EP3054888A1

EP3054888A1 - Assistenzeinrichtung zur bildgebenden unterstützung eines operateurs während eines chirurgischen eingriffs

Info

Publication number: EP3054888A1
Application number: EP14777534.0A
Authority: EP
Inventors: Bastian IBACH; Michael Bernhart
Original assignee: Maquet GmbH
Current assignee: Maquet GmbH
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2016-08-17
Also published as: DE102013109677A1; RU2016112386A3; JP2016538089A; US20160175057A1; RU2016112386A; KR20160054526A; CN105682601A; WO2015032738A1

Abstract

Beschrieben ist eine Assistenzeinrichtung (10) zur bildgebenden Unterstützung eines Operateurs während eines chirurgischen Eingriffs, umfassend ein Endoskop (12) mit einer Kamera (16) zum Erzeugen von Bilddaten; ein Sichtgerät (20) zum Darstellen eines Bewegtbildes; einen mit dem Endoskop (12) gekoppelten Manipulator (14) zum Bewegen des Endoskops (12); und eine Steuerung (22) zum Ansteuern des Manipulators (14) in Abhängigkeit eines Steuerbefehls derart, dass das auf dem Sichtgerät (20) dargestellte Bewegtbild durch Bewegen des Endoskops (12) beeinflussbar ist. Die Assistenzeinrichtung (10) umfasst ferner eine Sensoreinheit (32), die ein zur Durchführung des chirurgischen Eingriffs bewegtes Objekt (36, 58) erfasst und ein der Objektbewegung entsprechendes Bewegungssignal generiert, auf Grundlage dessen die Steuerung (22) den Steuerbefehl erzeugt; und ein Bedienelement (28), das zum Einstellen eines Freigabezustands, in dem die Ansteuerung des Manipulators (14) durch die Steuerung (22) zum Bewegen des Endoskops (12) freigegeben ist, durch den Operateur betätigbar ist.

Description

Assistenzeinrichtung zur bildgebenden Unterstützung eines Operateurs während eines chirurgischen Eingriffs

Die Erfindung betrifft eine Assistenzeinrichtung zur bildgebenden Unterstützung eines Operateurs während eines chirurgischen Eingriffs, umfassend ein Endoskop mit einer Kamera zum Erzeugen von Bilddaten, ein Sichtgerät zur Darstellen eines Bewegtbildes auf Grundlage der von der Kamera erzeugten Bilddaten, einen mit dem Endoskop gekoppelten Manipulator zum Bewegen des Endoskops, und eine Steuerung zum Ansteuern des Manipulators in Abhängigkeit eines Steuerbefehls derart, dass das auf dem Sichtgerät dargestellte Bewegtbild durch Bewegen des Endoskops beeinflussbar ist.

Während eines minimal invasiven chirurgischen Eingriffs, beispielsweise laparoskopischen Eingriffs betrachtet der Operateur das Bewegtbild des Operationssitus auf einem Sichtgerät, z.B. einem Monitor. In dem Bewegtbild sind die chirurgischen Instrumente zu sehen, mit denen der Operateur die anatomischen Strukturen und Organe im Patienten manipuliert. Das auf dem Sichtgerät in Echtzeit dargestellte Bewegtbild wird von einer Kamera aufgenommen, die Teil eines über einen Trokar in den Körper des Patienten eingeführten und auf den Operationssitus gerichteten Endoskops ist.

Üblicherweise wird das Endoskop mit der Kamera von einem Assistenten gehalten, der dem Operateur während des Eingriffs zur Seite steht. Dabei versucht der Assistent das Endoskop so auf den Operationssitus richten, dass sich der Zielbereich, in dem die Instrumentenspitzen und die zu manipulierenden anatomischen Strukturen zu sehen sind, in einer Referenzposition des Bewegtbildes befindet. Üblicherweise liegt diese Referenzposition etwa in der Mitte des Bewegtbildes. Soll der betrachtete Bildausschnitt verändert werden, so muss das Endoskop bewegt werden, um den neuen Zielbereich wieder in die Mitte des Bewegtbildes zu bringen.

Für den auf das Sichtgerät blickenden Operateur sind verschiedene Bildbewegungen relevant. Zunächst sind dies zweidimensionale Veränderungen des Bildausschnitts, nämlich auf dem Sichtgerät nach oben und unten gerichtete Bewegungen des Bildausschnitts, auf dem Sichtgerät nach rechts und links gerichtete Bewegungen des Bildausschnitts, sowie kombinierte Bewegungen, z.B. von links unten nach rechts oben. Ferner muss der Bildausschnitt auf dem Sichtgerät durch eine entsprechende Zoomoperation auch in der dritten Dimension verändert, d.h. vergrößert und verkleinert werden können.

Aus dem Stand der Technik sind Assistenzeinrichtungen zur bildgebenden Unterstützung der Operateurs bekannt, die ohne einen menschlichen Assistenten auskommen. Dementsprechend müssen diese Assistenzeinrichtungen vom Operateur selbst über entsprechende Steuerbefehle bedient werden können.

Beispielsweise ist aus dem Stand der Technik ein Bedienkonzept bekannt, bei dem der Operateur die Bewegungsrichtung des auf dem Sichtgerät dargestellten Bildes über eine Kopfbewegung vorgeben kann. Mittels eines Aktivierungspedals wird die Endoskopbewegung freigegeben. Hierzu wird beispielhaft auf die Druckschriften EP 2169348 B8, EP 2052675 AI, US 2009/0112056 AI, EP 0761177 Bl und US 5766126 A verwiesen.

Andere Bedienkonzepte sehen eine Sprachsteuerung oder eine Steuerung der Endoskopbewegung mittels eines mit mehreren Schaltern ausgestatteten Fußpedals vor. Hierzu ist auf die Druckschriften US 6932089 Bl, US 2006/0100501 AI und US

2011/0257475 A zu verweisen.

Assistenzeinrichtungen, die eine automatische Verfolgung markierter Instrumente ermöglichen, sind in den Druckschriften US 6820545 AI und DE 19529950 Cl beschrieben.

Die Druckschrift EP 1937177 Bl schlägt zur Bedienung einer Assistenzeinrichtung einen auch als Joystick bezeichneten Bedienungshebel vor, der an einem laparoskopischen Instrument angebracht wird. Der Operateur kann so mit der Hand, mit der er das Instrument hält, auch die Endoskopbewegung steuern.

Ein vollautomatisch arbeitendes System, die eine automatische Verfolgung markierter Instrumente ermöglicht, ist schließlich in der DE 199 61 971 B4 beschrieben.

Trotz der vorstehend dokumentierten Vielzahl an technischen Lösungen besteht weiterhin der Wunsch, eine Assistenzeinrichtung so zu optimieren, dass sie auf der einen Seite eine möglichst weitgehende Automatisierung der Endoskopnachführung ermöglicht, um den Operateur so wenig wie nur möglich mit der Bedienung der Assistenzeinrichtung zu belasten, und die auf der anderen Seite jedes Risiko für den Patienten vermeidet. Zudem sollte die Bedienung einer solchen Assistenzeinrichtung leicht erlernbar sein und einfach durchzuführen sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Assistenzeinrichtung anzugeben, die der Operateur während der Durchführung eines chirurgischen Eingriffs besonders einfach und sicher bedienen kann. Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einer Assistenzeinrichtung der eingangs genannter Art durch eine mit der Steuerung gekoppelte Sensoreinheit, die ein zur Durchführung des chirurgischen Eingriffs bewegtes Objekt erfasst und ein der Objektbewegung entsprechendes Bewegungssignal generiert, auf Grundlage dessen die Steuerung den Steuerbefehl erzeugt, und ein mit der Steuerung gekoppeltes Bedienelement, das zum Einstellen eines Freigabezustands, in dem die Ansteuerung des Manipulators durch die Steuerung zum Bewegen des Endoskops freigegeben ist, durch den Operateur betätigbar ist.

Die Erfindung sieht ein besonders vorteilhaftes Zusammenwirken einer selbsttätig, d.h. ohne Zutun des Operateurs arbeitenden Sensoreinheit und eines explizit durch den Operateur zu betätigenden Bedienelementes vor. Dabei dient das Bedienelement allein der Einstellung eines Freigabezustands, in dem die Sensoreinheit gleichsam wirksam geschaltet ist und selbsttätig ein zur Durchführung des chirurgischen Eingriffs bewegtes Objekt erfasst und ein der Objektbewegung entsprechendes Bewegungssignal generiert, das die Grundlage für die Ansteuerung des Manipulators durch die Steuerung und damit die Nachführung des Endoskops bildet. Damit muss der Operateur durch Betätigen des Bedienelementes der Assistenzeinrichtung mitteilen, dass er zu einem gegebenen Zeitpunkt die Nachführung des Endoskops wünscht, worauf die Sensoreinheit und die mit dieser gekoppelte Steuerung die Kontrolle der En- doskopnachführung übernehmen. Dadurch ist es dem Operateur auf besonders einfache und sichere Weise möglich, die Assistenzeinrichtung zur bildgebenden Unterstützung während des chirurgischen Eingriffs zu nutzen.

Die erfindungsgemäße Sensoreinheit bildet eine von der Endoskopkamera separate Einheit. Sie ist insbesondere dafür vorgesehen, ein außerhalb des menschlichen Körpers befindliches Objekt, das während des chirurgischen Eingriffs bewegt wird, zu erfassen und die erfasste Objektbewegung zum Ansteuern des Manipulators heran- zuziehen. Als bewegtes Objekt kommt beispielsweise ein außerhalb des Patientenkörpers befindlicher Teil eines chirurgischen Instrumentes in Betracht, der durch einen Trokartubus in den Körper des Patienten eingeführt wird.

Die Sensoreinheit kann dazu genutzt werden, die Bewegung eines das erfindungsgemäß bewegte Objekt bildenden chirurgischen Instrumentes relativ zu einem Referenzobjekt zu erfassen. Dabei ist das Referenzobjekt beispielsweise der Trokartubus, durch den das Instrument in den Körper des Patienten geführt ist.

Vorzugsweise beinhaltet der zur Ansteuerung des Manipulators vorgesehene Steuerbefehl, den die Steuerung auf Grundlage des Bewegungssignals erzeugt, welches die Sensoreinheit mit Erfassen der Bewegung des chirurgischen Instrumentes relativ zu dem Referenzobjekt generiert, einen Zoombefehl, der eine zoomende Bewegung der Kamera durch den Manipulator veranlasst. In dieser Ausführung wird beispielsweise die Bewegung des chirurgischen Instrumentes längs einer durch das Referenzobjekt definierten Achse, z.B. der Längsachse des Trokartubus, erfasst und diese eindimensionale Objektbewegung in einen entsprechenden Steuerbefehl umgesetzt, anhand dessen das Endoskop längs der optischen Achse der in ihm enthaltenden Kameraoptik bewegt wird, um eine entsprechende Zoomoperation durchzuführen.

Erfasst die Sensoreinheit die Bewegung des chirurgischen Instrumentes relativ zu einem das Referenzobjekt bildenden Trokartubus, so gibt das von der Sensoreinheit generierte Bewegungssignal die Bewegung des chirurgischen Instrumentes vorzugsweise relativ zu einem Eintrittspunkt an, in dem der Trokartubus in den Körper des behandelnden Patienten eintritt. Dieser Eintrittspunkt bildet einen weitgehend festen Referenzpunkt, auf den bei der Ermittlung der Objektbewegung Bezug genommen wird. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die in dem Trokartubus angeordnete Sensoreinheit eine Lichtquelle und einen Bildsensor, die auf ein in einer Innenwand des Trokartubus ausgebildetes Fenster ausgerichtet sind, sowie einen Prozessor, wobei der Bildsensor nacheinander Bilder des an dem Fenster des Trokartubus vorbeigeführten und von der Lichtquelle beleuchteten chirurgischen Instrumentes aufnimmt und der Prozessor anhand von Unterschieden in den nacheinander aufgenommenen Bildern das Bewegungssignal generiert. Das Bewegungssignal gibt in dieser Ausführungsform die Lage des chirurgischen Instrumentes relativ zu dem Trokartubus längs dessen Tubusachse an. Diese Instrumentenlage relativ zu dem Trokartubus kann als Zoominformation genutzt werden, um das im Körper des Patienten befindliche Endoskop längs der optischen Achse der in dem Endoskop enthaltenden Kameraoptik zu bewegen und so den auf dem Sichtgerät dargestellten Bildausschnitt zu verkleinern oder zu vergrößern.

Vorzugsweise ist die Sensoreinheit in einem aufgeweiteten Instrumenteneintritt des Trokartubus angeordnet. Befindet sich in dem Instrumenteneintritt des Trokartubus ein Rückschlagventil, das ein Entweichen eines in den Körper des Patienten eingeblasenem Gases verhindert, so ist die Sensoreinheit vorzugsweise dem Rückschlagventil vorgeordnet. Auf diese Weise lassen sich herkömmliche Trokartuben besonders einfach mit der erfindungsgemäßen Sensoreinheit nachrüsten. Auch ein Austausch einer defekten Sensoreinheit gestaltet sich bei dieser Anordnung einfach.

Vorzugsweise berücksichtigt die Steuerung zur Erzeugung des Steuerbefehls zusätzlich zu dem von der Sensoreinheit generierten Bewegungssignal auch die von der Kamera erzeugten Bilddaten. So enthält in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Steuerung ein Bildverarbeitungsmodul, das auf Grundlage der von der Kamera erzeugten Bilddaten ein chirurgisches Instrument als bewegtes Objekt in dem dargestellten Bewegtbild erfasst und eine Positionsabweichung des chirurgischen Instrumentes gegenüber einer innerhalb des dargestellten Bewegtbildes festgelegten Referenzposition ermittelt. Die Steuerung ermittelt dann in dem Freigabezustand anhand der Positionsabweichung einen in dem Steuerbefehl berücksichtigten Sollwert und steuert den Manipulator in Abhängigkeit dieses Sollwertes derart an, dass das in dem dargestellten Bewegtbild erfasste chirurgische Instrument durch Nachführen des Endoskops in die festgelegte Referenzposition gebracht wird.

Bei dieser besonders bevorzugten Ausführungsform werden zweidimensionale Veränderungen des Bildausschnitts auf dem Sichtgerät, z.B. nach oben und unten oder nach rechts und links gerichtete Bewegungen des Bildausschnitts, im Wege der innerhalb des Körpers des Patienten vorgenommenen Instrumentenerkennung durchgeführt. Eine Vergrößerung oder Verkleinerung des Bildausschnitts auf dem Sichtgerät durch eine Zoomoperation kann ergänzend anhand des Bewegungssignals vorgenommen werden, das die Sensoreinheit außerhalb des Körpers des Patienten generiert. Auf diese Weise werden das von der Sensoreinheit generierte Bewegungssignal und die von der Kamera erzeugten Bilddaten in besonders vorteilhafter Weise miteinander kombiniert, um die gewünschten Bildbewegungen auf dem Sichtgerät zu bewirken.

Zur Instrumentenerkennung erfasst das Bildverarbeitungsmodul vorzugsweise die Spitze des medizinischen Instrumentes und ermittelt die Positionsabweichung dieser Instrumentenspitze. Dabei lässt sich die durch das Bildverarbeitungsmodul durchgeführte Instrumentenerkennung, die eine Information über die Position der Instrumentenspitze in dem Bewegtbild liefert, besonders vorteilhaft mit der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Bedienelementes kombinieren, das hier als Freigabeschalter fungiert. So ist es möglich, mit der Instrumentenspitze das Bewegtbild dynamisch in jede beliebige Richtung zu führen. Das Bewegtbild folgt dem erkannten Instru- ment, solange der Freigabezustand vorliegt. Sobald der Freigabezustand beendet wird, bleibt das Bewegtbild an Ort und Stelle stehen. Somit lassen sich im Unterschied zu herkömmlichen Assistenzeinrichtungen, die in der Regel nur Bewegungen in fest vorgegebenen Richtungen, etwa nach oben oder unten bzw. nach rechts oder links ermöglichen, beliebige Bewegungsrichtungen realisieren.

In einer möglichen Ausführungsform ist das von der Sensoreinheit erfasste bewegte Objekt durch einen Markierungskörper gebildet, der an einem chirurgischen Instrument oder an dem Operateur anbringbar ist. Auf diese Weise lässt sich das bewegte Objekt, auf das für die Endoskopnachführung Bezug genommen wird, einfach austauschen, etwa indem der Markierungskörper von einem Instrument abgenommen und an einem anderen Instrument angebracht wird.

Vorzugsweise ist der Markierungskörper ein starrer Köper, der mindestens drei durch die Sensoreinheit erfassbare, nicht-kollineare Markierungspunkte aufweist. Da die Markierungspunkte im Raum nicht auf einer Linie liegen, definieren sie eine Markierungsebene, deren Bewegung im Raum durch die Sensoreinheit erfassbar ist.

In einer alternativen Ausführungsform enthält die Sensoreinheit einen Beschleunigungssensor, z.B. einen Drei-Achsen-Beschleunigungssensor, der das bewegte Objekt im Raum erfasst. Dieser Beschleunigungssensor kann beispielsweise an einem Armreif angebracht sein, den der Operateur im Bereich seines Handgelenk trägt. Alternativ kann er auch auf den Handrücken des Operateurs aufgeklebt werden. Ebenso ist es möglich, den Beschleunigungssensor an dem chirurgischen Instrument anzubringen.

Die Sensoreinheit unterliegt im Hinblick auf das Messprinzip, das der Erfassung des bewegten Objektes zugrunde liegt, keinen Beschränkungen. So kann die Sensorein- heit, wie weiter oben angedeutet, einen optischen Sensor enthalten. Es ist jedoch ebenso denkbar, einen magnetisch arbeitenden Sensor, z.B. einen Differentialtransformator, kurz LVDT, oder einen elektromechanisch arbeitenden Sensor zu verwenden. Ein solcher elektromechanischer Sensor kann beispielsweise so ausgebildet sein, dass er die Bewegung des Objektes über eine Rolle aufnimmt und die Rollenbewegung in eine elektrische Messgröße umwandelt, die dann das Bewegungssignal darstellt. Ebenso ist es denkbar, zur Erfassung des bewegten Objektes eine RFID-Sensorik einzusetzen, die aus einem an dem Objekt angebrachten Transponder und einem mit diesem Transponder kommunizierenden Lesegerät gebildet ist. Auch kann die erfindungsgemäße Sensoreinheit nach einem elektromagnetischen Tracking-Verfahren arbeiten.

Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Assistenzeinrichtung ein Mittel zur drahtlosen Übertragung des von der Sensoreinheit generierten Bewegungssignals an die Steuerung. Beispielsweise kann die Übertragung des Bewegungssignals per Funk erfolgen. Es ist jedoch ebenso möglich, eine drahtgebundene Signalübertragung vorzusehen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Bedienelement aus einem einzigen Schaltelement mit genau zwei Schaltzuständen gebildet, von denen ein Schaltzustand dem Freigabezustand und der andere Schaltzustand einem Sperrzustand zugeordnet ist, in dem die Ansteuerung des Manipulators durch die Steuerung gesperrt ist. Da der Operateur in diesem Fall nur ein einziges Schaltelement bedienen muss, vereinfacht sich die Handhabung erheblich. So wird das von der Sensoreinheit erzeugte Bewegungssignal erst dann wirksam, wenn der Operateur das Schaltelement betätigt und damit die Bewegung des Manipulators freigibt. Das einzelne Schaltelement lässt sich einfach und eindeutig positionieren, etwa an dem chirurgischen Instrument, mit dem der Operateur den Eingriff durchführt, oder an der Hand bzw. den Fingern des Operateurs. Auch kann das Schaltelennent als Fußschalter ausgeführt sein.

Da dem Operateur nur ein einziges Schaltelement zur Verfügung steht, über das er die Assistenzeinrichtung steuern kann, ist die Bedienung der Assistenzeinrichtung einfach und intuitiv.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren nach Anspruch 15 vorgesehen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Assistenzeinrichtung;

Fig. 2 ein chirurgisches Instrument und einen Trokartubus, in dem eine Sensoreinheit untergebracht ist;

Fig. 3 den Aufbau der in dem Trokartubus untergebrachten Sensoreinheit nach

Figur 2;

Fig. 4 eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinheit, die einen an einem chirurgischen Instrument angebrachten Markierungskörper erfasst; und

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Illustration einer alternativen Anbringung des Markierungskörpers. Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Assistenzeinrichtung 10 in einenn Blockdiagramm.

Die Assistenzeinrichtung 10 umfasst ein Endoskop 12, das von einem Manipulator 14, der beispielsweise als Roboterarm ausgeführt ist, gehalten wird. Der Manipulator 14 weist mechanische Freiheitsgrade auf, die eine Nachführung des Endoskops 12 ermöglichen.

Auf das Endoskop 12 ist eine Kamera 16 aufgesetzt, die so mit dem Endoskop 12 eine Einheit bildet. Es ist jedoch ebenso möglich, dass die Kamera 16 von vorneherein in das Endoskop 12 integriert ist. Die Kamera 16 nimmt ein Bild der behandelten anatomischen Struktur auf. Dementsprechend erzeugt sie Bilddaten, die in Form eines Datenstroms an eine Kamerasteuerung 18 ausgegeben werden. Die Kamerasteuerung 18 übermittelt diese Bilddaten einem Sichtgerät 20, z.B. einem Bildschirm, auf dem ein den Bilddaten entsprechendes Bewegtbild der behandelten anatomischen Struktur dargestellt wird.

Die Kamerasteuerung 18 leitet den Bilddatenstrom über ein in Figur 1 nicht gezeigtes Bilderfassungsmodul, beispielsweise einen sogenannten Framegrabber, einer Steuerung 22 zu. Die Steuerung 22 enthält ein Bildverarbeitungsmodul 24, das den ihr zugeführten Bilddatenstrom als Eingangssignal nutzt, um eine Instrumentenerkennung durchzuführen. Die Instrumentenerkennung erfolgt unter Anwendung von Bildverarbeitungsalgorithmen. Hierbei werden in dem Bewegtbild sichtbare chirurgische Instrumente von dem Bildverarbeitungsmodul 24 erkannt und deren Positionen er- fasst. Insbesondere ermittelt das Bildverarbeitungsmodul 24 für das jeweils erkannte Instrument eine Positionsabweichung, welche die Spitze dieses Instrumentes gegenüber dem Mittelpunkt des auf dem Bildschirm 20 dargestellten Bewegtbildes aufweist. Das Bildverarbeitungsmodul 24 gibt die ermittelten Positionsabweichungen der Instrumentenspitzen an eine Bahnsteuerung 26 aus, die daraus Sollwerte zur Ansteue- rung des Manipulators 14 ermittelt. Bei Bedarf wird der Manipulator 14 in Abhängigkeit dieser Sollwerte angesteuert, das Endoskop 12 so zu bewegen, dass die Instrumentenspitze eines als Führungsinstrument ausgewählten Instrumentes in die Mitte des Bewegtbildes gebracht wird.

Die Assistenzeinrichtung 10 weist ferner ein Bedienelement 28 auf, das mit einer in der Steuerung 22 enthaltenen Schnittstellensteuereinheit 30 gekoppelt ist. Das Bedienelement 28 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein monostabiler, durch Drücken betätigbarer Taster mit genau zwei Schaltzuständen, nämlich einem betätigten Zustand und einem nicht-betätigten Zustand.

Die Assistenzeinrichtung 10 enthält zudem eine grafische Benutzerschnittstelle 72, die einerseits mit dem Bildverarbeitungsmodul 24 und der Schnittstellensteuereinheit 30 und andererseits mit dem Bildschirm 20 gekoppelt ist.

Schließlich umfasst die Assistenzeinrichtung 10 eine Sensoreinheit 32, die mit der Bahnsteuereinheit 26 der Steuerung 22 verbunden ist.

Die Sensoreinheit 32 dient dazu, ein in Figur 1 nicht dargestelltes Objekt, das bei der Durchführung des chirurgischen Eingriffs außerhalb des Körpers des Patienten bewegt wird, zu erfassen und ein Bewegungssignal zu generieren, das die Bewegung dieses Objektes repräsentiert. Die Sensoreinheit 32 gibt das so generierte Bewegungssignal an die Bahnsteuereinheit 26 aus. Die Ankopplung der Sensoreinheit 32 an die Bahnsteuereinheit 26 kann über eine Drahtverbindung oder auch drahtlos, z.B. per Funk, erfolgen. Die Bahnsteuereinheit 26 steuert demnach den Manipulator 14 nicht nur in Abhängigkeit der im Rahmen der Instrumentenerkennung erzeugten Sollwerte an, die aus den von dem Bildverarbeitungsmodul 24 ausgegebenen Positionsabweichungen erzeugt werden, sondern auch in Abhängigkeit des von der Sensoreinheit 32 generierten Bewegungssignals. Die Sollwerte und das Bewegungssignal werden so von der Bahnsteuereinheit 26 zu einem Steuerbefehl zusammengesetzt, mit dem die Bahnsteuereinheit 26 den Manipulator 14 zur Nachführung des Endoskops 12 steuert.

Über das Bedienelement 28 kann der Operateur einen Freigabezustand und einen Sperrzustand der Assistenzeinrichtung 10 einstellen. Dabei ist der Freigabezustand dem betätigten Schaltzustand des Bedienelementes 28 und der Sperrzustand dem nicht-betätigten Schaltzustand des Bedienelementes 28 zugeordnet. Nur in dem Freigabezustand erfolgt eine Ansteuerung des Manipulators 14 in Abhängigkeit des von der Bahnsteuereinheit 26 erzeugten Steuerbefehls. Ist dagegen der Sperrzustand eingestellt, so erfolgt keine Ansteuerung des Manipulators 14 an Hand des Steuerbefehls.

In dem in der Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt die Ansteuerung des Manipulators 14 derart, dass die aus der Instrumentenerkennung gewonnenen Sollwerte, die in den von der Bahnsteuereinheit 26 an den Manipulator 14 ausgegebenen Steuerbefehl eingehen, für die Bewegung des Endoskops 12 in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der in Figur 1 nicht explizit gezeigten Kameraoptik herangezogen werden, während das von der Sensoreinheit 32 generierte Bewegungssignal, das ebenfalls in den Steuerbefehl eingeht, für eine Zoombewegung des Endoskops 12 längs der optischen Achse der Kameraoptik genutzt wird. Somit ergibt sich eine Ansteuerung der Manipulatoreinheit 14 sowohl in Abhängigkeit von Steuerdaten, die im Körper des Patienten erzeugt werden, als auch in Abhängigkeit von Steuerdaten, die außerhalb des Körpers des Patienten gewonnen werden.

Die in Figur 1 gezeigte Ausführungsform ist lediglich beispielhaft zu verstehen. So ist es etwa möglich, bei der Realisierung der erfindungsgemäßen Assistenzeinrichtung auf die vorstehend erläuterte Instrumentenerkennung und damit das Bildverarbeitungsmodul 24 zu verzichten und den Steuerbefehl allein aus dem von der Sensoreinheit 32 generierten Bewegungssignal zu erzeugen.

In den Figuren 2 und 3 ist eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinheit 32 gezeigt.

In dieser Ausführungsform ist die Sensoreinheit 32 in einem Trokartubus 34 integriert, der dazu dient, ein chirurgisches Instrument 36 durch eine Bauchdecke 38 in einen Bauchraum 40 einzuführen. Dabei wird das chirurgische Instrument 36 mit seiner Spitze 42 in einen aufgeweiteten Instrumenteneintritt 44 des Trokartubus 34 eingesetzt und soweit in den Trokartubus 34 eingeschoben, dass die Instrumentenspitze 42 aus dem Trokartubus 34 austritt und in dem Bauchraum 40 freiliegt.

Die Sensoreinheit 32 ist in dem Instrumenteneintritt 44 des Trokartubus 34 angeordnet. Die Sensoreinheit 32 dient dazu, die Bewegung des chirurgischen Instrumentes 36 relativ zu dem Trokartubus 34 längs dessen Tubusachse zu erfassen und das dieser Relativbewegung entsprechende Bewegungssignal an die Bahnsteuereinheit 26 zu übertragen. In Abhängigkeit des Bewegungssignals erzeugt die Bahnsteuereinheit 26 den Steuerbefehl zur Ansteuerung des Manipulators 14, wobei das von der Sensoreinheit 32 generierte Bewegungssignal eine Zoombewegung des Endoskops 12 längs der optischen Achse der Kameraoptik veranlasst. Insoweit korrespondieren die Längsachse des Trokartubus 34 und die optische Achse der Kameraoptik miteinan- der. Für die Übertragung des Bewegungssignals ist in der Ausführungsform nach Figur 2 eine Übertragungsleitung 46 vorgesehen, welche die Sensoreinheit 32 mit der Bahnsteuereinheit 26 der Steuerung 22 verbindet.

Figur 3 zeigt einen möglichen Aufbau der in dem Trokartubus 34 integrierten Sensoreinheit 32.

Die Sensoreinheit 32 umfasst einen Halbleiterlaser 48 als Lichtquelle und einen Bildsensor 50, die in dem Instrumenteneintritt 44 des Trokartubus 34 im Bereich eines Fensters 52 angeordnet sind, das in einer Innenwand 74 des Instrumenteneintritts 44 ausgebildet ist.

In der vorliegenden Ausführungsform ist der Halbleiterlaser 48 ein sogenannter Oberflächenemitter, kurz VCSEL, d.h. ein Halbleiterchip, bei dem das Licht senkrecht zur Chipebene abgestrahlt wird.

Der Halbleiterlaser 48 und der ihm zugeordnete Bildsensor 50 sind so auf das Fenster 52 ausgerichtet, dass derjenige Teil des chirurgischen Instrumentes 36, der an dem Fenster 52 vorbeiläuft und von dem Halbleiterlaser 48 beleuchtet wird, auf den Bildsensor 50 abgebildet wird. Der Bildsensor 50 nimmt so sukzessive Bilder des an dem Fenster 52 vorbeigeführten chirurgischen Instrumentes 36 auf.

Die Sensoreinheit 32 weist ferner ein mit dem Bildsensor 50 gekoppelten Mikroprozessor 54 auf, der die von dem Sensor 50 sukzessive aufgenommenen Bilder auswertet. Dabei erfasst der Mikroprozessor 54 Unterschiede in den sukzessiv aufgenommenen Bildern des an dem Fenster 52 vorbeigeführten chirurgischen Instrumentes und generiert anhand dieser Unterscheide das Bewegungssignal. Figur 4 zeigt eine alternative Ausführungsform der Sensoreinheit 32. In dieser Ausführungsform umfasst die Sensoreinheit 32 eine 3D-Kamera 56, d.h. eine Kamera, die ausgebildet ist, die Bewegung eines Objektes im Raum zu erfassen und ein dieser Objektsbewegung entsprechendes Bewegungssignal zu generieren.

In der Ausführungsform nach Figur 4 ist ein Markierungskörper 58 vorgesehen, der an einem Griff 60 des chirurgischen Instrumentes 36 anbringbar ist. Der Markierungskörper 58 ist beispielsweise aus einem starren Kunststoff gefertigt. In der vorliegenden Ausführungsform weist er drei Markierungspunkte 62, 64 und 66 auf, die nicht-kollinear, d.h. nicht auf einer Gerade liegend angeordnet sind. Anhand der drei Markierungspunkte 62, 64 und 66 kann so die 3D-Kamera 56 die Anordnung des Markierungskörpers 58 und damit des Instruments 36 im Raum erfassen und daraus das Bewegungssignal generieren. Die Bewegung des Markierungskörpers 58 wird dabei auf einen Eintrittspunkt 68 bezogen, der durch die Stelle gebildet ist, an der der Trokartubus 34 in die Bauchdecke 38 eintritt.

Eine alternative Ausführungsform ist in Figur 5 dargestellt.

In der Ausführungsform nach Figur 5 ist ein Armreif 70 vorgesehen, den der Operateur an seinem Handgelenk trägt. Der Armreif 70 enthält einen Drei-Achsen- Beschleunigungssensor 72, der die Bewegung des Handgelenks des Operateurs im Raum erfasst und ein entsprechendes Bewegungssignal aussendet. Dieses Bewegungssignal wird drahtlos, z.B. per Funk, an die Bahnsteuereinheit 26 gesendet. Es versteht sich von selbst, dass die vorstehend erläuterten Ausführungsformen lediglich beispielhaft zu verstehen sind. So kann der Beschleunigungssensor 72 beispielsweise auch auf dem Handrücken des Operateurs oder an dem chirurgischen Instrument 36 angebracht werden. Bezugszeichenliste

10 Assistenzeinrichtung

12 Endoskop

14 Manipulator

16 Kamera

18 Kamerasteuerung

20 Bildschirm

22 Steuerung

24 Bildverarbeitungsmodul

26 Bahnsteuereinheit

28 Bedienelement

30 Schnittstellensteuereinheit

32 Sensoreinheit

34 Trokartubus

36 Chirurgisches Instrument

38 Bauchdecke

40 Bauchraum

42 Instrumentenspitze

44 Instrumenteneintritt

46 Übertragungsleitung

48 Halbleiterlaser

50 Bildsensor

52 Fenster

54 Mikroprozessor

56 3D-Kamera

58 Markierungskörper

60 Griff Markierungspunkte Eintrittspunkt

Armreif

Benutzerschnittstelle Innenwand

Beschleunigungssensor

Claims

Patentansprüche

1. Assistenzeinrichtung (10) zur bildgebenden Unterstützung eines Operateurs während eines chirurgischen Eingriffs, umfassend: ein Endoskop (12) mit einer Kamera (16) zum Erzeugen von Bilddaten; ein Sichtgerät (20) zum Darstellen eines Bewegtbildes auf Grundlage der von der Kamera (16) erzeugten Bilddaten; einen mit dem Endoskop (12) gekoppelten Manipulator (14) zum Bewegen des Endoskops (12); und eine Steuerung (22) zum Ansteuern des Manipulators (14) in Abhängigkeit eines Steuerbefehls derart, dass das auf dem Sichtgerät (20) dargestellte Bewegtbild durch Bewegen des Endoskops (12) beeinflussbar ist; gekennzeichnet durch eine mit der Steuerung (22) gekoppelte Sensoreinheit (32), die ein zur Durchführung des chirurgischen Eingriffs bewegtes Objekt (36, 58) erfasst und ein der Objektbewegung entsprechendes Bewegungssignal generiert, auf Grundlage dessen die Steuerung (22) den Steuerbefehl erzeugt; und ein mit der Steuerung (22) gekoppeltes Bedienelement (28), das zum Einstellen eines Freigabezustands, in dem das Ansteuern des Manipulators (14) durch die Steuerung (22) zum Bewegen des Endoskops (12) freigegeben ist, durch den Operateur betätigbar ist.

Assistenzeinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (32) die Bewegung eines das bewegte Objekt bildenden chirurgischen Instrumentes (36) relativ zu einem Referenzobjekt (34) erfasst.

Assistenzeinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Ansteuerung des Manipulators (14) vorgesehene Steuerbefehl, den die Steuerung (22) auf Grundlage des Bewegungssignals erzeugt, welches die Sensoreinheit (32) mit Erfassen der Bewegung des chirurgischen Instrumentes (36) relativ zu dem Referenzobjekt (34) generiert, einen Zoombefehl beinhaltet, der eine zoomende Bewegung des Endoskops (12) mit der Kamera (16) durch den Manipulator (14) veranlasst.

Assistenzeinrichtung (10) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (32) die Bewegung des chirurgischen Instrumentes (36) relativ zu einem das Referenzobjekt bildenden Trokartubus (34) erfasst, in dem das chirurgische Instrument (36) geführt ist.

Assistenzeinrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Trokartubus (34) angeordnete Sensoreinheit (32) eine Lichtquelle (48) und einen Bildsensor (50), die auf ein in einer Innenwand (74) des Trokartubus (34) ausgebildetes Fenster (52) ausgerichtet sind, sowie einen Prozessor (54) um- fasst; der Bildsensor (50) nacheinander Bilder des an dem Fenster (52) des Trokartubus (34) vorbeigeführten und von der Lichtquelle (48) beleuchteten chirurgischen Instrumentes (36) aufnimmt; und der Prozessor (54) an Hand von Unterschieden in den nacheinander aufgenommenen Bildern das Bewegungssignal generiert.

6. Assistenzeinrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, die Sensoreinheit (32) in einem aufgeweiteten Instrumenteneintritt (44) des Trokar- tubus (34) angeordnet ist.

7. Assistenzeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (22) zur Erzeugung des Steuerbefehls zusätzlich zu dem von der Sensoreinheit (32) generierten Bewegungssignal auch die von der Kamera (16) erzeugten Bilddaten berücksichtigt.

8. Assistenzeinrichtung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (22) ein Bildverarbeitungsmodul (24) enthält, das auf Grundlage der von der Kamera (16) erzeugten Bilddaten ein chirurgisches Instrument (36) als bewegtes Objekt in dem dargestellten Bewegtbild erfasst und eine Positionsabweichung des chirurgischen Instrumentes (36) gegenüber einer innerhalb des dargestellten Bewegtbildes festgelegten Referenzposition ermittelt; und die Steuerung (22) in dem Freigabezustand an Hand der Positionsabweichung einen in dem Steuerbefehl berücksichtigten Sollwert ermittelt und den Manipulator (14) in Abhängigkeit dieses Sollwertes derart ansteuert, dass das in dem dargestellten Bewegtbild erfasste chirurgische Instrument (36) durch Nachführen des Endoskops (12) mit der Kamera in die festgelegte Referenzposition gebracht wird.

9. Assistenzeinrichtung (10) nach einenn der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen das bewegte Objekt (58) bildenden Markierungskörper, der an einem chirurgischen Instrument (36) anbringbar ist.

10. Assistenzeinrichtung (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Markierungskörper (58) ein starrer Körper ist, der mindestens drei durch die Sensoreinheit (32) erfassbare, nicht-kollineare Markierungspunkte (62, 64, 66) aufweist.

11. Assistenzeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (32) einen Beschleunigungssensor (76) enthält.

12. Assistenzeinrichtung (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Beschleunigungssensor (76) an einem Armreif angebracht ist.

13. Assistenzeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Mittel zur drahtlosen Übertragung des von der Sensoreinheit (32) generierten Bewegungssignals an die Steuerung (22).

14. Assistenzeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bedienelement aus einem einzigen Schaltelement (28) mit genau zwei Schaltzuständen gebildet ist, von denen ein Schaltzustand dem Freigabezustand und der andere Schaltzustand einem Sperrzustand zugeordnet ist, in dem die Ansteuerung des Manipulators (14) durch die Steuerung (22) gesperrt ist. Verfahren zur bildgebenden Unterstützung eines Operateurs während eines chirurgischen Eingriffs, umfassend folgende Schritte:

Erzeugen von Bilddaten nnittels einer in einem Endoskop (12) enthaltenen Kamera (16);

Darstellen eines Bewegtbildes auf Grundlage der von der Kamera (16) erzeugten Bilddaten auf einem Sichtgerät (20);

Bewegen des Endoskops (12) mittels eines mit dem Endoskop (12) gekoppelten Manipulators (14); und

Ansteuern des Manipulators (14) in Abhängigkeit eines Steuerbefehls derart, dass das auf dem Sichtgerät (20) dargestellte Bewegtbild durch Bewegen des Endoskops (12) beeinflusst wird; gekennzeichnet durch folgende Schritte:

Erfassen eines zur Durchführung des chirurgischen Eingriffs bewegten Objektes (36, 58) mittels einer Sensoreinheit (32);

Generieren eines der Objektbewegung entsprechenden Bewegungssignals;

Erzeugen des Steuerbefehls auf Grundlage des Bewegungssignals; und

Vorsehen eines Bedienelementes (28), das zum Einstellen eines Freigabezustands, in dem die Ansteuerung des Manipulators (14) zum Bewegen des Endoskops (12) freigegeben ist, durch den Operateur betätigbar ist.