EP2323581A1 - Verfahren zum betreiben eines medizinischen roboters, medizinischer roboter und medizinischer arbeitsplatz - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines medizinischen roboters, medizinischer roboter und medizinischer arbeitsplatz

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EP2323581A1
EP2323581A1 EP09777747A EP09777747A EP2323581A1 EP 2323581 A1 EP2323581 A1 EP 2323581A1 EP 09777747 A EP09777747 A EP 09777747A EP 09777747 A EP09777747 A EP 09777747A EP 2323581 A1 EP2323581 A1 EP 2323581A1
Authority
EP
European Patent Office
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robot
medical
living
relative
current
Prior art date
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Ceased
Application number
EP09777747A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Summerer
Thomas Neff
Tobias Ortmaier
Marc-Walter Ueberle
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KUKA Deutschland GmbH
Original Assignee
KUKA Roboter GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by KUKA Roboter GmbH filed Critical KUKA Roboter GmbH
Publication of EP2323581A1 publication Critical patent/EP2323581A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
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    • A61B2034/2046—Tracking techniques
    • A61B2034/2055—Optical tracking systems
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    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
    • A61B2034/2072—Reference field transducer attached to an instrument or patient

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a medical hand-held, in particular hand-guided, or telemanipulated by means of an input device, a medical hand-held or telemanipulated by means of an input device, and a medical workstation.
  • Robots are working machines which can be equipped with tools for the automatic handling and / or machining of objects and which can be programmed in several axes of motion, for example with regard to orientation, position and operating sequence.
  • Robots can e.g. for medical and / or clinical applications and are then e.g. Part of a medical workplace. Robots can also be tele-guided or directly guided for these applications.
  • US 2004/0077939 A1 discloses a medical workstation with an X-ray machine, a surgical instrument, a position detection system and a robot guiding the surgical instrument for treating a patient in an at least partially automated manner.
  • position markers are arranged on the X-ray apparatus, on the patient and on the surgical instrument or on the robot, which are recorded by an optical position detection apparatus of the position detection system.
  • the position On the basis of an evaluation of the images of the position markers recorded with the optical position detection device, the position, ie the position and orientation of the position markers and thus of the surgical marker Instruments, the X-ray machine and the patient in the room to be determined.
  • the object of the invention is to create conditions on the basis of which the risk of injury to a living being treated by means of a robot is at least reduced.
  • the object of the invention is achieved by a method for operating a medical hand-held, in particular hand-guided or telemanipulated by means of an input device, comprising the following method steps:
  • the object of the invention is also achieved by having a medical hand-held or in particular telemanipulated by means of an input device a robot arm with several movable axes and
  • control device for moving the axes of the robotic arm by means of drives, wherein the control device is set up to automatically change the working area of the medical robot due to a changing position or attitude of a living body treated by the medical robot relative to a robot base of the medical robot; so that the working area of the medical robot remains the same relative to the living being.
  • the robot treating the animal is either telemanipulated or hand-guided.
  • the restriction of the work area can be presented to the attending physician via forces on the robot during manual operation or via forces at an input station during telemani- culated deployment. It is also possible that the robot can not be moved beyond the working area in telemanipulated use.
  • the inventive method can thus be carried out with the robot according to the invention.
  • the medical robot according to the invention is provided for treating the living being, for example a human, with it.
  • a medical instrument in particular a surgical instrument
  • the robot according to the invention may be programmed to move the medical instrument on a predetermined path.
  • robots can also be tele-guided or directly guided.
  • the working range of the robot according to the invention is limited.
  • the working area of a robot is the allowed area for the robot to work and process.
  • the so-called Tool Center Point if appropriate also the axes of the robot, must be located within a workspace. This prevents the robot from entering a forbidden region or leaving a predetermined path.
  • the robot according to the invention is used to treat the living being.
  • the living being is treated only in a partial area of his body, so that the working area of the robot according to the invention can be chosen such that the tool center point and thus possibly the medical instrument moved with the robot according to the invention move substantially only within this partial area can.
  • the working range of the medical robot according to the invention is determined relative to the living being. This can e.g. be realized in that the work area is set relative to a life-living coordinate system associated with the living being.
  • the working area of the medical robot according to the invention is automatically adjusted due to the changing position of the living being relative to the robot base or relative to the robot coordinate system.
  • the working range of the medical robot according to the invention remains relatively constant relative to the living being.
  • the working range of the robot according to the invention can e.g. be limited or adjusted by means of a running on the control device of the robot computer program.
  • the medical robot according to the invention is e.g. due to a movement of the living being relative to the robot base outside its current working range, then it is according to an embodiment of the method according to the invention or the invention.
  • Robot to automatically move the medical robot to its current workspace This is realized, for example, by the control device of the robot according to the invention being arranged to automatically move the robot arm to guide the tool center point into the current work area when the tool center point is outside due to the movement of the living being relative to the robot base of the current workspace.
  • the current position or position of the living being is detected by means of a navigation system.
  • the control device of the robot according to the invention can accordingly be set up to determine the relative position of the living organism on the basis of the current position or position of the living being detected by means of the navigation system. Determining the position or position of the living being relative to the robot base in order to adapt the work area.
  • a further aspect of the invention also relates to a medical workstation comprising the robot according to the invention and the navigation system communicating with the control device of the robot, which is set up to detect the current position or position of the living being, wherein the control device is set up on the basis of detected by the navigation system current position or position of the living being to determine the relative position or position of the living being relative to the robot base to adapt the workspace.
  • Navigation systems are generally known in medical technology, in particular in minimally invasive medical technology, for example from US Pat. No. 6,895,268 B1.
  • Navigation systems include a detection device which is, for example, an optical detection device, e.g. Cameras, a laser tracking system, projectors for a structured
  • the detection device is set up to detect in a generally known manner, for example on the living being, in particular on its surface arranged markers or prominent parts of the living being. Due to the markers or landmarks detected by the detection device, a computing device of the navigation system can determine the position and optionally the orientation, ie the position of the living being, in a manner which is generally well known.
  • Navigation systems are used, for example, to intraoperatively display an instrument guided in the living being, for example the medical instrument moved by the robot according to the invention, into a preoperatively recorded image of the living being.
  • the image of the living being is a 3D image, for example was recorded with a computer tomograph or a magnetic resonance device.
  • a so-called registration of the image data set assigned to the pre-optive image to the interoperative situation is generally necessary for the superimposition of the medical instrument in the preoperatively recorded image.
  • a homogeneous coordinate transformation for example via corresponding points, is determined, which images both data sets on one another.
  • the control device of the robot according to the invention can therefore be set up, based on the determined by means of the navigation system current location of the tool center point of the medical robot, the current position or the current position of the living organism relative to the robot base based on the determined current positions of the animal and the tool center Determine points to adjust the workspace.
  • the navigation system or its computing device communicates with the control device of the robot according to the invention.
  • This can be realized, for example, such that the navigation system and the control device of the robot according to the invention are connected to one another by means of a communication line or also wirelessly and communicate via a common communication protocol.
  • a communication line or also wirelessly and communicate via a common communication protocol about this can Status information, commands and / or data of the detection device of the navigation system are transmitted.
  • Fig. 2 the medical workstation associated coordinate systems
  • 3 is a flowchart illustrating the operation of the medical robot.
  • FIG. 1 shows a medical workstation having a medical robot R with a robot arm M.
  • the robot arm M essentially represents the movable part of the robot R and comprises a plurality of axes 1-6, a plurality of levers 7-10 and a flange F to which a surgical instrument 18 is attached in the case of the present embodiment.
  • Each of the axes 1-6 is moved by a drive, for example an electric drive 11-16, which are electrically connected in a manner not shown to a control computer 17 of the robot R, so that the control computer 17 or one on the control computer 17 running computer program, the electric drives 11-16 can control such that the position of the flange F of the robot R and thus the surgical instrument 18 and its Tool Center Point TCP can be aligned substantially freely in space.
  • the electric drives 11-16 of the robot R comprise, for example, because an electric motor and possibly a motor controlling the power electronics.
  • control computer 17 is designed such that it or a computer program running on it can restrict a working area A of the robot R.
  • the working area A of the robot R is meant the allowable area for the robot R for working and procedures.
  • the surgical instrument 18 and in particular the tool center point TCP must be located within the working area A.
  • the working area A is delimited by a virtual wall W shown in dashed lines in FIG. 1, the working area A of the robot R being located below the virtual wall W.
  • the robot R is intended to treat a patient P lying on a patient couch L with the surgical instrument 18.
  • the robot (R) is operated by a person not shown, e.g. a physician treating the patient by hand, e.g. on the robot arm M presses or pulls.
  • the robot R can also be moved by this person by means of an input device connected to the control computer 17, for example a joystick J, in a manipulated manner.
  • FIG. 1 further shows a navigation system which has a detection device E having two cameras 20, 21 in the case of the present exemplary embodiment, a marker M 1 arranged on the robot R and a marker M2 arranged on the patient P.
  • the detection device E of the navigation system comprises Furthermore, a computer 22 and is mounted on a tripod 19 and the markers Ml of the robot R are arranged at its flange F.
  • Navigation systems as such are known to those skilled in the art from, inter alia, US Pat. No. 6,895,268 B1 and are intended to control the position, i. to determine the position and orientation of an object, for example the patient P.
  • Navigation systems may, for example, be magnetic or, as is the case with the present exemplary embodiment, optical navigation systems and are used, for example, to determine the position and optionally the orientation of an object.
  • the navigation system uses its cameras 20, 21 to determine the positions of the markers M1, M2 in the space.
  • the computer 22 of the detection device E via an electrical line 24 with a monitor 25 having a computer 23 is connected.
  • the computer 23 stores an image data record associated with an image of the patient P, the associated image of which can be displayed by the monitor 25.
  • the image data set has been e.g. recorded with an imaging medical device, such as a magnetic resonance device or a computer tomograph before treatment of the patient P with the robot R.
  • an imaging medical device such as a magnetic resonance device or a computer tomograph
  • Instruments 18 are displayed in the image of the patient P.
  • the position of the patient P and of the surgical instrument 18 relative to the coordinate system of the image data record assigned to the image by the patient must be determined.
  • the computer 22 of the detection device E is also connected by means of a communication line 26 to the control device 17 of the robot R, so that the computer 22 and the control device 17 can communicate with each other in particular by means of a common communication protocol.
  • a wireless communication between the computer 22 and the control device 17 is also conceivable.
  • FIG. 2 shows the robot R, the patient P arranged on the patient couch L, the virtual wall W, and a TCP coordinate system 30 assigned to the tool center point TCP of the robot R, a robot coordinate system 31 assigned to the robot R. the origin of which falls on the robot base B of the robot R, a patient coordinate system 32 associated with the patient P, and a workspace coordinate system 33 associated with the virtual wall W.
  • the coordinate systems 30-33 are Cartesian coordinate systems.
  • the tool center point TCP should be located within the working area A during the treatment of the patient P only.
  • the working area A is to be related to a potential movement of the patient P relative to the robot base B, in this case relative to the robot coordinate system 31, for example by a movement of the patient P or a movement of the robot base B of the robot R , to adjust.
  • This process is illustrated by means of a flowchart shown in FIG.
  • the working area A is defined relative to the patient P, in particular relative to the patient coordinate system 32, step S1 of the flowchart of FIG. 3.
  • the working area A is determined by FIG virtual wall W, so that the virtual wall W or its wall coordinate system 33 relative to the patient P or its patient coordinate system 32 is defined. This is described by a transformation T3. As a result, there are preconditions that the surgical instrument 18 is not outside of the working area A during the treatment of the patient P.
  • the working area A can also be limited, for example, by a plurality of walls or differently, such as, for example, balls, cylinders, cones or free-form surfaces.
  • the detection system detects the markers M1 and M2, whereby a computer program running on the computer 22 determines the position of the patient P and thus his patient coordinate system 32 and the position of the flange F and thus the position of the tool center point TCP or whose TCP coordinate system 30 can detect.
  • This computer program can also run on the control device 17 of the robot R. Previously, as is well known to those skilled in the art, registration was made.
  • the position of the tool center point TCP or its TCP coordinate system 30 in the robot coordinate system 31 is represented in the case of the present embodiment by a transformation Tl, which is calculated, for example, from measurements of the angles of the joints of the robot arm M. , Step S3 of the flowchart program.
  • a transformation Tl which is calculated, for example, from measurements of the angles of the joints of the robot arm M.
  • Step S3 of the flowchart program it is also possible to attach another marker to the robot base B of the robot R, whose position or position is detected by the detection device E and used to calculate the transformation Tl.
  • the representation of the virtual wall W, ie of the working area A in the robot coordinate system 31, results from the multiplication of the transformations T1, T2, T3 (T1 X T2 X T3), step S4 of the flow chart.
  • the transformations Tl and T2 are in the case of the present embodiment in e.g. predetermined intervals or when a predetermined change is exceeded is updated, whereby a movement of the patient P relative to the robot base B or relative to the robot coordinate system 31 is detected. Thereby, it is possible for the control device 17 to also update the work area A or the position of the wall coordinate system 33, so that the work area A always remains fixed relative to the patient P, step S5 of the flow chart.
  • a protection of risk structures while performing the treatment of the patient P by the robot R to target structures is therefore possible both in a movement of the robot R with respect to its robot base B as well as a moving virtual wall W.
  • the protection may be for the functional end of the robot R, e.g. the surgical instrument 18, as well as the structure of the robot R are realized.
  • the control tion device 17 automatically moves the surgical instrument 18 in the updated work area A.
  • the robot R can no longer be moved manually manually or only with increased force when the robot R leaves the working area A. This can e.g. be achieved in that the control computer 17 controls the drives 11-16, so that they exert a torque on the levers 7-10.
  • the robot R can no longer move or the joystick J generates a tactile feedback to the person when the robot R leaves the work area A.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines insbesondere handgeführten oder mittels einer Eingabevorrichtung telemanipulierten medizinischen Roboters (R), einen insbesondere handgeführten oder mittels einer Eingabevorrichtung telemanipulierten medizinischen Roboter (R) und einen medizinischen Arbeitsplatz. Der medizinische Roboter (R) weist einen Roboterarm (M) mit mehreren bewegbaren Achsen (1-6) und eine Steuerungsvorrichtung (17) zum Bewegen der Achsen (1-6) des Roboterarms (M) mittels Antrieben (11-16) auf. Die Steuerungsvorrichtung (17) ist eingerichtet, automatisch den Arbeitsbereich (A) des medizinischen Roboters (R) aufgrund einer sich ändernden Position oder Lage eines mittels des medizinischen Roboters (R) behandelnden Lebewesens (P) relativ zu einer Roboterbasis (B) des medizinischen Roboters (R) zu ändern, so dass der Arbeitsbereich (A) des medizinischen Roboters (R) relativ zum Lebewesen (P) gleich bleibt.

Description

Verfahren zum Betreiben eines medizinischen Roboters, medizinischer Roboter und medizinischer Arbeitsplatz
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines insbesondere handgeführten oder mittels einer Eingabevorrichtung telemanipulierten medizinischen Roboters, einen insbesondere handgeführten oder mittels einer Eingabevorrichtung telemanipulierten medizinischen Roboter und einen medizinischen Arbeitsplatz.
Roboter sind Arbeitsmaschinen, die zur automatischen Handhabung und/ oder Bearbeitung von Objekten mit Werkzeugen ausgerüstet werden können und in mehreren Bewegungsachsen beispielsweise hinsichtlich Orientierung, Position und Arbeits- ablauf programmierbar sind.
Roboter können z.B. für medizinische und/oder klinische Anwendungen verwendet werden und sind dann z.B. Teil eines medizinischen Arbeitsplatzes. Für diese Anwendungen können Ro- boter auch telegeführt oder direkt geführt werden.
Die US 2004/0077939 Al z.B. offenbart einen medizinischen Arbeitsplatz mit einem Röntgengerät, einem chirurgischen Instrument, einem Positionserfassungssystem und einem das chi- rurgische Instrument führenden Roboter zur Behandlung eines Patienten in zumindest teilweise automatisierter Weise. Um die Positionen des chirurgischen Instruments, des Röntgengerätes und des Patienten zu erfassen, sind am Röntgengerät, am Patienten und am chirurgischen Instrument oder am Roboter Positionsmarker angeordnet, die von einer optischen Positi- onserfassungsvorrichtung des Positionserfassungssystems aufgenommen werden. Aufgrund einer Auswertung der mit der optischen Positionserfassungsvorrichtung aufgenommenen Bilder der Positionsmarker kann die Lage, d.h. die Position und 0- rientierung der Positionsmarker und somit des chirurgischen Instruments, des Röntgengerätes und des Patienten im Raum ermittelt werden.
Insbesondere bei einem chirurgischen Eingriff ist es erstre- benswert, dass möglichst nur zu behandelndes Gewebe des Patienten mit dem Roboter bzw. mit dem vom Roboter geführten Instrument behandelt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, Voraussetzungen zu schaffen, aufgrund derer die Gefahr einer Verletzung eines mittels eines Roboters behandelnden Lebewesens zumindest verringert wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines insbesondere handgeführten oder mittels einer Eingabevorrichtung telemanipulierten medizinischen Roboters, aufweisend folgende Verfahrensschritte:
- Festlegen eines Arbeitsbereichs eines zur Behandlung eines Lebewesens vorgesehenen medizinischen Roboters relativ zum
Lebewesen,
- Erfassen einer sich ändernden Position oder Lage zumindest eines Teils des mittels des medizinischen Roboters behan- delnden Lebewesens und
- automatisches Anpassen des Arbeitsbereichs des medizinischen Roboters aufgrund der sich ändernden Position bzw. Lage des Lebewesens relativ zur Roboterbasis, so dass der Arbeitsbereich des medizinischen Roboters relativ zum Lebewesen gleich bleibt.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch einen insbesondere handgeführten oder mittels einer Eingabevorrich- tung telemanipulierten medizinischen Roboter, aufweisend - einen Roboterarm mit mehreren bewegbaren Achsen und
- eine Steuerungsvorrichtung zum Bewegen der Achsen des Ro- boterarms mittels Antrieben, wobei die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, automatisch den Arbeitsbereich des medizinischen Roboters aufgrund einer sich ändernden Position oder Lage eines mittels des medizinischen Roboters behandelnden Lebewesens relativ zu einer Roboterbasis des medizinischen Roboters zu ändern, so dass der Arbeitsbereich des medizinischen Roboters relativ zum Lebewesen gleich bleibt.
Nach einer Ausführungsform es erfindungsgemäßen Roboters bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der das Lebewesen behandelnde Roboter entweder telemanipuliert oder handgeführt. Die Beschränkung des Arbeitsbereiches kann dem behandelnden Arzt über Kräfte am Roboter beim handgeführten Einsatz oder über Kräfte an einer Eingabestation beim telemani- pulierten Einsatz dargestellt werden. Ebenso ist es möglich, dass der Roboter im telemanipulierten Einsatz sich nicht ü- ber das Arbeitsgebiet hinaus bewegen lässt.
Mit dem erfindungsgemäßen Roboter kann somit das erfindungs- gemäße Verfahren durchgeführt werden.
Der erfindungsgemäße medizinische Roboter ist vorgesehen, dass mit ihm das Lebewesen, z.B. ein Menschen, behandelt wird. Dazu wird z.B. an einer Befestigungsvorrichtung des Roboters ein medizinisches Instrument, insbesondere ein chirurgisches Instrument befestigt, mit dem das Lebewesen behandelt werden soll. Der erfindungsgemäße Roboter kann z.B. derart programmiert sein, dass er das medizinische Instrument auf einer vorgegebenen Bahn bewegt. Der erfindungsgemä- ße Roboter kann aber auch telegeführt oder direkt geführt werden.
Um insbesondere das Lebewesen während der Behandlung zu schonen, ist der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen Roboters eingeschränkt. Der Arbeitsbereich eines Roboters ist der zulässige Bereich für den Roboter zum Arbeiten und Verfahren. Im Betrieb des erfindungsgemäßen Roboters müssen sich insbesondere der sogenannte Tool Center Point gegebe- nenfalls auch die Achsen des Roboters innerhalb eines Arbeitsbereichs befinden. Dadurch wird verhindert, dass der Roboter in eine verbotene Region eindringt oder einen vorgegebenen Pfad verlässt.
Wie bereits erwähnt, wird der erfindungsgemäße Roboter verwendet, um das Lebewesen zu behandeln. In der Regel wird das Lebewesen nur in einem Teilbereich seines Körpers behandelt, so dass der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen Roboters derart gewählt werden kann, dass sich der Tool Center Point und somit gegebenenfalls das mit dem erfindungsgemäßen Roboter bewegte medizinische Instrument im Wesentlichen nur innerhalb dieses Teilbereichs bewegen kann. Dadurch werden Voraussetzungen geschaffen, dass nicht zu behandelnde Teilbereiche des Lebewesens auch nicht versehentlich vom erfin- dungsgemäßen Roboter verletzt werden. Erfindungsgemäß wird der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen medizinischen Roboters relativ zum Lebewesen festgelegt. Dies kann z.B. dadurch realisiert werden, dass der Arbeitsbereich relativ zu einem dem Lebewesen zugeordneten Lebewesen-Koordinatensystem festgelegt wird.
Während der Behandlung des Lebewesens ist es möglich, dass sich dieses relativ zur Roboterbasis, der z.B. ein Roboter- Koordinatensystem zugeordnet ist, bewegt. Dementsprechend ändert sich die Position oder Lage, die die Position und 0- rientierung umfasst, des Lebewesens relativ zur Roboterbasis bzw. relativ zum Roboter-Koordinatensystem. Um einer solchen Änderung gerecht zu werden, wird erfindungsgemäß automatisch der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen medizinischen Robo- ters aufgrund der sich ändernden Position bzw. Lage des Lebewesens relativ zur Roboterbasis bzw. relativ zum Roboter- Koordinatensystem angepasst. Somit bleibt der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen medizinischen Roboters relativ zum Lebewesen stets gleich.
Der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen Roboters kann z.B. mittels eines auf der Steuerungsvorrichtung des Roboters laufenden Rechnerprogramms begrenzt bzw. eingestellt werden.
Befindet sich der erfindungsgemäße medizinische Roboter z.B. aufgrund einer Bewegung des Lebewesens relativ zur Roboterbasis außerhalb seines aktuellen Arbeitsbereichs, dann ist es gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen. Roboters vorgesehen, den me- dizinischen Roboter in seinen aktuellen Arbeitsbereich automatisch zu bewegen. Dies wird beispielsweise realisiert, indem die Steuerungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Roboters eingerichtet ist, den Roboterarm derart automatisch zu bewegen, um den Tool Center Point in den aktuellen Arbeitsbe- reichs zu führen, wenn sich der Tool Center Point aufgrund der Bewegung des Lebewesens relativ zur Roboterbasis außerhalb des aktuellen Arbeitsbereichs befindet.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die aktuelle Position bzw. Lage des Lebewesens mittels eines Navigationssystems erfasst. Die Steuerungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Roboters kann dementsprechend eingerichtet sein, aufgrund der mittels des Navigationssystems erfassten aktuellen Position oder Lage des Lebewesens die relative Po- sition bzw. Lage des Lebewesens relativ zur Roboterbasis zu ermitteln, um den Arbeitsbereich anzupassen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft auch einen medi- zinischen Arbeitsplatz, aufweisend den erfindungsgemäßen Roboter und das mit der Steuerungsvorrichtung des Roboters kommunizierende Navigationssystem, das eingerichtet ist, die aktuelle Position oder Lage des Lebewesens zu erfassen, wobei die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, aufgrund der mittels des Navigationssystems erfassten aktuellen Position bzw. Lage des Lebewesens die relative Position bzw. Lage des Lebewesens relativ zur Roboterbasis zu ermitteln, um den Arbeitsbereich anzupassen.
Navigationssysteme sind in der Medizintechnik, insbesondere in der minimalinvasiven Medizintechnik, beispielsweise aus der US 6,895,268 Bl allgemein bekannt. Navigationssysteme umfassen eine Erfassungsvorrichtung, die beispielsweise eine optische Erfassungsvorrichtung ist, die z.B. Kameras, ein Lasertrackingsystem, Projektoren für ein strukturiertes
Licht oder Linienprojektoren aufweisen kann. Die Erfassungsvorrichtung ist eingerichtet, in allgemein bekannter Weise beispielsweise am Lebewesen, insbesondere an dessen Oberfläche angeordnete Marker oder markante Stellen des Lebewesens zu erfassen. Aufgrund der mit der Erfassungsvorrichtung erfassten Marker bzw. markanter Stellen kann eine Rechenvorrichtung des Navigationssystems in im Wesentlichen allgemein bekannter Weise die Position und gegebenenfalls die Orientierung, also die Lage des Lebewesens bestimmen.
Navigationssysteme werden z.B. verwendet, intraoperativ ein in das Lebewesen geführtes Instrument, z.B. das vom erfindungsgemäßen Roboter bewegte medizinische Instrument in ein präoperativ aufgenommenes Bild vom Lebewesen einzublenden. Das Bild des Lebewesens ist z.B. ein 3D-BiId, das beispiels- weise mit einem Computertomgraphen oder einem Magnetresonanzgerät aufgenommen wurde. Für das Einblenden des medizinischen Instruments in das präoperativ aufgenommene Bild ist in der Regel eine sogenannte und für den Fachmann allgemein bekannte Registrierung des dem präopertiven Bild zugeordneten Bilddatensatzes zur interoperativen Situation nötig. Bei einer Starrkörpersituation wird hierzu z.B. eine homogene Koordinatentransformation, z.B. über korrespondierende Punkte, bestimmt, welche beide Datensätze aufeinander abbildet.
Gemäß einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die aktuelle Lage des Tool Center Points des medizinischen Roboters mittels des Navigationssystems und die aktuelle Position bzw. die aktuelle Lage des Lebewesens re- lativ zur Roboterbasis basierend auf den ermittelten aktuellen Lagen des Lebewesens und des Tool Center Points ermittelt. Die Steuerungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Roboters kann demnach eingerichtet sein, aufgrund der mittels des Navigationssystems ermittelten aktuellen Lage des Tool Center Points des medizinischen Roboters die aktuelle Position bzw. die aktuelle Lage des Lebewesens relativ zur Roboterbasis basierend auf den ermittelten aktuellen Lagen des Lebewesens und des Tool Center Points zu ermitteln, um den Arbeitsbereich anzupassen.
Bei diesen Varianten des erfindungsgemäßen Roboters bzw. des erfindungsgemäßen medizinischen Arbeitsplatzes kommuniziert das Navigationssystem, bzw. dessen Rechenvorrichtung, mit der Steuerungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Roboters. Dies kann z.B. derart realisiert werden, dass das Navigationssystem und die Steuerungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Roboters mittels einer Kommunikationsleitung oder auch drahtlos miteinender verbunden sind und über ein gemeinsames Kommunikationsprotokoll kommunizieren. Über dieses können Statusinformationen, Kommandos und/oder Daten der Erfassungsvorrichtung des Navigationssystems übertragen werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist exemplarisch in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen :
Fig. 1 einen medizinischen Arbeitsplatz mit einem Navigationssystem und einem medizinischen Roboter zur Behandlung eines Lebewesens,
Fig. 2 dem medizinischen Arbeitsplatz zugeordnete Koordinatensysteme und
Fig. 3 ein den Betrieb des medizinischen Roboters veranschaulichendes Flussdiagramm.
Die Fig. 1 zeigt einen medizinischen Arbeitsplatz, der einen medizinischen Roboter R mit einem Roboterarm M aufweist. Der Roboterarm M stellt im Wesentlichen den beweglichen Teil des Roboters R dar und umfasst mehrere Achsen 1-6, mehrere Hebel 7-10 und einen Flansch F, an dem im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein chirurgisches Instrument 18 befestigt ist.
Jede der Achsen 1-6 wird mit einem Antrieb, beispielsweise einem elektrischen Antrieb 11-16 bewegt, die in nicht dargestellter Weise mit einem Steuerrechner 17 des Roboters R e- lektrisch verbunden sind, so dass der Steuerrechner 17 bzw. ein auf dem Steuerrechner 17 laufendes Rechnerprogramm die elektrischen Antriebe 11-16 derart ansteuern kann, dass die Position des Flansches F des Roboters R und somit das chirurgische Instrument 18 bzw. dessen Tool Center Point TCP im Wesentlichen frei im Raum ausgerichtet werden kann. Die e- lektrischen Antriebe 11-16 des Roboters R umfassen z.B. je- weils einen elektrischen Motor und gegebenenfalls eine die Motoren ansteuernde Leistungselektronik.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der Steu- errechner 17 derart ausgeführt, dass er bzw. ein auf ihm laufendes Rechnerprogramm einen Arbeitsbereich A des Roboters R beschränken kann. Unter dem Arbeitsbereich A des Roboters R versteht man den zulässigen Bereich für den Roboter R zum Arbeiten und Verfahren. Im Betrieb des Roboters R muss sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels das chirurgische Instrument 18 und insbesondere der Tool Center Point TCP innerhalb des Arbeitsbereichs A befinden. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird der Arbeitsbereich A durch eine in der Fig. 1 strichliert dargestellte virtuelle Wand W begrenzt, wobei sich der Arbeitsbereich A des Roboters R unterhalb der virtuellen Wand W befindet.
Der Roboter R ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels vorgesehen, einen auf einer Patientenliege L liegen- den Patienten P mit dem chirurgischen Instrument 18 zu behandeln. Außerdem wird der Roboter (R) im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels von einer nicht dargestellten Person, z.B. einen den Patienten behandelnden Arzt handgeführt, indem diese z.B. am Roboterarm M drückt oder zieht. Alternativ oder zusätzlich kann der Roboter R auch von dieser Person mittels einer mit dem Steuerrechner 17 verbundenen Eingabevorrichtung, beispielsweise einem Joystick J, te- lemanipuliert bewegt werden.
Die Fig. 1 zeigt ferner ein Navigationssystem, das eine im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles zwei Kameras 20, 21 aufweisende Erfassungsvorrichtung E, am Roboter R angeordnete Marker Ml und am Patienten P angeordnete Marker M2 aufweist. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels um- fasst die Erfassungsvorrichtung E des Navigationssystems ferner einen Rechner 22 und ist auf einem Stativ 19 befestigt und die Marker Ml des Roboters R sind an seinem Flansch F angeordnet .
Navigationssysteme als solche sind dem Fachmann unter Anderem aus der US 6,895,268 Bl bekannt und sind dafür vorgesehen, die Lage, d.h. die Position und die Orientierung eines Objekts, beispielsweise des Patienten P, zu bestimmen.
Navigationssysteme können beispielsweise magnetische oder, wie es im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Fall ist, optische Navigationssysteme sein und werden beispielsweise dafür eingesetzt, die Position und gegebenenfalls die Orientierung eines Objekts zu ermitteln. Um die Position beispielsweise des Patienten P oder des Tool Center Points TCP des Roboters R zu ermitteln, ermittelt das Navigationssystem mittels seiner Kameras 20, 21 die Positionen der Marker Ml, M2 im Raum.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der Rechner 22 der Erfassungsvorrichtung E über eine elektrische Leitung 24 mit einem einen Monitor 25 aufweisenden Rechner 23 verbunden. Im Rechner 23 ist ein einem Bild vom Patienten P zugeordneter Bilddatensatz gespeichert, dessen zugeordne- tes Bild mit dem Monitor 25 darstellbar ist. Der Bilddatensatz wurde z.B. mit einem bildgebenden medizintechnischen Gerät, beispielsweise einem Magnetresonanzgerät oder einem Computertomographen vor der Behandlung des Patienten P mit dem Roboter R aufgenommen. Während der Behandlung des Pati- enten P mit dem Roboter R kann ein Bild des chirurgischen
Instruments 18 in das Bild vom Patienten P eingeblendet werden. Dazu muss die Lage des Patienten P und des chirurgischen Instruments 18 relativ zum Koordinatensystem des dem Bild vom Patienten zugeordneten Bilddatensatz ermittelt wer- den. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der Rechner 22 der Erfassungsvorrichtung E außerdem mittels einer Kommunikationsleitung 26 mit der Steuerungsvorrichtung 17 des Roboters R verbunden, so dass der Rechner 22 und die Steuerungsvorrichtung 17 miteinander insbesondere mittels- eines gemeinsamen Kommunikationsprotokolls kommunizieren können. Eine drahtlose Kommunikation zwischen dem Rechner 22 und der Steuerungsvorrichtung 17 ist auch denkbar.
Die Figur 2 zeigt den Roboter R, den auf der Patientenliege L angeordneten Patienten P, die virtuelle Wand W, sowie ein dem Tool Center Point TCP des Roboters R zugeordnetes TCP- Koordinatensystem 30, ein dem Roboter R zugeordnetes Robo- ter-Koordinatensystem 31, dessen Ursprung auf die Roboterbasis B des Roboters R fällt, ein dem Patienten P zugeordnetes Patienten-Koordinatensystem 32 und ein der virtuellen Wand W zugeordnetes Arbeitsbereichs-Koordinatensystem 33. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels handelt es sich bei den Koordinatensystemen 30-33 um kartesische Koordinatensysteme .
Wie bereits obenstehend erwähnt, soll sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Tool Center Point TCP während der Behandlung des Patienten P nur innerhalb des Arbeitsbereichs A befinden. Während der Behandlung des Patienten P soll sich außerdem der Arbeitsbereich A an eine potenzielle Bewegung des Patienten P relativ zur Roboterbasis B, hier also relativ zum Roboter-Koordinatensystem 31, bedingt z.B. durch eine Bewegung des Patienten P oder einer Bewegung der Roboterbasis B des Roboters R, anpassen. Dieser Vorgang ist mittels eines in der Figur 3 dargestellten Flussdiagramms veranschaulicht. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird zunächst der Arbeitsbereich A relativ zum Patienten P, insbesondere relativ zum Patienten-Koordinatensystem 32 festgelegt, Schritt Sl des Flussdiagramms der Figur 3. Im Falle des vor- liegenden Ausführungsbeispiels wird, wie bereits erwähnt, der Arbeitsbereich A durch die virtuelle Wand W begrenzt, so dass die virtuelle Wand W bzw. dessen Wand-Koordinatensystem 33 relativ zum Patienten P bzw. dessen Patienten- Koordinatensystem 32 definiert ist. Dies wird durch eine Transformation T3 beschrieben. Dadurch ergeben sich Vorraussetzungen, dass sich das chirurgische Instrument 18 während der Behandlung des Patienten P nicht außerhalb des Arbeitsbereichs A befindet. Der Arbeitsbereich A kann z.B. auch durch mehrere Wände oder andersartig, wie zum Beispiel Ku- geln, Zylinder, Kegel oder Freiformflächen, begrenzt sein.
Während der Behandlung des Patienten P erfasst das Erfassungssystem die Marker Ml und M2, wodurch ein auf dem Rechner 22 laufendes Rechnerprogramm die Lage des Patienten P und somit dessen Patienten-Koordinatensystem 32 und die Lage des Flansches F und somit die Lage des Tool Center Points TCP bzw. dessen TCP-Koordinatensystem 30 erfassen kann. Daraus ergibt sich eine Transformation T2, die die Lage des Patienten P aus Sicht des Tool Center Points TCP darstellt, Schritt S2 des Flussdiagramms. Dieses Rechnerprogramm kann aber auch auf der Steuerungsvorrichtung 17 des Roboters R laufen. Zuvor wurde, wie es dem Fachmann allgemein bekannt ist, eine Registrierung durchgeführt.
Die Lage des Tool Center Points TCP bzw. dessen TCP- Koordinatensystem 30 im Roboter-Koordinatensystem 31 (Koordinatensystem der Roboterbasis B) wird im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels durch eine Transformation Tl dargestellt, die z.B. aus Messungen der Winkel der Gelenke des Roboterarms M berechnet wird, Schritt S3 des Flussdia- gramms. Alternativ dazu ist es auch möglich, einen weiteren Marker an der Roboterbasis B des Roboters R anzubringen, dessen Position oder Lage von der Erfassungsvorrichtung E erfasst und zur Berechnung der Transforamtion Tl verwendet wird.
Die Darstellung der virtuellen Wand W, also des Arbeitsbereichs A im Roboter-Koordinatensystem 31 ergibt sich aus der Multiplikation der Transformationen Tl, T2, T3 (Tl X T2 X T3), Schritt S4 des Flussdiagramms.
Die Transformationen Tl und T2 werden im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels in z.B. vorgegebenen Abständen oder wenn eine vorgegebene Änderung überschritten wird aktu- alisiert, wodurch eine Bewegung des Patienten P relativ zur Roboterbasis B bzw. relativ zum Roboter-Koordinatensystem 31 erkannt wird. Dadurch ist es der Steuerungsvorrichtung 17 möglich, den Arbeitsbereich A bzw. die Lage des Wand- Koordinatensystems 33 ebenfalls zu aktualisieren, so dass der Arbeitsbereich A stets relativ zum Patienten P festgelegt bleibt, Schritt S5 des Flussdiagramms.
Ein Schutz von Risikostrukturen bei gleichzeitiger Durchführung der Behandlung des Patienten P durch den Roboter R an Zielstrukturen ist demnach sowohl bei einer Bewegung des Roboters R bezüglich seiner Roboterbasis B als auch bei einer bewegten virtuellen Wand W möglich. Der Schutz kann für das funktionale Ende des Roboter R, wie z.B. das chirurgische Instrument 18, als auch für die Struktur des Roboters R rea- lisiert werden.
Befindet sich das chirurgische Instrument 18 aufgrund einer Bewegung des Patienten P relativ zur Roboterbasis B außerhalb des aktuellen Arbeitsbereichs A, so ist es im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels vorgesehen, dass die Steu- erungsvorrichtung 17 automatisch das chirurgische Instrument 18 in den aktualisierten Arbeitsbereich A bewegt.
Wird der Roboter R handgeführt, dann lässt sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Roboter R nicht mehr manuell oder nur noch mit erhöhtem Kraftaufwand manuell weiter bewegen, wenn der Roboter R den Arbeitsbereich A ver- lässt. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass der Steuerrechner 17 die Antriebe 11-16 ansteuert, so dass diese ein Drehmoment auf die Hebel 7-10 ausüben.
Wird der Roboter R mittels des Joysticks J telemanipuliert bewegt, dann lässt sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Roboter R nicht mehr weiter bewegen oder der Joystick J erzeugt eine taktile Rückmeldung an die Person, wenn der Roboter R den Arbeitsbereich A verlässt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines insbesondere handgeführten oder mittels einer Eingabevorrichtung telemanipulierten medizinischen Roboters, aufweisend folgende Verfahrensschritte:
- Festlegen eines Arbeitsbereichs (A) eines zur Behand- lung eines Lebewesens (P) vorgesehenen medizinischen
Roboters (R) relativ zum Lebewesen (P),
- Erfassen einer sich ändernden Position oder Lage zumindest eines Teils des mittels des medizinischen Ro- boters (R) behandelnden Lebewesens (P) relativ zur Ro-' boterbasis (B) des medizinischen Roboters (R) und
- automatisches Anpassen des Arbeitsbereichs (A) des medizinischen Roboters (R) aufgrund der sich ändernden Position bzw. Lage des Lebewesens (P) relativ zur Roboterbasis (B) , so dass der Arbeitsbereich (A) des medizinischen Roboters (R) relativ zum Lebewesen (P) gleich bleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend automatisches Bewegen des medizinischen Roboters (R) in seinen aktuellen Arbeitsbereich (A) , wenn sich der medizinische Roboter (R) aufgrund einer Bewegung des Lebewesens (P) relativ zur Roboterbasis außerhalb seines aktuellen Arbeitsbe- reichs (A) befindet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend Erfassen der aktuellen Position bzw. Lage des Lebewesens (P) mittels eines Navigationssystems (E, M2) .
4. Verfahren nach Anspruch 3, aufweisend Ermitteln der aktuellen Lage des Tool Center Points (TCP) des medizinischen Roboters (R) mittels des Navigationssystems (E, Ml) und Ermitteln der aktuellen Position bzw. der aktu- eilen Lage des Lebewesens (P) relativ zur Roboterbasis (B) basierend auf den ermittelten aktuellen Lagen des Lebewesens (P) und des Tool Center Points (TCP) oder ü- ber zumindest einen an der Roboterbasis (B) des Roboters (R) angebrachten Marker, welcher durch die Erfassungs- einheit (E) erfasst wird und zur Ermittlung der aktuellen Position bzw. Lagen des Lebewesens (P) herangezogen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend
- handgeführtes Bewegen des Roboters (R) oder telemani- puliertes Bewegen des Roboters (R) mittels einer Eingabevorrichtung und
- Erzeugen von Kräften am Roboter (R) oder an der Eingabevorrichtung, wenn der Roboter (R) den Arbeitsbereich (A) verlässt.
6. Medizinischer Roboter, insbesondere handgeführter oder mittels einer Eingabevorrichtung telemanipulierter medizinischer Roboter, aufweisend
- einen Roboterarm (M) mit mehreren bewegbaren Achsen
(1-6) und
- eine Steuerungsvorrichtung (17) zum Bewegen der Achsen
(1-6) des Roboterarms (M) mittels Antrieben (11-16), wobei die Steuerungsvorrichtung (17) eingerichtet ist, automatisch den Arbeitsbereich (A) des medizinischen Roboters (R) aufgrund einer sich ändernden Position oder Lage eines mittels des medizinischen Roboters (R) behandelnden Lebewesens (P) relativ zu einer Roboterbasis (B) des medizinischen Roboters (R) zu ändern, so dass der Arbeitsbereich (A) des medizinischen Roboters (R) relativ zum Lebewesen (P) gleich bleibt.
7. Roboter nach Anspruch 6, dessen Steuerungsvorrichtung
(17) eingerichtet ist, die Antriebe (11-16) derart anzusteuern, so dass der Roboter (R) bei einem Verlassen des Arbeitsbereichs (A) eine Kraft auf eine den Roboter (R) handführende Person ausübt.
8. Roboter nach Anspruch 6, dessen Bewegung mittels der Eingabevorrichtung telemanipuliert wird und dessen Steu- erungsvorrichtung (17) eingerichtet ist, die Eingabevorrichtung derart anzusteuern, so dass diese eine taktile Rückmeldung auf eine die Eingabevorrichtung bedienende Person ausübt, wenn der Roboter den Arbeitsbereich (A) verlässt .
9. Roboter nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dessen Steuerungsvorrichtung (17) eingerichtet ist, automatisch den Roboterarm (M) derart zu bewegen, dass sich der Tool Center Point (TCP) innerhalb des aktuellen Arbeitsbe- reichs (A) befindet, wenn sich der Tool Center Point
(TCP) aufgrund der Bewegung des Lebewesens (P) relativ zur Roboterbasis (B) außerhalb des aktuellen Arbeitsbereichs (A) befindet.
10. Roboter nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dessen Steuerungsvorrichtung (17) eingerichtet ist, aufgrund der mittels eines Navigationssystems (E, M2 ) erfassten aktuellen Position oder Lage des Lebewesens (P) die relative Position bzw. Lage des Lebewesens (P) relativ zur Robo- terbasis (B) zu ermitteln, um den Arbeitsbereich (A) anzupassen.
11. Roboter nach Anspruch 10, dessen Steuerungsvorrichtung (17) eingerichtet ist, aufgrund der mittels des Navigationssystems (E, Ml) ermittelten aktuellen Lage des Tool Center Points (TCP) des medizinischen Roboters (R) die aktuelle Position bzw. die aktuelle Lage des Lebewesens (P) relativ zur Roboterbasis basierend auf den ermittel- ten aktuellen Lagen des Lebewesens (P) und des Tool Center Points (TCP) zu ermitteln, um den Arbeitsbereich (A) anzupassen.
12. Medizinischer Arbeitsplatz, aufweisend
- einen Roboter (R) nach einem der Ansprüche 6 bis 11 und
- ein mit der Steuerungsvorrichtung (17) kommunizieren- des Navigationssystem (E) , das eingerichtet ist, die aktuelle Position oder Lage des Lebewesens (P) zu erfassen, wobei die Steuerungsvorrichtung (17) eingerichtet ist, aufgrund der mittels des Navigationssystems (E) erfassten aktuellen Position bzw. Lage des Lebewesens (P) die relative Position bzw. Lage des Lebewesens (P) relativ zur Roboterbasis zu ermitteln, um den Arbeitsbereich (A) anzupassen.
13. Medizinischer Arbeitsplatz nach Anspruch 12, dessen Na- vigationssystem (E) eingerichtet ist, die aktuelle Lage des Tool Center Points (TCP) des medizinischen Roboters (R) zu ermitteln, und dessen Steuerungsvorrichtung (17) eingerichtet ist, aufgrund der mittels des Navigationssystems (E) ermittelten aktuellen Lage des Tool Center Points (TCP) des medizinischen Roboters (R) die aktuelle Position bzw. die aktuelle Lage des Lebewesens (P) relativ zur Roboterbasis (B) basierend auf den ermittelten aktuellen Lagen des Lebewesens (P) und des Tool Center Points (TCP) zu ermitteln, um den Arbeitsbereich (A) anzupassen.
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