DE19512957A1

DE19512957A1 - Kinematic for medical engineering units e.g. X ray image amplifying system

Info

Publication number: DE19512957A1
Application number: DE19512957A
Authority: DE
Inventors: Othmar Wess
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-04-10
Filing date: 1995-04-10
Publication date: 1996-10-17

Abstract

The trapezium system has different side lengths. Two oppositely lying sides of the trapezium are swivel arms of the same length. At least one of the trapezium sides (distance of joints) is adjustable in length. So that the position of the swivel centre can be moved. The system is fixed at a carrier, which facilitates the adjustment of the system in space. The system is arranged rotationally in space. A camera system can be swivelled with this kinematic. An operation zone illumination can be swivelled using this system. Medical instruments can be swivelled with this system.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kinematik für medizintechnische Geräte gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a kinematics for medical devices according to the preamble of Claim 1.

Bei verschiedenen medizintechnischen Einrichtungen wird häufig ein Zugang aus verschiedenen wechselnden Richtungen zu einem Zielort gefordert. In der Regel befindet sich der Patient, das Operationsgebiet oder z. B. ein Körperkonkrement in einem räumlich definierten Zentrum. Operationsinstrumente, Röntgenstrahlen, Ultraschall, Stoßwellen, OP-Feldbeleuchtung etc. werden auf dieses Zentrum gerichtet. Unter Beibehaltung des Zielgebietes wechselt die Zugangsrichtung je nach Anwendungsfall. Als Beispiele seien hier genannt die orbitale Bewegung einer OP- Lampe, die am Kopf des Operateurs vorbei das Operationsfeld bestrahlt, die Bewegung von Instrumenten um die Einstichstelle herum bei laparoskopischen Verfahren oder die Röntgendarstellung eines Körperbereiches unter unterschiedlichen Projektionsrichtungen. Gerade das letztgenannte Beispiel ist von Interesse für die Steinlokalisation zum Zweck der extrakorporal induzierten Lithotripsie durch Druck- oder Stoßwellen. Hier, wie bei den meisten anderen Anwendungsgebieten, ist es nicht von Bedeutung, ob der Wechsel der Projektionsrichtungen streng isozentrisch oder nur angenähert isozentrisch erfolgt. Häufig reicht es aus - wie auch in dem oben genannten Beispiel der Röntgenlokalisation - wenn in zwei Richtungen, die beispielsweise um 30° voneinander abweichen, ein Isozentrum vorhanden ist.Access is often blocked at various medical technology facilities different changing directions to a destination. Usually is the patient, the operating area or z. B. a body stone in a spatially defined center. Surgical instruments, x-rays, Ultrasound, shock waves, surgical field lighting etc. are on this center directed. While maintaining the target area, the direction of access changes depending on Use case. Examples include the orbital movement of an OR Lamp that illuminates the operating field past the head of the surgeon Movement of instruments around the puncture site in laparoscopic Procedure or the X-ray representation of a body area under different Projection directions. The latter example is of particular interest to the Stone localization for the purpose of extracorporeally induced lithotripsy by pressure or shock waves. Here, like most other areas of application, it is not important whether the change of projection directions is strictly isocentric or is only approximately isocentric. Often it is enough - as in the above cited example of X-ray localization - if in two directions, the for example, deviate from each other by 30 °, an isocenter is present.

Das Problem bei derartigen Anwendungen ist, daß das Zielgebiet selbst von jeglichen mechanischen Bauelementen, wie Lager, Gelenken etc. freigehalten werden muß, da der Patient oder das Operationsgebiet diesen Raum beanspruchen. Mit anderen Worten kann man von einem "virtuellen Gelenk" sprechen.The problem with such applications is that the target area itself is any mechanical components, such as bearings, joints, etc. must be kept free because the patient or the operating area occupy this space. With others Words can be spoken of a "virtual joint".

Gebräuchlich sind heute verschiedene C-Bogenkonfigurationen, die eine orbitale Bewegung um ein festes Zentrum herum zulassen. Solche Konstruktionen sind aufwendig und daher teuer und haben häufig auch ein wenig gut definiertes Isozentrum. Gewisse Gelenkarmkonstruktionen (Roboterarme) können ebenfalls verwendet werden, wobei auch hier ein erheblicher mechanischer und steuerungstechnischer Aufwand notwendig ist.Various C-arm configurations are customary today, one orbital Allow movement around a fixed center. Such constructions are complex and therefore expensive and often have a little well-defined Isocenter. Certain articulated arm designs (robotic arms) can also are used, here also a considerable mechanical and control engineering effort is necessary.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine einfache und technisch weniger aufwendige Anordnung zu entwickeln, die zwei oder mehrere orbitale Einstellwinkel besitzt, die dasselbe Projetionszentrum aufweisen. Das Projektions- oder Isozentrum selbst soll dabei frei bleiben, um den Patienten dort plazieren zu können. Für andere Einstellwinkel soll die Zielprojektion nur wenig vom Isozentrum abweichen. The invention is based on the object, a simple and technically less elaborate arrangement to develop the two or more orbital setting angles has the same projection center. The projection or isocenter The patient himself should remain free to place the patient there. For others Angle of incidence, the target projection should deviate only slightly from the isocenter.

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird.The invention is hereinafter without limitation general inventive concept based on execution examples with reference to the drawing exempla risch described on the rest of the Revelation of all not explained in the text explicitly referenced details becomes.

In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder ent sprechende Teile mit den selben Bezugs Zeichen bezeich net, so daß auf eine erneute Vorstellung verzichtet wird, und lediglich die Abweichungen der in diesen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert werden.In the following figures are the same or ent speaking parts with the same reference numerals net, so that there is no renewed performance and only the deviations in these Embodiments shown opposite figures the first embodiment will be explained.

Die Lösung wird an Hand der nachstehenden Figuren erläutert. In Fig. 1 ist eine mögliche Anordnung für eine in drei Projektionen isozentrisch arbeitende Röntgen- Bildverstärkeranlage dargestellt. An einem Tragarm 1, an dessen Form keine besonderen Ansprüche gestellt werden müssen, ist z. B. im unteren Bereich ein Röntgenstrahler 2 montiert und am oberen Ende ein Bildverstärkersystem 3. Der Zentralstrahl 10 der Anordnung geht durch ein Isozentrum 4. Die Tragarmanordnung 1 ist fest mit einer Trägerstruktur 8 verbunden. Über die beweglichen Arme 9 hängt das Tragarmsystem 1 in dem am Boden verankerten Gestell 5. Die im Gestell 5 fest angeordneten Gelenke 6 bilden mit den beweglichen Armen 9 und der Trägerstruktur 8 ein trapezförmiges Gebilde, das auf Grund der Gelenke 7 um die Gelenke 6 herum geschwenkt werden kann. Bei einer symmetrisch zur vertikalen Achse angeordneten Gelenkkonfiguration (wie in Fig. 1 dargestellt) lassen sich neben der vertikalen Achse zwei symmetrisch gelegene Auslenkungen finden, bei denen sich die Projektionsachsen 10 im Isozentrum 4 schneiden. Das Isozentrum 4 läßt sich damit in drei getrennten Richtungen exakt auf dem Zentralstrahl erfassen, wobei eine räumlich eindeutige Zuordnung bereits mit zweien der drei möglichen Richtungen gegeben ist.The solution is explained using the figures below. In Fig. 1 shows a possible arrangement for a isocentrically working in three projections X-ray image intensifier is shown plant. On a support arm 1 , on the shape of which no special claims have to be made, for. B. an X-ray emitter 2 is mounted in the lower region and an image intensifier system 3 at the upper end. The central beam 10 of the arrangement passes through an isocenter 4 . The support arm arrangement 1 is firmly connected to a support structure 8 . The support arm system 1 hangs in the frame 5 anchored to the floor via the movable arms 9 . The joints 6 fixedly arranged in the frame 5 , together with the movable arms 9 and the support structure 8, form a trapezoidal structure which can be pivoted around the joints 6 due to the joints 7 . With a joint configuration arranged symmetrically to the vertical axis (as shown in FIG. 1), two symmetrical displacements can be found in addition to the vertical axis, in which the projection axes 10 intersect in the isocenter 4 . The isocenter 4 can thus be detected exactly in three separate directions on the central beam, a spatially unambiguous assignment already being given with two of the three possible directions.

Bei anderen Auslenkungen, die von den oben genannten ausgezeichneten Richtungen abweichen, durchläuft der Zentralstrahl der geschwenkten Anordnung ein Zielgebiet, das nahe dem Isozentrum 4 liegt. Ein im Isozentrum 4 befindliches Ziel bleibt somit auch während des Schwenks der Durchleuchtungsanlage im mittleren Bildbereich sichtbar, wobei die Abweichung von der exakten Bildmitte nur gering ist. Dies ist z. B. dann von Bedeutung, wenn wegen unübersichtlicher anatomischer Verhältnisse oder wegen eines schwachen Bildkontrastes das Ziel in einer anderen Projektion nur schwierig zu identifizieren ist.With other deflections that deviate from the above-mentioned excellent directions, the central beam of the pivoted arrangement passes through a target area that is close to the isocenter 4 . A target located in the isocenter 4 thus remains visible in the middle image area even when the fluoroscopy system is being pivoted, the deviation from the exact image center being only slight. This is e.g. B. important if the target is difficult to identify in another projection due to confusing anatomical conditions or because of a weak image contrast.

Mit einer derartigen Anordnung lassen sich leicht quasi-isozentrische Schweiikbereiche von 60°-100° und darüber hinaus erreichen.With such an arrangement, quasi-isocentric can be easily Reach welding ranges from 60 ° -100 ° and beyond.

Fig. 2 zeigt eine entsprechende Anordnung in einem ausgeschwenkten Zustand. Fig. 2 shows a corresponding arrangement in a pivoted-out state.

Auf der Basis dieser geometrischen Anordnung läßt sich z. B. durch die Montage eines Therapiekopfes 11 auf dem Gestell 5 ein Therapiesystem entwickeln, bei dem die genaue Lage des Therapiezentrums mittels der isozentrischen Röntgenortungskinematik kontrolliert und mit dem Zielobjekt zur Deckung gebracht werden kann. Der Patient 13 liegt dabei auf einer Liege 12, wobei die Liege 12 relativ zum Therapiezentrum 4 justiert werden kann. Dabei ist es unerheblich, ob sich die Liege in Bezug auf das Therapiezentrum bewegt oder umgekehrt. Auch sind gemischte Bewegungen beider Komponenten möglich, z. B. die Liege in vertikaler und die Therapieeinheit zusammen mit dem Ortungssystem in horizontaler Richtung.On the basis of this geometric arrangement, z. B. by mounting a therapy head 11 on the frame 5 develop a therapy system in which the exact location of the therapy center can be controlled by means of the isocentric X-ray locating kinematics and can be brought into line with the target object. The patient 13 lies on a couch 12 , whereby the couch 12 can be adjusted relative to the therapy center 4 . It is irrelevant whether the couch moves in relation to the therapy center or vice versa. Mixed movements of both components are also possible, e.g. B. the couch in the vertical and the therapy unit together with the location system in the horizontal direction.

In Fig. 3 ist z. B. ein Lithotripsiesystem mit Röntgenortungseinrichtung dargestellt, wobei der Therapiekopf selbst in eine Parkposition geschwenkt werden kann. Der Vorteil einer solchen Anordnung z. B. als Lithotriptor ist, daß die Röntgeneinrichtung mechanisch eng mit dem Therapiekopf verbunden ist und damit eine hohe Genauigkeit der Übereinstimmung vom Isozentrum des Röntgensystems mit dem Therapiezentrum gewährleistet werden kann.In Fig. 3 z. B. a lithotripsy system with X-ray locating device, wherein the therapy head itself can be pivoted into a parking position. The advantage of such an arrangement z. B. as a lithotriptor is that the X-ray device is mechanically closely connected to the therapy head and thus a high accuracy of correspondence from the isocenter of the X-ray system with the therapy center can be guaranteed.

Fig. 4 zeigt z. B. eine andere Ansicht eines solchen Lithotriptersystems. Fig. 4 shows z. B. another view of such a lithotripter system.

Eine weitere Ausführungsform besteht darin, daß der Abstand der Gelenke 6 oder der die Gelenke 7 verbindende Arm 8 verstellbar ist. Durch die Veränderung der Gelenkabstände 6 oder 7 kann die Lage des Isozentrums auf der vertikalen Symmetrieachse, dem Zentralstrahl 10 den Anforderungen entsprechend gewählt werden.Another embodiment is that the distance between the joints 6 or the arm 8 connecting the joints 7 is adjustable. By changing the joint spacing 6 or 7 , the position of the isocenter on the vertical axis of symmetry, the central beam 10 , can be selected according to the requirements.

Eine weitere mögliche Anwendung dieser Kinematik ergibt sich z. B. auch auf dem Gebiet der minimal invasiven Therapie oder "Schlüssellochchirurgie". Bei laparoskopischen Interventionen im Bauchraum z. B. werden in der Regel mehrere Einstiche vorgenommen, wobei ein Zugang für ein bildgebendes Verfahren benötigt wird. Zur Darstellung verschiedener Bereiche des Bauchraumes wird die Optik oder das Video-Kamerasystem um die ortsfeste Einstichstelle herum "isozentrisch" geschwenkt um den jeweils interessierenden Operationsbereich darzustellen. Da der Operateur üblicherweise mit zwei Instrumenten in je einer Hand gleichzeitig arbeitet, muß eine zweite Person die Kameraführung übernehmen. Neben dem erhöhten Personalaufwand ist damit auch eine Einschränkung der Platzverhältnisse verbunden. Es besteht nun z. B. die Möglichkeit, einen Gelenkarm mit mehreren Gelenken zur Kameraführung (oder auch zur Führung der Instrumente) zu verwenden und rechnergesteuert so zu bewegen, daß alle Bewegungen isozentrisch um die ortsfeste Einstichstelle herum ausgeführt werden. Der steuerungstechnische Aufwand ist jedoch erheblich, insbesondere wenn aus naheliegenden Gründen andere Bewegungen sicherheitstechnisch absolut ausgeschlossen werden müssen.Another possible application of this kinematics arises, for. B. also on the Field of minimally invasive therapy or "keyhole surgery". At laparoscopic interventions in the abdominal cavity z. B. are usually several Punctures were made, which required access for an imaging procedure becomes. To display different areas of the abdominal cavity, the optics or the video camera system around the fixed puncture site isocentric panned to represent the area of operation of interest. Since the Surgeon usually works with two instruments in one hand at a time, a second person has to take over the camera work. In addition to the elevated Personnel expenses are also associated with a restriction of the space available. There is now z. B. the possibility of an articulated arm with several joints Use camera tracking (or to guide the instruments) and to move computer controlled so that all movements are isocentric around the stationary Puncture site around. The control engineering effort is, however considerable, especially if for obvious reasons other movements absolutely must be excluded in terms of safety.

Eine mögliche Lösung ist z. B. in der in Fig. 5 dargestellten Anordnung gegeben. Auf einer Liege 12 ist ein Patient 13 gelagert. An der Einstichstelle 4 ist ein bildgebendes System eingeführt über das das Operationsfeld 14 dargestellt wird. Unabhängig können die Instrumente 15 vom Operateur mit beiden Händen bewegt werden. Die "isozentrisch" arbeitende Kameraaufhängung selbst ist z. B. an der Decke (oder an der Liege) befestigt und grob in den Arbeitsbereich justierbar. Dazu dient eine einfache Gelenkarmkonstruktion 16, die in bekannter Weise als an der Liege befestigtes Stativ oder als Deckenstativ in der Medizintechnik häufig Verwendung findet.A possible solution is e.g. B. given in the arrangement shown in Fig. 5. A patient 13 is supported on a couch 12 . An imaging system is introduced at the puncture site 4 , via which the operating field 14 is shown. The surgeon can independently move the instruments 15 with both hands. The "isocentric" camera suspension itself is such. B. attached to the ceiling (or on the couch) and roughly adjustable in the work area. For this purpose, a simple articulated arm construction 16 is used , which is often used in a known manner as a stand attached to the bed or as a ceiling stand in medical technology.

In einer weiterführenden Ausprägung der Erfindung können sowohl Längsverstellungen 17 in axialer Richtung der Kameraaufhängung als auch Rotationsgelenke 18 eingefügt werden, die eine dreidimensionale Bewegung des bildgebenden Systems um die Einstichstelle 4 herum ermöglichen. Der Vorteil einer solchen Anordnung besteht darin, daß sie platzsparend und einfach zu bedienen ist (z. B. benötigt sie keinerlei Rechnersteuerung) und dabei patientengefährdende Bewegungen nahezu ausgeschlossen werden können.In a further embodiment of the invention, both longitudinal adjustments 17 in the axial direction of the camera suspension and rotary joints 18 can be inserted, which enable three-dimensional movement of the imaging system around the puncture site 4 . The advantage of such an arrangement is that it is space-saving and easy to use (for example, it does not require any computer control), and movements that endanger the patient can be virtually excluded.

Die "isozentrische" Steuerung des Systems kann z. B. direkt durch Kopfbewegungen des Operateurs erfolgen ohne die handgeführten Instrumente ablegen zu müssen. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von Sensoren, die z. B. die Kopfbewegung des Operateurs erfassen und synchron eine Nachführung der Kamera bzw. der Instrumente bewirken.The "isocentric" control of the system can e.g. B. directly by head movements of the surgeon without having to remove the hand-held instruments. A Another possibility is the use of sensors that, for. B. the head movement of the surgeon and synchronously tracking the camera or the Effect instruments.

Claims

1. Kinematics for medical devices, which allows to pivot physical components around a center without being stored in the center itself, characterized in that the pivoting device is realized by swivel arms which are arranged in fixed and movable bearings and a Represent trapezoidal arrangement.

2. Kinematics according to claim 1, characterized in that the trapezoidal arrangement has different side lengths.

3. Kinematics according to claim 1, characterized in that two opposite Represent sides of the trapezoidal swivel arms of the same length.

4. Kinematics according to claim 3, characterized in that at least one of the Trapezoidal sides (distance of the joints) is adjustable in length, which makes the location of the swivel center can be moved.

5. Kinematics according to one of the preceding claims, characterized in that the arrangement is attached to a carrier, which the adjustment of the arrangement in Allows space.

6. Kinematics according to one of the preceding claims, characterized in that the arrangement is rotatably arranged in space.

7. Kinematics according to one of the preceding claims, characterized in that an X-ray imaging device is pivoted with the arrangement.

8. Kinematics according to one of the preceding claims, characterized in that a camera arrangement with this kinematics is pivoted.

9. Kinematics according to one of the preceding claims, characterized in that operating field lighting is pivoted with this arrangement.

10. Kinematics according to one of the preceding claims, characterized in that medical instruments can be pivoted with this arrangement.

11. Kinematics according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier arrangement has an axial length adjustment.

12. Kinematics according to one of the preceding claims, characterized in that a therapy unit is connected to it.

13. Kinematics according to one of the preceding claims, characterized in that the therapy unit is a lithotriptor.

14. Kinematics according to one of the preceding claims, characterized in that the therapy unit can be moved out of the central area.