DE9320348U1

DE9320348U1 - Endoskopisches Instrument mit einer Einrichtung zur Messung der ausgeübten Handhabungskräfte und Betätigungskräfte

Info

Publication number: DE9320348U1
Application number: DE9320348U
Authority: DE
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1993-03-08
Filing date: 1993-03-08
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2003-03-09

Description

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BESCHREIBUNG

Die Neuerung betrifft ein endoskopisches Instrument mit einer
Einrichtung zur Messung der ausgeübten Handhabungskräfte und
Betätigungskräfte für die Bedienung eines am distalen Ende
aufgesetzten chirurgischen Werkzeugs.

Messungen der an endoskopischen Instrumenten auftretenden
Kräften sind bisher nicht bekannt.

Zum einen erfolgen die Messungen zur Gewinnung von Auslegungsdaten für die Dimensionierung zukünftiger Instrumente. Zum anderen ist es gerade in der minimal invasiven Chirurgie von
großem Interesse, eine empfindliche Kraftrückkopplung zu realisieren, um beispielsweise die Nahttechnik erheblich zu verfeinern.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, für endoskopische
Vielgelenkstrukturen zuverlässige Werte für die dort wirkenden Kräfte zu ermitteln, um daraus Daten für Festigkeitsermittlungen und Neukonstruktionen festzulegen.

Diese Aufgabe wird durch die im ersten Anspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Ein Kraftsensor im feststehenden Maulteil des aufgestzten
Werkzeugs gibt Auskunft über notwendige Greif- und Durchstichkräfte an demselben. Durch die auf den Verformungskörpern angebrachten DMS-Vollbrücken lassen sich die Kräfte am distalen
Ende des endoskopischen Instruments messen. Über den Kraftaufnehmer läßt sich eine quantitative Aussage über die Betätigungskraft machen. Eine beliebige räumliche Kraftwirkung am
Ende des Instrumentes ist meßbar.

In den Unteransprüchen 2 und 3 sind zwei mögliche Einrichtungen, Foliendehnungsmeßstreifen und Halbleiterdehnungsmeßstrei-

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fen, zur Messung der durch Kräfte hervorgerufenen Dehnung an Verformungskörpern gekennzeichnet. Andere Mittel, sofern sie von den Dimensionen und dem Kraftmeßbereich her geeignet sind, kommen natürlich ebenfalls infrage.

Die im Unteranspruch 4 gekennzeichneten Maßnahmen erhöhen die Aussagekraft der solchermaßen gewonnenen Kraftmessung, da dadurch insbesondere unvermeidliche Temperatureinflüsse eliminierbar sind und dadurch eine saubere Kraft- bzw. Momentenmessung durchführbar ist.

Für Kontroll-, Lern-, und Lehrzwecke lassen sich die gemessenen Kräfte durch angeschlossene periphere Geräte unmittelbar darstellen. Insbesondere lassen sich dadurch Nähte mit wohldefinierter Fadenspannung anfertigen und die Nahtknoten mit reproduzierbaren Fadenkräften knüpfen.

Die Neuerung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Anordnung und Schaubildern erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Sensorzange;

Figur 2 die Anordnung der Folien-DMS auf dem Meßkörper;

Figur 3 die Verformungskörper und das aufgesetzte Werkzeug

sowie die eingebaute Schubstange;

Figur 4 den Einfluß der Betätigungskraft Fb auf die x-Achse;

Figur 5 den Einfluß der Betätigungskraft Fb auf die y-Achse;

Figur 6 die umlaufende Last F = 7N in der x-, y- Ebene.

Eine komplette Sensorzange 1 in der Seitenansicht und darunter in der Draufsicht zeigt Figur 1. An dem Betätigungsgriff 2, dessen drehbarer Hebel 2 in zwei Stellungen, der strich-punktierten und der durchgezogenen, gezeichnet ist, ist der zylindrische Schaft 4 des endoskopischen Instruments 1, der Sensorzange 1, eingerastet. Am distalen Ende des Schafts 4 sitzt das chirurgische Werkzeug 5, das hier eine Greifzange 5 ist, auf. Nahe dem distalen Ende ist der erste hohlzylindrische Verfor-

mungskörper 6 konzentrisch zur Schaftachse 7 eingefügt. Er weist einen etwas kleineren Durchmesser, höchstens 10mm im Durchführungsbexspiel, als der Schaft 4 auf. In Richtung Betätigungsgriff 2, nach 45mm ist der zweite hohlzylindrische Verformungskörper 8 koaxial in den Schaft 4 eingebaut. Schließlich sitzt am proximalen Ende des Schafts 4 noch der Kraftaufnehmer 9 zur Bestimmung der vom Betätigungsgriff 2 ausgehenden Betätigungskraft Fb. Dieser Kraftaufnehmer 9 erfaßt Zug- und Druckbeanspruchung. Der Schaft 4 wird auf herkömmliche Weise in den Betätigungsgriff 2 ein- und ausgerastet.

Auf dem ersten Verformungskörper 6 sind auf der Mantelfläche je zwei Folxendehnungsmeßstreifen (DMS) 10, auf dem Umfangkreis 13 um 180"zueinander versetzt, aufgebracht. Die DMS sind gemäß Figur 2 ausgerichtet und zu einer Vollbrücke 14 verschalten. Durch diese Ausrichtung wird an dieser Stelle so eine Zug- und Druckspannungsmessung durchgeführt, die Temperatur- und Biegeeinflüsse kompensiert. Die Kraft Fz in Richtung Instrumentenachse 7 läßt sich dadurch ermitteln.

Weitere DMS 11, 12 sind auf dem Umfangkreis 15 des zweiten Verformungskörpers 8, paarweise um 90° zueinander versetzt, aufgeklebt. Die DMS 12 sind ebenfalls zu einer Vollbrücke verschaltet, über die das Biegemoment Mx temperatur- sowie zug- und druckkompensiert ermittelt wird. Entsprechendes wird mit den DMS 11 für das Biegemoment My erreicht.

Die erste Vollbrücke 14 aus den Dehnungsmeßstreifen 10 hat in diesem Durchführungsbexspiel eine Entfernung zum distalen Ende des Schafts 4 von 15mm. Der Umfangskreis 15 der beiden andern Vollbrücken 14 je aus den Dehnungsmeßstreifen 11 und 12 ist davon 60mm entfernt. Repräsentativ und zum leichteren Verständnis ist die Vollbrücke 14 nochmals über der räumlichen Meßanordnung dargestellt. Für die Kräfteermittlung maßgebend ist die Brückenspannung Ub. Die Versorgungsspannung Uo soll

bekannt sein und während der Messung keiner Schwankung unterliegen.

Der Einfluß der Betätigungskraft Fb zum Schließen des Greifers 5 muß gesondert behandelt werden. Im Durchführungsbeispiel läuft die Betätigungsstange 16 vom Betätigungsgriff 2 her zum distalen Ende des Schaftes 4 von der Instrumentenachse 7 weg. Das ist im unteren Teil der Figur 3 deutlicher hervorgehoben. Die gewissermaßen exzentrische Lage der Betätigungsstange 16 im Schaft 4 ruft eine schiefe Biegung des Verformungskörpers hervor. Die Druckmeßzone gerät unter eine gleichgroße Druckkraft Fz - Fb. Die Betätigungskraft Fb erzeugt somit die Biegemomente Mbex und Mbey ohne die Einwirkung äußerer Kräfte. Gemessen werden , wie in Figur 3 an den x-y-&zgr;-Koordinatensystemen eingezeichnet, die virtuellen Kräfte Fx und Fy. Zwischen Ihnen und der Betätigungskraft besteht folgender Zusammenhang :

Fx = ex/l*Fb und Fy = ey/l*Fb

Die dimensionslosen Quotienten ex/1 und ey/1 sind Einflußfaktoren, die experimentell bestimmt werden. Die Größe 1 ist dabei der Abstand zwischen Werkzeugkoordinatensystem am aufgesetzten Werkzeug und Umfangskreis 15 der zweiachsigen Biegemomentmessung am Verformungskörper 8. Hierzu wird die Betätigungskraft mit dem Kraftaufnehmer 9 (siehe Figur 1) gemessen. Die virtuellen Kräfte wurden als Funktion der Betätigungskraft am Durchführungsbeispiel experimentell ermittelt. Das ist in Figur 4 und 5 dargestellt. Die tatsächlich wirkenden, äußeren Kräfte Fx, Fy, Fz können unter Berücksichtigung der gemessenen Spannungen U (siehe die Brückenschaltung in Figur 2 oben), den Kennlinienkoeffizienten c sowie den Einflußfaktoren ex/1 und ey/1 entkoppelt und, wie folgt, berechnet werden:

• ·&diams;· · · i &idigr; &iacgr; *

Mit Ub*cb ergibt sich für die äußere Kraft in x-Richtung

Fx = Ux*cx + Ub*cb*ex/1, die äußere Kraft in y-Richtung

Fy = Uy*cy + Ub*cb*ey/1, und die äußere Kraft in &zgr;-Richtung

Fz = Uz*cz + Ub*cb . Die Betätigungskraft Fb bestimmt sich aus

Fb = Ub*cb

und die Greifkraft zwischen Greifzange 5 und Gewebe, sie wird über die Druckmessung mit dem Kraftsensor 17 im Kopf des aufgesetzten chirurgischen Werkzeugs 5 (siehe Figur 1) erfaßt, aus

Fg = Ug*cg.

Diese Dreikomponenten-Kraftmessung bezüglich des Werkzeug-Koordinatensystems, siehe hiezu Figur 3 am aufgesetzten Werkzeug 5, erlaubt jetzt die Ermittlung der räumlich orientierten Kraft F

F = V( Fx² + Fy² + Fz² ).

Die bisherigen Messungen am Durchführungsbeispiel zeigen, daß mit dem Instrument Handhabungskräfte korrekt erfaßt werden. Beispielweise wurde der Ursprung des Werkzeug-Koordinatensystems (siehe Figur 3 am aufgesetzten Werkzeug 5) mit einer in der x-y-Ebene umlaufenden Kraft F belastet. Mit einem ange-

schlossenen x-y-Schreiber wurde dann erwartungsgemäß die Kraft F korrekt als Kreis aufgezeichnet.

Für die Koeffizienten ex und cy wurden in diesem Durchführungsbeispiel zuvor gemessen:

ex = 2N/Volt und cy = 2N/Volt .

Bei kleineren Schaftdurchmessern, etwa 5mm und kleiner, ist der Einsatz der teureren Halbleiterdehnungsmeßstreifen angebracht, da mit diesen in diesen Dimensionen noch zuverlässig gemessen werden kann.

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BEZUGSZEICHENLISTE

1 Sensorzange, endoskopisches Instrument

2 Betätigungsgriff

3 Hebel

4 Schaft

5 Werkzeug, Greifzange, Greifer

6 Verformungskörper

7 Schaftachse, Instrumentenachse

8 Verformungskörper

9 Kraftaufnehmer

10 Mittel, Foliendehnungsmeßstreifen, Dehnungsmeßstreifen, DMS

11 Dehnungsmeßstreifen, DMS, Mittel

12 Dehnungsmeßstreifen, DMS, Mittel

13 Umfangkreis

14 Vollbrücke R1234

15 Umfangskreis

16 Betätigungsstange

17 Kraftsensor

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Claims

1. Endoskopisches Instrument mit einer Einrichtung zur Messung der ausgeübten Handhabungskräfte und Betätigungskräfte für die Bedienung eines am distalen Ende für operative Zwecke aufgesetzten chirurgischen Werkzeugs, dadurch gekennzeichnet, daß

ein Kraftaufnehmer (17) im feststehenden Teil des aufgesetzten Werkzeugs (5) die Greifkraft zum Halten oder zum Durchstechen des zwischen den Maulteilen des Werkzeugs erfaßten Gewebes mißt;

das endoskopische Instrument (1) am Schaft (4) mit hohlzylinderischen Verformungskörpern (6, 8) ausgestattet ist, die konzentrisch zur Instrumentenachse (7) liegen, und auf ihrer Mantelfläche mit Mittel (10, 11, 12) versehen sind, über die Dehnungen und/oder Stauchungen des Verformungskörpers (6, 8) an dem jeweiligen Ort in vorbestimmter Richtung über eine entsprechende Änderung in diesen Mitteln (10, 11, 12) anzeigbar werden;

ein erster Verformungskörper (6) kurz hinter dem aufgesetzten Werkzeug (5) sitzt und mit einer zug- und druckempfindlichen Vollbrücke (14) aus diesen Mitteln (10) zur Ermittlung der dort wirkenden Dehnung und/oder Stauchung und damit der Kraft Fz in Richtung der Instrumentenachse (7) bestückt ist;

ein zweiter Verformungskörper (8) in vorgegebenem axialen Abstand in Richtung des proximalen Endes des Schaftes (4) sitzt und mit zwei, gegeneinander um 90° versetzten, biegeempfindlichen Vollbrücken (14) aus den entsprechend angebrachten Mitteln (11, 12) zur Ermittlung der dort wirkenden Dehnungen und/oder Spannungen und damit der Biegemomente Mx und My bestückt ist;

ein Kraftaufnehmer (9), der kurz vor dem proximalen Ende des Schaftes (4) sitzt, zur Messung der von einem aufgesetzten Betätigungsgriff (2) ausgehenden Betätigungskraft Fb dient, die über eine Betätigungsstange (16) im Schaft

(4) an das distale Schaftende des Instruments (1) übertragen wird.

2. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Mittel (10, 11, 12) zur Ermittlung der Dehnungen und/oder Stauchungen Foliendehnungsmeßstreifen (DMS) sind.

3. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Mittel (10, 11, 12) zur Ermittlung der Dehnungen und/oder Stauchungen Halbleiterdehnungsmeßstreifen sind.

4. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß

mit der Anordnung der Vollbrücke (14) aus den Dehnungsmeßstreifen (10) am ersten Verformungskörper (6) die Temperatur und Biegeeinflüsse kompensiert und die Anordnung der beiden Vollmeßbrücken (14) je aus den Dehnungsmeßstrexfen (11) und (12) die Temperatur- sowie Zug- und Druckeinflüsse kompensieren.

5. Endoskopisches Instrument nach Anspruch 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß

durch den eingebauten Kraftaufnehmer (17) im aufgesetzten Werkzeug (17), die mit Vollbrücken (14) zur Kraftmessung bestückten Verformungskörper (6, 8) und dem Kraftaufnehmer (9) am proximalen Ende des Schaftes (4) die Komponenten der räumlich beliebig wirkenden Kraft am aufgesetzten Werkzeug

(5) meß- und darstellbar ist.