WO2005048852A1 - Intelligentes, automatisch gesteuertes werkzeug zum fräsen von knochen - Google Patents

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WO2005048852A1
WO2005048852A1 PCT/EP2004/013079 EP2004013079W WO2005048852A1 WO 2005048852 A1 WO2005048852 A1 WO 2005048852A1 EP 2004013079 W EP2004013079 W EP 2004013079W WO 2005048852 A1 WO2005048852 A1 WO 2005048852A1
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path
wheels
movement
predetermined
control
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PCT/EP2004/013079
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Werner Korb
Stefan Hassfeld
Jörg Raczkowsky
Helge Peters
Dirk Engel
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Universität Heidelberg
Universität Karlsruhe
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Publication date
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    • A61B17/16—Bone cutting, breaking or removal means other than saws, e.g. Osteoclasts; Drills or chisels for bones; Trepans
    • A61B17/17—Guides or aligning means for drills, mills, pins or wires
    • A61B17/1703—Guides or aligning means for drills, mills, pins or wires using imaging means, e.g. by X-rays
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
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    • A61B34/20—Surgical navigation systems; Devices for tracking or guiding surgical instruments, e.g. for frameless stereotaxis
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    • A61B17/1739—Guides or aligning means for drills, mills, pins or wires specially adapted for particular parts of the body
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    • A61B90/08—Accessories or related features not otherwise provided for
    • A61B2090/0801—Prevention of accidental cutting or pricking
    • A61B2090/08021—Prevention of accidental cutting or pricking of the patient or his organs
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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

Definitions

  • the present invention relates to a method and an apparatus for material-removing processing of tissue on the human or animal body, such as, for example, milling or drilling on bones.
  • ITD Intelligent Tool Drive
  • the goal of the project is a small 5-DOF manipulator based on parallel kinematics, which enables the automatic alignment and stabilization of a drill in medical applications (pedicle screwing). External disturbances such as involuntary transient movements of the operator and the hand tremor are to be compensated for and the drill tip stabilized.
  • the handheld surgical robot ITD is intended to combine the possibilities of robotics (high precision) with those of navigation (simplified orientation to the patient) and the experience of the surgeon.
  • the tremor of the hand is intended to compensate for a tremor movement, which is individually around 4-5 and 8-12 Hz, in order to guide the drill or instrument tip smoothly.
  • the system has a limited working space due to its kinematics. Areas of application are in the pre-drilling of pedicle screws in the spine. The system cannot easily mill trajectories.
  • robots in surgery for bone processing have so far mostly been used to place boreholes or when milling shafts to place hip prostheses.
  • former industrial robots for surgery were usually upgraded to comply with the safety regulations.
  • Commercialized, well-known robots are, for example, "Robodoc” (Davies, USA), “Caspar” (Schwerin, DE), “Neuromate” (Davies, USA), “Otto” (Berlin, DE) and “Pathfinder” (England, UK)
  • the inventors developed a robot system for milling trajectories, but the use of a robot suffers from the disadvantage that it requires a great deal of logistical and technical effort in sterilization and in ensuring the required safety.
  • the object of the invention is therefore to provide a device and a method for material-removing processing of a tissue on the human or animal body, which can precisely adhere to a given processing path, is easy to operate and avoids the disadvantages of the prior art.
  • This object is achieved with a device for path control of a medical instrument with the features according to claims 1 and 15 and with a method with the features according to claim 8.
  • Advantageous developments of the invention are set out in the dependent claims.
  • a device for path regulation of a medical instrument the path of which is regulated relative to a tissue on the human or animal body and which has the following components: one or more wheels or sliding or rolling elements for supporting the device on the treating body; and one or more actuators for moving the device or influencing the movement of the device along a predetermined or predeterminable path on the basis of movement signals fed into the device, the path of movement of the device in particular by means of a locating system that can be attached to it for detecting the position of the device is detectable.
  • Robots with wheels and without kinematics to be used in human surgery The coupling with the navigation allows local, precise
  • the actuators can be designed as brakes which influence the predetermined movement path of the device by means of a corresponding signal from the control unit for braking at least one of the wheels.
  • the surgeon's hand can be corrected so that the predetermined path is essentially achieved.
  • the wheels can alternatively be driven and a drive signal from the control unit can be issued so that the
  • Movement of the device is affected. Instead of braking one wheel or in addition to this, the opposite wheel is driven in order to carry out the previously described path correction.
  • This construction the so-called active variant
  • the brakes as actuators
  • the device is activated by a sliding shoe on the tissue part to be processed, i.e. clamped or guided on the skull so that the device is supported on one side by the wheels and on the other side by the slide shoe.
  • This provides secure support or guidance of the device, so that an unintentional injury to adjacent tissue parts, such as the brain skin, can advantageously be avoided.
  • the device can be provided with a deviation control device for preoperatively setting permissible deviations from the specified movement path.
  • a deviation control device for preoperatively setting permissible deviations from the specified movement path.
  • the object is achieved according to the invention by a method for path control of a medical device relative to a tissue human or animal body solved with the following steps: setting a predetermined trajectory of the device; Supporting the path control device on the body to be treated by means of one or more wheels; Detecting the trajectory of the device; and controlling actuators of the device for influencing the path of the device on the basis of a comparison of the predetermined movement path with the detected movement path.
  • the individual elements such as wheels for support on the fabric part to be machined, sliding shoe or shoes, brakes and / or
  • FIG 1 shows an inventive device for material-removing processing of tissue on the human body.
  • FIG. 2 shows an exploded view of the device from FIG. 1.
  • Fig. 3 shows the use of the device as a craniotome for sawing out a bone flap.
  • Fig. 4 shows a block diagram of the individual components of the control or regulation of the device.
  • the device has a drive and driving system for traveling along a predetermined path, which essentially consists of a frame 2 and one or more wheels or sliding or rolling elements 4.
  • the device is intended to follow a predetermined path on the body of a human or animal to be treated. This path is determined preoperatively from computer tomographic data, for example.
  • the device with the wheels 4 is placed on the patient's body by means of a handle or handpiece 1.
  • a localization system 9 which can be attached to the device and / or by a separate localization system 9 (for example with one or more cameras) certainly.
  • a localization system 9 is sufficiently known in the relevant art and are therefore not to be described in more detail here. These systems are based on mechanical, optical, electromagnetic or other principles or a combination of the same.
  • the localization system 9 sends a signal in accordance with the respective position of the tool 6 or from corresponding reference points thereof to a control unit 8, which has access to the image or planning data of the operation.
  • the control unit 8 is now able to determine the actual path of the machining from the received position data with respect to the position of the tool 6 and to compare this with the preoperatively determined or definable target path.
  • control unit 8 can determine a path correction and send a corresponding signal to one or more actuators 10 of the device, which have one or more brakes 3a, 3b (in the "passive variant") or one or more Motors or drives (in the "active variant").
  • the surgeon preferably moves the device manually using the handle 1 along the predetermined path, with the brakes 3a, 3b through the
  • Control unit 8 are controlled with signals so that the device maintains the predetermined path.
  • the device is moved forward and guided (manually) by the surgeon, but the device corrects the hand of the surgeon in such a way that the predetermined path is essentially fulfilled or that the device essentially follows this predetermined path.
  • the brakes 3a, 3b are preferably controlled electrically and act mechanically on the wheels 4 via a brake block 3c.
  • the brakes can have an electromagnetic design or an electrostrictive design.
  • the brakes 3a, 3b can act by frictional engagement, positive locking or magnetically, for example by eddy current.
  • Materials of the components of the brakes 3a, 3b and the wheels 4 are selected such that abrasion is minimal and, at the same time, a quick and reliably constant response behavior of the brakes 3a, 3b is ensured. In addition, their sterilization is simple and inexpensive to carry out.
  • Suitable materials are, for example, plastics, in particular based on carbon, metals, in particular titanium or aluminum alloys, ceramics, composite materials and the like. However, all other suitable materials can also be used.
  • the device is actively driven by the wheels 4, i.e. the wheels 4 are equipped with motors (not shown) with encoders, which essentially move the device along the predetermined path on the basis of the signals from the control unit 8, either the brakes 3a, 3b can be omitted or the device can alternatively also be used the brakes 3a, 3b.
  • the encoders allow redundant monitoring and control in addition to the localization system 9.
  • the drive of the wheels 4 is triggered by a slight pressure on the handle 1 by the surgeon. In other words, the device only starts moving when the surgeon exerts a slight pressure on the device in the direction of the predetermined path. The device can be stopped at any time by applying slight pressure against the direction of movement.
  • the control or regulation of the brakes 3a, 3b or the motors is designed so that certain deviations from the predetermined path are permitted.
  • these deviations are less than approximately 0.6 mm, preferably less than approximately 0.3 mm.
  • the deviation from the planned path should be less than approximately 1 mm, preferably less than approximately 0.5 mm.
  • the deviation from the planned path is less than approximately 1 mm, preferably less than approximately 0.5 mm.
  • the cutting error is below approximately 1.5 mm, preferably below approximately 1 mm.
  • the device can also be designed in such a way that higher or lower deviations than those described above are permitted.
  • the device can alternatively be designed such that the permissible deviation can be determined preoperatively via an input unit of a computer or the like.
  • the device is preferably used in oral, maxillofacial or facial surgery or for skull operations. However, it can also be used in orthopedics, for example for screwing pedicle screws. For additional guidance of the device, this can also be done with a
  • Be equipped sliding shoe 7, which, as shown in Fig. 1 and 2, is formed substantially in an L-shape.
  • This slide shoe 7 essentially has a web 7a running parallel to a tool and a guide plate or element 7b which is inclined, preferably essentially perpendicular, to it.
  • the body tissue to be processed such as a bone, is at least temporarily clamped or arranged between the guide plate 7b on one side and the wheels 4 on the other side.
  • a thickness compensation of the body tissue is preferably made possible by a spring 5, which allows a longitudinal displacement of the slide shoe 7, preferably essentially along the longitudinal extent of the web 7a.
  • the slide shoe 7 enables the device to be clamped to the skull cap by the guide plate 7b of the sliding shoe 7 slides along the inside of the cranium while the wheels 4 roll on the outside thereof. This prevents the tool from penetrating too deeply into the patient's skull.
  • an incision path is determined preoperatively on the skull.
  • a plurality of boreholes 21 are formed using a so-called trepan 26.
  • the dura mater (brain skin) is released from the bone with these differently curved detachment elements (so-called raspatories) 22, 23.
  • the tool 6 clamped in the device can now be inserted into the skull through one of the drilled holes 21 and the predetermined or precalculated milling path 25 can essentially be traversed in order to separate or mill out the bone cover 24. Damage to the brain is avoided in that the depth of penetration of the
  • Tool 6 into the skull is advantageously limited by the previously described sliding block 7.
  • the feed force of the device can also be applied entirely or partially by driving the wheels 4 by means of the motors.
  • the feed is switched on by the motors either by a separate switch or by "pushing" the device, i.e. by pushing the device placed on the patient's body, the wheels 4 are rotated.
  • a signal is generated in the motor or in a separate rotation angle or speed sensor (not shown), which is sent to the control unit 8.
  • the control unit 8 now starts driving the wheels 4 in response to this signal input.
  • the stopping of the device can in turn be triggered either by a separate switch or by braking the device by introducing a force at least partially opposite the direction of movement of the device via the handle 1.
  • the speed sensors or the motors now in turn transmit a corresponding signal to the control unit 8, whereupon the latter switches off the motors or activates the brakes 3a, 3b.
  • the device is not limited to the construction described here and both exemplary embodiments can be combined as desired.
  • the device can also be equipped with more than two wheels, Braked wheels as well as driven wheels and free-running wheels can be used.
  • the sliding block 7 can also be provided with small wheels at its tip, so that it rolls instead of sliding on the tissue part to be supported or on a tissue part to be protected from the processing tool, for example the dura mater.
  • the brakes are not only mechanically in the manner described here, but also electrically, hydraulically etc.
  • the motors integrated in the wheels 4 described here which are preferably electrically driven motors, but not on them are limited. These can also be arranged separately from the wheels 4 and drive the wheels 4 via appropriate gear means.
  • the tool 6 described here is not limited to a cutting tool such as a milling cutter or drill. It is also possible, for example, to clamp or use a laser in the device according to the invention. In addition, it would also be conceivable to use a diagnostic device as the medical instrument, such as ultrasound, X-ray, computed tomography, in connection with the device according to the invention.
  • a diagnostic device such as ultrasound, X-ray, computed tomography
  • the device can be used in all those applications where precise path control relative to a tissue on the human or animal body is important.
  • the device according to the invention can (in the passive variant) also be used in connection with a robot, whereby it is held by a robot arm instead of by the hand of a surgeon and is operated by remote control.
  • the robot arm follows (equipped with a force torque sensor) Specifications of the device according to the invention and redundantly monitors the movements.
  • the robot can then also be used as a localization system 9 in its capacity as a measuring system.
  • the device described here can also be used to shutdown predetermined
  • Lanes 25 can also be used to drive over open spaces.
  • a permissible and an impermissible area (which includes, for example, risk structures to be protected) is defined in the planning.
  • the brakes 3a, 3b and / or actuators in interaction with the localization system 9 restrict the movements to the permissible area.
  • Handpiece frame a, b brake c brake pad wheels spring tool slide shoe a web guide plate control unit localization system0 actuator1 borehole2 raspatory3 raspatory4 bone lid5 predetermined path6 trepan

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät und ein Verfahren zur Bahnregelung eines medizinischen Instruments relativ zu einem Gewebe am menschlichen oder tierischen Körper mit Rädern 4 zur Abstützung des Geräts an dem zu behandelnden Körper und Aktuatoren zur Beeinflussung der Bewegung des Geräts, das von einem Chirurgen betätigt wird. Die Bewegungsbahn des Geräts wird von einem internen oder externen Lokalisierungssystem 9 registriert und mit einer vorgegebenen Bewegungsbahn verglichen. Auf der Grundlage dieses Vergleichs sendet eine Regelungseinheit 8 entsprechende Signale zur Bahnkorrektur an die Aktuatoren, die als Bremsen 3a, 3b und / oder als Motoren ausgebildet sind. Somit kann mit einem einfach einzusetzenden Gerät eine sehr genaue Bahn abgefahren werden.

Description

„Intelligentes, automatisch gesteuertes Werkzeug zum Fräsen von Knochen"
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät zur materialabtragenden Bearbeitung von Gewebe am menschlichen oder tierischen Körper, wie beispielsweise auf das Fräsen oder Bohren an Knochen.
Stand der Technik
In vielen chirurgischen Disziplinen ist es nötig, einen Knochenschnitt präzise durchzuführen. Dazu können verschiedenen Methoden angewandt werden. Das Problem des Ablösens von Knochendeckeln kommt in der MKG- und
Neurochirurgie bei unterschiedlichen Eingriffen, wie beispielsweise bei der Behandlung von Tumoren, Infektionen, Verletzungen etc. vor. Hierzu kamen bisher unterschiedliche Methoden zur Anwendung, die sich im wesentlichen in die konventionelle (manuelle) Chirurgie und die computerunterstützte Chirurgie einteilen lassen.
Bei der konventionellen chirurgische Methode werden zum Öffnen von Knochendeckeln zunächst, wie in Fig. 3 gezeigt ist, mit dem „Trepan" mehrere Bohrlöcher gelegt. Anschließend kann durch diese Löcher mit unterschiedlich gebogenen „Raspatorien" die Dura Mater (Gehirnhaut) vom Knochen gelöst werden. Nun wird mit dem Kraniotom (mit aufgesetztem Duraschutz) entlang einer vorher aufgezeichneten Linie der Knochendeckel herausgefräst.
Dabei können Probleme (z.B. durch Verwachsungen) auftreten, wodurch Duraverletzungen nicht immer vermeidbar sind. Auch können Knochenschnitte nicht vorher geplant und auf den Schädel übertragen werden, wie dies bei Navigation und robotergestützten Eingriffen möglich ist. Ähnlich wie beim GPS, wird beim navigierten Operieren durch zwei externe Kameras die Position eines chirurgischen Instruments vermessen, und mit dem Verfahren der Triangulation werden die exakten Koordinaten in Bezug zum Patienten ausgerechnet. Die „Medical Workstation" berechnet außerdem die Korrelation zwischen den Instrumenten, dem Patienten und den medizinischen Bilddaten (Computertomographien und/oder Magnetresonanztomographien, die durch spezielle Bildverarbeitungsverfahren ein räumliches, dreidimensionales Abbild vom Patienten wiedergeben). Intraoperativ werden die Bilddaten und der reale Patient im OP mittels einiger anatomischer oder künstlicher Landmarken korreliert (= „registriert"). Dazu werden diese Punkte sowohl im Bildmaterial, als auch in der Realität aufgesucht und die Koordinaten derselben vermessen. Anschließend werden diese Punkte mittels mathematischer Optimierungsverfahren korreliert und mit der errechneten Transformation wird der gesamte Patient mit den Bilddaten registriert. Ein ähnliches Verfahren (bei dem mittels Oberflächenscans registriert wird) wurde auch von der eigenen Arbeitsgruppe vorgestellt. Da jedoch der Chirurg dabei seinen Blick zwischen Monitor und Operationssitus ständig wechseln muss, ist die Genauigkeit geringer als bei robotergestützten Eingriffen.
Deshalb wurde die sogenannte "Navigated Control" entwickelt, bei der es möglich ist, den Fräser in „verbotenen Zonen" automatisch abzuschalten oder die Fräsgeschwindigkeit herunterzuregeln. Das ermöglicht es dem Chirurgen, sich auf den Operationssitus zu konzentrieren. Bei „Navigated Control" wird davon ausgegangen, dass es (zwar unerwünscht aber dennoch) möglich ist, den geplanten Weg z.B. aufgrund von Patientenbewegung oder manueller Abweichung des Chirurgen zu „verlassen". Dies würde allerdings am Monitor angezeigt, akustisch ausgegeben und der Fräser würde eventuell abgeschaltet. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass Abweichungen von der Solllinie möglich sind und manuell korrigiert werden müssen.
Ein ähnliches Projekt wird von einer Arbeitsgruppe der Universität Mannheim verfolgt, das unter dem Namen "Intelligent Tool Drive" (ITD) bekannt ist. Das Ziel des Projekts ist ein kleiner 5-DOF Manipulator basierend auf einer Parallelkinematik, der die automatische Ausrichtung und Stabilisierung eines Bohrers in medizinischen Anwendungen (Pedikelverschraubung) ermöglicht. Es sollen externe Störgrößen wie unwillkürliche transiente Bewegungen des Bedieners sowie der Handtremor ausgeglichen und die Bohrerspitze stabilisiert werden. Der handgehaltene Operationsroboter ITD soll die Möglichkeiten der Robotik (hohe Präzision) mit denen der Navigation (vereinfachte Orientierung am Patienten) und der Erfahrung des Chirurgen kombinieren. Zusätzlich soll der Tremor der Hand eine Zitterbewegung, die individuell bei ca. 4-5 und 8-12 Hz liegt, kompensieren, um die Bohrer- oder Instrumentenspitze ruhig zu führen. Das System hat jedoch aufgrund seiner Kinematik einen begrenzten Arbeitsraum. Anwendungsgebiete bestehen bei der Vorbohrung von Pedikelschrauben in der Wirbelsäule. Es können mit dem System nicht ohne weiteres Trajektorien gefräst werden.
Ferner werden Roboter in der Chirurgie für die Knochenbearbeitung bisher meist zum Setzen von Bohrlöchern oder beim Ausfräsen von Schäften zum Setzen von Hüftprothesen verwendet. Dazu wurden meist ehemalige Industrieroboter für die Chirurgie entsprechend aufgerüstet, um den Sicherheitsbestimmungen zu entsprechen. Kommerzialisierte, bekannte Roboter sind beispielsweise „Robodoc" (Davies, USA), „Caspar" (Schwerin, DE), „Neuromate" (Davies, USA), „Otto" (Berlin, DE) und „Pathfinder" (England, UK). Von den Erfindern wurde ein Robotersystem zum Fräsen von Trajektorien entwickelt. Dabei leidet der Einsatz eines Roboters an dem Nachteil, dass er einen großen logistischen und technischen Aufwand bei der Sterilisierung sowie bei der Gewährleistung der erforderlichen Sicherheit erfordert.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit in der Schaffung eines Geräts und eines Verfahrens zur materialabtragenden Bearbeitung eines Gewebes am menschlichen oder tierischen Körper, das eine vorgegebene Bearbeitungsbahn präzise einhalten kann, dabei einfach zu betätigen ist und die Nachteile des Stands der Technik vermeidet. Diese Aufgabe wird mit einem Gerät zur Bahnregelung eines medizinischen Instruments mit den Merkmalen nach Anspruch 1 und 15 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angeführt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Gerät zur Bahnregelung eines medizinischen Instruments gelöst, dessen Bahn relativ zu einem Gewebe am menschlichen oder tierischen Körper geregelt wird und das folgende Bauteile aufweist: eines oder mehrere Räder bzw. Gleit- oder Rollglieder zur Abstützung des Geräts an dem zu behandelnden Körper; und einen oder mehrere Aktuatoren zur Bewegung des Geräts bzw. Beeinflussung der Bewegung des Geräts entlang einer vorgegebenen bzw. vorgebbaren Bahn auf der Grundlage von in das Gerät eingespeisten Bewegungssignalen, wobei die Bewegungsbahn des Geräts insbesondere durch ein daran anbringbares Lokalisierungssystem zum Erfassen der Position des Geräts erfaßbar ist.
Bisher ist es nicht bekannt, den Grundsatz der „mobilen Robotik", d.h.
Roboter mit Rädern und ohne Kinematik, in der Chirurgie am Menschen zu verwenden. Die Koppelung mit der Navigation erlaubt die lokale, präzise
Steuerung, die Ausführung mit Bremsen oder Motoren als Aktuatoren erlaubt die kompakte, einfache (auch sterilisierbare) Bauweise.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die Aktuatoren als Bremsen ausgebildet sein, die die vorgegebene Bewegungsbahn des Geräts durch ein entsprechendes Signal von der Regelungseinheit zur Abbremsung zumindest eines der Räder beeinflussen. Durch eine gezielte Abbremsung zumindest eines der Räder kann die Hand des Chirurgen so korrigiert werden, dass die vorbestimmte Bahn im wesentlichen erzielt wird.
Somit kann das Gerät eine präoperativ vorgegebene Bahn sehr genau umsetzen, ohne einen großen Aufwand bei der Vorbereitung und der Sterilisation zu erfordern. Darüber hinaus hat der Chirurg die Möglichkeit, in gewissen Grenzen von der vorgegebenen Bahn abzuweichen, und er kann sich voll und ganz auf den Operationssitus konzentrieren ohne seinen Blick abwenden zu müssen.
Die Räder können jedoch alternativ auch angetrieben sein und ein Antriebssignal von der Regelungseinheit kann so erteilt werden, dass die
Bewegung des Geräts beeinflusst wird. Dabei wird an Stelle des Abbremsens des einen Rads oder zusätzlich hierzu das gegenüberliegende Rad angetrieben, um die vorher beschriebene Bahnkorrektur auszuführen. Es werden mit dieser Bauweise (der sogenannten aktiven Variante) dieselben Vorteile erzielt wie mit der vorher beschriebenen Bauweise mit den Bremsen als Aktuatoren (der sogenannten passiven Bauweise).
Es ist jedoch auch möglich, die aktive und die passive Bauweise zu kombinieren, d.h. sowohl gebremste Räder als auch angetriebene Räder einzusetzen. Es können darüber hinaus auch freilaufende Räder angeordnet werden.
Beispielsweise wird bei einer Schädeloperation das Gerät durch einen Gleitschuh an dem zu bearbeitenden Gewebeteil, d.h. an dem Schädel geklemmt bzw. geführt, so dass das Gerät auf der einen Seite durch die Räder abgestützt wird und auf der anderen Seite durch den Gleitschuh. Dadurch wird eine sichere Abstützung bzw. Führung des Geräts erzielt, so dass eine unbeabsichtigte Verletzung von benachbarten Gewebeteilen, wie beispielsweise der Gehirnhaut vorteilhafterweise vermieden werden kann.
Das Gerät kann darüber hinaus mit einer Abweichungssteuerungs- einrichtung zum präoperativen Festlegen von zulässigen Abweichungen von der vorgegebenen Bewegungsbahn versehen sein. Mit Hilfe dieser Abweichungs- steuerungseinrichtung kann der Chirurg präoperativ die zulässigen Abweichungen in Abhängigkeit von der Art des geplanten Eingriffs festlegen.
Darüber hinaus wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Bahnregelung eines medizinischen Geräts relativ zu einem Gewebe am menschlichen oder tierischen Körper mit folgenden Schritten gelöst: Festlegen einer vorgegebenen Bewegungsbahn des Geräts; Abstützen des Geräts zur Bahnregelung an dem zu behandelnden Körper mittels einem oder mehreren Rädern; Erfassen der Bewegungsbahn des Geräts; und Steuern bzw. Regeln von Aktuatoren des Geräts zur Beeinflussung der Bahn des Geräts auf der Grundlage eines Vergleichs der vorgegebenen Bewegungsbahn mit der erfaßten Bewegungsbahn.
Die einzelnen Elemente wie Räder zur Abstützung an dem zu bearbeitenden Gewebeteil, Gleitschuh bzw. Gleitschuhe, Bremsen und / oder
Antriebsmotoren können dabei in beliebiger Anzahl kombiniert werden. Außerdem können auch andere Stützvorrichtungen als der hier beschriebene Gleitschuh eingesetzt werden. Das System bildet somit einen Mittelweg zwischen herkömmlicher
Navigation und der Chirurgie-Robotik. Das erlaubt eine präzise Ausführung von Schnitten bei gleichzeitigen ergonomischen und ökonomischen Vorteilen. Ein ähnliches System ist auch für das Führen von anderen Instrumenten (Endoskop, etc.) geeignet.
Dabei ist das System nicht nur in der Mund-, Kiefer und Gesichtschirurgie (MKG) und Neurochirurgie, sondern auch bei anderen knochenchirurgischen Anwendungen einsetzbar. Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden besser verständlich beim Lesen der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen:
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Gerät zur materialabtragenden Bearbeitung von Gewebe am menschlichen Körper.
Fig. 2 zeigt eine Explosionzeichnung des Geräts aus Fig. 1. Fig. 3 zeigt den Einsatz des Geräts als Kraniotom zum Heraussägen eines Knochendeckels. Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild der einzelnen Komponenten der Steuerung bzw. Regelung des Geräts.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich erläutert.
Das Gerät weist ein Antriebs- und Fahrsystem zum Abfahren einer vorbestimmten Bahn auf, das im wesentlichen aus einem Rahmen 2 und einem oder mehreren Rädern bzw. Gleit- oder Rollgliedern 4 besteht. Das Gerät soll eine vorbestimmte Bahn an dem zu behandelnden Körper eines Menschen oder Tieres abfahren. Diese Bahn wird beispielsweise präoperativ aus computertomographischen Daten bestimmt. Hierzu wird das Gerät mit den Rädern 4 bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung mittels eines Handgriffs bzw. Handstücks 1 auf den Körper des Patienten aufgesetzt.
Dabei wird die Position eines Werkzeugs 6 (z.B. ein Fräser bzw. Bohrer oder Laser, Ultraschall, Röntgen und dergleichen) durch ein an dem Gerät anbringbares Lokalisierungssystem 9 und / oder durch ein gesondertes Lokalisierungssystem 9 (z.B. mit einer oder mehreren Kameras) gegenüber dem Patienten bestimmt. Derartige Lokalisierungssysteme 9 sind in der einschlägigen Technik hinreichend bekannt und sollen deshalb hier nicht näher beschrieben werden. Dabei beruhen diese Systeme auf mechanischen, optischen, elektromagnetischen oder anderen Grundsätzen oder einer Kombination aus denselben.
Das Lokalisierungssystem 9 sendet ein Signal in Übereinstimmung bzw. entsprechend mit der jeweiligen Position des Werkzeugs 6 bzw. von entsprechenden Referenzpunkten hiervon an eine Steuerungs- bzw. Regelungseinheit 8, die auf die Bild- bzw. Planungsdaten der Operation Zugriff hat. Die Regelungseinheit 8 ist nun in der Lage, aus den empfangenen Positionsdaten bezüglich der Position des Werkzeugs 6 die Ist-Bahn der Bearbeitung zu bestimmen und diese mit der präoperativ festgelegten bzw. festlegbaren Soll-Bahn zu vergleichen.
Auf der Grundlage dieses Sol st-Vergleichs kann die Regelungseinheit 8 eine Bahnkorrektur bestimmen und ein entsprechendes Signal an einen oder mehrere Aktuatoren 10 des Geräts senden, die eine oder mehrere Bremsen 3a, 3b (bei der "passiven Variante") bzw. einen oder mehrere Motoren bzw. Antriebe (bei der "aktiven Variante") aufweisen.
Der Chirurg bewegt das Gerät bevorzugt manuell anhand des Handgriffs 1 entlang der vorbestimmten Bahn, wobei die Bremsen 3a, 3b durch die
Regelungseinheit 8 so mit Signalen angesteuert werden, dass das Gerät die vorbestimmte Bahn einhält. In anderen Worten wird das Gerät zwar einerseits durch den Chirurgen vorwärtsbewegt und geführt (manuell), aber das Gerät korrigiert dabei die Hand des Chirurgen so, dass die vorbestimmte Bahn im wesentlichen erfüllt wird bzw. dass das Gerät dieser vorbestimmten Bahn im wesentlichen folgt.
Somit werden die Nachteile, die beispielsweise ein Roboter in der klinischen Anwendung aufweist, vermieden. Der Chirurg ist immer noch der Operateur, während seine Hand durch dieses intelligente Gerät unterstützt wird. D.h., dass das Gerät sehr einfach in der Handhabung ist und trotzdem präzise Bearbeitungen ermöglicht.
Die Bremsen 3a, 3b werden vorzugsweise elektrisch angesteuert und wirken mechanisch über einen Bremsklotz 3c auf die Räder 4. Die Bremsen können eine elektromagnetische Bauweise oder eine elektrostriktive Bauweise aufweisen. Des weiteren können die Bremsen 3a, 3b durch Kraftschluss, Formschluss oder magnetisch, z.B. durch Wirbelstrom wirken. Dabei sind die Materialien der Komponenten der Bremsen 3a, 3b sowie der Räder 4 so ausgewählt, dass ein Abrieb minimal ist und gleichzeitig ein schnelles und zuverlässig gleichbleibendes Ansprechverhalten der Bremsen 3a, 3b gewährleistet ist. Darüber hinaus ist deren Sterilisation einfach und kostengünstig durchzuführen.
Geeignete Materialien sind beispielsweise Kunststoffe, insbesondere auf Carbon-Basis, Metalle, insbesondere Titan- oder Aluminiumlegierungen, Keramiken, Verbundstoffe und dergleichen. Es sind jedoch auch alle anderen geeigneten Werkstoffe einsetzbar.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel wird das Gerät aktiv durch die Räder 4 angetrieben, d.h. die Räder 4 sind mit (nicht gezeigten) Motoren mit Encodern ausgestattet, die aufgrund der Signale der Regelungseinheit 8 das Gerät im wesentlichen entlang der vorgegebenen Bahn bewegen, Dabei kann entweder auf die Bremsen 3a, 3b verzichtet werden oder das Gerät kann alternativ auch zusätzlich mit den Bremsen 3a, 3b ausgestattet sein. Die Encoder gestatten dabei eine redundante Überwachung und Steuerung zusätzlich zum Lokalisierungssystem 9. Außerdem ist es bei diesem Ausführungsbeispiel möglich, dass der Antrieb der Räder 4 durch einen leichten Druck des Chirurgen auf den Handgriff 1 ausgelöst wird. In anderen Worten, das Gerät fährt erst dann los, wenn der Chirurg einen leichten Druck auf das Gerät in Richtung der vorgegebenen Bahn ausübt. Das Gerät kann dabei jederzeit durch leichten Druck entgegen der Bewegungsrichtung angehalten werden.
Die Steuerung bzw. Regelung der Bremsen 3a, 3b bzw. der Motoren ist dabei so gestaltet, dass gewisse Abweichungen von der vorbestimmten Bahn zugelassen werden. Diese Abweichungen betragen bei planen Probekörpern und regulären Bahnen, wie beispielsweise Geraden und Kreisbögen, weniger als etwa 0,6 mm, vorzugsweise weniger als etwa 0,3 mm. Bei häufigen Richtungswechseln soll die Abweichung von der geplanten Bahn weniger als etwa 1 mm, vorzugsweise weniger als etwa 0,5 mm betragen. Bei Fräsungen an Kunststoffschädeln, bei denen die Knochendicke variiert, und regulären Bahnen, wie Geraden und Kreisbögen beträgt die Abweichung von der geplanten Bahn weniger als etwa 1 mm, vorzugsweise weniger als etwa 0,5 mm. Bei anatomischen Präparaten liegt der Schnittfehler unterhalb von etwa 1 ,5 mm, vorzugsweise unterhalb von etwa 1 mm.
Je nach Einsatzzweck des Geräts kann dieses jedoch auch so gestaltet sein, dass höhere oder geringere Abweichungen als vorgehend beschrieben zulässig sind.
Darüber hinaus kann das Gerät alternativ so gestaltet sein, dass die zulässige Abweichung über eine Eingabeeinheit eines Computers oder dergleichen präoperativ bestimmt werden kann.
Das Gerät wird vorzugsweise in der Mund-, Kiefer- oder Gesichtschirurgie oder für Schädeloperationen verwendet. Es kann jedoch auch in der Orthopädie beispielsweise zum Verschrauben von Pedikelschrauben verwendet werden. Zur zusätzlichen Führung des Geräts kann dieses außerdem mit einem
Gleitschuh 7 ausgestattet sein, der, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt ist, im wesentlichen in einer L-Form ausgebildet ist. Dieser Gleitschuh 7 weist im wesentlichen einen parallel zu einem Werkzeug verlaufenden Steg 7a sowie eine hierzu geneigte, bevorzugt im wesentlichen senkrecht verlaufende Führungsplatte bzw. -element 7b auf. Das zu bearbeitende Körpergewebe, wie beispielsweise ein Knochen, wird dabei zwischen die Führungsplatte 7b auf der einen Seite und die Räder 4 auf der anderen Seite zumindest zeitweise geklemmt bzw. angeordnet. Ein Dickenausgleich des Körpergewebes wird bevorzugt durch eine Feder 5 ermöglicht, die eine Längsverschiebung des Gleitschuhs 7 bevorzugt im wesentlichen entlang der Längserstreckung des Stegs 7a erlaubt.
Der Gleitschuh 7 ermöglicht beispielsweise bei einer Schädeloperation, dass das Gerät an der Schädeldecke geklemmt wird, indem die Führungsplatte 7b des Gleitschuhs 7 entlang der Innenseite der Schädeldecke gleitet, während die Räder 4 auf der Außenseite derselben abrollen. Somit wird ein zu tiefes Eindringen des Werkzeugs in den Schädel des Patienten hinein vermieden. Nachfolgend wird nun der Betrieb des Geräts anhand einer beispielhaften
Schädeloperation beschrieben.
Nachdem der zu bearbeitende Bereich beispielsweise mittels einer Computertomographie in der Gestalt von Bilddaten in einem Computer bzw. einer Datenbank vorliegt, wird eine Schnittbahn an dem Schädel präoperativ festgelegt. Danach werden, wie in Fig. 3 gezeigt ist, mit einem sogenannten Trepan 26 mehrere Bohrlöcher 21 geformt. Anschließend wird durch diese Bohrlöcher 21 die Dura Mater (Gehirnhaut) mit unterschiedlich gebogenen Ablöseelementen (sogenannten Raspatorien) 22, 23 vom Knochen gelöst.
Das in das Gerät eingespannte Werkzeug 6 kann nun durch eines der Bohrlöcher 21 in den Schädel eingeführt werden und die vorgegebene bzw. vorberechnete Fräsbahn 25 im wesentlichen abgefahren werden, um den Knochendeckel 24 abzutrennen bzw. herauszufräsen. Hierbei wird eine Verletzung des Gehirns dadurch vermieden, dass die Eindringtiefe des
Werkzeugs 6 in den Schädel hinein durch den vorher beschriebenen Gleitschuh 7 vorteilhaft begrenzt ist.
Zum Fräsen der vorgegebenen Bahn 25 werden nun die Räder 4 auf die Außenseite des Schädels aufgesetzt und das Gerät wird mittels des Handgriffs 1 in Richtung der vorgegebenen Bahn 25 bewegt. Abweichungen von der vorgegebenen Bahn werden nun von den Aktuatoren 10 korrigiert.
Bei der sogenannten "passiven Variante" geschieht dies durch gezieltes Abbremsen eines Rads 4, um das Gerät in die Richtung zu dem abgebremsten Rad 4 zu lenken. Bei der "aktiven Variante" kann diese Korrektur durch Antreiben des gegenüberliegenden Rads 4 erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, beide Varianten so zu kombinieren, dass die Räder sowohl mit Bremsen 3a, 3b ausgestattet sind als auch mit Motoren.
Bei der aktiven Variante kann die Vorschubkraft des Geräts auch vollkommen oder teilweise durch den Antrieb der Räder 4 mittels der Motoren aufgebracht werden. Hierzu wird der Vorschub durch die Motoren entweder durch einen separaten Schalter oder durch "Anschieben" des Geräts eingeschaltet, d.h. durch Schieben des auf den Körper des Patienten aufgesetzten Geräts werden die Räder 4 in eine Drehung versetzt. Dadurch wird ein Signal in dem Motor oder einem separaten (nicht gezeigten) Drehwinkel- bzw. Drehzahlsensor erzeugt, das an die Regelungseinheit 8 gesandt wird. Die Regelungseinheit 8 startet ansprechend auf diesen Signaleingang nun den Antrieb der Räder 4.
Andererseits kann das Anhalten des Geräts wiederum entweder durch einen separaten Schalter oder durch Abbremsen des Geräts ausgelöst werden, indem über den Handgriff 1 eine der Bewegungsrichtung des Geräts zumindest teilweise entgegengesetzte Kraft eingeleitet wird. Die Drehzahlsensoren oder die Motoren leiten nun wiederum ein entsprechendes Signal an die Regelungseinheit 8, woraufhin diese die Motoren abschaltet bzw. die Bremsen 3a, 3b aktiviert.
Derartige Drehzahlsensoren sind hinreichend bekannt und sollen deshalb hier nicht näher beschrieben werden. Außerdem ist es auch ein bekanntes Prinzip, die Abbremsung eines Elektromotors mittels des Lastmoments und demgemäß über die aufgenommene Stromstärke zu ermitteln. Dieses soll ebenfalls hier nicht näher beschrieben werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Grundsätze beschränkt, sondern es ist jedes andere Verfahren einsetzbar, mit dem eine manuelle Abbremsung der Motoren durch den Chirurgen ermittelt werden kann. Das Gerät ist jedoch nicht auf die hier beschriebene Bauweise beschränkt und beide Ausführungsbeispiele können beliebig kombiniert werden. Beispielsweise kann das Gerät auch mit mehr als zwei Rädern ausgestattet sein, wobei sowohl gebremste Räder als auch angetriebene Räder sowie freilaufende Räder zum Einsatz kommen können.
Darüber hinaus können auch andere als der hier beschriebene Gleitschuh 7 oder mehrere Gleitschuhe gleichzeitig eingesetzt werden. Der Gleitschuh 7 kann auch an seiner Spitze mit kleinen Rädern versehen sein, so dass er auf dem zu stützenden Gewebeteil oder an einem vor dem Bearbeitungswerkzeug zu schützendem Gewebeteil wie beispielsweise der Dura Mater abrollt anstatt zu gleiten.
Des weiteren ist es auch möglich, die Bremsen nicht nur mechanisch in der hier beschriebenen Weise auszuführen, sondern auch elektrisch, hydraulisch etc. Das gleiche gilt für die hier beschriebenen in die Räder 4 integrierten Motoren, die vorzugsweise elektrisch angetriebene Motoren sind, jedoch nicht darauf beschränkt sind. Diese können außerdem auch separat von den Rädern 4 angeordnet sein und die Räder 4 über entsprechende Getriebemittel antreiben.
Ferner ist das hier beschriebene Werkzeug 6 nicht auf ein spanendes Werkzeug wie einen Fräser oder Bohrer beschränkt. Es ist auch möglich beispielsweise einen Laser in das erfindungsgemäße Gerät einzuspannen bzw. einzusetzen. Darüber hinaus wäre es auch denkbar ein Diagnosegerät als das medizinische Instrument, wie beispielsweise Ultraschall, Röntgen, Computertomographie, in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Gerät zu verwenden.
Das Gerät ist bei all jenen Anwendungen einsetzbar, bei denen es auf eine präzise Bahnsteuerung relativ zu einem Gewebe am menschlichen oder tierischen Körper ankommt. Obwohl die Erfindung bezüglich eines handgehaltenen Geräts beschrieben ist, ist sie nicht darauf beschränkt. Das erfindungsgemäße Gerät kann (in der passiven Variante) auch in Verbindung mit einem Roboter eingesetzt werden, wobei es anstatt durch die Hand eines Chirurgen durch einen Roboterarm gehalten wird und per Fernsteuerung betätigt wird. Der Roboterarm folgt in einem solchen Fall (ausgestattet mit einem Kraftmomentensensor) den Vorgaben des erfindungsgemäßen Geräts und überwacht die Bewegungen redundant. Der Roboter kann dann in seiner Eigenschaft als Messsystem auch als Lokalisierungssystem 9 eingesetzt werden. Das hier beschriebene Gerät kann außer zum Abfahren von vorgegebenen
Bahnen 25 auch zum Abfahren von Freiflächen benutzt werden. Dazu wird in der Planung ein zulässiges und ein unzulässiges Gebiet (das z.B. zu schonende Risikostrukturen umfasst) definiert. Die Bremsen 3a, 3b und / oder Aktuatoren im Zusammenspiel mit dem Lokalisierungssystem 9 schränken die Bewegungen auf das zulässige Gebiet ein.
Bezugszeichenliste
Handstück Rahmena, b Bremsenc Bremsklotz Räder Feder Werkzeug Gleitschuha Stegb Führungsplatte Steuerungseinheit Lokalisierungssystem0 Aktuator1 Bohrloch2 Raspatorie3 Raspatorie4 Knochendeckel5 vorbestimmte Bahn6 Trepan

Claims

Ansprüche
1. Gerät zur Bahnregelung eines medizinischen Instruments relativ zu einem Gewebe am menschlichen oder tierischen Körper mit: einem oder mehreren Rädern (4) zur Abstützung des Geräts an dem zu behandelnden Körper; und einem oder mehreren Aktuatoren (10) zur Bewegung des Geräts bzw. Beeinflussung der Bewegung des Geräts entlang einer vorgegebenen Bahn auf der Grundlage von in das Gerät eingespeisten Bewegungssignalen; wobei die Bewegungsbahn des Geräts insbesondere durch ein daran anbringbares Lokalisierungssystem (9) zum Erfassen der Position des Geräts erfaßbar ist.
2. Gerät nach Anspruch 1 , wobei die Aktuatoren als Bremsen (3a, 3b) ausgebildet sind, die die Bewegung des Geräts durch Abbremsen zumindest eines der Räder (4) beeinflussen.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Räder (4) angetrieben sind und die Bewegung des Geräts durch Antreiben zumindest eines der Räder (4) beeinflußt wird.
4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Gleitschuh (7) zur Klemmung des Geräts an dem zu bearbeitenden Gewebeteil.
5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem Handgriff (1 ) zum Führen des Geräts durch den Chirurgen.
6. Regelungseinheit (8), die an ein Gerät nach den Ansprüchen 1 bis 5 anschließbar ist und Bewegungssignale an das Gerät erteilen kann auf der
Grundlage eines Vergleichs einer vorgegebenen Bewegungsbahn des Geräts mit einer tatsächlichen Bewegungsbahn des Geräts.
7. Regelungseinheit (8) nach Anspruch 6 mit einer Abweichungssteuerungseinrichtung zum präoperativen Festlegen von zulässigen Abweichungen von der vorgegebenen Bewegungsbahn.
8. Verfahren zur Bahnregelung eines medizinischen Geräts relativ zu einem Gewebe am menschlichen oder tierischen Körper mit folgenden Schritten: Festlegen einer vorgegebenen Bewegungsbahn des Geräts; Abstützen des Geräts zur Bahnregelung an dem zu behandelnden Körper mittels einem oder mehreren Rädern (4); Erfassen der Bewegungsbahn des Geräts; und Steuern bzw. Regeln von Aktuatoren (10) des Geräts zur Beeinflussung der Bahn des Geräts auf der Grundlage eines Vergleichs der vorgegebenen Bewegungsbahn mit der erfaßten Bewegungsbahn.
9. Verfahren zur Bahnregelung nach Anspruch 8 mit dem Schritt des Abbremsens der Räder (4) zur Bahnregelung.
10. Verfahren zur Bahnregelung nach Anspruch 8 oder 9 mit dem Schritt des Antreibens der Räder (4) zur Bahnregelung.
11. Verfahren zur Bahnregelung nach einem der Ansprüche 8 bis 10 mit dem Schritt des Klemmens des Geräts an dem zu behandelnden Körperteil mittels eines Gleitschuhs (7).
12. Verfahren zur Bahnregelung nach einem der Ansprüche 8 bis 11 mit dem Schritt des präoperativen Festlegens von zulässigen Abweichungen des Geräts von der vorbestimmten Bahn.
13. Computerprogramm zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der
Ansprüche 8 bis 12.
14. Datenträger mit einem Computerprogramm nach Anspruch 13.
15. System zur Bahnregelung eines medizinischen Instruments mit einem Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und einer Regelungseinheit (8) nach Anspruch 6 oder 7.
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