DE69532536T2 - Vorrichtung mit mechanischem eingang/ausgang für rechnersysteme mit einer schnittstelle für flexible langgestreckte gegenstände - Google Patents

Vorrichtung mit mechanischem eingang/ausgang für rechnersysteme mit einer schnittstelle für flexible langgestreckte gegenstände Download PDF

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elongate object
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    • GPHYSICS
    • G09EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09BEDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/28Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
    • G09B23/285Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine for injections, endoscopy, bronchoscopy, sigmoidscopy, insertion of contraceptive devices or enemas

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mensch-Maschine-Schnittstellen-Eingabevorrichtungen und insbesondere auf Computer-Eingabevorrichtungen zum Simulieren medizinischer Verfahrensweisen.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • Virtuelle-Realität-Rechnersysteme vermitteln Anwendern die Illusion, sie seien Teil einer "virtuellen" Umgebung. Ein Virtuelle-Realität-System enthält typischerweise einen Rechnerprozessor, wie z. B. einen Personalcomputer oder Arbeitsplatzrechner, spezialisierte Virtuelle-Realität-Software und Virtuelle-Realität-Ein-Ausgabevorrichtungen, wie z. B. helmartige Anzeigen, Zeigerhandschuhe, dreidimensionale ("3D") Zeiger und dergleichen. Virtuelle-Realität-Rechnersysteme sind zum Training auf vielen Gebieten erfolgreich verwendet worden, wie z. B. der Luftfahrt sowie dem Fahrzeug- und Systembetrieb. Der Reiz der Verwendung von Virtuelle-Realität-Rechnersystemen zum Training bezieht sich zum Teil auf die Fähigkeit solcher Systeme, Praxisneulingen den Luxus zu ermöglichen, in einer äußerst realistischen Umgebung tätig zu sein und katastrophale Fehler zu machen, ohne Konsequenz für den Auszubildenden, andere oder Besitztum. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Flug- oder Fahrschüler unter Verwendung eines Virtuelle-Realität-Simulators ohne Angst vor Unfällen fliegen (oder fahren) lernen, die in der realen Welt Tod und/oder Vermögensschaden verursachen würden. In ähnlicher Weise können Bedienpersonen von komplexen Systemen, z. B. Atomkraftwerken und Waffensystemen, eine große Vielfalt von Übungsszenarien sicher üben, die Leben oder Besitztum in Gefahr bringen würden, wenn sie in der Realität durchgeführt würden.
  • Die Vorteile der Simulation sind auf medizinischem Gebiet nicht unbemerkt geblieben, das zunehmend mit den Kosten falscher Behandlung und ineffizienter Pflegebehandlung zu tun hat. Beispielsweise kann es ein Virtuelle-Realität-Rechnersystem einem Arzt in Ausbildung oder anderen Operateur oder Anwender ermöglichen, ein Skalpell oder eine Sonde in einem rechnersimulierten "Körper" zu "manipulieren", und dadurch medizinische Prozeduren an einem virtuellen Patienten durchzuführen. In diesem Fall wird eine Ein-Ausgabevorrichtung, die typischerweise ein 3D-Zeiger, stiftartiges Gerät (Stylus) oder dergleichen ist, in Vertretung für ein chirurgisches Instrument, wie z. B. ein Skalpell oder eine Sonde, verwendet. Wenn sich das "Skalpell" oder die "Sonde" in dem Körper bewegt, wird auf dem Bildschirm des Rechnersystems eine Abbildung angezeigt, und die Ergebnisse der Zeigerbewegungen werden aktualisiert und angezeigt, so dass die Bedienperson die Erfahrung zur Durchführung einer solchen Prozedur gewinnen kann, ohne an einem lebenden Menschen oder einem Leichnam zu üben.
  • Damit Virtuelle-Realität-Systeme eine realistische (und daher nutzbare) Erfahrung für den Anwender bereitstellen, sollten die sensorische Rückmeldung und der manuelle Eingriff möglichst natürlich sein. Da Virtuelle-Realität-Systeme leistungsfähiger werden und die Anzahl potentieller Anwendungen steigt, besteht ein wachsender Bedarf für besondere Mensch-Maschine-Schnittstellenvorrichtungen, die es Anwendern erlauben, die Verbindung mit Rechnersimulationen mit Werkzeugen aufzunehmen, welche die in der virtuellen Simulation dargestellten Aktivitäten realistisch emulieren. Solche Vorgehensweisen, wie laparoskopische Chirurgie, Katheterinsertion und Epiduralanalgesie, sollten mit geeigneten Mensch-Maschine-Schnittstellenvorrichtungen realistisch simuliert werden, wenn der Arzt richtig ausgebildet werden soll. Ein derartiges System ist in der US-A-4,907,973 offenbart, die die oberbegrifflichen Merkmale des Anspruchs 1 zeigt.
  • Zwar stellt der Stand der Technik bei der virtuellen Simulation und medizinischen Abbildung eine reiche und realistische visuelle Rückkopplung bereit, doch es besteht ein großer Bedarf an neuartigen Mensch-Maschine-Schnittstellenwerkzeugen, die es Anwendern erlauben, natürliche manuelle Eingriffe mit der Rechnersimulation durchzuführen. Bei der medizinischen Simulation besteht ein starker Bedarf dafür, Ärzten eine realistische Technik zur Durchführung der mit medizinischen Verfahrensweisen verbundenen manuellen Aktivitäten zur Verfügung zu stellen und gleichzeitig einem Rechner die exakte Verfolgung ihrer Handlungen zu ermöglichen. Neben der Verfolgung der manuellen Tätigkeit eines Anwenders und Füttern des Steuerungsrechners mit dieser Information, um dem Anwender eine visuelle 3D-Darstellung zur Verfügung zu stellen, sollte eine Mensch-Schnittstellentechnik auch eine Kraftrückkopplung an den Anwender bereitstellen, so dass der Anwender auch realistische tastbare Informationen erhalten kann. So wirkt eine nutzbare Mensch-Schnittstelle nicht nur als Eingabevorrichtung für die Nachführbewegung, sondern auch als Ausgabevorrichtung zur Erzeugung realistisch tastbarer (haptischer) Empfindungen.
  • Es gibt sehr viele Vorrichtungen, die im Handel erhältlich sind, um einen Menschen mit einem Rechner für Virtuelle-Realität-Simulationen zu verbinden. Es gibt beispielsweise zweidimensionale Eingabevorrichtungen, wie z. B. Mäuse, Rollkugeln und Digitalisierungstabletts. Zweidimensionale Eingabevorrichtungen neigen jedoch bei der Aufgabe der Verbindung mit dreidimensionalen Virtuelle-Realität-Simulationen zu Schwerfälligkeit und Unzulänglichkeit. Dagegen ermöglicht ein dreidimensionales Mensch-Maschine- Schnittstellenwerkzeug, das unter dem Warenzeichen Immersion PROBETM verkauft wird und von der Immersion Human Interface Corporation, Palo Alto, Kalifornien, zum Verkauf angeboten wird, eine manuelle Steuerung in dreidimensionalen Virtuelle-Realität-Rechnerumgebungen. Ein schreibstiftartiger Stylus gestattet eine gewandte dreidimensionale Handhabung, und die Stellung und Ausrichtung des Stylus werden an einen Host-Computer übertragen. PROBE von Immersion weist sechs Freiheitsgrade auf, die Raumkoordinaten (x, y, z) und Ausrichtung (Verdrehen, Neigen, Gieren) des Stylus an den Host-Computer übermitteln.
  • Obwohl PROBE von Immersion ein ausgezeichnetes dreidimensionales Schnittstellenwerkzeug ist, kann das Gerät für bestimmte Virtuelle-Realität-Simulationsanwendungen ungeeignet sein. Beispielsweise sind bei einigen der oben erwähnten medizinischen Simulationen drei oder vier Freiheitsgrade für ein dreidimensionales Mensch-Maschine-Schnittstellenwerkzeug ausreichend und oft wünschenswerter als fünf oder sechs Freiheitsgrade, weil dies die Beschränkungen des wirklichen Lebens bei der tatsächlichen medizinischen Verfahrensweise exakter nachahmt.
  • Die Anwendung der Virtuelle-Realität-Simulation auf die Bedienung von Kathetern und anderen flexiblen langgestreckten Gegenständen erfordert oft nur zwei, drei oder vier Freiheitsgrade. Insbesondere sind Katheter in einer größtenteils zweidimensionalen Umgebung in Betrieb, die durch den Kanal geschaffen wird, in den der Katheter eingesetzt wird, z. B. eine Vene oder Arterie. Die Kräfte, denen ein Katheter unterliegt, sind im Vergleich zu anderem medizinischen Gerät oft vereinfacht und bestehen hauptsächlich aus Widerstandskräften. Daher ist für bestimmte Anwendungen eine weniger komplexe Virtuelle-Realität-Vorrichtung wünschenswert.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Verbindung (oder ein Mensch-Maschine-Schnittstellenwerkzeug) mit besonders guter Eignung für Simulationen bereit, die zwischen zwei und vier Freiheitsgrade und insbesondere zwei Freiheitsgrade erfordern, wie z. B. für Katheterbetriebssimulationen. So wird erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung eine weniger komplexe, kompaktere, leichtgewichtigere, trägheitsärmere und preiswertere Alternative zu einem Mensch-Maschine-Schnittstellenwerkzeug mit sechs Freiheitsgraden bereitstellt als bisher verfügbar. Insbesondere schließt die vorliegende Erfindung ein Mittel zur Bereitstellung einer äußerst realistischen Kraftrückkopplung an einen Anwender bereit, um die Arten von Tastempfindungen zu erzeugen, die mit dem Katheterbetrieb verbunden sind.
  • In einer Ausführungsform schließt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Verbindung der Bewegung eines zur fortschreitenden Bewegung und Drehung geeigneten langgestreckten flexiblen Gegenstands mit einem elektrischen System ein, wobei die Vorrichtung (a) einen Objektaufnahmeteil und (b) einen Rotationswandler einschließt, der mit dem Objektaufnahmeteil verbunden ist, wobei der Rotationswandler geeignet ist, eine Rotationsbewegung des langgestreckten flexiblen Gegenstands zu bestimmen und dadurch eine elektromechanische Schnittstelle zwischen dem langgestreckten flexiblen Gegenstand und einem elektrischen System bereitstellt, wobei der Rotationswandler eine Scheibe mit einer Öffnung umfasst, die so bemessen ist, dass sie den langgestreckten flexiblen Gegenstand aufnimmt. Die Scheibe ist mit einer Hohlwelle verbunden, die so bemessen ist, dass sie den Gegenstand in Zusammensetzung aufnehmen kann. Die Hohlwelle weist zumindest eine Biegung auf. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform ist eine, in der das elektrische System ein digitales elektrisches System ist.
  • Die Welle kann ferner zumindest zwei weitgehend parallele Abschnitte aufweisen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform schließt die Hohlwelle zwei weitgehend gegensinnig orientierte Biegungen und drei weitgehend parallele Abschnitte ein. In noch einer anderen bevorzugten Ausführungsform schließt die Vorrichtung der Erfindung ein Betätigungselement zur Zusammensetzung mit dem langgestreckten flexiblen Gegenstand und einen mit dem Objektaufnahmeteil verbundenen Translationswandler ein, der zur Bestimmung der fortschreitenden Bewegung des langgestreckten flexiblen Gegenstands geeignet ist.
  • In einer bevorzugten alternativen Ausführungsform sind ein zweites Betätigungselement und ein zweiter Wandler mit dem Objektaufnahmeteil verbunden und zwischen dem Betätigungselement und dem Translationswandler und dem Rotationswandler angeordnet. In noch einer anderen alternativen Ausführungsform ist die Vorrichtung der Erfindung an einer Kardanvorrichtung inklusive Untersatz und einem Kardanmechanismus mit einer Basis montiert, wobei ein erster Teil der Basis drehbar auf dem Untersatz montiert ist und ein zweiter Teil der Basis drehbar an dem Objektaufnahmeteil montiert ist. Ferner sind ein Betätigungselement sowie ein Translations- und ein Rotationswandler mit dem Objektaufnahmeteil verbunden. Der Rotationswandler schließt eine Scheibe mit einer Öffnung ein, die so bemessen ist, dass sie den langgestreckten flexiblen Gegenstand aufnehmen kann. Die Scheibe ist mit einer Hohlwelle verbunden, die so bemessen ist, dass sie den Gegenstand in Zusammensetzung aufnehmen kann. Die Hohlwelle weist zumindest eine Biegung auf.
  • Gemäß noch einem anderen Aspekt schließt die vorliegende Erfindung ein: eine Mensch-Maschine-Schnittstelle mit einem Wellenaufnahmeteil; eine langgestreckte flexible Welle, die mit dem Wellenaufnahmeteil zusammengesetzt ist, der einen Griffbereich aufweist, den die Bedienperson greifen kann; einen ersten Messfühler zum Erfassen der fortschreitenden Bewegung der Welle; und einen zweiten Messfühler zum Erfassen der Rotationsbewegung der Welle, wobei der zweite Messfühler eine Scheibe mit einer Öffnung einschließt, die so bemessen ist, dass sie den langgestreckten flexiblen Gegenstand aufnehmen kann. Die Scheibe ist mit einer Hohlwelle verbunden, die so bemessen ist, dass sie den Gegenstand in Zusammensetzung aufnehmen kann. Die Hohlwelle weist zumindest eine Biegung auf.
  • Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann beim Lesen der folgenden Beschreibungen der Erfindung und Studium der einzelnen Figuren der Zeichnungen erkennbar werden.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Darstellung eines Computer/Mensch-Schnittstellensystems.
  • 2, 2A und 2B sind Darstellungen einer Vorrichtung zur Verbindung der Bewegung eines zur fortschreitenden Bewegung und Drehung geeigneten flexiblen langgestreckten Gegenstands mit einem Rechnersystem.
  • 2 stellt eine Vorrichtung zur Verbindung der Bewegung eines flexiblen langgestreckten Gegenstands dar, die einen Rotations- und einen Translationswandler einschließt.
  • 2A ist eine Darstellung eines Betätigungselementes zur Zusammensetzung mit einem flexiblen langgestreckten Gegenstand.
  • 2B ist eine Darstellung einer Vorrichtung zum Bestimmen der fortschreitenden Bewegung eines flexiblen langgestreckten Gegenstands.
  • 3A und 3B stellen eine Hohlwelle dar, die zum Bestimmen der Drehung eines flexiblen langgestreckten Gegenstands verwendet wird.
  • 3A stellt eine Seitenansicht der Welle dar, die eine Höhensenkung "D" einschließt.
  • 3B ist ein Querschnitt von 3A entlang der Linie 3B-3B.
  • 4A und 4B stellen eine zweite Anordnung einer Welle dar, die zur Bestimmung der Drehung eines flexiblen langgestreckten Gegenstands verwendet wird.
  • 4A stellt eine Seitenansicht der Welle mit einer Biegung mit der Tiefe "D" dar.
  • 4B ist eine Darstellung eines Querschnitts entlang der Linie 4B-4B, wenn die Welle um 360° gedreht wird.
  • 5A, 5B, 5C, 5D, 5E, 5F und 5G stellen Drehbewegungssensoren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung dar.
  • 5A stellt eine Ausführungsform eines Rotationsmessfühlers der Erfindung dar, der eine mit einer Scheibe verbundene Welle einschließt.
  • 5B stellt einen zweiten Rotationsmessfühler dar, der eine Scheibe mit einer Öffnung einschließt, die so bemessen ist, dass sie in Zusammensetzung eine Welle aufnehmen kann.
  • 5C stellt eine andere Rotationsmessfühlerausführung dar, in der eine Scheibe einen Keil einschließt, der so bemessen ist, dass er eine Welle mit einer Abflachung aufnehmen kann.
  • 5D stellt einen Rotationsmessfühler dar, der fest mit einer Welle verbunden ist.
  • 5E, 5F und 5G stellen jeweils eine Ausführungsform der Erfindung dar, in denen die Drehung einer Welle unter Verwendung eines optischen Codeumsetzers bestimmt wird.
  • 6 ist eine Darstellung von zwei Vorrichtungen der Erfindung, die in Tandemmanier angeordnet sind.
  • 7 ist eine Darstellung einer Vorrichtung der Erfindung, die an einem Kardanmechanismus montiert ist.
  • Beste Arten zur Ausführung der Erindung
  • In 1 ist ein Virtuelle-Realität-System 100 gezeigt, das zur Simulierung einer medizinischen Verfahrensweise verwendet wird und eine Mensch-Maschine-Schnittstellenvorrichtung 102, eine elektronische Schnittstelle 104 und einen Computer 106 einschließt. Das dargestellte Virtuelle-Realität-System 100 ist auf eine Virtuelle-Realität-Simulation eines Katheterbetriebs gerichtet. Die Software der Simulation ist nicht Teil dieser Erfindung und wird daher nicht im Einzelnen diskutiert. Solche Software ist jedoch im Handel erhältlich. Geeignete Software-Treiber, die solche Simulationssoftware mit Rechner-Ein-Ausgabe-(I/O)-Vorrichtungen verbinden, sind ebenfalls im Handel erhältlich, z. B. von der Immersion Human Interface Corporation, Palo Alto, Kalifornien, USA.
  • Ein in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendeter Katheter 108 wird von einer Bedienperson gehandhabt, und als Reaktion auf solche Manipulationen werden Virtuelle-Realität-Abbildungen auf einem Bildschirm 110 des digitalen Verarbeitungssystems angezeigt. Das digitale Verarbeitungssystem ist vorzugsweise ein Personalcomputer oder Arbeitsplatzrechner, wie z. B. ein IBM-PC AT oder Macintosh Personalcomputer oder ein SUN oder Silicon Graphics Arbeitsplatzrechner. Ganz allgemein ist das digitale Verarbeitungssystem ein Personalcomputer, der unter dem Betriebssystem MS-DOS in Übereinstimmung mit einem IBM-PC-AT-Standard arbeitet.
  • Neben einem Standard-Katheter 108 schließt die Mensch/Schnittstellenvorrichtung 102 eine Trennwand 112 und eine "Zentralleitung" 114 ein, durch die der Katheter in den Körper eingesetzt wird. Die Trennwand 112 wird dazu verwendet, einen Teil der Haut darzustellen, die den Körper eines Patienten einhüllt. Vorzugsweise ist die Trennwand 112 aus einer Gliederpuppe oder anderen lebensechten Wiedergabe eines Körpers oder Körperteils gebildet, z. B. dem Rumpf, Arm oder Bein. Die Zentralleitung 114 wird in den Körper des Patienten eingesetzt, um einen Zugangs- und Entfernungspunkt für den Katheter 108 am Körper des Patienten bereitzustellen und das Hantieren mit dem distalen Teil des Katheters innerhalb des Körpers des Patienten zu gestatten und gleichzeitig eine Gewebeschädigung zu minimieren. Der Katheter 108 und die Zentralleitung 114 sind von Lieferanten wie z. B. Target Therapeutics, Fremont, Kalifornien, USA und U.S. Surgical, Connecticut, USA im Handel erhältlich. Vorzugsweise wird der Katheter 108 so modifiziert, dass das Ende des Instrumentes (wie z. B. irgendwelche Schnittkanten) entfernt wird und nur der Halter und die Welle übrig bleiben. Das Ende des Katheterinstrumentes 108 wird für die Virtuelle-Realität-Simulation nicht benötigt und entfernt, um einen möglichen Personen- oder Sachschaden zu verhindern.
  • Der Katheter 108 schließt einen Halter oder "Griff"-Teil 116 und einen Wellenteil 118 ein. Der Griffteil kann jede herkömmliche Vorrichtung sein, die zur Handhabung des Katheters verwendet wird, oder der Griff kann aus dem Wellenteil selbst bestehen. Der Wellenteil ist ein flexibler langgestreckter Gegenstand und insbesondere ein langgestreckter zylindrischer Gegenstand. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Verfolgung der Bewegung des Wellenteils 118 im dreidimensionalen Raum, wobei die Bewegung so eingeschränkt ist, dass der Wellenteil 118 nur zwei, drei oder vier Bewegungsgrade aufweist. Dies ist insofern eine gute Simulation der typischen Verwendung eines Katheters 108, als der Katheter sofort nach Einsetzen in einen Patienten auf etwa zwei Freiheitsgrade begrenzt wird. Insbesondere ist die Welle 118 an irgendeiner Stelle entlang ihrer Länge so eingeschränkt, dass sie sich mit zwei Freiheitsgraden im Körper des Patienten bewegen kann.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf den Wellenteil 118 des Katheterinstrumentes 108 diskutiert wird, wird erkannt werden, dass eine große Anzahl von anderen Arten von Objekten mit dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Tatsächlich kann die vorliegende Erfindung mit jedem langgestreckten mechanischen Gegenstand verwendet werden, wo die Bereitstellung einer Mensch-Maschine-Schnittstelle mit drei oder vier Freiheitsgraden wünschenswert ist. Solche Gegenstände können u. a. Katheter, Injektionskanülen, Drähte, faseroptische Bündel, Schraubenzieher, Sammelabläufe etc. sein. Obwohl die beschriebene bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Verwendung eines langgestreckten zylindrischen mechanischen Gegenstands betrachtet, stellen andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung des Weiteren eine ähnliche Mensch-Maschine-Schnittstelle für langgestreckte mechanische Gegenstände bereit, deren Gestalt nicht zylindrisch ist.
  • Die elektronische Schnittstelle 104 ist Teil der Mensch-Maschine-Schnittstellenvorrichtung 102 und schließt die Vorrichtung 102 an den Computer 106 an. Insbesondere wird die Schnittstelle 104 in bevorzugten Ausführungsformen dazu verwendet, die verschiedenen in der Vorrichtung 102 enthaltenen Betätigungselemente und Messfühler (welche Betätigungselemente und Messfühler nachstehend im Einzelnen beschrieben sind) an den Computer 106 anzuschließen. Eine elektronische Schnittstelle 104, die für die vorliegende Erfindung besonders gut geeignet ist, ist in der US-Patentanmeldung Nr. 08/092,974, eingereicht am 16. Juli 1993 mit dem Titel "3-D Mechanical Moose" beschrieben, die auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung übertragen und in ihrer Gesamtheit durch Querverweis hierin aufgenommen ist. Die darin beschriebene elektronische Schnittstelle wurde für die mechanische 3D-Maus PROBETM von Immersion konzipiert und weist sechs Kanäle entsprechend den sechs Freiheitsgraden der PROBE von Immersion auf. Im Kontext der vorliegenden Erfindung erfordert die elektronische Schnittstelle 104 jedoch nur die Verwendung von zwei, drei oder vier der sechs Kanäle, da die vorliegende Erfindung vorzugsweise auf nicht mehr als zwei, drei oder vier Freiheitsgrade eingeschränkt ist.
  • Die elektronische Schnittstelle 104 ist durch ein Kabel 122 mit einer Mensch-Maschine-Schnittstellenvorrichtung 120 der Vorrichtung 102 verbunden und durch ein Kabel 124 mit dem Computer 106 verbunden. In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dient die Schnittstelle 104 lediglich als Eingabevorrichtung für den Computer 106. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dient die Schnittstelle 104 lediglich als Ausgabevorrichtung für den Computer 106. In wieder anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dient die Schnittstelle 104 als Ein-Ausgabe-(I/O)-Vorrichtung für den Computer 106.
  • Die Vorrichtung 120 ist in 2 bei 200 in größerer Einzelheit gezeigt. Die Vorrichtung 200 schließt einen Objektaufnahmeteil 202 ein, in den ein flexibler langgestreckter Gegenstand 204, wie z. B. ein Katheter, durch eine Öffnung 205 eingeführt ist. Der flexible langgestreckte Gegenstand 204 durchquert das Innere des Objektaufnahmeteils 202, und das Innere dieses Aufnahmeteils schließt einen oder mehr elektromechanische Wandler ein, die mit dem Objektaufnahmeteil verbunden sind und mit dem flexiblen langgestreckten Gegenstand verbunden sind, wie z. B. ein Betätigungselement 206 und ein Translationswandler 208. Der flexible langgestreckte Gegenstand 204 tritt durch eine zweite Öffnung 209 aus dem Objektaufnahmeteil 202 aus, woraufhin der flexible langgestreckte Gegenstand einen Rotationswandler 210 durchquert, wobei der Rotationswandler drehbar mit dem Objektaufnahmeteil verbunden ist.
  • Der Objektaufnahmeteil 202 ist vorzugsweise aus einem einstückigen Materialblock gefertigt, der aus Aluminium oder einem anderen leichtgewichtigen Werkstoff hergestellt ist, wie z. B. ein Kunststoff, der vorzugsweise gegossen, geformt und/oder als Vollblockelement bearbeitet wird und das oben erwähnte Betätigungselement, den Translationswandler und Rotationswandler aufweist. Der Objektaufnahmeteil kann auch ein Gehäuse sein, mit dem verschiedene Betätigungselemente, Wandler und Messfühler verbunden sind.
  • Die Ausdrücke "verbunden mit", "bezogen auf" oder dergleichen sollen andeuten, dass der elektromechanische Wandler von einem der Freiheitsgrade des flexiblen langgestreckten Gegenstands 204 beeinflusst wird oder diesen beeinflusst. Die elektromechanischen Wandler können Eingabewandler sein, wobei sie die Bewegung entlang einem jeweiligen Freiheitsgrad erfassen und ein dementsprechendes elektrisches Signal zur Eingabe in den Computer 106 erzeugen. Alternativ können die elektromechanischen Wandler Ausgabewandler sein, die elektrische Signale von dem Computer 106 empfangen, die bewirken, dass die Wandler in Übereinstimmung mit ihren jeweiligen Freiheitsgraden eine Kraft an den Gegenstand anlegen. Die elektromechanischen Wandler können auch Gabelwandler oder zweiseitig wirkende Wandler sein, die sowohl als Messfühler als auch als Betätigungsvorrichtungen wirken.
  • Eine Vielfalt von ohne Schwierigkeit auf dem Handelsmarkt verfügbaren Wandlern ist zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet. Wenn die Wandler beispielsweise Eingabewandler ("Messfühler") sind, können solche Messfühler u. a. Wandler mit codiertem Rad, Potentiometer, optische Codeumsetzer etc. sein. Ausgabewandler ("Betätigungselemente") sind u. a. Schrittmotoren, Servomotoren, Magnetpulverbremsen, Reibungsbremsen, pneumatische Betätigungselemente etc. Gabelwandler oder zweiseitig wirkende Wandler verbinden Eingabe- und Ausgabewandler oft zu einem Paar, können aber auch einen rein zweiseitig wirkenden Wandler wie z. B. einen Permanentmagnet-Elektromotor/Generator einschließen.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung sowohl Absolut- als auch Relativsensoren verwenden kann. Ein Absolutsensor ist einer, bei dem der Winkel des Messfühlers bei der Absolutberechnung bekannt ist, wie z. B. bei einem analogen Potentiometer. Relativsensoren liefern nur relative Winkelinformationen und erfordern daher eine gewisse Form von Kalibrierungsschritt, der eine Bezugsposition für die relative Winkelinformation liefert. Die hierin beschriebenen Messfühler sind in erster Linie Relativsensoren. Folglich gibt es nach der Systemanschaltung einen einbezogenen Kalibrierungsschritt, in dem die Welle an einer bekannten Position in dem Kardanmechanismus platziert wird und ein Kalibrierungssignal an das System geliefert wird, um die oben erwähnte Bezugsposition bereitzustellen. Alle von den Messfühlern gelieferten Winkel beziehen sich danach auf diese Bezugsposition. Derartige Kalibrierungsverfahren sind dem Fachmann auf diesem Gebiet hinlänglich bekannt und werden daher hierin nicht in großer Einzelheit diskutiert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Betätigungselement 206 ein Solenoid, das einen Basis/Messfühlerteil 212 umfasst, mit dem durch eine Achswelle 216 eine untere Schnittstelle 214 verbunden ist. Der untere Schnittstellenteil 214 rückt den flexiblen langgestreckten Gegenstand 204 durch Ausüben einer Kraft in einer Richtung weitgehend lotrecht zur Richtung der fortschreitenden Bewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands 204 gegen einen oberen Schnittstellenteil 218 ein, wobei die Richtung durch den linearen zweiseitigen Pfeil angedeutet ist, um dadurch eine Reibungskraft entlang der Fortschreitungsbewegungsrichtung des Gegenstands 204 zu erzeugen. Derartige Solenoide sind im Handel z. B. von Guardian Electric (Woodstock, IL, USA) verfügbar. Es wird erkannt werden, dass andere Betätigungsvorrichtungen in der Erfindung verwendet werden können, z. B. Magnetpulverbremsen wie jene, die z. B. von Force Ltd. (Santa Monica, CA, USA) im Handel verfügbar sind. Außerdem kann das Betätigungselement 206 auch eine pneumatische oder hydraulische Vorrichtung sein, die eine Kraft an den flexiblen langgestreckten Gegenstand 204 anlegt. Vom Fachmann auf diesem Gebiet wird erkannt werden, dass die Wahl eines elektromechanischen, elektromagnetischen, pneumatischen oder hydraulischen Betätigungselementes zum Teil von der Reaktionszeit, den Kosten und der Komplexität der Vorrichtung abhängt. Vorzugsweise weist das Betätigungselement eine Reaktionszeit, die für realistische Simulationen geeignet ist (d. h. eine schnelle Reaktionszeit), niedrige Kosten und eine geringe Komplexität auf. Elektromechanische/elektromagnetische Wandler werden bevorzugt, da sie typischerweise eine schnelle Reaktionszeit und niedrige Kosten haben, kleiner und einfacher sind als hydraulische und pneumatische Vorrichtungen, die dieselbe oder eine ähnliche Funktion erfüllen.
  • 2A stellt bei 238 eine bevorzugte Solenoid-Ausführungsform dar. Das Solenoid 238 schließt einen Basis/Messfühlerteil 240 ein, der durch eine Hubspindel 244 mit einer unteren Schnittstelle 242 verbunden ist. Die untere Schnittstelle 242 umfasst eine Plattform 246, die mit der Spindel 244 verbunden ist und auf der eine optionale Dämpfungsauflage 248 und eine Bremsauflage 250 verankert sind. Die Dämpfungsauflage 248 umfasst einen Stoff, der wirksam als Stoßdämpfer einsetzbar ist, wie z. B. Gummi, und ist optional. Die Bremsauflage 250 umfasst einen Stoff, der beim Anhalten oder Verlangsamen der fortschreitenden Bewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands 204 wirksam ist, wenn die untere Schnittstelle 242 den flexiblen langgestreckten Gegenstand 204 gegen eine obere Schnittstelle 252 einrückt. Die geeigneten Materialien für den optionalen Stoßdämpfer und die Bremsauflage werden für den Fachmann auf diesem Gebiet offensichtlich sein. Die obere Schnittstelle 252 schließt eine feste Unterlage 254 ein, die mit dem Objektaufnahmeteil oder Basis/Messfühler 240 verbunden sein kann. An die feste Unterlage 254 schließt sich eine zweite Dämpfungsauflage 256 und eine zweite Bremsauflage 258 an, die beide aus denselben Materialien bestehen wie die Dämpfungsauflage 248 und die Bremsauflage 250.
  • Unter Rückbezug auf 2 schließt der Translationswandler 208 in einer bevorzugten Ausführungsform ein Rad 220 ein, das an einer mit einem Messfühler 224 verbundenen Achse 246 montiert ist, wobei der Messfühler durch eine Basis 226 mit dem Objektaufnahmeteil 202 verbunden ist. Der Translationswandler 208 ist dazu geeignet, die fortschreitende Bewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands 204 zu bestimmen, indem er die Positionen des flexiblen langgestreckten Gegenstands entlang dessen Fortschreitungsbewegungsrichtung erfasst und den Positionen entsprechende elektrische Signale erzeugt, wie in 2B dargestellt. Das Rad 220 greift mit Normalkraft (Pfeil nach unten) an dem flexiblen langgestreckten Gegenstand 204 an, so dass die fortschreitende Bewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands 204 (angedeutet durch den geradlinigen Zweirichtungspfeil) eine Drehung des Spindelendes 244 (angedeutet durch den gebogenen Zweirichtungspfeil) bewirkt, was ein elektrisches Signal von dem Messfühler 224 (nicht gezeigt) erzeugt, das von der Schnittstelle 104 (ebenfalls nicht gezeigt) aufgezeichnet wird. Es wird erkannt werden, dass der Translationswandler 208 auch ein Ausgabewandler (Betätigungselement) sein und eine Reibungsbremskraft an den langgestreckten Gegenstand 204 anlegen könnte, um solche Effekte wie Widerstand zu simulieren, die der Katheter beim Durchqueren verschiedener Gefäße in dem Körper erfährt. Solche Wandler sind auf dem Fachgebiet hinlänglich bekannt und im Handel verfügbar. Ein bevorzugter Wandler auf dem Markt ist ein optischer Codeumsetzer, Modell SI, von U.S. Digital, Vancouver, Washington, USA. Dieser Wandler ist ein Eingabewandler des Typs mit codiertem Rad. Ein bevorzugter Ausgabewandler zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung ist ein Gleichstrommotor, Modell 2434.970-50, hergestellt von Maxon, Fall River, Massachusetts, USA. Dieser Wandlertyp ist ein Servomotor-Ausgabewandler.
  • Unter Rückbezug auf 2 ist der Rotationswandler 210 drehbar mit dem Objektaufnahmeteil 202 verbunden, um die Rotationsbewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands 204 zu bestimmen. Der Rotationswandler 210 schließt eine Scheibe 228 ein, die mit einer Hohlwelle 232 verbunden ist. Vorzugsweise sind die Scheibe und die Hohlwelle so angebracht, z. B. durch Kleben oder Schrumpfsitzpassung, dass sie eine weitgehend einstückige Vorrichtung bereitstellen. Die Scheibe 228 schließt eine Öffnung ein (nicht gezeigt), die so bemessen ist, dass sie den flexiblen langgestreckten Gegenstand aufnimmt, und die Hohlwelle ist so bemessen, dass sie den flexiblen langgestreckten Gegenstand in Zusammensetzung aufnehmen kann, so dass die Scheibe 228 weitgehend der Spur der Rotationsbewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands 204 folgt und dennoch eine minimale Translationsreibung bereitstellt. Wenn sich die Scheibe in Reaktion auf die Rotationsbewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands dreht, wird die Drehung der Scheibe von einem Messfühler 230 erfasst, wie nachstehend noch in größerer Einzelheit beschrieben wird.
  • Die Hohlwelle 232 ist in 3A in größerer Einzelheit dargestellt, die unter 300 eine weggeschnittene Ansicht des langgestreckten Gegenstands und der Hohlwelle darstellt. Eine Hohlwelle 302 ist vorzugsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt. Die Hohlwelle ist so bemessen, dass sie einen langgestreckten Gegenstand 304 in Zusammensetzung mit einem Spalt 306 zwischen der Hohlwelle 302 und dem flexiblen langgestreckten Gegenstand 304 aufnimmt, der ausreicht, um eine fortschreitende Bewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands ohne wesentliche störende Beeinflussung seitens der Innenfläche der Hohlwelle zu erlauben und dennoch klein genug ist, dass sich die Hohlwelle weitgehend kontinuierlich mit dem flexiblen langgestreckten Gegenstand dreht.
  • Der Spalt 306 ist ferner in 3B dargestellt, einer Ausschnittansicht entlang der Linie 3B-3B von 3A, wo die Größe des Spaltes mit "d" bezeichnet ist. Im Allgemeinen ist d so gewählt, dass die Hohlwelle und der flexible langgestreckte Gegenstand eine enge Eingriffspassung aufweisen. Vorzugsweise beträgt der Durchmesser der Hohlwelle zwischen ca. 120% und ca. 150% des Durchmessers des flexiblen langgestreckten Gegenstands, d. h. die Größe des Spaltes beträgt zwischen ca. 20% und ca. 50% des Durchmessers des flexiblen langgestreckten Gegenstands. Wo der flexible langgestreckte Gegenstand einen Durchmesser von ca. 0,5 mm aufweist, liegen bevorzugte Werte für d beispielsweise zwischen ca. 0,025 mm und ca. 0,25 mm und noch besser zwischen ca. 0,08 mm und ca. 0,15 mm. Die Hohlwelle kann ferner Substanzen zur Erhöhung oder Herabsetzung der Reibung zwischen der Innenwand der Hohlwelle und der Oberfläche des flexiblen langgestreckten Gegenstands einschließen. Solche Substanzen sind dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt.
  • Unter Rückbezug auf 3A schließt die Hohlwelle 302 ferner zumindest eine Biegung ein, wie z. B. diejenige, die allgemein bei 308 gezeigt ist, wo zwei weitgehend gegensinnig orientierte Biegungen dargestellt sind. In bevorzugten Ausführungsformen sind in der Hohlwelle zwei Biegungen enthalten. Vorzugsweise sind die Abschnitte der Hohlwelle auf jeder Seite der Biegungen) weitgehend parallel. Die Biegungen) dient (dienen) dazu, der Hohlwelle und Scheibe 228 zu gestatten, der Spur der Rotationsbewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands zu folgen und dabei der Fortschreitungsbewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands wenig Widerstand zu bieten.
  • Die Tiefe der Biegung ist mit "D" bezeichnet. Im Allgemeinen ist D so gewählt, dass die Hohlwelle und der flexible langgestreckte Gegenstand die gewünschten Rotationsgleichlauf- und Translationsmerkmale aufweisen. Es wurde herausgefunden, dass bevorzugte Werte für D von mehreren Faktoren abhängen, darunter die Steifheit des langgestreckten Gegenstands und die Sitzdichte zwischen der Hohlwelle und dem flexiblen langgestreckten Gegenstand. Steifere langgestreckte Gegenstände erfordern typischerweise einen kleineren Wert D, um die erwünschten Drehungs- und Translationseigenschaften für einen gegebenen Spalt d zu erreichen, als flexiblere Gegenstände mit demselben Wert d. Bei d-Werten zwischen ca. 0,05 und 0,25 mm liegt D beispielsweise vorzugsweise jeweils zwischen ca. 1,3 und ca. 5 mm.
  • 4A stellt bei 400 eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Hohlwelle dar, wobei eine einfache Biegung 402 in einer Hohlwelle 404 platziert ist und die Hohlwelle einen flexiblen langgestreckten Gegenstand 406 und einen Spalt 408 einschließt, um die Hohlwelle in zwei weitgehend parallele Abschnitte zu teilen. 4B stellt eine Ausschnittansicht entlang der Linie 4B-4B der 4A dar, wenn die Hohlwelle und der flexible langgestreckte Gegenstand um 360° gedreht werden.
  • 5A stellt bei 500 eine bevorzugte Ausführungsform des Rotationswandlers 210 gemäß 2 dar. In einer bevorzugten Ausführungsform schließt der Rotationswandler 500 eine Scheibe 502 ein, die zur Drehung durch eine Hohlwelle 506 und einen flexiblen langgestreckten Gegenstand 508 drehbar mit einem Objektaufnahmeteil 504 verbunden ist. Die Scheibe ist vorzugsweise aus einem durchsichtigen Kunststoffmaterial hergestellt und nahe ihrem Umfang mit einer Anzahl von dunklen Radialstreifen 510 versehen, beispielsweise durch Druck oder Siebdruck. Auf gegenüberliegenden Seiten der Scheibe 502 sind ein Photodetektorpaar 512 mit einer Lichtquelle 512a und einem Detektor 512b in Ausrichtung mit den Streifen 510 positioniert. Wenn sich die Scheibe 502 um eine Achse A dreht, lassen die Streifen 510 abwechselnd von der Lichtquelle 512a ausstrahlendes Licht auf dem Detektor 512b auftreffen oder nicht. Die durch ein Kabel 514 mit dem Photodetektor 512 verbundene elektronische Schnittstelle 104 zählt die Streifen 510 beim Passieren des Photodetektors 512b und liefert auf dem Kabel 122 ein Signal an den Computer 106, das die Drehstellung der Hohlwelle 506 und des flexiblen langgestreckten Gegenstands 508 um die Achse A angibt. Zur Bestimmung der Drehrichtung kann der Photodetektor auch als zwei Paare von Photodetektoren vorgesehen sein, wie dem Fachmann für Messfühlergestaltung hinlänglich bekannt ist und in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/275,120 beschrieben ist.
  • 5B stellt unter 518 eine alternative Ausführungsform des Rotationswandlers dar, wobei eine Scheibe 520 der Spur der Drehung einer Welle 522 folgt, die sich in Zusammensetzung durch eine Öffnung 524 in der Scheibe 520 erstreckt. Der Eingriff zwischen der Welle 522 und der Scheibenöffnung 524 wird vorzugsweise durch die Bildung einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen der Scheibenöffnung und der Welle erreicht, wie in größerer Einzelheit in der ebenfalls anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 08/275,120 beschrieben. 5C stellt unter 530 eine zweite alternative Ausführungsform dar, wobei eine Scheibe 532 mit einer Welle 534 zusammengesetzt ist, die eine Anflächung 535 einschließt, wobei die Welle durch eine Keilnut 536 hindurch verläuft, die so bemessen ist, dass sie in Aufnahmeeingriff mit der Welle 534 und der Anflächung 535 gehen kann. Diese Ausführungsform ist ebenfalls in der US-Patentanmeldung Nr. 08/275,120 diskutiert. Beide Scheiben 520 und 532 weisen nahe ihrem Umfang dunkle Radialstreifen auf, die in Verbindung mit einem Photodetektor wie oben beschrieben zu verwenden sind.
  • In noch einer anderen alternativen bevorzugten Ausführungsform, die in 5D unter 540 gezeigt ist, umfasst der Rotationswandler eine Scheibe 542, die eine Hülse 544 einschließt, die so bemessen ist, dass sie einen Endteil 548 einer Welle 546 aufnehmen und festhalten kann. Die Hülse ist drehbar mit einem Lager 550 verbunden, und das Lager ist mit einer Wand des Objektaufnahmeteils verbunden. Die Scheibe 542 ist nahe ihrem Umfang vorzugsweise mit einer Anzahl dunkler Radialstreifen versehen, z. B. durch Druck oder Siebdruck, zur Verwendung mit einem optischen Rotationsdetektor, wie soeben beschrieben. Es wird jedoch erkannt werden, dass diese Ausführungsform keine fortschreitende Bewegung der Welle 546 durch die Scheibe 542 hindurch gestattet.
  • Zwei zusätzliche alternative Ausführungsformen werden im Hinblick auf 5E, 5F und 5G beschrieben. 5E zeigt unter 560 eine Ausführungsform, worin ein Objektaufnahmeteil 562, der ein Betätigungselement einschließt, und ein bei 563 allgemein gezeigter und wie oben im Hinblick auf 2 beschriebener Translationswandler eine Welle 564 kontaktieren, die fest mit einem ortsfesten rotierenden Messfühler 566 zusammengesetzt ist, wobei der Messfühler einen optischen Codeumsetzer 568 umfasst, der durch eine Anschlussleitung 570 mit der Schnittstelle 104 verbunden ist. Eine Drehbewegung am Ende der Welle 564 (siehe Pfeil) wird von dem optischen Codeumsetzer erfasst, der Signale an die Schnittstelle zur Analyse durch den Computer 106 überträgt. Die Fortschreitungsbewegung wird auch ausgeglichen, wie in 5F dargestellt. Dort verursacht die fortschreitende Bewegung des Drahts in Richtung des optischen Codeumsetzers eine Verbiegung des Drahts, wie durch den erhabenen Abschnitt der Biegung 572 dargestellt. Die fortschreitende Bewegung von der Codiereinrichtung weg bringt den Draht wieder in einen weitgehend straffen, weitgehend gestreckten Zustand, wie durch die gestrichelte Linie dargestellt. Die Fortschreitungsbewegung in jeder Richtung wird erfasst, wie oben beschrieben. Optische Codeumsetzer und ihre Schnittstellenverbindung mit Rechnervorrichtungen sind dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt.
  • 5G stellt unter 580 eine alternative Ausführungsform dar, wobei der Objektaufnahmeteil 582, der eine Welle 564 fest aufnimmt, seitlich von einem optischen Codeumsetzer 586 positioniert ist, um dadurch eine Biegung in der Welle 584 zu erzeugen, wie bei 588 angedeutet. Die Drehbewegung am von der Körpermitte entfernten Ende der Welle wird am optischen Codeumsetzer erfasst, während die fortschreitende Bewegung erfasst wird, wie oben beschrieben. Die fortschreitende Bewegung der Welle in Richtung des optischen Codeumsetzers wird durch die Längsstreckung der Biegung der Welle aus der gezeigten Position bei 588 (durchgezogene Linie) zu 590 (gestrichelte Linie) ausgeglichen. Wieder ist die Verwendung optischer Codeumsetzer dem Fachmann auf diesem Gebiet bekannt.
  • In einigen Anwendungsformen wird es vorzuziehen sein, zwei Vorrichtungen der Erfindung hintereinander zu schalten. Bei einem "epiduralen" Verfahren führt der Arzt oder Fachmann beispielsweise zuerst eine große Hohlnadel in den Patienten ein, und durch diese Nadel hindurch wird ein Katheter eingesetzt. So erfordert die Simulation eines epiduralen Verfahrens die unabhängige Simulierung der Reaktionen in Verbindung mit dem Einführen der Nadel und der Reaktionen in Verbindung mit dem Einsetzen des Katheters.
  • Eine bevorzugte Tandemanordnung zum Simulieren eines Verfahrens, wie z. B. ein epidurales Verfahren, ist in 6 unter 600 gezeigt. Ein erster und ein zweiter Objektaufnahmeteil 602 bzw. 604 sind in benachbarter Anordnung platziert, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet, und weitgehend identisch mit dem oben im Hinblick auf 2 beschriebenen Objektaufnahmeteil 202. Beide Objektaufnahmeteile 602 und 604 sind zur Aufnahme einer "epiduralen" Vorrichtung 606 geeignet, und diese Vorrichtung schließt eine außen liegende Welle 608 und einen flexiblen langgestreckten Gegenstand 610 ein, wobei der Gegenstand mit einer externen Steuerung verbunden sein kann, wie z. B. einem Halter 612. In dem Objektaufnahmeteil 602 ist vorzugsweise ein Betätigungselement 614 enthalten, und dieses Betätigungselement schließt neben einem oberen Schnittstellenteil 622, der mit einem Untersatz 624 verbunden ist, eine/n Basis/Messfühler 616, einen unteren Schnittstellenteil 618 und eine Welle 620 ein. Der Objektaufnahmeteil 602 schließt vorzugsweise auch einen Translationswandler 626 ein, und dieser Wandler schließt ein Rad 628 und einen Messfühler 630 ein. Auf ähnliche Weise schließt der Objektaufnahmeteil 604 vorzugsweise ein Betätigungselement 632 ein, und dieses Betätigungselement schließt neben einem oberen Schnittstellenteil 640, der mit einem Untersatz 642 verbunden ist, eine/n Basis/Messfühler 634, einen unteren Schnittstellenteil 636 und eine Welle 638 ein. Der Objektaufnahmeteil 604 schließt vorzugsweise auch einen Translationswandler 644 ein, und dieser Wandler schließt ein Rad 646 und einen Messfühler 648 ein. Die Betätigungselemente und Wandler und ihre jeweiligen Komponenten sind alle weitgehend identisch mit den oben im Hinblick auf 2 beschriebenen.
  • Der Objektaufnahmeteil 604 ist ferner drehbar mit einem Rotationswandler 650 verbunden, und dieser Wandler schließt eine Scheibe 652 und einen Messfühler 654 ein. Die Scheibe 652 ist mit einer Hohlwelle 656 verbunden, die so bemessen ist, dass sie den flexiblen langgestreckten Gegenstand 610 in Zusammensetzung aufnehmen kann. Der Rotationswandler 650 sowie die Scheibe 652, der Messfühler 654 und die Hohlwelle 656 sind weitgehend identisch mit den oben im Hinblick auf 5A diskutierten analogen Komponenten. Es wird erkannt werden, dass die oben im Hinblick auf 5B5G diskutierten alternativen Ausführungsformen des Drehbewegungssensors ebenso verwendet werden können.
  • Neben der in 6 gezeigten Anordnung ist eine zweite bevorzugte Anordnung, die nicht gezeigt ist, eine, bei der entweder das Betätigungselement 614 oder der Wandler 626 weggelassen ist. Es wird auch erkannt werden, dass die Betätigungselemente und Wandler in einem einzigen Objektaufnahmeteil kombiniert sein können.
  • In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Objektaufnahmeteil Teil einer Kardanvorrichtung, wie in 7 unter 700 gezeigt. In der perspektivischen Ansicht gemäß 7 ist die Kardanvorrichtung 700 genauer dargestellt. Die Kardanvorrichtung 700 schließt vorzugsweise einen Objektaufnahmeteil 702, einen U-förmigen Basisteil 704 und einen Untersatz 706 ein. Der U-förmige Basisteil ist drehbar mit dem Untersatz verbunden und schließt eine Basis 708 und ein Paar weitgehend parallele Wangen 710a und 710b ein, die sich davon nach oben erstrecken und zur Drehung um eine Achse A, geeignet sind. So, wie es hierin verwendet wird, bedeutet "weitgehend parallel", dass zwei Gegenstände oder Achsen genau oder fast parallel sind, d. h. die Parallelität der Wangen liegt zumindest innerhalb von 5–10° und vorzugsweise innerhalb von weniger als 1° Parallelität. Auf ähnliche Weise bedeutet der Ausdruck "weitgehend lotrecht", dass zwei Gegenstände oder Achsen genau oder fast lotrecht sind, d. h. die Lotrechte der Wangen liegt zumindest innerhalb von 5–10° und noch besser innerhalb von weniger als 1° Lotrechte.
  • Der langgestreckte flexible Objektaufnahmeteil 702 ist mit einem Objekteinlassteil 712 versehen, und dieser Objekteinlassteil schließt eine Öffnung 714 ein, die sich ganz durch den Objektaufnahmeteil hindurch erstreckt. Die Öffnung 714 definiert eine Objektachse A0 für einen flexiblen langgestreckten Gegenstand, wie z. B. den Wellenteil 118 des Katheters 108 gemäß 1. Der Objekteinlassteil 712 ist zumindest teilweise zwischen den Wangen 710a und 710b des U-förmigen Basisteils angeordnet und drehbar daran gelagert, z. B. durch ein Paar Drehzapfen, von denen einer als Drehzapfen 716a in der Wange 710a gezeigt ist, und dieser Drehzapfen liegt auf einer Achse A2. Ein weiterer Drehzapfen 716b (nicht gezeigt) ist in der Wange 710b vorgesehen. Die Achsen A1 und A2 sind weitgehend beiderseits lotrecht und schneiden sich an einem Nullpunkt O innerhalb des Objekteinlassteils 712. Die Achse A0 schneidet diesen Nullpunkt O ebenfalls und ist weitgehend lotrecht zu den Achsen A1und A2.
  • Der Objektaufnahmeteil 702 schließt auch eine Betätigungselement-Schnittstelle 718 und eine Translationsschnittstelle 719 ein. In einigen bevorzugten Ausführungsformen können eine zweite Betätigungselement-Schnittstelle 720 und eine zweite Translationsschnittstelle 721 enthalten sein, wie gezeigt. Der Objektaufnahmeteil 702 schließt einen Lagerabschnitt 722, einen Betätigungselementabschnitt 724, einen Translationssensorabschnitt 725 und ggf. einen zweiten Betätigungselementabschnitt 726 sowie einen Translationsabschnitt 727 ein, wie gezeigt. Der Objektaufnahmeteil schließt auch einen Drehbewegungssensor-Abschnitt 728 ein. Der Lagerabschnitt 722 schließt eine Werkstoffmasse ein, die mit einer zylindrischen Bohrung 730 versehen ist, die einen Teil der Öffnung 714 bildet. Der Betätigungselementsensor-Abschnitt 724 schließt ein Paar gegenüberliegende Wandflächen 732a und 732b ein, die jeweils mit einer zylindrischen Bohrung versehen sind, die aufnahmefähig für den zylindrischen Gegenstand sind und einen Teil der Öffnung 714 bilden, die sich durch den Objektaufnahmeteil hindurch erstreckt. Der Translationssensorabschnitt 725 schließt ein Paar gegenüberliegende Wandflächen 734a und 734b einer Wand ein, und diese sind mit zylindrischen Bohrungen versehen, die aufnahmefähig für den flexiblen langgestreckten Gegenstand sind und daher auch einen Teil der Öffnung 714 bilden. Der optionale zweite Betätigungselementsensor-Abschnitt 726 und Translationsabschnitt 727 schließen gegenüberliegende Verblendungswände 738a und 738b bzw. 740a und 740b ein, und diese Wände sind analog zu den Wänden des gerade beschriebenen Betätigungselementsensor-Abschnitts 724 und Translationssensorabschnitts 725. Wenn ein flexibler langgestreckter Gegenstand entlang der Achse A0 in den Objekteinlassteil 712 eingeführt wird, nimmt er folglich die Bohrung 730 des Lagerabschnitts 722 in Anspruch und erstreckt sich durch die in den Flächen 732a, 732b, 734a und 734b (und ggf. den Flächen 738a, 738b, 740a und 740b) vorgesehenen Bohrungen, so dass er sich entlang der Öffnung 714 vollständig durch den Objektaufnahmeteil 702 hindurch erstreckt. In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Wände 735, 746 und 742 (und daher ihre zugehörigen Wandflächen) entweder einzeln oder in Kombination als überflüssig ausgelassen.
  • Der Objektaufnahmeteil 702 ist vorzugsweise ein einstückiger Materialblock, hergestellt aus Aluminium oder irgendeinem anderen leichtgewichtigen Material, wie z. B. ein Kunststoff, der vorzugsweise gegossen, geformt und/oder als Vollblockelement bearbeitet wird und den oben erwähnten Lagerabschnitt, Translationsmessfühler-Abschnitt und Rotationsmessfühler-Abschnitte aufweist. Materialien und Aufbau des U-förmigen Basisteils 704 passen vorzugsweise mit den zur Herstellung des Objektaufnahmeteils 702 verwendeten Materialien und Herstellungstechniken zusammen.
  • Die in 7 dargestellte Kardanvorrichtung 700 beschränkt einen Gegenstand, der mit dem Objektaufnahmeteil 702 zusammengesetzt ist, auf vier Freiheitsgrade. Dies wird dadurch erreicht, dass zugelassen wird, dass sich der U-förmige Basisteil 704 um eine Achse A1 zum Untersatz 706 dreht, dass sich der Objektaufnahmeteil 702 um eine Achse A2 zum U-förmigen Basisteil 704 dreht, dass sich der Gegenstand parallel entlang der Achse A0 der Öffnung 714 verschiebt, wie durch den zweiseitigen Pfeil "t" dargestellt, und dass der Gegenstand sich um die Achse A0 der Öffnung 714 dreht, wie durch den Pfeil "r" angedeutet.
  • Abhängig davon, ob ein oder zwei Betätigungselement/Translationssensorpaare verwendet werden, werden gerade einmal vier und immerhin sechs elektromechanische Betätigungselemente und Wandler in Verbindung mit diesen vier Freiheitsgraden verwendet. Insbesondere ist ein elektromechanischer Wandler 744 für den ersten Freiheitsgrad zwischen den U-förmigen Basisteil 708 und den Untersatz 706 geschaltet, ist ein elektromechanischer Wandler 746 für den zweiten Freiheitsgrad zwischen die Wange 710a des U-förmigen Basisteils 708 und den Objekteinlassteil 712 geschaltet, ist ein elektromechanisches Betätigungselement 748 für den dritten Freiheitsgrad einschließlich einer unteren Schnittstelle 750 und einer oberen Schnittstelle 752 zwischen den Objektaufnahmeteil 702 und einen mit dem Objektaufnahmeteil 702 zusammengesetzten Gegenstand geschaltet, ist ferner ein elektromechanisches Wandlerrad 754 plus Messfühler 756 für den dritten Freiheitsgrad zwischen den Objektaufnahmeteil 702 und einen mit dem Objektaufnahmeteil 702 zusammengesetzten Gegenstand geschaltet. Gegebenenfalls können ein zweites Betätigungselement 758 für den dritten Freiheitsgrad einschließlich einer oberen und einer unteren Schnittstelle 760 bzw. 762 und ein zweites Wandlerrad 764 plus Messfühler 766 für den dritten Freiheitsgrad angeschlossen sein, wie soeben für das Betätigungselement 748 und den Translationswandler 756 beschrieben. Ein Wandler 768 für den vierten Freiheitsgrad einschließlich einer Scheibe 770, einer Hohlwelle 772 und eines Messfühlers 774, wie oben beschrieben, ist zwischen dem Objektaufnahmeteil 702 und einem mit dem Objektaufnahmeteil 702 zusammengesetzten Gegenstand eingesetzt.
  • Es gibt eine Reihe von Arten zur Anbringung der Betätigungselemente und Wandler an den verschiedenen Elementen der Kardanvorrichtung 700. In dieser bevorzugten Ausführungsform ist ein Gehäuse des Wandlers 744 an dem U-förmigen Basisteil 704 angebracht, und eine Welle des Wandlers erstreckt sich durch eine übergroße Bohrung (nicht gezeigt) in der Basis 708 hindurch und greift in eine Passsitz-Bohrung (ebenfalls nicht gezeigt) im Untersatz 706 ein. Daher bewirkt die Drehung des U-förmigen Basisteils 704 um die Achse A1 dann eine Drehung einer Welle des Wandlers 744. Ein Gehäuse des Wandlers 746 ist an der Wange 710a des U-förmigen Basisteils 704 angebracht, so dass seine Welle den Drehzapfen 716a bildet. Daher bewirkt die Drehung des Objektaufnahmeteils 702 um die Achse A2 dann eine Drehung der Welle eines zweiten Wandlers 746. Der Betätigungselement-Messfühler 748 ist an einer Wand des Betätigungselementabschnitts 724 angebracht, und eine Welle des Betätigungselementes erstreckt sich durch eine Bohrung in der Wand, um die untere Schnittstelle 750 mit dem Betätigungselement-Messfühler zu verbinden. Die obere Schnittstelle 752 ist fest an einer Wand des Betätigungselementabschnitts 748 angebracht. Der Wandler 756 ist am Objektaufnahmeteil 702 angebracht und erstreckt sich durch eine Bohrung (nicht gezeigt) in einer Wand 776 des Translationssensorabschnitts 725. Die Achswelle des Rads 754 stellt die Achse für die Translationsschnittstelle 719 bereit und dreht sich mit der Drehung der Translationsschnittstelle 719. Der optionale Betätigungselementabschnitt 726 und Translationsabschnitt 727 sind analog ausgeführt. Die Scheibe 770 ist drehbar mit einer Wand 778 des Drehbewegungssensor-Abschnitts 768 verbunden und erstreckt sich durch eine Bohrung 780 in der Wand 778. An der Wand 778 ist ein Photodetektor 774 angebracht und greift an einer Umfangsfläche der Scheibe 770 an, um deren Drehung zu erfassen.
  • Mit Bezug auf alle Figuren und mit besonderem Bezug auf 1 und 7 ist die Welle 118 eines Katheters 108 entlang der Achse A0 in die Öffnung 714 eingesetzt und bewirkt eine kraftschlüssige Verbindung der Welle 118 mit der Betätigungselement-Schnittstelle 718 und der Translationsschnittstelle (Rad) 719. In diesem Fall ist die weitertragende Schnittstelle 719 ein Friktionsrad aus einem gummiartigen Material. Die Welle 118 ist ferner mit der Rotationsschnittstelle 768 in Eingriff und erstreckt sich durch die Hohlwelle 772. Eine Drehung der Welle 118 um die Achse A0, wie durch den Pfeil "r" dargestellt, bewirkt eine Drehung der Scheibe 770, die auf dem Messfühler 774 registriert wird. Eine fortschreitende Bewegung der Welle 118 entlang der Achse A0 wird jedoch durch die Hohlwelle 772 oder Scheibe 770 nicht spürbar beeinflusst, sondern bewirkt eine Drehung des Friktionsrads 754, das die Welle des Wandlers 756 dreht. Eine Bewegung des Katheters 108 nach oben oder unten verursacht eine Drehung der Welle (Drehzapfen) 716a des Wandlers 746, und ein Hin- und Herschwenken des Katheters 108 verursacht eine Drehbewegung um die Achse A1, die vom Wandler 744 erfasst wird.
  • In einer Ausführungsform, in der der Katheter 108 ein "epidurales" Instrument ist, werden die Translations- und Rotationsbewegungen des Katheters verfolgt, wie soeben beschrieben, nur dass jetzt der Translationsabschnitt 727 und der Betätigungselementabschnitt 726 verwendet werden. Die fortschreitende Bewegung der "Nadel" wird dabei vom Translationsabschnitt 725 und Betätigungselement 724 abgewickelt, wie oben für den Fall beschrieben, wo ein Katheter durch die Öffnung 714 eingesetzt wird.
  • Bis hierher erfolgte der überwiegende Teil der Erörterung unter der Annahme, dass die Wandler Eingabewandler sind, d. h. dass die Mensch-Maschine-Schnittstellenvorrichtung als Eingabevorrichtung für den Computer 106 verwendet wird. Es ist jedoch auch erwähnt worden, dass die Schnittstellenvorrichtung 102 als Ausgabevorrichtung für den Computer 106 dienen kann. In der Verwendung als Ausgabevorrichtung werden Ausgabewandler ("Betätigungselemente") zum Ansprechen auf elektrische Signale verwendet, die vom Computer 106 entwickelt werden, um eine Kraft an die Welle 118 des Katheters 108 anzulegen. Dies kann eine nützliche Rückkopplung von Bewegung und Kraft (haptische Rückkopplung) an den Arzt/Auszubildenden oder anderen Anwender bereitstellen. Wenn der Katheter beispielsweise auf ein stark verstopftes Gefäß in dem "virtuellen" Patienten trifft, kann vom Betätigungselement 748 eine Kraft generiert werden, die es dem Arzt/Auszubildenden schwerer macht, die Welle 118 weiter in die Kardanvorrichtung 700 hineinzuschieben. Ebenso können Verdrehbewegungen an die Welle 118 angelegt werden, wenn die Welle in dem virtuellen Patienten auf ein Hindernis trifft.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass eine an die Welle angelegte Kraft nicht zu einer Bewegung der Welle führen muss. Dies ist deshalb so, weil die Welle durch die Hand der Bedienperson, die einen Halter oder Griffteil der Welle festhält, an der Bewegung gehindert werden kann. Die an die Welle angelegte Kraft kann jedoch von der Bedienperson als haptische Rückmeldung wahrgenommen werden.
  • Mit Bezug auf 7 schließt ein Verfahren zur mechanischen Verbindung eines langgestreckten mechanischen Gegenstands mit einem elektrischen System in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung einen ersten Schritt des Definierens eines Anfangspunktes im dreidimensionalen Raum ein. Dies entspricht dem Nullpunkt O am Schnittpunkt der Achsen A1 und A2. Ein zweiter Schritt besteht darin, einen langgestreckten Gegenstand im dreidimensionalen Raum körperlich so zu beschränken, dass ein Teil des Gegenstands immer den Nullpunkt O schneidet und ein Teil des vom Nullpunkt O ausgehenden Gegenstands einen Radius in einem Kugelkoordinatensystem definiert. Der langgestreckte Gegenstand (wie z. B. die Welle 118 des Katheters 108) ist in einem dreidimensionalen Raum durch die Öffnung 714 des Objektaufnahmeteils 702 körperlich eingeschränkt. Der Teil der Welle 118, der vom Nullpunkt O ausgeht, definiert den Radius. Ein dritter Schritt schließt die Umformung eines ersten elektrischen Signals bezogen auf eine erste Winkelkoordinate des Radius mit einem ersten Wandler ein. Dies entspricht dem Betrieb des Wandlers 744, der ein erstes elektrisches Signal bezogen auf eine erste Winkelkoordinate des Radius umformt. Ein vierter Schritt ist die Umformung eines zweiten elektrischen Signals bezogen auf eine zweite Winkelkoordinate des Radius. Dies entspricht dem Betrieb des Wandlers 746, der ein zweites elektrisches Signal umformt. Ein fünfter Schritt besteht darin, ein drittes elektrisches Signal bezogen auf die Länge des Radius umzuformen, was dem Betrieb der Wandler 756 und/oder 762 entspricht. Ein sechster und letzter Schritt besteht darin, die Wandler mit einem elektrischen System elektrisch zu verbinden, was in diesem Fall vorzugsweise ein Computer 106 ist. Ein zusätzlicher Schritt formt ein viertes elektrisches Signal bezogen auf eine Drehung des Gegenstands um eine Objektachse um, die den Nullpunkt O schneidet. Dieser Schritt entspricht dem Betrieb des Rotationswandlers 768. Die Wandler können Eingabewandler, Ausgabewandler oder zweiseitig wirkende Wandler sein.
  • Es wird bemerkt werden, dass das in der vorliegende Erfindung am häufigsten beschriebene elektrische System ein digitales Verarbeitungssystem oder ein Computer ist. Jedoch können auch andere digitale Systeme, analoge Systeme und einfache elektrische oder elektromechanische Systeme mit der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
  • Es wird auch bemerkt werden, dass zwar besondere Beispiele für "langgestreckte Gegenstände" und "Wellen" gegeben worden sind, diese Beispiele aber nicht einschränkend gemeint sind. Ganz allgemein schließen Äquivalente "langgestreckter Gegenstände", "langgestreckter zylindrischer Gegenstände", "Wellen" und dergleichen jedes beliebige Objekt ein, das ein Operateur fassen kann, um eine Schnittstelle zwischen der Bedienperson und einem Rechnersystem bereitzustellen. Mit "fassen" ist gemeint, dass Bedienpersonen irgendwie eine lösbare Verbindung mit einem Griffteil des Gegenstands eingehen können, wie z. B. mit der Hand, den Fingerspitzen oder im Fall von Behinderten sogar mit dem Mund. Der "Griff" kann ein an einem langgestreckten Teil des Gegenstands angebrachter Steuergriff oder Halter sein, oder der Griff kann ein Teil des Gegenstands selbst sein (d. h. der Welle, des Drahts oder Katheters), wie z. B. ein Teil der Länge einer Welle, den die Bedienperson fassen und/oder handhaben kann.
  • Es sei auch darauf hingewiesen, dass flexible Wellen, wie z. B. Drähte oder Katheter, nicht immer drei oder vier Freiheitsgrade benötigen. Falls beispielsweise eine Mensch-Maschine-Schnittstelle für ein Virtuelle-Realität-System zum Einsetzen von Kathetern erwünscht ist, kann auch nur eine Translationsschnittstelle und eine Rotationsschnittstelle erforderlich sein, wie z. B. in 2 dargestellt. Dies ist deshalb so, weil ein Katheter bei einem virtuellen Patienten hinein- und herausgeschoben (wie durch die Translationsschnittstelle 725 erfasst) und verdreht oder gedreht werden kann (wie durch die Rotationsschnittstelle 768 erfasst), aber wegen der auf den Katheter einwirkenden Umgebungsbeschränkungen in der Praxis nicht nach oben oder unten oder von einer Seite zur anderen bewegt werden kann. Bei solchen Anwendungen ist es daher wünschenswert, eine Mensch-Maschine-Schnittstelle mit nur zwei Freiheitsgraden zu haben. In manchen Fällen ist es jedoch vorzuziehen, zwei Extra-Freiheitsgrade zuzulassen, wie sie z. B. durch die Kardanvorrichtung 700 bereitgestellt werden, um einen Winkel in drei Dimensionen festzulegen und dadurch ein schwierigeres und realistischeres Szenario für den Operierenden/Auszubildenden zu schaffen.

Claims (13)

  1. Vorrichtung zur Verbindung der Bewegung eines zur fortschreitenden Bewegung und Drehung geeigneten flexiblen langgestreckten Gegenstands (204) mit einem Rechnersystem (106), umfassend: a) einen Objektaufnahmeteil (202); und b) einen Translationswandler (208), der mit dem Objektaufnahmeteil (202) verbunden ist, wobei der Translationswandler (208) geeignet ist, eine fortschreitende Bewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands (204) zu bestimmen, ohne eine fortschreitende Bewegung des Objektaufnahmeteils (202) zu verursachen; wobei der Translationswandler (208) eine elektromechanische Schnittstelle zwischen dem flexiblen langgestreckten Gegenstand und einem elektrischen System bereitstellt, gekennzeichnet durch einen Rotationswandler (210) mit einer Scheibe (228), wobei die Scheibe eine Öffnung aufweist, die so bemessen ist, dass sie den flexiblen langgestreckten Gegenstand aufnimmt; und mit einer Hohlwelle (232), die mit der Scheibe verbunden ist, wobei die Hohlwelle so bemessen ist, dass sie den flexiblen langgestreckten Gegenstand in Zusammensetzung aufnehmen kann, und die Hohlwelle (232) eine Bahn mit zumindest einer Biegung darin definiert.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hohlwelle (232) zumindest zwei parallele Abschnitte umfasst.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hohlwelle (232) zwei gegensinnig orientierte Biegungen und drei weitgehend parallele Abschnitte umfasst.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner ein Betätigungselement (206) einschließt, das mit dem Objektaufnahmeteil verbunden ist, wobei das Betätigungselement zur Zusammensetzung mit dem flexiblen langgestreckten Gegenstand geeignet ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4, wobei das elektrische System ein digitales Verarbeitungssystem umfasst.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei: a) das Betätigungselement (206) unter Ansprechen auf elektrische Signale von dem digitalen Verarbeitungssystem eine Kraft an den flexiblen langgestreckten Gegenstand (204) liefert, wobei die Kraft in einer Richtung lotrecht zur Richtung der fortschreitenden Bewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands angelegt wird; b) der Translationswandler (208) Positionen des flexiblen langgestreckten Gegenstands entlang der Fortschreitungsbewegungsrichtung des flexiblen langgestreckten Gegenstands erfasst und diesen Positionen entsprechende elektrische Signale für das digitale Verarbeitungssystem erzeugt; und c) der Rotationswandler (210) Positionen des flexiblen langgestreckten Gegenstands entlang der Drehrichtung des flexiblen langgestreckten Gegenstands erfasst und diesen Positionen entsprechende elektrische Signale für das digitale Verarbeitungssystem erzeugt.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 oder 6, die ferner einschließt: a) ein zweites Betätigungselement, das mit dem Objektaufnahmeteil verbunden ist, wobei das Betätigungselement zur Zusammensetzung mit dem flexiblen langgestreckten Gegenstand geeignet ist; und b) einen zweiten Translationswandler, der mit dem Objektaufnahmeteil verbunden ist, wobei der Translationswandler geeignet ist, eine Bewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands entlang der Fortschreitungsbewegungsrichtung des flexiblen langgestreckten Gegenstands zu bestimmen; wobei das zweite Betätigungselement und der zweite Translationswandler zwischen dem Betätigungselement und dem Rotationswandler angeordnet sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6, die ferner umfasst: a) einen Untersatz (706); und b) einen Kardanmechanismus (700) mit einer Basis, wobei ein erster Teil der Basis drehbar mit dem Untersatz verbunden ist und ein zweiter Teil der Basis drehbar mit dem Objektaufnahmeteil verbunden ist, so dass die Drehrichtungen der Basis und des Objektaufnahmeteils weitgehend orthogonal sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 oder 6 oder 7, wobei das Betätigungselement ein Solenoid ist und der Translationswandler ein Translationsrad (220) mit einer Translationsradachse aufweist, die weitgehend lotrecht zur Richtung der fortschreitenden Bewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands ist, wobei das Translationsrad eine Oberfläche des flexiblen langgestreckten Gegenstands berührt, so dass die fortschreitende Bewegung des Gegenstands eine Drehung des Rads (220) verursacht.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Translationsrad (220) mit einem Drehstellungsfühler verbunden ist, der elektrische Signale für das digitale Verarbeitungssystem liefert.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Rotationswandler (210) eine Rotationsachse aufweist, die parallel zu der Richtung der fortschreitenden Bewegung ist und der Rotationswandler mit einem Drehstellungsfühler verbunden ist, der elektrische Signale für das digitale Verarbeitungssystem liefert.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 8, die ferner einschließt: a) ein zweites Betätigungselement, das mit dem Untersatz (706) verbunden ist, wobei das Betätigungselement zur Zusammensetzung mit dem flexiblen langgestreckten Gegenstand geeignet ist; und b) einen zweiten Translationswandler, der mit dem Untersatz verbunden ist, wobei der zweite Translationswandler zur Bestimmung der Bewegung des flexiblen langgestreckten Gegenstands entlang der Fortschreitungsbewegungsrichtung des flexiblen langgestreckten Gegenstands geeignet ist; wobei das zweite Betätigungselement und der zweite Translationswandler zwischen dem Betätigungselement und dem Rotationswandler (210) angeordnet sind.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der flexible langgestreckte Gegenstand ein Draht oder Katheter ist.
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