EP4586946A1 - Medizinisches instrument zur fernmanipulation und system für die robotische chirurgie - Google Patents

Medizinisches instrument zur fernmanipulation und system für die robotische chirurgie

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Publication number
EP4586946A1
EP4586946A1 EP23821200.5A EP23821200A EP4586946A1 EP 4586946 A1 EP4586946 A1 EP 4586946A1 EP 23821200 A EP23821200 A EP 23821200A EP 4586946 A1 EP4586946 A1 EP 4586946A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rollers
traction means
shaft
guided
medical instrument
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23821200.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Daniel Kärcher
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karl Storz SE and Co KG
Original Assignee
Karl Storz SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Karl Storz SE and Co KG filed Critical Karl Storz SE and Co KG
Publication of EP4586946A1 publication Critical patent/EP4586946A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/71—Manipulators operated by drive cable mechanisms
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods
    • A61B17/28—Surgical forceps
    • A61B17/29—Forceps for use in minimally invasive surgery
    • A61B2017/2926—Details of heads or jaws
    • A61B2017/2932—Transmission of forces to jaw members
    • A61B2017/2933—Transmission of forces to jaw members camming or guiding means
    • A61B2017/2934—Transmission of forces to jaw members camming or guiding means arcuate shaped guiding means
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B17/28—Surgical forceps
    • A61B17/29—Forceps for use in minimally invasive surgery
    • A61B2017/2926—Details of heads or jaws
    • A61B2017/2932—Transmission of forces to jaw members
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    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/70—Manipulators specially adapted for use in surgery
    • A61B34/71—Manipulators operated by drive cable mechanisms
    • A61B2034/715—Cable tensioning mechanisms for removing slack

Definitions

  • shaft instruments In the field of minimally invasive surgery or for examining difficult-to-access technical cavities, shaft instruments are used which have an instrument head at their distal end with a tool or end effector arranged thereon for remote manipulation.
  • the shaft extends between a proximal end and a distal end, with an actuating unit provided at the proximal end to actuate the tool arranged at the distal end.
  • a tool can be used to grip, grasp, cut objects in cavities of a patient or in cavities of technical structures such as shafts or pipelines.
  • endoscopic manipulation instruments e.g. grippers, needle holders, etc., are operated on robot arms.
  • the starting point of the invention is instruments with two degrees of freedom, in which not only the tool or the respective tool parts are designed to be pivotable, but also the instrument head can be angled relative to the shaft.
  • the instrument head can be angled relative to the shaft.
  • components that define a rotation or pivot axis connect the instrument head to the shaft.
  • the tool parts of the end effector can be pivotably mounted relative to a tool carrier of the instrument head using suitable components.
  • control means e.g. in the form of traction means or cables that extend through the shaft.
  • control means e.g. in the form of traction means or cables that extend through the shaft.
  • guide a cable in the tool carrier around a disc and back into the shaft In order to bend or pivot the instrument head and to control the tool and/or the tool parts at the distal end, it is known to provide control means, e.g. in the form of traction means or cables that extend through the shaft.
  • guide a cable in the tool carrier around a disc and back into the shaft In order to bend or pivot the instrument head and to control the tool and/or the tool parts at the distal end, it is known to provide control means, e.g. in the form of traction means or cables that extend through the shaft.
  • guide a cable in the tool carrier around a disc and back into the shaft In order to bend or pivot the instrument head and to control the tool and/or the tool parts at the distal end, it is known to provide control means, e.g. in the form of
  • An example of a robotic surgical system to support the control of endoscopic instruments, e.g. for use in laparoscopy, is the Da Vinci® EndoWrist system from Intuitive Surgical, which has, among other things, forceps instruments with external diameters of around 8 mm and two degrees of freedom.
  • Such a system is known, for example, from US 6,312,435 B 1 and describes a mechanism that imitates a wrist in which the tool carrier can be angled to the shaft about a first axis of rotation, the so-called wrist pivot.
  • pairs of cables are used, with each pair of cables being guided over a disk that is integrally connected to a jaw part or finger of the tool.
  • the pull cables are guided over rollers with a strong offset to control the distal tool parts.
  • the offset mentioned must be compensated for distally from the bending area. This leads to increased mechanical stress, which reduces the service life of the traction devices and thus of the instruments.
  • the deflected traction device section is guided at a distance from the main axis of the tool carrier, wherein the said main axis is aligned with the longitudinal axis or central axis of the shaft at 0 ° angle and intersects the axis of rotation (Yi).
  • This ensures an off-center traction device guide in the distal area of the tool carrier.
  • the wrap angle of greater than 180 ° is maintained and only the position of the traction device changes.
  • the traction device position in the distal tool part area is defined.
  • the control movement of the traction device which is non-positively connected to the control disk, generates a circular movement of the control disk of the respective tool part and converts this into a rotational movement in order to pivot the tool part.
  • both traction means each comprise at least three sections in a tool carrier in which both control disks and deflection rollers are arranged, wherein a first section can be guided essentially parallel to the longitudinal extension of the tool carrier and tangentially to the respective control disk, a second section which has a fixing means for the rotationally fixed connection to the respective control disk and can be guided at least partially over the respective control disk, and a third section can be deflected by means of the respective deflection roller towards the first section and at a distance from the central axis of the tool carrier.
  • Both traction devices are therefore guided in pairs on opposite sides, i.e. on both sides of the central axis.
  • the respective traction device is attached to the respective control disc with a fixing device, which enables reliable control.
  • the first traction device section and the third traction device section are located on the plane that is spanned by the control disc and is parallel to the XZ plane. This means that the deflection roller prevents the traction devices from being offset perpendicular to the control plane or the XZ plane.
  • the first traction means are guided in the plane of the control disk of the first tool part and the second traction means are guided in the plane of the control disk of the second tool part in the tool carrier in such a way that the traction means, which are each bundled into a pair of cables by the assignable deflection pulleys, are guided on both sides of the control disk of the instrument head, which is arranged at the distal end of the shaft.
  • the control disk of the instrument head or the tool carrier is arranged in such a way that its axis of rotation is intersected by the central axis of the shaft.
  • This central arrangement of the control disk of the instrument head is optimally complemented by the off-center guidance of the traction means.
  • a first traction means can be guided to the shaft on one side of the control disk of the instrument head, while the other traction means can be guided on the other side of the control disk.
  • the axis of rotation of the control discs is arranged parallel to the pivot pins of the deflection rollers.
  • the traction means can be guided in a plane that runs parallel to the central axis and at the same time remain on a plane that is spanned by the respective control disks.
  • the traction means guided around the control disk of a tool part can be guided without offset, i.e. run in a plane parallel to the plane of the control disk.
  • the deflection arrangement further comprises rollers for guiding in the proximal region of the tool carrier, wherein the partial sections of the first traction means guided from the instrument head in the direction of the shaft can be guided between a first pair of rollers and a second pair of rollers.
  • the proximal area of the tool carrier is at the height of the distal shaft end.
  • the axes of the first and second roller pairs are arranged perpendicular to the axis of rotation of the deflection roller.
  • the sections that are guided in a straight line and next to each other in the distal area of the tool carrier after the deflection roller can be guided one above the other with the help of the guide rollers or rollers for guidance in the proximal area of the tool carrier.
  • the distance between the sections that are guided next to each other can then also be maintained in the shaft.
  • the tool carrier comprises a first fork in the distal region for supporting a pivot pin of the control disks and the pivot pins of the deflection rollers. Furthermore, the tool carrier has a second fork in the proximal region, which is arranged perpendicular to the first fork.
  • Each fork has two holding arms, which can advantageously accommodate pivot pins or other bearing components between the arms.
  • the forks are perpendicular to each other, allowing the axes of the rollers, i.e. the deflection rollers and the rollers for guiding, to be realized in pairs of rollers.
  • the second fork has two recesses in each holding arm in order to accommodate the pivot pins of a pair of rollers facing the respective holding arm for guiding. The distance between the recesses of the second fork is chosen so that the double rollers arranged on the pivot pins can guide the traction device without play between the pair of rollers.
  • the deflection arrangement further comprises rollers for guiding the second traction means, wherein the sections of the second traction means guided from the instrument head in the direction of the shaft can be guided between a third pair of rollers and a fourth pair of rollers such that the section of the second traction means near the central axis can be guided at a distance of at least 0.4 mm from the central axis of the shaft.
  • the traction element section of the second traction element runs parallel through the guide rollers, offset by at least 0.4 mm to the center axis of the tool carrier and the shaft. If the tool carrier is angled, the section distal to the guide rollers is arranged off-center, i.e. at a distance from the main axis of the tool carrier, while the section guided into the shaft is guided off-center from the longitudinal axis of the shaft. For the section distal to the rollers, no offset is necessary despite the angle.
  • the first pair of rollers is/are arranged above the second pair of rollers and/or the third pair of rollers and the fourth pair of rollers are arranged above each other. arranged so that two superimposed rollers form common axes (Z281, Z282, Z273, Z274) and are optionally designed as a double roller, wherein the axes (Z281, Z282, Z273, Z274) are arranged parallel to each other and parallel to the axis of rotation of the control disk at the distal shaft end.
  • rollers can be arranged in a space-saving manner.
  • Two rollers lying on top of each other can share one pivot pin each.
  • a traction means forms a wrap angle (5) around the rollers of the respective roller pair facing the direction of the bend for guidance, wherein the wrap angle (5) is preferably up to 90".
  • any desired open position can be achieved without offsetting the traction means.
  • the first traction means and the second traction means are guided on both sides of the longitudinal extension or central axis in the shaft casing.
  • the tool parts comprise a tool with at least two straight or at least partially curved jaws, cutting edges or other jaw parts and furthermore the tool is selected from the group comprising: a gripping forceps, dissecting forceps or other forceps, scissors or a needle holder.
  • the first traction means and the second traction means are each a tension-absorbing rope, which forms a traction rope pair in the shaft and is made of one of the following materials: wire, steel, aramid, nylon, preferably as a monofilament, multifilament or in combination with tension rods guided in the shaft or other suitable materials.
  • Cable pulls are preferably used as traction devices.
  • the two traction devices can be metallic cables such as steel cables or those made of tungsten.
  • high-tensile synthetic fiber cables such as aramid or high-strength nylon fibers is also possible.
  • traction rods can also be used that are at least distal to the area of the distal end of the shaft, ie from the area where the bend between the shaft and the instrument head is transverse to the longitudinal extension.
  • the shaft is designed to be flexible.
  • the traction mechanism should also be flexible at the height of the rollers and control discs and in every control position.
  • the parallel arrangement of the traction cable pairs prevents contact and thus unwanted friction.
  • the two traction cable pairs are also arranged on both sides and symmetrically from the central axis so that there is sufficient distance between the traction cable pairs.
  • the actuation unit can be operated automatically.
  • Figure 2 also shows a distal end of an endoscope with instrument head, showing the XZ plane and details of the tool carrier and the shaft end with a partially transparent representation;
  • Figure 3 shows a further embodiment of a medical instrument with a tool designed as scissors, as well as details in the tool carrier regarding the roller arrangement and the cable guide;
  • Figure 6 shows an exploded perspective view of the components of an embodiment of a medical instrument according to the invention
  • Figure 3 shows a further embodiment of the medical instrument 100 according to the invention with a different tool, wherein the tool parts are designed as cutting edges (371, 381).
  • the circle 390 schematically shows the open position of the tool parts.
  • the Tool parts 370, 380 can be opened or closed in the XZ plane, as indicated by the double arrow in the circular area and between the tool parts 371 and 381.
  • Figure 3 also shows a shaft 200 and the tool carrier 330 with further details.
  • the traction device 310 is divided into various traction device sections.
  • the first section of the first traction means 311 runs along the outer edge of the tool carrier 330.
  • the first section 311 is therefore guided tangentially to the control disk 315.
  • the second section of the traction means 312 is then guided around the control disk 315, whereby the second section 312 can have a fixing means 316 for the rotationally fixed connection to the control disk 315.
  • the fixing means 316 is not shown here and can be seen, for example, in Figure 2 or Figure 6. If no fixing means is provided, a force-locking connection to the control disk 315 is established by sufficiently bracing the traction means 310.
  • play of the traction means in relation to the control disk should be avoided so that every change in position of the traction means also causes a pivoting of the respective controlled tool part.
  • the next section of the first traction means 313 shows the deflection from the control disc 315 to the deflection roller 361.
  • the fourth section 314 of the traction means runs in a straight line between a pair of guide rollers (here only one roller 283 of the pair is visible).
  • the third section 313 is guided to the first section 311 by means of the respective deflection roller 361 such that the distance between the first section 311 and the third section 313 is less than the diameter of the traction means.
  • the third section 313 is deflected by the deflection roller 361 such that it is spaced from the center axis of the tool carrier.
  • the deflection roller 361 guides the traction means 310 around the control disk such that the wrap angle ß is greater than 180°.
  • Figure 4 shows three views of the distal end of an endoscope with an instrument head 300 and a shaft 200.
  • the medical instrument 100 is removed from the Side of the tool part 380 is shown.
  • the shaft 200 has a shaft cover 220 and a tool carrier holder 260, which has opposing holding pins 250, 251 for the tool carrier 330.
  • the control disks 315 and 325 of the tool parts 370 and 380 are shown. Sections are made through the planes of the control disks 315, 325, once the section BB seen from above and once the section AA seen from below.
  • the section A-A shows a section through the control disk 325 from below, with the control disk 325 arranged at the distal end of the tool carrier 330.
  • the traction means 320 is placed around the control disk 325 and attached to it with a fixing means 326.
  • the AA section shows the first traction means 310 and a section through the pivot pin 285 for two guide rollers for the first traction means 310.
  • the pivot pin 285 is passed through the control disk 215 and extends in the direction of the tool carrier 330 and through it to the height of the tool carrier holder 260.
  • the section B-B which shows the instrument 100 from above, shows the control disk 315 of the other tool part 370 and the traction means 310, which is also placed around the control disk 315 and fixed with a fixing means 316.
  • the wrap angle of the traction means 310, 320 around the respective control disk 315, 325 is greater than 180° in both arrangements.
  • the representation of the shaft 200 in section A-A shows that the traction means sections 320S1 and 320S2 of the traction means 320 are guided parallel to one another and thus there is no contact. This contact-free parallel guidance in the shaft 200 is also provided in the sections 317 and 318 of the first traction means 310 (see reference symbol in B.B). In this way, friction is avoided.
  • section B-B a section through a pivot pin 385 and the associated rollers for guiding the second traction means 320 can be seen.
  • the bending of the instrument head to the shaft 200 is realized, as in the other embodiments, by the control disk 215 and the corresponding traction means 210.
  • the bending merely changes the wrap angle (in this case angle 5) around the rollers 371 and 373 placed on top of each other.
  • This guidance of the traction means and an off-center arrangement outside the longitudinal axis 201 achieves a situation in which the traction means 320 distal to the bending area no longer has to compensate for any offset of the rollers.
  • the change in position inevitably caused by the bending of the traction means 310, 320, which is preferably designed as a wire, is not compensated in the short distal tool carrier area but over the proximal shaft length of approx. 450 mm.
  • the configuration according to the invention makes it possible to construct the shaft and the instrument head with smaller outer diameters, e.g. 8 mm. Preferably, outer diameters of 5.5 mm or 5 mm are provided.
  • the present invention provides a medical instrument with two instrument degrees of freedom with a deflection arrangement of the traction means for remote manipulation of a tool at the distal end of the instrument.
  • the deflection arrangement is designed to reduce the mechanical load on the traction means.
  • the instrument is also suitable for minimally invasive surgery and for robot-assisted manipulation of the medical instrument.
  • the disclosure relates to a medical instrument 100 for femoral manipulation with a shaft 200, a distal instrument head 300 with at least two tool parts 370, 380, wherein the instrument head 300 can be pivoted about a first axis of rotation ZI relative to the distal end 230 of the shaft 200 and wherein the tool parts 370, 380 can be pivoted about a second axis of rotation Y 1 via first traction means 310 and second traction means 320 each guided in the shaft 200.
  • a deflection arrangement with at least two rollers 361, 362, preferably deflection rollers, is provided, which is designed to guide the first traction means 311 and the second traction means 321 at a distance from the central axis 201 of the shaft 200.
  • Retaining pin for tool carrier additional retaining pin for tool carrier

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Abstract

Die Offenbarung betrifft ein Medizinisches Instrument (100) zur Fernmanipulation mit einem Schaft (200), einen distalen Instrumentenkopf (300) mit wenigstens zwei Werkzeugteilen (370, 380), wobei der Instrumentenkopf (300) gegenüber dem distalen Ende (230) des Schaftes (200) um eine erste Drehachse (Z1) schwenkbar ist und wobei die Werkzeugteile (370, 380) über jeweils im Schaft (200) geführte erste Zugmittel (310) und zweite Zugmittel (320) um eine zweite Drehachse (Y1) schwenkbar sind. Insbesondere wird eine Umlenkanordnung mit wenigstens zwei Rollen (361, 362) vorzugsweise Umlenkrollen bereitgestellt, die ausgebildet ist, jeweils das erste Zugmittel (311) und das zweite Zugmittel (321) beabstandet von der Mittelachse (201) des Schaftes (200) zu führen. Ferner wird ein chirurgisches Robotersystem offenbart, das ein medizinisches Instrument (100) mit den genannten Merkmalen umfasst.

Description

Medizinisches Instrument zur Fernmanipulation und System für die robotische Chirurgie
Die Erfindung betrifft ein medizinisches Instrument zur Femmanipulation und ein System für die robotische Chirurgie.
Technologischer Hintergrund
Im Bereich der minimalinvasiven Chirurgie oder zu Untersuchung von schwer zugänglichen technischen Hohlräumen werden Schaftinstrumente eingesetzt, die an ihrem distalen Ende einen Instrumentenkopf mit einem daran angeordneten Werkzeug oder Endeffektor zur Fernmanipulation aufweisen. Der Schaft erstreckt sich zwischen einem proximalen Ende und einem distalen Ende, wobei am proximalen Ende eine Betätigungseinheit vorgesehen ist, um das am distalen Ende angeordnete Werkzeug zu betätigen. Ein Werkzeug kann zum Greifen, Fassen, Schneiden von Objekten in Hohlräumen von einem Patienten oder in Hohlräumen von technischen Strukturen wie Schächten oder Rohrleitungen zum Einsatz kommen. In der minimalinvasiven, robotergestützten Telechirurgie werden endoskopische Manipulationsinstrumente, z. B. Greifer, Nadelhalter usw. an Roboterarmen betrieben.
Den Ausgangspunkt der Erfindung bilden Instrumente mit zwei Freiheitsgraden, bei denen nicht nur das Werkzeug bzw. die jeweiligen Werkzeugteile verschwenkbar ausgebildet sind, sondern auch der Instrumentenkopf relativ zum Schaft abwinkelbar ist. Um eine Abwinkelung bei bekannten Instrumentenköpfen relativ zum Schaft zu ermöglichen, verbinden Bauteile, die eine Dreh- oder Schwenkachse definieren, den Instrumentenkopf mit dem Schaft. Analog können die Werkzeugteile des Endeffektors relativ zu einem Werkzeugträger des Instrumentenkopfes über geeignete Bauteile schwenkbar gelagert sein.
Zur Abwinkelung bzw. zum Verschwenken des Instrumentenkopfes und zur Steuerung des Werkzeuges und / oder der Werkzeugteile am distalen Ende ist es bekannt, Steuermittel z. B. in Form von Zugmitteln oder Seilzügen bereitzustellen, die sich durch den Schaft erstrecken. Um ein Seilzugpaar für ein Werkzeugteil zum Steuern zu bilden, ist es bekannt, ein Seilzug im Werkzeugträger jeweils um eine Scheibe und wieder zurück in den Schaft zu führen.
Ein Beispiel eines robotischen chirurgischen Systems zur Unterstützung bei der Steuerung endoskopischer Instrumente z. B. für den Einsatz bei der Laparoskopie ist das Da-Vinci®- EndoWrist-System von Intuitive Surgical, das u. a. Zangeninstrumente mit Außendurchmessern von etwa 8 mm und zwei Freiheitsgraden aufweist. Ein solches System ist z. B. aus der US 6,312,435 B 1 bekannt und beschreibt ein Mechanismus, das ein Handgelenk imitiert, bei dem der Werkzeugträger zum Schaft um eine erste Drehachse die sogenannte Handgelenk Drehachse („ wrist pivot“) abwinkelbar ist. Zur Steuerung des zweiten Freiheitsgrades d. h. der Verschwenkung von zwei Werkzeugteilen werden Seilzugpaare verwendet, wobei ein Seilzugpaar jeweils über eine Scheibe, die integral mit einem Maulteil oder Finger des Werkzeuges verbunden sind, geführt wird. Bei dieser Seilzuganordnung werden für die Ansteuerung der distalen Werkzeugteile die Zugseile mit einem starken Versatz über Rollen geführt. Der genannte Versatz muss beim Abwinkeln des Instrumentenkopfes in Bezug zum Schaft distal vom abwinkelnden Bereich ausgeglichen werden. Dies führt zu einer erhöhten mechanischen Belastung, welche die Lebensdauer der Zugmittel und somit der Instrumente reduziert.
Bei medizinischen Instrumenten, insbesondere für die Anwendung in der minimalinvasiven Chirurgie, ist es zudem von besonderer Bedeutung, dass die Dimensionen eines Instrumen- tenkopfes oder Schaftdurchmessers möglichst klein sind. Beispielsweise kann der Durchmesser eines Schaftes eines medizinischen Instrumentes maximal 15 mm, vorzugsweise maximal 8 mm betragen. Gleichwohl sollen diverse Funktionen und Freiheitsgrade für den Endeffektor bzw. das Werkzeug realisierbar sein. Aus Platzmangel können Antriebe oder Aktuatoren nicht direkt beim Endeffektor angeordnet werden und die Bewegungen müssen vom proximalen Schaftende des Instrumentes gesteuert werden. Daher sollten komplizierte Anordnungen von zusätzlichen Rollen zur Führung von Zugmitteln, die den Außendurchmesser des Werkzeugträgeres und / oder des Schaftes vergrößern vermieden werden. Aufgrund mangelnden Platzes im Werkzeugträger sollten raumsparende Lösungen gefunden werden. Bei einer Bauteilanordnung wie in der bekannten US 6,312,435 Bl, die eine auf gegenüberliegenden Seiten Rollen am proximalen Bereich des Werkzeugträgers aufweist, wird der Außendurchmesser des Werkzeugträgers vergrößert, sodass eine Reduzierung des Außendurchmessers auf vorzugsweise ca. 5 mm in dem genannten Aufbau schwer umsetzbar ist.
Daher ist es eine Aufgabe, die Belastung von Zugmitteln im Vergleich zu bekannten Instrumenten mit zweiteiligen Werkzeugen, die Seilzüge zur Steuerung verwenden und einen abwinkelbaren Instrumentenkopf haben, zu reduzieren. Es soll ein Versatz möglichst vermieden werden. Ist ein Versatz der Seilzüge bei bestimmten Bewegungen auszugleichen, soll dieser nicht mehr im distalen Bereich des Werkzeugträgers ausgeglichen werden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen Winkelfehler beim Abwinkeln des Instrumentenkopfes im Bezug zum Schaft zu reduzieren. Schließlich soll die Aufgabe gelöst werden medizinische Instrumente mit einem geringen Außendurchmesser von maximal 8, vorzugsweise 6 mm und noch mehr bevorzugt 5,5 mm oder 5 mm bereitzustellen.
Beschreibung der Erfindung
Auf Grundlage der Erfindung sollen die oben genannten Aufgaben und Problemstellungen besser als in herkömmlichen mechanischen bzw. elektromechanischen Instrumenten zur Femmanipulation gelöst werden. Dabei sollen wenigstens zwei Freiheitsgrade des Instrumentes vorzugsweise für den Einsatz im Bereich der Medizin und besonderes bevorzugt für die Endoskopie bereitgestellt werden. Ferner soll das Instrument zur Adaption an ein Roboteroperationssystem geeignet sein.
Diese Aufgaben werden mit einem erfindungsgemäßen medizinischen Instrument und einem chirurgischen Robotersystem gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruches und dem nebengeordneten Robotersystemanspruch gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein medizinisches Instrument für human- oder veterinärmedizinische Anwendungen zur Fernmanipulation bereitgestellt, das folgende Merkmale umfasst: einen Schaft, einen distalen Instrumentenkopf mit wenigstens zwei Werkzeugteilen, wobei der Instrumentenkopf gegenüber dem distalen Ende des Schaftes um eine erste Drehachse (ZI) schwenkbar ist, und wobei die Werkzeugteile über jeweils im Schaft geführte erste Zugmittel und zweite Zugmittel um eine zweite Drehachse (Yl) schwenkbar sind. Insbesondere ist das medizinische Instrument dadurch gekennzeichnet, dass es eine Umlenkanordnung aufweist, die wenigstens zwei Rollen umfasst und ausgebildet ist, jeweils das erste Zugmittel und das zweite Zugmittel beabstandet von der Mittelachse des Schaftes zu führen.
Mit Hilfe der zwei Schwenkachsen kann das Werkzeug oder der Endeffektor nicht nur in einer Ebene möglichst weit schwenken, sondern auch durch die Überlagerung der Abwinkelung des Instrumentenkopfes zum Schaft im Raum eine Vielzahl von Positionen und Orientierungen im Raum erreichen. Durch die außermittige Anordnung der Zugmittel wird eine Situation erreicht, in der das Zugmittel z. B. in Form eines Zugseiles aus Draht, distal vom abwinkelnden Bereich keinen Versatz von Rollen mehr ausgleichen muss. Die durch die Abwinkelung des Instrumentenkopfes zum Schaft zwangsläufig entstehende Positionsänderung des Zugmittels wird nicht im kurzen distalen Bereich des Werkzeugträgers (Länge ca. 10 mm bzw. 1 cm) sondern über die proximale Schaftlänge (300, 350, 400 oder 450 mm) ausgeglichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Instrumentenkopf mittels einer Steuerscheibe am distalen Schaftende, deren Rotationsachse die erste Drehachse (ZI) definiert, und einem darüber geführten Zugmittel in einer ersten Ebene (X-Y) schwenkbar gelagert. Ferner sind die Werkzeugteile in einer zweiten Ebene (X-Z) zueinander schwenkbar, wobei die zweite Ebene (X-Z) senkrecht zur ersten Ebene (X-Y) angeordnet ist.
Mit Hilfe der über die Steuer scheib en geführten Zugmittel wird eine Auslenkung des Endeffektors bzw. der Werkzeugteile in verschiedenen Richtungen erreicht und eine Mehrzahl von Bewegungsfreiheitsgraden erreicht. Mittels der über die jeweiligen Steuer scheib en geführten Zugmittel kann die Auslenkung und Ausrichtung sowie das Öffnen und Schließen des Werkzeuges variabel gesteuert werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Werkzeugteil und das zweite Werkzeugteil mit jeweils einer Steuerscheibe zum Verschwenken um eine gemeinsame Drehachse (Yi) verbunden, wobei die jeweiligen Zugmittel um die jeweiligen Steuer scheib en führbar sind und ferner mittels einer als Umlenkrolle ausgebildeten Rolle so umlenkbar sind, dass jeweils ein Umschlingungswinkel (ß) größer als 180 ° erreicht wird.
Auf diese Weise wird der umgelenkte Zugmittelabschnitt beabstandet von der Hauptachse des Werkzeugträgers geführt, wobei die genannte Hauptachse bei 0 ° Abwinkelung mit der Longitudinalachse oder Mittelachse des Schaftes fluchtet und die Drehachse (Yi) schneidet. So wird im distalen Bereich des Werkzeugträgers eine außermittige Zugmittelführung gewährleistet. Bei einer Steuerbewegung eines Werkzeugteiles bleibt der Umschlingungswinkel von größer als 180 ° erhalten und es ändert sich nur die Position des Zugmittels. In anderen Worten in jeder Auslenkungsposition eines Werkzeugteiles ist die Zugmittelposition im distalen Werkzeugteilbereich definiert. Die Steuerbewegung des Zugmittels, das kraftschlüssig mit der Steuerscheibe verbunden ist, erzeugt eine Kreisbewegung der Steuerscheibe des jeweiligen Werkzeugteiles und wandelt diese in eine Rotationsbewegung um, um das Werkzeugteil zu Verschwenken.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfassen beide Zugmittel jeweils wenigstens drei Abschnitte in einem Werkzeugträger, in dem beide Steuer scheib en und Umlenkrollen angeordnet sind, wobei ein erster Abschnitt im Wesentlichen parallel zur Längserstreckung des Werkzeugträgers und tangential zur jeweiligen Steuerscheibe führbar ist, ein zweiter Abschnitt, der ein Fixationsmittel zur drehfesten Verbindung mit der jeweiligen Steuerscheibe aufweist und wenigstens teilweise über die jeweilige Steuerscheibe führbar ist, und ein dritter Abschnitt mittels der jeweiligen Umlenkrolle zu dem ersten Abschnitt hin und beabstandet von der Mittelachse des Werkzeugträgers umlenkbar ist.
Beide Zugmittel werden somit paarweise auf gegenüberliegenden Seiten d. h. beidseitig von der Mittelachse geführt. Dabei ist das jeweilige Zugmittel mit einem Fixationsmittel an der jeweiligen Steuerscheibe befestigt, womit eine zuverlässige Ansteuerung möglich ist. Der erste Zugmittelabschnitt sowie der dritte Zugmittelabschnitt befinden sich auf der Ebene, die von der Steuerscheibe aufgespannt wird und parallel zu der Ebene X-Z ist. Das heißt es wird durch die Umlenkrolle ein Versatz der Zugmittel senkrecht zur Steuerebene bzw. der X-Z- Ebene vermieden. Auf diese Weise werden in der Ebene der Steuerscheibe des ersten Werkzeugteiles das erste Zugmittel und in der Ebene der Steuerscheibe des zweiten Werkzeugteiles das zweite Zugmittel im Werkzeugträger so geführt, dass die jeweils durch die zuordenbaren Umlenkrollen zu einem Seilzugpaar gebündelten Zugmittel beidseitig der Steuerscheibe des Instrumentenkopfes, die am distalen Schaftende angeordnet ist, geführt werden. Dabei ist die Steuerscheibe des Instrumentenkopfes bzw. des Werkzeugträgers so angeordnet, dass ihre Rotationsachse von der Mittelachse des Schaftes geschnitten wird. Diese mittige Anordnung der Steuerscheibe des Instrumentenkopfes wird optimal durch die außermittige Führung der Zugmittel ergänzt. In anderen Worten ein erstes Zugmittel kann auf der einen Seite der Steuerscheibe des Instrumentenkopfes zum Schaft geführt werde, während das andere Zugmittel auf der anderen Seite der Steuerscheibe geführt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Drehachse der Steuer scheib en parallel zu den Drehstiften der Umlenkrollen angeordnet.
Hier sind die Steuer scheib en der Werkzeugteile gemeint, deren gemeinsame Drehachse parallel zu den Drehstiften der Umlenkrolle angeordnet sind. So können die Zugmittel in einer Ebene, die parallel zu der Mittelachse, verläuft, geführt werden und bleiben zugleich auf einer Ebene die von den jeweiligen Steuerscheiben aufgespannt wird. Auf diese Weise kann das um die Steuerscheibe eines Werkzeugteiles geführte Zugmittel ohne Versatz geführt werden, d. h. in einer Ebene parallel zur der Ebene der Steuerscheibe verlaufen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Umlenkanordnung ferner Rollen zur Führung im proximalen Bereich des Werkzeugträgers, wobei die von dem Instrumentenkopf in Richtung Schaft geführten Teilabschnitte des ersten Zugmittels zwischen einem ersten Rollenpaar und einem zweiten Rollenpaar führbar sind.
Der proximale Bereich des Werkzeugträgers ist im zusammengebauten Zustand des Instrumentes auf der Höhe des distalen Schaftendes. Nachdem die Teilabschnitte des ersten Zugmittels bzw. das Zugseilpaar durch beide Rollenpaare geführt werden, können die Teilabschnitte parallel zueinander und außermittig von der Schaftachse in dem Schaft geführt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Achsen der ersten und zweiten Rollenpaare senkrecht zu der Drehachse der Umlenkrolle angeordnet. Auf diese Weise können die im distalen Bereich des Werkzeugträgers nach der Umlenkrolle geradlinig und nebeneinander geführten Teilabschnitte mit Hilfe der Führungsrollen bzw. Rollen zur Führung im proximalen Bereich des Werkzeugträgers übereinander weitergeführt werden. Der Abstand der nebeneinander geführten Teilabschnitte zueinander kann danach auch weiterhin im Schaft aufrechterhalten werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Werkzeugträger im distalen Bereich eine erste Gabel zur Lagerung eines Drehstiftes der Steuer scheib en und der Drehstifte der Umlenkrollen. Ferner weist der Werkzeugträger im proximalen Bereich eine zweite Gabel auf, die senkrecht zur ersten Gabel angeordnet ist.
Jede Gabel hat zwei Haltearme, die zwischen den Armen vorteilhafterweise Drehstifte oder andere Lagerbauteile aufnehmen können. Durch die senkrecht zueinander stehenden Gabeln können die senkrecht zueinander stehenden Achsen der Rollen d. h. der Umlenkrollen und der Rollen zur Führung umfassend Rollenpaare realisiert werden. Die zweite Gabel weist in jedem Haltearm zwei Aussparungen auf, um darin die dem jeweiligen Haltearm zugewandten Drehstifte eines Rollenpaares zur Führung aufnehmen zu können. Der Abstand der Aussparungen der zweiten Gabel ist dabei so gewählt, dass die an den Drehstiften angeordneten doppelten Rollen, das Zugmittel ohne Spiel zwischen dem Rollenpaar führen können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Umlenkanordnung ferner Rollen zur Führung des zweiten Zugmittels, wobei die von dem Instrumentenkopf in Richtung Schaft geführten Teilabschnitte des zweiten Zugmittels zwischen einem dritten Rollenpaar und einem vierten Rollenpaar so führbar sind, dass der mittelachsnahe Teilabschnitt des zweiten Zugmittels wenigstens 0,4 mm von der Mittelachse des Schaftes beabstandet führbar ist.
Im nicht abgewinkelten Zustand verläuft der Zugmittel ab schnitt des zweiten Zugmittels durch die Führungsrollen parallel versetzt um wenigstens 0,4 mm zu der Mittelachse des Werkzeugträgers und des Schaftes. Wird der Werkzeugträger abgewinkelt, ist der Teilabschnitt distal von den Führungsrollen außermittig d. h. beabstandet vonder Hauptachse des Werkzeugträgers angeordnet, während der in den Schaft geführte Teilabschnitt außermittig von der Longitudinalachse des Schaftes geführt wird. Für den Teilabschnitt distal der Rollen ist trotz Ab- winkelung kein Versatz notwendig.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist / sind das erste Rollenpaar über dem zweiten Rollenpaar und / oder das dritte Rollenpaar und das vierte Rollenpaare so übereinander ange- ordnet, dass jeweils zwei übereinanderliegende Rollen gemeinsame Achsen (Z281, Z282, Z273, Z274) bilden und optional als Doppelrolle ausgebildet sind, wobei die Achsen (Z281, Z282. Z273, Z274) parallel zueinander und parallel zu der Drehachse der Steuerscheibe am distalen Schaftende angeordnet sind.
Auf diese Weise können die Rollen platzsparend angeordnet werden. Zwei übereinaderliegende Rollen können sich somit jeweils einen Drehstift teilen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist jeweils ein Drehstift für jeweils zwei übereinanderliegende Rollen oder je Doppelrolle durch die Steuerscheibe am distalen Schaftende hindurchgeführt.
Die Steuerscheibe kann neben der Steuerung der Abwinkelung des Instrumentenkopfes vorteilhafterweise als Abstandshalter der Zugmittel von der Mittelachse des Schaftes genutzt werden. Die Drehstifte werden hierfür in die Steuerscheibe aufgenommen und erstrecken sich weg von der Steuerscheibe, um auf jeder Seite jeweils ein doppeltes Rollenpaar aufzunehmen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird in Abhängigkeit von der Abwinkelung des Instrumentenkopfes in Bezug auf die Longitudinalachse des Schaftes ein Zugmittel einen Umschlingungswinkel (5) um die der Abwinkelungsrichtung zugewandten Rollen des jeweiligen Rollenpaares zur Führung gebildet, wobei der Umschlingungswinkel (5) vorzugsweise bis zu 90 “beträgt.
Bei der Abwinkelung des Werkzeugträgers bzw. Instrumentenkopfes im Bezug zum Schaft können die Rollen zur Führung auch als Umlenkrollen genutzt werden. In der extremen Abwinkelung kann ein Umschlingungswinkel 5 von etwa 90 0 um eine Führungsrolle gebildet werden. Wird der Werkezugträger nur 45 0 abgewinkelt im Bezug zum Schaft ergibt sich ein Umschlingungswinkel 5 von etwa 45 °. Unabhängig von der Abwinkelung werden die mittels der Rollen zur Führung übereinander geführten Teilabschnitte weiter in den Schaft geführt. Der durch die Abwinkelung enstehende Positionsänderung des Zugmittels wird nicht im kurzen distalen Werkzeugträgerbereich, sondern über die proximale Schaftlänge ausgeglichen. Auf diese Weise kann die Belastung des Zugmittels reduziert werden
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist eine proximal am Schaft angeordnete Betätigungseinheit ausgebildet, das erste Werkzeugteil mittels dem ersten Zugmittel und / oder das zweite Werkzeugteil mittels des zweiten Zugmittels von einer Schließ- in eine Offenstellung und umgekehrt zu verschwenken, wobei die Führung beider Zugmittel im Bereich des Werkzeugträgers mittels der Umlenkanordnung ohne Versatz zwischen den Rollen und in jeder Position des Zugmittels erfolgt, wobei die Position von den jeweiligen Verschwenkungsgrad abhängt.
Mit Hilfe der Umlenkanordnung kann somit jede beliebige Offenstellung ohne Versatz der Zugmittel erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das erste Zugmittel und das zweite Zugmittel beidseitig der Längserstreckung oder Mittelachse in der Schafthülle geführt.
Auf diese Weise kann ein Kontakt sowohl zwischen den Zugmitteln als auch zwischen den Teilabschnitten eines Seilzugpaares vermieden werden. Dabei ist mit Hilfe der doppelten Rollenpaare ein Abstand der Teilabschnitte zueinander gewährleistet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfassen die Werkzeugteile ein Werkzeug mit mindestens zwei geraden oder wenigstens teilweise gekrümmten Backen, Schneiden oder anderen Maulteilen und ferner ist das Werkzeug ausgewählt aus der Gruppe umfassend: eine Greifzange, Präparierzange oder andere Zange, eine Schere oder einen Nadelhalter.
In der minimalinvasiven Endoskopie, die u. a. in der robotergestützten Telechirurgie Verwendung finden kann, können genannte Werkzeugteile vorteilhaft eingesetzt werden. Zur Manipulation mit automatischen Betätigungseinheiten können die Greifer, Nadelhalter oder Zangen an Roboterarmen betrieben werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Zugmittel und das zweite Zugmittel jeweils ein zugaufnehmendes Seil, das im Schaft jeweils ein Zugseilpaar bildet und hergestellt ist aus eines der folgenden Materialien: Draht, Stahl, Aramid, Nylon vorzugsweise als Monofilament, Multifilament oder in Kombination mit im Schaft geführten Zugstangen oder anderen geeigneten Materialien.
Bevorzugt werden als Zugmittel Seilzüge eingesetzt. Es kann sich bei den beiden Zugmitteln um metallische Seile wie Stahlseile oder solche aus Wolfram handeln. Daneben ist auch die Verwendung von zugfesten Kunstfaserseilen wie aus Aramid oder hochfesten Nylonfasem möglich. Alternativ zu vollkommen flexiblen Zugmitteln können auch Zugstangen verwendet werden, die wenigstens distal von dem Bereich des distalen Endes des Schaftes d. h. ab dem Bereich wo die Abwinkelung zwischen Schaft und Instrumentenkopf quer zur Längsausdeh- nung des Schafts erfolgt, flexibel ausgebildet sind. Auch sollte eine Flexibilität der Zugmittels auf der Höhe der Rollen und Steuer scheib en und in jeder Steuerposition gegeben sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind beide Zugseilpaare wenigstens abschnittsweise parallel zueinander innerhalb des Schafts angeordnet sind; wobei der Schaft wenigstens eine Länge von 300, 350,400, vorzugsweise 450 mm aufweist und einen Außendurchmesser von weniger 8 mm, vorzugsweise weniger oder gleich 5,5 mm.
Durch die parallele Anordnung der Zugseilpaare kann ein Kontakt und damit unerwünschte Reibung vermieden werden. Die beiden Zugsseilpaare sind zudem beidseitig und symmetrisch von der Mittelachse angeordnet, so dass ausreichend Abstand der Zugmittelpaare zueinander besteht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das medizinische Instrument wenigstens einer Betätigungseinheit zur Steuerung des ersten Zugmittels und / oder des zweiten Zugmittels, wobei die Betätigungseinheit manuell oder automatisch betätigbar ist.
Um die Verschwenkung der Werkzeugteile durch die jeweiligen Zugmittel oder Seilzugpaare steuern zu können, ist vorzugsweise eine Betätigungseinheit vorgesehen, die am proximalen Ende des Schaftes angeordnet ist. Die beiden Zugseilpaare sind mit der Betätigungseinheit zur Steuerung wirkverbunden und werden dann durch den Schaft zum distalen Ende des medizinischen Instrumentes geführt. Bei der Betätigungseinheit kann es sich um eine manuell bedienbare Handhabe oder um eine automatische ausgeführte Einheit handeln.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das medizinisches Instrument eine Schnittstelle zur Anbindung an einen Roboter auf.
Mit Hilfe einer Schnittstelle zur Anbindung an einen Roboter oder an ein robotisches Operationssystem kann die Betätigungseinheit automatisch bedient werden.
Schließlich kann gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ein chirurgisches Robotersystem bereitgestellt werden, welches ein medizinisches Instrument nach einem der vorhergehenden Merkmale umfasst. Kurze Figurenbeschreibung
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildung derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Die Zeichnungen dienen zur Illustration und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, weil der Schwerpunkt im Allgemeinen auf der Veranschaulichung der Grundlagen der Erfindung liegt. Begriffe wie ,oben‘, ,unten‘, ,oberhalb‘ und ,unterhalb‘ und die angegebenen Ebenen wie X-Y, X-Z sind nicht beschränkend zu verstehen, sondern als Referenzebenen zum besseren Verständnis der Erfindung. Die in der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmenden Merkmale können einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination erfindungsmäßig angewandt werden. In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Referenzzeichen durchgängig durch die verschiedenen Ansichten im Allgemeinen auf die gleichen Teile. Nicht alle Teile sind in allen Zeichnungen notwendigerweise mit Referenzzeichen versehen.
Weitere Ausführungsformen sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Gegenstände oder Teile derselben, die im Wesentlichen gleich oder ähnlich sind, können mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung. Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Figur 1 zeigt eine Ansicht eines distalen Endes eines Endoskopschafts mit einem Instrumentenkopf, wobei das Werkzeugteil in der Ebene X-Y dargestellt ist;
Figur 2 zeigt ebenfalls ein distales Ende eines Endoskops mit Instrumentenkopf, wobei hier die Ebene X-Z sowie Details des Werkzeugträgers und des Schaftendes mit einer teilweise transparenten Darstellung gezeigt werden; Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines medizinischen Instrumentes mit einem Werkzeug, das als Schere ausgebildet ist, sowie Details im Werkzeugträger bezüglich der Rollenanordnung und der Seilzugführung;
Figur 4 zeigt drei Ansichten und in der Mitte eine Seitenansicht in der Ebene X-Y mit Kennzeichnung der gezeigten Schnittansichten entlang der Schnitte A-A und B-B;
Figur 5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines distalen Endes eines Endoskopschafts mit einem Werkzeug, wobei die äußeren Bauteile des Werkzeugträgers transparent gezeichnet sind, um die Rollenanordnung sowohl im Werkzeugträger als auch am Ende des Schaftes zeigen zu können;
Figur 6 zeigt eine perspektivische Explosionseinstellung der Bauteile eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels eines medizinischen Instrumentes;
Figur 7 zeigt eine Darstellung, wobei der Instrumentenkopf abgewinkelt ist und das Werkzeug geöffnet ist, sowie Details von der Zugmittelführung um die Steuerscheiben bzw. Rollen.
Detaillierte Figurenbeschreibung
Figur 1 zeigt eine Ansicht der Ebene X-Y eines distalen Schaftendes eines erfmdungsgemä- ßen medizinischen Instruments. Mit geschweiften Klammern ist der Schaft 200 dargestellt, sowie der Instrumentenkopf 300. Der Schaft 200 besteht aus einer Schafthülle 220 und weist eine Mittelachse oder Longitudinalachse 201 auf. Das Zugmittel 210 dient zur Abwinkelung des Instrumentenkopfes in einer Ebene (hier die XY- Ebene oder Zeichenebene). Das Zugmittel 210 ist um eine Steuerscheibe 215 des Instrumentenkopfes geführt und mit einem Fixationsmittel 216 an der Steuerscheibe 215 befestigt. Durch die Bewegung des Zugmittels 210 (angedeutet durch den gebogenen Doppelpfeil) wird die Steuerscheibe 2015 rotiert und es kann am distalen Schaftende eine Abwinkelung des Instrumentenkopfes 300 in Bezug zum Schaft 200 erfolgen.
Am Ende des Schaftes ist ein teilweise transparent gezeigter Werkzeugträgerhalter 260 mit einem Haltestift 250 angeordnet. Der Haltestift 250 verbindet den Werkzeugträger 330 mit dem Werkzeugträgerhalter 260. Am distalen Ende des Werkzeugträgers 330 ist ein Drehstift 350 angeordnet, um dem sich beide Werkzeugteile 370 und 380 drehen können. Hierzu weist jedes Werkzeugteil 370 bzw. 380 eine Steuerscheibe 315 bzw. 325 auf. Um diese Steuerscheiben 315, 325 sind Zugmittel 310 bzw. 320 geschlungen, die in Richtung Schaft 200 zur Steuerung geführt werden. Das Zugmittel 310 wird über eine Umlenkrolle 361 geführt. Die Umlenkrolle 361 weist einen Drehstift 360 auf. Wie die Figur 1 zeigt, werden sowohl das Zugmittel 310 als auch das Zugmittel 320 jeweils ohne Versatz zu den Umlenkrollen 361 bzw. 362 geführt. Das Richtung Schaft 200 in X-Richtung geführte Zugmittel 310 wird zwischen zwei Rollen 281 und 282 geradlinig und parallel zur Mittelachse des Werkzeugträgers 330 geführt. Die Rolle 282 zur Führung kann mittels dem Drehstift 285 gedreht werden. Die Rollen 281 und 282 bilden somit ein Rollenpaar 280 zur Führung des in Figur 1 gezeigten Teilabschnittes des ersten Zugmittels 310 (siehe dunkle Färbung im Vergleich zur helleren Farbe des zweiten Zugmittels 320).
Figur 2 zeigt das medizinische Instrument 100 der Figur 1 um 90 ° gedreht, so dass hier die Ebene X-Z dargestellt wird. Mit geschweiften Klammern werden hier der Instrumentenkopf 300 angezeigt, sowie das Werkzeug 301. Das Werkzeug 301 weist ein erstes Werkzeugteil oder Maulteil 370 auf und ein zweites Maulteil bzw. Werkzeugteil 380. Der Werkzeugträger 330 ist so transparent dargestellt, dass man die obere Steuerscheibe 315 des Werkzeugteiles 370 sehen kann. Um diese Steuerscheibe 315 ist ein Zugmittel 310 geführt, wobei das Zugmittel 310 über die Umlenkrolle 361 von außen über die Mitte hinweg in Richtung des anderen Zugmittelabschnittes, der außen am Werkzeugträger geführt wird, umgelenkt wird. Auf diese Weise wird das Zugmittelpaar des Zugmittels 310 außermittig geführt.
Die Umlenkrolle 361 weist eine in y Richtung verlaufenden Drehstift auf. Die nebeneinander verlaufenden Abschnitte des Zugmittels 310 werden am distalen Ende 230 des Werkzeugträgerhalters 260 über zwei nebeneinanderliegende Rollen 281 und 282 geführt. Diese beiden Rollen sind so übereinander angeordnet, dass über einen gemeinsamen Drehstift 285 rotiert werden können.
Für das andere Zugmittel 320 ist ebenfalls eine übereinander angeordnete Rollenanordnung aus den Rollen 271 und 273 vorgesehen mit ebenfalls einem gemeinsamen Drehstift 385. Mithilfe dieser Anordnung der Rollen können die Zugmittel 310 und 320 parallel zueinander innerhalb des Schaftes geführt werden. Zudem kann durch den, durch die Rollen gebildete Abstand, jedes Seilzugpaar kontaktfrei im Schaft 200 geführt werden.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen medizinischen Instrumentes 100 mit einem anderen Werkzeug, wobei die Werkzeugteile als Schneide ausgebildet sind (371, 381). Der Kreis 390 zeigt schematisch die offene Position der Werkzeugteile. Die Werkzeugteile 370, 380 können in der X-Z- Ebene jeweils geöffnet oder geschlossen werden, wie durch den Doppelpfeil in der Kreisfläche und zwischen den Werkzeugteilen 371 und 381 angedeutet. Die Figur 3 zeigt ebenfalls einen Schaft 200 und den Werkzeugträger 330 mit weiteren Details. Insbesondere wird das Zugmittel 310 in verschiedene Zugmittel ab schnitte aufgeteilt.
Der erste Abschnitt des ersten Zugmittels 311 verläuft am äußeren Rand des Werkzeugträgers 330. Der erste Abschnitt 311 wird also tangential zur Steuerscheibe 315 geführt. Daraufhin wird der zweite Abschnitt des Zugmittels 312 um die Steuerscheibe 315 geführt, wobei der zweite Abschnitt 312 ein Fixationsmittel 316 zur drehfesten Verbindung mit der Steuerscheibe 315 aufweisen kann. Das Fixationsmittel 316 ist hier nicht gezeigt und kann beispielsweise auf Figur 2 oder Figur 6 gesehen werden. Ist kein Fixationsmittel vorgesehen wird durch eine ausreichende Verspannung des Zugmittels 310 eine kraftschlüssige Verbindung mit der Steuerscheibe 315 hergestellt. Für eine präzise Steuerung soll Spiel des Zugmittels in Bezug auf die Steuerscheibe vermieden werden damit jede Positionsänderung des Zugmittels auch eine Verschwenkung des jeweilig angesteuerten Werkzeugteiles bewirkt.
Der nächste Abschnitt des ersten Zugmittels 313 zeigt die Umlenkung von der Steuerscheibe 315 zu der Umlenkrolle 361. Nach der Umlenkrolle 361 verläuft der vierte Abschnitt 314 des Zugmittels geradlinig zwischen einem Führungsrollenpaar (hier nur eine Rolle 283 des Paares sichtbar).
Der dritte Abschnitt 313 wird mittels der jeweiligen Umlenkrolle 361 so zu dem ersten Abschnitt 311 hingeführt, dass der Abstand des ersten Abschnitts 311 und dritten Abschnitts 313 weniger als der Zugmitteldurchmesser ist. Zudem wird mit der Umlenkrolle 361 der dritte Abschnitt 313 so umgelenkt, dass er von der Mittelachse des Werkzeugträgers beabstandet ist. Dabei führt die Umlenkrolle 361 das Zugmittel 310 so um die Steuerscheibe, dass der Umschlingungswinkel ß größer als 180 ° ist.
Dieselbe Umlenkungsanordnung mit einer Umlenkrolle (362 hier größtenteils verdeckt) und Führungsrollen im distalen Bereich des Werkzeugträgers 330 ist ebenfalls für das zweite Zugmittel 320 vorgesehen. In dieser Darstellung können jedoch nur die Teilabschnitte 321 und 324 gesehen werden.
Figur 4 zeigt drei Ansichten des distalen Endes eines Endoskops mit einem Instrumentenkopf 300 und einem Schaft 200. Im mittleren Bild wird das medizinische Instrument 100 von der Seite des Werkzeugteiles 380 gezeigt. Der Schaft 200 weist eine Schafthülle 220 auf und einen Werkzeugträgerhalter 260, der gegenüberliegende Haltestifte 250, 251 für den Werkzeugträger 330 aufweist. Zudem werden die Steuer scheib en 315 und 325 der Werkzeugteile 370 und 380 gezeigt. Durch die Ebenen der Steuer scheib en 315, 325 werden Schnitte gelegt, einmal der Schnitt B-B von oben gesehen und einmal der Schnitt A-A von unten gesehen.
Der Schnitt A-A zeigt einen Schnitt durch die Steuerscheibe 325 von unten, wobei die Steuerscheibe 325 am distalen Ende des Werkzeugträgers 330 angeordnet ist. Das Zugmittel 320 ist um die Steuerscheibe 325 gelegt und mit einem Fixationsmittel 326 an dieser befestigt. Zudem sieht man im AA-Schnitt das erste Zugmittel 310 und einen Schnitt durch den Drehstift 285 für zwei Führungsrollen für das erste Zugmittel 310. Der Drehstift 285 ist durch die Steuerscheibe 215 durchgeführt und erstreckt sich in Richtung Werkzeugträger 330 und durch diesen hindurch bis zur Höhe des Werkzeugträgerhalters 260.
Der Schnitt B-B der von oben das Instrument 100 darstellt, zeigt die Steuerscheibe 315 des anderen Werkzeugteiles 370 und das Zugmittel 310, das ebenfalls um die Steuerscheibe 315 gelegt ist und mit einem Fixationsmittel 316 fixiert ist. Der Umschlingungswinkel des Zugmittels 310, 320, um die jeweilige Steuerscheibe 315, 325 ist bei beiden Anordnungen größer als 180 °. Nachdem die Zugmittel 310, 320 durch jeweils eine Umlenkrolle 361 bzw. 362 außermittig geführt werden, werden die Zugmittel noch durch die jeweiligen doppelten Rollenpaare geführt, die in den Schnitten nur zum Teil zu sehen sind.
Die Darstellung des Schaftes 200 im Schnitt A-A zeigt, dass die Zugmittelabschnitte 320S1 und 320S2 des Zugmittels 320 parallel zueinander geführt sind und somit kein Kontakt besteht. Diese kontaktfreie parallele Führung im Schaft 200 ist auch bei den Teilabschnitten 317 und 318 des ersten Zugmittels 310 gegeben (siehe Referenzzeichen in B.B). Auf diese Weise werden Reibungen vermieden. In dem Schnitt B-B kann ein Schnitt durch einen Drehstift 385 und den zugehörigen Rollen zur Führung des zweiten Zugmittels 320 gesehen werden.
Die Figur 5 zeigt eine perspektivische Ansicht des medizinischen Instrumentes 100 mit einem Werkzeug bestehend aus zwei Werkzeugteilen 370 und 380. Diese können entlang der Drehachse Yi und dem zugehörigen Drehstift 350 in einem ersten Freiheitsgrad bewegt werden. Zudem kann der gesamte Instrumentenkopf 300 mit Hilfe der Steuerscheibe 215 um eine weitere Achse Zi gedreht werden, die senkrecht zu der Achse Yi angeordnet ist. Hier sind somit zwei Freiheitsgrade für das Instrument realisiert. Weiterhin zeigt die Figur 5 die Achsen der Umlenkrollen und zwar die Achse Y361 und Y362, die jeweils die zurückgeführten Zugmittel nach außen außermittig verlagern und so nahe zusammenführen, dass sie durch die Rollenpaare am proximalen Ende des Werkzeugträgers 330 geführt werden können. Ein Rollenpaar ist hier gezeigt und es werden hier die Achse Z281 beispielhaft gezeigt. Diese Darstellung zeigt, dass die Umlenkrollen 361, 362 bei den Steuerscheiben der Werkzeugteile 370, 380 senkrecht zu den Achsen der Doppelrollen (Z281) stehen.
Die Figur 6 zeigt eine Explosionsdarstellung in perspektivischer Ansicht des medizinischen Instrumentes 100. Das Werkzeugteil 370 hat eine zugehörige Steuerscheibe 315, um diese Steuerscheibe 315 wird das Zugmittel 310 geführt (nicht gezeigt). Dabei kann der Abschnitt 312 mit dem Fixationsmittel 316 an die Steuerscheibe 315 fixiert werden. Die Explosionsdarstellung zeigt den Verlauf des Zugmittels 310, wie wenn Abschnitt 312 um die Steuerscheibe 315 herum in einer Schlaufe geführt wird und mit der Umlenkrolle 361, die einen Drehstift
360 aufweist, zu dem Zugmittel 310 umgelenkt bzw. zurückgeführt wird.
Ferner zeigt die schlaufenförmige Zugmittelkonfiguration, dass beide Zugmittel ab schnitte 317 und 318 nach der Umlenkung mittels Rolle 361 im Wesentlichen parallel verlaufen. Diese parallele Führung wird im zusammengebauten Zustand des medizinischen Instrumentes durch die gezeigten Rollenpaare 283, 284 bzw. 281, 282 realisiert. D. h. der Abschnitt 317 wird durch das Rollenpaar 283 und 284 geführt und der Abschnitt 318 wird durch das Rollenpaar 281 und 282 geführt.
Die Rollen 281 und 283 sind übereinander geordnet und haben eine gemeinsame Drehachse Z281. Die Rollen 282 und 284 sind ebenfalls übereinander angeordnet und haben eine gemeinsame Achse Z282. Die Achse Z282 und Z281 sind senkrecht zu der Drehachse der Umlenkrolle
361 angeordnet. Zum Drehen der Rollen 281, 283, 282, 284 sind Drehstifte 285 vorgesehen.
Die Drehstifte 285 für die genannten Doppelrollen 283, 284 bzw. 281, 282 sind ausgelegt durch die Steuerscheibe 215 durchgeführt bzw. aufgenommen zu werden. Hierzu weist die Steuerscheibe 215 entsprechende Durchgangslöcher 218 bzw. Aufnahmen auf. Zudem weist eine Gabel 352 des Werkzeugträgers 330 in dem dem Zugmittel 310 zugewandten Haltearm zwei Aussparungen 354 auf, um die Drehstifte 285 aufzunehmen. Die Steuerscheibe 215 weist ein Fixationsmittel 216 auf mit dem das Zugmittel 210 befestigt werden kann. Das Zugmittel 210 ist dafür ausgelegt, den Instrumentenkopf 300 im Bezug zum Schaft um die Drehachse Zi abzuwinkeln. Diese Drehachse Zi ist auf der Höhe des Haltestiftes 250 des Werkzeugträgerhalters 260 mit einer gestrichelten Linie angedeutet.
Der Schaft 200 mit der Schafthülle 220 und der Mittelachse 201 weist den genannten Werkzeugträgerhalter 260 auf. Der Werkzeugträgerhalter 260 ist gabelförmig ausgebildet bzw. weist eine erste Gabel 351 und eine zweite Gabel 352 auf, die zueinander senkrecht stehen. In den Übergansbereich zur ersten Gabel 351 sind in den Haltearmen der zweiten Gabel 352 parallel zur Yi-Achse vier Aussparungen 354 angeordnet. Hiervon sind nur drei Aussparungen 354 für die Drehstifte 285 bzw. 385 zu sehen. Die Aussparungen 354 sind in den sich gegenüberliegenden Seiten der Haltearme der zweiten Gabel 352 so angeordnet, dass immer ein Rollenpaar und zugehörige Drehstifte 285 bzw. 385 aufgenommen werden können.
Am distalen Ende des Schaftes 200 ist der Werkzeugträgerhalter 260 so ausgestaltet, dass eine Abdeckung 265 des Schaftendes bereitgestellt wird. Diese Abdeckung 265 weist Durchgangslöcher für die Zugmittel auf. Zum einen für das Zugmittel 210 die Durchführung 221 und zum anderen die Durchführlöcher 261 für die Zugmittelpaare 310, 320, die zu den jeweiligen Werkzeugteile 370 bzw. 380 geführt werden.
Ferner wird der Werkzeugträger 330 gezeigt mit dem Drehstift 350. Der Werkzeugträger 330 weist im distalen Bereich eine erste Gabel 351 zur Lagerung des Drehstiftes 350 der Steuerscheiben 315, 325 und zur Lagerung der Drehstifte 360, 363 der Umlenkrollen 361, 362 auf. Im proximalen Bereich des Werkzeugträgers 330 ist die zweite Gabel 352 angeordnet, die senkrecht zur ersten Gabel 351 angeordnet ist. Die Haupterstreckungsachsen der Haltearme der zweiten Gabel 352 sind parallel zu den gabelförmigen Armen des Werkzeugträgerhalters 260. Die zweite Gabel 352 weist Aufnahmen 353 für die jeweiligen Haltestifte 251 und 250 auf. Auf diese Weise kann die zweite Gabel 352 genutzt werden, den Werkzeugträger 330 mit dem Werkzeugträgerhalter 260 über die Haltestifte zu verbinden, wobei die Bauteile zueinander beweglich gelagert sind, um die Abwinkelung des Werkzeugträgers 330 um die Zi-Achse zu ermöglichen.
Ferner zeigt Figur 6 das zweite Werkzeugteil 380 mit einer Steuerscheibe 325, die mit dem gezeigten Fixationsmittel 326 mit dem zweiten Zugmittel 320 verbunden werden kann. Der Abschnitt 322 des Zugmittels 320 zeigt eine Schlaufe (mehr als 180 °) entlang einer hier nicht gezeigten Steuer scheibe, wobei die Umlenkrolle 362 mit dem Drehstift 363 ausgelegt ist, den Zugmittel ab schnitt 323 zum ersten Abschnitt 321 zu führen. Schließlich werden die jeweili- gen Zugmittelabschnitte zwischen jeweils einem Rollenpaar, d. h. zwischen Achsen Z273 und Z274 in Richtung Schaft geführt. Die Rollenpaare, werden wie die anderen Rollen über Drehstifte 385 gedreht. Die Drehstifte 385 sind in Figur 6 nahe der Steuerscheibe 215 gezeigt, da die Drehstifte 385 durch die Steuerscheibe 215 mit entsprechenden Aufnahmen 218 aufgenommen werden.
Figur 7 zeigt das distale Ende eines Schaftes 200 mit einem gegenüber dem Schaft 200 abgewinkelten Instrumentenkopf und einem geöffneten Werkzeug 301. Das Werkzeug 301 hat die Werkzeugteile 370 und 380 und, wie die Kreisfläche 390 schematisch andeutet, schließen die Werkzeugteile 370 und 380 einen Öffnungswinkel e ein. Andere Öffnungswinkel e sind natürlich möglich. Das Werkzeugteil 370 wird mit dem Zugmittel 310 gesteuert über die Steuerscheibe 315. Das andere Werkzeugteil 380 wird durch das zweite Zugmittel 320 ebenfalls mit einer Steuerscheibe 325, die hier nicht sichtbar ist, gesteuert.
Der Werkzeugträger 330 wird mit einer Strich-Punkt-Linie angedeutet und so transparent dargestellt, dass die Umlenkanordnung sichtbar ist. Das zweite Zugmittel 320 wird mittels der Umlenkrolle 362 und dem zugehörigen Drehstift 363 außermittig umgelenkt. Auf der gegenüberliegenden Seite wird auch eine Umlenkrolle 361 mit einem Drehstift 360 bereitgestellt, um das erste Zugmittel 310 ebenfalls außermittig umzulenken und zu den zuordenbaren Rollenpaaren zu führen.
Zur besseren Veranschaulichung der Umlenkung ist rechts von dem geöffneten Werkzeugteil schematisch der Verlauf des zweiten Zugmittels 320 gezeigt. Hier wird der erste Abschnitt 321 (siehe schwarz gepunktetes Muster) tangential zu der Steuerscheibe 325 hingeführt und der zweite Abschnitt 322 (weiß gepunktetes Muster) des Zugmittels 320 wird um die Steuerscheibe mit einen Umschlingungswinkel ß von größer 180 0 geführt. Der dritte Abschnitt 323 des zweiten Zugmittels wird zur Umlenkrolle 362 und damit außermittig geführt und daraufhin zum ersten Abschnitt 321 hin und nahezu parallel dazu geführt. Der erste Abschnitt 321 und der vierte Abschnitt 234 werden daraufhin zu den Rollen 372 und 374 geführt wobei die hinteren Rollen verdeckt sind.
Ein Doppelrollenpaar wird in einer weiteren schematischen Detailansicht in dem gestrichelten Kreis gezeigt. Hier sieht man die gegenüberliegenden Rollen 371 und 372 sowie das zweite Zugmittel 320. Das aus dem Schaft kommende Zugmittel 320 wird mittels der Rolle 371 zur Führung aufgrund der Abwinkelung um einen Winkel 5 umgelenkt. Dies wird angedeutet durch den anders gemusterten Teilabschnitt 327 (weiße Punkte auf dunklen Grund). Der Winkel 5 ist in der gezeigten Abwinkelung 90 °. Die analoge Umlenkung bzw. Führung findet auch mittels den anderen Rollenpaar, das nach hinten versetzt ist mit dem Abschnitt 324 statt. Der Umschlingungswinkel 5 kann alternativ (nicht gezeigt) auch weniger betragen, wenn die Abwinkelung weniger extrem gewählt wird. Nach der Umlenkung durch die jeweiligen Führungsrollen 371 und 373 (nicht gezeigt) werden die Teilabschnitte des zweiten Zugmittels 320 parallel in dem Schaft geführt.
Die Abwinkelung des Instrumentenkopfes zu dem Schaft 200 wird wie in den anderen Ausführungsformen durch die Steuerscheibe 215 und den entsprechenden Zugmittel 210 realisiert. Durch die Abwinkelung wird lediglich der Umschlingungswinkel (hier Winkel 5) um die übereinander gelegten Rollen 371 und 373 verändert. Durch diese Führung der Zugmittel und einer außermittige Anordnung außerhalb der Longitudinalachse 201 wird eine Situation erreicht in der das Zugmittel 320 distal vom abwinkelnden Bereich kein Versatz der Rollen mehr ausgleichen muss. Der durch die Abwinkelung zwangsläufig entstehende Positionsänderung vorzugsweise als Draht ausgeführte Zugmittel 310, 320 wird nicht im kurzen distalen Werkzeugträgerbereich sondern über die proximale Schaftlänge von ca. 450 mm ausgeglichen. Dadurch wird der Winkelfehler des Drahtseiles minimal und die Belastung des Zugmittels 320 kann deutlich reduziert werden. Derselbe Vorteil gilt auch für das andere Zugmittel 310. Schließlich kann durch die erfindungsgemäße Konfiguration ein Aufbau des Schaftes und des Instrumentenkopfes mit kleineren Außendurchmessern z. B. 8 mm ermöglicht werden. Bevorzugt werden Außendurchmesser von 5,5 mm bereitgestellt, bzw. 5 mm.
Die Figur 7 zeigt das doppelte Rollenpaar 371 und 372 zur Führung des zweiten Zugmittels 320. Die Führung erfolgt beispielsweise 0,4 mm beabstandet von der Hauptachse wodurch das zweite Zugmittel im Bereich distal der Rollen keinen Versatz mehr aufweisen muss, wie es beispielsweise bei dem im Einleitungsteil genannten medizinischen Instrument gemäß dem Da-Vinci®-Endrowrist-System von Intuitive Surgical der Fall ist
Die vorliegende Erfindung stellt ein medizinisches Instrument mit zwei Instrumentenfreiheitsgraden mit einer Umlenkanordnung der Zugmittel zur Fernmanipulation eines Werkzeuges am distalen Ende des Instrumentes bereitstellen. Dabei ist die Umlenkanordnung zur Reduzierung der mechanischen Belastung der Zugmittel ausgelegt. Das Instrument ist ferner geeignet für die minimalinvasive Chirurgie und für die robotergestützte Manipulation des medizinischen Instrumentes. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die Offenbarung betrifft ein Medizinisches Instrument 100 zur Femmanipulation mit einem Schaft 200, einen distalen Instrumentenkopf 300 mit wenigstens zwei Werkzeugteilen 370, 380, wobei der Instrumentenkopf 300 gegenüber dem distalen Ende 230 des Schaftes 200 um eine erste Drehachse ZI schwenkbar ist und wobei die Werkzeugteile 370, 380 über jeweils im Schaft 200 geführte erste Zugmittel 310 und zweite Zugmittel 320 um eine zweite Drehachse Y 1 schwenkbar sind. Insbesondere wird eine Umlenkanordnung mit wenigstens zwei Rollen 361, 362 vorzugsweise Umlenkrollen bereitgestellt, die ausgebildet ist, jeweils das erste Zugmittel 311 und das zweite Zugmittel 321 beabstandet von der Mittelachse 201 des Schaftes 200 zu führen. Ferner umfasst die Umlenkanordnung Rollen zur Führung im proximalen Bereich eines Werkzeugträgers 330, wobei die von dem Instrumentenkopf 300 in Richtung Schaft 200 geführten Teilabschnitte des ersten Zugmittels 310 zwischen einem ersten Rollenpaar 281, 282 und einem zweiten Rollenpaar 283, 284 führbar sind, wobei vorzugsweise die Achsen Z281, Z282 der ersten und zweiten Rollenpaare senkrecht zu der Drehachse der Umlenkrolle 361 des ersten Zugmittels angeordnet ist. Ferner wird ein chirurgisches Robotersystem offenbart, das ein medizinisches Instrument 100 mit den genannten Merkmalen umfasst.
Bezugszeichenliste
Medizinisches Instrument
Schaft
Mittelachse und Longitudinalachse des Schaftes erstes Zugmittel zur Abwinkelung des Instrumentenkopfes in einer ersten Ebene (X-Y-Ebene) am distalen Schaftende angeordnete Steuerscheibe zur Abwinkelung des Instrumentenkopfes in der ersten Ebene (X-Y-Ebene)
Fixationsmittel für Zugmittel
Durchgangslöcher oder Aufnahmen
Schafthülle
Durchführung oder Aussparung für zweites Zugmittel distales Schaftende
Haltestift für Werkzeugträger weiterer Haltestift für Werkzeugträger
Werkzeugträgerhalter am distalen Schaftende
Durchführt öcher
Abdeckung
Rollenpaar (281, 282) zur Führung eines Teilabschnittes des ersten Zugmittels erste Rolle zur Führung des Zugmittels zweite Rolle zur Führung des Zugmittels
Drehstift für zwei übereinanderliegende Rollen
Instrumentenkopf
Werkzeug erstes Zugmittel erster Abschnitt des ersten Zugmittels zweiter Abschnitt des ersten Zugmittels dritter Abschnitt des ersten Zugmittels erste Steuerscheibe zum Schwenken des ersten Werkzeugteiles in einer Ebene (X-Z)
Fixationsmittel für Steuerscheibe 315 und erstes Zugmittel
Teilabschnitt des ersten Zugmittels im Schaft
Teilabschnitt des ersten Zugmittels im Schaft 320 zweites Zugmittel
320 Sl, 320 S2 parallele Teilabschnitte des zweiten Zugmittels im Schaft
321 erster Ab schnitt des zweiten Zugmittel s
322 zweiter Abschnitt des zweiten Zugmittels
322 dritter Abschnitt des zweiten Zugmittels zwischen Umlenkrolle 362 und Steuerscheibe 325
324 vierter Abschnitt des zweiten Zugmittels
325 zweite Steuerscheibe in zweiter Ebene
326 Fixationsmittel zur Fixierung des zweiten Zugmittels an der Steuerscheibe
330 Werkzeugträger
331 Mittel- und Longitudinalachse des Schaftes
350 Drehstift
351 erste Gabel (distal) des Werkzeugträgers
352 zweite Gabel (proximal) des Werkzeugträgers
353 Aufnahme für Haltestift
354 Aussparung für Drehstifte für Rollen zur Führung
360 in Y-Richtung verlaufender Drehstift für erste Umlenkrolle
361 erste Umlenkrolle für das erste Zugmittel
362 zweite Umlenkrolle für das zweite Zugmittel
363 in Y-Richtung verlaufender Drehstift für zweite Umlenkrolle
370 erstes Werkzeugteil (Maul teil)
371 erstes als Schneide ausgebildetes Werkzeugteil
380 zweites Werkzeugteil (Maulteil)
381 zweites als Schneide ausgebildetes Werkzeugteil
385 Drehstifte für Führungsrollen
Y i Drehachse des ersten und zweiten Maulteiles zur Rotation in X-Z-Ebene
Y361 und Y362 Drehachse der ersten und zweiten Umlenkrolle
Zi Drehachse zum Schwenken des Instrumentenkopfes relativ zur Schaftachse beispielsweise zur Abwinkelung in X-Y-Ebene
Z273, Z 274, Z 282, Z 28i Drehachsen der doppelten Rollen zur Führung

Claims

Patentansprüche Medizinisches Instrument (100) zur Femmanipulation umfassend einen Schaft (200), einen distalen Instrumentenkopf (300) mit wenigstens zwei Werkzeugteilen (370, 380), wobei der Instrumentenkopf (300) gegenüber dem distalen Ende (230) des Schaftes (200) um eine erste Drehachse (ZI) schwenkbar ist, und wobei die Werkzeugteile (370, 380) über jeweils im Schaft (200) geführte erste Zugmittel (310) und zweite Zugmittel (320) um eine zweite Drehachse (Yl) schwenkbar sind, wobei eine Umlenkanordnung umfassend wenigstens zwei Rollen (361, 362) ausgebildet ist, jeweils das erste Zugmittel (311) und das zweite Zugmittel (321) beabstandet von der Mittelachse (201) des Schaftes (200) zu führen. Medizinisches Instrument (100) nach Anspruch 1, wobei der Instrumentenkopf (300) mittels einer Steuerscheibe (215) am distalen Schaftende (230), deren Rotationsachse die erste Drehachse (ZI) definiert, und einem darüber geführten Zugmittel (210) in einer ersten Ebene (X-Y) schwenkbar gelagert ist; und wobei die Werkzeugteile (310, 320) in einer zweiten Ebene (X-Z) zueinander schwenkbar sind, wobei die zweite Ebene (X-Z) senkrecht zur ersten Ebene (X-Y) angeordnet ist. Medizinisches Instrument (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Werkzeugteil (370, 371) und das zweite Werkzeugteil (380, 381) mit jeweils einer Steuerscheibe (315, 325) zum Verschwenken um eine gemeinsame Drehachse (Yi) verbunden ist, und wobei die jeweiligen Zugmittel (310, 320) um die jeweiligen Steuerscheiben (315, 325) führbar sind und ferner mittels einer als Umlenkrolle (361, 362) ausgebildeten Rolle (361, 362) so umlenkbar sind, dass jeweils ein Umschlingungswinkel (ß) größer als 180 ° erreicht wird. Medizinisches Instrument (100) nach Anspruch 3, wobei beide Zugmittel (310, 320) jeweils wenigstens drei Abschnitte (311, 312, 313; 321, 322, 323) in einem Werkzeugträger (330), in dem beide Steuerscheiben (313, 325) und Umlenkrollen (361, 362) angeordnet sind, umfassen, wobei
- ein erster Abschnitt (311, 321) im wesentlichen parallel zur Längserstreckung des Werkzeugträgers und tangential zur jeweiligen Steuerscheibe (315, 325) führbar ist,
- ein zweiter Abschnitt (312, 322), der ein Fixationsmittel (316, 326) zur drehfesten Verbindung mit der jeweiligen Steuerscheibe (315, 325) aufweist und wenigstens teilweise über die jeweilige Steuerscheibe (315, 325) führbar ist, und
- ein dritter Abschnitt (313, 323) mittels der jeweiligen Umlenkrolle (361, 362) zu dem ersten Abschnitt hin (311, 321) und beabstandet von der Mittelachse (201) des Werkzeugträgers (330) umlenkbar ist. Medizinisches Instrument (100) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die Drehachse (Yl) der Steuerscheiben (315, 325) parallel zu den Drehstiften (360, 363) der Umlenkrollen (361, 362) angeordnet ist. Medizinisches Instrument (100) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei der Werkzeugträger (330) im distalen Bereich eine erste Gabel (351) zur Lagerung eines Drehstiftes (350) der Steuerscheiben (315, 325) und der Drehstifte (360, 363) der Umlenkrollen (361, 362) umfasst; und wobei der Werkzeugträger (330) im proximalen Bereich eine zweite Gabel (352) umfasst und die senkrecht zur ersten Gabel (351) angeordnet ist. Medizinisches Instrument (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Umlenkanordnung ferner Rollen zur Führung im proximalen Bereich des Werkzeugträgers (330) umfasst, wobei die von dem Instrumentenkopf (300) in Richtung Schaft (200) geführten Teilabschnitte des ersten Zugmittels (310) zwischen einem ersten Rollenpaar (281, 282) und einem zweiten Rollenpaar (283, 284) führbar sind, wobei vorzugsweise die Achsen (Z281, Z282) der ersten und zweiten Rollenpaare senkrecht zu der Drehachse der Umlenkrolle (361) angeordnet ist. Medizinisches Instrument (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Umlenkanordnung ferner Rollen zur Führung des zweiten Zugmittels umfasst, wobei die von dem Instrumentenkopf (300) in Richtung Schaft (200 geführten Teilabschnitte des zweiten Zugmittels (310) zwischen einem dritten Rollenpaar (273, 274) und einem vierten Rollenpaar (271, 272) so führbar sind, dass der mittelachsnahe Teilabschnitte des zweiten Zugmittels wenigstens 0,4 mm von der Mittelachse des Schaftes beabstandet führbar ist. Medizinisches Instrument (100) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei das erste Rollenpaar (281, 282,) über dem zweiten Rollenpaar (283; 285) und / oder das dritte Rollenpaar (273, 274) und das vierte Rollenpaare (271, 272) so übereinander angeordnet ist / sind, dass jeweils zwei übereinanderliegende Rollen gemeinsame Achsen (Z281, Z282, Z273, Z274) bilden und optional als Doppelrolle ausgebildet sind, wobei die Achsen (Z281, Z282.Z273, Z274) parallel zueinander und parallel zu der Drehachse der Steuerscheibe (215) am distalen Schaftende angeordnet sind. Medizinisches Instrument (100) nach Anspruch 9, wobei jeweils ein Drehstift (385) für jeweils zwei übereinanderliegende Rollen oder je Doppelrolle durch die Steuerscheibe (215) am distalen Schaftende hindurchgeführt sind. Medizinisches Instrument (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei in Abhängigkeit von der Abwinkelung des Instrumentenkopfes in Bezug auf die Longitudinalachse (201) des Schaftes ein Zugmittel einen Umschlingungswinkel (5) um die der Abwinkelungsrichtung zugewandten Rollen des jeweiligen Rollenpaares (280) zur Führung gebildet wird, wobei der Umschlingungswinkel (5) vorzugsweise bis zu 90 0 beträgt.
Medizinisches Instrument (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine proximal am Schaft (200) angeordnete Betätigungseinheit ausgebildet ist, das erste Werkzeugteil (380) mittels dem ersten Zugmittel (310) und / oder das zweite Werkzeugteil (390) mittels des zweiten Zugmittels (320) von einer Schließ- in eine Offenstellung und umgekehrt zu verschwenken, wobei die Führung beider Zugmittel im Bereich des Werkzeugträgers (330) mittels der Umlenkanordnung ohne Versatz zwischen den Rollen und in jeder Position des Zugmittels erfolgt, wobei die Position von den jeweiligen Verschwenkungsgrad abhängt. Medizinisches Instrument (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Zugmittel (310) und das zweite Zugmittel (320) beidseitig der Längserstreckung oder Mittelachse (201) in der Schafthülle (220) geführt sind. Medizinisches Instrument (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Werkzeugteile (370, 380) ein Werkzeug (301) mit mindestens zwei geraden oder wenigstens teilweise gekrümmten Backen, Schneiden oder anderen Maulteilen umfassen und das Werkzeug ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend: eine Greifzange, Präparierzange oder andere Zange, eine Schere (371, 381) oder einen Nadelhalter. Medizinisches Instrument (100), nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Zugmittel (370) und das zweite Zugmittel (380) jeweils ein zugaufnehmendes Seil, das im Schaft jeweils ein Zugseilpaar bildet und hergestellt ist aus eines der folgenden Materialien:
Draht, Stahl, Aramidfaser, Nylon vorzugsweise als Monofilament oder in Kombination mit im Schaft (200) geführten Zugstangen oder anderen geeigneten Materialien. Medizinisches Instrument (100) ) nach Anspruch 15, wobei beide Zugseilpaare wenigstens abschnittsweise parallel zueinander innerhalb des Schafts angeordnet sind; wobei der Schaft wenigstens eine Länge von 450 mm aufweist und vorzugsweise einen Außendurchmesser von weniger 8 mm , vorzugsweise weniger oder gleich 5,5 mm. Medizinisches Instrument (100) nach einem der vorherstehenden Ansprüche, weiter umfassend wenigstens einer Betätigungseinheit zur Steuerung des ersten Zugmittels (310) und / oder des zweiten Zugmittels (320), wobei die Betätigungseinheit manuell oder automatisch betätigbar ist. Medizinisches Instrument (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ferner aufweisend eine Schnittstelle zur Anbindung an einen Roboter. Chirurgisches Robotersystem umfassend ein medizinisches Instrument (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 18.
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