Operations-Assistenz-System
Die Erfindung bezieht sich auf ein Operations-Assistenz-System für minimal invasive Intervention.
Operations-Assistenz-Systeme oder -Roboter sind grundsätzlich bekannt, und zwar zur Verwendung bei medizinischen Operationen z.B. zur Führung von Hilfsinstrumenten, wie z. B. Kameras, mit denen der Operationsbereich bildmäßig erfasst wird.
Bekannt sind insbesondere auch minimal invasive Operationen, bei denen ein Instrument, beispielsweise chirurgisches Instrument oder ein optisches oder bildgebendes Instrument, beispielsweise Endoskop, über eine kleinformatige Operations-Öffnung in den inneren Raum eines Patientenkörpers eingeführt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Operations-Assistenz-System für eine minimal invasive Intervention aufzuzeigen, welches es insbesondere ermöglicht, unter anderem während dieser Intervention bildgebende Untersuchungen und/oder Überwachungen eines Bereichs innerhalb des von außen für eine optische Betrachtung nicht zugänglichen Operationsraumes ungestört durchzuführen.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Operations-Assistenz-System oder -Roboter entsprechend dem Patentanspruch 1 ausgebildet.
"Bildgebende oder -erzeugende Medien" sind entsprechend der Erfindung beispielsweise Röntgenstrahlung, Magnetfelder oder elektromagnetische Wellen von auf diesen Medien basierenden, im medizinischen Bereich verwendeten bildgebenden Verfahren oder Systemen, wie z.B. Röntgengeräte, auf Röntgenstrahlung, Kernspin oder Magnetoresonanz basierende Computer-Tomographie-Systeme oder -
Einrichtungen, elektromagnetische Positions-Bestimmungs-Einrichtungen oder - Systeme usw..
Ein "neutraler Werkstoff" im Sinne der Erfindung ist ein Werkstoff, welcher für diese bildgebenden oder -erzeugenden Medien neutral oder annähernd neutral ist, d.h. insbesondere für das betreffende Medium durchlässig ist und keine oder zumindest keine wesentliche Reaktion mit dem bildgebenden oder -erzeugenden Medium zeigt. Neutrale Werkstoffe in diesem Sinne sind unter anderem Materialien, die weder ferromagnetisch, noch diamagnetisch und auch nicht elektrisch leitend sind bzw. eine nur geringe elektrische Leitfähigkeit und bevorzugt auch nur geringe dielektrische Verluste aufweisen.
Ein „Geberelement" ist im Sinne der Erfindung ein Element, welches vorzugsweise durch einen motorischen Antrieb gesteuert ein definiertes Volumen des Fluids, beispielsweise des hydraulischen Mediums an das zugehörige Nehmerelement der Kinematik liefert. Das Geberelement ist beispielsweise eine Kolben-Zylinder- Anordnung oder aber eine Pumpe, die an ihrem Ausgang ein steuerbares Volumen des Fluids für die Betätigung des Nehmerelementes liefert. Das Geberelement weist dann bevorzugt auch Sensoren auf, die ein der jeweiligen Stellung des Geberelementes und/oder dem jeweils abgegebenen Volumen des Fluids entsprechendes Mess- und Steuersignal liefern.
Ein „Nehmerelement" ist im Sinne der Erfindung allgemein ein Element, welches als Antriebselement der Kinematik von dem Geberelement über das Fluid betätigt wird, wobei die Verstell bewegung des Nehmerelementes proportional dem vom Geberelement gelieferten Fluidvolumen ist.
Als neutrale Werkstoffe eignen sich beispielsweise Kunststoffe, insbesondere glasfaser- und/oder kohlefaserverstärkte Kunststoffe, aber auch anorganische Werkstoffe, wie z. B. Keramik, eventuell auch Legierungen weicher Metalle, z. B. Aluminiumlegierungen.
Wird das erfindungsgemäße Operations-Assistenz-System an einer Operationsliege verwendet, so sind bevorzugt zumindest solche Elemente des Systems, und zwar einschließlich der Antriebe, Gelenke usw., aus einem oder aus mehreren neutralen Werkstoffen gefertigt, die (Elemente) sich oberhalb der Operationstischebene befinden.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht auch darin, dass sämtliche jeweils von einem Nehmerelement gebildeten Antriebe der Kinematik unmittelbar an dieser Kinematik vorgesehen sind, dass sich u.a. auch bereits hierdurch eine sehr steife Ausbildung der Kinematik ergibt, und dass bildgebende oder bilderzeugende Systeme durch die Antriebe und Sensoren nicht beeinträchtigt werden, und da sämtliche nicht aus dem neutralen Werkstoff bestehende Funktionselemente, insbesondere auch die gesamte Sensorik, mit der die Stellung der Nehmerelemente und damit der Zustand der Kinematik überwacht wird, am jeweiligen Geberelement außerhalb desjenigen Raumes vorgesehen sind, der von dem Medium der bildgebenden und/oder die Position und/oder Orientierung bestimmenden Einheit angeordnet ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 in vereinfachter Darstellung einen Operationstisch mit einem C-Bogen mit bildgebender Einrichtung und mit einem Operations-Assistenz-System bzw. - Roboter für minimal invasive Intervention;
Fig. 2 ein Geber-Nehmer-System zur Verwendung bei dem Operations-Assistenz- System der Fig. 1.
Der in der Figur allgemein mit 1 bezeichnete Operationstisch besteht in bekannter Weise aus einem Fußteil 2, einer Hubsäule 3 und dem eigentlichen Tischelement 4, welches die Auflage für den Patienten 5 während einer Operation bzw. minimal invasiven Intervention bildet.
Mit dem Operationstisch 2 verbunden ist bei der dargestellten Ausführungsform ein in der Figur allgemein mit 6 bezeichnetes Operations-Assistenz- oder Robotersystem, welches bei der dargestellten Ausführungsform aus einer Kinematik besteht, die eine Tragsäule 7 und mehrere Arme 8, 9 und 10 aufweist, von denen der Arm 10 an seinem freien Ende eine Werkzeugaufnahme 11 bildet, an der ein Werkzeug 12, welches bei der dargestellten Ausführungsform als Endoskop mit Kamera 13 ist, um mehrere Achsen motorisch beweglich gehalten ist. Das Werkzeug 12 ist für die Operation (minimal invasive Intervention) mit seiner Instrumentenspitze 12.1 (beispielsweise Optik des Endoskops) durch eine Operationsöffnung in den Operationsbereich im Körper des Patienten 5 eingeführt und kann mit entsprechenden Antrieben des Operations-Assistenz-Systems durch den Operateur gesteuert bewegt werden, und zwar über eine Steuer- oder Betätigungseinrichtung 14 (z. B. Fußschalteranordnung) und eine Steuerelektronik 15.
Am Operationstisch 1 befindet sich weiterhin ein sogenannter C-Bogen 16, an welchem eine bildgebende Einrichtung 17, beispielsweise die Strahlungsquelle einer bildgebenden Einrichtung auf Röntgenbasis vorgesehen ist, und zwar für eine bildgebende Untersuchung und/oder Überwachung des Operationsbereichs des Patienten.
Als bildgebende Einrichtungen bzw. Methoden kommen aber außer solchen auf Röntgenbasis auch andere bildgebende Verfahren oder Systeme in Frage, wie beispielsweise Kernspin, Magnetresonanz usw.. Weiterhin besteht die Möglichkeit, zur genauen Bestimmung und/oder Überprüfung der Position des Instrumentenkopfes 12.1 eine elektromagnetische Positionsbestimmungseinrichtung 18 vorzusehen.
Damit eine ungestörte bildgebende Untersuchung bei allen üblicherweise verwendeten Verfahren und Systeme möglich ist, bestehen sämtliche Funktionselemente des Operations-Assistenz-Systems 6 zumindest oberhalb der Ebene des Tischelementes 6, insbesondere sämtliche Arme 8 - 10, Gelenke sowie Antriebselemente aus einem für die verwendeten bildgebenden Verfahren oder Systeme bzw. deren Medien neutralen Material, d. h. insbesondere nicht aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff und auch nicht aus einem ferro- oder diamagnetischem Material.
Geeignete Werkstoffe sind beispielsweise isolierende und zugleich auch magnetisch neutrale Werkstoffe, wie beispielsweise Kunststoff mit ausreichender Festigkeit, z. B. PA (Polyamid), POM oder PE (Polyethylen). Bedingt geeignet sind auch Aluminiumlegierungen.
Ungeeignet für die Funktionselemente des Operations- und Assistenz-Systems zumindest oberhalb der Ebene des Tischelementes 4 sind auf jeden Fall alle magnetischen und/oder metallische Werkstoffe, wie Stähle, insbesondere auch rostfreie Stähle, Werkstoffe mit hoher Dichte.
Als Antriebs- bzw. Stellglieder eignen sich bei der Erfindung beispielsweise
Stelizyl inder, z. B. hydraulische Stelizyl inder, wie dies in der Figur mit 19 angedeutet
ist. Diese Stellglieder bestehen dann ebenfalls aus einem für das bildgebende Medium neutralen Material.
Der Instrumentenkopf 12.1 ist beispielsweise so ausgebildet, dass er von dem bildgebenden System erfasst wird, so dass über das bildgebende System die Lage des Instrumentenkopfes ebenfalls angezeigt wird.
Die Figur 2 zeigt in vereinfachter Darstellung ein Geber-Nehmer-System 20 zur Verwendung bei dem Operations-Assistenz-System 6 der Figur 1. Das Geber-Nehmer- System besteht aus einem Geberelement, welches bei der dargestellten Ausführungsform ein hydraulischer Geberzylinder 21 ist, sowie aus dem hydraulischen Stellzylinder 19. Der Kolben des Geberzylinders 21 ist über einen Antrieb, beispielsweise über einen Antrieb 22 stufenlos oder aber in kleinen Stufen bewegbar. Der Antrieb 22 ist beispielsweise ein elektromotorischer Zahnstangen- oder Gewindespindelantrieb. Auch andere Antriebe sind denkbar. Der Geberzylinder 21 bzw. dessen Arbeitsräume sind über Hydraulik-Leitungen 23 mit den Zylinder- oder Arbeitsräumen des Stelizyl inders 19 verbunden, so dass eine starre Kopplung zwischen dem Geberzylinder 21 und dem Stellzylinder 19 besteht und somit jede Stellung des Geberzylinders 21 mit hoher Genauigkeit und reproduzierbar einer bestimmten Stellung des Stellzylinders 19 entspricht.
An dem Geberzylinder 21 ist wenigstens ein Sensor 24 vorgesehen, der die Position und/oder Stellung des Geberzylinders 21 erfasst und zumindest ein entsprechendes Signal als Istwert an einen Steuer- und Regelkreis, beispielsweise an die Steuerelektronik 15 liefert, die dann diesen Istwert mit einem Sollwert vergleicht und über den Antrieb 22 eine Regelung des Geberzylinders 21 bewirkt. Der wenigstens eine, den Istwert liefernde Sensor 24 besitzt bei der dargestellten Ausführungsform eine Wicklung 24.1 gebildet, die unmittelbar auf den Zylinderkörper des
Geberzylinders 21 aufgebracht ist und mit der die jeweilige Position des Geberzylinder-Kolbens sowie die jeweilige Änderung dieser Position induktiv und/oder kapazitiv erfasst wird.
Ein entscheidender Vorteil des in der Figur 2 dargestellten Geber-Nehmer-Systems 20 besteht u.a. darin, dass der Stellzylinder 19 vollständig aus einem oder aus mehreren neutralen Werkstoffen gefertigt werden kann und somit die Anordnung des Stelizyl inders innerhalb der Kinematik des Operations-Assistenz-Systems 6 unkritisch ist, der Stellzylinder 19 somit auch im Einflussbereich der bildgebenden Systeme, d.h. oberhalb der Ebene des Tischelementes 4, also an beliebiger und vor allem auch für die Ausbildung der Kinematik optimaler Position angeordnet werden kann, wobei dennoch mittels des Sensors 24 die Stellung des Stelizyl inders 19 exakt, zwar nicht unmittelbar, aber mittelbar erfassbar ist.
Der Geberzylinder 21 mit dem wenigstens einen Sensor 24, der in keinem Fall vollständig aus einem neutralen Werkstoff gefertigt werden könnte, ist außerhalb des für die bildgebenden oder -erzeugenden Medien kritischen Raumes angeordnet, beispielsweise unterhalb der Ebene des Tischelementes 4 und/oder seitlich von dem mit dem bildgebenden System zu erfassenden Operationsbereich. Hierdurch ist es insbesondere auch möglich, den Geberzylinder 21 oder ein anderes Geberelement, die zugehörigen Sensoren 24 und die Antriebe 22 in konventioneller Weise auszuführen.
In ihrer tatsächlichen Ausführung weist die Kinematik des Operati ons-Assistenz- Systems 6, die bei der dargestellten Ausführungsform von der Tragsäule 7 und den Armen 8 - 10 gebildet ist, mehrere Stellzylinder 19 auf. Müssen diese unabhängig voneinander überwacht und gesteuert werden, so ist beispielsweise für jeden Stellzylinder 19 ein eigener Geberzylinder 21 vorhanden. Anstelle des Geberzylinders
21 können auch andere Geberelemente verwendet sein, beispielsweise als Hydraulik- Pumpe ausgeführte Geberelemente.
Die Erfindung wurde voranstehend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.
Bezugszeichenliste
1 Operationstisch Fußteil 3 Hubsäule Tischelement
5 Patient
6 Operations-Assistenz-System
7 Tragsäule 8 - 10 Arm
1 1 Instrumentenhalter
12 Instrument 12.1 Optik
13 Kamera 14 Betätigungselement, beispielsweise Fußschalteranordnung
15 Steuerelektronik
16 C-Bogen
17 Element oder Strahlungsquelle für bildgebende Einrichtung
18 elektromagnetische Positionserfassungseinrichtung, Stellglied 19 Stellzylinder
20 Geber-Nehmer-System
21 Geberzylinder
22 Antrieb für Geberzylinder
23 hydraulische Verbindung 24 Sensor