DE19638801A1

DE19638801A1 - Führungsmechanismus auf der Grundlage eines Vielgelenkes, bevorzugt für die Minimal Invasive Chirugie

Info

Publication number: DE19638801A1
Application number: DE19638801A
Authority: DE
Inventors: Joerg Dr Mueglitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-09-20
Filing date: 1996-09-20
Publication date: 1998-04-02
Anticipated expiration: 2016-09-21
Also published as: DE19638801C2

Description

Die Erfindung betrifft einen miniaturisierten Führungsmechanismus zur Bewegung eines Werkzeu ges, bevorzugt eines chirurgischen Instrumentes, in der Minimal Invasiven Chirurgie (MIC). Dabei wird das Instrument, befestigt an einem stangenartigen Schaft, durch kleine, natürliche oder künst liche Körperöffnungen in den Körper des Patienten eingeführt, um dort Manipulationen vorzu nehmen. Es können entsprechend große Handhabungskräfte übertragen werden, weil eine hohe Steifigkeit des Mechanismus und ein geringes Übersetzungsverhältnis erzielt wird.

Miniaturisierbare Vielgelenk-Mechanismen werden in DE-GM 94 16 957 und der DE-PS 44 15 057 beschrieben. Weitere, von der Struktur her mit der in der DE-GM 94 16 957 beschriebenen iden tisch, beinhalten die Schriften DE 31 35 088, DE 31 45 891 und DE 32 22 299.

In der DE-PS 44 15 057 wird ein modulares ebenes Koppelgetriebe beschrieben für einen in einer Ebene schwenkbaren Vielgelenkmechanismus. Da sich alle Glieder in einer Ebene bewegen, dürfen sie sich nicht kreuzen, wofür ein geeignetes kinematisches Schema gefunden wurde. Bei konstruk tiven Lösungen im Anwendungsfalle ist die Suche eines Optimums zwischen der Steifigkeit der Getriebeglieder und der Beweglichkeit des Vielgelenkes mit einem erheblichen Aufwand verbun den. Derartige Vielgelenkmechanismen kommen als steuerbare Instrumente in der MIC zur An wendung. Um die Bewegungsfreiheit des Effektors zu ermöglichen, können derartige Mechanis men bei entsprechender Anzahl der Getriebeglieder um +/- 180° abgewinkelt werden. Der Me chanismus wird außerdem um seine Längsachse rotierend angeordnet. Ein Vielgelenkmechanismus gemäß oder in Anlehnung an die DE-PS 44 15 057 erhöht die Bewegungsfreiheit in der MIC gegenüber herkömmlichen Instrumenten. Der Entwurf der konstruktiven Gestaltung ein Kompromiß zwischen Kollisionsfreiheit und Steifigkeit.

Die Lösung gemäß DE-GM 94 16 957 beschreibt einen vielgliedrigen Gelenkmechanismus, wel cher ebenfalls in einer Ebene schwenkbar ausgeführt ist. Auch hier steht wieder die Aufgabe des Hantierens in schwer zugänglichen Räumen mit einem gewissen Kraftaufwand. Eine angefahrene Schwenkposition soll auch unter Belastung einhaltbar sein.

Mit vier hintereinander gekoppelten Teilgetrieben wird ein Schwenken um einen Winkel von 180° erreicht. Das bedeutet, daß je Teilgetriebe eine Antriebsschwenkbewegung von lediglich 45° er reicht wird. Zu diesem DE-GM 94 16 957 ist festzustellen, wie auch zu den bereits anfangs nur genannten Patentschriften, daß damit ein verhältnismäßig großes Übersetzungsverhältnis gegeben ist und damit das Hantieren erschwert wird.

Zusammenfassend kann bisher gesagt werden, daß mit den bisherigen Entwicklungen, auf die sich u. a. die vorher kurz genannten Schriften stützen, bedeutende Fortschritte bei der MIC möglich sind.

Entsprechend der Aufgabe der Erfindung soll die Beweglichkeit bei der MIC weiter erhöht werden und es sollen gleichzeitig jedoch vergleichbare große Kräfte übertragen werden können (einige Newton). Bei wechselnden Kraftfeldern darf sich das Vielgelenk nicht merklich verformen, es muß also eine hohe Steifigkeit besitzen.

Es wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, eine nichtebene Mechanismenstruktur zu schaffen, die dem Vielgelenk zugrunde liegt.

Das Vielgelenk bildet das Ende eines minimal invasiven chirurgischen Instrumentes. Auf sein proximales Ende folgt der zylindrische Instrumentenschaft, der (bei handbetätigten Instrumenten) in einem zangenartigen Handgriff endet. Das distale Ende ist mit dem Arbeitsorgan, also bei spielsweise einem miniaturisierten Greifer, verbunden. Gemäß kennzeichnenden Teil des 1. Patentanspruches betrifft die Erfindung einen nichtebenen Mechanismus, der nur aus ebenen Drehgelenken besteht, wobei die Gelenkachsen zueinander nicht parallel angeordnet sind. Das betrifft den gesamten Bereich zwischen den beiden, bezogen auf die Antriebsbewegung von 180° auseinanderliegenden Totlagen. Während der Endstellungen liegen alle Gelenkachsen in einer Ebene. Dadurch, daß die Bewegung des Vielgelenk-Mechanismus den gesamten Bereich zwischen den beiden Totlagen ausfüllt, besitzt das Vielgelenk ein geringes Über setzungsverhältnis (Übersetzungsfaktor annähernd 1), wodurch hohe Handhabungskräfte am Antrieb möglich werden.

Soweit die sphärisch untereinander verbundenen Glieder nur durch ein Zwischenglied gekoppelt werden, kann eine entsprechende Ausführung gemäß Patentanspruch 2 der grundlegenden Idee gemäß 1. Patentanspruch untergeordnet werden. Im wesentlichen sollen sich alle weiteren Ausführungen auf einen Führungsmechanismus beziehen mit der Maßgabe, daß sich der Mechanismus in 2 Teilgetriebe aufteilen läßt und sich die Achsen der jeweiligen Teilgetriebe in jeweils einen Punkt schneiden (kennzeichnender Teil des 3. Patent anspruches). Beim ersten Teilgetriebe sind das die erste Hauptachse - zum proximalen Ende gehö rig - sowie die Achsen vom Antriebsglied und einem Übertragungsglied. Beim zweiten Teilge triebe schneiden sich die zweite Hauptachse - zum distalen Ende gehörig - und die Achsen von zwei Übertragungsgliedern.

Ergänzend zum 3. Patentanspruch wird im kennzeichnenden Teil des 4. Patentanspruches hervor gehoben, daß die Achsen der jeweiligen Getriebeglieder der zwei Teilmechanismen jeweils in einer Ebene liegen.

Eine vorteilhafte Dimensionierung gemäß kennzeichnendem Teil des 5. Patentanspruches besteht in gleich großen Schnittwinkeln der Gelenkachsen, wie sie vorher im 3. Patentanspruch genannt wurden, wodurch in der Nullstellung, d. h. in der gestreckten Stellung des Vielgelenkmechanismus, alle Gelenkachsen in einer Ebene liegen und sich der Mechanismus in einer Totlage befindet.

Das günstige Übersetzungsverhältnis ist schon herausgehoben worden und die dadurch möglichen großen Handhabungskräfte. Dementsprechend hebt der kennzeichnende Teil des 6. Patentanspru ches hervor, daß in gestreckter Stellung (Nullstellung) des Mechanismus alle Gelenkachsen in einer Ebene liegen und gemäß kennzeichnendem Teil des 7. Patentanspruches ein Raumschwenk winkel zwischen distalem und proximalem Glied von 180° erreichbar ist.

In Null- und Endstellung (Schwenkwinkel 0 Grad, Schwenkwinkel 180 Grad) befindet sich der Mechanismus in einer Totlage. Dies ist eine Besonderheit der hier vorgeschlagenen Struktur, da gewöhnlich das Erreichen von Totlagen in Mechanismen nicht erwünscht oder unzulässig ist. In einer Totlage ist das Übersetzungsverhältnis, d. h. das Verhältnis von Abtriebs- zu Antriebsbewe gung, Null. In beiden, technologisch besonders wichtigen Stellungen besitzt der Mechanismus folglich eine besonders hohe Steifigkeit. Dementsprechend erstreckt sich der kennzeichnende Teil des 8. Patentanspruches auf die beiden Sonderstellungen des Mechanismus, d. h. auf einen Schwenkwinkel von 0 Grad und 180 Grad.

Es ist aus Gründen der Handhabung zweckmäßig, bei der konstruktiven Gestaltung des nichtebe nen Mechanismus von einer Zylinderform in der Nullstellung auszugehen, d. h. in jener Stellung, in der die Längsachse mit der Achse des Instrumentenschaftes fluchtet. Dabei ist zu berücksichtigen, daß eine Bewegung der Getriebeglieder über die Totlage hinaus vermieden wird. Entsprechende Anschläge gemäß kennzeichnendem Teil des Patentanspruches 9 in der Nullstellung und in der maximal verschwenkten Stellung verhindern ein Durchschlagen des Führungsmechanismus.

Für die praktische Ausführung der Führungsmechanismen kann es gemäß kennzeichnendem Teil des 10. Patentanspruches sinnvoll sein, mehrere Mechanismen zwangsläufig hintereinander zu schalten.

Mit der Erfindung ergeben sich gegenüber den bisherigen technischen Lösungen wesentliche Vor teile.

Die Erfindung benötigt zum Erreichen eines Abtriebsschwenkwinkels von 180 Grad deutlich weniger Gelenke als bisherige technische Lösungen. Weniger Gelenke bedeuten einen verringerten Fertigungs- und Montageaufwand und weniger Spiel.

Bei vorgegebenem Durchmesser des zylindrischen Hüllkörpers, den der Gelenkmechanismus ausfüllen darf, erhöht sich durch Zugrundelegung eines sphärischen Getriebes die Länge der Dreh gelenke zwischen den Hauptgliedern. Dies steigert die Steifigkeit des Mechanismus und läßt die Wirkung eventuell noch vorhandenen Gelenkspieles geringer werden.

In den technologisch besonders wichtigen Stellungen, der Nullstellung und der Endstellung, hat der Mechanismus eine sehr hohe Steifigkeit.

Für eine Schwenkbewegung des Abtriebsgliedes 3 um 180 Grad muß sich auch das Antriebs glied 4 um 180 Grad drehen. Dies bedeutet eine Verringerung des durchschnittlichen Überset zungsverhältnis um den Faktor 4 gegenüber bisherigen Lösungen, wie z. B. in der DE-GM 94 16 957 beschrieben.

Die konstruktive Gestaltung ermöglicht einen größeren Durchlaß in der neutralen Faser des Ge lenkmechanismus, der zur Durchführung von Medienschläuchen zum Arbeitsglied (z. B. Zange, Schere, Nähvorrichtung) äußerst wichtig ist.

Im weiteren soll die Erfindung anhand der Fig. 1 und 2 erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1a, b, c einen nichtebenen Führungsmechanismus, bestehend aus 2 Teilgetrieben in 3 verschiedenen Schwenkpositionen,

Fig. 2a, b, c die konstruktive Gestaltung der Getriebeglieder entsprechend Fig. 1 mit,

Fig. 2a Endstellung Schwenkwinkel 180 Grad,

Fig. 2b Zwischenstellung,

Fig. 2c Nullstellung - Schwenkwinkel 0 Grad.

Die verwendeten Bezugszeichen bedeuten:

Bezugszeichenliste

1 proximales Glied, Gestellglied
2 Zwischenglied
3 distales Glied, Abtriebsglied
4 Antriebsglied
5 erstes Übertragungsglied
6 zweites Übertragungsglied
7 Hauptachse I
8 Hauptachse II
9 Schnittpunkt der Hauptdrehachsen S₀
10 Achsschnittpunkt der ersten Masche S₁
11 Achsschnittpunkt der zweiten Masche S₂
12 Anschlag

Ein proximales oder Gestellglied 1 ist über ein Zwischenglied 2 mit einem distalen oder Abtriebs glied 3 durch je ein Drehgelenk mit den Hauptdrehachsen 7 und 8 verbunden, die nicht parallel sind und sich im Punkt S₀ 9 schneiden. Mit einem weiteren Drehgelenk ist im Gestellglied 1 das Antriebsglied 4 gelagert, derart, daß es sich mit der Hauptdrehachse 7 im Punkt S₁ 10 schneidet. Das Antriebsglied 4 wird über eine Zugstange von einem, sich in proximaler Richtung befindli chen, manuellen oder motorischen Antrieb, z. B. über eine Ritzel-Zahnstangen-Paarung, angetrie ben.

Im Zwischenglied 2 mit einem Drehgelenk, dessen Achse wiederum durch den Punkt S₁ führt, ist das erste Übertragungsglied 5 gelagert. Das erste Übertragungsglied 5 und das Antriebsglied 4 besitzen ein gemeinsames Drehgelenk, dessen Achse ebenfalls durch den Punkt S₁ 10 führt.

Der Punkt S₁ 10 verbleibt bei jeder Bewegung des Mechanismus relativ zu den einzelnen Getrie begliedern fest. Die erste Masche des Mechanismus, gebildet von dem Gestellglied 1, dem Zwi schenglied 2, dem ersten Übertragungsglied 5 und dem Antriebsglied 4, ist als sphärisches Getrie be anzusehen.

Vorteilhafterweise spiegelsymmetrisch zu dieser ersten Masche, gespiegelt an einer Ebene, die senkrecht auf dem gemeinsamen Drehgelenk des Zwischengliedes 2 und des ersten Übertra gungsgliedes 5 steht und durch den Schnittpunkt der Hauptdrehachsen S₀ 9 verläuft, ist die zweite Masche des Mechanismus aufgebaut. Die Verbindung zwischen erster und zweiter Masche wird durch die an beiden Maschen beteiligten Drehgelenkglieder, das Zwischenglied 2 und das erste Übertragungsglied 5 hergestellt, wobei das erste Übertragungsglied 5 die Antriebsbewegung vom Antriebsglied 4 auf die zweite Masche leitet. Die Achsen der an der zweiten Masche beteiligten Drehgelenke schneiden sich im Punkt S₂ 11. Auf diese Weise wird die Bewegung des Abtriebs gliedes 3 um eine virtuelle Drehachse, entstehend durch zwei Teilschwenkungen um die Haupt drehachsen I7 und II8 erreicht.

Eine vorteilhafte Dimensionierung besteht in gleichgroßen Schnittwinkeln der Gelenkachsen an den Gliedern 1 und 4, 3 und 6 und am ersten Übertragungsglied 5, wodurch in der Endstellung, d. h. in der gestreckten Stellung des Vielgelenkmechanismus, alle Gelenkachsen in einer Ebene liegen und sich der Mechanismus in einer Totlage befindet.

Durch geeignete konstruktive Gestaltung der Getriebeglieder (Fig. 2) wird eine Bewegung dieser und damit auch des Vielgelenkes über die Totlage hinaus vermieden. Dies schafft andererseits die Voraussetzungen für eine sehr hohe Steifigkeit des Instrumentes in der gestreckten und der maxi mal verschwenkten Stellung.

Claims

1. Führungsmechanismus auf der Grundlage eines Vielgelenkes, bevorzugt für die Minimal Invasive Chirurgie, gekennzeichnet dadurch, daß ein nichtebener Mechanismus nur aus ebe nen Drehgelenken besteht, deren Hauptachsen I (7) und II (8) zueinander nicht parallel sind.

2. Führungsmechanismus nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem proximalen Endglied oder Gestellglied (1) und dem distalen Endglied oder Abtriebsglied (3) des Mechanismus nur ein Getriebeglied, das Zwischenglied (2) eingefügt ist.

3. Führungsmechanismus nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der nichtebene Mechanismus sich in 2 Teilmechanismen derart aufspalten läßt, daß sich die Gelenkachsen des ersten Teilgetriebes im Achsschnittpunkt der ersten Masche S₁ (10) und die Gelenk achsen des zweiten Teilgetriebes im Achsschnittpunkt der zweiten Masche S₂ (11) schneiden.

4. Führungsmechanismus nach Anspruch 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß sich die Ach sen der jeweiligen Getriebeglieder der zwei Teilmechanismen miteinander schneiden und je weils in einer Ebene liegen.

5. Führungsmechanismus nach Anspruch 1,3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß die von den Achsen eingeschlossenen Winkel an den Getriebegliedern (1) und (4) sowie (2) und (5) so wie (3) und (6) jeweils gleichgroß sind.

6. Führungsmechanismus nach Anspruch 1,3,4 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß in ge streckter Stellung (Nullstellung) des nichtebenen Mechanismus alle Gelenkachsen in einer Ebene liegen.

7. Führungsmechanismus nach Anspruch 1, 3, 4 und 5 gekennzeichnet dadurch, daß ein Raum schwenkwinkel zwischen distalem (3) und proximalem Endglied (1) von 180 Grad erreichbar ist.

8. Führungsmechanismus nach Anspruch 1, 6 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß sich der Mechanismus sowohl in der Nullstellung, d. h. jener Stellung, in der seine Längsachse mit der Achse des Instrumentenschaftes fluchtet, als auch in seiner maximal verschwenkten Stellung in einer Totlage oder singulären Stellung befindet.

9. Führungsmechanismus nach Anspruch 1, 6, 7 und 8, gekennzeichnet dadurch, daß der Me chanismus konstruktiv so gestaltet ist, daß in Nullstellung des Mechanismus eine Zylinder form entsteht und daß in der Nullstellung und in der maximal verschwenkten Stellung des Mechanismus durch speziell gestaltete Anschläge (12) ein Durchschlagen vermeidbar ist.

10. Führungsmechanismus nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß sich mehrere dieser Mechanismen zwangsläufig nacheinander schalten lassen, indem das Abtriebsglied (3) des ersten Mechanismus mit dem Getriebeglied (1) des zweiten Mechanismus identisch ist und das zweite Übertragungsglied (6) des ersten Mechanismus mit dem Antriebsglied (4) des zweiten Mechanismus über ein Getriebe mit dem Übersetzungsverhältnis von zumindest näherungsweise "-1" gekoppelt ist.