DE10220423A1

DE10220423A1 - Vorrichtung und Verfahren zur kontrollierten Navigation eines medizinischen Instrumentes relativ zu menschlichen oder tierischen Gewebebereichen

Info

Publication number: DE10220423A1
Application number: DE10220423A
Authority: DE
Inventors: Stefan Woesner; Jan Stallkamp
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2022-05-09
Also published as: DE10220423B4

Abstract

Beschrieben wird eine Vorrichtung zum kontrollierten lokalen Materialabtrag mit einem medizinischen Abtragewerkzeug, das einen materialabtragenden Wirkbereich aufweist und relativ zu einem menschlichen oder tierischen Gewebebereich derart führbar ist, dass der Materialabtrag zur Ausbildung eines Sackloches innerhalb des Gewebebereiches führt. DOLLAR A Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Drehachse vorgesehen ist, um die das Abtragewerkzeug längs einer lateral von der Drehachse beabstandeten, in sich geschlossenen Trajektorie derart bewegbar ist, dass die Drehachse den materialabtragenden Wirkbereich stets schneidet, dass das Abtragewerkzeug längs einer Linearachse relativ zum Gewebebereich absenkbar und/oder anhebbar ist, dass wenigstens eine Lichtquelle oder zumindest eine von einer Lichtquelle emittierte Lichtstrahlung vorgesehen ist, die gemeinsam mit dem Abtragewerkzeug in Bewegungsrichtung des Abtragewerkzeugs längs der geschlossenen Trajektorie diesem vorgelagert und derart bewegbar ist, dass die Lichtstrahlung den in Bewegungsrichtung dem Abtragewerkzeug vorgelagerten Gewebebereich ausleuchtet, dass wenigstens ein Lichtdetektor vorgesehen ist, der das aus dem beleuchteten Gewebebereich austretende Licht wenigstens in einem spektralen Teilbereich detektiert, dass eine Auswerteeinheit vorgesehen ist, die das detektierte Licht spektral analysiert, mit Werten aus einer Referenzdatenbank vergleicht und bei Übereinstimmung zwischen dem detektierten spektral ...

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum kontrollierten lokalen Materialabtrag mit einem medizinischen Abtragewerkzeug, das einen materialabtragenden Wirkbereich aufweist und relativ zu einem menschlichen oder tierischen Gewebebereich derart führbar ist, dass der Materialabtrag zur Ausbildung eines Sackloches innerhalb des Gewebebereiches führt.

Stand der Technik

In der modernen Gerätemedizin finden zunehmend Robotersysteme Einzug, mit denen es möglich ist, medizinische Instrumente zumindest halbautomatisch handzuhaben. Derartige Medizinrobotersysteme finden bereits bei der Durchführung chirurgischer Eingriffe Verwendung, insbesondere in Bereichen, in denen eine höchst präzise Handhabung der medizinischen Instrumente erforderlich ist, beispielsweise in der Mikrochirurgie und hier vornehmlich bei der Bearbeitung bzw. Behandlung von intrakorporalen Gewebebereichen, deren Bereichgrößen im Millimeterbereich oder gar darunter liegen, oder bei operativen Eingriffen in unmittelbarer Nähe lebenswichtiger Organbereiche, beispielsweise bei Eingriffen innerhalb der menschlichen Wirbelsäule oder des Gehirnbereichs, um nur einige hochsensible Körperbereiche zu nennen.
Bekannte Robotersysteme sind in der Lage chirurgische Instrumente, beispielsweise Instrumente zum gezielten Gewebeabtrag, um eine Vielzahl von Raumachsen zu bewegen und entsprechend zu positionieren. Ein besonderer Aspekt bei der Nutzung derartiger Systeme kommt der kontrollierten Bewegung bzw. Navigation des an einer Manipulatoreinheit eines Robotersystems angebrachten medizinischen Instrumentes zu, das relativ zu einem chirurgisch zu behandelnden extra- oder intrakorporalen Gewebebereich gezielt zu verfahren ist. Hierbei bedarf es größter Sorgfalt, zumal bereits durch kleinste Abweichungen längs einer idealen Bewegungstrajektorie, entlang der das Instrument zu bewegen ist, möglicherweise irreversible Schädigungen an benachbarten Gewebebereichen durch eine unsachgemäße Bedienung bzw. Bewegung des chirurgischen Instrumentes verursacht werden können. Dies spielt eine umso entscheidendere Rolle, sofern mit dem chirurgischen Instrument intrakorporale höchst sensible Gewebe- oder Nervenbereiche bearbeitet werden.
Bei bekannten Robotersystemen erfolgt die Bewegung eines am Robotersystem angebrachten chirurgischen Instrumentes mittels von einem Operateur bedienbaren Steuermittels, beispielsweise in Ausbildung eines oder mehrerer Joysticks oder sonstiger Bedienpanels, über die der Operateur eine Positionierung des chirurgischen Instrumentes unter visueller Überwachung, beispielsweise unmittelbar oder anhand eines Monitorsystems, vornehmen kann. In vielen Fällen werden derartige Systeme durchaus mit guten Behandlungsergebnissen eingesetzt.
Nachteilhaft bei diesen bekannten Medizin-Robotersystemen sind jedoch die überaus hohen Anforderungen in Bezug auf Konzentration und Erfahrung, die an den jeweiligen Arzt zu stellen sind, der sich einer derartigen Operationstechnik bedienen möchte. So bedarf es für den jeweiligen Arzt einer gewissenhaften und durchaus sehr langwierigen Trainingsphase mit einem derartigen Robotersystem, bevor er das System an einem zu behandelnden Patienten erfolgsversprechend anwenden kann.
Da sich die räumliche Anordnung bspw. von lebenswichtigen Nervensträngen oder auch Blutgefäßen von Mensch zu Mensch stark voneinander unterscheidet, ist es bislang nicht möglich einen allgemein gültigen Navigationsplan für Roboter-geführte chirurgische Instrumente anzugeben. Trotz hochentwickelter Gerätemedizin obliegt es bislang letztlich dem Arzt zu entscheiden, an welchen intrakorporalen Stellen und Bereichen ein chirurgischer Eingriff auch unter Verwednung hochtechnisierter Medizinroboter vorzunehmen ist.
In der Deutschen Patentanmeldung DE 101 52 127.8-35 sind eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur kontrollierten Navigation eines medizinischen Instrumentes relativ zu menschlichen oder tierischen Gewebebereichen beschrieben. Die in dieser Anmeldeschrift, zu der die vorliegende Patenanmeldung eine Zusatzanmeldung darstellt, beschriebene Vorrichtung sieht einen motorisch angetriebenen Manipulatorarm vor, bspw. der eines Chirurgieroboters, an dem ein chirurgisches Instrument angebracht ist, das relativ zu einem Gewebebereich bewegbar und positionierbar ist. Unmittelbar in Bewegungsrichtung dem chirurgischen Instrument vorgeschaltet ist ein Lichtstrahl auf den mit dem chirurgischen Instrument zu behandelnden Gewebeberich gerichtet, der das Gewebe optisch anzuregen vermag. Mit Hilfe einer Detektoreinrichtung wird das aus dem Gewebebereich austretende Licht, bspw. Fluoreszenzstrahlung, detektiert und mittels einer geeigneten Auswerteeinheit hinsichtlich qualitativer, stofflicher Gewebeeigenschaften bzw. nach Gewebeart charakterisiert. Befindet sich bspw. das chirurigische Instrument in Bewegungsrichtung unmittelbar vor einem hochsensiblen Nervenstrang, den es gilt unverletzt zu belassen, so sorgt nach entsprechender Detektion des Nervenstranges eine Steuereinheit dafür, dass der Bewegungsvorschub des chirurgischen Instrumentes unterbrochen wird. Mit Hilfe dieser Vorrichtung wird dem Arzt erstmalig ein Instrument an die Hand gegeben, durch das der Arzt bei der Durchführung entsprechender Eingriffe merklich entlastet wird, ohne dabei ein für den zu behandelnden Patienten erhöhtes Risiko in Kauf nehmen zu müssen.
Mit der vorstehend in Bezug genommenen Vorrichtung ist es vornehmlich möglich, Gewebebereiche flächig zu behandeln bzw. unter Einsatz eines geeigneten medizinischen Abtragewerkzeuges flächig abzutragen, indem das Abtragewerkzeug mittels parallelversetzter Linearbewegungen über den zu behandelnden Gewebebereich verfahren wird.
Gilt es jedoch einen Gewebeabtrag lokal an einer Stelle, sozusagen in die Gewebetiefe vorzunehmen, um bspw. ein Loch in einen Gewebebereich einzubringen, so bedarf es zusätzlicher Überlegungen für die Ausbildung einer geeigneten Vorrichtung, die Gegenstand der folgenden Ausführungen ist.

Darstellung der Erfindung

Es besteht daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zum kontrollierten lokalen Materialabtrag mit einem medizinischen Abtragewerkzeug, das einen materialabtragenden Wirkbereich aufweist und relativ zu einem menschlichen oder tierischen Gewebebereich derart führbar ist, dass der Materialabtrag zur Ausbildung eines Sackloches innerhalb des Gewebebereiches führt, derart anzugeben, dass der hierfür erforderliche chirurgische Eingriff nahezu autonom und ohne erhöhtes Patientenrisiko erfolgen kann. Insbesondere soll es möglich sein, senkrecht zur Oberfläche in die Gewebetiefe zu bohren und gleichzeitig Informationen über den Gewebetypus direkt unter dem Abtragewerkzeug zu erhalten. Letzlich gilt es, chirurgische Eingriffe, wie Bohren, Fräsen oder Laserbearbeitung sicherer und schnellerer durchführen zu können.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildenden Merkmale sind in den Unteransprüchen sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum kontrollierten lokalen Materialabtrag mit einem medizinischen Abtragewerkzeug, das einen materialabtragenden Wirkbereich aufweist und relativ zu einem menschlichen oder tierischen Gewebebereich derart führbar ist, dass der Materialabtrag zur Ausbildung eines Sackloches innerhalb des Gewebebereiches führt, zeichnet sich dadurch aus, dass eine Drehachse vorgesehen ist, um die das Abtragewerkzeug längs einer lateral von der Drehachse beabstandeten, in sich geschlossenen Trajektorie derart bewegbar ist, dass die Drehachse den materialabtragenden Wirkbereich stets schneidet. Hierdurch ist sichergetsellt, dass das Abtragewerkzeug pro Umrundung um die Drehachse längs seiner Trajektorie jegliches Gewebemateral abzutragen vermag, das sich zwischen der Drehachse und der Spur der Trajektorienbahn befindet.
Im einfachsten Fall bedeutet dies, dass ein als Fräskopf ausgebildetes Abtragewerkzeug, das sich auf einer Kreisbahn um eine durch den Mittelpunkt der Kreisbahn verlaufende Drehachse bewegt, einen Fräskopfradius aufweist, der zumindest dem Radius der Kreisbahn entspricht. Nur so kann sichergestellt werden, dass sämtliches Gewebematerial innerhalb der Kreisbahn vom Fräskopf erfasst und abgetragen wird.
Um ein in die Tiefe des Gewebematerials orientiertes Sackloch herzustellen ist das Abtragewerkzeug längs einer Linearchse relativ zum Gewebebereich absenkbar und/oder anhebbar gelagert.
Sowohl der Absenk- bzw. Anhebvorgang als auch die Bewegung des Fräskopfes längs der vorgebbaren Trajektorie um die Drehachse kann in einer bevorzugten Ausführungsform vollständig mittels eines Chirurgieroboters erfolgen. Alternativ ist es möglich zumindest den Bewegungsvorgang des Abtragewerkzeuges längs der Trajektorie um die Drehachse mittels einer geeigneten Kinematikeinheit zu realisieren auf die unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele gesondert Bezug genommen wird.
Um zu gewährleisten, dass der Materialabtrag innerhalb eines vorgebbaren Gewebebereiches selektiv und kontrolliert erfolgt und bei Erreichen bestimmter Gewebeübergänge, bspw. eine automatisch Unterbrechung des Abtragevorgangs vorgenommen werden kann, um bspw. lebenswichtige Nervenstränge vom Abtragevorgang gezielt auszunehmen und unverletzt zu belassen, ist wenigstens eine Lichtquelle oder zumindest eine von einer Lichtquelle emittierte Lichtstrahlung vorgesehen, die gemeinsam mit dem Abtragewerkzeug in Bewegungsrichtung des Abtragewerkzeugs längs der geschlossenen Trajektorie diesem vorgelagert und derart bewegbar ist, dass die Lichtstrahlung den in Bewegungsrichtung dem Abtragewerkzeug vorgelagerten Gewebebereich ausleuchtet. Mit Hilfe wenigstens einem Lichtdetektor (6) ist es möglich, das aus dem beleuchteten Gewebebereich austretende Licht wenigstens in einem spektralen Teilbereich zu detektieren. Die Lichtwellenlänge der Lichtstrahlung ist derart gewählt, dass in Wechselwirkung der Lichtstrahlung mit dem Gewebe Fluoreszenzstrahlung auftritt, deren spektrale Beschaffenheit für das beleuchtete Gewebe charakteristisch ist. Überdies tritt die Lichtstrahlung mit oberflächigen Gewebebereichen als auch mit Gewebeschichten unterhalb der Gewebeoberfläche in Wechselwirkung, die in etwa jenen Gewebebereichstiefen entsprechen, die vom Abtragewerkzeug erfasst werden. Somit kann sichergestellt werden, dass eben jene Gewebebereiche, die vom Abtragewerkzeug erfasst werden, berühungslos vor dem eigentlichen Abtragevorgang analysiert werden. Hierzu ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, die das detektierte Licht hinsichtlich der spektralen Zusammensetzung analysiert und dies mit Werten aus einer Referenzdatenbank vergleicht. Bei festgestellter Übereinstimmung zwischen dem detektierten, spektral analysierten Licht und den Referenzdaten erfolgt eine qualitative, stoffliche Gewebebestimmung des beleuchteten Gewebebereiches. Eine Steuereinheit stellt sicher, dass auf der Grundlage eines vorgebbaren Entscheidungskriteriums und der stofflichen Gewebebestimmung die Bewegung des Abtragewerkzeuges und somit der lokale Materialabtrag kontrolliert gesteuert wird.
Ist bspw. die Durchführung einer eindeutigen Gewebestimmung nicht möglich, da zum analysierten Licht korrespondierende Referenzdaten fehlen oder aber Gewebematerial eindeutig erkannt werden konnte, das jedoch gerade nicht abgetragen werden soll, bspw. im Falle von Nervensträngen, so wird der Matergialabtragevorgang unverzüglich abgebrochen, d. h. der Bewegungsvorschub des Abtragewerkzeugs sowie der gegen den abzutragenden Gewebebereich über das Abtragewerkzeug herrschende Anpressdruck werden unverzüglich gestoppt und das Abtragewerkzeug konrolliert vom Gewebebereich distanziert.
Zum Einbringen eines Sackloches innerhalb eines Gewebebereiches unter Massgabe, dass der Gewebeabtrag sicher und weitgehend autonom durchführbar ist, schraubt sich das Abtragewerkzeug quasi helikal längs einer, um eine Drehachse verlaufenden Trajektorie in den Gewebebereich hinein. Wie bereits erwähnt, ist die Trajektorie vorzugsweise kreisbahnförmig ausgebildet, doch sind auch von der Kreisbahn abweichende Trajektorien denkbar, wie bspw. längs dem Umfangsrand einer Ellipse. Der Gangunterschied, der sich bei der Position des Abtragewerkzeuges von einem Umlauf zum nächsten in Bezug auf die Eindringtiefe in das Gewebe ergibt, läßt sich durch den Anpressdruck steueren, doch sollte der Gangunterschied, der letzlich die Tiefenwirkung des Materialabtrages bestimmt, nicht viel größer als die Tiefenwirkung des auf den Gewebereich gerichteten Lichtstrahls sein, mit dem die Gewebeanalyse unmittelbar vor dem Materialabtrag durchgeführt wird.
Somit ist es erstmals möglich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung direkt in die Gewebetiefe zu bohren und gleichzeitig sicher zu sein, dass der Gewebetyp unterhalb des medizinischen Abtragewerkzeuges zuvor erkannt wird.
Eine bevorzugte Vorschubgeschwindigkeit v, mit der das Abtragewerkzeug gemeinsam mit dem, dem Abtragewerkzeug vorauseilenden Lichtstrahl in vertikaler Richtung in das Gewebe eingetrieben wird, ist vorzugsweise von der Umlauffrequenz f des Abtragewerkzeuges um die Drehachse sowie der Eindringtiefe z des Lichtsensors in das Gewebe abhängig. Für diesen Zusammenhang gilt:

v = f × z
So ist es mit der vorgeschlagenen Vorrichtung möglich, ein gewebeabtragendes medizinisches Instrument in Art eines Fräsers, Bohrers oder Lasers mit einer vorgebbaren Vorschubgeschwindigkeit v relativ zu einem abzutragenden Gewebebereich vertikal zu bewegen und gleichzeit dafür zu sorgen, dass jene Gewebebereiche unterhalb des medizinischen Abtragewerkzeuegs kontinuierlich detektiert werden. Erkennt das System bspw. einen in Bewegungsrichtung des Instruments bevorstehenden Übergang zwischen einer Gewebeart zu einer anderen, bspw. von Knochen zu einem Nervenstrang, so unterbricht die Steuereinheit abrupt den Bewegungsvorgang des medizinischen Instrumentes und verhindert auf diese Weise sicher eine womöglich irreparable Verletzung eines hochsensiblen Gewebebereiches.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt eine gesteuerte, überwachte räumliche Bewegung eines sich in vertikaler Richtung, bezogen auf eine Gewebeoberfläche, bewegenden medizinischen Abtragewerkzeuges vollkommen automatisch, ausschließlich auf der Grundlage einer qualitativen Unterscheidung und Zuordnung einzelner Gewebearten, die sich unterhalb des medizinischen Abtragewerkzeuges befinden. Damit eignet sich diese Vorrichtung vor allem für spanenden Abtrageprozesse, wie sie in der minimalinvasiven Chirurgie bspw. bei Knochenabtragungen vorkommen. Das System ermöglicht die Detektion und somit die Unterscheidung bestimmter Gewebearten während eines in vertikaler Richtung verlaufenden Abtragungsprozesses. So können bspw. Nerven oder Blutgefäße präzise und sicher von Knochen unterschieden werden, wodurch eine wesentliche und notwendige Voraussetzung für einen kontrollierten Gewebeabtrag geschaffen wird. Durch den ständigen Vergleich des detektieren, spektral analysierten Lichtes mit Werten aus einer Referenzdatenbank ist nicht nur eine prinzipielle Unterscheidung verschiedener Gewebestrukturen möglich, sondern vielmehr gestattet die Referenzdatenbank eine genaue Identifizierung der detektieren Gewebebereiche unterhalb des medizinischen Instrumentes.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematische Darstellung einer Vorrichtung zum lokalen Gewebeabtrag (Gegenstand der DE 101 52 127.8-35),
Fig. 2 Darstellung der Werkzeugbewegung bei vertikaler Vorschubbewegung eines medizinischen Abtragewerkzeuges und
Fig. 3 Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Fig. 1 ist eine stark schematisierte Vorrichtung zum lokalen Gewebeabtrag dargestellt, die in der DE 101 52 127.8-35 beschrieben ist und mit der ein flächiger kontrollierter Gewebeabtrag möglich ist. Beim kontrollierten Gewebeabtrag gilt es insbesondere den innerhalb des Gewebebereiches 2 befindlichen Nerv 7 zu detektieren und nicht zu verletzen.
Die Vorrichtung weist hierzu ein Abtragewerkzeug 1 auf, das vorzugsweise als Fräser, Bohrer oder als ein Medizinlaser ausgebildet ist, der relativ zu dem Gewebebereich 2 verfahrbar ist. Das Abtragewerkzeug 1 ist an einem Manipulatorarm 3 eines nicht weiter dargestellten Medizinroboters angebracht, der eine freie, dreidimensionale Positionierung des Roboterarms 3 sowie des damit verbundenen Abtragewerkzeug 1 ermöglicht. In der in Fig. 1 dargestellten Schemaskizze befinden sich der Roboterarm 3 und das damit verbundene Abtragewerkzeug in einer Linearbewegung längs des in der Figur eingezeichneten Bewegungspfeils 4.
Das Abtragewerkzeug befindet sich in der dargestellten Momentaufnahme in Eingriff mit dem Knochenmaterial 2, so dass dieses im lokalen Bereich des distalen Endes des Abtragewerkzeuges 1 abgetragen wird. Ferner ist am Manipulatorarm eine Lichtquelle 5 vorgesehen, die jenen Gewebebereich mit Licht bestrahlt, der dem distalen Ende des medizinischen Instrumentes 1 in Bewegungsrichtung vorgelagert ist. Das aus der Lichtquelle 5 emittierte Licht vermag das Gewebematerial 2 derart anzuregen, so dass es gewebeeigene Farbstoffe, sogenannte Fluorophoren zum Aussenden von Autofluoreszenzstrahlung anregt, die durch eine ebenso am Manipulatorarm 3 angebrachte Detektionseinheit 6 in geeigneter Weise detektiert wird. Die vorzugsweise aus einer oder mehreren Photodioden und eventuell mehreren Filterelementen bestehende Detektionseinheit 6 vermag die Autofluoreszenzstrahlung spektral aufgelöst zu detektieren, die im weiteren mit Hilfe einer nicht in Fig. 1 dargestellten Auswerteeinheit spektral analysiert und mit Hilfe einer geeigneten Referenzdatenbank verglichen wird. Wird dabei festgestellt, dass das unmittelbar in Abtragerichtung befindliche Gewebematerial aus Knochenmaterial besteht, wie es zu dem in Fig. 1 dargestellten Zeitpunkt der Fall ist, so bewegt sich der Manipulatorarm 3 und das damit verbundene medizinische Instrument 1 ungehindert in Bewegungsrichtung fort. Nähert sich jedoch das als Abtragewerkzeug ausgebildete medizinische Instrument 1 dem innerhalb des Gewebematerials 2 befindlichen Nerv 7 in einer Weise, so dass das auf die Gewebeoberfläche auftreffende Licht der Lichtquelle 5 zugleich auch Autofluoreszenzeffekte innerhalb des Gewebematerials des Nervs 7 hervorruft, die von der Detektionseinheit 6 entsprechend detektiert und von der Auswerteeinheit entsprechend als für einen Nerv charakteristische Fluoreszenzlicht erkannt wird, so wird sofort die Vorwärtsbewegung des medizinischen Instrumentes unterbrochen, so dass der Nerv nicht verletzt wird.
Da sich Nervenstränge nicht in einem unmittelbaren Kontakt zum Knochenmaterial befinden, sondern in entsprechend als Hohlkanälen ausgebildeten Nervenkanälen verlaufen, ist stets eine rechtzeitige Detektion des sich in Bewegungsrichtung dem medizinischen Instrument vorgelagerten Gewebebereiches gewährleistet.
Mit der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist eine flächige Gewebematerialabtragung möglich. Besteht hingegen der Wunsch nach dem Einbringen eines Sackloches in einen Gewebereich, das sich auf möglichst kleinster Gewebefläche vertikal in den Gewebereich erstrecken soll, so bedarf es weiterer, über die in Fig. 1 gezeigten hinausgehender Massnahmen, die diesem Wunsch gerecht werden.
Hierzu werden gemäß Fig. 2 das Abtragewerkzeug 1 gemeinsam mit einem Lichtstrahl 5' relativ zu einem Gewebebereich 2 längs einer Kreisbahn 8 um die Drehachse D verfahren. Entscheidend ist die Größe des durch das Abtragewerkzeug 1 innerhalb des Gewebebereiches 2 verursachten materialabtragenden Wirkbereichs 9, der bspw. bei Verwendung eines Fräskopfes dem Fräskopfquerschnitt entspricht. Um zu gewährleisten, dass der gesamte Gewebebereich innerhalb der Kreisbahn 8 vom Abtragewerkzeug 1 nach einer vollständigen Umdrehung um die Drehachse D erfasst und entsprechend abgetragen wird, ist der Durchmesser d der Kreisbahn 8 in folgender Weise zu wählen: d/2 ≤ r_Ab, wobei rAb der Radius des materialabtragenden Wirkbereichs, also im Falle eines runden Fräskopfes dem Fräskopfradius r_Ab entspricht.
Der Lichtstrahl 5' eilt in Bewegungsrichtung längs der Kreisbahn 8 dem Abtragewerkzeug 1 voraus, so dass noch bevor das Abtragewerkzeug 1 die entsprechende beleuchtete Gewebestelle erfasst diese, wie vorstehend beschrieben, analysiert werden kann. Auf diese Weise erfasst das Abtragewerkzeug 1 zu keinem Zeitpunkt eine Gewebestelle, die nicht zuvor analysiert worden ist. Somit ist es möglich auf kleinster Gewebefläche kontrolliert in die "Tiefe" zu bohren und dabei stets sicher zu sein, dass der Gewebtyp unter dem Abtragewerkzeug kurz zuvor erkannt worden ist.
In Fig. 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung dargestellt. Ein Antriebsmotor 10 ist über eine Welle 11 drehfest mit einer Scheibe 12 verbunden, so dass die Scheibe 12 bei Betrieb des Motors 10 um die Welle 11, die zugleich die Drehachse D darstellt, dreht.
Koparallel zur Welle 11, aber von dieser kinematisch entkoppelt, ist ein Hohlzylinder 13 angeordnet, der über einen Zahnriemen 14 mit einem zweiten Motor 15 verbunden ist. Über einen zweiten Zahnriemen 16 ist ein Fräser 17 mit dem Hohlzylinder 13 verbunden, der, wie aus Fig. 3 ersichtlich, von dem Motor 15 in Rotation um seine eigene Fräserachse versetzbar ist.
Beim Betrieb beider Motoren 10 und 15, dreht sich der rotierende Fräser 17 um die Drehachse D bzw. Welle 11. Ein Lichtleiter 18 durchragt zusätzlich die Scheibe 12 derart, dass der aus dem Wellenleiter 18 austretende Lichtstrahl 5' eben jenen Gewebebereich beleuchtet, der in Bewegungsrichtung um die Welle 11 bzw. Drehachse D dem Fräser 17 vorgelagert ist. Das Licht enstammt aus der Lichtquelle 5. Der Lichtleiter 18 dient im gezeigten Ausführungsbeispiel zugleich auch als Wellenleiter, der das von dem Gewebebereich ausgesandte Licht erfasst und an eine Detektoreinheit 19 weiterleitet. Die Strahlaufteilung zwischen der aus der Lichtquelle 5 kommenden Lichtstrahlung und dem zu detektierenden Licht erfolgt mit Hilfe eines Strahlteilers 5". Hier wird das Licht zusammen mit einer Auswerteeinheit 20 detektiert und ausgewertet und in Abhängigkeit eines Entscheidungskriteriums die Steuereinheit 21 angesteuert, die u. a. mit den Motoren 10 und 15 in Verbindung steht.
Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung ist vorzugsweise an den Manipulatorarm eines Chirurgieroboters anbringbar, der die Vorrichtung gegen einen zu bohrenden Gewebebereich verfährt und somit die Eindringtiefe des Abtragewerkzeuges in den abzutrageneden Gewebebereich bestimmt. Auch die steuerbare Kinematik des Roboters ist durch die Steuereinheit ansteuerbar. Bezugszeichenliste 1 Abtragewerkzeug
2 Gewebematerial
3 Manipulatorarm
4 Bewegungsrichtung
5 Lichtquelle
5' Lichtstrahl
5" Strahlteiler
6 Detektionseinheit
7 Nerv
8 Kreisbahn
9 materialabtragender Wirkbereich
10 Motor
11 Welle
12 Scheibe
13 Hohlzylinder
14 Zahnriemen
15 Motor
16 Zahnriemen
17 Fräser
18 Lichtleiter
19 Detektor
20 Auswerteeinheit
21 Steuereinheit
D Drehachse

Claims

1. Vorrichtung zum kontrollierten lokalen Materialabtrag mit einem medizinischen Abtragewerkzeug (1), das einen materialabtragenden Wirkbereich (9) aufweist und relativ zu einem menschlichen oder tierischen Gewebebereich (2) derart führbar ist, dass der Materialabtrag zur Ausbildung eines Sackloches innerhalb des Gewebebereiches (2) führt, dadurch gekennzeichnet,

- dass eine Drehachse (D) vorgesehen ist, um die das Abtragewerkzeug (1) längs einer lateral von der Drehachse (D) beabstandeten, in sich geschlossenen Trajektorie (8) derart bewegbar ist, dass die Drehachse (D) den materialabtragenden Wirkbereich (9) stets schneidet,

- dass das Abtragewerkzeug (1) längs einer Linearchse relativ zum Gewebebereich absenkbar und/oder anhebbar ist,

- dass wenigstens eine Lichtquelle (5) oder zumindest eine von einer Lichtquelle emittierte Lichtstrahlung (5') vorgesehen ist, die gemeinsam mit dem Abtragewerkzeug (1) in Bewegungsrichtung des Abtragewerkzeugs (1) längs der geschlossenen Trajektorie (8) diesem vorgelagert und derart bewegbar ist, dass die Lichtstrahlung (5') den in Bewegungsrichtung dem Abtragewerkzeug (1) vorgelagerten Gewebebereich (2) ausleuchtet,

- dass wenigstens ein Lichtdetektor (6, 19) vorgesehen ist, der das aus dem beleuchteten Gewebebereich austretende Licht wenigstens in einem spektralen Teilbereich detektiert,

- dass eine Auswerteeinheit (20) vorgesehen ist, die das detektierte Licht spektral analysiert, mit Werten aus einer Referenzdatenbank vergleicht und bei Übereinstimmung zwischen dem detektierten spektral analysierten Licht und den Referenzdaten eine qualitative stoffliche Gewebebestimmung des beleuchteten Gewebebereiches durchführt, und

- dass eine Steuereinheit (21) vorgesehen ist, die auf der Grundlage eines vorgebbaren Entscheidungskriteriums und der stofflichen Gewebebestimmung die Bewegung des Abtragewerkzeuges (1) und somit den lokalen Materialabtrag steuert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die geschlossene Trajektorie (8) eine Ebene aufspannt, die senkrecht zur Drehachse (D) orientiert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trajektorie (8) eine Kreis- oder Elipsenbahn ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragewerkzeug (1) ein Fräser mit einem Fräskopf oder ein Bohrer mit einem Bohrkopf ist, dessen materialabtragender Wirkbereich (9) rotationssymmetrisch ausgebildet und einen Radius aufweist, der größer oder gleich dem Maximalabstand zwischen Drehachse (1) und Trajektorie (8) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragewerkzeug (1) um eine Rotationsache rotiert, die längs der Trajektorie (8) führbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragewerkzeug (1) in Art eines Messers oder Laser ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Lichtstrahlung (5') beleuchtete Gewebebereich eine relativ zur Drehachse (D) bezogene radiale Erstreckung aufweist, die wenigstens der radialen Erstreckung des materialabtragenden Wirkbereiches (9) entspricht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (5) Licht mit einer Wellenlänge oder einem Wellenlängenspektrum emittiert, das bei Beleuchtung menschlichen oder tierischen Gewebes Autofluoreszenz hervorruft, und dass die von dem Gewebe emittierte Fluoreszenzstrahlung vom Lichtdetektor (6, 19) empfangen und von der Auswerteeinheit (20) unter Verwendung der Referenzdatenbank, in der für unterschiedliche Gewebetypen charakteristische Fluoreszenzstrahlung oder -spektren abgelegt sind, stofflich klassifizierbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Entscheidungskriterium eine Detektion einer bestimmten Gewebeart ist, und dass die Steuereinheit (21) bei Eintreten des der Entscheidung zugrundeliegenden Kriteriums den Materialabtragevorgang unterbricht und/oder geändert fortsetzt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtragewerkzeug (1) an einen Manipulatorarm einer roboterunterstützten Handhabungseinheit angebracht ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Handhabungseinheit ein Medizinroboter ist.