werden die proximalseitigen Lenkdrahtenden der Lenkdrähte 105 mittels eines Presswerkzeuges umgeformt (Schritt 207), wobei das Presswerkzeug am äußeren proximalen Ende des jeweiligen Lenkdrahtendes eine größere Presskraft aufbringt, sodass jeweils der im Ausschnitt B der 1 in Vergrößerung gezeigte Presskeil 117 als Abschlussform entsteht. Nach Spannen der Lenkdrähte 105 liegt das distale Ende jedes Presskeils 117 an der proximalen Seite des Drahtsicherungsrings 115 an.
Optional erfolgt bei Verwendung von mehreren Einlegebauteilen das Anlegen 203 des jeweiligen Einlegebauteils und das Durchführen 205 von Drahtenden sowie das Umformen 207 von Drahtenden nacheinander, sodass ein Wiederholen 209 der Schritte 203, 205 und 207 für jedes Einlegebauteil und den zugehörigen Lenkdrähten erfolgt.
Ebenso werden optional zunächst ein Einlegebauteil angeordnet (Schritt 203) und die Schritte des Durchführens 205 eines Lenkdrahtendes und des Umformens 207 eines Lenkdrahtendes direkt nacheinander durchgeführt, bevor der nächste Lenkdraht durchgeführt (Schritt 205) und das entsprechende Lenkdrahtende umgeformt (Schritt 207) wird. Somit werden in diesem Fall die Schritte 205 und 207 nacheinander durchgeführt und anschließend für jeden nächsten Lenkdraht wiederholt (Schritt 209).
In einer Alternative, welche in 2 in distalseitiger Ansicht einer proximalseitigen Gelenkmechanik 103 gezeigt ist, weist eine Taumelscheibe 109 eine distalseitige Kugelwelle 123 zum Vorspannen und zum Verbinden mit einer nicht gezeigten Hauptwelle sowie eine proximalseitige Kugelwelle 121 auf. Wie oben beschrieben, weist die Taumelscheibe im Weiteren einen mittig liegenden Lenkring 111, Löcher 113 für jeden der zehn Lenkdrähte 105 aus Nitinol und proximalseitig den Drahtsicherungsring 115 auf. Am proximalen Ende der Lenkdrähte 105 sind diese jeweils mit einem Hülsenpresskeil 119 gesichert. Zum Fertigen des jeweiligen Hülsenpresskeils 119 wurde eine gehärtete Hülse auf das jeweilige proximale Lenkdrahtende aufgesetzt und mittels des Presswerkzeugs zusammen mit dem Lenkdrahtende umgeformt (siehe 2).
In einer Alternative des medizinischen Instrumentes ist ein endoskopischen Instrumentes 301 als Endeffektor eines chirurgischen Roboters 341 ausgebildet. Der chirurgische Roboter 341 weist einen Standfuß 347 mit vier Roboterarmen auf, wobei in 5 nur der eine Roboterarm 343 gezeigt ist, welcher das endoskopischen Instrumentes 301 hält. Die in 1 gezeigte, proximalseitige Gelenkmechanik 103 ist in einem Schaft 329 des endoskopischen Instrumentes 301 angeordnet, wobei das endoskopische Instrument 301 an seinem distalen Ende eine abwinkelbare Spitze 331 mit einem endständigen Maulwerkzeug 335 aufweist (das Maulwerkzeug 335 ist in 5 vergrößert und nicht maßstabsgerecht dargestellt). Am proximalen Ende des Schaftes 329 weist das endoskopische Instrument 301 eine Halteeinheit 333 auf, welche am Ende eines Roboterarms 343 des chirurgischen Roboters 341 gehalten wird. Zwischen der Halteeinheit 333 des endoskopischen Instruments 301 und dem Ende des Roboterarms 334 ist zur Koppelung eine Schnittstelle 345 angeordnet, an welcher über einen in 5 nicht gezeigten, innenliegenden Aktuator des chirurgischen Roboters 341 ein ebenfalls innenliegender proximaler Antrieb des endoskopischen Instruments 301 betätigt wird. Dadurch wird über die proximalseitige Kugelwelle 121 eine Schwenkbewegung der Taumelscheibe 109 aufgeprägt wird, wobei aufgrund der Verbindung der Lenkdrähte 105 an dem proximalseitig zur Taumelscheibe 109 angeordneten Drahtsicherungsring 115 mittels der Presskeile 117 und dem Spannungszustand der Lenkdrähte 105 die induzierte Schwenkbewegung auf die abwinkelbare Spitze 331 in eine entsprechende Abwinkelungsbewegung übertragen wird.
Somit wird ein medizinisches Instrument 101 mit einem Videoendoskop 127 sowie ein chirurgischer Roboter 341 mit einem endoskopischen Instrument 301 bereitgestellt, bei dem durch Umformen der proximalen Lenkdrahtenden der Lenkdrähte 105 zu endständigen Abschlussformen 117, 119 eine stufenlose, homogene und flüssige Bewegung der jeweiligen abwinkelbaren Spitze 131, 331 bewirkt wird.
Bezugszeichenliste

101: Medizinisches Instrument
103: proximalseitige Gelenkmechanik
105: Lenkdraht
109: Taumelscheibe
111: Lenkring
113: Loch
115: Drahtsicherungsring
117: Presskeil
119: Hülsenpresskeil
121: Proximalseitige Kugelwelle
123: Distalseitige Kugelwelle
127: Videoendoskop
129: Schaft
131: abwinkelbare Spitze
133: Handgriff
135: Bedienelemente
137: Versorgungsschlauch
141: Stecker
201: Verfahren zum Befestigen von Lenkdrähten
203: Anordnen des Einlegebauteils
205: Durchführen von Lenkdrahtenden
207: Umformen von Lenkdrahtenden
209: Wiederholen
301: Endoskopisches Instrument
329: Schaft
331: abwinkelbare Spitze
333: Halteeinheit
335: Maulwerkzeug
341: Chirurgischer Roboter
343: Roboterarm
345: Schnittstelle
347: Standfuß

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2017/0281296 A1 [0003]

Claims

Verfahren (201) zum Umformen und/oder zum Befestigen von Lenkdrähten (105) an einer räumlich verstellbaren Scheibe (109), wobei mittels der Lenkdrähte (105) eine distalseitige Gelenkmechanik zum Abwinkeln eines distalen Endabschnittes (131, 331) eines medizinischen Instrumentes (101, 301) bewegbar ist, die Lenkdrähte (105) eine Werkstoffhärte aufweisen und die räumlich verstellbare Scheibe (109) für jeden Lenkdraht (105) ein Loch (113) mit einem Querschnitt durch eine Dicke der räumlich verstellbaren Scheibe (109) aufweist, mittels eines Einlegebauteils (115) mit folgenden Schritten: - Anordnen (203) des Einlegebauteils (115) auf einer proximalen Seite der räumlich verstellbaren Scheibe (109), wobei das Einlegebauteil (115) korrespondierende Löcher zu den Löchern der räumlich verstellbaren Scheibe (109) und eine Werkstoffhärte gleich oder größer der Werkstoffhärte der Lenkdrähte (105) aufweist, - Durchführen (205) der Lenkdrähte (105) mit einem jeweiligen Lenkdrahtende durch das jeweilige Loch (113) der räumlich verstellbaren Scheibe (109) und das korrespondierende Loch des Einlegebauteils (115), sodass die jeweiligen durchgeführten Lenkdrahtenden an einer proximalen Seite des Einlegebauteils (115) überstehen, - Umformen (207) der Lenkdrahtenden mittels eines Umformwerkzeuges derart, dass die Lenkdrahtenden jeweils eine Abschlussform (117, 119) mit einer Abmessung mit einem größeren Querschnitt als den Querschnitt des jeweiligen Loches (113) aufweist und somit die Lenkdrähte (105) an der räumlich verstellbaren Scheibe (109) befestigt sind.
Verfahren (201) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Material des Einlegebauteils (115) ein gehärtetes Metall, eine gehärtete Metalllegierung, ein Hartmetall und/oder ein keramischer Werkstoff verwendet wird.
Verfahren (201) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Material der Lenkdrähte (105) und/oder des Einlegebauteils (115) jeweils eine Nickel-Titan-Legierung verwendet wird.
Verfahren (201) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein einteiliges oder mehrteiliges Einlegebauteil (115) verwendet wird.
Verfahren (201) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das als Einlegebauteil ein Ring (115) verwendet wird.
Verfahren (201) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen (207) der jeweiligen Lenkdrahtenden in die jeweilige Abschlussform (117, 119) in Form eines Keils, eines Würfels, eines Quaders, eines Trapezes, einer Kugel, eines Kegels, eines Zylinders und/oder einer Pyramide, erfolgt.
Verfahren (201) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alternativ zum Umformen auf das jeweilige Lenkdrahtende eine Hülse geklemmt wird.
Verfahren (201) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ergänzend vor dem Umformen (207) auf den jeweilige Lenkdraht eine Hülse aufgesetzt wird, wobei die Hülse nach dem Umformen das Lenkdrahtende ausbildet.
Verfahren (201) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Material der räumlich verstellbaren Scheibe (109) rostfreier Stahl, rostfreie Stahllegierung, Aluminium und/oder Kunststoff verwendet wird.
Verfahren (201) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Umformen (207) die räumlich verstellbare Scheibe (109) mit einer distalseitigen Kugelwelle (123) in eine Hauptwelle der proximalseitigen Gelenkmechanik (103) eingeschoben wird und nach Umformen (207) der Lenkdrahtenden zum Vorspannen der befestigten Lenkdrähte (105) die räumlich verstellbare Scheibe (109) mit der distalseitigen Kugelwelle (123) teilweise aus der Hauptwelle in proximaler Richtung gezogen wird.
Lenkdrähte (105) zum Bewegen einer distalseitigen Gelenkmechanik zum Abwinkeln eines distalen Endabschnittes (131, 331) eines medizinischen Instrumentes (101, 301), dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkdrähte (105) an einer räumlich verstellbaren Scheibe (109) mittels eines Verfahrens (201) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 befestigt sind.
Medizinisches Instrument (101, 301) mit einem langgestreckten Schaft (129, 329), wobei an einem proximalen Ende des Schaftes (129, 329) eine Betätigungseinheit (135) zum Betätigen eines proximalen Antriebes und an einem distalen Ende ein Endabschnitt (131, 331) angeordnet ist, wobei der Endabschnitt (131, 331 mittels einer distalseitigen Gelenkmechanik relativ zur Längsachse des Schaftes (129, 329) abwinkelbar ist, mehrere Lenkdrähte (105) durch den langgestreckten Schaft (129, 329) geführt sind und den proximalseitigen Antrieb mit der distalseitigen Gelenkmechanik verbinden, wobei der proximalseitige Antrieb auf eine räumlich verstellbare Scheibe (109) einwirkbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Lenkdraht (105) mit seinem proximalen Lenkdrahtende jeweils durch ein Loch (113) mit einem Querschnitt durch eine Dicke der räumlich verstellbaren Scheibe (109) und durch jeweils ein korrespondierende Loch eines proximalseitig angeordneten Einlegebauteils (115) auf eine proximale Seite des Einlegebauteils (115) geführt ist und die proximalen Lenkdrahtenden jeweils eine Abschlussform (117, 119) mit einer Abmessung mit einem größeren Querschnitt als das jeweilige Loch (113) aufweisen, wobei das Einlegebauteil eine Werkstoffhärte größer gleich einer Werkstoffhärte der Lenkdrähte aufweist.
Medizinisches Instrument (101, 301) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lenkdrähte (105) und/oder das Einlegebauteil (115) jeweils eine Nickel-Titan-Legierung aufweisen.
Medizinisches Instrument (101, 301) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die räumlich verstellbare Scheibe (109) einen rostfreien Stahl, eine rostfreie Stahllegierung, Aluminium und/oder Kunststoff aufweist.
Roboter (341) mit mindestens einem Roboterarm (343) zum Halten und/oder Positionieren eines medizinischen Instrumentes und/oder mit einem Aktuator zum Ansteuern einer distalseitigen Gelenkmechanik des medizinischen Instrumentes, dadurch gekennzeichnet, dass das medizinische Instrument ein medizinisches Instrument (101, 301) nach einem der Ansprüche 12 bis 14 ist, sodass das medizinische Instrument (101, 301) mittels des mindestens einen Roboterarms (343) positionierbar und/oder durch Einwirken des Aktuators des Roboters (341) auf den proximalen Antrieb des medizinischen Instrumentes (101, 301) die distalseitige Gelenkmechanik betätigbar ist.