DE202013012276U1

DE202013012276U1 - Vorrichtung zum unterstützen eines laparoskopischeneingriffs - lenk- und manövriergelenkwerkzeug

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Publication number: DE202013012276U1
Application number: DE202013012276.5U
Authority: DE
Original assignee: MST Medical Surgery Technologies Ltd
Current assignee: MST Medical Surgery Technologies Ltd
Priority date: 2012-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2016-01-20
Anticipated expiration: 2023-10-01
Also published as: EP2900130A4; EP2900130A1; WO2014049598A1

Abstract

Chirurgisches Steuersystem, das umfasst: a. zumindest ein chirurgisches Werkzeug, das so ausgelegt ist, dass es in eine chirurgische Umgebung eines humanen Körpers eingeführt wird, um einen chirurgischen Eingriff zu unterstützen, wobei zumindest ein das chirurgische Werkzeug ein Gelenkwerkzeug ist; b. zumindest ein Standortschätzungsmittel, das so ausgelegt ist, dass es die räumliche 3D-Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs zu einem beliebigen bestimmten Zeitpunkt t in Echtzeit lokalisiert; c. zumindest ein Bewegungserkennungsmittel, das mit einer Bewegungsdatenbank und mit dem Standortschätzungsmittel kommunikationsfähig ist; wobei die Bewegungsdatenbank so ausgelegt ist, dass sie die räumliche 3D-Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs zu einem Zeitpunkt tf und einem Zeitpunkt t0 speichert; wobei tf > t0; wobei das Bewegungserkennungsmittel so ausgelegt ist, dass es eine Bewegung des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs erkennt, wenn sich die räumliche 3D-Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs zu einem Zeitpunkt tf von der räumlichen 3D-Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs zu einem Zeitpunkt t0 unterscheidet; und d. eine Steuereinheit mit einem Verarbeitungsmittel, das mit einer Datenbank der Steuereinheit kommunikationsfähig ist, wobei die Steuereinheit so ausgelegt ist, dass sie die räumliche Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs steuert; wobei die Datenbank der Steuereinheit mit dem Bewegungserkennungsmittel in Kommunikation steht; wobei die Steuereinheit so ausgelegt ist, dass sie Anweisungen zum Bewegen des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs bereitstellt; wobei die Steuereinheit so ausgelegt ist, dass sie das Gelenk des Gelenkwerkzeugs während des Lenkens des chirurgischen Werkzeugs zum Standort durch von der Steuereinheit bereitgestellte Anweisungen verändert.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein System zum Lenken und Manövrieren eines Gelenkwerkzeugs wie z. B. eines Endoskops während eines laparoskopischen Eingriffs.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei einem laparoskopischen chirurgischen Eingriff führt der Chirurg die Operation durch kleine Löcher unter Verwendung von langen Instrumenten und unter Beobachtung der inneren Anatomie mit einer Endoskopkamera durch.
Die laparoskopische Chirurgie findet bei Patienten zunehmend Anklang, da die Narben kleiner sind und die Erholungsdauer kürzer ist. Für die laparoskopische Chirurgie ist eine spezielle Ausbildung des Chirurgen und des OP-Personals erforderlich. Die Gerätschaft ist häufig kostspielig und nicht in allen Krankenhäusern vorhanden.
Während eines laparoskopischen chirurgischen Eingriffs ist es häufig erforderlich, die räumliche Platzierung des Endoskops zu verschieben, damit der Chirurg optimale Sicht hat. Bei der herkömmlichen laparoskopischen Chirurgie werden entweder humane Assistenten verwendet, die die Instrumente manuell verschieben, oder alternativ automatisierte Assistenten. Automatisierte Assistenten nutzen Schnittstellen, die es dem Chirurg ermöglichen, die mechanische Bewegung des Assistenten zu lenken, wodurch eine Verschiebung der Kameraansicht erzielt wird.
Die Forschung hat nahegelegt, dass diese Systeme den Fokus des Chirurgen von der primären vorliegenden Aufgabe ablenken. Aus diesem Grund wurden Technologien entwickelt, die von Magneten und Bildverarbeitung unterstützt werden, um die Schnittstellensteuerung zu vereinfachen. Bei all diesen Systemen muss das Endoskop so manövriert werden, dass es nicht mit anderen Objekten im Operationsfeld in Kontakt gelangt, z. B. mit anderen Werkzeugen oder den Organen des Patienten, wodurch sich das Manövrieren des Endoskops signifikant verkomplizieren kann.
Aus diesem Grund besteht ein Bedarf an einem System, wobei das System ein Endoskop oder ein anderes chirurgisches Werkzeug umfasst, das die Form, Größe und Angulierung ändern kann, um das Manövrieren des Systems zu vereinfachen.
Somit besteht seit Langem der Bedarf an einem Verfahren zum Lenken eines laparoskopischen Systems an einen gewünschten Standort, das das Steuern der Größe, Form oder Angulierung des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs beinhaltet.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System zum Lenken und Manövrieren eines Gelenkwerkzeugs wie z. B. eines Endoskops während eines laparoskopischen Eingriffs zu offenbaren.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, das außerdem zumindest ein Endoskop umfasst, das so ausgelegt ist, dass es ein Echtzeitbild der chirurgischen Umgebung bereitstellt.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei das Werkzeug ein Endoskop ist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei das Werkzeug zumindest einen Proximitätssensor umfasst, der auf dessen Außenumfang positioniert ist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das wie oben definierte chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Anweisungen einen vordefinierten Regelsatz umfassen, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: Regel zum am häufigsten verwendeten Werkzeug, Regel zum rechten Werkzeug, Regel zum linken Werkzeug, Sichtfeldregel, Sperrzonenregel, Routenregel, Umgebungsregel, Benutzereingaberegel, Proximitätsregel; Kollisionsverhinderungsregel, verlaufsbasierter Regel, Regel zu werkzeugabhängigen ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen, Regel zur bevorzugten Volumenzone, Regel zum bevorzugten Werkzeug, Bewegungserkennungsregel, Regel zum markierten Werkzeug, Regel zur Geschwindigkeitsänderung und einer beliebigen Kombination davon.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Routenregel eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst, in der eine vordefinierte Route gespeichert ist, wobei das zumindest eine chirurgische Werkzeug so ausgelegt ist, dass es sich entlang dieser innerhalb der chirurgischen Umgebung bewegt; wobei die vordefinierte Route n räumliche 3D-Positionen des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs umfasst; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das zumindest eine chirurgische Werkzeug im Wesentlichen in zumindest einer der n räumlichen 3D-Positionen der vordefinierten Route befindet, und wobei die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs im Wesentlichen von den n räumlichen 3D-Positionen der vordefinierten Route unterscheidet.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Umgebungsregel eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst; wobei die kommunikationsfähige Datenbank so ausgelegt ist, dass sie zumindest ein Echtzeitbild der chirurgischen Umgebung empfängt, und so ausgelegt ist, dass sie eine Echtzeitbildverarbeitung von diesem durchführt und die räumliche 3D-Position von Gefahren oder Hindernissen in der chirurgischen Umgebung bestimmt; wobei die Umgebungsregel so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen gemäß den Gefahren oder Hindernissen in der chirurgischen Umgebung bestimmt, so dass die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das zumindest eine chirurgische Werkzeug im Wesentlichen in zumindest einer der räumlichen 3D-Positionen befindet, und wobei die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs von den räumlichen 3D-Positionen im Wesentlichen unterscheidet.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Gefahren oder Hindernisse in der chirurgischen Umgebung aus einer Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus Gewebe, einem chirurgischen Werkzeug, einem Organ, einem Endoskop und einer beliebigen Kombination davon.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Benutzereingaberegel eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst; wobei die kommunikationsfähige Datenbank so ausgelegt ist, dass sie eine Eingabe vom Benutzer des Systems in Bezug auf die ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs empfängt.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Eingabe n räumliche 3D-Positionen umfasst; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei zumindest eine davon als ZULÄSSIGER Standort und zumindest eine davon als BESCHRÄNKTER Standort definiert ist, so dass die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das zumindest eine chirurgische Werkzeug im Wesentlichen in einer der n räumlichen 3D-Positionen befindet, und die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs im Wesentlichen von den n räumlichen 3D-Positionen unterscheidet.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Eingabe zumindest eine Regel umfasst, gemäß welcher ZULÄSSIGE und BESCHRÄNKTE Bewegungen des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs bestimmt werden, so dass die räumliche Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs von der Steuereinheit gemäß den ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen gesteuert wird.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei der vordefinierte Regelsatz ein Element umfasst, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: am häufigsten verwendetem Werkzeug, Regel zum rechten Werkzeug, Regel zum linken Werkzeug, Sichtfeldregel, Sperrzonenregel, Routenregel, Umgebungsregel, Benutzereingaberegel, Proximitätsregel; Kollisionsverhinderungsregel, Regel zur bevorzugten Volumenzone, Regel zum bevorzugten Werkzeug, Bewegungserkennungsregel, verlaufsbasierter Regel, Regel zu werkzeugabhängigen ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen und einer beliebigen Kombination davon.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Benutzereingaberegel eine ZULÄSSIGE Bewegung in einer BESCHRÄNKTE Bewegung und eine BESCHRÄNKTE Bewegung in eine ZULÄSSIGE Bewegung umwandelt.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Proximitätsregel so ausgelegt ist, dass sie einen vordefinierten Abstand zwischen zumindest zwei chirurgischen Werkzeugen definiert; wobei die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, die innerhalb des Bereichs oder außerhalb des Bereichs des vordefinierten Abstands liegen, und wobei die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, die außerhalb des Bereichs oder innerhalb des Bereichs des vordefinierten Abstands liegen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Proximitätsregel so ausgelegt ist, dass sie einen vordefinierten Winkel zwischen zumindest drei chirurgischen Werkzeugen definiert; wobei die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, die innerhalb des Bereichs oder außerhalb des Bereichs des vordefinierten Winkels liegen, und wobei die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, die außerhalb des Bereichs oder innerhalb des Bereichs des vordefinierten Winkels liegen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Kollisionsverhinderungsregel so ausgelegt ist, dass sie einen vordefinierten Abstand zwischen dem zumindest einen chirurgischen Werkzeug und einem anatomischen Element innerhalb der chirurgischen Umgebung definiert; wobei die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, die in einem Bereich liegen, der größer als der vordefinierte Abstand ist, und wobei die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, die in einem Bereich liegen, der kleiner als der vordefinierte Abstand ist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei das anatomische Element aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einem Gewebe, einem Organ, einem weiteren chirurgischen Werkzeug und einer beliebigen Kombination davon.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei zumindest eines des Folgenden gilt: (a) wobei das System des Weiteren ein Endoskop umfasst; das Endoskop so ausgelegt ist, dass es ein Echtzeitbild der chirurgischen Umgebung bereitstellt; (b) zumindest eines der chirurgischen Werkzeugen ist ein Endoskop, das so ausgelegt ist, dass es zumindest ein Echtzeitbild der chirurgischen Umgebung bereitstellt.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Regel zum rechten Werkzeug so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGE Bewegung des Endoskops gemäß der Bewegung des chirurgischen Werkzeugs bestimmt, das rechts vom Endoskop positioniert ist; des Weiteren wobei die Regel zum linken Werkzeug so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGE Bewegung des Endoskops gemäß der Bewegung des chirurgischen Werkzeugs bestimmt, das links vom Endoskop positioniert ist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Regel zum markierten Werkzeug ein Mittel umfasst, das so ausgelegt ist, dass es zumindest ein chirurgisches Werkzeug innerhalb der chirurgischen Umgebung markiert und die ZULÄSSIGE Bewegung des Endoskops bestimmt, um die Bewegung des markierten chirurgischen Werkzeugs konstant zu verfolgen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Sichtfeldregel eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst, die n räumliche 3D-Positionen umfasst; n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; die Kombination aller n räumlichen 3D-Positionen ein vordefiniertes Sichtfeld bereitstellt; die Sichtfeldregel so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGE Bewegung des Endoskops innerhalb der n räumlichen 3D-Positionen bestimmt, um ein konstantes Sichtfeld aufrechtzuerhalten, so dass die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das Endoskop im Wesentlichen in zumindest einer der n räumlichen 3D-Positionen befindet, und die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des Endoskops im Wesentlichen von den n räumlichen 3D-Positionen unterscheidet.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Regel zur bevorzugten Volumenzone eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst, die n räumliche 3D-Positionen umfasst; n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei die n räumlichen 3D-Positionen die bevorzugte Volumenzone bereitstellen; die Sichtfeldregel so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGE Bewegung des Endoskops innerhalb der n räumlichen 3D-Positionen und BESCHRÄNKTE Bewegung des Endoskops außerhalb der n räumlichen 3D-Positionen bestimmt, so dass die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das Endoskop im Wesentlichen in zumindest einer der n räumlichen 3D-Positionen befindet, und die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des Endoskops im Wesentlichen von den n räumlichen 3D-Positionen unterscheidet.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Regel zum bevorzugten Werkzeug eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst, in der Datenbank ein bevorzugtes Werkzeug gespeichert ist; die Regel zum bevorzugten Werkzeug so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGE Bewegung des Endoskops bestimmt, um die Bewegung des bevorzugten Werkzeugs konstant zu verfolgen.
Es ist ein weiteren Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Sperrzonenregel eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst, die n räumliche 3D-Positionen umfasst; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei die n räumlichen 3D-Positionen ein vordefiniertes Volumen innerhalb der chirurgischen Umgebung definieren; wobei die Sperrzonenregel so ausgelegt ist, dass sie die BESCHRÄNKTE Bewegung bestimmt, wenn die Bewegung innerhalb der Sperrzone liegt, und sie die ZULÄSSIGE Bewegung bestimmt, wenn die Bewegung außerhalb der Sperrzone befindet, so dass die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das zumindest eine des chirurgischen Werkzeugs im Wesentlichen in einer der n räumlichen 3D-Positionen befindet, und die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des zumindest einen Endoskops im Wesentlichen von den n räumlichen 3D-Positionen unterscheidet.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Regel zum am häufigsten verwendeten Werkzeug eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst, die die Bewegungsmenge jedes chirurgischen Werkzeugs zählt; die Regel zum am häufigsten verwendeten Werkzeug so ausgelegt ist, dass es das Endoskop konstant positioniert, um die Bewegung des am häufigsten bewegten chirurgischen Werkzeugs zu verfolgen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei das System des Weiteren ein Manövrierteilsystem umfasst, das mit der Steuereinheit kommunikationsfähig ist, wobei das Manövrierteilsystem so ausgelegt ist, dass es das zumindest eine chirurgische Werkzeug während eines chirurgischen Eingriffs gemäß dem vordefinierten Regelsatz räumlich umpositioniert; des Weiteren wobei das System so ausgelegt ist, dass es den Arzt über die BESCHRÄNKTE Bewegung des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs alarmiert.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei der Alarm aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einem Tonsignal, einem Sprachsignal, einem Lichtsignal, einem Blinksignal und einer beliebigen Kombination davon.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die ZULÄSSIGE Bewegung von der Steuereinheit gestattet wird und eine BESCHRÄNKTE Bewegung von der Steuereinheit verweigert wird.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die verlaufsbasierte Regel eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst, in der jede räumliche 3D-Position jedes chirurgischen Werkzeugs gespeichert ist, so dass jede Bewegung jedes chirurgischen Werkzeugs gespeichert wird; wobei die verlaufsbasierte Regel so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen gemäß bisherigen Bewegungen des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs bestimmt, so dass die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das zumindest eine chirurgische Werkzeug im Wesentlichen in einer der räumlichen 3D-Positionen befindet, und die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs im Wesentlichen von den n räumlichen 3D-Positionen unterscheidet.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Regel zu werkzeugabhängigen zulässigen und BESCHRÄNKTEN Bewegungen eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst; wobei die kommunikationsfähige Datenbank so ausgelegt ist, dass sie vordefinierte Charakteristika zumindest eines des chirurgischen Werkzeugs speichert; wobei die Regel zu werkzeugabhängigen ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen gemäß den vordefinierten Charakteristika des chirurgischen Werkzeugs bestimmt; so dass ZULÄSSIGE Bewegungen Bewegungen des Endoskops sind, die das chirurgische Werkzeug mit den vordefinierten Charakteristika verfolgen.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die vordefinierten Charakteristika des chirurgischen Werkzeugs aus einer Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus: physischen Abmessungen, Struktur, Gewicht, Schärfe und einer beliebigen Kombination davon.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Bewegungserkennungsregel umfasst eine kommunikationsfähige Datenbank, die die räumlichen Echtzeit-3D-Positionen jedes chirurgischen Werkzeugs umfasst; die Bewegungserkennungsregel ist so ausgelegt, dass sie eine Bewegung des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs erkennt, wenn eine Änderung der räumlichen 3D-Positionen empfangen wird, so dass die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen das Endoskop umgelenkt wird, um sich auf das sich bewegende chirurgische Werkzeug zu fokussieren.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, des Weiteren umfassend ein Manövrierteilsystem, das mit der Steuereinheit kommunikationsfähig ist, wobei das Manövrierteilsystem so ausgelegt ist, dass es zumindest ein chirurgisches Werkzeug während eines chirurgischen Eingriffs gemäß dem vordefinierten Regelsatz räumlich umpositioniert, so dass das Manövrierteilsystem die Bewegung verhindert, wenn die Bewegung des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs eine BESCHRÄNKTE Bewegung ist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei das zumindest eine Standortschätzungsmittel zumindest ein Endoskop umfasst, das so ausgelegt ist, dass es Echtzeitbilder der chirurgischen Umgebung innerhalb des humanen Körpers umfasst; und zumindest eine Software zum räumlichen Standort von chirurgischen Werkzeugen so ausgelegt ist, dass sie Echtzeitbilder der chirurgischen Umgebung empfängt und die räumliche 3D-Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs schätzt.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei das zumindest eine Standortschätzungsmittel (a) zumindest ein Element, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einem optischen Bildgebungsmittel, Funkfrequenzsende- und Funkfrequenzempfangsmittel, zumindest einer Kennzeichnung auf dem zumindest einen chirurgischen Werkzeug und einer beliebigen Kombination davon; und (b) zumindest eine Software zum räumlichen Standort von chirurgischen Werkzeugen, die so ausgelegt ist, dass sie die räumliche 3D-Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs mithilfe des Elements schätzt, umfasst.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei das zumindest eine Standortschätzungsmittel ein Schnittstellenteilsystem zwischen einem Chirurgen und dem zumindest einen chirurgischen Werkzeugs ist, wobei das Schnittstellenteilsystem umfasst:

a. zumindest eine Anordnung, die N Normal- oder Strukturlichtquellen umfasst, wobei N eine positive ganze Zahl ist;
b. zumindest eine Anordnung, die M Kameras umfasst, jede der M Kameras, wobei M eine positive ganze Zahl ist;
c. optional optische Kennzeichnungen und ein Mittel zum Anbringen der optischen Kennzeichnung an dem zumindest einen chirurgischen Werkzeug; und
d. einen computergestützten Algorithmus, der über die Steuereinheit betreibbar ist, wobei der computergestützte Algorithmus so ausgelegt ist, dass er Bilder aufzeichnet, die von jeder Kamera jeder der M Kameras empfangen werden, und dass er anhand dieser die Position jedes der Werkzeuge berechnet, und des Weiteren so ausgelegt ist, dass er die Ergebnisse der Berechnung automatisch an den humanen Benutzer der Schnittstelle bereitstellt.

Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei das Gelenkwerkzeug Gelenke im Wesentlichen an der Spitze des Werkzeugs, im Wesentlichen entlang des Körpers des Werkzeugs und beliebige Kombinationen davon aufweist.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei die Gelenksteuerung aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Hardwaresteuerung, Softwaresteuerung und einer beliebigen Kombination davon.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, das chirurgische Steuersystem zu offenbaren, wobei das Werkzeug ein Gelenk in Regionen aufweist, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus nahe der Spitze des Werkzeugs, am Körpers des Werkzeugs und einer beliebigen Kombinationen davon.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Um die Erfindung zu verstehen und deren mögliche Umsetzung in der Praxis darzulegen, und lediglich anhand eines nicht-einschränkenden Beispiels unter Bezug auf die beliegende Zeichnung, in der:
1 einen Richtungsindikator zeigt;
2 eine allgemeine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines chirurgischen Verfolgungssystems ist;
die 3A bis B die Verwendung der Endoskopgelenksteuerung veranschaulichen;
4 ein Gelenk des Endoskops veranschaulicht;
die 5A bis D ein Gelenk einer Ausführungsform des Gelenkendoskops veranschaulichen;
die 6A bis D schematisch einen Betrieb einer Ausführungsform eines Verfolgungssystems mit einem Kollisionsvermeidungssystem veranschaulichen;
die 7A bis D schematisch einen Betrieb einer Ausführungsform eines Verfolgungssystems mit einer Sperrzonenregel/-funktion veranschaulichen;
die 8A bis D schematisch einen Betrieb einer Ausführungsform eines Verfolgungssystems mit einer Regel/Funktion zur bevorzugten Volumenzone veranschaulichen;
9 schematisch einen Betrieb einer Ausführungsform der Organerkennungsfunktion/-regel veranschaulicht;
10 schematisch einen Betrieb einer Ausführungsform der Werkzeugerkennungsfunktion/-regel veranschaulicht;
die 11A bis B schematisch einen Betrieb einer Ausführungsform der Bewegungserkennungsfunktion/-regel veranschaulichen;
die 12A bis D schematisch einen Betrieb einer Ausführungsform der Prognosefunktion/-regel veranschaulichen;
13 schematisch einen Betrieb einer Ausführungsform der Funktion/Regel zum rechten Werkzeug veranschaulicht;
die 14A bis B schematisch einen Betrieb einer Ausführungsform der Sichtfeldfunktion/-regel veranschaulichen;
15 schematisch einen Betrieb einer Ausführungsform der Funktion/Regel zum markierten Werkzeug veranschaulicht;
die 16A bis C schematisch einen Betrieb einer Ausführungsform der Proximitätsfunktion/-regel veranschaulichen;
die 17A bis B schematisch einen Betrieb einer Ausführungsform der Benutzereingabefunktion/-regel veranschaulicht;
die 18A bis D schematisch eine Ausführungsform eines Verfolgungssystems mit einer Regel/Funktion zum konstanten Sichtfeld veranschaulichen;
19 schematisch einen Betrieb einer Ausführungsform eines Verfolgungssystems mit einer Regel/Funktion zur Geschwindigkeitsänderung veranschaulicht;
die 20A bis B schematisch eine Bewegung eines Gelenkwerkzeugs veranschaulichen; und
21 schematisch eine Bewegung eines Gelenkwerkzeugs veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung wird neben allen Kapiteln der vorliegenden Erfindung bereitgestellt, um dem Fachmann die Verwendung der Erfindung zu ermöglichen, und erläutert die vom Erfinder als für die Ausführung dieser Erfindung besten Modi angesehenen Modi. Diverse Modifikationen bleiben für den Fachmann jedoch offensichtlich, da die generischen Grundsätze der vorliegenden Erfindung spezifisch definiert werden, um ein Mittel zum Lenken eines laparoskopischen Systems bereitzustellen, das zumindest ein Gelenkwerkzeug umfasst.
Der Ausdruck Gelenk bezieht sich im Folgenden auf eine beliebige Vorrichtung, die mehr als 1 Freiheitsgrad aufweist. Somit kann sich das Werkzeug entweder an seiner Spitze oder einem beliebigen anderen Standort in seinem Körper biegen.
Der Ausdruck Wechseln bezieht sich im Folgenden auf das Schalten von einem markierten chirurgischen Werkzeug auf ein anderes.
Der Ausdruck chirurgische Umgebung bezieht sich im Folgenden auf einen beliebigen anatomischen Teil innerhalb des humanen Körpers, der ein chirurgisches Instrument umgeben kann. Die Umgebung kann umfassen: Organe, Körperteile, Organwände, Arterien, Venen, Nerven, eine Region von Interesse oder einen beliebigen anderen anatomischen Teil des humanen Körpers.
Der Ausdruck Endoskop bezieht sich im Folgenden auf ein beliebiges Mittel, um aus medizinischen Gründen ins Innere des Körpers zu sehen. Dies kann ein beliebiges Instrument sein, das verwendet wird, um das Innere eines Hohlorgans oder eines Hohlraums des Körpers zu untersuchen. Das Endoskop kann sich auch auf eine beliebige Art eines Laparoskops beziehen. Es sei darauf hingewiesen, dass sich die folgende Beschreibung auf ein Endoskop als chirurgisches Werkzeug beziehen kann.
Der Ausdruck Region von Interesse bezieht sich im Folgenden auf eine beliebige Region innerhalb des humanen Körpers, die für den Benutzer des Systems der vorliegenden Erfindung von Interesse sein kann. Die Region von Interesse kann z. B. ein Organ, das es zu operieren gilt, ein BESCHRÄNKTER Bereich, dessen Zugang für ein chirurgisches Instrument BESCHRÄNKT ist, ein chirurgisches Instrument oder eine beliebige andere Region innerhalb des humanen Körpers sein.
Der Ausdruck räumliche Position bezieht sich im Folgenden auf einen vordefinierten räumlichen Standort und/oder eine vordefinierte räumliche Ausrichtung eines Objekts (z. B. den räumlichen Standort des Endoskops, die Winkelausrichtung des Endoskops und eine beliebige Kombination davon).
Der Ausdruck verbotener Bereich bezieht sich im Folgenden auf einen vordefinierten Bereich, in dem kein chirurgisches Werkzeug (z. B. ein Endoskop) räumlich positioniert werden darf.
Der Ausdruck bevorzugter Bereich bezieht sich im Folgenden auf einen vordefinierten Bereich, in dem ein chirurgisches Werkzeug (z. B. ein Endoskop) räumlich positioniert werden darf oder bevorzugt räumlich zu positionieren ist.
Der Ausdruck automatisierter Assistent bezieht sich im Folgenden auf eine beliebige mechanische Vorrichtung (einschließlich einer Robotervorrichtung, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein), die die Position eines chirurgischen oder endoskopischen Instruments manövrieren und steuern kann und die außerdem so ausgelegt sein kann, dass sie Befehle von einer Remote-Quelle empfängt.
Der Ausdruck Werkzeug oder chirurgisches Instrument bezieht sich im Folgenden auf ein beliebiges Instrument oder eine beliebige Vorrichtung, das bzw. die in den humanen Körper einführbar ist. Der Ausdruck kann sich auf einen beliebigen Standort am Werkzeug beziehen. Beispielsweise kann er sich auf dessen Spitze, dessen Körper und eine beliebige Kombination davon beziehen. Es sei des Weiteren darauf hingewiesen, dass sich die folgende Beschreibung auf ein chirurgisches Werkzeug/Instrument als Endoskop beziehen kann.
Der Ausdruck Bereitstellen bezieht sich im Folgenden auf einen beliebigen Prozess (visuell, taktil oder auditiv), mit dem ein Instrument, ein Computer, eine Steuereinheit oder eine beliebige andere mechanische oder elektronische Vorrichtung die Ergebnisse einer Berechnung oder eines anderen Vorgangs an einen humanen Benutzer berichten kann.
Der Ausdruck automatische/r/s oder automatisch bezieht sich auf einen beliebigen Prozess, der fortschreitet, ohne dass ein Mensch direkt eingreifen oder agieren muss.
Der Ausdruck ZULÄSSIGE Bewegung bezieht sich im Folgenden auf eine beliebige Bewegung eines chirurgischen Werkzeugs, die gemäß einem vordefinierten Regelsatz erlaubt ist.
Der Ausdruck BESCHRÄNKTE Bewegung bezieht sich im Folgenden auf eine beliebige Bewegung eines chirurgischen Werkzeugs, die gemäß einem vordefinierten Regelsatz verboten ist. Beispielsweise stellt eine Regel gemäß der vorliegenden Erfindung eine Regel zur bevorzugten Volumenzone bereit, die eine favorisierte Zone innerhalb der chirurgischen Umgebung definiert. Somit ist eine ZULÄSSIGE Bewegung eines chirurgischen Werkzeugs oder des Endoskops gemäß der vorliegenden Erfindung eine Bewegung, die das chirurgische Werkzeug innerhalb einer favorisierten Zone hält; und ist eine BESCHRÄNKTE Bewegung eines chirurgischen Werkzeugs eine Bewegung, die das chirurgische Werkzeug außerhalb der favorisierten Zone extrahiert (oder bewegt).
Der Ausdruck Zeitschritt bezieht sich im Folgenden auf die Arbeitszeit des Systems. Bei jedem Zeitschritt empfängt das System Daten von Sensoren und Befehle von Benutzern und verarbeitet die Daten und Befehle und führt Aktionen durch. Die Zeitschrittgröße ist die verstrichene Zeit zwischen Zeitschritten.
Der Ausdruck Proximitätssensor bezieht sich im Folgenden auf einen Sensor, der in der Lage ist, das Vorhandensein nahegelegener Objekte ohne physischen Kontakt zu erkennen. Proximitätssensoren werden hier manchmal als „Kraftsensoren“ bezeichnet. Ein Proximitätssensor sendet häufig ein elektromagnetisches Feld oder ein Bündel elektromagnetischer Strahlung (z. B. Infrarot) aus und sucht im Feld oder im Rücklaufsignal nach Änderungen. Das abgetastete Objekt wird häufig als Proximitätssensorziel bezeichnet. Verschiedene Proximitätssensorziele erfordern verschiedene Sensoren. Beispielsweise könnte ein kapazitiver photoelektrischer Sensor für ein Kunststoffziel geeignet sein; ein induktiver Proximitätssensor erfordert stets ein Metallziel. Proximitätssensoren können in den Körper eingebracht und zum Erkennen von Metallfragmenten während eines chirurgischen Eingriffs verwendet werden. Siehe z. B. Sakthivel, M., A new inductive proximity sensor as a guiding tool for removing metal shrapnel during surgery, Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 2013 IEEE International, S. 53–57. ISSN: 1091-5281, Druck-ISBN: 978-1-4673-4621-4. INSPEC-Hinterlegungs-Nr.: 13662555.
Die laparoskopische Chirurgie, auch minimal invasive Chirurgie (MIS) genannt, ist eine moderne Chirurgietechnik, bei der Operationen am Bauch durch kleine Einschnitte (für gewöhnlich 0,5 bis 1,5 cm) durchgeführt werden, wenn mit größeren Einschnitten verglichen, die bei herkömmlichen chirurgischen Eingriffen erforderlich sind. Das Schlüsselelement in der laparoskopischen Chirurgie ist die Verwendung eines Laparoskops, bei dem es sich um eine Vorrichtung handelt, die so ausgelegt ist, dass sie die Szene innerhalb des Körpers zeigt, und zwar am distalen Ende des Laparoskops. Entweder wird eine Bildgebungsvorrichtung am Ende des Laparoskops platziert oder ein Stablinsensystem oder Glasfaserbündel wird verwendet, um diese Bild zum proximalen Ende des Laparoskops zu lenken. Außerdem ist eine Lichtquelle zur Beleuchtung des Operationsfeldes angebracht, die durch eine 5-mm- oder 10-mm-Kanüle oder einen 5-mm- oder 10-mm-Trokar eingeführt wird, um das Operationsfeld zu zeigen.
In den Bauch wird für gewöhnlich Kohlendioxidgas injiziert, um einen Arbeits- und Sichtraum zu schaffen. Der Bauch wird im Wesentlichen wie ein Ballon aufgeblasen (insuffliert), wodurch die Bauchwand wie eine Kuppel über die inneren Organe gehoben wird. Innerhalb dieses Raums können diverse medizinische Eingriffe durchgeführt werden.
In vielen Fällen kann das Laparoskop nicht den gesamten Arbeitsraum innerhalb des Körpers zeigen und somit wird das Laparoskop umpositioniert, damit der Chirurg Regionen von Interesse innerhalb des Raums sehen kann. Bei manchen laparoskopischen Systemen muss Chirurg dafür einen Assistenten anweisen, das Laparoskop manuell zu bewegen. Bei anderen Systemen weist der Chirurg selbst das Laparoskop über ein manuelles Steuersystem wie z. B. einen Knopf, einen Joystick oder einen Schieber, der am Chirurgen oder an einem chirurgischen Werkzeug angebracht ist, durch Berühren eines berührungsempfindlichen Bildschirms oder durch Sprachbefehle an, sich zu bewegen.
Bei all diesen Systemen muss die Steuereinheit beim Lenken und Manövrieren des chirurgischen Steuersystems Hindernisse wie z. B. Körperorgane und Werkzeuge oder andere chirurgische Gerätschaften in der Körperhöhle vermeiden. Seine Geschwindigkeit sollte so gesteuert werden, dass einerseits die Geschwindigkeit niedrig genug ist, um Routine zu vermeiden und zu gewährleisten, dass das Instrument den gewünschten Standort präzise erreicht, und andererseits muss die Geschwindigkeit hoch genug sein, so dass Manöver in angemessener Zeit erzielt werden können.
Um die Hindernisse zu vermeiden, muss das Endoskop bei einem herkömmlichen System um dieses herumgeführt werden, wodurch die Komplexität des Manövrierens und die für das Manövrieren erforderliche Zeit erhöht werden.
Beim vorliegenden System umfasst das System zumindest einen Gelenkabschnitt, für gewöhnlich ein Gelenkwerkzeug wie z. B. ein Gelenkendoskop. Das Gelenkwerkzeug kann eine Gelenkspitze aufweisen, wobei sich die Gelenke nahe der Spitze befinden, es kann einen Gelenkkörper aufweisen, wobei sich die Gelenke im Körper oder in der Welle des Werkzeugs befinden, oder beides. Die Gelenke ermöglichen ein Biegen in zumindest zwei Freiheitsgraden (DOF), vorzugsweise in vier DOF, und möglicherweise in allen sechs DOF (Biegen in alle drei Richtungen und Drehen in alle drei Richtungen).
Im Vergleich zu einem steifen Werkzeug kann ein Gelenkwerkzeug während des Manövrierens direktere Routen nehmen, da der Gelenkabschnitt das Entfernen der Spitze eines Gelenkwerkzeugs aus der Region eines Hindernisses ermöglicht. Anstatt ein Endoskop um ein Körperorgan herumzuführen, kann sich das Endoskop beispielsweise gelenkig bewegen, so dass seine Spitze in eine ausreichende Höhe zurückgezogen wird, so dass die Route des Endoskops direkt über das Organ führen kann.
Des Weiteren ist das System in Bezug auf die Positionierung flexibler. Beispielsweise kann der Sichtfeldwinkel durch Ändern des Gelenks des Endoskops verändert werden, mit oder ohne minimale Änderung der Position des Hauptteils des Endoskops.
Bei manchen Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung außerdem einen berührungsempfindlichen Bildschirm, der als Anzeigebildschirm verwendet wird, auf dem das Bild des Sichtfelds des Laparoskops angezeigt wird. Bei diesen Ausführungsformen berührt der Chirurg den Abschnitt des Bildes, zu dem er das Laparoskop bewegen möchte, um das Laparoskop zu lenken, und eine automatische Steuersoftware steuert die Bewegung des Laparoskops zum Ziel. Somit muss sich der Chirurg bei bevorzugten Ausführungsformen nicht selbst mit der Mechanik des Umpositionierens auseinandersetzen; eine kurze Berührung am Anzeigebildschirm und er kann seine Hand wieder zurück zum Instrument bewegen, während sich das Laparoskop selbst automatisch umpositioniert.
Bei bevorzugten Varianten von Ausführungsformen, einschließlich eines berührungsempfindlichen Bildschirms, lenkt der Chirurg das Instrument an den gewünschten Standort, indem er den Abschnitt des Bildschirms berührt, der das Bild des gewünschten Standorts zeigt. Beispielsweise um das Laparoskop so zu lenken, dass die Spitze des Blinddarms in der Mitte des Bildschirms ist, würde der Chirurg das Bild der Spitze des Blinddarms auf dem Bildschirm berühren. Bei diesen Ausführungsformen berührt der Chirurg den Bildschirm nur kurz; ein längerer Druck ist nicht erforderlich, um das Laparoskop in die gewünschte Position zu lenken.
Bei anderen Varianten von Ausführungsformen, die einen berührungsempfindlichen Bildschirm enthalten, enthält der Bildschirm zumindest einen graphischen Richtungsindikator, der zumindest ein Pfeile, eine Linie oder ein Zeiger oder vorzugsweise eine Richtungsrose mit 4, 8 oder 16 Indikatoren sein kann. Bei manchen Varianten dieser Ausführungsformen berührt der Chirurg den entsprechenden Indikator, z. B. denjenigen, der in 45° im Uhrzeigersinn von der Vertikalen zeigt, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, und das Laparoskop bewegt sich, so dass sich die Mitte des Sichtfelds davon hin zum oberen rechten Abschnitt des Bilds bewegt. Bei diesen Ausführungsformen muss der Chirurg seine Hand am berührungsempfindlichen Bildschirm lassen, bis das Manöver abgeschlossen ist.
Bei anderen Varianten von Ausführungsformen mit graphischen Indikatoren auf dem berührungsempfindlichen Bildschirm umfasst der Indikator eine Richtungsrose (100), berührt der Chirurg eine Position an einer beliebigen Stelle am graphischen Indikator und bewegt sich das Laparoskop, so dass sich die Mitte des Sichtfelds davon hin zu der von der Position der Berührung angezeigten Richtung bewegt. Beispielsweise bei der Richtungsrose (100), die in 1, gezeigt ist, indiziert der höchste Punkt (110) eine Bewegung hin zum oberen Bereich des Bildschirms, indiziert der am weitesten rechts gelegene Punkt (120) eine Bewegung nach rechts, indiziert der tiefste Punkt (130) eine Bewegung zum unteren Bereich des Bildschirms und indiziert der am weitesten links gelegene Punkt (140) eine Bewegung nach links. Wenn der Chirurg eine Position 55° im Uhrzeigersinn von der Vertikalen berührt, bewegt sich das Laparoskop derart, dass sich die Mitte des Sichtfelds davon hin zum obersten rechten Abschnitt des Bilds bewegt, und zwar in einem Winkel von 55° im Uhrzeigersinn von der Vertikalen. Bei diesen Ausführungsformen muss der Chirurg seine Hand am berührungsempfindlichen Bildschirm lassen, bis das Manöver abgeschlossen ist.
Bei anderen Varianten von Ausführungsformen mit graphischen Indikatoren am berührungsempfindlichen Bildschirm definiert der Standort der Berührung auf dem Indikator die Geschwindigkeit, mit der sich die Mitte des Sichtfelds bewegt. Als nicht-einschränkendes Beispiel ist die Bewegung umso schneller, je weiter die Entfernung zur Mitte der Richtungsrose ist.
Bei noch anderen Ausführungsformen mit einem berührungsempfindlichen Bildschirm wird die Bewegungsrichtung durch Wörter indiziert, die auf dem Bildschirm erscheinen, z. B. links, rechts, hoch, runter, nach vorne, zurück, Zoomen, Hineinzoomen, Herauszoomen und eine beliebige Kombination davon, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Kombinationen der obigen Ausführungsformen sind für den Fachmann offensichtlich.
Viele andere Mittel zum Indizieren einer Bewegungsrichtung über einen berührungsempfindlichen Bildschirm sind für den Fachmann offensichtlich.
Bei noch anderen Ausführungsformen werden Sprachbefehle verwendet, um das Endoskop zu lenken. Bei solchen Ausführungsformen mit einem berührungsempfindlichen Bildschirm kann die Bewegungsrichtung durch Wörter indiziert werden, die vom Chirurgen gesprochen werden, z. B. links, rechts, hoch, runter, nach vorne, zurück, Zoomen, Hineinzoomen, Herauszoomen und eine beliebige Kombination davon, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Bei manchen Varianten von Ausführungsformen, bei denen Sprachbefehle verwendet werden, kann der Chirurg eine Winkelausweisung bereitstellen, z. B. einen numerischen Wert oder eine Kompassrose, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Nicht-einschränkende Beispiele für numerische Werte umfassen 60°, 75° im Uhrzeigersinn, 30° Nordwest. Andere Beispiele sind für den Fachmann offensichtlich. Nicht-einschränkende Beispiele für Kompassrosenausweisungen sind Nord-Nordwest, NNW, und Süden/Südosten.
Bei noch anderen Ausführungsformen werden Augenbewegungen verwendet, um das Endoskop zu lenken. Für gewöhnlich bewegt sich das Endoskop bei solchen Ausführungsformen in die Richtung, in die der Chirurg seine Augen bewegt. Als nicht-einschränkendes Beispiel bewegt sich das Endoskop nach rechts des Sichtfelds, wenn der Chirurg nach rechts schaut, bewegt sich das Endoskop hin zum oberen Sichtfeldbereich, wenn der Chirurg nach oben sieht und gleichermaßen bei Augenbewegungen nach links oder nach unten.
Gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst das chirurgische Steuersystem die folgenden Komponenten:

a. zumindest ein chirurgisches Werkzeug, das so ausgelegt ist, dass es in eine chirurgische Umgebung eines humanen Körpers eingeführt wird, um einen chirurgischen Eingriff zu unterstützen, wobei zumindest ein das Werkzeug ein Gelenkwerkzeug ist;
b. zumindest ein Standortschätzungsmittel, das so ausgelegt ist, dass es den Standort (d. h. die räumliche 3D-Position) des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs zu einem beliebigen bestimmten Zeitpunkt t in Echtzeit schätzt/lokalisiert;
c. zumindest ein Bewegungserkennungsmittel, das mit einer Bewegungsdatenbank und mit dem Standortschätzungsmittel kommunikationsfähig ist; wobei die Bewegungsdatenbank so ausgelegt ist, dass sie die räumliche 3D-Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs zu einem Zeitpunkt t_f und einem Zeitpunkt t₀ speichert; wobei t_f > t₀; – wobei das Bewegungserkennungsmittel so ausgelegt ist, dass es eine Bewegung des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs erkennt, wenn sich die räumliche 3D-Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs zu einem Zeitpunkt t_f von der räumlichen 3D-Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs zu einem Zeitpunkt to unterscheidet; und
d. eine Steuereinheit mit einem Verarbeitungsmittel, das mit einer Datenbank kommunikationsfähig ist, wobei die Steuereinheit so ausgelegt ist, dass sie die räumliche Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs steuert.

Die Ausgangszeit t₀ kann der Beginn der chirurgischen Eingriffs sein, sie kann der Zeitpunkt sein, an dem das Werkzeug in den Körper eingetreten ist, sie kann die Zeit zu Beginn der aktuellen Bewegung sein oder sie kann der vorherige Zeitschritt im aktuellen Manöver sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen setzt der Prozessor t₀ während des chirurgischen Eingriffs nach Bedarf zurück. Als nicht-einschränkendes Beispiel kann der positionsbezogene Unterschied zwischen dem Standort des Werkzeugs im vorherigen Zeitschritt und dessen Standort beim aktuellen Zeitschritt verwendet werden, um die aktuelle Geschwindigkeit des Werkzeugs zu berechnen, wobei der positionsbezogene Unterschied zwischen dessen aktueller Position und dessen Position zu Beginn des aktuellen Manövers verwendet werden kann, um die allgemeine Bewegungsrichtung des Werkzeugs zu berechnen.
Der Standort des Werkzeugs kann der Standort der Spitze des Werkzeugs, der Standort eines vordefinierten Punkts am Körper des Werkzeugs oder der Standort eines vordefinierten Punkt am Griff des Werkzeugs. Die Position, die den Standort des Werkzeugs definiert, kann nach Bedarf geändert werden, z. B. vom Standort des Körpers zum Standort der Spitze.
Bei manchen Ausführungsformen umfasst das chirurgische Steuersystem außerdem einen berührungsempfindlichen Bildschirm, der so ausgelegt ist, dass er eine Eingabe eines Standorts innerhalb des Körpers annimmt, wobei dieser durch Drücken auf den Abschnitt des berührungsempfindlichen Bildschirms indizierte Standort das Bild des Standorts zeigt.
Um die Steuerung zu erleichtern, wurde eine Reihe von Bewegungssteuerregeln umgesetzt, wie im Folgenden beschrieben.
Es fällt in den Umfang der vorliegenden Erfindung, dass die Datenbank so ausgelegt ist, dass sie einen vordefinierten Regelsatz speichert, gemäß welchem ZULÄSSIGE und BESCHRÄNKTE Bewegungen des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs bestimmt werden, so dass die räumliche Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs von der Steuereinheit gemäß den ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen gesteuert wird. Anders ausgedrückt wird jede erkannte Bewegung des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs durch das Bewegungserkennungsmittel gemäß dem vordefinierten Regelsatz entweder als ZULÄSSIGE Bewegung oder als BESCHRÄNKTE Bewegung bestimmt.
Somit speichert die vorliegende Erfindung die räumliche 3D-Position jedes chirurgischen Werkzeugs zu einer aktuellen Zeit t_f und einer Zeit t₀; wobei t_f > t₀. Wenn sich die räumliche 3D-Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs zu einem Zeitpunkt t_f von der räumlichen 3D-Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs zu einem Zeitpunkt to unterscheidet, wird eine Bewegung des Werkzeugs erkannt. Danach analysiert das System die Bewegung gemäß dem Regelsatz und verarbeitet, ob die Bewegung eine ZULÄSSIGE Bewegung oder eine BESCHRÄNKTE Bewegung ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verhindert das System die Bewegung, wenn die Bewegung eine BESCHRÄNKTE Bewegung ist. Die Bewegungsverhinderung wird durch Steuern eines Manövriersystems erzielt, das die Bewegung des chirurgischen Werkzeugs verhindert.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verhindert das System die Bewegung nicht (wenn die Bewegung eine BESCHRÄNKTE Bewegung ist), sondern signalisiert dem Benutzer (d. h. dem Arzt) lediglich die BESCHRÄNKTE Bewegung/warnt den Benutzer darüber.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das chirurgische Werkzeug ein Endoskop.
Gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Steuereinheit dem Benutzer einen Vorschlag unterbreiten, in welche Richtung sich das chirurgische Werkzeug bewegen muss oder bewegt werden kann.
Somit stellt die vorliegende Erfindung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen vordefinierten Regelsatz bereit, der definiert, was eine "ZULÄSSIGE Bewegung" eines beliebigen chirurgischen Werkzeugs innerhalb der chirurgischen Umgebung ist und was eine "BESCHRÄNKTE Bewegung" eines beliebigen chirurgischen Werkzeugs innerhalb der chirurgischen Umgebung ist.
Gemäß manchen Ausführungsformen umfasst das System der vorliegenden Erfindung ein Manövrierteilsystem, das mit der Steuereinheit kommunikationsfähig ist, wobei das Manövrierteilsystem so ausgelegt ist, dass es das zumindest eine chirurgische Werkzeug während eines chirurgischen Eingriffs gemäß dem vordefinierten Regelsatz räumlich umpositioniert.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann die Steuereinheit Anweisungen an ein Manövrierteilsystem zum räumlichen Umpositionieren des Standorts des chirurgischen Werkzeugs bereitstellen. Gemäß diesen Anweisungen werden nur ZULÄSSIGE Bewegungen des chirurgischen Werkzeugs durchgeführt. Das Verhindern von BESCHRÄNKTEN Bewegungen wird durchgeführt durch: Erkennen des Standorts des chirurgischen Werkzeugs; Verarbeiten aller aktueller Regeln; Analysieren der Bewegung des chirurgischen Werkzeugs und Verhindern der Bewegung, wenn die Bewegung des Werkzeugs eine BESCHRÄNKTE Bewegung ist.
Gemäß manchen Ausführungsformen warnt das System den Arzt lediglich über eine BESCHRÄNKTE Bewegung zumindest eines chirurgischen Werkzeugs (anstatt die BESCHRÄNKTE Bewegung zu verhindern).
Das Alarmieren des Arztes über BESCHRÄNKTE Bewegungen (oder alternativ das Verhindern einer BESCHRÄNKTEN Bewegung) wird durchgeführt durch: Erkennen des Standorts des chirurgischen Werkzeugs; Verarbeiten aller aktueller Regeln; Analysieren der Bewegung des chirurgischen Werkzeugs und Informieren des Chirurgen (des Benutzers des Systems), ob die Bewegung des Werkzeugs eine ZULÄSSIGE Bewegung oder eine BESCHRÄNKTE Bewegung ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird somit der gleiche Prozess (des Erkennens des Standorts des chirurgischen Werkzeugs; Verarbeiten aller aktueller Regeln und Analysieren der Bewegung des chirurgischen Werkzeugs) mit Ausnahme der letzten Bewegung befolgt, wobei die Bewegung verhindert wird, wenn die Bewegung des Werkzeugs eine BESCHRÄNKTE Bewegung ist. Der Chirurg kann auch darüber informiert werden, dass sie Bewegung verhindert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Vorstehende (Alarmieren des Arztes und/oder Verhindern der Bewegung) durch Erkennen des Standorts des chirurgischen Werkzeugs und Analysieren der chirurgischen Umgebung des chirurgischen Werkzeugs durchgeführt. Nach Analyse der chirurgischen Umgebung und Erkennen des Standorts des chirurgischen Werkzeugs kann das System alle Risiken bewerten, die mit einer Bewegung des chirurgischen Werkzeugs in die vordefinierte Richtung ggf. verbunden sind. Daher muss jeder Standort in der chirurgischen Umgebung analysiert werden, so dass jede mögliche Bewegung des chirurgischen Werkzeugs als ZULÄSSIGE Bewegung oder BESCHRÄNKTE Bewegung klassifiziert wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird der Standort jedes Werkzeugs unter Verwendung eines Bildverarbeitungsmittels und unter Echtzeitbestimmung des räumlichen 3D-Standorts jedes Werkzeugs bestimmt. Es sei verstanden, dass sich das oben erwähnte "Werkzeug" auf einen beliebigen Standort am Werkzeug beziehen kann. Beispielsweise kann es sich auf dessen Spitze, dessen Körper und eine beliebige Kombination davon beziehen.
Bei manchen Ausführungsformen wird das Vermeiden von Körperorganen mithilfe eines Proximitätssensors auf dem Umfang des zumindest einen Werkzeugs erleichtert. Wenn der Abstand zwischen dem Werkzeug und einem weiteren Objekt in der chirurgischen Umgebung, z. B. einem Organ oder einem weiteren Werkzeug, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, geringer als ein vordefinierter Abstand ist, aktiviert sich der Proximitätssensor bei diesen Ausführungsformen, wodurch das Steuersystem darüber informiert wird, dass zumindest ein Werkzeug zu nahe an einem weiteren Objekt in der chirurgischen Umgebung ist.
Bei manchen Varianten von Ausführungsformen mit Proximitätssensoren bestimmt der Proximitätssensor nicht nur, ob ein Objekt innerhalb eines vordefinierten Abstands zum Sensor vorhanden ist, er bestimmt für Objekte innerhalb des vordefinierten Abstands auch den Abstand zwischen dem Sensor und dem Objekt.
Im Folgenden umfasst das Bestimmen des 3D-Standorts jedes Werkzeugs auch das Bestimmen mithilfe eines Proximitätssensors sowie das Bestimmen mithilfe von Bildverarbeitung.
Der vordefinierte Regelsatz, der das Wesen der vorliegenden Erfindung bildet, ist so ausgelegt, dass er alle möglichen Faktoren berücksichtigt, die während des chirurgischen Eingriffs wichtig sein könnten. Der vordefinierte Regelsatz kann die folgenden Regeln oder eine beliebige Kombination davon umfassen:

a. eine Routenregel;
b. eine Umgebungsregel;
c. eine Benutzereingaberegel;
d. eine Proximitätsregel;
e. eine Kollisionsverhinderungsregel;
f. eine verlaufsbasierte Regel;
g. eine Regel zu werkzeugabhängigen ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen;
h. eine Regel zum am häufigsten verwendeten Werkzeug
i. eine Regel zum rechten Werkzeug;
j. eine Regel zum linken Werkzeug;
k. eine Sichtfeldregel;
l. eine Sperrzonenregel;
m. eine Benutzereingaberegel;
n. eine Regel zur bevorzugten Volumenzone;
o. eine Regel zum bevorzugten Werkzeug;
p. eine Bewegungserkennungsregel; und
q. eine Regel zum markierten Werkzeug.

Somit definiert z. B. die Kollisionsverhinderungsregel einen Mindestabstand, der nicht unterschritten werden sollte, wenn zwei oder mehr Werkzeuge einander angenähert werden (d. h. ein Mindestabstand zwischen zwei oder mehr Werkzeugen, der aufrechterhalten werden sollte). Wenn die Bewegung eines Werkzeugs bewirkt, dass es gefährlich nahe an ein anderes Werkzeug herankommt (d. h. der Abstand zwischen diesen ist nach der Bewegung geringer als der von der Kollisionsverhinderungsregel definierte Mindestabstand), alarmiert die Steuereinheit entweder den Benutzer, dass die Bewegung eine BESCHRÄNKTE Bewegung ist, oder lässt die Bewegung nicht zu.
Es sei hervorgehoben, dass das gesamte Vorstehende (und die folgende Offenbarung) durch konstantes Überwachen der chirurgischen Umgebung und Identifizieren sowie Lokalisieren des räumlichen 3D-Standorts jedes Elements/Werkzeugs in der chirurgischen Umgebung ermöglicht wird.
Die Identifizierung wird durch herkömmliche Mittel bereitgestellt, die dem Fachmann bekannt sind (z. B. Bildverarbeitung, optisches Mittel usw.).
Im Folgenden werden jede der oben erwähnten Regeln und deren Funktionen erläutert:
Gemäß manchen Ausführungsformen umfasst die Routenregel eine vordefinierte Route, wobei das zumindest eine chirurgische Werkzeug so ausgelegt ist, dass es sich entlang dieser innerhalb der chirurgischen Umgebung bewegt; sind die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen, bei denen sich das zumindest eine chirurgische Werkzeug innerhalb der Grenzen der vordefinierten Route befindet, und sind die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen, bei denen sich das zumindest eine chirurgische Werkzeug außerhalb der Grenzen der vordefinierten Route befindet. Somit umfasst die Routenregel gemäß dieser Ausführungsform eine kommunikationsfähige Datenbank, in der zumindest eine vordefinierte Route gespeichert ist, wobei das zumindest eine chirurgische Werkzeug so ausgelegt ist, dass es sich entlang dieser innerhalb der chirurgischen Umgebung bewegt; wobei die vordefinierte Route n räumliche 3D-Positionen des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs auf der Route umfasst; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei ZULÄSSIGE Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das zumindest eine chirurgische Werkzeug im Wesentlichen in zumindest einer der n räumlichen 3D-Positionen der vordefinierten Route befindet, und wobei BESCHRÄNKTE Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs im Wesentlichen von den n räumlichen 3D-Positionen der vordefinierten Route unterscheidet.
Anders ausgedrückt wird gemäß der Routenregel jeder der Verläufe des chirurgischen Werkzeugs (und der Weg bei einem beliebigen chirurgischen Eingriff) in einer kommunikationsfähigen Datenbank gespeichert. ZULÄSSIGE Bewegungen sind als Bewegungen definiert, bei denen sich das zumindest eine chirurgische Werkzeug im Wesentlichen auf zumindest einer der gespeicherten Routen befindet; und BESCHRÄNKTE Bewegungen sind Bewegungen, bei denen sich das zumindest eine chirurgische Werkzeug an einem im Wesentlichen unterschiedlichen Standort als ein beliebiger Standort auf einer beliebigen gespeicherten Route befindet.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Umgebungsregel so ausgelegt, dass sie ZULÄSSIGE und BESCHRÄNKTE Bewegungen gemäß Gefahren und Hindernissen in der chirurgischen Umgebung bestimmt, wie von Endoskop oder einem anderen Abtastmittel empfangen. Somit umfasst die Umgebungsregel gemäß dieser Ausführungsform eine kommunikationsfähige Datenbank; wobei die kommunikationsfähige Datenbank so ausgelegt ist, dass sie Echtzeitbilder der chirurgischen Umgebung empfängt, und so ausgelegt ist, dass sie eine Echtzeitbildverarbeitung von diesem durchführt und die räumliche 3D-Position von Gefahren oder Hindernissen in der chirurgischen Umgebung bestimmt; wobei die Umgebungsregel so ausgelegt ist, dass sie ZULÄSSIGE und BESCHRÄNKTE Bewegungen gemäß Gefahren oder Hindernissen in der chirurgischen Umgebung bestimmt, so dass BESCHRÄNKTE Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich zumindest ein chirurgisches Werkzeug im Wesentlichen in zumindest einer der räumlichen 3D-Positionen befindet, und wobei ZULÄSSIGE Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort zumindest eines chirurgischen Werkzeugs von den räumlichen 3D-Positionen im Wesentlichen unterscheidet.
Anders ausgedrückt wird jedes Element in der chirurgischen Umgebung gemäß der Umgebungsregel identifiziert, um festzustellen, welches eine Gefahr oder ein Hindernis (und ein Weg bei einem beliebigen chirurgischen Eingriff) ist, und jede Gefahr und jedes Hindernis (und jeder Weg) werden in einer kommunikationsfähigen Datenbank gespeichert. BESCHRÄNKTE Bewegungen sind als Bewegungen definiert, bei denen sich zumindest ein chirurgisches Werkzeug im Wesentlichen am gleichen Standort wie die Gefahren oder Hindernisse befindet; und die ZULÄSSIGEN Bewegungen sind Bewegungen, bei denen sich der Standort des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs von jenem der Gefahren oder Hindernisse im Wesentlichen unterscheidet.
Gemäß anderen Ausführungsformen sind Gefahren und Hindernisse in der chirurgischen Umgebung aus einer Gruppe ausgewählt, bestehend aus Geweben, chirurgischen Werkzeugen, Organen, Endoskopen und einer beliebigen Kombination davon.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Benutzereingaberegel so ausgelegt, dass sie eine Eingabe vom Benutzer des Systems in Bezug auf die ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs empfängt. Somit umfasst die Benutzereingaberegel gemäß dieser Ausführungsform eine kommunikationsfähige Datenbank; ist die kommunikationsfähige Datenbank so ausgelegt, dass sie eine Eingabe vom Benutzer des Systems in Bezug auf die ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs empfängt.
Gemäß anderen Ausführungsformen umfasst die Eingabe n räumliche 3D-Positionen; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei zumindest eine davon als ein ZULÄSSIGER Standort und zumindest eine davon als ein BESCHRÄNKTER Standort definiert ist, so dass die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das zumindest eine chirurgische Werkzeug im Wesentlichen in einer der n räumlichen ZULÄSSIGEN 3D-Positionen befindet, und die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs im Wesentlichen von den n räumlichen ZULÄSSIGEN 3D-Positionen unterscheidet.
Gemäß anderen Ausführungsformen umfasst die Eingabe zumindest eine Regel, gemäß welcher ZULÄSSIGE und BESCHRÄNKTE Bewegungen des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs bestimmt werden, so dass die räumliche Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs von der Steuereinheit gemäß den ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen gesteuert wird.
Gemäß anderen Ausführungsformen kann die Benutzereingaberegel eine ZULÄSSIGE Bewegung in eine BESCHRÄNKTE Bewegung und eine BESCHRÄNKTE Bewegung in eine ZULÄSSIGE Bewegung umwandeln.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Proximitätsregel so ausgelegt, dass sie einen vordefinierten Abstand zwischen dem zumindest einen chirurgischen Werkzeug und zumindest einem weiteren chirurgischen Werkzeug definiert; wobei die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, die innerhalb des Bereichs oder außerhalb des Bereichs des vordefinierten Abstands liegen, und wobei die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, die außerhalb des Bereichs oder innerhalb des Bereichs des vordefinierten Abstands liegen; wobei die ZULÄSSIGEN Bewegungen und die BESCHRÄNKTEN Bewegungen gemäß unterschiedlichen Bereichen definiert werden. Somit ist die Proximitätsregel gemäß dieser Ausführungsform so ausgelegt, dass sie einen vordefinierten Abstand zwischen zumindest zwei chirurgischen Werkzeugen definiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen, die innerhalb des Bereichs des vordefinierten Abstands liegen, die BESCHRÄNKTEN Bewegungen hingegen sind Bewegungen, die außerhalb des Bereichs des vordefinierten Abstands liegen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen, die außerhalb des Bereichs des vordefinierten Abstands liegen, die BESCHRÄNKTEN Bewegungen hingegen sind Bewegungen, die innerhalb des Bereichs des vordefinierten Abstands liegen.
Es sei darauf hingewiesen, dass der oben genannte Abstand aus dem Folgenden ausgewählt sein kann:

(a) einem Abstand zwischen der Spitze des ersten Werkzeugs und der Spitze des zweiten Werkzeugs;
(b) einem Abstand zwischen dem Körper des ersten Werkzeugs und der Spitze des zweiten Werkzeugs;
(c) einem Abstand zwischen dem Körper des ersten Werkzeugs und dem Körper des zweiten Werkzeugs;
(d) einem Abstand zwischen der Spitze des ersten Werkzeugs und dem Körper des zweiten Werkzeugs; und einer beliebigen Kombination davon.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Proximitätsregel so ausgelegt, dass sie einen vordefinierten Winkel zwischen zumindest drei chirurgischen Werkzeugen definiert; wobei ZULÄSSIGE Bewegungen Bewegungen sind, die innerhalb des Bereichs oder außerhalb des Bereichs des vordefinierten Winkels liegen, und wobei BESCHRÄNKTE Bewegungen Bewegungen sind, die außerhalb des Bereichs oder innerhalb des Bereichs des vordefinierten Winkels liegen.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Kollisionsverhinderungsregel so ausgelegt, dass sie einen vordefinierten Abstand zwischen dem zumindest einen chirurgischen Werkzeug und einem anatomischen Element innerhalb der chirurgischen Umgebung (z. B. Gewebe, Organ, weiteres chirurgisches Werkzeug oder eine beliebige Kombination davon) definiert; wobei die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, die in einen Bereich fallen, der größer als der vordefinierte Abstand ist, und wobei die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, die in einen Bereich fallen, der kleiner als der vordefinierte Abstand ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das anatomische Element aus einer Gruppe ausgewählt, bestehend aus Gewebe, Organ, weiterem chirurgischem Werkzeug oder einer beliebigen Kombination davon.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist das chirurgische Werkzeug ein Endoskop. Das Endoskop ist so ausgelegt, dass es Echtzeitbilder der chirurgischen Umgebung bereitstellt.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Regel zum rechten Werkzeug so ausgelegt, dass sie die ZULÄSSIGE Bewegung des Endoskops gemäß der Bewegung eines chirurgischen Werkzeugs in einer spezifizierten Position in Bezug auf das Endoskop, vorzugsweise rechts von diesem positioniert, bestimmt. Gemäß dieser Regel wird das Werkzeug, das als rechtes Werkzeug definiert ist, vom Endoskop konstant verfolgt. Gemäß manchen Ausführungsformen ist das rechte Werkzeug als das Werkzeug definiert, das sich rechts vom Endoskop befindet; gemäß anderen Ausführungsformen kann ein beliebiges Werkzeug als das rechte Werkzeug definiert werden. Eine ZULÄSSIGE Bewegung ist gemäß der Regel zum rechten Werkzeug eine Bewegung, bei der das Endoskopsichtfeld an einen Standort bewegt wird, der im Wesentlichen dem Standort des rechten Werkzeugs entspricht, wodurch das rechte Werkzeug verfolgt wird. Eine BESCHRÄNKTE Bewegung ist gemäß der Regel zum rechten Werkzeug eine Bewegung, bei der das Endoskopsichtfeld an einen Standort bewegt wird, der sich vom Standort des rechten Werkzeugs im Wesentlichen unterscheidet.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Regel zum linken Werkzeug so ausgelegt, dass sie die ZULÄSSIGE Bewegung des Endoskops gemäß der Bewegung eines chirurgischen Werkzeugs in einer spezifizierten Position in Bezug auf das Endoskop, vorzugsweise links von diesem positioniert, bestimmt. Gemäß dieser Regel wird das Werkzeug, das als linkes Werkzeug definiert ist, vom Endoskop konstant verfolgt. Gemäß manchen Ausführungsformen ist das linke Werkzeug als das Werkzeug definiert, das sich links vom Endoskop befindet; gemäß anderen Ausführungsformen kann ein beliebiges Werkzeug als das linke Werkzeug definiert werden. Eine ZULÄSSIGE Bewegung ist gemäß der Regel zum linken Werkzeug eine Bewegung, bei der das Endoskopsichtfeld an einen Standort bewegt wird, der dem Standort des linken Werkzeugs im Wesentlichen entspricht. Eine BESCHRÄNKTE Bewegung ist gemäß der Regel zum linken Werkzeug eine Bewegung, bei der das Endoskopsichtfeld an einen Standort bewegt wird, der sich vom Standort des linken Werkzeugs im Wesentlichen unterscheidet.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Sichtfeldregel so ausgelegt, dass sie ein Sichtfeld definiert und dieses Sichtfeld aufrechterhält. Die Sichtfeldregel ist so definiert, dass die Regel, wenn das Endoskop so ausgelegt ist, dass es einen vordefinierten Werkzeugsatz in einem gewünschten Sichtfeld verfolgt, wenn sich eines dieser Werkzeuge nicht länger im Sichtfeld befindet, das Endoskop zum Herauszoomen anweist, um das Werkzeug wieder in das Sichtfeld einzubringen. Somit umfasst die Sichtfeldregel gemäß dieser Ausführungsform eine kommunikationsfähige Datenbank, die n räumliche 3D-Positionen umfasst; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; die Kombination aller n räumlichen 3D-Positionen ein vordefiniertes Sichtfeld bereitstellt; die Sichtfeldregel so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGE Bewegung des Endoskops innerhalb der n räumlichen 3D-Positionen bestimmt, um ein konstantes Sichtfeld aufrechtzuerhalten, so dass die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das Endoskop im Wesentlichen in zumindest einer der n räumlichen 3D-Positionen befindet, und die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des Endoskops im Wesentlichen von den n räumlichen 3D-Positionen unterscheidet.
Somit umfasst die Sichtfeldregel gemäß einer weiteren Ausführungsform der Sichtfeldregel eine kommunikationsfähige Datenbank, die n räumliche 3D-Positionen umfasst; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei die Kombination aller n räumlichen 3D-Positionen ein vordefiniertes Sichtfeld bereitstellt. Die Sichtfeldregel umfasst des Weiteren eine kommunikationsfähige Datenbank von m Werkzeugen und die räumlichen 3D-Standorte dieser, wobei m eine ganze Zahl größer gleich 1 ist und wobei ein Werkzeug ein chirurgisches Werkzeug, ein anatomisches Element und eine beliebige Kombination davon sein kann. Die Kombination aller n räumlichen 3D-Positionen stellt ein vordefiniertes Sichtfeld bereit. Die Sichtfeldregel ist so ausgelegt, dass sie eine ZULÄSSIGE Bewegung des Endoskops bestimmt, so dass die m räumlichen 3D-Positionen der Werkzeuge zumindest eine der n räumlichen 3D-Positionen des Sichtfelds umfassen, und wobei BESCHRÄNKTE Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich die räumliche 3D-Position zumindest eines Werkzeugs von den n räumlichen 3D-Positionen des Sichtfelds im Wesentlichen unterscheidet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Regel zur bevorzugten Volumenzone eine kommunikationsfähige Datenbank, die n räumliche 3D-Positionen umfasst; n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; die n räumlichen 3D-Positionen die bevorzugte Volumenzone bereitstellen; die Regel zur bevorzugten Volumenzone so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGE Bewegung des Endoskops innerhalb der n räumlichen 3D-Positionen und die BESCHRÄNKTE Bewegung des Endoskops außerhalb der n räumlichen 3D-Positionen bestimmt, so dass die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das Endoskop im Wesentlichen in zumindest einer der n räumlichen 3D-Positionen befindet, und die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des Endoskops im Wesentlichen von den n räumlichen 3D-Positionen unterscheidet. Anders ausgedrückt definiert die Regel zur bevorzugten Volumenzone ein Volumen von Interesse (ein gewünschtes Volumen von Interesse), so dass eine ZULÄSSIGE Bewegung gemäß der Regel zur bevorzugten Volumenzone eine Bewegung ist, bei der das Endoskop (oder ein beliebiges chirurgisches Werkzeug) an einen Standort innerhalb des definierten bevorzugten Volumens bewegt wird. Eine BESCHRÄNKTE Bewegung ist gemäß der Regel zur bevorzugten Volumenzone eine Bewegung, bei der das Endoskop (oder ein beliebiges chirurgisches Werkzeug) an einen Standort außerhalb des definierten bevorzugten Volumens bewegt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Regel zum bevorzugten Werkzeug eine kommunikationsfähige Datenbank, in der Datenbank ein bevorzugtes Werkzeug gespeichert ist; die Regel zum bevorzugten Werkzeug so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGE Bewegung des Endoskops gemäß der Bewegung des bevorzugten Werkzeugs bestimmt. Anders ausgedrückt definiert die Regel zum bevorzugten Werkzeug ein bevorzugtes Werkzeug (d. h. ein Werkzeug von Interesse), das der Benutzer zu verfolgen wünscht. Eine ZULÄSSIGE Bewegung ist gemäß der Regel zum bevorzugten Werkzeug eine Bewegung, bei der das Endoskop an einen Standort bewegt wird, der dem Standort des bevorzugten Werkzeugs im Wesentlichen entspricht. Eine BESCHRÄNKTE Bewegung ist eine Bewegung, bei der das Endoskop an einen Standort bewegt wird, der sich vom Standort des bevorzugten Werkzeugs im Wesentlichen unterscheidet. Somit verfolgt das Endoskop gemäß der Regel zum bevorzugten Werkzeug das bevorzugte Werkzeug konstant, so dass das Sichtfeld vom Endoskop aus gesehen konstant das bevorzugte Werkzeug ist. Es sei angemerkt, dass der Benutzer in der Regel zum bevorzugten Werkzeug definieren kann, dass die Spitze des bevorzugten Werkzeugs konstant verfolgt wird, oder alternativ kann der Benutzer in der Regel zum bevorzugten Werkzeug definieren, dass der Körper oder ein beliebiger Standort auf dem bevorzugten Werkzeug konstant verfolgt wird.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Sperrzonenregel so ausgelegt, dass sie eine BESCHRÄNKTE Zone definiert, in die kein Werkzeug (oder alternativ kein vordefiniertes Werkzeug) eintreten darf. Somit umfasst die Sperrzonenregel gemäß dieser Ausführungsform eine kommunikationsfähige Datenbank, die n räumliche 3D-Positionen umfasst; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei die n räumlichen 3D-Positionen ein vordefiniertes Volumen innerhalb der chirurgischen Umgebung definieren; wobei die Sperrzonenregel so ausgelegt ist, dass sie eine BESCHRÄNKTE Bewegung bestimmt, wenn die Bewegung innerhalb der Sperrzone liegt, und sie eine ZULÄSSIGE Bewegung bestimmt, wenn die Bewegung außerhalb der Sperrzone befindet, so dass BESCHRÄNKTE Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das zumindest eine chirurgische Werkzeug im Wesentlichen in einer der n räumlichen 3D-Positionen befindet, und die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs im Wesentlichen von den n räumlichen 3D-Positionen unterscheidet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Regel zum am häufigsten verwendeten Werkzeug so ausgelegt, dass sie definiert (in Echtzeit, während des Eingriffs oder vor dem Eingriff), welches Werkzeug das am häufigsten verwendete Werkzeug ist (d. h. das Werkzeug, das während des Eingriffs am häufigsten bewegt wird), und dass sie das Manövrierteilsystem zum konstanten Positionieren des Endoskop anweist, um die Bewegung dieses Werkzeugs zu verfolgen. Somit umfasst die Regel zum am häufigsten verwendeten Werkzeug gemäß dieser Ausführungsform eine kommunikationsfähige Datenbank, die die Anzahl von Bewegungen jedes der chirurgischen Werkzeuge zählt; wobei die Regel zum am häufigsten verwendeten Werkzeug so ausgelegt ist, dass sie das Endoskop konstant positioniert, um die Bewegung des chirurgischen Werkzeugs mit der größten Anzahl von Bewegungen verfolgt. Bei einer weiteren Ausführungsform der Regel zum am häufigsten verwendeten Werkzeug misst die kommunikationsfähige Datenbank die Bewegungsmenge jedes der chirurgischen Werkzeuge; wobei die Regel zum am häufigsten verwendeten Werkzeug so ausgelegt ist, dass sie das Endoskop konstant positioniert, um die Bewegung des chirurgischen Werkzeugs mit der größten Bewegungsmenge verfolgt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das System so ausgelegt, dass es den Arzt über eine BESCHRÄNKTE Bewegung zumindest eines chirurgischen Werkzeugs alarmiert. Der Alarm kann ein Audiosignal, ein Sprachsignal, ein Lichtsignal, ein Blinksignal und eine beliebige Kombination davon sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist eine ZULÄSSIGE Bewegung eine Bewegung, die von der Steuereinheit erlaubt wird, und ist eine BESCHRÄNKTE Bewegung eine Bewegung, die von der Steuereinheit verweigert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Benutzereingaberegelregel so ausgelegt, dass sie eine Eingabe vom Benutzer des Systems in Bezug auf ZULÄSSIGE und BESCHRÄNKTE Bewegungen des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs empfängt. Anders ausgedrückt empfängt die Benutzereingaberegel Anweisungen vom Arzt dahingehend, was als ZULÄSSIGE Bewegungen angesehen werden kann und welche Bewegungen BESCHRÄNKTE Bewegungen sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Benutzereingaberegel so ausgelegt, dass sie eine ZULÄSSIGE Bewegung in eine BESCHRÄNKTE Bewegung und eine BESCHRÄNKTE Bewegung in eine ZULÄSSIGE Bewegung umwandelt.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die verlaufsbasierte Regel so ausgelegt, dass sie die ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen gemäß bisheriger Bewegungen des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs bei zumindest einem bisherigen chirurgischen Eingriff bestimmt. Somit umfasst die verlaufsbasierte Regel gemäß dieser Ausführungsform eine kommunikationsfähige Datenbank, in der jede räumliche 3D-Position jedes der chirurgischen Werkzeuge gespeichert ist, so dass jede Bewegung jedes chirurgischen Werkzeugs gespeichert wird; wobei die verlaufsbasierte Regel so ausgelegt ist, dass sie ZULÄSSIGE und BESCHRÄNKTE Bewegungen gemäß bisherigen Bewegungen des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs bestimmt, so dass die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das zumindest eine chirurgische Werkzeug im Wesentlichen in einer der räumlichen 3D-Positionen befindet, und die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs im Wesentlichen von den n räumlichen 3D-Positionen unterscheidet.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Regel zu werkzeugabhängigen ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen so ausgelegt, dass sie ZULÄSSIGE und BESCHRÄNKTE Bewegungen gemäß vordefinierten Charakteristika des chirurgischen Werkzeugs bestimmt, wobei die vordefinierten Charakteristika des chirurgischen Werkzeugs aus einer Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus: physischen Abmessungen, Struktur, Gewicht, Schärfe und einer beliebigen Kombination davon. Somit umfasst die Regel zu werkzeugabhängigen ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen gemäß dieser Ausführungsform eine kommunikationsfähige Datenbank; wobei die kommunikationsfähige Datenbank so ausgelegt ist, dass sie vordefinierte Charakteristika zumindest eines der chirurgischen Werkzeuge speichert; wobei die Regel zu werkzeugabhängigen ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen so ausgelegt ist, dass sie ZULÄSSIGE und BESCHRÄNKTE Bewegungen gemäß den vordefinierten Charakteristika des chirurgischen Werkzeugs bestimmt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die vordefinierten Charakteristika des chirurgischen Werkzeugs aus einer Gruppe ausgewählt, bestehend aus: physischen Abmessungen, Struktur, Gewicht, Schärfe und einer beliebigen Kombination davon.
Gemäß dieser Ausführungsform kann der Benutzer z. B. die Struktur des chirurgischen Werkzeugs definieren, die er vom Endoskop verfolgen lassen möchte. Somit verfolgt das Endoskop gemäß der Regel zu werkzeugabhängigen ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen das chirurgische Werkzeug mit den vordefinierten Charakteristika, wie vom Benutzer definiert, konstant.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Bewegungserkennungsregel eine kommunikationsfähige Datenbank, die räumliche Echtzeit-3D-Daten jedes chirurgischen Werkzeugs umfasst; wobei die Bewegungsregel so ausgelegt ist, dass sie eine Bewegung zumindest eines chirurgischen Werkzeugs erkennt. Wenn eine Änderung der räumlichen 3D-Position dieses chirurgischen Werkzeugs empfangen wird, sind ZULÄSSIGE Bewegungen Bewegungen, bei denen das Endoskop umgelenkt wird, um sich auf das sich bewegende chirurgische Werkzeug zu fokussieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Regel zum markierten Werkzeug ein Mittel zum Markieren zumindest eines chirurgischen Werkzeugs innerhalb der chirurgischen Umgebung, so dass das Endoskop durch Manövrieren des Endoskops konstant direkt zum markierten chirurgischen Werkzeug gelenkt wird. Somit verfolgt das Endoskop gemäß der Regel zum markierten Werkzeug das bevorzugte (d. h. markierte) Werkzeug konstant, so dass das Sichtfeld vom Endoskop aus gesehen konstant am bevorzugten (markierten) Werkzeug gehalten wird. Es sei angemerkt, dass der Benutzer die Regel zum markierten Werkzeug so definieren kann, dass die Spitze des bevorzugten (markierten) Werkzeugs, der Körper des bevorzugten (markierten) Werkzeugs oder ein beliebiger Standort auf dem bevorzugten (markierten) Werkzeug konstant verfolgt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das System des Weiteren ein Manövrierteilsystem, das mit der Steuereinheit kommunikationsfähig ist. Das Manövrierteilsystem ist so ausgelegt, dass es das zumindest eine chirurgische Werkzeug während eines chirurgischen Eingriffs gemäß dem vordefinierten Regelsatz umpositioniert.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist das zumindest eine Standortschätzungsmittel zumindest ein Endoskop, das so ausgelegt ist, dass es Echtzeitbilder einer chirurgischen Umgebung innerhalb des humanen Körpers erfasst, um den Standort zumindest eines chirurgischen Werkzeugs zu schätzen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Standortschätzungsmittel zumindest eines, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einem optischen Bildgebungsmittel, einem Funkfrequenzsende- und Funkfrequenzempfangsmittel, zumindest einer Kennzeichnung auf zumindest einem chirurgischen Werkzeug und einer beliebigen Kombination davon.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das zumindest eine Standortschätzungsmittel eine Schnittstellenteilsystem zwischen einem Chirurgen und zumindest einem chirurgischen Werkzeug, wobei das Schnittstellenteilsystem (a) zumindest eine Anordnung, die N Normallichtquellen oder N Strukturlichtquellen umfasst, wobei N eine positive ganze Zahl ist; (b) zumindest eine Anordnung, die M Kameras umfasst, wobei M eine positive ganze Zahl ist; (c) optional optische Marker und ein Mittel zum Anbringen der optischen Marker an zumindest einem chirurgischen Werkzeug; und (d) einen computergestützten Algorithmus umfasst, der über die Steuereinheit betreibbar ist, wobei der computergestützte Algorithmus so ausgelegt ist, dass er von jeder Kamera jeder der M Kameras empfangene Bilder aufzeichnet und anhand dieser die Position jedes der Werkzeuge berechnet, und des Weiteren so ausgelegt ist, dass er die Ergebnisse der Berechnung automatisch an den humanen Benutzer der Schnittstelle bereitstellt.
Es ist hinlänglich bekannt, dass die Chirurgie eine höchstdynamische Verfahrensweise mit einer sich konstant verändernden Umgebung ist, die von vielen Variablen abhängt. Eine nicht-einschränkende Liste dieser Variablen beinhaltet z. B. den Chirurgietyp, den Arbeitsraum (z. B. mit Fremdobjekten, dynamischen nicht-korrelierten Bewegungen usw.), den Typ von Werkzeugen, die während des chirurgischen Eingriffs verwendet werden, einen sich verändernden Hintergrund, relative Bewegungen, dynamische Verfahrensweisen, dynamische Eingabe vom Benutzer und die Anamnese des Patienten. Aus diesem Grund besteht ein Bedarf an einem System, das in der Lage ist, alle Variablen durch Gewichten deren Wichtigkeit und Entscheiden, an welche räumliche Position das Endoskop umpositioniert werden sollte, zu berücksichtigen.
Die vorliegende Erfindung kann außerdem verwendet werden, um die Schnittstelle zwischen den Benutzern (z. B. dem Chirurgen, dem operierenden medizinischen Assistenten, den Kollegen des Chirurgen usw.) zu verbessern. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung auch verwendet werden, um ein automatisiertes Manövrierteilsystem zu steuern und/oder anzuweisen, so dass dieses das Endoskop auf ein vom Chirurgen ausgewähltes Instrument oder eine beliebige andere Region von Interesse fokussiert. Dies kann durchgeführt werden, um den Standort zumindest eines chirurgischen Werkzeugs während eines chirurgischen Eingriffs zu schätzen.
Die vorliegende Erfindung offenbart außerdem ein chirurgisches Verfolgungsteilsystem, das so ausgelegt ist, dass es ein Endoskop automatisch und/oder halbautomatisch in eine vordefinierte Region von Interesse führt und umpositioniert. Dieser Vorgang wird von einem oder mehreren Bildverarbeitungsalgorithmen unterstützt, die so ausgelegt sind, dass sie die empfangenen Daten des Endoskops in Echtzeit analysieren und die chirurgische Umgebung des Endoskops bewerten.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das System ein "intelligentes" Verfolgungsteilsystem, das von einer Manövrierfunktion f(t) (t ist die Zeit) Anweisungen in Bezug darauf empfängt, wohin das Endoskop zu lenken ist, und das das Manövrierteilsystem zum Umpositionieren des Endoskops in den erforderlichen Bereich anweist.
Die Manövrierfunktion f(t) empfängt als Eingabe eine Ausgabe von zumindest zwei Anweisungsfunktionen g_i(t), analysiert deren Ausgabe und stellt eine Anweisung an das "intelligente" Verfolgungssystem bereit (das das Endoskop schließlich umlenkt).
Gemäß manchen Ausführungsformen ist jeder Anweisungsfunktion g_i(t) auch eine Gewichtungsfunktion α_i(t) zugewiesen.
Die Anweisungsfunktionen g_i(t) der vorliegenden Erfindung sind Funktionen, die so konfiguriert sind, dass sie die Umgebung des Endoskops und des chirurgischen Eingriffs bewerten und Daten ausgeben, die das Verfolgungsteilsystem führen, um die räumliche Position des Manövrierteilsystems und des Endoskops zu steuern. Die Anweisungsfunktionen g_i(t) können aus einer Gruppe ausgewählt sein, bestehend aus:

a. einer Werkzeugerkennungsfunktion g₁(t);
b. einer Bewegungserkennungsfunktion g₂(t);
c. einer Organerkennungsfunktion g₃(t);
d. einer Kollisionserkennungsfunktion g₄(t);
e. einer Benutzereingabefunktion g₅(t);
f. einer Prognosefunktion g₆(t);
g. einer Funktion zur statistischen Vergangenheitsanalyse g₇(t);
h. einer Funktion zum am häufigsten verwendeten Werkzeug g₈(t);
i. einer Funktion zum rechten Werkzeug g₉(t);
j. einer Funktion zum linken Werkzeug g₁₀(t);
k. einer Sichtfeldfunktion g₁₁(t);
l. einer Funktion zur bevorzugten Volumenzone g₁₂(t);
m. einer Sperrzonenfunktion g₁₃(t);
n. einer Proximitätsfunktion g₁₄(t);
o. einer Funktion zum markierten Werkzeug g₁₅(t);
p. einer Funktion zum bevorzugten Werkzeug g₁₆(t);

Beispielsweise empfängt somit die Manövrierfunktion f(t) eine Eingabe von zwei Anweisungsfunktionen: der Kollisionserkennungsfunktion g₄(t) (der Funktion, die Informationen darüber bereitstellt, ob der Abstand zwischen zwei Elementen kleiner als ein vordefinierter Abstand ist) und von der Funktion zum am häufigsten verwendeten Werkzeug g₈(t) (die Funktion zählt die Male, die jedes Werkzeug während eines chirurgischen Eingriffs bewegt wird, und stellt Informationen darüber bereit, ob sich das am häufigsten bewegte oder am häufigsten verwendete Werkzeug gerade bewegt). Die Ausgabe, die von der Kollisionserkennungsfunktion g₄(t) bereitgestellt wird, ist, dass sich ein chirurgisches Werkzeug gefährlich nahe an einem Organ in der chirurgischen Umgebung befindet. Die Ausgabe, die von der Funktion zum am häufigsten verwendeten Werkzeug g₈(t) bereitgestellt wird, ist, dass sich das Werkzeug, das statistisch als das am häufigsten bewegte Werkzeug identifiziert wurde, gerade bewegt.
Die Manövrierfunktion f(t) weist danach jeder der Anweisungsfunktionen Gewichtungsfunktionen α_i(t) zu. Beispielsweise wird der Funktion zum am häufigsten verwendeten Werkzeug g₈(t) eine größere Gewichtung als der Kollisionserkennungsfunktion g₄(t) zugewiesen.
Nachdem die Manövrierfunktion f(t) die von den Anweisungsfunktionen g_i(t) und deren jeweiligen Gewichtungsfunktionen α_i(t) empfangenen Informationen analysiert hat, gibt sie Anweisungen an das Manövrierteilsystem zum Umlenken des Endoskops aus (entweder zum Fokussieren auf das sich bewegende Werkzeug oder auf das Werkzeug, das sich dem Organ gefährlich nahe annähert).
Es sei hervorgehoben, dass das gesamte Vorstehende (und die folgende Offenbarung) durch konstantes Überwachen und Lokalisieren/Identifizieren des räumlichen 3D-Standorts jedes Elements/Werkzeugs in der chirurgischen Umgebung ermöglicht wird.
Die Identifizierung wird durch herkömmliche Mittel bereitgestellt, die dem Fachmann bekannt sind (z. B. Bildverarbeitung, optisches Mittel usw.).
Gemäß manchen Ausführungsformen umfasst das chirurgische Verfolgungsteilsystem:

a. zumindest ein Endoskop, das so ausgelegt ist, dass es ein Echtzeitbild einer chirurgischen Umgebung innerhalb des humanen Körpers erfasst;
b. ein Manövrierteilsystem, das so ausgelegt ist, dass es die räumliche Position des Endoskops während des laparoskopischen chirurgischen Eingriffs steuert; und
c. ein Verfolgungsteilsystem, das mit dem Manövrierteilsystem in Kommunikation steht, das so ausgelegt ist, dass es das Manövrierteilsystem steuert, um die räumliche Position des Endoskops auf eine Region von Interesse zu lenken und zu modifizieren.

Gemäß dieser Ausführungsform umfasst das Verfolgungsteilsystem einen Datenprozessor. Der Datenprozessor ist so ausgelegt, dass er eine Echtzeitbildverarbeitung der chirurgischen Umgebung durchführt und das Manövrierteilsystem anweist, die räumliche Position des Endoskops gemäß einer Eingabe zu modifizieren, die von einer Manövrierfunktion f(t) empfangen wurde; wobei die Manövrierfunktion f(t) so ausgelegt ist, dass sie (a) eine Eingabe von zumindest zwei Anweisungsfunktionen g_i(t) empfängt, wobei i 1 ... n ist und n ≥ 2 und wobei t Zeit ist; wobei i und n ganze Zahlen sind; und (b) Anweisungen auf Basis der Eingabe von den zumindest zwei Anweisungsfunktionen g_i(t) an das Manövrierteilsystem ausgibt, um das Endoskop räumlich in der Region von Interesse zu positionieren.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Werkzeugerkennungsfunktion g₁(t) so ausgelegt, dass sie Werkzeuge in der chirurgischen Umgebung erkennt. Gemäß dieser Ausführungsform ist die Werkzeugerkennungsfunktion so ausgelegt, dass sie chirurgische Werkzeuge in der chirurgischen Umgebung erkennt und Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövrierteilsystem zum Lenken des Endoskops zu den erkannten chirurgischen Werkzeugen anzuweisen.
Gemäß manchen Ausführungsformen können die Funktionen g_i(t) die unterschiedlichen erkannten Bereiche in der chirurgischen Umgebung gemäß einer Reihungsskala reihen (z. B. 1 bis 10), wobei verbotene Bereiche (d. h. Bereiche, die als Bereich definiert sind, in den die chirurgischen Werkzeuge nicht eintreten dürfen) den niedrigsten Wert (z. B. 1) erhalten, und bevorzugte Bereich (d. h. Bereiche, die als Bereich definiert sind, in dem die chirurgischen Werkzeuge gehalten werden sollten) den höchsten Wert (z. B. 10) erhalten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Funktion g₁(t) so ausgelegt, dass sie Werkzeuge in der chirurgischen Umgebung erkennt und die Manövrierfunktion f(t) informiert, wenn sie sich in bevorzugten Bereichen oder in verbotenen Bereichen befinden.
Gemäß manchen Ausführungsformen umfasst die Bewegungserkennungsfunktion g₂(t) eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst, die die räumlichen Echtzeit-3D-Positionen jedes der chirurgischen Werkzeuge in der chirurgischen Umgebung umfasst; und um eine Bewegung des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs zu erkennen, wenn eine Änderung der räumlichen 3D-Positionen empfangen wird, und ein Mittel zum Ausgeben von Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem, um das Manövrierteilsystem zum Lenken des Endoskops zum bewegten chirurgischen Werkzeug anzuweisen.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Organerkennungsfunktion g₃(t) so ausgelegt, dass sie physiologische Organe in der chirurgischen Umgebung erkennt und die erkannten Organe als verbotene Bereiche oder bevorzugte Bereiche klassifiziert. Beispielsweise wenn der Benutzer das System anweist, dass es sich bei dem spezifischen chirurgischen Eingriff um eine Nierenoperation handelt, klassifiziert die Organerkennungsfunktion g₃(t) die Nieren (oder eine Niere, wenn sich der chirurgische Eingriff auf eine einzelne Niere bezieht) als bevorzugten Bereich und andere Organe als verbotene Bereiche. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Werkzeugerkennungsfunktion so ausgelegt, dass sie Organe in der chirurgischen Umgebung erkennt und Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövrierteilsystem zum Lenken des Endoskops zu den erkannten Organen anzuweisen. Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Funktion zum rechten Werkzeug so ausgelegt, dass sie ein rechts vom Endoskop positioniertes chirurgisches Werkzeug erkennt und Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövriersystem zum konstanten Lenken des Endoskops auf das rechte Werkzeug und zum Überwachen des rechten Werkzeugs anzuweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Funktion zum linken Werkzeug so ausgelegt, dass sie ein links vom Endoskop positioniertes chirurgisches Werkzeug erkennt und Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövriersystem zum konstanten Lenken des Endoskops auf das linke Werkzeug und zum Überwachen des linken Werkzeugs anzuweisen.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Kollisionserkennungsfunktion g₄(t) so ausgelegt, dass sie verbotene Bereiche innerhalb der chirurgischen Umgebung erkennt, um Kollisionen zwischen dem Endoskop und den verbotenen Bereichen zu verhindern. Beispielsweise wenn sich das Endoskop in einem engen Bereich befindet, in dem eine präzise Bewegung dieses bevorzugt wird, erkennt und klassifiziert die Kollisionserkennungsfunktion g₄(t) unterschiedliche Bereiche (z. B. Nerven, Venen, Organwände) als verbotene Bereiche. Somit ist die Kollisionsverhinderungsfunktion gemäß dieser Ausführungsform so ausgelegt, dass sie einen vordefinierten Abstand zwischen dem zumindest einen chirurgischen Werkzeug und einem anatomischen Element innerhalb der chirurgischen Umgebung definiert; und dass sie Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövrierteilsystem zum Lenken des Endoskops zum chirurgischen Werkzeug und zum anatomischen Element innerhalb der chirurgischen Umgebung anzuweisen, wenn der Abstand zwischen dem zumindest einen chirurgischen Werkzeug und einem anatomischen Element geringer als der vordefinierte Abstand ist. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das anatomische Element aus einer Gruppe ausgewählt, bestehend aus Gewebe, Organ, weiterem chirurgischem Werkzeug und einer beliebigen Kombination davon.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Benutzereingabefunktion g₅(t) so ausgelegt, dass sie eine Eingabe vom Benutzer empfängt. Die Eingabe kann z. B. eine Eingabe in Bezug auf verbotene Bereiche in der chirurgischen Umgebung, eine Eingabe in Bezug auf zulässige Bereiche in der chirurgischen Umgebung oder eine Eingabe in Bezug auf die Region von Interesse und eine beliebige Kombination davon sein. Die Benutzereingabefunktion g₅(t) kann Anweisungen vom Benutzer vor oder während des chirurgischen Eingriffs empfangen und entsprechend reagieren. Gemäß manchen Ausführungsformen kann die Benutzereingabefunktion des Weiteren einen Auswahlalgorithmus zum Auswählen von Bereichen umfassen, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus: verbotenen Bereichen, zulässigen Bereichen, Regionen von Interesse und einer beliebigen Kombination davon. Die Auswahl kann über eine Eingabevorrichtung (z. B. einen berührungsempfindlichen Bildschirm) durchgeführt werden.
Gemäß manchen Ausführungsformen umfasst die Benutzereingabefunktion g₅(t) eine kommunikationsfähige Datenbank; wobei die kommunikationsfähige Datenbank so ausgelegt ist, dass sie eine Eingabe vom Benutzer des Systems empfängt; wobei die Eingabe n räumliche 3D-Positionen umfasst; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; und dass sie Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövrierteilsystem z um Lenken des Endoskops an die zumindest eine empfangene räumliche 3D-Position anzuweisen.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Prognosefunktion g₆(t) zu ausgelegt, dass sie Daten in Bezug auf eine chirurgische Umgebung zu einer Zeit t_f > t₀ bereitstellt, wobei t₀ die aktuelle Zeit ist und t_f eine künftige Zeit ist. Die Prognosefunktion g₆(t) kann mit einer Datenbank kommunizieren, die Daten in Bezug auf die Umgebung des chirurgischen Eingriffs (z. B. die Organe in der Umgebung) speichert. Diese Daten können von der Prognosefunktion g₆(t) zum Prognostizieren von erwarteten oder unerwarteten Ereignissen oder erwarteten oder unerwarteten Objekten während der Operation verwendet werden. Somit umfasst die Prognosefunktion g₆(t) gemäß dieser Ausführungsform eine kommunikationsfähige Datenbank, in der jede räumliche 3D-Position jedes des chirurgischen Werkzeugs innerhalb der chirurgischen Umgebung gespeichert wird, so dass jede Bewegung jedes chirurgischen Werkzeugs gespeichert wird; wobei die Prognosefunktion so ausgelegt ist, dass sie (a) die künftige räumliche 3D-Position jedes der chirurgischen Werkzeuge (oder jedes Objekts) prognostiziert; und (b) Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövrierteilsystem zum Lenken des Endoskops an die künftige räumliche 3D-Position anzuweisen.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Funktion zur statistischen Vergangenheitsanalyse g₇(t) so ausgelegt, dass sie Daten in Bezug auf die chirurgische Umgebung oder den laparoskopischen Eingriff auf Basis der statistischen Vergangenheitsdaten bereitstellt, die in einer Datenbank gespeichert sind. Die Daten in Bezug auf die chirurgische Umgebung können z. B. sein: Daten in Bezug auf verbotene Bereiche, Daten in Bezug auf zulässige Bereiche, Daten in Bezug auf die Region von Interesse und eine beliebige Kombination davon. Somit umfasst die Funktion zur statistischen Vergangenheitsanalyse g₆(t) gemäß dieser Ausführungsform eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst, in der jede räumliche 3D-Position jedes des chirurgischen Werkzeugs innerhalb der chirurgischen Umgebung gespeichert wird, so dass jede Bewegung jedes chirurgischen Werkzeugs gespeichert wird; wobei die Funktion zur statistischen Vergangenheitsanalyse g6(t) so ausgelegt ist, dass sie (a) eine statistische Analyse der räumlichen 3D-Positionen jedes der chirurgischen Werkzeuge in der Vergangenheit durchführt; und (b) die künftige räumliche 3D-Position jedes der chirurgischen Werkzeuge prognostiziert; und (c) Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövrierteilsystem zum Lenken des Endoskops an die künftige räumliche 3D-Position anzuweisen. Somit werden die bisherigen Bewegungen jedes Werkzeugs gemäß der Funktion zur statistischen Vergangenheitsanalyse g₇(t) analysiert und eine Prognose der nächsten Bewegung des Werkzeugs wird gemäß dieser Analyse bereitgestellt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Funktion zum am häufigsten verwendeten Werkzeug g₈(t) eine kommunikationsfähige Datenbank, die die Bewegungsmenge jedes chirurgischen Werkzeugs zählt, das sich innerhalb der chirurgischen Umgebung befindet; wobei die Funktion zum am häufigsten verwendeten Werkzeug so ausgelegt ist, dass sie Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövrierteilsystem zum Lenken des Endoskops anweist, um das Endoskop konstant zu positionieren, so dass die Bewegung des am häufigsten bewegten Werkzeugs verfolgt wird. Die Bewegungsmenge eines Werkzeugs kann als Gesamtanzahl von Bewegungen dieses Werkzeugs oder als Gesamtdistanz, den das Werkzeug bewegt hat, definiert sein.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Funktion zum rechten Werkzeug g₁₀(t) so ausgelegt, dass sie zumindest ein chirurgisches Werkzeug in einer spezifizierten Position in Bezug auf das Endoskop, vorzugsweise ein rechts vom Endoskop positioniertes, erkennt und Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövrierteilsystem zum konstanten Lenken des Endoskops zum rechten Werkzeug und zum Überwachen dieses anzuweisen. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen ist das rechte Werkzeug als das Werkzeug definiert, das sich rechts vom Endoskop befindet; gemäß anderen Ausführungsformen kann ein beliebiges Werkzeug als das rechte Werkzeug definiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Funktion zum linken Werkzeug g₁₀(t) so ausgelegt, dass sie zumindest ein chirurgisches Werkzeug in einer spezifizierten Position in Bezug auf das Endoskop, vorzugsweise ein links vom Endoskop positioniertes, erkennt und Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövrierteilsystem zum konstanten Lenken des Endoskops zum linken Werkzeug und zum Überwachen dieses anzuweisen. Gemäß bevorzugten Ausführungsformen ist das linke Werkzeug als das Werkzeug definiert, das sich links vom Endoskop befindet; gemäß anderen Ausführungsformen kann ein beliebiges Werkzeug als das linke Werkzeug definiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sichtfeldfunktion g₁₁(t) eine kommunikationsfähige Datenbank, die n räumliche 3D-Positionen umfasst; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei die Kombination aus allen der n räumlichen 3D-Positionen ein vordefiniertes Sichtfeld bereitstellt; wobei die Sichtfeldfunktion so ausgelegt ist, dass sie Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövrierteilsystem zum Lenken des Endoskops an zumindest eine räumliche 3D-Position im Wesentlichen innerhalb der n räumlichen 3D-Positionen anzuweisen, so dass ein konstantes Sichtfeld aufrechterhalten wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Funktion zur bevorzugten Volumenzone g₁₂(t) eine kommunikationsfähige Datenbank, die n räumliche 3D-Positionen umfasst; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei die n räumlichen 3D-Positionen die bevorzugte Volumenzone bereitstellen; wobei die Funktion zur bevorzugten Volumenzone g₁₂(t) so ausgelegt ist, dass sie Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövrierteilsystem zum Lenken des Endoskops an zumindest eine räumliche 3D-Position im Wesentlichen innerhalb der bevorzugten Volumenzone anzuweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sperrzonenfunktion g₁₃(t) eine kommunikationsfähige Datenbank, die n räumliche 3D-Positionen umfasst; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei die n räumlichen 3D-Positionen ein vordefiniertes Volumen innerhalb der chirurgischen Umgebung bereitstellen; wobei die Sperrzonenfunktion g₁₃(t) so ausgelegt ist, dass sie Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövrierteilsystem zum Lenken des Endoskops an zumindest eine räumliche 3D-Position anzuweisen, die sich von allen n räumlichen 3D-Positionen im Wesentlichen unterscheidet.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Proximitätsfunktion g₁₄(t) so ausgelegt, dass sie einen vordefinierten Abstand zwischen zumindest zwei chirurgischen Werkzeugen definiert; und dass sie das Manövrierteilsystem zum Lenken des Endoskops zu den zwei chirurgischen Werkzeugen anweist, wenn der Abstand zwischen den zwei chirurgischen Werkzeugen kleiner oder größer als der vordefinierte Abstand ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Proximitätsfunktion g₁₄(t) so ausgelegt, dass sie einen vordefinierten Winkel zwischen zumindest drei chirurgischen Werkzeugen definiert; und dass sie das Manövrierteilsystem zum Lenken des Endoskops zu den drei chirurgischen Werkzeugen anweist, wenn der Winkel zwischen den zwei chirurgischen Werkzeugen kleiner oder größer als der vordefinierte Winkel ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Funktion zur bevorzugten Volumenzone eine kommunikationsfähige Datenbank, die n räumliche 3D-Positionen umfasst; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei die n räumlichen 3D-Positionen die bevorzugte Volumenzone bereitstellen; wobei die Funktion zur bevorzugten Volumenzone so ausgelegt ist, dass sie Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövriersystem zum Lenken des Endoskops zur bevorzugten Volumenzone anzuweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sichtfeldfunktion eine kommunikationsfähige Datenbank, die n räumliche 3D-Positionen umfasst; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei die Kombination aus allen der n räumlichen 3D-Positionen ein vordefiniertes Sichtfeld bereitstellt; wobei die Sichtfeldfunktion so ausgelegt ist, dass sie Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövriersystem zum Lenken des Endoskops an zumindest eine räumliche 3D-Position im Wesentlichen innerhalb der n räumlichen 3D-Positionen anzuweisen, so dass ein konstantes Sichtfeld aufrechterhalten wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sperrzonenfunktion eine kommunikationsfähige Datenbank, die n räumliche 3D-Positionen umfasst; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei die n räumlichen 3D-Positionen ein vordefiniertes Volumen innerhalb der chirurgischen Umgebung bereitstellen; wobei die Sperrzonenfunktion so ausgelegt ist, dass sie Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövriersystem zum Lenken des Endoskops an zumindest eine räumliche 3D-Position anzuweisen, die sich von allen n räumlichen 3D-Positionen im Wesentlichen unterscheidet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Funktion zum am häufigsten verwendeten Werkzeug eine kommunikationsfähige Datenbank, die die Bewegungsmenge jedes chirurgischen Werkzeugs zählt, das sich innerhalb der chirurgischen Umgebung befindet; wobei die Funktion zum am häufigsten verwendeten Werkzeug so ausgelegt ist, dass sie Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövriersystem zum Lenken des Endoskops anweist, um das Endoskop konstant zu positionieren, so dass die Bewegung des am häufigsten bewegten Werkzeugs verfolgt wird.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Prognosefunktion g₆(t) zu ausgelegt, dass sie Daten in Bezug auf eine chirurgische Umgebung zu einer Zeit t_f > t bereitstellt, wobei t die aktuelle Zeit ist und t_f die künftige Zeit ist. Die Prognosefunktion g₆(t) kann mit einer Datenbank kommunizieren, die Daten in Bezug auf die Umgebung des chirurgischen Eingriffs (z. B. die Organe in der Umgebung) speichert. Diese Daten können von der Prognosefunktion g₆(t) zum Prognostizieren von erwarteten oder unerwarteten Ereignissen oder Objekten während der Operation verwendet werden. Somit umfasst die Prognosefunktion gemäß dieser Ausführungsform eine kommunikationsfähige Datenbank, in der jede räumliche 3D-Position jedes des chirurgischen Werkzeugs innerhalb der chirurgischen Umgebung gespeichert wird, so dass jede Bewegung jedes chirurgischen Werkzeugs gespeichert wird; wobei die Prognosefunktion so ausgelegt ist, dass sie (a) die künftige räumliche 3D-Position jedes der chirurgischen Werkzeuge prognostiziert; und (b) Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövriersystem zum Lenken des Endoskops an die künftige räumliche 3D-Position anzuweisen.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist die Funktion zur statistischen Vergangenheitsanalyse g₇(t) so ausgelegt, dass sie Daten in Bezug auf die chirurgische Umgebung oder den laparoskopischen Eingriff auf Basis der statistischen Vergangenheitsdaten bereitstellt, die in einer Datenbank gespeichert sind. Die Daten in Bezug auf die chirurgische Umgebung können z. B. sein: Daten in Bezug auf verbotene Bereiche, Daten in Bezug auf zulässige Bereiche, Daten in Bezug auf die Region von Interesse. Somit umfasst die Funktion zur statistischen Vergangenheitsanalyse gemäß dieser Ausführungsform eine kommunikationsfähige Datenbank, in der jede räumliche 3D-Position jedes des chirurgischen Werkzeugs innerhalb der chirurgischen Umgebung gespeichert wird, so dass jede Bewegung jedes chirurgischen Werkzeugs gespeichert wird; wobei die Funktion zur statistischen Vergangenheitsanalyse so ausgelegt ist, dass sie (a) die räumlichen 3D-Positionen jedes der chirurgischen Werkzeuge in der Vergangenheit statistisch analysiert; und (b) die künftige räumliche 3D-Position jedes der chirurgischen Werkzeuge prognostiziert; und (c) Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövriersystem zum Lenken des Endoskops an die künftige räumliche 3D-Position anzuweisen. Somit werden die bisherigen Bewegungen jedes Werkzeugs gemäß der Funktion zur statistischen Vergangenheitsanalyse g₇(t) analysiert und eine Zukunftsprognose der nächsten Bewegung des Werkzeugs wird gemäß dieser Analyse bereitgestellt.
Gemäß manchen Ausführungsformen umfasst die Funktion zum bevorzugten Werkzeug eine kommunikationsfähige Datenbank, wobei in der Datenbank ein bevorzugtes Werkzeug gespeichert ist, wobei die Funktion zum bevorzugten Werkzeug so ausgelegt ist, dass sie Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövriersystem zum konstanten Lenken des Endoskops zum bevorzugten Werkzeug anzuweisen, so dass das Endoskop das bevorzugte Werkzeug konstant verfolgt.
Somit verfolgt das Endoskop gemäß der Funktion zum bevorzugten Werkzeug das bevorzugte Werkzeug konstant, so dass das Sichtfeld vom Endoskop aus gesehen konstant am bevorzugten Werkzeug gehalten wird. Es sei angemerkt, dass der Benutzer in der Funktion zum bevorzugten Werkzeug definieren kann, dass die Spitze des bevorzugten Werkzeugs konstant verfolgt wird, oder alternativ kann der Benutzer in der Funktion zum bevorzugten Werkzeug definieren, dass der Körper oder ein beliebiger Standort auf dem bevorzugten Werkzeug konstant verfolgt wird.
Gemäß manchen Ausführungsformen umfasst die Funktion zum markierten Werkzeug g₁₅(t) ein Mittel, das so ausgelegt ist, dass es zumindest ein chirurgisches Werkzeug innerhalb der chirurgischen Umgebung erkennt und Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövrierteilsystem zum konstanten Lenken des Endoskops zum markierten chirurgischen Werkzeug anzuweisen. Somit verfolgt das Endoskop gemäß der Funktion zum markierten Werkzeug das bevorzugte (d. h. markierte) Werkzeug konstant, so dass das Sichtfeld vom Endoskop aus gesehen konstant am bevorzugten (markierten) Werkzeug gehalten wird. Es sei angemerkt, dass der Benutzer die Funktion zum markierten Werkzeug so definieren kann, dass die Spitze des bevorzugten (markierten) Werkzeugs, der Körper des bevorzugten (markierten) Werkzeugs oder ein beliebiger Standort auf dem bevorzugten (markierten) Werkzeug konstant verfolgt wird.
Gemäß manchen Ausführungsformen ist das Mittel so ausgelegt, dass es zumindest ein chirurgisches Werkzeug innerhalb der chirurgischen Umgebung konstant markiert.
Gemäß manchen Ausführungsformen umfasst die Funktion zum bevorzugten Werkzeug g₁₆(t) eine kommunikationsfähige Datenbank. In der Datenbank ist ein bevorzugtes Werkzeug gespeichert; und die Funktion zum bevorzugten Werkzeug ist so ausgelegt, dass sie Anweisungen an das Verfolgungsteilsystem ausgibt, um das Manövrierteilsystem zum Lenken des Endoskops zum bevorzugten Werkzeug anzuweisen.
Gemäß manchen Ausführungsformen umfasst das System des Weiteren ein Mittel, das zum erneuten Markieren des zumindest einen der chirurgischen Werkzeuge ausgelegt ist, bis ein gewünschtes Werkzeug ausgewählt ist.
Gemäß manchen Ausführungsformen umfasst das System des Weiteren ein Mittel, das ausgelegt ist, um zwischen den chirurgischen Werkzeugen zu wechseln. Gemäß manchen Ausführungsformen wird das Wechseln manuell oder automatisch durchgeführt.
Gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Gewichtungsfunktionen α_i(t) zeitlich variierende Funktionen (oder Konstanten), wobei deren Wert vom Benutzer oder der Ausgabe der Anweisungsfunktionen g_i(t) bestimmt wird. Beispielsweise wenn eine spezifische Funktion g_i(t) ein wichtiges Ereignis oder Objekt entdeckt hat, können Gewichtungsfunktionen α_i(t) davon angepasst werden, um die Chancen zu erhöhen, dass die Manövrierfunktion f(t) das Manövrierteilsystem zum Bewegen des Endoskops hin zu diesem wichtigen Ereignis oder Objekt anweist.
Gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann das Verfolgungsteilsystem diverse Bildverarbeitungsalgorithmen umsetzen, die auch auf dem Gebiet hinlängliche bekannte Algorithmen sein können. Die Bildverabeitungsalgorithmen können z. B. sein: Bildstabilisierungsalgorithmen, Bildoptimierungsalgorithmen, Bildkompilierungsalgorithmen, Bildverbesserungsalgorithmen, Bilderkennungsalgorithmen, Bildklassifizierungsalgorithmen, Bildkorrelationen mit dem Herzkreislauf oder dem Atmungskreislauf des humanen Körpers, Rauchverringerungsalgorithmen, Dunstverringerungsalgorithmen, Dampfverringerungsalgorithmen und eine beliebige Kombination davon. Rauch-, Dunst- und Dampfverringerungsalgorithmen können erforderlich sein, da bekannt ist, dass Rauch, Dunst oder Dampf unter gewissen Umständen vom oder aus dem Endoskop ausgestoßen werden kann. Der Bildverarbeitungsalgorithmus kann auch umgesetzt und verwendet werden, um 2D- oder 3D-Darstellungen zu analysieren, die aus Echtzeitbildern der chirurgischen Umgebung erhalten werden.
Gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen kann das Endoskop eine Bilderfassungsvorrichtung umfassen, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: einer Kamera, einer Videokamera, einem elektromagnetischen Sensor, einer Computertomographiebildgebungsvorrichtung, einer fluoroskopischen Bildgebungsvorrichtung, einer Ultraschallbildgebungsvorrichtung und einer beliebigen Kombination davon.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann das System auch eine Anzeige umfassen, die so ausgelegt ist, dass sie eine Eingabe oder Ausgabe in Bezug auf den Betrieb des Systems an den Benutzer bereitstellt. Die Anzeige kann verwendet werden, um die erfassten Echtzeitbilder einer chirurgischen Umgebung mit verbesserten Realitätselementen auszugeben. Die Anzeige kann auch zum Definieren der Region von Interesse durch den Benutzer verwendet werden.
Gemäß manchen Ausführungsformen kann das Endoskop von einer Endoskopsteuereinheit gesteuert werden, um Vorgänge wie z. B. Erfassen der Echtzeitbilder und Hineinzoomen in einen vordefinierten Bereich durchzuführen. Beispielsweise kann die Endoskopsteuereinheit das Endoskop veranlassen, die Echtzeitbilder in Korrelation mit dem Herzkreislauf oder dem Atmungskreislauf eines humanen Körpers zu erfassen.
Gemäß unterschiedlichen Ausführungsformen kann der Datenprozessor der vorliegenden Erfindung einen Mustererkennungsalgorithmus ausführen, um den Betrieb der Anweisungsfunktionen g_i(t) zu unterstützen. Der Mustererkennungsalgorithmus kann als Teil des Bildverarbeitungsalgorithmus verwendet werden.
Es sei hervorgehoben, dass das gesamte Vorstehende (und die folgende Offenbarung) durch konstantes Überwachen und Lokalisieren/Identifizieren des räumlichen 3D-Standorts jedes Elements/Werkzeugs in der chirurgischen Umgebung ermöglicht wird.
Die Identifizierung wird durch herkömmliche Mittel bereitgestellt, die dem Fachmann bekannt sind (z. B. Bildverarbeitung, optisches Mittel usw.).
Es sei hervorgehoben, dass das gesamte Vorstehende (und die folgende Offenbarung) durch konstantes Überwachen und Lokalisieren/Identifizieren des räumlichen 3D-Standorts jedes Elements/Werkzeugs in der chirurgischen Umgebung ermöglicht wird.
Die Identifizierung wird durch herkömmliche Mittel bereitgestellt, die dem Fachmann bekannt sind (z. B. Bildverarbeitung, optisches Mittel usw.).
Es wird nun auf 2 Bezug genommen, die eine allgemeine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines chirurgischen Verfolgungssystems 100 ist. In dieser Figur sind chirurgische Elemente 21 und 17c und ein Endoskop 21 veranschaulicht, das mithilfe eines Manövrierteilsystems 19 gemäß den Anweisungen manövriert werden kann, die von einem Verfolgungsteilsystem empfangen werden, das von einem Computer 15 betreibbar ist.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wie oben definiert, kann der Benutzer die Sichtfeldfunktion so definieren, dass sie zumindest eines der chirurgischen Instrumente 17b und 17c konstant überwacht.
Gemäß dieser Ausführungsform kann das chirurgische Verfolgungssystem 100 auch einen oder mehrere knopfbetriebene Drahtlossender 12a umfassen, die bei Aktivierung eine einzelne Codewelle 14 über eine Antenne 13 an einen verbundenen Empfänger 11 zu senden, der ein vom Computer 15 verarbeitetes Signal erzeugt, wodurch die räumliche Position des Endoskops 21 zur Region von Interesse gelenkt und modifiziert wird, wie von der Sichtfeldfunktion definiert.
Wenn der Abstand zwischen den chirurgischen Instrumenten 17b und 17c kleiner als ein vordefinierter Abstand ist (wie durch die Kollisionsverhinderungsregel definiert), alarmiert das System gemäß der Proximitätsregel alternativ den Benutzer darüber, dass jede Bewegung jedes der chirurgischen Instrumente 17b und 17c, die den Abstand verringert, eine BESCHRÄNKTE Bewegung ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfasst das System alle Mechanismen, die zum vollständigen Steuern der Bewegung eines Gelenkendoskops erforderlich sind, so dass die Position und der Winkel der Spitze des Endoskops vollständig gesteuert werden. Eine solche Steuerung erfolgt vorzugsweise automatisch, wie hier beschrieben, sie kann jedoch auch manuell sein und durch einen Joystick oder einer anderen Steuerung unter Befehl eines Chirurgen gesteuert werden.
Bei manchen Ausführungsformen wird ein Standardgelenkendoskop wie z. B. das Stryker^TM-Gelenkendoskop verwendet. Bei anderen Ausführungsformen wird ein integrales Gelenkendoskop verwendet.
Die 3a bis b zeigen eine Ausführungsform, wobei ein Feinsteuermittel ein Steuermechanismus (1830) ist, der am Endoskop (1810) angebracht ist. Das Feinsteuermittel ist an den manuellen Steuerelementen (1820) für das Gelenkendoskop über einen Verbinder (1840) angebracht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann sich der Verbinder mit einem beliebigen Endoskopsteuermittel mit einem beliebigen Gelenkendoskop verbinden. 3a zeigt den Feinsteuermechanismus (1830), bevor er am Gelenkendoskop (1810) angebracht wird, 3b hingegen zeigt den Steuermechanismus (1830), der am Gelenkendoskop (1810) angebracht ist, wobei die manuelle Endoskopsteuerung (1840) über den Verbinder (1830) mit dem Feinsteuermechanismus verbunden ist.
Bei manchen Ausführungsformen, wie z. B. der in 3 gezeigten, wird eine Hardwaregelenksteuerung verwendet, wobei das aktuelle System den Chirurgen durch Bewegen der Steuerelemente des Gelenkwerkzeugs tatsächlich ersetzt. Bei anderen Ausführungsformen wird eine Softwaresteuerung verwendet, wobei das aktuelle System die Steuerelemente des Gelenkwerkzeugs tatsächlich ersetzt, so dass sich das Werkzeug auf Basis von Befehlen gelenkig bewegt, die direkt vom aktuellen System und nicht von den manuellen Steuerelementen des Werkzeugs kommen.
4 zeigt eine Ausführungsform des Gelenkendoskops (1810) in Gebrauch. Das Endoskop (1810) ist am Zoommechanismus des Grobsteuersystems (1960) angebracht, er am Gelenkarm (1970) des Grobsteuersystems angebracht ist. Der Feinsteuermechanismus (1830) ist am Gelenkendoskop (1810) angebracht und kann (drahtgebunden oder drahtlos) automatisch vom Steuersystem oder manuell vom Endoskopbenutzer gesteuert werden. Der Feinsteuermechanismus (1840) ist auch mit den manuellen Steuerelementen(1922, 1924) des Gelenkendoskops verbunden. Bei diesem Beispiel ist eine Steuerung (1922) vorwärts und eine (1924) rückwärts, wobei die Endoskopspitze (1950) hin zur rechten Seite der Figur gedreht wird.
Die 5a bis d zeigen ein Gelenk einer Ausführungsform des Gelenkendoskops. 5a veranschaulicht die Biegsamkeit der Gelenkspitze, wobei diese in typischen Positionen gezeigt ist – nach vorne gebogene, außerhalb der Papierebene (1952), nach rechts (1954), nach unten (1956) und nach links und rückwärts, in die Papierebene (1958).
Die 5b bis d veranschaulichen die Gelenkspitze (1950) in Gebrauch, die den Bewegungen der Spitze (2082) eines medizinischen Instruments (2080) folgt. In 5b ist die Endoskopsitze (1950) gerade; sie folgt der Spitze (2082) des Instruments jedoch nicht. In 5c hat sich die Instrumentspitze (2082) nach rechts bewegt und hat sich die Spitze des Endoskops (1950) nach rechts gedreht, um der Spitze (2082) des Instruments zu folgen. Anhand des Winkels des Endoskops (1950) ist ersichtlich, dass sich der Drehpunkt des Endoskops nicht verändert hat, auch wenn sich das Sichtfeld des Endoskops (1950) signifikant verändert hat. In 5d hat sich die Instrumentspitze (2082) hin zum Endoskop und vorwärts aus der Papierebene heraus bewegt. Die Spitze des Endoskops (1950) hat sich gedreht, um der Bewegung der Instrumentspitze (2082) zu folgen, der Drehpunkt des Endoskops hat sich jedoch nicht verändert. Aus den 5a bis 5d geht hervor, dass die Verwendung des Gelenkendoskops dem Chirurgen ein viel größeres Sichtfeld als jenes ermöglicht, das nur mit einer Bewegung eines Endoskops um einen Drehpunkt herum möglich wäre. Die Verwendung eines Gelenkendoskops minimiert außerdem die Bewegung des gesamten Endoskops in Bezug auf den Drehpunkt, wobei ggf. eine ungewollte Bewegung des Drehpunkts und somit eine ungewollte Bewegung des Sichtfelds bewirkt wird.
BEISPIELE
Es werden Beispiele angeführt, um die bei der vorliegenden Erfindung beanspruchten Ausführungsformen zu belegen. Das Beispiel, bei dem es sich um einen klinischen Test handelt, beschreibt die Art und den Prozess der vorliegenden Erfindung und bietet die von den Erfindern als beste Weise zum Ausführen der Erfindung angesehene Weise, ohne dabei jedoch als die Erfindung einschränkend ausgelegt zu werden.
In den nachstehenden Beispielen beziehen sich ähnliche Zahlen auf ähnliche Teile in allen Figuren.
In den 6 bis 19 in den nachstehenden Beispielen ist der Einfachheit und Klarheit wegen eines starren Werkzeugs veranschaulicht, obwohl die Regeln gleichermaßen sowohl auf starre als auch Gelenkwerkzeuge anwendbar sind.
Beispiel 1 – Verfolgungssystem mit Kollisionsvermeidungssystem
Eine Ausführungsform eines solchen regelbasierten Systems umfasst den Folgenden Befehlssatz:
Erkennung (durch Gd ausgewiesen):
Gd1 Werkzeugstandorterkennungsfunktion
Gd2 Organerkennungsfunktion (z. B. Leber)
Gd3 Funktion zur Bewegungsberechnung (Vektor) und -schätzung
Gd4 Kollisionswahrscheinlichkeitserkennungsfunktion Werkzeuganweisungen (durch Gt ausgewiesen):
Gt1 Gemäß manuellem Befehl bewegen
Gt2 Bewegung stoppen
Das Szenario – manueller Bewegungsbefehl durch den Chirurgen:
Die Standorte Gd1(t) und Gd2(t) werden in jedem Schritt in Echtzeit berechnet (anhand eines Bildes oder Standortmarkers).
Der Werkzeugbewegungsvektor Gd3(t) wird anhand von Gd1(t) als Unterschied zwischen dem aktuellen Standort und zumindest einem vorherigen Standort berechnet (wobei wahrscheinlich auch bisherige Bewegungsvektoren berücksichtigt werden).
Die Kollisionswahrscheinlichkeit – Gd4(t) – wird z. B. anhand des Unterschieds zwischen dem Standort Gd1 und dem Standort Gd2 (je kleiner der Abstand je näher die Proximität und je höher die Kollisionswahrscheinlichkeit) anhand des Bewegungsvektors Gd3(t) berechnet, der eine Kollision anzeigt, usw. Werkzeuganweisungen-Gt1-Gewichtungsfunktion α₁(t) = 1, wenn Gt1(t) < ein vordefinierter Grenzwert und 0 ist, andernfalls Werkzeuganweisungen-Gt2-Gewichtungsfunktion α₂(t) = 1, wenn Gt2(t) > ein vordefinierter Grenzwert und 0 ist, andernfalls Werkzeuganweisungen = α₁(t)·Gt1 + α₂(t)·Gt2(t)
Unter Bezugnahme auf 6 ist eine nicht-einschränkende Ausführungsform eines Verfolgungssystems und Kollisionsvermeidungssystems gezeigt. Das System verfolgt ein Werkzeug 310 und die Leber 320, um zu bestimmen, ob eine Kollision zwischen dem Werkzeug 310 und der Leber 320 im Rahmen des nächsten Zeitschritts möglich ist. Die 6a und 6b zeigen, wie das Verhalten des Systems vom Abstand 330 zwischen dem Werkzeug 310 und der Leber 320 abhängt, die 6c und 6d hingegen zeigen, wie eine Bewegung des Werkzeugs 310 das Verhalten beeinflusst. In 6a ist der Abstand 330 zwischen dem Werkzeug 310 und der Leber 320 groß genug, dass in diesem Zeitschritt keine Kollision möglich ist. Da keine Kollision möglich ist, wird keine Bewegung des Werkzeugs befohlen. In 6b ist der Abstand 330 zwischen dem Werkzeug 310 und der Leber 320 klein genug, dass eine Kollision wahrscheinlich ist. Bei der veranschaulichten Ausführungsform wird eine Bewegung 340 befohlen, um das Werkzeug 310 von der Leber 320 wegzubewegen. Bei anderen Ausführungsformen verhindert das System eine Bewegung 350, befiehlt jedoch keine Bewegung 340; bei diesen Ausführungsformen bleibt das Werkzeug 310 nahe an der Leber 320. Bei noch anderen Ausführungsformen warnt/signalisiert das System den/dem Benutzer, dass die Bewegung BESCHRÄNKT ist, beschränkt die Bewegung 350 jedoch nicht oder befiehlt jedoch keine Bewegung 340 weg von der Leber. Eine solche Warnung/Signalisierung kann visuell oder auditiv unter Verwendung eines beliebigen der auf dem Gebiet bekannten Verfahren erfolgen.
Die 6c und 6d veranschaulichen schematisch die Auswirkung der Bewegung eines Werkzeugs 310 auf das Kollisionsvermeidungssystem. In den 6c und 6d ist das Werkzeug 310 nahe genug an der Leber 320, so dass eine Kollision zwischen den beiden möglich ist. Wenn das System nur die Positionen des Werkzeugs 310 und der Leber 320 verfolgen würde, würde sodann eine Bewegung des Werkzeugs 310 weg von der Leber 320 befohlen werden. 6c veranschaulicht die Auswirkung einer Bewegung 350, die den Abstand zwischen dem Werkzeug 310 und der Leber 320 erhöhen würde. Da die Bewegung 350 von der Leber 320 weg ist, ist in diesem Zeitschritt keine Kollision möglich und es wird keine Bewegung des Werkzeugs 310 befohlen.
In 6d befindet sich das Werkzeug 310 im gleichen Abstand zur Leber 320 wie in 6c. In 6d ist die Bewegung 350 des Werkzeugs 310 jedoch hin zur Leber 320, wodurch eine Kollision zwischen dem Werkzeug 310 und der Leber 320 möglich ist. Bei manchen Ausführungsformen wird eine Bewegung 340 befohlen, um das Werkzeug 310 von der Leber 320 wegzubewegen. Bei anderen Ausführungsformen verhindert das System eine Bewegung 350, befiehlt jedoch keine Bewegung 340; bei dieser Ausführungsform bleibt das Werkzeug 310 nahe an der Leber 320. Bei nach anderen Ausführungsformen warnt das System dem Benutzer, dass eine Bewegung BESCHRÄNKT ist, beschränkt die Bewegung 350 jedoch nicht oder befiehlt jedoch keine Bewegung 340 weg von der Leber. Eine solche Warnung kann visuell oder auditiv unter Verwendung eines beliebigen der auf dem Gebiet bekannten Verfahren erfolgen.
Als nicht-einschränkendes Beispiel kann die Kollisionserkennungsfunktion bei einer Operation an der Leber den Benutzer warnen, dass eine Kollision zwischen einem Werkzeug und der Leber wahrscheinlich ist, ohne die Kollision jedoch zu verhindern. Bei einer Operation an der Gallenblase kann die Kollisionserkennungsfunktion eine Kollision zwischen dem Werkzeug und der Leber verhindern, entweder indem sie die Bewegung verhindert oder eine Bewegung befiehlt, die das Werkzeug von der Leber weglenkt.
Beispiel 2 – Verfolgungssystem mit weicher Steuerung (Soft Control) – schnelle Bewegung, wenn nichts in der Nähe ist, langsame Bewegung, wenn etwas in der Nähe ist
Eine Ausführungsform eines solchen regelbasierten Systems umfasst den Folgenden Befehlssatz: Erkennung (durch Gd ausgewiesen):
Hauptwerkzeugstandorterkennungsfunktion (durch GdM):
Gd-tool1-K-Werkzeugstandorterkennungsfunktion;
Gd-organ2-L-Organerkennungsfunktion (z. B. Leber);
Gd3 Funktion zur Hauptwerkzeugbewegungsberechnung (Vektor) und -schätzung;
Gd4 Proximitätserkennungsfunktion;
Werkzeuganweisungen (durch Gt ausgewiesen):
Gt1 Bewegungsvektor (Richtung und Geschwindigkeit) gemäß manuellem Befehl
Das Szenario – manueller Bewegungsbefehl durch den Chirurgen:
Die Standorte GdM(t), Gd-tool1-K(t) und Gd-organ2-L(t) werden in jedem Schritt in Echtzeit berechnet (anhand eines Bildes oder Standortmarkers).
Der Hauptwerkzeugbewegungsvektor Gd3(t) wird anhand von GdM (t) als Unterschied zwischen dem aktuellen Standort und zumindest einem vorherigen Standort berechnet (wobei wahrscheinlich auch bisherige Bewegungsvektoren berücksichtigt werden).
Die Proximität des Hauptwerkzeugs zu anderen Werkzeugen – Gd4(t) – wird z. B. als kleinster der Unterschiede zwischen dem Hauptwerkzeugstandort und den Standorten der anderen Werkzeuge berechnet.
Werkzeuganweisungen-Gt1-Gewichtungsfunktion α₁(t) ist proportional zur Werkzeugproximitätsfunktion Gd4(t), je näher das Werkzeug je langsamer die Bewegung, so dass z. B. α₂(t) = Gd4/max.(Gd4) oder
α₂(t) = log (Gd4/max.(Gd4)), wobei max(Gd4) der maximale Abstand ist, der anhand der Abstände, der Geschwindigkeit des Werkzeugs und des Bewegungsvektors wahrscheinlich zu einer Kollision führt. Werkzeuganweisungen = α₁(t)·Gt1
Beispiel 3 – Verfolgungssystem mit Sperrregel/-funktion
Unter Bezugnahme auf die 7b bis d ist eine nicht-einschränkende Ausführungsform eines Verfolgungssystems mit Sperrregel gezeigt. Das System verfolgt ein Werkzeug 310 in Bezug auf eine Sperrzone (460), um zu bestimmen, ob das Werkzeug im Rahmen des nächsten Zeitschritts in die Sperrzone (460) eintreten wird. Bei diesem Beispiel umgibt die Sperrzone 460 die Leber.
Die 7a und 7b zeigen, wie das Verhalten des Systems vom Standort der Werkzeugspitze in Bezug auf die Sperrzone abhängt, die 7c und 7d hingegen zeigen, wie eine Bewegung des Werkzeugs das Verhalten beeinflusst.
In 7a befindet sich das Werkzeug 310 außerhalb der Sperrzonenregel/-funktion 460 und es wird keine Bewegung des Werkzeugs befohlen. In 7b befindet sich das Werkzeug 310 innerhalb der Sperrzone 460.
Die Sperrzonenregel/-funktion arbeitet wie folgt:
Bei der veranschaulichten Ausführungsform wird eine Bewegung 350 befohlen, um das Werkzeug 310 von der Sperrzone 460 wegzubewegen. Bei anderen Ausführungsformen verhindert das System eine Bewegung weiter in die Sperrzone hinein (als Bewegung 340 ausgewiesen, siehe 7c), befiehlt jedoch keine Bewegung 340; bei diesen Ausführungsformen bleibt das Werkzeug 310 nahe an der Sperrzone 460.
Bei noch anderen Ausführungsformen warnt/signalisiert das System den/dem Benutzer, dass die Bewegung BESCHRÄNKT ist, beschränkt die Bewegung weiter in die Sperrzone hinein jedoch nicht oder befiehlt jedoch keine Bewegung 340 weg von der Sperrzone 460. Eine solche Warnung/Signalisierung kann visuell oder auditiv unter Verwendung eines beliebigen der auf dem Gebiet bekannten Verfahren erfolgen.
Die 7c und 7d veranschaulichen schematisch die Auswirkung der Bewegung des Werkzeugs auf den Betrieb der Sperrzonenregel/-funktion. In den 7c und 7d ist das Werkzeug 310 nahe genug an der Sperrzone 460 (der Abstand 330 ist klein genug), so dass ein Eintritt des Werkzeugs während des nächsten Zeitschritts in die Sperrzone möglich ist. 7c veranschaulicht die Auswirkung einer Bewegung 340, die den Abstand zwischen dem Werkzeug 310 und der Sperrzone 460 erhöhen würde. Da die Bewegung 340 von der Sperrzone 460 weg ist, ist in diesem Zeitschritt keine Kollision möglich und es wird keine Bewegung des Werkzeugs 310 befohlen.
In 7d befindet sich das Werkzeug 310 im gleichen Abstand zur Sperrzone 460 wie in 4c. In 7d ist die Bewegung 340 des Werkzeugs jedoch hin zur Sperrzone 460, wodurch ein Eintritt des Werkzeugs 310 in die Sperrzone 460 möglich ist. Bei der veranschaulichten Ausführungsform wird eine Bewegung 350 befohlen, um das Werkzeug 310 von der Sperrzone 460 wegzubewegen. Bei anderen Ausführungsformen verhindert das System eine Bewegung 340, befiehlt jedoch keine Bewegung 350; bei diesen Ausführungsformen bleibt das Werkzeug 310 nahe an der Sperrzone 460. Bei noch anderen Ausführungsformen warnt/signalisiert das System den/dem Benutzer, dass die Bewegung BESCHRÄNKT ist, beschränkt die Bewegung 340 jedoch nicht oder befiehlt jedoch keine Bewegung 350 weg von der Sperrzonenregel/funktion 460. Eine solche Warnung/Signalisierung kann visuell oder auditiv unter Verwendung eines beliebigen der auf dem Gebiet bekannten Verfahren erfolgen.
Beispiel 4 – Verfolgungssystem mit Regel/Funktion zur bevorzugten Volumenzone
Unter Bezugnahme auf die 8a bis d ist eine nicht-einschränkende Ausführungsform eines Verfolgungssystems mit Funktion/Regel zur bevorzugten Volumenzone gezeigt.
Das System verfolgt ein Werkzeug 310 in Bezug auf eine bevorzugte Volumenzone (570), um zu bestimmen, ob das Werkzeug im Rahmen des nächsten Zeitschritts die bevorzugte Volumenzone (570) verlassen wird.
Bei diesem Beispiel erstreckt sich die bevorzugte Volumenzone 570 über den rechten Leberlappen. Die 8a und 8b zeigen, wie das Verhalten des Systems vom Standort der Werkzeugspitze in Bezug auf die bevorzugte Volumenzone 570 abhängt, die 8c und 8d hingegen zeigen, wie eine Bewegung des Werkzeugs das Verhalten beeinflusst (d. h. die Regel/Funktion zur bevorzugten Volumenzone).
In 8a befindet sich das Werkzeug 310 innerhalb der bevorzugten Volumenzone 570 und es wird keine Bewegung des Werkzeugs befohlen. In 8b befindet sich das Werkzeug 310 außerhalb der bevorzugten Volumenzone 570.
Bei der veranschaulichten Ausführungsform wird eine Bewegung 340 befohlen, um das Werkzeug 310 von der bevorzugten Volumenzone 570 wegzubewegen. Bei anderen Ausführungsformen verhindert das System eine Bewegung 340; bei diesen Ausführungsformen bleibt das Werkzeug 310 nahe an der bevorzugten Volumenzone 570. Bei noch anderen Ausführungsformen warnt/signalisiert das System den/dem Benutzer, dass die Bewegung 340 BESCHRÄNKT ist. Eine solche Warnung/Signalisierung kann visuell oder auditiv unter Verwendung eines beliebigen der auf dem Gebiet bekannten Verfahren erfolgen.
Die 8c und 8d veranschaulichen schematisch die Auswirkung der Bewegung des Werkzeugs auf den Betrieb der Regel/Funktion zum bevorzugten Volumen. In den 8c und 8c ist das Werkzeug 310 nahe genug am Rand der bevorzugten Volumenzone 570, so dass es möglich ist, dass das Werkzeug die bevorzugte Volumenzone während des nächsten Zeitschritts verlässt. 8c veranschaulicht die Auswirkung einer Bewegung 350, die das Werkzeug 310 tiefer in die bevorzugte Volumenzone 570 führen würde. Da die Bewegung 350 in das bevorzugte Volumen 570 ist, ist die Bewegung eine zulässige Bewegung.
In 8d ist die Bewegung 350 des Werkzeugs jedoch aus dem bevorzugten Volumen 570 heraus, wodurch möglich wird, dass das Werkzeug 310 das bevorzugte Volumen 570 verlässt.
Gemäß einer veranschaulichten Ausführungsform wird eine Bewegung 340 befohlen, um das Werkzeug 310 in die bevorzugte Volumenzone 570 hineinzubewegen. Bei anderen Ausführungsformen verhindert das System eine Bewegung 350, befiehlt jedoch keine Bewegung 340; bei diesen Ausführungsformen bleibt das Werkzeug 310 nahe an der bevorzugten Volumenzone 570. Bei noch anderen Ausführungsformen warnt/signalisiert das System den/dem Benutzer, dass die Bewegung BESCHRÄNKT ist, beschränkt die Bewegung 350 jedoch nicht oder befiehlt jedoch keine Bewegung 340 weg von der bevorzugten Volumenzone 570. Eine solche Warnung/Signalisierung kann visuell oder auditiv unter Verwendung eines beliebigen der auf dem Gebiet bekannten Verfahren erfolgen.
Beispiel 5 – Organ-/Werkzeugerkennungsfunktion
Unter Bezugnahme auf 9 wird nicht-einschränkend eine Ausführungsform eines Organerkennungssystems gezeigt (es sei jedoch angemerkt, dass dieses auch zum Erkennen von Werkzeugen anstatt von Organen bereitgestellt wird).
Die räumlichen 3D-Positionen sind für jedes Organ in einer Datenbank gespeichert. In 9 ist ein Umfang jedes Organs markiert, um den Rand des Volumens von räumlichen 3D-Standorten anzuzeigen, die in der Datenbank gespeichert sind.
In 9 ist die Leber 610 mit einer strichlierten Linie gekennzeichnet. Der Magen 620 ist mit einer langstrichlierten Linie gekennzeichnet, der Darm 630 mit einer durchgehenden Linie und die Gallenblase 640 mit einer gepunkteten Linie.
Bei manchen Ausführungsformen ist auch eine Kennzeichnung oder Markierung, die für den Benutzer sichtbar ist, dargestellt. Es kann ein beliebiges Verfahren zum Identifizieren von Markern verwendet werden, das auf dem Gebiet bekannt ist. Bei einem nicht-einschränkenden Beispiel können bei einer erweiterten Anzeige farbige oder strukturierte Marker die Standorte der Organe anzeigen, wobei der Marker entweder den Umfang des Organs oder den Anzeigebereich anzeigt, in dem vorhanden ist.
Beispiel 6 – Werkzeugerkennungsfunktion
Unter Bezugnahme auf 10 ist eine nicht-einschränkende Ausführungsform einer Werkzeugerkennungsfunktion gezeigt. Die räumlichen 3D-Positionen sind für jedes Werkzeug in einer Datenbank gespeichert. In 10 ist ein Umfang jedes Werkzeugs markiert, um den Rand des Volumens von räumlichen 3D-Standorten anzuzeigen, die in der Datenbank gespeichert sind. In 10 ist das linke Werkzeug mit einer strichlierten Linie gekennzeichnet, das rechte Werkzeug hingegen mit einer gepunkteten Linie.
Bei manchen Ausführungsformen ist auch eine Kennzeichnung oder Markierung, die für den Benutzer sichtbar ist, dargestellt. Es kann ein beliebiges Verfahren zum Identifizieren von Markern verwendet werden, das auf dem Gebiet bekannt ist. Bei einem nicht-einschränkenden Beispiel können bei einer erweiterten Anzeige farbige oder strukturierte Marker die Standorte der Werkzeuge anzeigen, wobei der Marker entweder den Umfang des Werkzeugs oder den Anzeigebereich anzeigt, in dem vorhanden ist.
Beispiel 7 – Bewegungserkennungsfunktion/-regel
Unter Bezugnahme auf die 11a bis b ist eine nicht-einschränkende Ausführungsform einer Bewegungserkennungsfunktion/-regel gezeigt. 11a veranschaulicht schematisch eine Leber 810, ein linkes Werkzeug 820 und ein rechtes Werkzeug 830 zu einer Zeit t. 11b veranschaulicht schematisch die Leber 810, das linke Werkzeug 820 und das rechte Werkzeug 830 zu einer späteren Zeit t + Δt, wobei Δt ein kleines Zeitintervall ist. Bei diesem Beispiel hat sich das linke Werkzeug 820 im Zeitintervall Δt nach unten bewegt (in Richtung der Leber 810).
Das System hat eine Bewegung des linken Werkzeugs 820 erkannt und kennzeichnet diese. Dies ist in 11b durch eine strichlierte Linie um das linke Werkzeug 820 herum schematisch veranschaulicht.
Beispiel 8 – Prognosefunktion
Unter Bezugnahme auf die 12a bis d ist eine nicht-einschränkende Ausführungsform der oben erörterten Prognosefunktion gezeigt.
12a zeigt ein linkes Werkzeug 920 und ein rechtes Werkzeug 930 zu einer Zeit t.
12b zeigt das gleiche Werkzeug zu einer späteren Zeit t + Δt, wobei Δt ein kleines Zeitintervall ist. Das linke Werkzeug 920 bewegt sich nach rechts und nach unten, das rechte Werkzeug 930 hingegen nach links und nach oben. Wenn die Bewegung fortgesetzt wird (durch die strichlierte Linie in 12c gezeigt), kollidieren die Werkzeuge bis zum Ende des nächsten Zeitintervalls, anders ausgedrückt an einem Zeitpunkt zwischen Zeit t + Δt und Zeit t + 2Δt, wie durch die Werkzeugspitzen innerhalb des gepunkteten Kreises 950 in 12c gezeigt.
Bei dieser Ausführungsform verhindert das System prognostizierte Kollisionen automatisch und bei diesem Beispiel verwendet das System eine Bewegung 940, um das linke Werkzeug 920 umzulenken, so dass die Kollision verhindert wird.
Bei einer anderen Ausführungsformen warnt/signalisiert das System den/dem Benutzer, dass eine Kollision wahrscheinlich ist, verändert jedoch die Bewegung keines Werkzeugs. Eine solche Warnung/Signalisierung kann visuell oder auditiv unter Verwendung eines beliebigen der auf dem Gebiet bekannten Verfahren erfolgen.
Bei anderen Ausführungsformen kann die Prognosefunktion so ausgerichtet sein, dass sie als nicht-einschränkendes Beispiel das Sichtfeld verändert, um der prognostizierten Bewegung eines Werkzeugs oder eines Organs zu folgen, um über eine prognostizierte Bewegung in eine Sperrzone zu warnen (oder diese zu verhindern) und um über eine prognostizierte Bewegung aus einer bevorzugten Zone heraus zu warnen (oder diese zu verhindern).
Beispiel 9 – Funktion/Regel zum rechten Werkzeug
Unter Bezugnahme auf 13 ist eine nicht-einschränkende Ausführungsform einer Funktion zu rechten Werkzeug gezeigt. 13 veranschaulicht schematisch eine Leber 1010, ein linkes Werkzeug 1020 und ein rechtes Werkzeug 1030. Das rechte Werkzeug, das durch die strichlierte Linie 1040 schematisch veranschaulicht ist, ist gekennzeichnet und seine räumlichen 3D-Standorte werden konstant und in Echtzeit in einer Datenbank gespeichert. Nun verfolgt das Endoskop das rechte Werkzeug gemäß der Funktion/Regel zum rechten Werkzeug konstant.
Es sei darauf hingewiesen, dass die gleiche Regel/Funktion für das linke Werkzeug gilt (Funktion/Regel zum linken Werkzeug).
Beispiel 10 – Sichtfeldfunktion/-regel
Unter Bezugnahme auf die 14a bis b ist eine nicht-einschränkende Ausführungsform einer Sichtfeldfunktion/-regel gezeigt.
14a veranschaulicht schematisch ein Sichtfeld des Bauchs zu einer Zeit t. Im Sichtfeld befinden sich die Leber 1110, der Magen 1120, die Gedärme 1130 und die Gallenblase 1140.
Die Gallenblase ist links des Sichtfelds beinahe vollständig sichtbar. Es befinden sich auch zwei Werkzeuge im Sichtfeld, wobei ihre Spitzen in Proximität zur Leber angeordnet sind. Es handelt sich hierbei um ein linkes Werkzeug 1150 und ein rechtes Werkzeug 1160. Bei diesem Beispiel verfolgt die Sichtfeldfunktion/-regel das linke Werkzeug 1150. Bei diesem Beispiel bewegt sich das linke Werkzeug 1150 nach rechts, wie vom Pfeil 1170 angezeigt.
14b zeigt das Sichtfeld zu einer Zeit t + Δ. Das Sichtfeld hat sich nach rechts bewegt, so dass sich die Spitze des linken Werkzeugs 1150 immer noch beinahe in der Mitte des Sichtfelds befindet. Es ist deutlich, dass ein viel geringerer Teil der Gallenblase 1140 sichtbar ist, während ein größerer Teil des rechten Werkzeugs 1160 in das Sichtfeld eingetreten ist.
Die Sichtfeldfunktion/-regel kann auf ein ausgewähltes Werkzeug festgelegt werden, wie in diesem Beispiel, oder so, dass ein ausgewähltes Organ in der Mitte des Sichtfelds gehalten wird. Sie kann auch so festgelegt werden, dass ein bestimmter Werkzeugsatz im Sichtfeld gehalten wird, wobei nach Bedarf hinein- oder herausgezoomt wird, um zu verhindern, dass sich beliebige der ausgewählten Werkzeuge außerhalb des Sichtfelds befinden.
Alternativ definiert die Sichtfeldfunktion/-regel n räumliche 3D-Positionen; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei die Kombination aller n räumlichen 3D-Positionen ein vordefiniertes Sichtfeld bereitstellt.
Jede Bewegung des Endoskops oder des chirurgischen Werkzeugs innerhalb der n räumlichen 3D-Positionen ist eine zulässige Bewegung und jede Bewegung des Endoskops oder des chirurgischen Werkzeugs außerhalb der n räumlichen 3D-Positionen ist eine beschränkte Bewegung.
Alternativ definiert die Sichtfeldfunktion/-regel n räumliche 3D-Positionen; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei die Kombination aller n räumlichen 3D-Positionen ein vordefiniertes Sichtfeld bereitstellt.
Gemäß der Sichtfeldfunktion/-regel wird das Endoskop umpositioniert, wenn eine Bewegung vom Erkennungsmittel erkannt wurde, so dass das Sichtfeld aufrechterhalten wird.
Beispiel 11 – Funktion/Regel zum markierten Werkzeug (oder alternativ Regel zum bevorzugten Werkzeug)
Unter Bezugnahme auf 15 ist eine nicht-einschränkende Ausführungsform einer Funktion/Regel zu markierten Werkzeug gezeigt.
15 zeigt drei Werkzeuge (1220, 1230 und 1240) in Proximität zum Organ von Interesse, bei diesem Beispiel der Leber 1210.
Das Werkzeug, das für den Chirurg zu diesem Zeitpunkt während der Operation am interessantesten ist, ist das Werkzeug 1240. Das Werkzeug 1240 wurde markiert (gepunktete Linie 1250); die räumliche 3D-Position des Werkzeugs 1240 wird konstant in einer Datenbank gespeichert und dieser räumliche Standard wurde als einer von Interesse gekennzeichnet.
Das System kann diese Markierung für viele Zwecke nutzen, z. B. um das Werkzeug 1240 in der Mitte des Sichtfelds zu halten, dessen künftige Bewegung zu prognostizieren, dessen Kollision mit anderen Werkzeugen zu verhindern oder eine Kollision anderer Werkzeuge mit diesem zu verhindern, das Endoskop zum konstanten Überwachen und Verfolgen des markierten Werkzeugs 1250 anzuweisen und so weiter, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.
Es sei angemerkt, dass das System bei der Regel zum bevorzugten Werkzeug eines der Werkzeuge markiert und wie bei der Regel/Funktion zum markierten Werkzeug verfährt.
Beispiel 12 – Proximitätsfunktion/-regel
Unter Bezugnahme auf die 16a bis c ist eine nicht-einschränkende Ausführungsform einer Proximitätsfunktion/-regel gezeigt.
16a veranschaulicht schematisch zwei Werkzeuge (1310 und 1320), die um einen Abstand 1330 getrennt sind, der größer als ein vordefinierter Proximitätsabstand ist. Da sich das Werkzeug 1310 nicht in Proximität zum Werkzeug 1320 befindet, bewegt sich das Sichtfeld (1380) nicht.
16b veranschaulicht schematisch zwei Werkzeuge (1310 und 1320), die um einen Abstand 1330 getrennt sind, der kleiner als ein vordefinierter Proximitätsabstand ist. Da sich das Werkzeug 1310 in Proximität zum Werkzeug 1320 befindet, bewegt sich das Sichtfeld 1380 nach oben, wie durch den Pfeil 1340 schematisch veranschaulicht, bis die Spitzen des Werkzeugs 1310 und des Werkzeugs 1320 in der Mitte des Sichtfelds 1380 sind (16c).
Wenn der Abstand 1330 zwischen den zwei Werkzeugen 1320 und 1310 kleiner als ein vordefinierter Abstand ist, alarmiert das System alternativ den Benutzer über die Proximität (die zu einer Kollision zwischen den zwei Werkzeugen führen könnte). Alternativ bewegt das System eines der Werkzeuge vom anderen weg.
Beispiel 13 – Benutzereingabefunktion/-regel
Unter Bezugnahme auf die 17a bis b ist eine nicht-einschränkende Ausführungsform einer Benutzereingabefunktion/-regel gezeigt. Gemäß dieser Ausführungsform wird eine Eingabe vom Benutzer empfangen.
Beim folgenden Beispiel ist die vom Benutzer empfangene Eingabe, welches Werkzeug zu verfolgen ist.
17a veranschaulicht schematisch ein Endoskop mit einem Sichtfeld 1480, das eine Leber 1410 und zwei Werkzeuge 1420 und 1430 zeigt, Der Benutzer 1450 wählt zunächst die Spitze des linken Werkzeugs als Region von Interesse aus, vorzugsweise durch Berühren der Werkzeugspitze auf dem Bildschirm, wodurch bewirkt wird, dass das System die Spitze des linken Werkzeugs markiert (1440).
Wie in 17b veranschaulicht, lenkt und modifiziert das System sodann die räumliche Position des Endoskops, so dass die markierte Werkzeugspitze 1440 in der Mitte des Sichtfelds 1480 ist.
Ein weiteres Beispiel für die Benutzereingabefunktion/-regel ist wie folgt:
Wenn sich ein Werkzeug nahe an ein Organ in der chirurgischen Umgebung bewegt hat, verhindert das System gemäß der Proximitätsregel oder der Kollisionsverhinderungsregel gemäß einer Ausführungsform die Bewegung des chirurgischen Werkzeugs.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird, nachdem das chirurgische Werkzeug gestoppt wurde, jede Bewegung des Werkzeugs in die Richtung als Eingabe vom Benutzer, die Bewegung des chirurgischen Werkzeugs in die Richtung fortzusetzen, interpretiert.
Somit empfängt die Benutzereingabefunktion/-regel gemäß dieser Ausführungsform eine Eingabe vom Benutzer (d. h. vom Arzt), die Bewegung des chirurgischen Werkzeugs fortzusetzen (auch wenn es gegen die Kollisionsverhinderungsregel "verstößt"). Die Eingabe ist einfach in Form der fortgesetzten Bewegung des chirurgischen Werkzeugs (nach einer Alarmierung durch das System oder nach einer Bewegungsverhinderung durch das System).
Beispiel 14 – Regel/Funktion zum konstanten Sichtfeld
Unter Bezugnahme auf die 18a bis d wird nicht-einschränkend eine Ausführungsform eines Verfolgungssystems mit einer Regel/Funktion zum konstanten Sichtfeld gezeigt.
Bei vielen endoskopischen Systemen ist die Spitzenlinse in der Kameraoptik in Bezug auf die Seiten des Endoskops nicht in einem rechten Winkel. Für gewöhnlich wird der Spitzenlinsenwinkel in Bezug auf den rechten Winkel beschrieben, so dass eine Spitzenlinse in rechten Winkeln zu den Seiten des Endoskops als einen Winkel von 0 aufweisend beschrieben wird. Für gewöhnlich haben angewinkelte Endoskopspitzenlinsen einen Winkel von 30° oder 45°. Dieser Spitzenlinsenwinkel beeinflusst das Bild, das während des Zoomens angezeigt wird. 18 veranschaulicht nicht maßstabsgetreu die Wirkung des Zoomens im Sichtfeld in einem Endoskop mit einer Spitzenlinse, die am Ende gerade festgelegt ist (18a und 18b) vs. der Wirkung des Zoomens im Sichtfelds in einem Endoskop mit einer angewinkelten Spitzenlinse (18c und 18d) bei einem herkömmlichen System.
Die 18a und 18c veranschaulichen das Endoskop (100), das Objekt, das es betrachtet (200), und das Bild, das die Endoskopkamera (130) vor dem Zoomen sieht. Die durchgehenden Pfeile (160) zeigen die Grenzwerte des FOV und der strichlierte Pfeil (170) zeigt die Mittel des Sichtfelds (FOV); da sich das Objekt in der Mittel des FOV befindet, ist ein Bild des Objekts (210) in der Mitte des Kamerabilds (130). Die 18b und 18d veranschaulichen das Endoskop (100), das Objekt, das es betrachtet (200), und das Bild, das die Endoskopkamera (130) nach dem Zoomen sieht. Die durchgehenden Pfeile (160) zeigen die Grenzwerte des FOV und der strichlierte Pfeil (170) zeigt die Mitte des Sichtfelds.
Wenn die Spitzenlinse am Ende des Endoskops gerade festgelegt ist (18a und 18b), ist ein Objekt (200) sowohl vor (18a) als auch nach (18b) dem Zoomen in der Mitte des Sichtfelds in der Mitte des Sichtfelds (FOV) (und des Kamerabilds) (130). Wenn die Spitze jedoch in einem Winkel am Ende des Endoskops festgelegt ist (18c und 18d), ist ein Objekt, das sich vor dem Zoomen (18c) in der Mitte des FOV (und des Kamerabilds) befindet, nach dem Zoomen (18d) nicht in der Mitte des FOV (oder des Kamerabilds), da die Bewegungsrichtung des Endoskops nicht in die Richtung ist, in die die Mitte des Sichtfelds (170) zeigt.
Bei einer Ausführungsform des Systems der vorliegenden Erfindung hält das Steuermittel die Mitte des Sichtfelds (FOV) während des Zoomens unabhängig vom Spitzenlinsenwinkel im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen aufrecht. Ein Vorteil des Steuerns des Zoomens des Endoskops über ein Datenverarbeitungssystem liegt darin, dass der Spitzenlinsenwinkel nicht in das Datenverarbeitungssystem eingegeben werden muss, wodurch eine potentielle Fehlerquelle ausgeschaltet wird.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Bewegung des Endoskops eingestellt, um ein konstantes Sichtfeld aufrechtzuerhalten.
Beispiel 15 – Fehlausrichtungsregel/-funktion
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das System den Benutzer über eine beliebige Fehlausrichtung dieses Systems informieren.
Eine Fehlausrichtung des Systems kann eine störende Bewegung der Endoskopspitze bewirken, wobei sich die Endoskopspitze nicht exakt in die erwartete Richtung bewegt. Gemäß einer Ausführungsform des Systems umfasst das System Sensoren (z. B. Gyroskopen, Beschleunigungsmesser und eine beliebige Kombination davon), die die Position des Drehpunkts in Echtzeit berechnen/schätzen, um (a) den Benutzer über eine Fehlausrichtung zu informieren; oder (b) die Fehlausrichtung zu berechnen, so dass das System die Bewegung davon einstellen kann, um eine störende Bewegung zu verhindern.
Beispiel 16 – Regel/Funktion zur Geschwindigkeitsänderung
Unter Bezugnahme auf 19 ist eine nicht-einschränkende Ausführungsform eines Verfolgungssystems mit Regel/Funktion zur Geschwindigkeitsänderung gezeigt.
Bei herkömmlichen endoskopischen Steuersystemen erfolgt die Bewegung des Endoskops in einer einzelnen Geschwindigkeit. Diese Geschwindigkeit ist relativ schnell, so dass das Endoskop schnell zwischen Standorten, die hinlänglich getrennt sind, bewegt werden kann. Dies bedeutet jedoch, dass Feineinstellungen sehr schwierig werden, wodurch Feineinstellungen für gewöhnlich nicht durchgeführt werden. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Geschwindigkeit der Spitze des Endoskops automatisch variiert, so dass sich die Endoskopspitze umso langsamer bewegt, je näher sie an einem Objekt ist, sei es ein Werkzeug, ein Hindernis oder das Objekt von Interesse. Wie in 19 gezeigt, werden bei dieser Ausführungsform Messungen des Abstands X (150) von der Spitze (195) des Endoskops (100) zum Drehpunkt des Endoskops (190) vorgenommen, wobei sich der Drehpunkt auf oder nahe der Oberfläche der Haut (1100) eines Patienten (1000) befindet. Außerdem werden Messungen des Abstands Y (250) von der Spitze des Endoskops (195) zum Objekt in der Mitte der Sichtszene (200) vorgenommen. Anhand einer vordefinierten Geschwindigkeit V_p wird die tatsächliche Geschwindigkeit der Spitze des Endoskops zu einer bestimmten Zeit, V_act, berechnet aus: V_act ∝ Y / XV_p
Aus diesem Grund bewegt sich das Endoskop umso langsamer, je näher am Objekt in der Mitte der Sichtszene, wodurch die Verwendung einer automatischen Steuerung sogar von Feineinstellungen möglich wird und die Wahrscheinlichkeit eines Kontakts zwischen dem Endoskop und Gewebe oder Instrumenten verringert wird.
Beispiel 17 – Werkzeuggelenk
Unter Bezugnahme auf die 20a bis b ist ein nicht-einschränkendes Beispiel für eine Bewegung eines Gelenkwerkzeugs (310), in diesem Fall ein Endoskop, schematisch veranschaulicht.
In den 20a bis b wird das Endoskop (310) so bewegt, dass anstatt der Außenseite der Leber (320) von rechts die Innenseite der Leber (320) von links gesehen wird.
20a zeigt das Endoskop(310) zu Beginn der Bewegung. Es ist zur Gänze ausgefahren und seine Spitze (318) befindet sich am halben Wege hoch zur Außenseite der Leber. Die strichlierte Linie zeigt die Bewegung der Basis (312) des Endoskops, das sich in einer geraden Linie von seinem Ausgangspunkt (20a) zu seinem Endpunkt (20b) bewegt. Die gepunktete Linie zeigt die Bewegung der Endoskopspitze (318) – die Spitze (318) bewegt sich nach oben über die Leber (320), und danach der Innenseite der Leber (320) entlang nach unten, um eine Bildgebung der linken (inneren) Seite der Leber von zwischen der Leber (320) und der Lunge (1790) zu ermöglichen.
In 20b wurde diese Bewegung abgeschlossen. Die Endoskopspitze (318) zeigt nach nach rechts; der Gelenkabschnitt (316) ist so gekrümmt, dass das Endoskop (310) die rechte Seite der Leber (310) zeigt, wobei die Endoskopspitze (318) zwischen der Leber (320) und der Lunge (1790) liegt, dessen Basis (312) hingegen ist weiterhin auf der rechten Seite des Körpers.
Beispiel 18 – Werkzeuggelenk
Unter Bezugnahme auf 21 ist ein nicht-einschränkendes Beispiel für eine Biegung eines Gelenkwerkzeugs (310), in diesem Fall ein Endoskop, schematisch veranschaulicht.
In 21 sind Abschnitte des Dünndarms (1795) schematisch gezeigt. Das Endoskop tritt von der rechten Seite des Körpers (Körper nicht gezeigt) in den Körper ein und zeigt einen Abschnitt des Dünndarms (1795F) von links und von unten Der Gelenkabschnitt des Endoskops (316) umfährt eine Schleife Dünndarms (1795A), passiert zwischen zwei Abschnitten des Dünndarms (1795B, 1795C) und über andere Abschnitte des Dünndarms (1795D, 1795E), so dass die Endoskopspitze (318) den gewünschten Abschnitt des Dünndarms (1795F) aus der gewünschten Richtung zeigt.
In der vorstehenden Beschreibung wurden Ausführungsformen der Erfindung, einschließlich bevorzugter Ausführungsformen, zum Zwecke der Veranschaulichung und Beschreibung dargeboten. Sie sollen nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die offenbarte präzise Form einschränken. Offensichtliche Modifikationen und Variationen sind angesichts der obigen Lehren möglich. Die Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um die Grundsätze der Erfindung und deren praktische Anwendung bestmöglich zu erläutern, und um dem Durchschnittsfachmann die Verwendung der Erfindung in diversen Ausführungsformen und mit diversen Modifikationen zu ermöglichen, wie für die bestimmte in Betracht gezogene Verwendung geeignet. All diese Modifikationen und Variationen fallen in den Umfang der Erfindung, wie durch die beiliegenden Ansprüche bestimmt, wenn sie in der Breite interpretiert werden, die ihnen ordentlich, gesetzlich und gerecht einzuräumen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Sakthivel, M., A new inductive proximity sensor as a guiding tool for removing metal shrapnel during surgery, Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 2013 IEEE International, S. 53–57. ISSN: 1091-5281, Druck-ISBN: 978-1-4673-4621-4. INSPEC-Hinterlegungs-Nr.: 13662555 [0085]

Claims

Chirurgisches Steuersystem, das umfasst: a. zumindest ein chirurgisches Werkzeug, das so ausgelegt ist, dass es in eine chirurgische Umgebung eines humanen Körpers eingeführt wird, um einen chirurgischen Eingriff zu unterstützen, wobei zumindest ein das chirurgische Werkzeug ein Gelenkwerkzeug ist; b. zumindest ein Standortschätzungsmittel, das so ausgelegt ist, dass es die räumliche 3D-Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs zu einem beliebigen bestimmten Zeitpunkt t in Echtzeit lokalisiert; c. zumindest ein Bewegungserkennungsmittel, das mit einer Bewegungsdatenbank und mit dem Standortschätzungsmittel kommunikationsfähig ist; wobei die Bewegungsdatenbank so ausgelegt ist, dass sie die räumliche 3D-Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs zu einem Zeitpunkt t_f und einem Zeitpunkt t₀ speichert; wobei t_f > t₀; wobei das Bewegungserkennungsmittel so ausgelegt ist, dass es eine Bewegung des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs erkennt, wenn sich die räumliche 3D-Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs zu einem Zeitpunkt t_f von der räumlichen 3D-Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs zu einem Zeitpunkt t₀ unterscheidet; und d. eine Steuereinheit mit einem Verarbeitungsmittel, das mit einer Datenbank der Steuereinheit kommunikationsfähig ist, wobei die Steuereinheit so ausgelegt ist, dass sie die räumliche Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs steuert; wobei die Datenbank der Steuereinheit mit dem Bewegungserkennungsmittel in Kommunikation steht; wobei die Steuereinheit so ausgelegt ist, dass sie Anweisungen zum Bewegen des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs bereitstellt; wobei die Steuereinheit so ausgelegt ist, dass sie das Gelenk des Gelenkwerkzeugs während des Lenkens des chirurgischen Werkzeugs zum Standort durch von der Steuereinheit bereitgestellte Anweisungen verändert.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 1, außerdem umfassend zumindest ein Endoskop, das so ausgelegt ist, dass es ein Echtzeitbild der chirurgischen Umgebung bereitstellt.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 2, wobei das Endoskop ein Gelenkendoskop ist.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Werkzeug ein Gelenkendoskop ist.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Werkzeug zumindest einen Proximitätssensor umfasst, der an dessen Außenumfang positioniert ist.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 1, außerdem einen berührungsempfindlichen Bildschirm umfassend.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 6, wobei der Standort innerhalb der chirurgischen Umgebung des humanen Körpers durch Druck auf einen Abschnitt des berührungsempfindlichen Bildschirms bestimmbar ist.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 6, wobei der Abschnitt des berührungsempfindlichen Bildschirms jener ist, der das Bild des Standorts anzeigt.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 6, wobei der Abschnitt des berührungsempfindlichen Bildschirms einen Richtungsindikator anzeigt, wobei der Richtungsindikator aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: einem Pfeil, der in eine vordefinierte Richtung zeigt, einer Linie, die in eine vordefinierte Richtung zeigt, einem Zeiger, der in eine vordefinierte Richtung zeigt, dem Wort „links“, dem Wort „rechts“, dem Wort, „nach oben“, dem Wort „nach unten“, dem Wort „vorwärts“, dem Wort „zurück“, dem Wort „Zoomen“, dem Wort „hinein“, dem Wort „heraus“ und einer beliebigen Kombination davon.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die Anweisungen einen vordefinierten Regelsatz umfassen, der aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: Regel zum am häufigsten verwendeten Werkzeug, Regel zum rechten Werkzeug, Regel zum linken Werkzeug, Sichtfeldregel, Sperrzonenregel, Routenregel, Umgebungsregel, Benutzereingaberegel, Proximitätsregel; Kollisionsverhinderungsregel, verlaufsbasierter Regel, Regel zu werkzeugabhängigen ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen, Regel zur bevorzugten Volumenzone, Regel zum bevorzugten Werkzeug, Bewegungserkennungsregel, Regel zum markierten Werkzeug, Regel zur Geschwindigkeitsänderung und einer beliebigen Kombination davon.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 7, wobei die Routenregel eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst, in der eine vordefinierte Route gespeichert ist, wobei das zumindest eine chirurgische Werkzeug so ausgelegt ist, dass es sich entlang dieser innerhalb der chirurgischen Umgebung bewegt; wobei die vordefinierte Route n räumliche 3D-Positionen des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs umfasst; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das zumindest eine chirurgische Werkzeug im Wesentlichen in zumindest einer der n räumlichen 3D-Positionen der vordefinierten Route befindet, und wobei die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs im Wesentlichen von den n räumlichen 3D-Positionen der vordefinierten Route unterscheidet.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 7, wobei die Umgebungsregel eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst; wobei die kommunikationsfähige Datenbank so ausgelegt ist, dass sie zumindest ein Echtzeitbild der chirurgischen Umgebung empfängt, und so ausgelegt ist, dass sie eine Echtzeitbildverarbeitung von diesem durchführt und die räumliche 3D-Position von Gefahren oder Hindernissen in der chirurgischen Umgebung bestimmt; wobei die Umgebungsregel so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen gemäß den Gefahren oder Hindernissen in der chirurgischen Umgebung bestimmt, so dass die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das zumindest eine chirurgische Werkzeug im Wesentlichen in zumindest einer der räumlichen 3D-Positionen befindet, und wobei die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs von den räumlichen 3D-Positionen im Wesentlichen unterscheidet.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 9, wobei die Gefahren oder Hindernisse in der chirurgischen Umgebung aus einer Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus Gewebe, einem chirurgischen Werkzeug, einem Organ, einem Endoskop und einer beliebigen Kombination davon.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 7, wobei die Benutzereingaberegel eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst; wobei die kommunikationsfähige Datenbank so ausgelegt ist, dass sie eine Eingabe vom Benutzer des Systems in Bezug auf die ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs empfängt.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 11, wobei die Eingabe n räumliche 3D-Positionen umfasst; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei zumindest eine davon als ZULÄSSIGER Standort und zumindest eine davon als BESCHRÄNKTER Standort definiert ist, so dass die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das zumindest eine chirurgische Werkzeug im Wesentlichen in einer der n räumlichen 3D-Positionen befindet, und die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs im Wesentlichen von den n räumlichen 3D-Positionen unterscheidet.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 11, wobei die Eingabe zumindest Regel umfasst, gemäß welcher ZULÄSSIGE und BESCHRÄNKTE Bewegungen des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs bestimmt werden, so dass die räumliche Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs von der Steuereinheit gemäß den ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen gesteuert wird.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 13, wobei der vordefinierte Regelsatz zumindest eine Regel umfasst, die aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: am häufigsten verwendetes Werkzeug, Regel zum rechten Werkzeug, Regel zum linken Werkzeug, Sichtfeldregel, Sperrzonenregel, Routenregel, Umgebungsregel, Benutzereingaberegel, Proximitätsregel, Kollisionsverhinderungsregel, Regel zur bevorzugten Volumenzone, Regel zum bevorzugten Werkzeug, Bewegungserkennungsregel, verlaufsbasierter Regel, Regel zu werkzeugabhängigen ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen und einer beliebigen Kombination davon.
Chirurgisches Steuersystem nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei die Benutzereingaberegel eine ZULÄSSIGE Bewegung in eine BESCHRÄNKTE Bewegung und und eine BESCHRÄNKTE Bewegung in eine ZULÄSSIGE Bewegung umwandelt.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 7, wobei die Proximitätsregel so ausgelegt ist, dass sie einen vordefinierten Abstand zwischen zumindest zwei chirurgischen Werkzeugen definiert; wobei die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, die innerhalb des Bereichs oder außerhalb des Bereichs des vordefinierten Abstands liegen, und wobei die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, die außerhalb des Bereichs oder innerhalb des Bereichs des vordefinierten Abstands liegen.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 7, wobei die Proximitätsregel so ausgelegt ist, dass sie einen vordefinierten Winkel zwischen zumindest drei chirurgischen Werkzeugen definiert; wobei die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, die innerhalb des Bereichs oder außerhalb des Bereichs des vordefinierten Winkels liegen, und wobei die BESCHRÄNKTEN Bewegungen, die außerhalb des Bereichs oder innerhalb des Bereichs des vordefinierten Winkels liegen.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 7, wobei die Kollisionsverhinderungsregel so ausgelegt ist, dass sie einen vordefinierten Abstand zwischen dem zumindest einen chirurgischen Werkzeug und einem anatomischen Element innerhalb der chirurgischen Umgebung definiert; wobei die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, die in einem Bereich liegen, der größer als der vordefinierte Abstand ist, und wobei die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, die in einem Bereich liegen, der kleiner als der vordefinierte Abstand ist.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 18, wobei das anatomische Element aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Gewebe, Organ, weiterem chirurgischem Werkzeug und einer beliebigen Kombination davon.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 7, wobei zumindest eines des Folgenden gilt: (a) das umfasst System des Weiteren ein Endoskop; wobei das Endoskop so ausgelegt ist, dass es ein Echtzeitbild der chirurgischen Umgebung bereitstellt; (b) zumindest eines der chirurgischen Werkzeugen ist ein Endoskop, das so ausgelegt ist, dass es zumindest ein Echtzeitbild der chirurgischen Umgebung bereitstellt.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 20, wobei die Regel zum rechten Werkzeug so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGE Bewegung des Endoskops gemäß der Bewegung des chirurgischen Werkzeugs bestimmt, das rechts vom Endoskop positioniert ist; des Weiteren wobei die Regel zum linken Werkzeug so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGE Bewegung des Endoskops gemäß der Bewegung des chirurgischen Werkzeugs bestimmt, das links vom Endoskop positioniert ist;
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 20, wobei die Regel zum markierten Werkzeug ein Mittel umfasst, das so ausgelegt ist, dass es zumindest ein chirurgisches Werkzeug innerhalb der chirurgischen Umgebung markiert und die ZULÄSSIGE Bewegung des Endoskops bestimmt, um die Bewegung des markierten chirurgischen Werkzeugs konstant zu verfolgen;
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 20, wobei die Sichtfeldregel eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst, die n räumliche 3D-Positionen umfasst; n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; die Kombination aller n räumlichen 3D-Positionen ein vordefiniertes Sichtfeld bereitstellt; die Sichtfeldregel so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGE Bewegung des Endoskops innerhalb der n räumlichen 3D-Positionen bestimmt, um ein konstantes Sichtfeld aufrechtzuerhalten, so dass die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das Endoskop im Wesentlichen in zumindest einer der n räumlichen 3D-Positionen befindet, und die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des Endoskops im Wesentlichen von den n räumlichen 3D-Positionen unterscheidet.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 20, wobei die Regel zur bevorzugten Volumenzone eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst, die n räumliche 3D-Positionen umfasst; n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei die n räumlichen 3D-Positionen die bevorzugte Volumenzone bereitstellen; die Sichtfeldregel so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGE Bewegung des Endoskops innerhalb der n räumlichen 3D-Positionen und BESCHRÄNKTE Bewegung des Endoskops außerhalb der n räumlichen 3D-Positionen bestimmt, so dass die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das Endoskop im Wesentlichen in zumindest einer der n räumlichen 3D-Positionen befindet, und die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des Endoskops im Wesentlichen von den n räumlichen 3D-Positionen unterscheidet.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 20, wobei die Regel zum bevorzugten Werkzeug eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst, in der Datenbank ein bevorzugtes Werkzeug gespeichert ist; die Regel zum bevorzugten Werkzeug so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGE Bewegung des Endoskops bestimmt, um die Bewegung des bevorzugten Werkzeugs konstant zu verfolgen.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 20, wobei die Sperrzonenregel eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst, die n räumliche 3D-Positionen umfasst; wobei n eine ganze Zahl größer gleich 2 ist; wobei die n räumlichen 3D-Positionen ein vordefiniertes Volumen innerhalb der chirurgischen Umgebung definieren; wobei die Sperrzonenregel so ausgelegt ist, dass sie die BESCHRÄNKTE Bewegung bestimmt, wenn die Bewegung innerhalb der Sperrzone liegt, und sie die ZULÄSSIGE Bewegung bestimmt, wenn die Bewegung außerhalb der Sperrzone befindet, so dass die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das zumindest eine des chirurgischen Werkzeugs im Wesentlichen in einer der n räumlichen 3D-Positionen befindet, und die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des zumindest einen Endoskops im Wesentlichen von den n räumlichen 3D-Positionen unterscheidet.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 20, wobei die Regel zum am häufigsten verwendeten Werkzeug eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst, die die Anzahl der Bewegung jedes chirurgischen Werkzeugs zählt; die Regel zum am häufigsten verwendeten Werkzeug ist so ausgelegt, dass es das Endoskop konstant positioniert, um die Bewegung des am häufigsten bewegten chirurgischen Werkzeugs zu verfolgen.
Chirurgisches Steuersystem nach einem der Ansprüche 7 oder 20, wobei das System des Weiteren ein Manövrierteilsystem umfasst, das mit der Steuereinheit kommunikationsfähig ist, wobei das Manövrierteilsystem so ausgelegt ist, dass es das zumindest eine chirurgische Werkzeug während eines chirurgischen Eingriffs gemäß dem vordefinierten Regelsatz räumlich umpositioniert; des Weiteren wobei das System so ausgelegt ist, dass es den Arzt über die BESCHRÄNKTE Bewegung des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs alarmiert.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 28, wobei der Alarm aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einem Tonsignal, einem Sprachsignal, einem Lichtsignal, einem Blinksignal und einer beliebigen Kombination davon.
Chirurgisches Steuersystem nach einem der Ansprüche 7 oder 20, wobei die ZULÄSSIGE Bewegung von der Steuereinheit gestattet wird und eine BESCHRÄNKTE Bewegung von der Steuereinheit verweigert wird.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 7, wobei die verlaufsbasierte Regel eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst, in der jede räumliche 3D-Position jedes chirurgischen Werkzeugs gespeichert ist, so dass jede Bewegung jedes chirurgischen Werkzeugs gespeichert wird; wobei die verlaufsbasierte Regel so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen gemäß bisherigen Bewegungen des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs bestimmt, so dass die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich das zumindest eine chirurgische Werkzeug im Wesentlichen in einer der räumlichen 3D-Positionen befindet, und die BESCHRÄNKTEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen sich der Standort des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs im Wesentlichen von den n räumlichen 3D-Positionen unterscheidet.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 20, wobei die Regel zu werkzeugabhängigen zulässigen und BESCHRÄNKTEN Bewegungen eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst; wobei die kommunikationsfähige Datenbank so ausgelegt ist, dass sie vordefinierte Charakteristika zumindest eines des chirurgischen Werkzeugs speichert; wobei die Regel zu werkzeugabhängigen ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen so ausgelegt ist, dass sie die ZULÄSSIGEN und BESCHRÄNKTEN Bewegungen gemäß den vordefinierten Charakteristika des chirurgischen Werkzeugs bestimmt; so dass ZULÄSSIGE Bewegungen Bewegungen des Endoskops sind, die das chirurgische Werkzeug mit den vordefinierten Charakteristika verfolgen.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 32, wobei die vordefinierten Charakteristika des chirurgischen Werkzeugs aus einer Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus: physischen Abmessungen, Struktur, Gewicht, Schärfe und einer beliebigen Kombination davon.
Chirurgisches Verfolgungssystem nach Anspruch 20, wobei die Bewegungserkennungsregel eine kommunikationsfähige Datenbank umfasst, die die räumlichen Echtzeit-3D-Positionen jedes chirurgischen Werkzeugs umfasst; die Bewegungserkennungsregel ist so ausgelegt, dass sie eine Bewegung des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs erkennt, wenn eine Änderung der räumlichen 3D-Positionen empfangen wird, so dass die ZULÄSSIGEN Bewegungen Bewegungen sind, bei denen das Endoskop umgelenkt wird, um sich auf das sich bewegende chirurgische Werkzeug zu fokussieren.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 7, des Weiteren umfassend ein Manövrierteilsystem, das mit der Steuereinheit kommunikationsfähig ist, wobei das Manövrierteilsystem so ausgelegt ist, dass es zumindest ein chirurgisches Werkzeug während eines chirurgischen Eingriffs gemäß dem vordefinierten Regelsatz räumlich umpositioniert, so dass das Manövrierteilsystem die Bewegung verhindert, wenn die Bewegung des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs eine BESCHRÄNKTE Bewegung ist.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Standortschätzungsmittel zumindest ein Endoskop umfasst, das so ausgelegt ist, dass es Echtzeitbilder der chirurgischen Umgebung innerhalb des humanen Körpers umfasst; und zumindest eine Software zum räumlichen Standort von chirurgischen Werkzeugen ist so ausgelegt, dass sie Echtzeitbilder der chirurgischen Umgebung empfängt und die räumliche 3D-Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs schätzt;
Chirurgisches Verfolgungssystem nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Standortschätzungsmittel das (a) zumindest ein Element, das aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einem optischen Bildgebungsmittel, Funkfrequenzsende- und Funkfrequenzempfangsmittel, zumindest einer Kennzeichnung auf dem zumindest einen chirurgischen Werkzeug und einer beliebigen Kombination davon; und (b) zumindest eine Software zum räumlichen Standort von chirurgischen Werkzeugen umfasst, die so ausgelegt ist, dass sie die räumliche 3D-Position des zumindest einen chirurgischen Werkzeugs mithilfe des Elements schätzt.
Chirurgisches Verfolgungssystem nach Anspruch 1, wobei das zumindest eine Standortschätzungsmittel ein Schnittstellenteilsystem zwischen einem Chirurgen und dem zumindest einen chirurgischen Werkzeugs ist, wobei das Schnittstellenteilsystem umfasst: a. zumindest eine Anordnung, die N Normal- oder Strukturlichtquellen umfasst, wobei N eine positive ganze Zahl ist; b. zumindest eine Anordnung, die M Kameras umfasst, jede der M Kameras, wobei M eine positive ganze Zahl ist; c. optional optische Kennzeichnungen und ein Mittel zum Anbringen der optischen Kennzeichnung an dem zumindest einen chirurgischen Werkzeug; und d. einen computergestützten Algorithmus, der über die Steuereinheit betreibbar ist, wobei der computergestützte Algorithmus so ausgelegt ist, dass er Bilder aufzeichnet, die von jeder Kamera jeder der M Kameras empfangen werden, und dass er anhand dieser die Position jedes der Werkzeuge berechnet, und des Weiteren so ausgelegt ist, dass er die Ergebnisse der Berechnung automatisch an den humanen Benutzer der Schnittstelle bereitstellt.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Gelenkwerkzeug Gelenke im Wesentlichen an der Spitze des Werkzeugs, im Wesentlichen entlang des Körpers des Werkzeugs und beliebige Kombinationen davon aufweist.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 1, wobei die Gelenksteuerung aus einer Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus Hardwaresteuerung, Softwaresteuerung und einer beliebigen Kombination davon.
Chirurgisches Steuersystem nach Anspruch 1, wobei das Werkzeug ein Gelenk in Regionen aufweist, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus nahe der Spitze des Werkzeugs, am Körper des Werkzeugs und einer beliebigen Kombinationen davon.