DE9416957U1

DE9416957U1 - Vorrichtung zur Führung und Fixierung chirurgischer Instrumente

Info

Publication number: DE9416957U1
Application number: DE9416957U
Authority: DE
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH; Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1993-10-26
Filing date: 1994-10-21
Publication date: 1994-12-15
Anticipated expiration: 2004-10-22

Description

Beschreibung:

Die vorliegende Neuerung betrifft eine Vorrichtung zur Führung und Fixierung chirurgischer Instrumente nach dem Oberbegriff des Schutzanspruches, wobei unter chirurgischen Instrumenten sowohl aktive als auch passive Instrumente, wie z. B. mechanische Werkzeuge, optische oder elektrooptische Geräte und Vorrichtungen zu verstehen sind.

Die Erfindung befasst sich mit einem mechanischen Führungssystem für die angeführten Geräte im Hinblick auf eine Anwendung in der endoskopische Chirurgie. Solche Systeme dienen der Unterstützung des Chirurgen vor allem beim gleichzeitigen Einsatz von mehreren chirurgischen Instrumenten. Ein solches Führungssystem benötigt man z. B. zur Bewegung eines über eine Trokarhülse durch die Bauchdecke in den Bauchraum eines Patienten eingeführten chirurgischen Instrumentes oder Endoskopes. Durch die Elastizität der Bauchdecke kann ein solches Instrument in der Größenordnung von +90° um einen in der Bauchdecke liegenden Punkt kardanisch verschwenkt werden.

Bei der endoskopischen Chirurgie, insbesondere in der minimal invasiven Chirurgie (MIC), ist es zwingend erforderlich, während der von außerhalb des Patientenkörpers geführten Instrumentenbewegung einen festen Drehpunkt an der Stelle, an der das Instrument und die es umschließende Trokarhülse die Körperoberfläche durchdringt, einzuhalten, das Instrument um diesen Punkt kardanisch zu verschwenken und alle anderen Bewegungsmöglichkeiten ausschließen zu können. Einen Punkt, der diese Bedingungen erfüllt, bezeichnet man als invarianten Punkt. Unter einem solchen ist in diesem Fall eine Stelle zu verstehen, an der ein Teil eines Werkzeuges oder eines Instrumentes im Raum stillsteht, obwohl das Instrument seine Arbeitsbewegung ausführt. An dem invarianten Punkt läßt sich dieses dann besonders günstig abdichten, was bei chirurgischen Eingriffen oftmals notwendig ist. Der einmal vorgegebene invariante Punkt

sollte nun räumlich auch dann nicht verloren gehen bzw. fix gehalten werden, wenn die Halterung des Instrumentes bei einer Behandlung gedreht oder geneigt wird.

Mechanische Einrichtungen, die aufgrund ihrer kinematischen Struktur eine Führung des chirurgischen Instrumentes oder Endoskops in beschriebener Weise ermöglichen und fixierbar sind, sind bei manuellen minimalinvasiven Eingriffen eine große Hilfe für den Chirurgen, ersetzten Assistenten und reduzieren Sicherheitsrisiken.

Die Bedeutung derartiger Einrichtungen steigt erheblich beim sich abzeichnenden Ersatz der derzeit praktizierten manuellen Führung der Instrumente durch roboterähnliche Gebilde, wodurch die direkte mechanische und räumliche Verbindung zwischen Operatuer und Instrument aufgehoben wird. Es ergibt sich die Möglichkeit, die Sachkenntnis und Erfahrung des Chirurgen mit der Präzision, Schnelligkeit und Reproduzierbarkeit einer Maschine zu verbinden. Dies beinhaltet ein großes Potential zur Weiterentwicklung und Vervollkommnung von Operationstechniken. Bekannt sind mechanische Führungssysteme zur Unterstützung bei Operationen. Z. B. ist der handelsübliche C-Bogen eine Vorrichtung, wie sie u. a. als stereotaktischer Manipulator für Eingriffe am Glaskörper des menschlichen Auges Einsatz findet.

Der Neuerung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein mechanisches, kompaktes und platzsparendes Führungssystem für die endoskopische Chirurgie, insbesondere die minimal invasive Chirurgie bereitzustellen, mit dessen Hilfe unter Einhaltung eines invarianten Punktes, der auf der Instrumentenachse liegt, das distale Ende des Instrumentes oder Endoskopes sicher und zielgenau geführt und andererseits an jeder Position innerhalb dieses Bereichs unverrückbar fixiert werden kann. Dabei sind unter chirurgischen Instrumenten sowohl aktive als auch passive Instrumente, wie z. B. mechanische Werkzeuge, optische

oder elektrooptische Geräte und Vorrichtungen zu verstehen. Darüber hinaus soll das Führungssystem für den Einbau in ein komplexes medizinisches Handhabungssystem geeignet sein.

Zur Lösung der Aufgabe schlägt nun die Neuerung bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art die Merkmale vor, die in dem kennzeichnenden Teil des Schutzanspruches angeführt sind.

Mittels der neuerungsgemäßen Vorrichtung kann nun der Effektor eines Instrumentes, z. B. die Spitze des schneidenden Werkzeuges von MIC-Geräten, bei einem chirurgischen Eingriff auf besonders vorteilhafte Weise, in einem bestimmten Raum präzis abgegrenzte Bewegungen ausführen und an jeder Stelle ganz genau fixiert werden. Ein Teil des Instrumentes und die es umschließende Trokarhülse wird in einem invarianten Raumpunkt in einer Ebene, z. B. der Bauchdecke gehalten und in diesem kardanisch verschwenkt. Das Instrument ist somit mechanisch "gefesselt", d. h., ein Ausbruch aus den gewünschten und fest eingestellten Bewegungsmöglichkeiten und -bereichen ist schon durch die Art der kinematischen Struktur der erfindungsgemäßen Vorrichtung unmöglich. Die Vorrichtung besitzt somit beträchtliche sicherheitstechnische Vorzüge und ist so ausgebildet, daß auch in Notfällen eine problemlose Entfernung des chirurgischen Instrumentes oder Endoskopes aus dem Körper des Patienten und eine Fortsetzung der Operation auf konventionelle Art möglich ist.

Die Anzahl der Antriebe an der Vorrichtung kann auf die Anzahl der erforderlichen Bewegungsfreiheiten des Instrumentes reduziert werden. Es verringert sich dadurch der Bauraum und es ergibt sich eine direkte Zuordnung zwischen den An- und Abtriebsbewegungen. Die konstruktive Gestaltung der Vorrichtung ermöglicht auch im Handbetrieb, z. B. bei Ausfall der Energie, eine für den Patienten gefahrlose Bewegung des Instrumentes in Ruhestellung.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden im folgenden und anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigen:

Die Fig.l die Vorrichtung in einer ersten Ausführung, die Fig.2 eine zweite Ausführung derselben.

Basis der Vorrichtung gemäß der Neuerung ist das bekannte Parallelkurbelgetriebe. Getriebe dieser Bauart bestehen aus dem Gestell, zwei Kurbeln und der Koppel, wobei die beiden Kurbeln einerseits und Gestell sowie Koppel andererseits gleich lang sind und alle Elemente durch insgesamt vier Gelenke aneinander beweglich angelenkt sind.

Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus zwei solchen Parallelkurbelgetrieben A und B, die auf besondere Art zu einem Führungsgestänge miteinander gekoppelt sind und mechanisch zusammenwirken.

In der Fig. 1 ist ein chirurgisches Instrument 10 gezeigt, welches zu einer Operation in einen Hohlraum 16 unter der Bauchdecke 17 eines Patienten eingebracht ist. Das Instrument 10 soll um einen invarianten Punkt D schwenkbar sein, der sich in der Ebene der Bauchdecke 17 befindet. Das Instrument 10 befindet sich normalerweise in einer nicht dargestellten Trokarhülse, die sich dann mit dem Instrument 10 oder mit dessen Schaft zusammen bewegt.

Das Führungsgestänge für das Instrument 10 ist, wie bereits erwähnt, aus den zwei zu einer Einheit miteinander verbundenen und mechanisch zusammenwirkenden Parallelkurbelgetrieben A und B zusammengesetzt. Dabei besteht das erste Getriebe A aus dem Gestell 7 + Koppel 5 von Getriebe B als Verlängerung, der einen Kurbel 8, der anderen Kurbel 9 und der Koppel 6. Das

zweite Getriebe B besteht aus dem Gestell 2, der einen Kurbel 4, der anderen Kurbel 3, sowie der Koppel 5. Der Schaft des chirurgischen Instrumentes 10 sitzt drehbar und längsverschieblich in oder parallel zu der einen Kurbel 8 des ersten Parallelkurbelgetriebes A, welches mit seiner anderen Kurbel 9 gemeinsam eine Kurbel oder die Verlängerung einer Kurbel 3 eines zweiten Parallelkurbelgetriebes B bildet. Bei der Ausführung gemäß der Fig. 1 wird diese Eigenschaft dadurch erreicht, daß die Kurbel 9 des Getriebes A und die Kurbel 3 des Getriebes B aus einem durchgehenden geraden Stück bestehen und die beiden Teile 9 und 3 zusammen eine gemeinsame Kurbel bilden. Somit besitzen beide Getriebe A und B praktisch eine gemeinsam zusammenwirkende Kurbel dadurch, daß die zusammenhängenden Teile 3 und 9 der Kurbeln infolge der Verlängerung von 3 durch 9 jeweils miteinander fluchten und achsgleich zueinander sind

Ähnliches gilt nun weiter auch für Gestelle und Koppeln der beiden Getriebe. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung ist das Gestell des Getriebes A zweiteilig. Es besteht aus den beiden Teilen 7 und 5, die zusammen ein gerades, durchgehendes Element bilden. Der Teil 5 ist nun gleichzeitig die Koppel des Getriebes B, so daß beide Parallelkurbelgetriebe entweder eine gemeinsame Koppel oder ein gemeinsames Gestell oder Teile derselben gemeinsam aufweisen, je nachdem wie man die einzelnen Elemente betrachtet. Wichtig ist dabei, daß die gemeinsamen Teile 5 und 7 bzw. 3 und 9 jeweils in einer Achse starr miteinander verbunden liegen, bzw. gegeneinander betrachtet, verlängert sind.

Das Führungsgestänge aus den beiden Getrieben A und B gem. der Fig. 1 besitzt nun sieben Schwenkgelenke II bis VIII. Diese Schwenkgelenke bestehen alle jeweils aus zwei gegeneinander drehbaren Einzelstücken, z. B. 11 und 12 beim Gelenk VII, an denen jeweils die Kurbeln, die Gestelle oder die Koppeln befestigt sind. Zur Vereinfachung soll im folgenden nur von Gelen-

ken gesprochen werden, vorausgesetzt ist dabei, daß zu jedem Gelenk zwei gegeneinander schwenkbare Einzelstücke wie 11 und 12 gehören, an denen jeweils die übrigen Getriebeelemente auf nicht näher dargestellte Weise angelenkt sind. Neben diesen Gelenken sind noch die beiden Drehgelenke I und X vorhanden, so daß die Vorrichtung über insgesamt neun Gelenke verfügt.

Die Schwenkgelenke II bis VIII verteilen sich nun wie folgt:

Zu dem ersten Parallelkurbelgetriebe A gehören die vier Gelenke IV, VI, VIII und VII, die die Kurbeln 8 und 9 mit der Koppel 6 und dem aus den Teilen 5 und 7 gemeinsam gebildeten Gestell verbinden. Zu dem zweiten Parallelkurbelgetriebe B gehören die vier Gelenke II, "III, V und IV, die die Kurbeln 3 und 4 mit der Koppel 5 und den Gestell 2 verbinden. Beide Getriebe A und B weisen somit ein gemeinsames Gelenk, das Gelenk IV auf, das zwischen den beiden Kurbeln 3 und 9, bzw. wenn man diese zusammen als ein Teil betrachtet, auf dieser gemeinsamen Kurbel 3 plus 9 liegt.

Eine weitere Besonderheit bildet das Gelenk V, das zwischen den Teilen 5 und 7 also auf dem Gestell des Getriebes A angeordnet ist und somit die Kurbel 4 des Getriebes B an das Gestell 5, 7 des Getriebes A ankoppelt. Dabei verlaufen nun die Elemente 2, 5 und 7 zusammen, sowie 6 achsparallel zueinander ebenso die Elemente 4, 3 und 9 zusammen, sowie 8.

Das gesamte Gestänge aus den beiden Parallelkurbelgetrieben A und B ist nun mit dem Instrument 10 zusammen um eine zu deren Gestellen 2, 5 und 7 parallele Längsachse 13 in dem Drehgelenk I drehbar, welche die Achse 14 des Instrumentes 10 bzw. dessen Schaftes in einem Punkt, dem bereits erwähnten invarianten Punkt D schneidet. Zum Drehen ist am Ende der Längsachse 14 ein motorischer Drehantrieb 1 vorgesehen, der das Gestell des zweiten Parallelkurbelgetriebes B mit dem ersten A und dem Instrument 10 zusammen um die Achse 14 dreht und dazu an dem Ge-

stell 2 angreift. Dieser Drehantrieb 1 ist auf nicht näher dargestellte Weise an der Basis 15 befestigt.

Zum Verschwenken des gesamten Gestänges aus beiden Getrieben A und B ist neben der manuellen Betätigung auch noch an einer oder beiden Kurbeln 3 und 4 des zweiten Parallelkurbelgetriebes B ein Schwenkantrieb angebracht. Weiterhin ist auch noch das zweite Parallelkurbelgetriebe B mit seinem Gestell 2 zusammen mit dem ersten Getriebe A in der Basis 15 drehbar gelagert.

Das Gestänge löst nun die eingangs beschriebene Bewegungsaufgabe durch die Kombination von den zwei ebenen Parallelkurbelgetrieben A und B zu einer -kinematischen Struktur mit einer Drehachse. Dabei werden die zwei Gelenkpunkte VI und VIII auf konzentrischen Kugeloberflächen unterschiedlichen Durchmessers um den invarianten Punkt D geführt. Kernpunkt dieser Struktur sind die Elemente 2, 3, 4 und 5 des Getriebes B mit den Gelenken II, III IV und V. Durch Einhaltung der Abmessungsverhältnisse. Länge II III = IV V und Länge III V = II IV wird das Gelenk VI relativ zur Basis des Gestelles 2 auf einer Kreisbahn bewegt. Durch Erweiterung mit dem Getriebe A, bzw. dessen Gliedern 6 und 7, sowie 8 und 9 und Einhaltung der geometrischen Randbedingungen Länge IV VII = VI VIII und Länge IV VI = VII VIII wird das Gelenk VIII um eine Achse 18, die zur Gelenkachse des Gelenkes VI einen Normalabstand der Länge III V hat, gedreht. Der Achsvektor von 18 ist parallel zu allen Gelenkachsen der Gelenke II bis VIII.

Senkrecht zu der Achse 18 und der Achse 14 ist nun die Drehachse des Gelenkes I, d. h. der ganzen Vorrichtung angeordnet, so daß sie die Achsen der Gelenke II und III schneidet. In jedem Punkt, in dem der Achsvektor des Drehgelenkes I die von den Gelenkachsen der Gelenke VI und VIII aufgespannte Ebene durchstößt, ensteht nun der virtuelle Punkt D. Die zwei erforderlichen Antriebe sind zwischen den Elementen

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und 2 einerseits, zwischen 2 und 3 oder 2 und 4 andererseits angeordnet. Mit deren Hilfe wird dann die Kurbel 8 mit dem Instrument 10 um den invarianten Punkt D verschwenkt.

Für die Bewegung um jede der Achsen 13, 14 und 18, d. h. für die gesamte Längsachse 13, die Instrumentenachse 14 sowie für die Schwenkachse 18 im invarianten Punkt sind getrennte, motorische Antriebe mit jeweils zwei unabhängig voneinender, dh. redundant wirkenden Feststellbremsen vorhanden. Der Drehmotor 1 für die Längsachse 1 besitzt daher zwei elektromagnetische Bremsen 20 und 21, die vor, neben oder hinter dem Motor sitzen können und getrennt voneinander mit Strom versorgt werden. Für die Bewegung um die Schwenkachse 18 ist der Schwenkmotor 22 vorgesehen, der bei der in-den Figuren dargestellten Ausführungsform am Schwenkgelenk II des Parallelkurbelgetriebes B angreift, d. h. auf dessen Achse sitzt. Dieser Motor 22 weist wiederum ebenfalls zwei elektromagnetische Bremsen 2 3 und 24 auf, die zusammen beide auf der Seite des Motores 22 oder jeweils auf einer und der anderen Seite des Schwenkgelenkes II sitzen können. Letztlich sitzt der Antriebsmotor 25 für die Drehung um die Instrumentenaches 14 am oberen Ende dieser Achse 14. Er ist mit den elektromagnetischen Bremsen 26 und ausgestattet, die neben ihm oder zwischen dem Instrument 10 und ihm angeordnet sein können.

Alle diese elektromagnetischen Bremsen besitzen voneinander getrennte elektrische Anschlüsse, so daß einerseits jede von der anderen unabhängig betätigbar ist, andererseits bei jedem Bremsenpaar und gemeinsamer Betätigung immer mindestens eine mit hoher Wahrscheinlichkeit greift, d. h. es ist eine Redundanz vorhanden.

Alle Freiheitsgrade der Vorrichtung können somit jeweils von zwei Bremsen pro Achse fixiert werden. Daraus ergeben sich beachtliche Vorteile:

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Die Fixierung des Instrumentes 10 ist in beliebiger Lage innerhalb des Arbeitsbereiches der Vorrichtung möglich. Sie übernimmt damit quasi "Assistentenfunktion". Sie erleichtert außerdem nach dem Instrumentenwechsel das Wiederauffinden der des Operationsortes durch die Fixierung der Trokarausrichtung um die Achsen 13 und 18. Die Haltekräfte und -momente der Magnetbremsen sind nach Bedarf einstellbar. Es wird eine hohe Betriebssicherheit durch die Redundanz der doppelten Anordnung und Stromversorgung erzielt. Bei der Verwendung mehrerer Vorrichtungen gemäß der neuen Ausführung kann ein Chirurg ohne Assistent und Kameramann endoskopischen Operationen durchführen, da deren Funktionen durch die fixierten Vorrichtungen übernommen werden können.

Die Figur 2 zeigt eine Strukturvariante der beiden gekoppelten Getriebe A und B, die die gleiche Bewegung des Instrumentes 10 wie die Struktur der Fig. 1 erzeugt:

Bei der Struktur gem. Fig. 2 ist die ehemalige Kurbel 9 des Getriebes A nach der Fig. 1 ersetzt durch die Kurbel 19, die jetzt eine Verlängerung der Kurbel 4 des Getriebes B bildet. Das Gelenk VII ist ersetzt durch das Gelenk IX, das die Kurbel 19 jetzt mit der Koppel 6 verbindet.Das Gelenk IX übernimmt somit die Funktion des Gelenkes VII der Fig. 1. Die übrigen Elemente der Fig. 2 sind identisch mit denen in der Fig. 1, ebenso die Funktionen.

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Bezuqszeichenlistei

A 1. Parallelkurbelgetriebe B 2. Parallelkurbelgetriebe D invarianter Punkt

1 Drehmotor

2 Gestell von B

3 Kurbel von B

4 Kurbel von B

5 Koppel von B

6 Koppel von A

7 Gestell von A

8 Kurbel von A ""

9 Kurbel von A

10 Instrument

11 Einzelstücke der Gelenke

12 Einzelstücke der Gelenke

13 Längsachse

14 Instrumentenachse

15 Basis

16 Hohlraum

17 Bauchdecke

18 Achse

19 Kurbel

20 Bremse

21 Bremse

22 Motor

23 Bremse

24 Bremse

25 Motor

26 Bremse

27 Bremse

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I Drehgelenk Gesamtgestänge

II bis IX Schwenkgelenke im Gestänge X Drehgelenk Instrument

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Claims

1. Vorrichtung mit einem mechanischen Gestänge zur Führung und Fixierung von chirurgischen Instrumenten, die an oder in einem länglichen und in einem invarianten Punkt schwenkbaren Schaft angebracht sind, der z. B. durch die Hülse eines Trokars für einen chirurgischen Eingriff oder zur Beobachtung in einen Körperhohlraum gebracht wird und sich der am Ende des Schaftes angebrachte Effektor des Instrumentes in dem Körperhohlraum unter Einhaltung des invarianten Punktes in allen Raumfreiheitsgraden bewegt, mit den folgenden Merkmalen:

a) das Führungsgestänge für das Instrument (10) besteht aus zwei zu einer Einheit miteinander verbundenen und mechanisch zusammenwirkenden Parallelkurbelgetrieben (A und B) mit fixierbaren Gelenken, wobei

b) der Schaft des Instrumentes (10) drehbar und längsverschieblich in oder parallel zu der einen Kurbel (8) des ersten Parallelkurbelgetriebes (A) sitzt, welches

c) mit seiner anderen Kurbel (9, 19) eine Kurbel (3, 4) oder die Verlängerung derselben von einem zweiten Parallelkurbelgetriebe (B) bildet, wobei

d) beide Parallelkurbelgetriebe (A und B) entweder eine gemeinsame Koppel oder ein gemeinsames Gestell und/oder eine oder beide Kurbeln gemeinsam besitzen, wobei die gemeinsamen Teile jeweils miteinander fluchten oder achsparallel zueinander sind und

e) das zweite Parallelkurbelgetriebe (B) mit seinem Gestell (2) zusammen mit dem ersten (A) in einer Basis (15) drehbar und/oder längsverschieblich gelagert ist,

f) beide Parallelkurbelgetriebe (A und B) sind mit dem Instrument (10) zusammen um eine zu ihren Gestellen (2, 7) parallele Längsachse (13) drehbar, welche die Achse (14) des Instrumentes (10) bzw. seines Schaftes in einem Punkt, dem invarianten Punkt D schneidet.

g) an einer oder beiden Kurbeln (3,4) des zweiten Parallelkurbelgetriebes (B) greift ein Schwenkantrieb zum Schwenken aller miteinander verbundenen Kurbeln an.

h) am Ende der Längsachse (13) ist ein motorischer Drehantrieb (1) vorhanden, der das Gestell (2) des zweiten Parallelkurbelgetriebes (B) mit dem ersten (A) und dem Instrument (10) zusammen um diese dreht und dazu an dem Gestell (2) angreift,

gekennzeichnet durch die' weiteren Merkmale:

i) Für die Bewegung um jede der Achsen (13, 14 und 18) ist ein separater, motorischer Antrieb mit jeweils zwei unabhängig voneinender wirkenden Feststellbremsen vorhanden,

j) der Motor (1) für die Längsachse (13) hat zwei elektromagnetische Bremsen (20, 21),

k) für die Bewegung um die Schwenkachse (18) ist ein Schwenkmotor (22) vorgesehen, der auf der Achse des Schwenkgelenkes II des Parallelkurbelgetriebes B sitzt und ebenfalls zwei elektromagnetische Bremsen (23, 24) aufweist,

1) der Antriebsmotor (25) für die Drehung um die Instrumentenachse (14) sitzt am oberen Ende dieser Achse (14) und besitzt ebenfalls zwei elektromagnetische Bremsen (26, 27),

m) alle elektromagnetischen Bremsen (20, 21, 23, 24, 26, 27) besitzen voneinander getrennte elektrische Anschlüsse durch welche sie getrennt voneinander mit Strom versorgt werden.