DE20280425U1

DE20280425U1 - Device for simulating a rod-shaped surgical instrument with force feedback

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Publication number: DE20280425U1
Application number: DE20280425U
Authority: DE
Original assignee: XiTact SA
Current assignee: XiTact SA
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-09-09
Anticipated expiration: 2012-09-13
Also published as: CH696009A5; WO2003023736A1; WO2003023736A8

Abstract

Vorrichtung zur Simulation eines stabförmigen virtuellen chirurgischen Instrumentes, insbesondere für die Simulation eines endoskopischen Instrumentes, mit einem ortsfesten Gestell, mit einem Handgriff des Instrumentes, mit mindestens einem Antriebsblock (4) für eine Kaftrückkopplung und mit einem virtuellen Trokar, wobei der Handgriff über den virtuellen Trokar und über den Antriebsblock (4) mit dem Gestell verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Handgriff mit einem zylindrischen Element (1) verbunden ist, dass das zylindrische Element (1) über mindestens zwei Nuten (15, 45) verfügt, in die die Antriebsblöcke (4) eingreifen, so dass eine feste Zuordnung von Position in longitudinaler und in Drehrichtung zum Antriebsblock (4) festlegbar ist.contraption to simulate a rod-shaped virtual surgical instrument, especially for simulation an endoscopic instrument, with a fixed frame, with a handle of the instrument, with at least one drive block (4) for one Kaftrückkopplung and with a virtual trocar, the handle over the virtual trocar and over the drive block (4) is connected to the frame, characterized in that that the handle is connected to a cylindrical element (1) is that the cylindrical element (1) has at least two grooves (15, 45) has in the the drive blocks (4) intervene so that a fixed assignment of position in longitudinal and can be fixed in the direction of rotation to the drive block (4).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Simulation eines stabförmigen virtuellen chirurgischen Instrumentes, insbesondere für die Simulation eines endoskopischen Instrumentes, mit einem ortsfesten Gestell, mit einem Handgriff des Instrumentes, mit mindestens einem Antriebsblock für eine Kraftrückkopplung und mit einem virtuellen Trokar, wobei der Handgriff über den virtuellen Trokar und über den Antriebsblock mit dem Gestell verbunden ist.The The invention relates to a device for simulating a virtual bar surgical instrument, especially for simulating an endoscopic Instrumentes, with a fixed frame, with a handle of the instrument, with at least one drive block for force feedback and with a virtual trocar, the handle over the virtual trocar and over the drive block is connected to the frame.

Bei solchen Vorrichtungen zum Einsatz bei der Simulation von Operationen, insbesondere endoskopischen Eingriffen, werden Antriebsblöcke eingesetzt. Diese werden in einer weise angesteuert, um eine Übertragung von simulierten Kräften auf das Instrument zu gestatten. Bei solchen stabförmigen Instrumenten greift der Antriebsblock auf einen Stab oder ein Rohr, an dem am proximalen Ende der besagte Handgriff befestigt ist. Ein Paar von Antriebsblöcken, wie sie in der CH 385/01 der Anmelderin beschrieben sind, greift auf den Stab zu und verschiebt diesen zwischen sich in longitudinaler Richtung. Dabei entsteht ein gewisser Schlupf, der es gemäss der dort beschriebenen Lehre notwendig macht, mit Mess- und Kalibriereinrichtungen die tatsächliche Lage des Stabes im Bezug auf die Antriebsblöcke festzulegen.at such devices for use in the simulation of operations, drive blocks are used in particular endoscopic interventions. These are driven in a way to make a transmission of simulated forces to allow the instrument. With such rod-shaped instruments the drive block grips a rod or a tube, on which proximal end of said handle is attached. A pair of Drive blocks, as described in the applicant's CH 385/01 applies towards the rod and moves it between them in a longitudinal direction Direction. This creates a certain slip, which is according to the one there described teaching is necessary, with measuring and calibration equipment the actual location of the rod in relation to the drive blocks.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb anzugeben, der ohne Auftreten eines Schlupfes arbeitet. Darüber hinaus ist es Ziel der Erfindung, diesen Antrieb so auszugestalten, dass der Operateur am Handgriff keine Schläge oder ein Ruckeln verspürt, welches durch den Kraftschluss oder Formschluss zwischen Stab und Antriebsblock entstehen könnte.outgoing From this prior art, the invention is based on the object specify a drive that works without slippage. About that it is also the aim of the invention to design this drive in such a way that the operator does not feel any knocks or jerking on the handle, which through the frictional connection or positive connection between rod and drive block could arise.

Diese Aufgabe wird für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This Task becomes for a device of the type mentioned with the features of Claim 1 solved.

Dadurch, dass ein zylindrisches Element, welches dem oben genannten Stab entspricht, über mindestens zwei Nuten verfügt, in die die Antriebsblöcke eingreifen, kann eine sichere Zuordnung von Position in longitudinaler und in Drehrichtung zum Antriebsblock festgelegt werden.Thereby, that a cylindrical element that matches the above rod corresponds, about at least has two grooves, into which the drive blocks Intervene, a safe assignment of position in the longitudinal and set in the direction of rotation to the drive block.

Mit der in den Unteransprüchen genannten Ausgestaltung und Anordnung der Nuten kann zudem erreicht werden, dass an den besagten Kreuzungsstellen der Nuten der Antrieb einen Vortrieb hat, der zu keinen Schlägen bei Überfahren dieser Kreuzungsstellen führt.With that in the subclaims mentioned design and arrangement of the grooves can also be achieved be that at the said intersections of the grooves of the drive has a drive that leads to no blows when crossing these intersections leads.

Aus der WO99/38141 ist es bekannt, einen Antrieb mit drei Stellgliedern anzugeben, die in einem Winkel von 120 Grad zueinander stehen, um ein simuliertes Endoskop in einen simulierten gastrointestinalen Trakt vorzuschieben.Out WO99 / 38141 discloses a drive with three actuators to be specified, which are at an angle of 120 degrees to each other in order a simulated endoscope into a simulated gastrointestinal To move the wing forward.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Further advantageous embodiments are in the subclaims characterized.

Anschliessend wird nun die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.Subsequently The invention is now based on several embodiments in the drawings exemplary closer explained.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine Seitenansicht eines Schaftes mit zwei mal drei Nuten, 1 a side view of a shank with two times three grooves,

2 einen schematischen Querschnitt durch den Schaft mit auf diesem aufgesetzten Kugellagern eines der Antriebsblöcke, 2 3 shows a schematic cross section through the shaft with ball bearings of one of the drive blocks placed on it,

3a ein Kugellager mit Punktkontakt zum Schaft ohne Nut nach dem Stand der Technik, 3a a ball bearing with point contact to the shaft without groove according to the prior art,

3b ein Kugellager mit gerundeter Oberfläche, so dass sich ein Linienkontakt zum Schaft ergibt, und 3b a ball bearing with a rounded surface so that there is line contact with the shaft, and

3c–e verschiedene Ausführungsformen des Eingriffes eines Kugellagergehäuses in den Schaft mit Nut. 3c - e different embodiments of the engagement of a ball bearing housing in the shaft with groove.

Die 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines zu bewegenden Schaftes 1 eines virtuellen chirurgischen Instrumentes. Unter Schaft 1 ist auch ein Stab oder ein Hohlrohr oder allgemein ein zylindrisches Element zu verstehen. Wesentlich ist dessen rotationssymmetrische Ausgestaltung bezüglich der Hauptachse des Elementes 1.The 1 shows a schematic side view of a shaft to be moved 1 of a virtual surgical instrument. Under shaft 1 is also to be understood as a rod or a hollow tube or generally a cylindrical element. Its rotationally symmetrical design with respect to the main axis of the element is essential 1 ,

Dieses ist in Richtung des Doppelpfeiles 2 in Längsrichtung hin und her zu bewegen sowie, wie durch den Pfeil 3 angedeutet, um die eigene Achse drehbar. Hierfür sind an zwei verschiedenen Orten entlang des Schaftes 1 Antriebsblöcke 4 vorgesehen, von denen hier nur einer schematisch dargestellt ist. Jeder Antriebsblock 4 umfasst den Schaft 1 vollständig und beinhaltet drei Kugellager, die entsprechend 2 um den Schaft 1 herum angeordnet sind. Die Kugellager 14, 24, 34 laufen in drei Nuten 15, 25 und 35, die in Schraubenform um den Schaft herumlaufen. Durch entsprechende Ansteuerungen der beiden Antriebsblöcke 4 kann somit eine reine Longitudinalbewegung in Richtung des Doppelpfeils 2 oder eine reine Drehbewegung in Richtung des Doppelpfeils 3 oder eine gemischte Bewegung ausgeführt werden. Der eine Bewegung auf den Schaft aufzuprägende Operateur empfindet dies als Kraftrückkopplung.This is in the direction of the double arrow 2 to move back and forth lengthways as well as as indicated by the arrow 3 indicated, rotatable about its own axis. For this are in two different locations along the shaft 1 drive blocks 4 provided, of which only one is shown schematically here. Every drive block 4 encompasses the shaft 1 completely and includes three ball bearings that accordingly 2 around the shaft 1 are arranged around. The ball bearings 14 . 24 . 34 run in three grooves 15 . 25 and 35 that run around the shaft in a screw shape. By appropriate controls of the two drive blocks 4 can thus be a purely longitudinal movement in the direction of the double arrow 2 or a pure rotary movement in the direction of the double arrow 3 or a mixed movement. The surgeon impressing a movement on the shaft feels this as force feedback.

Neben den drei Nuten 15, 25 und 35 sind drei weitere Nuten 45, 55 und 65 vorgesehen, die entgegengesetzten Drehsinn aufweisen und damit Kreuzungen 8 bilden.In addition to the three grooves 15 . 25 and 35 are three more grooves 45 . 55 and 65 provided the opposite have the opposite direction of rotation and thus intersections 8th form.

In der 2 ist in einer schematischen Querschnittsansicht der Schaft 1 dargestellt, der von drei hier schematisch als Kreise dargestellten Kugellagergehäusen 14, 24 und 34 umgeben ist, die jeweils in die Nuten 15, 25 und 35 eingreifen. Die Winkel 16, 26 und 36 zwischen jeweils zwei der drei Kugellager 14, 24, 34 sind nicht gleich 120°. Der Winkel 16 beträgt zum Beispiel 115°, der Winkel 26 beläuft sich auf 110° und der Winkel 36 beträgt 135°. Dieser Unterschied in den Winkeln führt dazu, dass beim Abrollen der Kugellager in den Nuten nie mehr als ein Kugellager an einem Kreuzungspunkt 8 von zwei Nuten ist. Dadurch können Schläge und Verzögerungen, die ein empfindlicher Operateur am Simulator feststellen könnte, sicher vermieden werden. Neben der Veränderung des Winkels der Kugellager könnten die Kugellager auch im 120 Grad Winkel zueinander, aber in longitudinaler Richtung (entsprechend Richtung des Pfeiles 2) zueinander versetzt angeordnet werden.In the 2 Figure 3 is a schematic cross-sectional view of the shaft 1 shown, of three ball bearing housings shown here schematically as circles 14 . 24 and 34 is surrounded, each in the grooves 15 . 25 and 35 intervention. The angles 16 . 26 and 36 between two of the three ball bearings 14 . 24 . 34 are not equal to 120 °. The angle 16 For example, the angle is 115 ° 26 amounts to 110 ° and the angle 36 is 135 °. This difference in angles means that when the ball bearings roll in the grooves, there is never more than one ball bearing at an intersection 8th of two grooves. This safely prevents beats and delays that a sensitive surgeon could detect on the simulator. In addition to changing the angle of the ball bearings, the ball bearings could also be arranged at an angle of 120 degrees to one another, but offset in the longitudinal direction (corresponding to the direction of arrow 2).

Die 3a zeigt in einer sehr schematischen Querschnittsansicht, dass das Gehäuse 14 des Kugellagers im Punktkontakt mit der Oberfläche des zylindrischen Elementes 1 steht.The 3a shows in a very schematic cross-sectional view that the housing 14 of the ball bearing in point contact with the surface of the cylindrical element 1 stands.

3b zeigt in einer sehr schematischen Querschnittsansicht, dass bei geeigneter Ausgestaltung der Rugellageroberfläche das Gehäuse des Kugellagers 14 in Linienkontakt mit der Oberfläche steht, da ja die Schaftoberfläche eine Zylinderoberfläche ist und ausser in Richtung des Doppelpfeiles 2 somit für die Kugellager gekrümmt ist. 3b shows in a very schematic cross-sectional view that with a suitable design of the rugel bearing surface, the housing of the ball bearing 14 is in line contact with the surface, since the shaft surface is a cylinder surface and except in the direction of the double arrow 2 is therefore curved for the ball bearings.

Die 3c zeigt in einer sehr schematischen Querschnittsansicht, dass das Gehäuse des Kugellagers hier mit einer Kante 9 in der Nut 15 in formschlüssigem Eingriff steht.The 3c shows in a very schematic cross-sectional view that the housing of the ball bearing here with an edge 9 in the groove 15 is in positive engagement.

Die 3d zeigt in einer sehr schematischen Querschnittsansicht, dass das Gehäuse des Kugellagers mit einem Ansatz 19 in der Nut 15 in formschlüssigem Eingriff steht.The 3d shows in a very schematic cross-sectional view that the housing of the ball bearing with an approach 19 in the groove 15 is in positive engagement.

Die 3e zeigt schliesslich in einer sehr schematischen Querschnittsansicht, dass das Gehäuse des Kugellagers mit einem Ansatz 19 in der Nut 15 in formschlüssigem Eingriff steht, wobei der Rest der Kugellageroberfläche entsprechend 3b gerundet ist und somit in Linienkontakt mit der Oberfläche des zylindrischen Elementes steht.The 3e finally shows in a very schematic cross-sectional view that the housing of the ball bearing with an approach 19 in the groove 15 is in positive engagement, the rest of the ball bearing surface accordingly 3b is rounded and is thus in line contact with the surface of the cylindrical element.

Claims

Device for simulating a rod-shaped virtual surgical instrument, in particular for simulating an endoscopic instrument, with a stationary frame, with a handle of the instrument, with at least one drive block ( 4 ) for a force feedback and with a virtual trocar, the handle over the virtual trocar and over the drive block ( 4 ) is connected to the frame, characterized in that the handle with a cylindrical element ( 1 ) is connected that the cylindrical element ( 1 ) over at least two grooves ( 15 . 45 ) into which the drive blocks ( 4 ) intervene so that a fixed assignment of position in the longitudinal and in the direction of rotation to the drive block ( 4 ) can be determined.

Device according to claim 1, characterized in that the cross sections of the grooves ( 15 . 45 ) Are V-shaped.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that two drive blocks ( 4 ) with three ball bearings each ( 14 . 24 . 34 ) are provided, of which at least one of the ball bearings ( 14 . 24 . 34 ) with a groove ( 15 . 45 ) of the cylindrical element ( 1 ) is in positive engagement.

Device according to claim 3, characterized in that the positive engagement in the groove ( 15 ) through the edge ( 9 ) of the ball bearing.

Device according to claim 3, characterized in that the positive engagement in the groove ( 15 ) through an approach ( 19 ) on the ball bearing.

Device according to claim 3, characterized in that the positive engagement in the groove ( 15 ) through an approach ( 19 ) on the ball bearing, and the rest of the ball bearing in line contact with the cylindrical element ( 1 ) stands.

Device according to claim 3, characterized in that all three ball bearings ( 14 . 24 . 34 ) in positive engagement with the grooves ( 15 . 25 . 35 ) of the cylindrical element ( 1 ) stand.

Device according to claim 7, characterized in that never more than one of the three ball bearings ( 14 . 24 . 34 ) at the same time at an intersection ( 8th ) of two opposite grooves ( 15 . 25 . 35 . 45 . 55 . 65 ) stands.

Device according to claim 8, characterized in that the angles ( 16 . 26 . 36 ) between two ball bearings ( 14 and 24 . 24 and 34 . 34 and 14 ) are of different sizes.

Apparatus according to claim 8, characterized in that the three ball bearings ( 14 . 24 . 34 ) in the longitudinal direction ( 2 ) are offset from one another.