DE4332580A1 - Vorrichtung zur Nachbildung oder Simulation des Tastsinns in einem chirurgischen Instrument - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Weiterentwicklung bestimmter chirur­ gischer Instrumente, wie sie speziell im Arbeitsgebiet der Minimal Inva­ siven Chirurgie Verwendung finden. Diese Instrumente werden im allgemei­ nen mit Hilfe eines Endoskops ins Körperinnere eingeführt und hauptsäch­ lich für diagnostische Zwecke eingesetzt. Nachteil der bisher rein me­ chanisch funktionierenden Werkzeuge des Mediziners (wie z. B. Taststab und OP-Zange) ist es, daß sie keinen der chirurgischen Hand adäquaten Tastsinn besitzen, mit dessen Hilfe der Arzt bei offener Chirurgie wich­ tige Informationen gewinnt.

In Bezug auf die "Taktile Sensorik" im Allgemeinen sind bereits eine Reihe von Arbeiten bekannt geworden, die in der Hauptsache Anwendungen in der Robotik betreffen. S. Omata et al, New tactile sensor like the human hand and its applications Sensors and Actuators A, 35 (1992), 9.15, beschreiben einen taktilen Sensor auf der Basis eines piezoelek­ trischen Schwingers (PZT) zur Erfassung der Härte oder Weichheit von Ge­ weben "ganz ähnlich der menschlichen Hand".

K. Suzuki et al., A 1024-Element high-performance Silicon Tactile Imager IEEE Trans. El. Dev. 37, 1990, 1852-1860 entwickelten einen hochauflösen­ den "Taktilen Imager" aus 1024 (32×32) kapazitiven Drucksensoren für die Präzisions-Robotik.

Als Basiskomponente wurde von S. Sugiyama et al., Tactile Image Detec­ tion using a k-Element Silicon Pressure Sensor Array, Sensors and Actua­ tors A, 2123 (1990), 397-400 ein Drucksensor-Array mit ebenfalls 32×32 Elementen beschrieben.

Eine den medizinischen Bereich betreffende Vorrichtung wird in der DE-OS 42 13 584 A1 beschrieben. Bei dieser sogenannten "Objektinforma­ tions-Nachbildungseinrichtung" (Diagnoseeinrichtung) handelt es sich in der ersten Ausführungsform, die hier relevant ist, um eine Endoskopvor­ richtung zur optischen (d. h. berührungslosen) Objekterfassung. Mittels Stereo-CCD-Optik werden die Daten zur Erzeugung eines 3D-Bildes auf ei­ nem Monitor erfaßt. Dieses Höhenprofil kann mittels Maus punktweise an­ gewählt werden. Ein in der Maus integrierter Aktor in Form eines Biege­ balkens (angetrieben durch Piezo- oder SMA-Elemente) wird entsprechend der relativen Höhe des Objektpunkts verstellt und kann mit dem Finger ertastet werden. Die Diagnose beschränkt sich also dabei auf die reine Nachbildung der "Unebenheit" oder des "Anschwellungsgrads" des unter­ suchten Objekts. Dessen elastische Eigenschaften (Härtegrad) können na­ turgemäß nicht erfaßt werden. In einer weiteren Ausführung der DE-OS 42 13 584 wird auch eine Erfassung der Objekttemperatur mittels IR-Sensorik vorgeschlagen.

Als Schlüsselelement für die angestrebte Nachbildung des Tastsinns wird in der vorliegenden Erfindung ein Aktorarray aus sogenannten "ERF-Zel­ len" verwendet. Dies sind Steuerelemente, die als aktives Medium eine elektrorheologische Flüssigkeit (ERF) enthalten.

ERF-Aktoren sind in der Vergangenheit in Form von Kupplungen, Schockab­ sorbern (aktive Dämpfungssysten), Ventilen und Pumpen bekannt geworden.

Im Gegensatz zu dem in der DE 42 13 584 A1 beschriebenen sehr komplexen Diagnose-System hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, die Funktionen "Detektion der taktil erfaßbaren Objekteigenschaften" ei­ nerseits und "direkt ertastbare Nachbildung dieser Eigenschaften" ande­ rerseits innerhalb eines einzigen endoskopischen Instruments zu reali­ sieren. Dieses Instrument kann entweder als sogenannter "Taststab" oder als "Faßzange" (OP-Zange) ausgebildet sein.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 die Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen OP-Zange als Aus­ führungsbeispiel,

Fig. 2 den Querschnitt und die Draufsicht eines Drucksensor-Arrays in silizium-mikromechanischer bzw. -mikrotechnologischer Bauweise,

Fig. 3 das für die Nachbildung des Tastsinns wesentliche Element, die ERF-Zelle,

Fig. 4 ein aus einer Reihe von Einzelelementen bestehendes ERF-Aktor­ array,

Fig. 5 die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Funktion der kombinierten Sensor- und Aktorkomponenten,

Fig. 6 zur Verdeutlichung der Funktion des beschriebenen Systems die Signalverarbeitung, insbesondere die Korrelation zwischen Sensor und Aktor von oben nach unten und

Fig. 7 die erfindungsgemäße OP-Zange A sowie den ganz analog aufgebau­ ten und funktionierenden Taststab B in einer typischen endosko­ pischen Applikation.

Die Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen OP-Zange als Ausführungs­ beispiel zeigt Fig. 1. Auf der Innenfläche der beiden Zangenbacken 1 und 2 (bzw. wahlweise nur eines Backens) befinden sich kraft- bzw. druckemp­ findliche Sensorarrays 6, die bei Berühren und Ergreifen von Objekten analoge elektrische Signale an ein Display D - siehe Fig. 7 - liefern. Das von jedem Sensorelement von Array 6 erzeugte Signal entspricht der jeweiligen lokalen Konsistenz (weich - hart) des erfaßten Gewebes. Mit Hilfe der Sensorsignale wird diese Gewebestruktur nachgebildet/simuliert in Aktorarrays 7, die sich in den entsprechend gestalteten Griffstücken 3, 4 der Zange befinden. Die Oberfläche dieser Arrays wird mit der (den) Fingerkuppe(n) abgetastet. Auf diese Weise wird das Ertasten und Befüh­ len von Organen vom Körperinnern nach außen verlagert. Die wesentlichen Elemente eines Taststabs B zur Abtastung der Gewebestruktur C unter ei­ ner Bauchdecke G oder einer OP-Zange A gemäß Fig. 1 und 7 werden im fol­ genden näher beschrieben:

Fig. 2 zeigt in Querschnitt Fig. 2a und Draufsicht Fig. 2b ein Drucksen­ sor-Array in silizium-mikromechanischer bzw. -mikrotechnologischer Bau­ weise. Das zentrale Siliziumelement 11 ist derart strukturiert, insbeson­ dere geätzt, daß entsprechend der gewünschten Ortsauflösung eine Anzahl n-Einzelsensorelemente in bestimmten lateralen Abständen gebildet wer­ den. Jedes Element besteht aus einer Membran, insbesondere einer quadra­ tischen Ringmembran 12, die jeweils im Zentrum einen pyramidenstumpfför­ migen Tastkörper 13 trägt. Der freigeätzte Raum zwischen diesen Tastkör­ pern ist mit einer hochelastischen Silikonmasse 14 vergossen. Diese ist nach außen durch eine dünne, gewebeverstärkte Membran 15 abgeschlossen und vor Beschädigung geschützt. Die von außen einwirkenden Kräfte werden im wesentlichen über die Tastkörper 13 auf die Membran 12 übertragen. Deren Auslenkung wird in der bei piezoresistiven Drucksensoren üblichen Weise über Piezowiderstandsbrücken in proportionale elektrische Signale umgewandelt. Ein Keramiksubstrat 17 dient als Träger der elektrischen Zuleitungen 18 und Kontaktflächen 19.

Die in Fig. 3 gezeigte ERF-Zelle besteht im wesentlichen aus zwei mikro­ strukturierten Si-Teilen 20 und 21, einer Glaszwischenschicht 22, einer Al-Elektrode 23 sowie zwei dünnen, flexiblen Membranen 24 und 25. Diese Membranen schließen beidseitig zwei Kammern 26 und 27 ab, die mit einer elektrorheologischen Flüssigkeit gefüllt sind. Darin ist 26 eine Druck­ kammer und 27 eine Ausgleichskammer für den Druck.

Die ERF-Zelle funktioniert wie folgt:
Wird die obere Membran 24 durch eine äußere Kraft nach unten bewegt, so wird Flüssigkeit aus der Druckkammer 16 in die Ausgleichskammer 27 ge­ drückt. Sie muß dabei den Drosselkanal 28 passieren, innerhalb dessen der Fließwiderstand durch ein elektrisches Feld in weiten Grenzen verän­ dert werden kann (elektrorheologischer Effekt). Das elektrische Feld wird durch Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrode 29 und dem obe­ ren Si-Teil 20 erzeugt. Die äußere Kraft, die z. B. durch Fingerdruck entsteht, erfährt bei Variation des Feldes eine mehr oder weniger große Gegenkraft (die ERF ist nahezu inkompressibel), entsprechend wird das Material in der Druckkammer 26 als mehr oder weniger weich bzw. hart empfunden. Der Tastvorgang wird reversibel dadurch, daß mit Hilfe der unteren Membran 25 eine Rückstellkraft erzeugt wird, die bei Feldab­ schaltung wieder für Druckausgleich sorgt.

Ähnlich wie der physiologische Tastsinn ist dessen Simulation durch die ERF-Zelle ein dynamischer Vorgang, d. h. die Information "hart" oder "weich" wird nur bei Bewegung des Tastorgans bzw. bei Kraftänderung übermittelt.

Fig. 4 stellt ein aus einer Reihe von Einzelelementen bestehendes ERF-Aktorarray im Schnitt Fig. 4a und in der Draufsicht Fig. 4b dar. In der Draufsicht sind die Positionen der Drossel-Verbindungskanäle 28 zwi­ schen Druckkammer 26 und Ausgleichskammer 27 zu erkennen.

Die erfindungsgemäße Funktion der oben beschriebenen kombinierten Sen­ sor- und Aktorkomponenten ist in Fig. 5 dargestellt. Gezeigt ist ein Tastobjekt C aufliegend auf einem Drucksensorarray 6, auf welches der Finger B eine senkrechte Tastkraft (Fig. 5 links oben) ausübt. Das die­ ser Kraft entsprechende Sensorsignal U1 wird direkt zur Erzeugung einer proportionalen Aktor-Betriebsspannung U2 verwendet. Drückt der Finger B gleichzeitig auf die Oberfläche des Aktorarrays 7, so spürt er im Ideal­ fall eine zur senkrechten Tastkraft identische Reaktionskraft (in Fig. 2 rechts und unten). Durch Anpassung (Verstärkung mit GCA) des Übertra­ gungsfaktors der Elektronik und Eichung der Signalverarbeitungseinheit E auf verschiedene Materialien kann die Nachbildungsgüte der Tastinforma­ tion schrittweise verbessert werden, auch in der Art eines Neuronalen Netzwerks arbeitenden Mikrocomputer oder Mikroprozessor.

Eine direkte Abbildung des Druck-/Kraftprofils auf z. B. einem Video-Dis­ play D kann auf bekannte Weise realisiert werden und ist integraler Be­ standteil des Gesamtsystems.

Fig. 6 zeigt zur Verdeutlichung der Funktion des beschriebenen Systems die Signalverarbeitung, insbesondere die Korrelation zwischen Sensor und Aktor von oben und unten. Ein bezüglich Tastkraft festgelegter "Norm-Tastimpuls" mit konstanter Eindringtiefe erzeugt in weichem und hartem zu ertastendem Gewebe o. ä. Medium verschieden hohe Sensorsignale in einem Sensorarray 6. Diese wiederum werden elektronisch wie erwähnt (bei E) zur Erzeugung unterschiedlicher Aktor-Steuerspannungen benützt, welche in der entsprechenden ERF-Zelle die dazu proportionalen Viskosi­ tätsänderungen der elektrorheologischen Flüssigkeit ERP im Drosselkanal 28 produzieren. Bei Abtastung der Oberfläche jeder Zelle (Fig. 3) des Arrays 7 spürt man die gezeigten verschieden hohen Gegenkräfte in der Aktormembran.

Fig. 7 zeigt schließlich die erfindungsgemäße OP-Zange A sowie den ganz analog aufgebauten und funktionierenden Taststab B in einer typischen endoskopischen Applikation. Ein Körperorgan C als Objekt wird mit den Zangenbacken 1 und 2 erfaßt. Die dadurch erzeugte Druckverteilung auf dem Sensorarray 6 wird einerseits auf dem Display D abgebildet, anderer­ seits zur Simulation des Tastsinns - siehe Fig. 6 - in den Fingergriff­ stücken 3, 4 herangezogen. Geführt wird das Instrument mittels Hand­ griffstück 5, welches gleichzeitig als Gehäuse für die Versorgungslei­ tung F und für die Elektronik E dient. Die elektronische Steuer- und Re­ cheneinheit hat folgende Funktionen:

• - Aufbereitung der Sensormeßdaten für die visuelle Darstellung in D,
• - Funktionsüberwachung und Erzeugung von optischen und/oder akusti­ schen Warnsignalen bei D,
• - Durchführung von Selbsttest- und Eichoperationen,
• - Speicherung (in RAM, ROM, EPROM) von individuellen Diagnosedaten, insbesondere wenn das Handstück der Zange A als Endoskop dient.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die dargestellte Steuer- und Signalleitung F zwischen der OP-Zange A und der Einheit E durch eine nicht dargestellte telemetrische Übertragungsstrecke zu er­ setzen, wie sie in vielen Fällen bereits Stand der Technik ist. Dies be­ deutet eine entscheidende Verbesserung bezüglich der Handhabbarkeit der beschriebenen Instrumente.

Weitere Abwandlungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele und Kombina­ tionen für den gleichen Zweck mit an sich bekannten Mitteln, wie andere Sensoren (für Temperaturen, für Strom etc.) kann der Fachmann ohne wei­ teres vornehmen. Gleiches gilt für die Programmierung von etwa verwende­ ten Mikrocomputern (MC) oder Mikroprozessoren (MP) sowie deren Software, wenn nicht ein MC selbstlernender Art (Neuronales Netzwerk) verwendet wird.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Nachbildung oder Simulation des Tastsinns für me­ dizinische, insbesondere chirurgische Zwecke wie Eingriffe mittels medi­ zinischer Instrumente, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein kraft- oder druck- oder wegeempfindliches Sensorarray (6) und Aktorarray (7) am Instrument zu einer "abfühlenden" oder "taktilen" Einheit (A; B) derart zusammengefaßt sind, daß das eine (6) das andere (7) steuert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorarray (6) aus einzelnen halbleitenden Sensorelementen (Fig. 2) in mikrotechnologischer Herstellung gebildet ist derart, daß die zugehörige elektronische Signalverarbeitung integriert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aktorarray (7) aus einzelnen, mit elektrorheologischer Flüssigkeit an­ füllbaren Kammern (26, 27) (Fig. 3) in mikrotechnologischer Herstellung gebildet ist derart, daß Viskositätsänderungen dieser Flüssigkeit, pro­ duziert durch elektronische Ansteuerung vom Sensorarray (6), verschieden hohe Gegenkräfte (CP) an der Membran bei der jeweiligen Zelle des Aktor­ arrays (7) erzeugen.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Signalverarbeitungs- und Übertragungselektronik (E) zur Durchführung einer elektronischen Eich- und/oder Selbsttestfunk­ tion geeignete elektronische Bauelemente aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Signalverarbeitungs- und Übertragungselektronik (E) zwischen Sensorarray (6) und Aktorarray (7) angeordnet und für die Darstellung der erfaßten Sensorsignale auf einem Display (D) ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Signalübertragung mittels Leitung (F), insbeson­ dere elektrisch/optisch, oder telemetrisch von der Einheit (A oder B) zu einer Auswertelektronik (E) oder zu einer Anzeigeeinheit (D) erfolgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Fehlern in der Signalübertragung bzw. -verarbeitung Warnsignale an der Anzeigeeinheit (D) erzeugt werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (A oder B) als Handstück mit Endoskop ausgebildet ist.