DE102021127102A1 - medical system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein medizinisches System für die Durchführung von autonomen und/oder ferngesteuerten Operationen am Patienten mittels Robotertechnik.The invention relates to a medical system for performing autonomous and/or remote-controlled operations on patients using robot technology.

Description

Die Erfindung betrifft ein medizinisches System für die Durchführung von autonomen und/oder ferngesteuerten Operationen am Patienten mittels Robotertechnik. Medizinische Operationen und Interventionen mittels Roboter gewinnen zunehmend an Bedeutung in der Chirurgie oder allgemein in bildgeführten interventionellen Prozeduren. Am meisten verbreitet sind bisher teilautomatisierte Systeme, das heißt von der Funktion her Telemanipulatoren, welche von einem Arzt aus einem Nachbarraum ferngesteuert werden. Eine große Schwäche dieser Systeme ist die Einschränkung der Visualisierung ausschließlich auf das Operationsfeld unter Einsatz von Endoskopen. Diese Systeme erlauben es nicht, Risikostrukturen unterhalb der Operationsebene sichtbar zu machen. Wünschenswert wäre daher eine bessere Bildgebung z.B. mittels Magnetresonanztomographie (MRT). Solche bildgebenden Systeme können aber aufgrund der Bauart herkömmlicher Roboter nicht in das System integriert werden.The invention relates to a medical system for performing autonomous and/or remote-controlled operations on patients using robot technology. Medical operations and interventions using robots are becoming increasingly important in surgery or in general in image-guided interventional procedures. So far, partially automated systems have been most widespread, ie telemanipulators in terms of function, which are remotely controlled by a doctor from a neighboring room. A major weakness of these systems is the restriction of visualization to the surgical field using endoscopes. These systems do not allow risk structures to be made visible below the operational level. Better imaging, e.g. by means of magnetic resonance imaging (MRI), would therefore be desirable. However, due to the design of conventional robots, such imaging systems cannot be integrated into the system.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes medizinisches System für Operationen am Patienten mittels Robotertechnik anzugeben.The invention is therefore based on the object of specifying an improved medical system for operations on patients using robot technology.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein medizinisches System mit zumindest den folgenden Merkmalen:

  1. a) ein Magnetresonanztomografie (MRT)-System mit einer Untersuchungsröhre, in der ein Patient vollständig oder zumindest mit einem wesentlichen oder dem überwiegenden Teil seines Körpers platzierbar ist,
  2. b) ein mit der MRT-Bildgebung kompatibler Roboter, durch den die MRT-Bildgebung zumindest im Wesentlichen nicht gestört wird,
  3. c) ein automatisiertes Steuersystem zur Steuerung des Roboters, das zum Durchführen von autonomen und/oder ferngesteuerten Operationen am Patienten eingerichtet ist, wobei dem Steuersystem intraoperativ in Echtzeit Bilder der MRT-Bildgebung zugeführt sind, wobei das Steuersystem dazu eingerichtet ist, den Roboter bei der Durchführung der autonomen und/oder ferngesteuerten Operationen in Abhängigkeit der Bilder der MRT-Bildgebung zu steuern.
This task is solved by a medical system with at least the following features:
  1. a) a magnetic resonance tomography (MRI) system with an examination tube in which a patient can be placed completely or at least with a substantial or the majority of his body,
  2. b) a robot that is compatible with MRI imaging and that does not interfere with the MRI imaging, at least substantially,
  3. c) an automated control system for controlling the robot, which is set up to carry out autonomous and/or remote-controlled operations on the patient, the control system being fed intraoperatively in real time with images of the MRT imaging, the control system being set up to guide the robot during the To control implementation of the autonomous and / or remote-controlled operations depending on the images of the MRI imaging.

Im Unterschied zu den erwähnten Telemanipulatoren erlaubt das erfindungsgemäße medizinische System somit einer Ausgestaltung die autonome Durchführung von Operationen am Patienten, das heißt ohne permanente Fernsteuerung durch den Arzt. Hierfür wird ein vorteilhafter mit der MRT-Bildgebung kompatibler Roboter vorgeschlagen, durch den die MRT-Bildgebung zumindest im Wesentlichen nicht gestört wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Roboter zudem derart ausgestaltet, dass er auch hinsichtlich möglicher Störeinflüsse durch die Magnetfelder des MRT-Systems kompatibel ist, das heißt, dass der Roboter selbst auch nicht durch das MRT in seiner Funktion beeinträchtigt wird. Beispielsweise kann der Roboter zumindest in den Bereichen, die am und im MRT-System angeordnet sind, nicht magnetisch und/oder nicht metallisch sein. Insbesondere kann der Roboter auch ohne Elektroantrieb in diesem Bereich ausgebildet sein, z.B. stattdessen mit einem hydraulisch und/oder pneumatisch betriebenen Antriebssystem ausgestaltet sein.In contrast to the telemanipulators mentioned, the medical system according to the invention thus allows an embodiment to carry out operations on the patient autonomously, ie without permanent remote control by the doctor. For this purpose, an advantageous robot that is compatible with MRT imaging is proposed, through which the MRT imaging is at least essentially not disturbed. In an advantageous embodiment, the robot is also designed in such a way that it is also compatible with regard to possible interference from the magnetic fields of the MRT system, which means that the robot itself is not impaired in its function by the MRT either. For example, the robot can be non-magnetic and/or non-metallic, at least in the areas that are arranged on and in the MRT system. In particular, the robot can also be designed without an electric drive in this area, e.g. instead be equipped with a hydraulically and/or pneumatically operated drive system.

Das erfindungsgemäße medizinische System erlaubt auch ferngesteuerte Operationen unter Nutzung der Robotertechnik, z.B. im Sinne einer Telemanipulation. Auch eine Kombination ist möglich, z.B. die autonome Durchführung bestimmter Operationsschritte und die ferngesteuerte Durchführung anderer Operationsschritte. In diesem Sinne kann das automatisierte Steuersystem zur Steuerung des Roboters je nach Anwendungsfall vollautomatisiert oder teilautomatisiert arbeiten. Hierbei bleiben die zuvor erläuterten Vorteile des Systems erhalten, wie z.B. die Operation mit MRT-Visualisierung mit Sichtbarkeit von Risikostrukturen.The medical system according to the invention also allows remote-controlled operations using robot technology, e.g. in the sense of telemanipulation. A combination is also possible, e.g. the autonomous execution of certain surgical steps and the remote-controlled execution of other surgical steps. In this sense, the automated control system for controlling the robot can work in a fully automated or partially automated manner, depending on the application. The previously explained advantages of the system are retained, such as the operation with MRT visualization with visibility of risk structures.

Die Untersuchungsröhre des MRT-Systems ist aufgrund der MRT-Technologie als eine umfangsseitig im Wesentlichen geschlossen ausgebildete Untersuchungsröhre ausgebildet, um ein gleichmäßiges Magnetfeld zu gewährleisten. Die Untersuchungsröhre kann insbesondere hinsichtlich ihrer Innenseite, in der der Patient zu platzieren ist, als zylindrische Röhre ausgebildet sein.Due to MRT technology, the examination tube of the MRT system is designed as an examination tube that is essentially closed on the peripheral side in order to ensure a uniform magnetic field. The examination tube can be designed as a cylindrical tube, in particular with regard to its inside, in which the patient is to be placed.

Das automatisierte Steuersystem dient zur Steuerung des Roboters abhängig von den Bildern der MRT-Bildgebung. Die Funktion des Steuersystems kann z.B. mittels eines intraoperativen Realtime Imaging auf Basis der MRT-Bilder gesteuert werden. Dabei können z.B. durch Künstliche-Intelligenz-Funktionen (KI) die Bilder ausgewertet werden und Zielstrukturen am Patienten erkannt werden, die Gegenstand der Operation sein sollen. Auch nach einer Verlagerung solcher Strukturen beispielsweise durch operative Manipulation können die Strukturen wieder automatisch identifiziert werden.The automated control system is used to control the robot depending on the images of the MRI imaging. The function of the control system can be controlled, for example, by means of intraoperative real-time imaging based on the MRT images. For example, artificial intelligence (AI) functions can be used to evaluate the images and identify target structures on the patient that are to be the subject of the operation. Even after such structures have been relocated, for example as a result of operational manipulation, the structures can be automatically identified again.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die im Übrigen umfangseitig geschlossen ausgebildete Untersuchungsröhre eine oder mehrere umfangseitige Durchgangsöffnungen hat, durch die jeweils ein Roboterarm des Roboters durchführbar ist, wobei das Steuersystem dazu eingerichtet ist, bei der Durchführung der autonomen und/oder ferngesteuerten Operationen am Patienten mittels eines oder mehrerer Roboterarme des Roboters durch eine oder mehrere Durchgangsöffnungen hindurch automatisiert Manipulationen am Patienten durchzuführen. Vorteilhafterweise wird somit eine besondere Gestaltung des MRT-Systems vorgeschlagen, bei dem die erwähnten umfangsseitigen Durchgangsöffnungen im ansonsten geschlossenen Mantel der Untersuchungsröhre vorhanden sind. Dabei sind die Spulen und Magnete des MRT-Systems derart gestaltet und angeordnet, dass innerhalb der Untersuchungsröhre, wo der Patient zu platzieren ist, dennoch die für eine gute Bildgebung erforderliche hohe Homogenität des Magnetfeldes vorhanden ist.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the examination tube, which is otherwise closed on the circumference, has one or more passage openings on the circumference, through which a robot arm of the robot can be passed, wherein the control system is set up to carry out the autonomous and/or remote-controlled Operations on the patient by means of one or more robotic arms of the robot to carry out automated manipulations on the patient through one or more passage openings. Advantageously, a special design of the MRT system is thus proposed, in which the peripheral through-openings mentioned are present in the otherwise closed jacket of the examination tube. The coils and magnets of the MRT system are designed and arranged in such a way that the high degree of homogeneity of the magnetic field required for good imaging is nevertheless present within the examination tube where the patient is to be placed.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest diejenigen Teile des Antriebssystems des Roboters, die sich in der Untersuchungsröhre befinden, nichtelektrische und nichtmagnetische Komponenten sind, wie z.B. hydraulische und/oder pneumatisch Komponenten und/oder Seilzüge. So kann der Roboter z.B. ein hydraulisch und/oder pneumatisch betriebenes Antriebssystem und/oder ein mit Seilzügen betriebenes Antriebssystem zur Betätigung eines oder mehrerer Roboterarme des Roboters haben. Hierdurch kann der Roboter MRTkompatibel gestaltet werden.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that at least those parts of the robot's drive system that are located in the examination tube are non-electrical and non-magnetic components, such as hydraulic and/or pneumatic components and/or cable pulls. For example, the robot can have a hydraulically and/or pneumatically operated drive system and/or a cable-operated drive system for actuating one or more robotic arms of the robot. As a result, the robot can be designed to be MRI-compatible.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Steuersystem dazu eingerichtet ist, Bilder der MRT-Bildgebung mittels wenigstens einer Künstliche-Intelligenz-Funktion auszuwerten und hierdurch bestimmte Zielstrukturen am Patienten zu erkennen. Die Künstliche-Intelligenz-Funktion kann z.B. einen oder mehrere der folgenden Algorithmen enthalten: Random Forest, Support Vector Machine, Multi-Layer Perceptron, Convolutional Neural Network, Recurrent Neural Network, Deep Learning.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the control system is set up to evaluate images of the MRT imaging using at least one artificial intelligence function and thereby to recognize specific target structures on the patient. For example, the artificial intelligence function may include one or more of the following algorithms: Random Forest, Support Vector Machine, Multi-Layer Perceptron, Convolutional Neural Network, Recurrent Neural Network, Deep Learning.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Roboter als mehrarmiger Roboter oder als Anordnung mehrerer Roboter mit wenigstens zwei vom Steuersystem steuerbaren Roboterarmen ausgebildet ist.According to an advantageous embodiment of the invention, it is provided that the robot is designed as a multi-armed robot or as an arrangement of several robots with at least two robot arms that can be controlled by the control system.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendungen von Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments using drawings.

Es zeigen

  • 1 ein medizinisches System mit einem MRT-System in seitlicher Schnittdarstellung,
  • 2 das medizinische System gemäß 1 in einer Ansicht in Längsrichtung der Untersuchungsröhre.
Show it
  • 1 a medical system with an MRI system in a side sectional view,
  • 2 according to the medical system 1 in a longitudinal view of the examination tube.

Die 1 zeigt ein medizinisches System 1, das ein MRT-System 2 aufweist. Das MRT-System 2 weist eine Untersuchungsröhre 3 auf, die tunnelförmig mit einem Innenraum 4 gestaltet ist. Im Innenraum 4 kann ein Patient 5 zumindest mit einem wesentlichen oder dem überwiegenden Teil seines Körpers platziert werden, z.B. auf einer Liege 6. Die Untersuchungsröhre 3 ist über Leitungen 7 mit einer MRT-Steuereinheit 8 verbunden. Die MRT-Steuereinheit 8 steuert die Untersuchungsröhre 3 zur Erzeugung der notwendigen Magnetfelder an und empfängt über die Leitungen 7 erfasste Signale, die in der MRT-Steuereinheit 8 zu Bildern der MRT-Bildgebung verarbeitet werden. Die Bilder können z.B. auf einem Bildschirm 9 angezeigt werden.The 1 1 shows a medical system 1 which has an MRT system 2 . The MRT system 2 has an examination tube 3 which is designed in the form of a tunnel with an interior 4 . A patient 5 can be placed in the interior 4 with at least a substantial part or the majority of his body, for example on a bed 6 . The examination tube 3 is connected to an MRT control unit 8 via lines 7 . The MRT control unit 8 controls the examination tube 3 to generate the necessary magnetic fields and receives detected signals via the lines 7, which are processed in the MRT control unit 8 to form MRT imaging images. The images can be displayed on a screen 9, for example.

Die MRT-Steuereinheit 8 ist zudem mit einem automatisierten Steuersystem 10 zur Steuerung eines Roboters 11 verbunden. Dem Steuersystem 10 werden von der MRT-Steuereinheit 8 in Echtzeit die Bilder der MRT-Bildgebung zugeführt. Diese Bilder werden in dem Steuersystem 10 ausgewertet und hierdurch werden bestimmte Zielstrukturen am Patienten 5 erkannt, an denen eine Operation mittels des Roboters 11 autonom und/oder ferngesteuert durchgeführt werden soll. Hierfür steuert das Steuersystem 10 den Roboterarm 12 des Roboters 11 an.The MRT control unit 8 is also connected to an automated control system 10 for controlling a robot 11 . The MRT control unit 8 supplies the control system 10 with the images of the MRT imaging in real time. These images are evaluated in the control system 10 and as a result specific target structures on the patient 5 are identified, on which an operation is to be carried out autonomously and/or remotely by means of the robot 11 . For this purpose, the control system 10 controls the robot arm 12 of the robot 11 .

Die Untersuchungsröhre 3 ist im Wesentlichen vergleichbar aufgebaut wie eine konventionelle Untersuchungsröhre eines Magnetresonanztomographen, z.B. mit einer Gradientenspule in der Nähe des Innenumfangs der Untersuchungsröhre, mehreren die Gradientenspule umgebenden Magneten sowie eine z.B. innerhalb der Gradientenspule angeordnete Radiofrequenzantenne oder Radiofrequenzspule. Die Gradientenspule sorgt dabei für homogenes Magnetfeld. Mittels der Radiofrequenzantenne oder Radiofrequenzspule werden Radiowellen ausgestrahlt, die eine Anregung der Wasserstoffatome im Patienten verursachen. Zudem kann eine zusätzliche Spule in Form einer Scannerspule vorhanden sein, die ein induziertes Signal vom Patienten aufnimmt, das dann von der MRT-Steuereinheit 8 zu den MRT-Bilddaten verarbeitet werden kann.The examination tube 3 is essentially constructed in a similar way to a conventional examination tube of a magnetic resonance tomograph, e.g. with a gradient coil near the inner circumference of the examination tube, several magnets surrounding the gradient coil and a radio frequency antenna or radio frequency coil arranged e.g. inside the gradient coil. The gradient coil ensures a homogeneous magnetic field. The radio frequency antenna or radio frequency coil emits radio waves that excite the hydrogen atoms in the patient. In addition, an additional coil in the form of a scanner coil can be present, which picks up an induced signal from the patient, which can then be processed by the MRT control unit 8 to form the MRT image data.

Im Unterschied zu einem konventionellen MRT-System hat das in 1 dargestellte MRT-System 2 eine Untersuchungsröhre 3, bei der eine oder mehrere umfangseitige Durchgangsöffnungen 13 vorhanden sind, die von der Außenseite zur Innenseite der Untersuchungsröhre 3 führen, das heißt den Mantel vollständig durchdringen. Durch solche Durchgangsöffnungen 13 kann jeweils ein Roboterarm 12 geführt werden, so dass ein mit seinem Antriebsmechanismus außerhalb der Untersuchungsröhre platzierter Roboter 11 mit dem Roboterarm 12 durch eine solche Durchgangsöffnung 13 hindurchgreifen kann und Manipulationen am Patienten 5 durchführen kann.In contrast to a conventional MRI system, the in 1 The MRT system 2 shown has an examination tube 3 in which there are one or more peripheral through-openings 13 which lead from the outside to the inside of the examination tube 3, that is to say completely penetrate the jacket. A robot arm 12 can be guided through such passage openings 13 so that a robot 11 placed with its drive mechanism outside the examination tube can reach through such a passage opening 13 with the robot arm 12 and carry out manipulations on the patient 5 .

Die 2 zeigt beispielhaft die Durchführung einer autonomen und/oder ferngesteuerten Operation am Patienten 5, der sich innerhalb der Untersuchungsröhre 3 befindet. Es sind in diesem Fall zwei Roboter 11 im Einsatz, die jeweils mit ihren Roboterarmen 12 durch Durchgangsöffnungen 13 im Mantel der Untersuchungsröhre 3 hindurchgreifen und beispielsweise eine Darmoperation durchführen. Um für das Steuersystem 10 fest definierte, unveränderliche Betriebsparameter der Roboter 11 zu garantieren, können die Roboter 11 zusammen mit der Untersuchungsröhre 3 auf einer gemeinsamen Plattform 14 fest montiert sein, so dass sich die Positionen dieser Elemente zueinander während der Durchführung einer Operation nicht verändern.The 2 shows an example of the implementation of an autonomous and / or remote-controlled operation on the patient 5, which is within the investigation tion tube 3 is located. In this case, two robots 11 are used, each of which reaches through openings 13 in the casing of the examination tube 3 with their robotic arms 12 and, for example, performs an intestinal operation. In order to guarantee firmly defined, unchangeable operating parameters of the robots 11 for the control system 10, the robots 11 can be permanently mounted together with the examination tube 3 on a common platform 14, so that the positions of these elements relative to one another do not change while an operation is being carried out.

Claims (5)

Medizinisches System (1) mit zumindest den folgenden Merkmalen: a) ein Magnetresonanztomografie (MRT)-System (2) mit einer Untersuchungsröhre (3), in der ein Patient (5) vollständig oder zumindest mit einem wesentlichen oder dem überwiegenden Teil seines Körpers platzierbar ist, b) ein mit der MRT-Bildgebung kompatibler Roboter (11), durch den die MRT-Bildgebung zumindest im Wesentlichen nicht gestört wird, c) ein automatisiertes Steuersystem (10) zur Steuerung des Roboters (11), das zum Durchführen von autonomen und/oder ferngesteuerten Operationen am Patienten (5) eingerichtet ist, wobei dem Steuersystem (10) intraoperativ in Echtzeit Bilder der MRT-Bildgebung zugeführt sind, wobei das Steuersystem (10) dazu eingerichtet ist, den Roboter (11) bei der Durchführung der autonomen und/oder ferngesteuerten Operationen in Abhängigkeit der Bilder der MRT-Bildgebung zu steuern.Medical system (1) with at least the following features: a) a magnetic resonance tomography (MRT) system (2) with an examination tube (3) in which a patient (5) can be placed completely or at least with a substantial or the majority of his body, b) a robot (11) that is compatible with MRT imaging and by which the MRT imaging is at least essentially not disturbed, c) an automated control system (10) for controlling the robot (11), which is set up to carry out autonomous and/or remote-controlled operations on the patient (5), the control system (10) being supplied intraoperatively with real-time MRI images , The control system (10) being set up to control the robot (11) when carrying out the autonomous and/or remote-controlled operations as a function of the images of the MRT imaging. Medizinisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Übrigen umfangseitig geschlossen ausgebildete Untersuchungsröhre (3) eine oder mehrere umfangseitige Durchgangsöffnungen (13) hat, durch die jeweils ein Roboterarm (12) des Roboters (11) durchführbar ist, wobei das Steuersystem (10) dazu eingerichtet ist, bei der Durchführung der autonomen und/oder ferngesteuerten Operationen am Patienten (5) mittels eines oder mehrerer Roboterarme (12) des Roboters (11) durch eine oder mehrere Durchgangsöffnungen (13) hindurch automatisiert Manipulationen am Patienten (5) durchzuführen.Medical system after claim 1 , characterized in that the examination tube (3), which is otherwise closed on the circumference, has one or more passage openings (13) on the circumference, through which a robot arm (12) of the robot (11) can be passed, the control system (10) being set up for this to carry out automated manipulations on the patient (5) through one or more passage openings (13) when carrying out the autonomous and/or remote-controlled operations on the patient (5) by means of one or more robot arms (12) of the robot (11). Medizinisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest diejenigen Teile des Antriebssystems des Roboters (11), die sich in der Untersuchungsröhre (3) befinden, nichtelektrische und nichtmagnetische Komponenten sind, wie z.B. hydraulische und/oder pneumatisch Komponenten und/oder Seilzüge.Medical system according to one of the preceding claims, characterized in that at least those parts of the drive system of the robot (11) that are located in the examination tube (3) are non-electrical and non-magnetic components, such as hydraulic and/or pneumatic components and/or cables. Medizinisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersystem (10) dazu eingerichtet ist, Bilder der MRT-Bildgebung mittels wenigstens einer Künstliche-Intelligenz-Funktion auszuwerten und hierdurch bestimmte Zielstrukturen am Patienten (5) zu erkennen.Medical system according to one of the preceding claims, characterized in that the control system (10) is set up to evaluate images of the MRT imaging using at least one artificial intelligence function and thereby recognize specific target structures on the patient (5). Medizinisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roboter (11) als mehrarmiger Roboter oder als Anordnung mehrerer Roboter mit wenigstens zwei vom Steuersystem (10) steuerbaren Roboterarmen (12) ausgebildet ist.Medical system according to one of the preceding claims, characterized in that the robot (11) is designed as a multi-armed robot or as an arrangement of several robots with at least two robot arms (12) controllable by the control system (10).
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