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Die Erfindung betrifft ein Chirurgiesystem für die minimalinvasive robotische Chirurgie.
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In der Endoskopie, insbesondere der Ureteroskopie (endoskopische Eingriffe in Harnröhre, Blase, Harnleiter und Niere) werden Endoskope eingesetzt, um innerhalb von Hohlorganen diagnostische Aufgaben (z.B. optische Untersuchung der Organe) oder Manipulationen (z.B. Entnahme von Biopsien, Entfernen von Fremdkörpern wie Nierensteinen) durchzuführen. Diese können entweder starr sein („starre Endoskope“), oder in mindestens einem Freiheitsgrad abwinkelbar („flexible Endoskope“). Während der Eingriffe werden die Endoskope typischerweise durch den Operateur manuell geführt, was insbesondere bei flexiblen Endoskopen technisch anspruchsvoll ist: Der Operateur hält in einer Hand das Griffstück des flexiblen Endoskops und aktuiert über einen Hebel am Griffstück die Abwinkelung der Endoskopspitze sowie durch Drehen des Griffstückes die Rotation des Endoskopes um seine Längsachse, mit der anderen Hand kontrolliert er den Vorschub des biegeweichen Endoskopschaftes in den Patienten.
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Derzeit existiert mit dem Avicenna Roboflex ein kommerziell erhältliches Chirurgiesystem für flexible Ureteroskopie: Das flexible Endoskop wird an einer auf einem Cart befindlichen Haltearm angedockt, welches auch Aktuierungsmöglichkeiten für das Abwinkeln der Endoskopspitze und das Bewegen der Laserfaser bietet.
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Intuitive Ion ist ein Chirurgiesystem für minimal invasive periphere Lungenbiopsien, welches ein flexibles Bronchoskop telemanipuliert durch die Bronchien der Lunge navigieren kann.
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Auris Monarch ist ein weiteres Chirurgiesystem für die periphere Bronchoskopie.
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Hansen Medical entwickelte zwei Systeme zur Kathetermanipulation, das Magellan Chirurgiesystem und das Sensei Chirurgiesystem. Das Magellan war für periphere, vaskulare robotische Eingriffe ausgelegt, das Sensei für interventionelle elektrophysiologische Interventionen.
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Corindus CorPath GRX ist ein robotisches System für das telemanipulierte Positionieren von Kathetern in der Gefäßchirurgie.
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Ein Paper von Desai (Desai, Mihir M., et al. „Flexible robotic retrograde renoscopy: description of novel robotic device and preliminary laboratory experience.“ Urology 72.1 (2008): 42-46.) beschreibt den Einsatz eines spezialisierten robotischen Kathetersystems für die Ureteroskopie im Tierversuch an 10 Schweinen. Hierbei konnten alle Nierenkelche erreicht sowie Nierensteine erfolgreich mit Hilfe einer Laserfaser zerkleinert werden.
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US 2012/0065470 A1 beschreibt ein robotisches System zum Führen eines kommerziellen flexiblen Endoskops, insbesondere in der Laryngologie. Das flexible Endoskop wird hierbei in eine passende Halterung gelegt und das Betätigungselement zum Abwinkeln der Endoskopspitze wird in eine Klammer eingelegt, welche das Betätigungselement aktuieren kann. Die gesamte Halterung kann mittels entsprechender Antriebe um die Endoskoplängsachse rotiert und entlang der Endoskoplängsachse verfahren werden. Die Antriebe für die drei Freiheitsgrade befinden sich entweder in direkter Nähe zu den jeweiligen Mechanismen oder gemeinsam in einem Motorgehäuse, wobei die Bewegungsübertragung der Rotation und der Abwinkelung über Bowdenzüge erfolgt. Die Steuerung des robotischen Systems erfolgt über eine kompakte Steuereinheit mit zwei Joysticks (einer mit einem Freiheitsgrad, einer mit zwei Freiheitsgraden), welche wahlweise auf einer geeigneten Fläche positioniert oder an den Seitenschienen des OP-Tisches befestigt wird. Das robotische System wird über ein passives Stativ mit der OP-Tisch-Seitenschiene verbunden und grob positioniert.
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WO 2013/029 045 A1 beschreibt einen Endoskopadapter bestehend aus einer Halterung für das flexible Endoskop und einem Manipulationsmechanismus, welcher wahlweise den flexiblen Endoskopschaft und/oder ein in den Arbeitskanal des Endoskops einzuführendes Werkzeug in axialer Richtung bewegt. Hierzu verwendet der Manipulationsmechanismus Rollen, wobei mindestens eine Rolle durch eine Feder gegen den Endoskopschaft/das Werkzeug gedrückt wird. Es ist wahlweise möglich, mindestens eine der beiden Rollen anzutreiben, um die Bewegung aktiv steuern zu können. In einer Ausführungsform (
12) wird eine Befestigung des Manipulationsmechanismus am Patienten vorgeschlagen.
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WO 2019 139 941 A1 beschreibt einen Adapter, mit welchem in der minimalinvasiven Chirurgie ein starres Endoskop am Instrumenteninterface eines Medizinroboters befestigt werden kann. Dieser Adapter ermöglicht es, die Rotation eines Abtriebs der Instrumentenantriebseinheit (für schnellere Rotation) oder alternativ die Rotation der gesamten Instrumentenantriebseinheit durch einen Antrieb in der Instrumentenhalterung (für langsamere Rotation) in eine Rotation des Endoskopes um seine Längsachse umzusetzen. Es ist möglich, verschiedene kommerziell erhältliche Standalone-Endoskope mit dem Adapter zu verwenden (gegebenenfalls müssen hierzu die Befestigungsschalen für das Endoskop ausgetauscht werden). Je nach Ausführung wird das Endoskop fest in den Adapter eingebaut (
3-6) oder kann aus diesem nach Öffnen einer Verriegelung entnommen werden (
8-11;
21A-24).
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US10,219,867 B2 beschreibt das Avicenna Roboflex Chirurgiesystem: Verschiedene kommerziell erhältliche flexible Endoskope können in eine Halterung am Endeffektor eines auf einem Wagen befindlichen Roboters befestigt werden. Diese Halterung kann translatorisch in Richtung der Endoskopachse vor- und zurückbewegt werden sowie um die Endoskopachse rotiert werden. Weiterhin enthält die Halterung einen Mechanismus zur Aktuierung des Abwinkelungsfreiheitsgrades des flexiblen Endoskops. Zusätzlich stehen Mechanismen zur Aktuierung von Hilfswerkzeugen (Laserfaser, Zangen, Bergekörbchen etc.) sowie eine Pumpeinheit zur Kontrolle der Arbeitskanalspülung zur Verfügung. Das System wird vom Operateur von einer Konsole aus mittels zweier Force-Feedback-Joysticks (einer erlaubt Bewegungen vor und zurück sowie Rotationen um die Joystickachse, der zweite besitzt einen Hebel zur Grobsteuerung der Endoskopabwinkelung), eines Stellrades zur Feinsteuerung der Endoskopabwinkelung, Fußpedalen (z.B. für Laserfaser und Fluoroskopie) und eines Touchbildschirms telemanipuliert. Einige Sicherheitsfunktionen sind integriert (Laser kann nicht im Arbeitskanal des Endoskops abgefeuert werden, Endoskop wird bei Einführen der Laserfaser gerade gestellt), ebenso Autonomiefunktionen (Ausgleich der Atembewegung des Patienten durch translatorische Bewegung des Endoskops)
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US 9 763 741 B2 beschreibt ein robotisches System zur Telemanipulation eines flexiblen Endoskops. Bei dem Endoskop handelt es sich um ein speziell für dieses robotische System entworfenes Instrument, welches an einer durch einen Haltearm positionierbaren Antriebseinheit befestigt wird. Während der Roboter die Translation und die Rotation des Endoskops um seine Längsachse vornimmt, aktuiert die Antriebseinheit die Abwinklung der Endoskopspitze. Die Führung des flexiblen Endoskopschaftes erfolgt mit Hilfe einer von einem zweiten Haltearm geführten starren Hülle, in welche der Endoskopschaft eingeführt wird.
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US 2017/0119412 A1 beschreibt die Führung eines Bergekorbs durch Haltearme, welche von einer Chirurgenkonsole aus ferngesteuert oder im Hands-On-Modus bewegt werden können. Wird der Bergekorb zusammengezogen, um ein Objekt zu fangen, führen die Roboter selbsttätig die Position des Bergekorbes so nach, dass das Objekt in der Mitte des Bergekorbes bleibt. Sobald das Objekt gefangen wurde, kann es noch im Korb durch einen zentralen Arbeitskanal hindurch zerkleinert (durch Laser, Fluid oder mechanisch) und abgesaugt werden.
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US 2018/0092517 A1 beschreibt eine Kalibriermethode für flexible Endoskope, bei welcher das robotische System das Endoskop zu verschiedenen Zielpositionen bewegt und über geeignete Sensoren (z.B. elektromagnetische Sensorsysteme, Kameras, faseroptische Sensoren) Rückmeldung zur tatsächlichen Endoskopposition erhält. Basierend darauf werden Korrekturfaktoren für die Endoskopaktuierung ermittelt und gespeichert. Diese können von verschiedenen Faktoren (z.B. aktuierte Seile, Länge der Endoskopspitze außerhalb der Hülle, Rotation des Endoskops bezogen auf die Hülle) abhängen und in einer Kalibriermatrix abgelegt werden. Durch die Integration von Dehnmessstreifen in die Instrumentenantriebseinheit können zusätzlich die am Endoskop auftretenden Seilkräfte überwacht werden.
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US 2019/0191967 A1 beschreibt ein robotisches Telemanipulationssystem mit optionalem haptischem Feedback, bei welchem die robotischen Instrumente (bestehend aus Haltearm und Endeffektor) und das flexible Endoskop für die Bildgebung durch die Arbeitskanäle eines flexiblen Transportendoskops geführt werden. Das Transportendoskop kann während des chirurgischen Eingriffes an einer Dockingstation befestigt werden. Die Freiheitsgrade der robotischen Instrumente werden durch eine gemeinsame Motorbox aktuiert während ein Endoskopunterstützungssystem Insufflation, Absaugung und Spülung des Transportendoskops fernsteuert. Das Endoskop für die Bildgebung sowie die robotischen Instrumente können als Ganzes entlang ihrer Längsachse verschoben und um ihre Längsachse rotiert werden. Um eine präzise Bewegungsübertragung von der Motoreinheit an die robotischen Instrumente zu ermöglichen, kann die Vorspannung der übertragenden Drahtseile automatisch beim Systemstart oder intraoperativ eingestellt werden.
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Die deutsche Patentanmeldung
10 2019 134 352.6 beschreibt sehr allgemein einen Chirurgieroboter für endoskopische Anwendungen. Dabei wird ein flexibles Endoskop mit seiner Griffeinheit lösbar an einer Instrumentenbasisplatte angebracht, während die Bewegung und der Vorschub des Schaftes durch einen robotischen Arm erfolgt. Der Abwinkelungsfreiheitsgrad des Endoskops wird durch einen weiteren Aktor gesteuert. Es werden verschiedene mögliche Assistenzfunktionen (Schwerkraftkompensation, automatisches Vorschieben und Zurückziehen des Endoskops, automatischer Wechsel von Instrumenten wie Laserfaser und Bergekörbchen, Bewegungskompensation für Patientenbewegung, automatische Orientierung des Bildes, Kartierung, Einblenden von Zusatzfunktionen via Augmented Reality) beschrieben. Das Gesamtsystem ist mobil auf einer rollbaren Plattform befestigt.
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Die manuelle Handhabung des Endoskopes bringt verschiedene Nachteile mit sich:
- • Physische Anstrengung durch Gewicht des Griffstückes
- • Unergonomische Handhaltung durch Verdrehen des Griffstückes und/oder Aktuierung der Bedienelemente. Teilweise werden auch Bewegungsmöglichkeiten des Endoskopes im Körperinneren durch die Bewegungsmöglichkeiten der menschlichen Hand beschränkt.
- • Operateur steht bei intraoperativem Röntgen im Bereich des Röntgengerätes. Dies macht einerseits das Tragen einer Bleiweste erforderlich und erhöht andererseits die Röntgenbelastung des Operateurs
- • Zweiter Operateur notwendig
- ◯ Beengte Arbeitsbedingungen, da der verfügbare Platz (bei ureteroskopischen Eingriffe typischerweise zwischen den gespreizten Beinen des Patienten) begrenzt ist.
- ◯ Komplexe Koordination: Bei Verwendung eines Werkzeuges wie einer Laserfaser oder einem Bergekörbchen müssen die Bewegungen von Endoskop und Werkzeug aufeinander abgestimmt sein, was eine gute Abstimmung zwischen den beiden Operateuren erfordert
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Auch die kommerziell verfügbaren robotischen Lösungen weisen Nachteile auf:
- • Reine Telemanipulationssysteme:
- ◯ Konversion zu manueller Chirurgie nur schwer möglich
- ◯ Verlust des chirurgischen Fingerspitzengefühls beim Bewegen von Endoskop/Kathetern
- ◯ Wiederholtes Ein- und Ausführen des Endoskopes bei der Steinbergung in der Urologie erfordert Unterstützung durch steriles Personal am OP-Tisch
- • Hochspezialisierte Systeme:
- o Chirurgiesysteme maßgeschneidert für eine spezielle Anwendung => v.a. für große Kliniken mit hohen Behandlungszahlen interessant
- o Abgesehen von Roboflex Avicenna: Verwendung spezieller robotischer Instrumente, welche zusätzlich zu den Handinstrumenten angeschafft werden müssen
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Die genannten Veröffentlichungen weisen hinsichtlich der Führung flexibler Endoskope folgende Nachteile auf:
- US 2012/0065470 A1 : Die aktuierten Freiheitsgrade erlauben nur kleine Bewegungen (insbesondere bei der Translation), für größere Bewegungen müssen die Verriegelungen am passiven Stativ geöffnet, die Systemkomponenten neu positioniert und die Verriegelungen wieder geschlossen werden. Ein intraoperatives Bewegen des Endoskops per Hand ist nicht ohne weiteres möglich, da ein Entnehmen des Endoskops aus der Halterung komplex ist (Öffnen der Halterung und Öffnen der Klammer für den Aktuierungshebel) und entsprechende Sensoren fehlen, um eine Hands-On Steuerung des Systems zu ermöglichen.
- WO2013/029 045 A1 : Der gezeigte Rollenmechanismus kann die Translation des flexiblen Endoskopschaftes oder des Werkzeuges im Arbeitskanal des flexiblen Endoskopschaftes aktuieren. Allerdings kann die Rotation des Endoskopes um seine Längsachse mit dem beschriebenen Mechanismus nicht aktuiert werden. Diese ist jedoch insbesondere bei kleineren, nur in einer Ebene abwinkelbaren Endoskopen (z.B. Ureteroskopen) unverzichtbar, um alle gewünschten Manipulationsaufgaben im Patienteninneren durchführen zu können. Weiterhin ist ein rasches Lösen des Kraftschlusses zwischen Endoskopschaft und Rollen allem Anschein nach nicht möglich, da die Rollen federvorgespannt sind. Somit kann der Operateur das Endoskop nicht manuell unter Nutzung seines Fingerspitzengefühls vorschieben.
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Der in
WO 2019 139 941 A1 beschriebene Adapter ist für starre Endoskope ausgelegt. Daher erlaubt er zum einen keine Aktuierung der Endoskopabwinklung. Zum anderen kann ein Roboter mit einem solchen Adapter zwar das Griffstück eines flexiblen Endoskopes im Raum positionieren und ausrichten, aber nicht die Endoskopspitze, da eine Führung des flexiblen Endoskopschaftes und somit eine eindeutige Übertragung der Bewegung des Griffstückes auf die Bewegung der Endoskopspitze fehlt.
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Das in
US10,219,867 B2 beschriebene Avicenna Roboflex System weißt die oben genannten Nachteile robotischer Systeme auf.
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Das in
US 9 763 741 B2 ,
US 2017/0119412 A1 und in
US 2018/0092517 A1 beschriebene robotische System für Eingriffe mit flexiblen Endoskopen weißt ebenfalls die oben genannten Nachteile robotischer Systeme auf. Weiterhin dürften der Einsatz spezialisierter Instrumente sowie die hohe technische Komplexität des gezeigten Systems (drei Haltearme zur Durchführung eines endoskopischen Eingriffes in der Niere notwendig) einen wirtschaftlichen Systemeinsatz insbesondere in kleineren Kliniken mit geringen Fallzahlen deutlich erschweren.
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Das Patent
US 2019/0191967 A1 legt den Schwerpunkt auf die Aktuierung des bildgebenden Endoskops und der robotischen Instrumente, welche beide nur für den Einsatz mit diesem System ausgelegt sind. Die Steuerung des Transportendoskops erfolgt nach wie vor manuell, zudem ist der flexible Schaft nur an der Position von Griffstück und Patientenzugang festgelegt.
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Gegenüber der deutschen Patentanmeldung
10 2019 134 352.6 entwickelt die vorliegende Lösung die mechanische Ausgestaltung des Systems weiter. Insbesondere ist hier die Ausgestaltung der Befestigung des Endoskopgriffstückes am Haltearm, die Ausgestaltung der Schleusenbefestigung am Zugang zum Patienten sowie die mögliche Integration von Virtual Fixtures zur Unterstützung des Chirurgen zu nennen.
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Aufgabe der Erfindung ist es ein Chirurgiesystem für die minimalinvasive robotische Chirurgie bereitzustellen, dass eine vereinfachte Handhabung eines Endoskops ermöglicht.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Chirurgiesystem für die minimalinvasive robotische Chirurgie weist einen Haltearm auf, der eine Halterung für die Griffeinheit eines konventionellen Endoskops aufweist. Somit können konventionelle Endoskope ohne weitere Änderungen in dieser Halterung befestigt werden, sodass sie vom Haltearm geführt werden können. Das Chirurgiesystem weist ferner eine patientenseitige Einheit auf, die in der Nähe des Patienten befestigbar ist. Hierbei erfolgt eine definierte Positionierung des Patientenzugangs.
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Das erfindungsgemäße Chirurgiesystem bietet den Vorteil, dass ein Chirurg die Griffeinheit des Endoskops loslassen kann und seine Hand, die ursprünglich für das Halten der Griffeinheit benötigt wurde, für andere Aufgaben, beispielsweise für das präzisere Führen des Endoskops, verwenden kann. Hierfür ist es bisher üblich, einen zweiten Chirurgen zu verwenden. Dies ist durch das erfindungsgemäße Chirurgiesystem nun nicht mehr notwendig.
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Bevorzugt weist das Chirurgiesystem eine Ausgabeeinheit für den Systemstatus auf. Für die roboterunterstützte Solo Surgery-OP benötigt der Chirurg zahlreiche Informationen, von denen eine oder mehrere auf der Ausgabeeinheit angezeigt werden können:
- - Endoskopbild (möglichst wenig hiervon sollte verdeckt sein)
- - Status Zusatzgeräte (Spülung, Laser, Röntgen; an der Bedieneinheit, am Gerät oder auf dem Bildschirm)
- - Status Haltearm
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Weitere evtl. interessante Informationen sind:
- - Karte OP-Gebiet (auf zweitem Bildschirm)
- - Weltmodell Robotersystem (auf zweitem Bildschirm)
- - Richtungsanweisungen für Bewegungen des Haltearms
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Beispielsweise kann ein Ring aus mehreren einzeln adressierbaren RGB-LEDs am Haltearm als Ausgabeeinheit verwendet werden. Dies hat folgende Vorteile:
- - Kompakt und preiswert
- - Gut sichtbar bei der Manipulation des Haltearmes (gerade dann sind die angezeigten Informationen wichtig)
- - Gleichzeitiges Anzeigen von Systemzustand (=Regelungsmodus des Roboters; über LED-Farbe) und Richtungsanweisungen (über LED-Aktivierung)
- - Verdeckt nicht Teile des Endoskopbildes
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Haltearm durch einen Bediener manuell positionierbar und an einer gewünschten Position arretierbar ist.
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Bevorzugt hält er seine Position automatisch, sobald der Bediener keine Kräfte mehr auf den Haltearme ausübt.
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Beispielsweise kann mindestens ein Sensor vorgesehen sein zum Detektieren, ob die Griffeinheit von einem Bediener gehalten wird. Sofern dies der Fall ist, wird die Regelung des Haltearms in den Bewegungsmodus überführt, sodass der Haltearm manuell durch den Bediener bewegt werden kann und in eine gewünschte Position gebracht werden kann. Hiernach kann seine Position wieder arretiert werden, sodass die Griffeinheit des Endoskops wieder in der von dem Chirurgen gewünschten Position festgehalten wird. Zum Detektieren kann eine Plastikhülle um die Griffeinheit mit integrierten kapazitiven Sensoren verwendet werden.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Steuerung des Haltearms derart ausgestaltet ist, dass die Position der patientenseitigen Einheit durch ein Berühren mit dem Endeffektor des Haltearms ermittelbar ist. Dies erfolgt dadurch, dass über die Stellung der Gelenkwinkel des Haltearms, die zum Zeitpunkt der Berührung bekannt ist, die Position des Endeffektors ermittelt wird. Z.B. kann eine Tastspitze nur temporär (z.B. per Kraftschluss eines Magneten) an der roboterseitigen Einheit (= am Roboterarm angebrachter Endeffektor, in den das Endoskop eingelegt wird) angebracht wird. Dadurch kann das Endoskop während des Antastens mit dem Haltearm verbunden bleiben.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Griffeinheit werkzeuglos vom Haltearm trennbar ist indem beispielsweise die Halterung geöffnet wird. Hierdurch ist es dem Chirurgen möglich, die Griffeinheit bei besonders kritischen Situationen während einer Operation wie gewohnt mit einer Hand zu führen.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Steuerung des Haltearms ausgebildet ist zum Generieren einer virtuellen Barriere, über die hinaus die Griffeinheit nicht bewegbar ist. Hierdurch kann eine Verletzung des Patienten und/oder ein zu starkes Abknicken des Endoskops verhindert werden, wobei hierbei auch die bekannte Position der patientenseitigen Einheit zu berücksichtigen ist.
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Der Roboterarm kann sowohl ein passiver Arm mit Bremsen und Positionssensoren in den Gelenken als auch ein Haltearm mit aktiv angetriebenen Freiheitsgraden sein. Im Falle eines Roboters besitzt dieser entweder integrierte Drehmomentsensoren zur Detektion externer Kräfte oder einen geeigneten Kraft-Momenten-Sensor am WerkzeugInterface. Um die Aktuierungskräfte gering zu halten, ist es bevorzugt, dass der Haltearm ganz oder teilweise schwerkraftkompensiert ist.
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Es ist bevorzugt, dass das Einlegen des Endoskops in die Halterung werkzeuglos möglich ist. Dies kann beispielsweise durch Schnappverschlüsse, Magnetverschlüsse, an der Halterung angebrachte Riegel oder (unverlierbare) Rändelschrauben erfolgen.
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Zur Bestimmung der Ausrichtung einer Schleuse, die an der patientenseitigen Einheit angebracht ist, kann beispielsweise eine prismatische Führung vorgesehen sein. Zum Bestimmen der Position des Schleusenzugangs kann eine Anlagefläche gegenüber der patientenseitigen Einheit vorgesehen sein. Hierdurch kann wie bereits beschrieben ein Berühren oder Antasten der patientenseitigen Einheit mit dem Endeffektor zum Bestimmen ihrer Position erfolgen. Der Anschlag zum Antasten ist bevorzugt lösbar beispielsweise über einen Magneten mit der Befestigung der Endoskopgriffeinheit verbunden.
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In unmittelbarer Nähe der Endoskopgriffeinheit befindet sich bevorzugt eine Befestigungsmöglichkeit für die Endeffektoren im Arbeitskanal des flexiblen Endoskops (z.B. Laserfaser oder Bergekörbchen). Diese sollte werkzeuglos bedienbar sein (z.B. Klickverschlüsse zur Befestigung der Endeffektoren). Zudem sollte sie es ermöglichen, die Werkzeuge bevorzugt in mehreren Achsen in Relation zum Endoskopgriffstück zu positionieren, um beispielweise den unterschiedlichen Handgrößen verschiedener Bediener Rechnung zu tragen. Bevorzugt weist die Befestigungsmöglichkeit für die Endeffektoren weiterhin eine Möglichkeit zum Fixieren von mechanischen Bedienelementen der Endeffektoren in verschiedenen Positionen auf (beispielsweise Hebel zum Öffnen und Schlie-ßen des Bergekörbchens).
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Bevorzugt befinden sich zusätzliche, steril bedienbare Bedienelemente in unmittelbarer Nähe der Endoskopgriffeinheit, um die Spülung des Endoskopes und/oder den Laser zu aktivieren und/oder ein Röntgenbild des Operationsgebietes aufzunehmen. Diese Bedienelemente können die bisher üblicherweise verwendeten Fußpedale ergänzen oder ersetzen. Deren Aktivierung erfordert eine Gewichtsverlagerung des Chirurgen auf ein Bein, was in Verbindung mit dem stabilen Halten der Position des Endoskopgriffstückes zu unergonomischen und physisch anstrengenden Körperhaltungen führen kann. Die Bedienelemente können in verschiedener Art und Weise ausgebildet sein, z.B. als Kippschalter, Druckschalter, Taster, Touchscreen etc. Hierbei sind folgende Punkte beachten:
- • Sterilität: Die Bedienelemente müssen auch mit OP-Handschuhen gut bedienbar sein. Zudem müssen sie entweder sterilisierbar sein oder während des Eingriffes steril abgedeckt („gedraped“) werden. Im zweiten Fall muss eine Bedienung durch das sterile Drape hindurch problemlos möglich sein.
- • Kompatibilität mit existierender Hardware: Bevorzugt sollten die Bedienelemente mit den Geräten verschiedener Hersteller kompatibel sein.
- • Bediencharakteristik des Bedienelements muss zu bedientem Gerät passen:
- ◯ Die Spülung läuft oftmals längere Zeit, folglich sollte ein Bedienelement genutzt werden, welches den Zustand hält, z.B. ein Kipphebel oder Knopf. Weiterhin ist es vorteilhaft, den Betriebszustand optisch unmittelbar erkennen zu können, z.B. durch die Stellung eines Kipphebels, einen beleuchteten Knopf oder eine Status-LED.
- ◯ Der Laser sollte nur ausgelöst werden, solange Chirurg das Bedienelement betätigt. Dies kann beispielsweise durch einen Taster erreicht werden. Weiterhin ist es vorteilhaft, den Betriebszustand optisch unmittelbar erkennen zu können, z.B. durch einen beleuchteten Taster oder eine Status-LED.
- ◯ Die Aufnahme eines Röntgenbildes sollte einmalig ausgelöst werden, wenn der Chirurg das entsprechende Bedienelement betätigt. Dies kann beispielsweise durch einen Taster erreicht werden.
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Die patientenseitige Einheit erfüllt mehrere Aufgaben:
- • Definierte Positionierung des Patientenzugangs: In der flexiblen Ureteroskopie erfolgt der Zugang zum Operationsgebiet in Harnröhre, Blase, Harnleiter oder Niere durch die Harnröhre des Patienten. Oftmals wird zu Beginn des Eingriffes eine Schleuse (= technisch gesehen ein Rohr mit Trichter am Eingang) vom Ende der Harnröhre bis zum Operationsgebiet gelegt, um Verletzungen des Harntraktes durch wiederholtes Vorschieben und Zurückziehen des Ureteroskopes zu vermeiden. Diese Schleuse muss gegen Herausrutschen aus Harnröhre und Harnleiter gesichert werden. Weiterhin muss die Position dieser Schleuse bekannt sein, um Virtual Fixtures zur Unterstützung der Endoskopeinführung in den Patienten definieren zu können. Dies kann entweder über geeignete Trackingsysteme oder über ein mechanisches Festlegen der Schleuse gegenüber der patientenseitigen Einheit erreicht werden. Werden die erste Variante ein entsprechendes Trackingsystem (z.B. eine externe Stereokamera oder eine Stereokamera an der patientenseitigen Einheit) erfordert, ist die zweite Variante einfacher umsetzbar und daher bevorzugt. Das mechanische Festlegen kann über einen Kraft- und/oder Formschluss erfolgen, wobei der entsprechende Mechanismus werkzeuglos bedienbar sein sollte.
- • Klemmmechanismus Schaft: Bevorzugt weist die patientenseitige Einheit einen Klemmmechanismus zur Fixierung des flexiblen Endoskopschaftes auf. Hierdurch kann der Chirurg bei Bedarf die Position des Endoskopschaftes fixieren und das Endoskop loslassen, um beispielsweise den Endeffektor im Arbeitskanal zu bewegen und zugleich zu bedienen (z.B. Öffnen und Schließen des Bergekörbchens oder Aktivieren des Lasers) oder um den Endeffektor zu wechseln (z.B. von Laserfaser zu Bergekörbchens). Sofern die patientenseitige Einheit einen Klemmmechanismus aufweist, ist dieser bevorzugt werkzeuglos fixierbar und lösbar (z.B. durch Schnappverschlüsse, Magnetverschlüsse oder Riegel). Sofern die patientenseitige Einheit einen Klemmmechanismus aufweist, ist es weiterhin bevorzugt, dass eine Sensorik zum Detektieren des Schließens des Klemmmechanismus vorhanden ist. Diese kann beispielsweise ein Endschalter sein, welcher beim Schließen des Klemmmechanismus gedrückt wird. Alternativ können auch andere Sensoren, wie beispielsweise Lichtschranken, Drucksensoren in der Klemmfläche oder Time-of-Flight-Sensoren hierfür eingesetzt werden. Wird ein Schließen des Klemmmechanismus detektiert, wird der Bewegungsraum des Haltearmes so eingeschränkt, dass die Entfernung des Endoskopgriffes zum Klemmmechanismus nicht weiter vergrößert werden kann. Hierdurch wird ein Ziehen am Endoskopschaft und eine daraus resultierende mögliche Beschädigung des Endoskops verhindert.
- • Definierte Anlagefläche zum Antasten der patientenseitigen Einheit: Sofern nicht die Befestigung der Endoskopgriffeinheit und die patientenseitige Einheit mit Markern versehen werden sollen, welche durch ein externes Trackingsystem erfasst werden, muss ihre Position und Ausrichtung zueinander anderweitig bestimmt werden. Hierzu kann ein Anschlag an der Befestigung der Endoskopgriffeinheit verwendet werden, welcher mit entsprechenden geometrischen Features von Schleuse und patientenseitiger Einheit in Kontakt gebracht wird, um so die Position des Schleusenzuganges und die Ausrichtung der Schleuse zu bestimmen. Wenn der Benutzer das Erreichen der gewünschten Position bestätigt (z.B. über einen Tastendruck oder eine Fußpedalbetätigung), wird an Hand der Vorwärtskinematik des Haltearms und der bekannten Geometrie von Anschlag und patientenseitiger Einheit die Position und Ausrichtung der Schleuse bezogen auf den Haltearm errechnet und gespeichert.
- • Sensorik zum Detektieren von Kollisionen: Wird die relative Position und Ausrichtung von Befestigung der Endoskopgriffeinheit und patientenseitiger Einheit nicht permanent durch ein externes Trackingsystem überwacht, sondern wie oben beschrieben durch Antasten ermittelt, können Bewegungen der patientenseitigen Einheit nur mit Hilfe zusätzlicher Sensoren erkannt werden. So kann beispielsweise ein Beschleunigungsmesser/eine IMU an der patientenseitigen Einheit fixiert werden, welche deren Bewegungen detektiert. Erfolgt nach dem Speichern der Schleusenposition und -ausrichtung eine Bewegung (z.B. in Folge einer Kollision des Benutzers mit der patientenseitigen Einheit) kann das System unverzüglich reagieren und z.B. den Benutzer zum erneuten Antasten der patientenseitigen Einheit auffordern.
- • Definierte Abwurfstelle für Steinfragmente und Biopsiematerial: Es bietet sich an, in unmittelbarer Nähe zur Schleuse eine Ablagemöglichkeit für Material aus dem Patienteninneren (bei der Ureteroskopie insbesondere Steinfragmente und Biopsiematerial) vorzusehen. Dies ist insbesondere bei grö-ßeren Nierensteinen vorteilhaft, die per Laser zerkleinert und dann Stück für Stück mit dem Bergekörbchen aus dem Patienten Harntrakt entfernt werden müssen. Um sicher zu stellen, dass die Steinfragmente oder das Biopsiematerial nicht an der Zange bzw. dem Bergekörbchen hängen bleiben, kann im Bereich der Abwurfstelle zusätzlich ein Gebläse (Druckluft oder Ventilator) vorgesehen werden, welches die Objekte in Richtung der Ablagemöglichkeit bläst.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren erläutert.
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Es zeigen:
- 1: Die manuelle Bedienung eines flexiblen Ureteroskops
- 2: Detailansicht der Endoskopspitze im ungekrümmten und im gekrümmten Zustand
- 3: Typische Endeffektoren, welche in den Arbeitskanal flexibler Ureteroskope eingeführt werden
- 4: Gesamtsetup für die Manipulation flexibler Endoskope durch einzelne Benutzer in der Urologie mit und ohne Darstellung des Patienten
- 5: Befestigung für die Endoskopgriffeinheit am Haltearm
- 6: Anschlag zum Antasten der patientenseitigen Einheit
- 7: Befestigung für die Endeffektoren
- Fugur 8: Steril manipulierbare Bedienelemente an der Endoskopgriffeinheit
- 9: Gesamtansicht der patientenseitigen Einheit
- 10: Antasten der patientenseitigen Einheit
- 11: Virtual Fixtures zur Begrenzung des Bewegungsbereiches der Endoskopgriffeinheit
- 12: Nutzung eines LED-Ringes am Haltearm, um den Benutzer in den Bereich der Virtual Fixtures zu führen
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1 zeigt die manuelle Bedienung eines flexiblen Ureteroskops (Endoskop für urologische Eingriffe): Der Arzt hält das Griffstück (16) in einer Hand (linke Figur), die andere Hand führt den flexiblen Schaft (18), meist in der Nähe des Zugangs zum Patienten. Durch Bewegen des Aktuierungselements (24) (entlang des linken Pfeils) kann die Endoskopspitze (26) in einer Ebene gekrümmt werden (rechter Pfeil). Die Ebene, in welcher sich die Endoskopspitze krümmt, kann durch Rotation des gesamten Endoskopes um seine Längsachse variiert werden. Der Vorschub der Endoskopspitze erfolgt durch Translation des gesamten Endoskops. Durch den Arbeitskanal (28) können verschiedene Werkzeuge wie z.B. ein Lichtwellenleiter für einen Laser oder ein Bergekörbchen zum Entfernen von Nierensteinen eingeführt werden. Je nach Modell des Endoskops unterscheidet sich die Anordnung und die Ausgestaltung der Bedienelemente, die Art und Anzahl der Endoskopfreiheitsgrade ist typischerweise bei den verschiedenen Endoskopen für eine Anwendung (wie z.B. Urologie) identisch.
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Wie in 2 gezeigt, kann die Spitze von flexiblen Endoskopen 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 wird durch Aktuierung des Stellrades am Griffstück mittels im Endoskopschaft laufender Seile/Stangen gekrümmt. Die Endoskopspitze und der übrige Schaft bleiben währenddessen starr.
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3 stellt zwei typische Endeffektoren dar, welche in den Arbeitskanal flexibler Ureteroskope eingeführt werden: Laserfaser zum Zertrümmern von Nierensteinen (links), Bergekörbchen zum Fassen der Steintrümmer (rechts). Durch die Translation des schwarzen Griffelementes (28) in Pfeilrichtung wird das Bergekörbchen (30) an der Spitze des Endeffektors geöffnet und geschlossen.
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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. Die zeigt ein mögliches Gesamtsetup für die Manipulation flexibler Endoskope durch einzelne Benutzer in der Urologie mit (links) und ohne Darstellung des Patienten (rechts): Der (robotische) Haltearm (12) ist auf einem fahrbaren Wagen (32) angebracht, wobei seine Basis höhenverstellbar und bevorzugt zusätzlich in mindestens einer Achse neigbar ist. Am Werkzeugflansch des Haltearms (34) ist eine Befestigung für die Endoskopgriffeinheit (16) angebracht. In unmittelbarer Nähe zum Ausgang der Harnröhre des Patienten befindet sich die patientenseitige Einheit (20). Nicht dargestellt sind zusätzlich notwendige Rechner zur Steuerung des robotischen Haltearms (welche flexibel im OP-Saal positioniert oder in der Basis des fahrbaren Wagens untergebracht werden können) sowie der Bildschirm zur Ausgabe des Endoskopbildes (welcher von der Position des Chirurgen zwischen den Beinen des Patienten aus einsehbar sein muss).
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Im gezeigten Gesamtsetup wird bevorzugt ein Roboter als Haltearm eingesetzt. Dann 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.
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Alternativ zur abgebildeten Befestigung am OP-Tisch, kann die patientenseitige Einheit auch mittels eines zusätzlichen Haltearms am fahrbaren Wagen befestigt werden.
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Sofern die Freiheitsgrade dieses zusätzlichen Haltearms geeignete Positionssensoren aufweisen, kann die Position der patientenseitigen Einheit dann durch ihren Haltearm gemessen werden, statt sie über den in dargestellten Anschlag anzutasten.
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5 zeigt die Befestigung für die Endoskopgriffeinheit am Haltearm: Die Befestigung für die Endoskopgriffeinheit (16) wird mit dem Haltearm über ein bevorzugt werkzeuglos bedienbares Dockinginterface (56) verbunden. Sie umfasst eine mechanische Struktur (40), an welcher formschlüssige, endoskopspezifische Halterungen (42, 44 und 46) angebracht sind. Im dargestellten Beispiel wird das Endoskop in die obere Halterung (42) eingeklickt, während die untere Halterung aus zwei formschlüssigen Halbschalen (44 und 46) besteht, welche miteinander verschraubt werden. Weiterhin weist die Befestigung für die Endoskopgriffeinheit einen Anschlag zum Antasten der patientenseitigen Einheit auf (48). Zudem befindet sich in unmittelbarer Nähe der Endoskopgriffeinheit eine Befestigungsmöglichkeit für die Endeffektoren (50) im Arbeitskanal des flexiblen Endoskops (z.B. Laserfaser oder Bergekörbchen). Im Beispiel ist die Griffeinheit für ein Bergekörbchen (52) dargestellt. Bevorzugt kann die Anordnung der Befestigungsmöglichkeiten an die ergonomischen Anforderungen des Systemnutzers in mehreren Freiheitsgraden angepasst werden, beispielsweise durch Rotation um die Achse A1 oder Translation entlang Achse A2. Weiterhin befindet sich in unmittelbarer Nähe der Endoskopgriffeinheit zusätzliche, steril bedienbare Bedienelemente (54), um die Spülung des Endoskopes und/oder den Laser zu aktivieren und/oder ein Röntgenbild des Operationsgebietes aufzunehmen.
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6 stellt den Anschlag zum Antasten der patientenseitigen Einheit dar: Die Befestigung für die Endoskopgriffeinheit weist einen Magneten sowie einen kegelförmigen Fortsatz auf, um den Anschlag zu fixieren. Hierbei rastet der kegelförmige Fortsatz in die kegelförmige Senkung (6.1) des Anschlags ein. Der Magnet zum Sperren der Translation wird durch eine Schraube angezogen, welche so in eine in die Aussparung (6.2) eingepresste Mutter geschraubt wird, dass ihr Ende in der Bohrung (6.3) liegt. Die Innenflächen der beiden Fortsätze (6.4) verhindern ein Verdrehen des Anschlages. Der Anschlag weißt an einem Ende eine prismatische Führung für die Schleuse (6.5) sowie eine Anlagefläche gegenüber der patientenseitigen Einheit (6.6) auf. Ggf kann der Anschlag noch zusätzliche Absätze/Passstifte aufweisen, um ein Verdrehen der prismatischen Führung um die Schleuse zu verhindern
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7 zeigt die Befestigung der Endeffektoren: Die Endeffektoren wie z.B. die Griffeinheit für ein Bergekörbchen (7.1) werden in endeffektorspezifisch angepassten Klemmen (7.2) fixiert, welche mit der Befestigung für die Endoskopgriffeinheit (7.3) verbunden sind. Optional können diese Klemmen aktive Elemente zur Interaktion mit den Bedienelemente der Endeffektoren aufweisen (nicht dargestellt), im Falle des Bergekörbchens um beispielsweise die Position des Hebels zum Öffnen und Schließen des Bergekörbchens (7.4) festzulegen. Bevorzugt weißt diese Verbindung mehrere arretierbare Freiheitsgrade auf, um vor OP-Beginn die Position der Endeffektoren an die Handergonomie des Systemnutzers anpassen zu können. Im Beispiel ist das Strukturteil (7.5) gegenüber der Befestigung für die Endoskopgriffeinheit (7.3) um A1 drehbar und das Strukturteil (7.6) gegenüber dem Strukturteil (7.5) entlang A2 verschiebbar.
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In 8 sind die steril manipulierbaren Bedienelemente an der Endoskopgriffeinheit dargestellt: Indem nahe der Endoskopgriffeinheit die notwendigen Bedienelemente angebracht werden, um die Spülung des Endoskopes und/oder den Laser zu aktivieren und/oder ein Röntgenbild des Operationsgebietes aufzunehmen, können die bisher üblicherweise verwendeten Fußpedale ergänzt oder ersetzt werden. Für jede Funktion ist ein Bedienelement (z.B. ein Knopf (8.1) oder ein Schalter (8.2)) vorzusehen. Bevorzugt ist zudem für jede Funktion eine Statusanzeige vorhanden, z.B. eine LED (8.3). Das Auslesen der Bedienelemente und das Ansteuern der Statusanzeige kann beispielsweise über einen Mikrocontroller erfolgen.
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In 9 ist die gesamte patientenseitige Einheit gezeigt, links im geöffneten und rechts im geschlossenen Zustand: Die Schleuse (9.1) wird in das Unterteil der Schleusenbefestigung (9.2) eingelegt, dann wird das Oberteil der Schleusenbefestigung (9.3) mittels eines Rastelements (9.4) und eines Stifts (9.5) geschlossen und die Schleuse so fixiert. Vor dem Trichter der Schleuse (9.6) befindet sich die Klemme für den Endoskopschaft mit der Klemmenbasis (9.7) und dem Klemmenhebel (9.8), welche über die Basisplatte (9.9) fest mit dem Unterteil der Schleusenbefestigung verbunden ist. Das Schließen der Klemme detektiert, indem eine Schraube (9.10) den Hebel des Endschalters (9.11) drückt. Optional weißt die patientenseitige Einheit zudem noch einen Beschleunigungsmesser/eine IMU (9.12) auf, welche Bewegungen der patientenseitigen Einheit (z.B. in Folge von Kollisionen) detektiert. In einem solchen Fall kann der Benutzer dann darauf hingewiesen werden, dass ein erneutes Antasten der patientenseitigen Einheit erforderlich ist. Optional weist die patientenseitige Einheit zudem eine Abwurfstelle für Steinfragmente und Biopsiematerial (9.13) auf.
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Wie in 10 zu sehen, erfolgt das Antasten der patientenseitigen Einheit in zwei Schritten: Im ersten Schritt (links) wird der Anschlag (10.1) mit seiner dreieckigen Aussparung (10.2) so auf das Rohr der Schleuse (10.3) gesetzt, dass das Rohr auf der ganzen Länge des Anschlages an beiden Flächen der Aussparung anliegt. In einem zweiten Schritt (rechts) wird der Anschlag anschließend entlang des Schleusenrohres zur Schleusenbefestigung geschoben, bis die Anlagefläche des Anschlags (10.4) am Oberteil der Schleusenbefestigung (10.5) anliegt.
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11 stellt das Konzept von Virtual Fixtures zur Begrenzung des Bewegungsbereiches der Endoskopgriffeinheit dar: Sofern der Haltearm ein robotischer Arm oder ein passiver Arm mit Positionssensoren und Bremsen in allen Achsen ist, kann der Bewegungsbereich der Endoskopgriffeinheit (11.1) begrenzt werden, um Kollisionen des Endoskopes mit der Umgebung oder Beschädigungen durch ein zu starkes Abwinkel des flexiblen Schaftes zu vermeiden. Beispielsweise kann - wie dargestellt - der zulässige Bewegungsbereich des Ursprungs des Koordinatensystems an der Endoskopspitze auf einen Kegelstumpf vor der patientenseitigen Einheit begrenzt werden (gepunktete Linie 11.2). Weiterhin ist es möglich, die Ausrichtung der Endoskoplängsachse (= z-Achse des eingezeichneten Koordinatensystems) an die Ausrichtung der Schleusenlängsachse (11.3) anzugleichen (beispielsweise über ein virtuelles Feder-Dämpfersystem zwischen dem Koordinatensystem und dem nächstgelegenen Punkt auf der Schleusenlängsachse).
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12 zeigt ein beispielhaftes Konzept für die Nutzung eines LED-Ringes am Haltearm, um den Benutzer in den Bereich der Virtual Fixtures zu führen: Bevorzugt weist der Haltearm einen LED-Ring mit einzeln ansteuerbaren LEDs (12.1) in der Nähe des Werkzeuginterfaces (12.2) auf (vgl. linke Figur). Diese können dazu verwendet werden, den Benutzer in die Grenzen der Virtual Fixtures (gepunktete Linie, 12.3) zu führen, wo ein sicheres Aktivieren der Fixtures möglich ist: Befindet sich das Koordinatensystem an der Endoskopspitze außerhalb der Virtual Fixtures (vgl. mittlere Figur), so wird die kürzeste Verbindung zwischen seinem Ursprung und der Schleusenlängsachse (Strichpunktlinie, 12.4) berechnet. Anschließend wird errechnet, wie das Werkzeuginterface des Haltearmes bewegt werden muss, um die Endoskopspitze entlang dieser kürzesten Verbindung zur Schleusenlängsachse zu bewegen. Die errechnete Trajektorie wird in die Ebene des LED-Ringes projiziert (gestrichelte Linie, 12.5) und die dieser Linie am nächsten liegende(n) LED(s) (12.6) aktiviert. Bewegt der Benutzer das Werkzeuginterface des Haltearmes in Richtung der leuchtenden LEDs, befindet sich das Koordinatensystem an der Endoskopspitze irgendwann innerhalb der Virtual Fixtures (vgl. rechte Figur). Dann wird das Lichtsignal des LED-Ringes geändert (z.B. indem alle LEDs aktiviert werden), um die Möglichkeit zum Aktivieren der Virtual Fixtures anzuzeigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0065470 A1 [0009, 0020]
- WO 2013/029045 A1 [0010, 0020]
- WO 2019139941 A1 [0011, 0021]
- US 10219867 B2 [0012, 0022]
- US 9763741 B2 [0013, 0023]
- US 2017/0119412 A1 [0014, 0023]
- US 2018/0092517 A1 [0015, 0023]
- US 2019/0191967 A1 [0016, 0024]
- DE 102019134352 [0017, 0025]
