WO2012034886A1 - Verfahren zum platzieren eines laparoskopieroboters in einer vorgebbaren relativlage zu einem trokar - Google Patents

Verfahren zum platzieren eines laparoskopieroboters in einer vorgebbaren relativlage zu einem trokar Download PDF

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WO2012034886A1
WO2012034886A1 PCT/EP2011/065300 EP2011065300W WO2012034886A1 WO 2012034886 A1 WO2012034886 A1 WO 2012034886A1 EP 2011065300 W EP2011065300 W EP 2011065300W WO 2012034886 A1 WO2012034886 A1 WO 2012034886A1
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WO
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trocar
robot
isocenter
patient
camera
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PCT/EP2011/065300
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Ronny BÄRWINKEL
Oliver Hornung
Karl-Heinz Maier
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Siemens Aktiengesellschaft
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Publication date
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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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    • A61B17/3421—Cannulas
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    • A61B34/30—Surgical robots
    • A61B2034/302—Surgical robots specifically adapted for manipulations within body cavities, e.g. within abdominal or thoracic cavities

Definitions

  • the invention relates to a method for placing a Laparoskopieroboters with an isocentric movable Instru ⁇ mentenarm in a predeterminable relative position relates to a placed in a patient trocar, the method reitungsphase a preparatory for a to be performed on the patient engagement and wherein the relative position of an output Posi ⁇ tion for the procedure.
  • a laparoscopic robot is known for example in the form of the model "da Vinci" of the company “Intuitive Surgical”.
  • This Ro ⁇ boter has a first instrument arm which carries at its front end an endoscope. Up to three further instru ⁇ ment poor laparoscopic instruments carry.
  • a robot-assisted intervention is essentially divided into two phases: In a preparation phase of the intervention, the robot and the patient are aligned with one another in such a way that the robot assumes a defined starting position relative to the patient. Only when this home position reached is, is begun to carry out the actual intervention.
  • Tro ⁇ kar is placed during the preparation phase in the patient through which - also in the prepara ⁇ tung phase - is carefully the respective tool in the patient ⁇ lead to then an actual robot-assisted, minimally invasive To start intervention on the patient or
  • a pivot movement of individual instruments takes place during the operation around a pivot point. This is - even during the preparation phase - placed so that it is located in the center or interior of each trocar.
  • the pivot point is also within the range of the patient's penetration, e.g. in the area of penetration of the abdominal wall. The position of the pivot point must be communicated to the system manually during the surgical preparation.
  • a laparoscopic robot which has an endoscope, and more in ⁇ instruments. These are arranged together on a single instrument arm in the manner of a C-arm structure.
  • a trocar for example, a single-port trocar is used, which has a plurality of bushings. This results in the property that a well-defined geometry Zvi ⁇ rule exists the passages of the trocar and the instruments and the endoscope.
  • the instruments are individually movable while performing the procedure inside the patient. Access to the patient is via a single, single-port trocar. The movement of the instruments or the robot arm can be constructive because of the C-arm structure only isocentric.
  • the k-bow structure with the help of the available degrees of freedom, can only be moved kinematically around an isocenter fixed relative to the robot.
  • the instrument arm is isocentric can be moved around an isocenter, whereby this - during the preparation phase - is again to be placed manually at the passage point of the instruments through the patient surface, for example into the area of the abdominal wall.
  • the isocenter that is the pivot point of the movement of the robot arm is therefore placed during the preparatory phase so that this is due to a fix ⁇ point in the center or at least in the interior or in the region of the trocar.
  • the isocentric movements of the robotic arm while performing the operation have so minima ⁇ len disturbing influence on the trocar or the patient.
  • the instrument arm or instruments are initially placed in the preparation phase so as to be coaxial with an imaginary extended line of the medial longitudinal axis of the trocar outside the patient.
  • the instruments or the instrument arm can then be moved in a second step during the preparation phase axially on the trocar and through it into the interior of the patient.
  • the actual implementation of the method can be interrupted by renewed preparation phases or contain these, namely, if, for example, a change of instrument is pending.
  • the previous instrument is then removed from the patient or trocar and a new must be introduced into the trocar and thus into the patient until it reaches a defined starting position and the implementation of the method can be continued. Even in such preparatory phases, the above problems arise.
  • the object of the invention is to provide an improved method for placing a laparoscopic robot with an isocentrically movable instrument arm in a predeterminable relative position to a trocar placed in a patient during a preparation phase.
  • the object is achieved by a method according to patent claim 1.
  • the isocentric working Laparoskopieroboter is to be placed during a preparatory phase for a to be performed on a Pa ⁇ tienten engagement in a predefinable position relative to the patient during the preparation phase be ⁇ already set, that is placed trocar ,
  • This relative position represents a starting position for the intervention and is in particular the above-described position of the isocenter at a desired fixed point within or in the region of the trocar.
  • a location marker which can be located from outside the patient is attached to the trocar.
  • the spatial position of the trocar and also of the fixed point is then detected on the basis of the location marker.
  • the actual position of the isocenter of the laparoscopic robot is detected.
  • the laparoscopic robot is moved in such a way that the relative position is reached Isocenter is moved to the fixed point. The robot is thus in the
  • both the entire robot eg on rollers
  • the robot can be movable on the floor, for example, by means of rollers
  • the carrier defines the isocenter, ie the isocenter has a fixed spatial position relative to this.
  • the basic framework can initially be moved approximately to the correct position, so that the isocenter is at least close to the fixed point.
  • ⁇ closing only the carrier and with this the Iso ⁇ center relative to the backbone shifted according to the invention.
  • the isocenter is always tracked, i. the actual position of the isocenter is detected repeatedly and thus the deviation from the position of the fixed point is always recalculated.
  • the adjustment of the laparoscopic robot to be performed may be suggested to the user by the error minimization method via a suitable display.
  • a suitable display This shows eg, in which directions and by how much, for example, certain Ge ⁇ joints of the robot to adjust the skeletal structure is to be shifted.
  • the actual placement of the laparoscopic ⁇ robot is thus still manual, but supported or guided by the corresponding display.
  • the laparoscopic observer can also be moved automatically. A manual intervention of the staff to place the robot is then no longer necessary, a corresponding display for the above-mentioned desired directions of movement, etc. is then superfluous.
  • the error minimization can therefore be autonomous or automatic, semi-autonomous or manual.
  • the spatial position and / or the actual position are determined by optical detection with the aid of a camera.
  • the location marker is then a mark that can be visually detected by the camera or is visible. This is e.g. then run as at least three attached to the trocar marker points.
  • optical navigation systems e.g. an infrared camera with infrared visible markers, e.g. from the "Polaris" system of NDI known.
  • an endoscope is arranged on the instrument arm as a camera.
  • an endoscope is present anyway, which, for example, is registered or calibrated in terms of its optical imaging properties in the coordinate system of the laparoscopic robot.
  • This endoscope, wel ⁇ ches is typically used to navigate the surgical procedure in patients who fulfilled a dual function as a navigation camera when placing the Laparoskopieroboters or its isocenter. An additional camera is then no longer necessary.
  • the actual position of the Iso ⁇ center is then always ⁇ by the current camera position be ⁇ known. The relative position between isocenter and fixed point degenerates to the camera position relative to the fixed point.
  • a corresponding endoscope camera is often a stereo camera system, which significantly simplifies the necessary spatial location of location markers compared to a single camera.
  • a combination arm for a single-port technique is used as the instrument arm.
  • the isocenter of Laparoskopieroboters is in particular ⁇ sondere for the not inconsiderable in its diameter single port trocar and the respective associated combination arm optimum placement of the pivot point so relatively crucial to the patient according to the invention to minimize the engagement trauma.
  • a position-based visual servoing method is carried out as an error minimization method.
  • Position-based visual servoing always determines the actual relative coordinates in a reference coordinate system.
  • Cartesian location coordinates are known for the position and / or orientation of the isocentre and the instrument arm as well as the markers.
  • Under Chamfering of the properties of homogeneous transformations wetting can thus continuously the position difference between the trocar and the isocenter of the C-arm described as the combination of the various coordinate systems - for example, the isocenter, the ra and the C-arm - via respective transformation ⁇ matrices.
  • a visual-voicing method is carried out as an error minimization method.
  • Visual servoing methods are described, for example, in J.Wang and WJWilson, ⁇ 3 ⁇ relative position and orientation estimation using Kaiman filter for robot control 1992 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 2638-2645 (1992). "The basis for this is a kinematic highly accurate calibrated system of Laparoskopierobo ter and camera, for which consequently is known where the position of the Isoticians with respect to a defi ⁇ by the camera ned base or reference coordinate system is. in particular ⁇ sondere for the above variant, the camera is integrated in the system endoscope camera is continuously the relative position between the endoscope camera and the located trocar and thus the fixed point available.
  • the isocenter can then brought to the location of the fixed point ⁇ to.
  • the error minimization method is performed on a Kalman filter as described, for example, in US Pat. known from the above article.
  • FIG. 1 shows a patient on which a laparoscopic robot is placed.
  • Fig. 1 shows a section of a patient 2, namely the abdominal wall 4 with underlying abdominal space 6 in an operating room.
  • Patient 2 should undergo a minimally invasive procedure.
  • the intervention should take place with the aid of a laparoscopic robot 8.
  • the robot 8 has a roller bearing, e.g. on the floor of the operating room movable frame 10 on. Relative to this movable and on this a support 12 is arranged, which carries an instrument arm 14.
  • the instrument arm 14 carries at its distal end laparoscopic instruments 16, with the help of which the procedure is to be performed.
  • the instrument arm 14 together with the instruments 16 in this case is isocentrically movable about an isocenter 18, wherein the isocenter to the carrier 12 has a fixed relative position.
  • the instrument arm 14 is a combination arm for a single-port technique, ie the instruments 16 are fixed relative to each other in their relative position on the single instrument arm 14.
  • the relative position R is defined as follows:
  • the isocenter 18 is intended to lie in the inner or axial center of the trocar 20 approximately at the level of the
  • a locator 24 locatable from outside the patient 2 is attached to the trocar 20.
  • the position indicator 24 is attached to the trocar 20 in a defined relative position. so that with local knowledge of the trocar 20 as well as the location of the fixed point 22 is known.
  • the location marker 24 is an optical location marker.
  • an external camera 26 to the robot 8 is used.
  • the camera 26 detects at least during the preparatory phase in in Fig. 1 is ⁇ indicated field of view now in their camera coordinate system, the spatial position P T of the trocar 20 and therefore that of the Fix point 22.
  • the camera 26 or an on these connected, not shown Navigation System also detects the actual position I of the isocenter 18. This is done either also via a mounted on the instrument arm 14, not shown, locatable by the camera 26 place marker.
  • the location detection in the robot 8 for example via angle and length encoders, quantize the movement position of the degrees of freedom of the robot 8. For this purpose, only the geometry of the robot 8 must be known.
  • the location position P T and the actual position I are transmitted to a fault minimization method 28.
  • the robot 8 is moved during the preparation phase so that the relative position R is reached. Before ⁇ will Trains t So the isocenter moved into the fixed point 22 18th This can be done by issuing Verstellromen on a display 30.
  • the Verstellromtellere refer to the degrees of freedom of the robot 8 and output to not dargestell ⁇ tes operating personnel. This adjusted manually ge ⁇ Gurss the information generated according to the method the robot 8. This results in an immediate and exact positioning of the isocenter 18 in the desired relative position R or position at the fixed point 22nd
  • the robot 8 is automatically moved with respect to its degrees of freedom such that the isocenter 18 reaches the fixed point 22.
  • the camera 26 is no external camera, but one of the Instrumen ⁇ te 16 is an endoscope 32. This implements the function of the camera or to camera degenerate 26th
  • the endoscope 32 then represents the camera 26 whose view ⁇ field is again indicated in Fig. 1.
  • the determination of the actual position I in the coordinate system of the camera 26 or of the endoscope 32 is simplified, since this always embodies the actual position I itself.
  • the reason for this is that the position of the camera is kinematically linked in a known manner via the construction of the robot 8 with the actual position I, since this is arranged in relative fixed position to the instrument 14.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Platzieren eines Laparoskopieroboters (8) mit einem um dessen Isozentrum (18) isozentrisch bewegbaren Instrumentenarm (14) während einer Vorbereitungsphase für einen an einem Patienten durchzuführenden Eingriff, in einer eine Ausgangsposition für den Eingriff darstellenden vorgebbaren Relativlage (R) zu einem im Patienten (2) während der Vorbereitungsphase platzierten Trokar (20) : wird am Trokar (20) ein von außerhalb des Patienten (2) ortbarer Ortsmarker (24) angebracht, wird die Ortsposition (PT) des Trokars (20) anhand des Ortsmarkers (24) erfasst, wird die Ist-Position (I) des Isozentrums (18) erfasst, wird anhand der Ist-Position (I), der Ortsposition (PT) und eines Fehlerminimierungsverfahrens (28) der Laparoskopieroboter (8) so bewegt, dass die Relativlage (R) erreicht wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Platzieren eines Laparoskopieroboters in einer vorgebbaren Relativlage zu einem Trokar
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Platzieren eines Laparoskopieroboters mit einem isozentrisch bewegbaren Instru¬ mentenarm in einer vorgebbaren Relativlage zu einem in einem Patienten platzierten Trokar, wobei das Verfahren eine Vorbe- reitungsphase für einen am Patienten durchzuführenden Eingriff betrifft, und wobei die Relativlage eine Ausgangsposi¬ tion für den Eingriff darstellt.
Minimalinvasive Eingriffe nehmen im Bereich der klinischen Chirurgie einen zunehmend größeren Stellenwert ein. Wurden für kleine chirurgische Eingriffe noch vor wenigen Jahren re¬ lativ große Bereiche des Situs eröffnet, um eine Navigation des Chirurgen durch natürliche Landmarken zu ermöglichen, so lässt sich beobachten, dass eine Vielzahl dieser Eingriffe heute mittels Laparoskopie und optischer Unterstützung in
Form von Endoskopie durchgeführt wird. Als Weiterentwicklung der klassischen Laparoskopie hat die robotergestützte Chirur¬ gie inzwischen in einigen Bereichen der Medizin Einzug gehalten, z.B. in der Urologie, Gynäkologie oder Kardiologie. Sie ist dabei, sich im medizinischen Alltag durchzusetzen.
Ein Laparoskopieroboter ist zum Beispiel in Form des Modells „da Vinci" der Firma „Intuitive Surgical" bekannt. Dieser Ro¬ boter weist einen ersten Instrumentenarm auf, der an seinem vorderen Ende ein Endoskop trägt. Bis zu drei weitere Instru¬ mentenarme tragen laparoskopische Instrumente.
Ein robotergestützter Eingriff gliedert sich im Wesentlichen in zwei Phasen: In einer Vorbereitungsphase des Eingriffs werden Roboter und Patient zueinander derart ausgerichtet, dass der Roboter eine definierte Ausgangsposition relativ zum Patienten einnimmt. Erst wenn diese Ausgangsposition erreicht ist, wird mit der Durchführung des eigentlichen Eingriffs begonnen .
Sowohl für das Endoskop als auch jedes der Instrumente wird während der Vorbereitungsphase im Patienten jeweils ein Tro¬ kar platziert, durch welchen - ebenfalls in der Vorberei¬ tungsphase - das jeweilige Werkzeug in den Patienten einzu¬ führen ist, um sodann einen eigentlichen roboterassistierten, minimalinvasiven Eingriff am Patienten zu beginnen bzw.
durchzuführen. Eine Pivotbewegung einzelner Instrumente erfolgt während der Operation um einen Pivotpunkt. Dieser wird - auch während der Vorbereitungsphase - so gelegt, dass er sich im Zentrum bzw. Inneren des jeweiligen Trokars befindet. Der Pivotpunkt liegt außerdem im Bereich der Durchdringung des Patienten, also z.B. im Bereich der Durchdringung der Bauchdecke. Die Position des Pivotpunktes muss bei der OP- Vorbereitung dem System händisch mitgeteilt werden.
Aus der am 17.09.2010 eingereichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 10 2010 040 975.8 ist ein Laparoskopie- roboter bekannt, welcher über ein Endoskop und mehrere In¬ strumente verfügt. Diese sind gemeinsam an einem einzigen Instrumentenarm nach Art einer C-Bogen-Struktur angeordnet. Als Trokar wird dann z.B. ein einziger Single-Port-Trokar verwen- det, der mehrere Durchführungen aufweist. Daraus ergibt sich die Eigenschaft, dass eine genau definierte Geometrie zwi¬ schen den Durchführungen des Trokars und den Instrumenten bzw. dem Endoskop vorliegt. Die Instrumente sind zusätzlich während der Durchführung des Eingriffs im Inneren des Patienten einzeln bewegbar. Der Zugang zum Patienten erfolgt über einen einzigen, sogenannten Single-Port-Trokar. Die Bewegung der Instrumente bzw. des Roboterarms kann konstruktiv wegen der C-Bogen-Struktur nur isozentrisch erfolgen. Mit anderen Worten lässt sich die C- Bogen-Struktur kinematisch bedingt mit Hilfe der verfügbaren Freiheitsgrade nur um ein bezüglich des Roboters festgesetztes Isozentrum bewegen. Der Instrumentenarm ist isozentrisch um ein Isozentrum verfahrbar, wobei dieses - während der Vorbereitungsphase - wieder händisch an den Durchtrittspunkt der Instrumente durch die Patientenoberfläche zu legen ist, z.B. in den Bereich der Bauchdecke. Das Isozentrum, also der Pivotpunkt der Bewegung des Roboterarms wird daher während der Vorbereitungsphase so platziert, dass dieses an einem Fix¬ punkt im Zentrum bzw. wenigstens im Inneren bzw. im Bereich des Trokars liegt. Die isozentrischen Bewegungen des Roboterarms während der Durchführung des Eingriffs haben so minima¬ len störenden Einfluss auf den Trokar bzw. den Patienten.
Im Detail werden der Instrumentenarm bzw. die Instrumente in der Vorbereitungsphase zunächst so platziert, dass diese sich koaxial auf einer gedachten verlängerten Linie der Mittellängsachse des Trokars außerhalb des Patienten befinden. Die Instrumente bzw. der Instrumentenarm können dann in einem zweiten Schritt während der Vorbereitungsphase axial auf den Trokar zu und durch diesen hindurch in das Innere des Patienten bewegt werden. Zwar kann im ersten Schritt sichergestellt werden, dass die Trokaröffnungen auf einfachem Wege getroffen werden. Es ist jedoch weiterhin erforderlich festzustellen, an welcher Stelle der nun bekannten Linie sich der Trokar befindet. Dies ist wichtig, um das oben genannte Isozentrum in den Bereich des Trokars, also an den gewünschten, durch den Trokar definierten Fixpunkt zu legen.
Bekannt ist es auch hier, den gesamten Roboter zusammen mit dem Isozentrum während der Vorbereitungsphase händisch so lange zu verschieben bzw. zu verfahren, bis das Isozentrum des Roboters im gewünschten Fixpunkt des im Patienten plat¬ zierten Trokars liegt. Hierzu werden die ansonsten motorisch bedienbaren Antriebe des Roboters kraftfrei geschaltet bzw. betreffende Bremsen gelöst. Diese Vorgehensweise ist zeit- und kraftaufwändig .
Auch die eigentliche Durchführung des Verfahrens kann durch erneute Vorbereitungsphasen unterbrochen werden bzw. diese enthalten, wenn nämlich z.B. ein Instrumentenwechsel ansteht. Das bisherige Instrument wird dann aus dem Patienten bzw. Trokar entfernt und ein neues muss in den Trokar und somit in den Patienten eingeführt werden, bis es wieder eine definierte Ausgangslage erreicht und die Durchführung des Verfahrens fortgesetzt werden kann. Auch in solchen Vorbereitungsphasen ergeben sich die o.g. Probleme.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Platzieren eines Laparoskopieroboters mit einem isozentrisch bewegbaren Instrumentenarm in einer vorgebbaren Relativlage zu einem in einem Patienten platzierten Trokar während einer Vorbereitungsphase anzugeben.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentan- spruch 1. Der isozentrisch arbeitende Laparoskopieroboter soll während einer Vorbereitungsphase für einen an einem Pa¬ tienten durchzuführenden Eingriff in einer vorgebbaren Relativlage zum im Patienten während der Vorbereitungsphase be¬ reits gesetzten, also platzierten Trokar platziert werden. Diese Relativlage stellt eine Ausgangsposition für den Eingriff dar und ist insbesondere die oben beschriebene Lage des Isozentrums an einem gewünschten Fixpunkt innerhalb bzw. im Bereich des Trokars. Erfindungsgemäß wird am Trokar ein von außerhalb des Patienten ortbarer Ortsmarker angebracht. Da die Lage des isozentrischen Fixpunktes relativ zum Trokar bekannt bzw. vorgegeben ist, wird die Ortsposition des Trokars und auch des Fixpunktes dann anhand des Ortsmarkers erfasst. In einem weiteren Schritt wird die Ist-Position des Isozentrums des Laparoskopieroboters erfasst. Anhand der Ist-Posi- tion des Isozentrums und der Ortsposition des Trokars bzw. des Fixpunktes, welche mit anderen Worten die Zielposition für das Isozentrum darstellt, und anhand eines Fehlerminimie- rungsverfahrens wird der Laparoskopieroboter so bewegt, dass die Relativlage erreicht wird bzw. das Isozentrum in den Fix- punkt bewegt wird. Der Roboter befindet sich damit in der
Ausgangsposition und die Durchführung des eigentlichen Eingriffs am Patienten kann beginnen. Gemäß der Erfindung kann sowohl der gesamte Roboter, z.B. auf Rollen, verfahren werden, um das Isozentrum auf den Fixpunkt auszurichten. Denkbar ist jedoch auch, dass der Roboter ein z.B. auf dem Fußboden mit Hilfe von Rollen verfahrbares
Grundgerüst aufweist. Auf diesem ist dann relativ zu diesem beweglich ein Träger für den Instrumentenarm angeordnet. Der Träger definiert das Isozentrum, d.h. das Isozentrum weist eine relativ zu diesem feste Raumlage auf. Bei einem solchen Roboter kann z.B. das Grundgerüst zunächst nach Augenmaß in etwa die richtige Position verfahren werden, dass also das Isozentrum zumindest in der Nähe des Fixpunktes liegt. An¬ schließend wird lediglich der Träger und mit diesem das Iso¬ zentrum relativ zum Grundgerüst erfindungsgemäß verschoben. Es kann jedoch auch schon zur Grobpositionierung des Grundgerüstes das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden.
Während der gesamten Justierprozedur wird das Isozentrum stets ortsverfolgt, d.h. die Ist-Position des Isozentrums wird wiederholt erfasst und somit die Abweichung zur Orts- Position des Fixpunktes stets neu berechnet.
Mit anderen Worten ist durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Lageabgleich zwischen dem Isozentrum des C-Bogens bzw. Laparoskopieroboters und dem Trokar bzw. dem Fixpunkt, also dem gewünschten Pivotpunkt der Armbewegung möglich.
Der Gewinn wertvoller OP-Zeit, eine kürzere Narkosezeit und eine einfachere Bedienung des Roboters sind die direkten Fol¬ gen des Verfahrens.
Die auszuführende Verstellung des Laparoskopieroboters kann durch das Fehlerminimierungsverfahren über eine geeignete Anzeige einem Benutzer vorgeschlagen werden. Diese zeigt z.B. an, in welche Richtungen und um wie viel z.B. bestimmte Ge¬ lenke des Roboters zu verstellen sind oder das Grundgerüst zu verschieben ist. Das eigentliche Platzieren des Laparoskopie¬ roboters erfolgt damit weiterhin manuell, jedoch unterstützt bzw. angeleitet durch die entsprechende Anzeige. Alternativ zur eben genannten händischen Bewegung kann jedoch in einer vorteilhaften Aus führungs form der Laparoskopierobo- ter auch automatisch bewegt werden. Ein manueller Eingriff des Personals zum Platzieren des Roboters ist dann nicht mehr notwendig, eine entsprechende Anzeige für die oben genannten Soll-Bewegungsrichtungen usw. ist dann überflüssig. Die Feh- lerminimierung kann also autonom bzw. automatisch, teilautonom oder manuell geschehen.
In einer vorteilhaften Aus führungs form des Verfahrens werden die Ortsposition und/oder die Ist-Position durch eine optische Erfassung mit Hilfe einer Kamera ermittelt. Der Ortsmar- ker ist dann ein durch die Kamera optisch erfassbarer, bzw. sichtbarer Marker. Dieser ist z.B. dann als mindestens drei am Trokar angebrachte Markerpunkte ausgeführt. Hier sind sämtliche aus optischen Navigationssystemen bekannte Konzepte denkbar, z.B. eine Infrarotkamera mit infrarot sichtbaren Markern, wie z.B. vom "Polaris"-System der Firma NDI bekannt.
In einer bevorzugten Aus führungs form des Verfahrens wird am Instrumentenarm ein Endoskop als Kamera angeordnet. Bei den oben genannten Laparoskopierobotern ist ohnehin ein Endoskop vorhanden, welches z.B. hinsichtlich seiner optischen Abbildungseigenschaften im Koordinatensystem des Laparoskopieroboters registriert bzw. kalibriert ist. Dieses Endoskop, wel¬ ches in der Regel zur Navigation der chirurgischen Maßnahme im Patienten dient, erfüllt dann eine Doppelfunktion als Navigationskamera bei der Platzierung des Laparoskopieroboters bzw. seines Isozentrums. Eine zusätzliche Kamera ist dann nicht mehr notwendig. Außerdem ist die Ist-Position des Iso¬ zentrums dann stets durch die aktuelle Kameraposition be¬ kannt. Die Relativposition zwischen Isozentrum und Fixpunkt entartet zur Kameraposition relativ zum Fixpunkt. Eine entsprechende Endoskopkamera ist oft ein Stereokamerasystem, welches die notwendige Raumortung von Ortsmarkern gegenüber einer Einzelkamera deutlich vereinfacht. In einer weiteren bevorzugten Aus führungs form des Verfahrens wird als Instrumentenarm ein Kombinationsarm für eine Single Port-Technik verwendet. Wie bereits oben erwähnt, ist insbe¬ sondere für den in seinem Durchmesser nicht unerheblichen Single-Port-Trokar und den entsprechend zugehörigen Kombinationsarm eine optimale Platzierung des Pivotpunktes also des Isozentrums des Laparoskopieroboters relativ zum Patienten gemäß der Erfindung entscheidend, um das Eingriffstrauma zu minimieren .
In einer bevorzugten Aus führungs form des Verfahrens wird als Fehlerminimierungsverfahren ein positionsbasiertes Visual- Servoing-Verfahren durchgeführt. Beim positionsbasierten Vi- sual-Servoing (position based Visual servoing - PBVS) werden stets die tatsächlichen Relativkoordinaten in einem Bezugsko ordinatensystem bestimmt. So sind z.B. für die Lage und/oder Orientierung des Isozentrums und des Instrumentenarms sowie der Marker kartesische Ortskoordinaten bekannt. Unter Ausnut zung der Eigenschaften homogener Transformationen lässt sich so fortlaufend die Lagedifferenz zwischen Trokar und Isozentrum des C-Bogens beschreiben als die Verknüpfung der ver schiedenen Koordinatensysteme - z.B. des Isozentrums, der Ka mera und des C-Bogens - über entsprechende Transformations¬ matrizen .
In einer weiteren vorteilhaften Aus führungs form des Verfahrens wird als Fehlerminimierungsverfahren ein Visual-Ser- voing-Verfahren durchgeführt. Visual-Servoing-Verfahren sind z.B. aus „J.Wang and W.J.Wilson, λ3ϋ relative position and orientation estimation using Kaiman filter for robot con- trol 1992 IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp . 2638-2645 (1992)" bekannt. Die Grundlage hierfür ist ein kinematisch hochgenau kalibriertes System aus Laparoskopierobo ter und Kamera, für das demzufolge bekannt ist, wo sich die Lage des Isozentrums in Bezug auf ein durch die Kamera defi¬ niertes Basis- oder Bezugskoordinatensystem befindet. Insbe¬ sondere für die oben genannte Variante, dass die Kamera die im System integrierte Endoskopkamera ist, steht fortlaufend die Relativlage zwischen der Endoskopkamera und dem georteten Trokar und damit dem Fixpunkt zur Verfügung.
Aus den Projektionen der Marker im Kamerabild, also der Lage der Bildmerkmale, wird bei bekannter Geometrie zwischen den Markern, z.B. am Trokar und der kalibrierten Kamera die Lage - also Position und Orientierung - des Trokars in Bezug auf das Kamerakoordinatensystem geschätzt bzw. ermittelt. Durch ein geeignetes Regelgesetz als Fehlerminimierungsverfahren kann dann das Isozentrum zum Ort des Fixpunktes gebracht wer¬ den .
In einer bevorzugten Aus führungs form wird das Fehlerminimierungsverfahren anhand eines Kalman-Filters durchgeführt, wie es z.B. aus dem oben genannten Artikel bekannt ist.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:
Fig. 1 einen Patienten, an dem ein Laparoskopieroboter platziert wird.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines Patienten 2, nämlich dessen Bauchdecke 4 mit darunter liegendem Bauchraum 6 in einem Operationssaal. Am Patienten 2 soll ein minimalinvasiver Eingriff durchgeführt werden. Der Eingriff soll mit Hilfe eines Laparoskopie-Roboters 8 stattfinden. Der Roboter 8 weist ein rollengelagertes, z.B. auf dem Fußboden des Operationssaals verfahrbares Grundgerüst 10 auf. Relativ zu diesem beweglich und auf diesem ist ein Träger 12 angeordnet, welcher einen Instrumentenarm 14 trägt. Der Instrumentenarm 14 trägt an seinem fernen Ende laparoskopische Instrumente 16, mit deren Hilfe der Eingriff durchgeführt werden soll.
Der Instrumentenarm 14 zusammen mit den Instrumenten 16 ist hierbei um ein Isozentrum 18 isozentrisch bewegbar, wobei das Isozentrum zum Träger 12 eine feste Relativposition aufweist . Der Instrumentenarm 14 ist ein Kombinationsarm für eine Single-Port-Technik, d.h. die Instrumente 16 sind in ihrer Relativposition zueinander fix am einzigen Instrumentenarm 14 befestigt.
Für die Single-Port-Technik ist daher der Patient 2 während einer Vorbereitungsphase für den Eingriff dahingehend vorbe¬ reitet, dass in dessen Bauchdecke 4 ein Single-Port-Trokar 20 eingebracht ist, durch welchen - ebenfalls in der Vorberei- tungsphase - sämtliche Instrumente 16 in den Patienten 2 ein¬ zuführen sind. Um eine maximale Beweglichkeit der Instrumente 16 im Bauchraum 6 während der späteren Durchführung des Eingriffs zu erreichen und gleichzeitig die Bauchdecke 4 des Pa¬ tienten 2 möglichst wenig zu belasten, soll eine isozentri- sehe Bewegung des Instrumentenarms 14 den Patienten 2 mög¬ lichst wenig belasten.
Sämtliche isozentrischen Pivot-Bewegungen des Roboters 8 sollen daher während der Durchführung des Eingriffs so ausge- führt werden, dass diese nur eine minimale Bewegung der
Bauchdecke 4 bzw. des Trokars 20 bewirken. Der Pivotpunkt sämtlicher Bewegungen, also das Isozentrum 18, soll daher während der Vorbereitungsphase in eine festgelegte Relativpo¬ sition R bezüglich des Trokars 20 gebracht werden, die dann eine Ausgangsposition für die Durchführung des Eingriffs darstellt .
In einer bevorzugten Aus führungs form ist die Relativposition R folgendermaßen definiert: Das Isozentrum 18 soll im In- neren bzw. axialen Zentrum des Trokars 20 etwa auf Höhe der
Bauchdecke 4 liegen. Aus diesem Grund wird in einer relativen Fixposition zum Trokar 20 ein Fixpunkt 22 in dessen Innerem definiert. Der Roboter 8 soll dann so platziert werden, dass das Isozentrum 18 am Fixpunkt 22 zu liegen kommt.
Erfindungsgemäß ist daher am Trokar 20 ein von außerhalb des Patienten 2 ortbarer Ortsmarker 24 befestigt. Der Ortsmar- ker 24 ist in definierter Relativlage am Trokar 20 ange- bracht, so dass bei Ortskenntnis des Trokars 20 als auch der Ort des Fixpunktes 22 bekannt ist.
Im vorliegenden Beispiel ist der Ortsmarker 24 ein optischer Ortsmarker. Als Ortungseinrichtung kommt daher eine zum Roboter 8 externe Kamera 26 zum Einsatz. Die Kamera 26 erfasst zumindest während der Vorbereitungsphase im in Fig. 1 ange¬ deuteten Sichtfeld nun in ihrem Kamerakoordinatensystem die Ortsposition PT des Trokars 20 und damit diejenige des Fix- punktes 22. Die Kamera 26 bzw. ein an diese angeschlossenes, nicht dargestelltes Navigationssystem erfasst außerdem die Ist-Position I des Isozentrums 18. Dies geschieht entweder ebenfalls über einen am Instrumentenarm 14 angebrachten, nicht dargestellten, von der Kamera 26 ortbaren Ortsmarker. Alternativ kann die Ortserfassung auch im Roboter 8, z.B. über Winkel- und Längengeber erfolgen, die Bewegungsstellung der Freiheitsgrade des Roboters 8 quantisieren . Hierzu muss lediglich die Geometrie des Roboters 8 bekannt sein. Die Ortsposition PT und die Ist-Position I werden an ein Feh- lerminimierungsverfahren 28 übermittelt. Anhand dessen wird erfindungsgemäß der Roboter 8 während der Vorbereitungsphase so bewegt, dass die Relativposition R erreicht wird. Bevor¬ zugt wird also das Isozentrum 18 in den Fixpunkt 22 bewegt. Dies geschieht z.B. durch Ausgabe von Verstellhinweisen an einer Anzeige 30. Die Verstellhinweise beziehen sich auf die Freiheitsgrade des Roboters 8 und werden an nicht dargestell¬ tes Bedienpersonal ausgegeben. Dieses verstellt händisch ge¬ mäß der verfahrensgemäß erzeugten Informationen den Roboter 8. Dies führt zu einer unmittelbaren und exakten Positionierung des Isozentrums 18 in der gewünschten Relativlage R bzw. Lage am Fixpunkt 22.
In einer alternativen Aus führungs form ist keine Anzeige 30 vorhanden. An Hand des Fehlerminimierungsverfahrens 28 wird der Roboter 8 bezüglich seiner Freiheitsgrade automatisch so verfahren, dass das Isozentrum 18 in den Fixpunkt 22 gelangt. In einer alternativen Aus führungs form des Verfahrens ist die Kamera 26 keine externe Kamera, sondern eines der Instrumen¬ te 16 ist ein Endoskop 32. Dieses erfüllt die Funktion der Kamera bzw. entartet zur Kamera 26.
Das Endoskop 32 stellt dann die Kamera 26 dar, deren Sicht¬ feld wiederum in Fig. 1 angedeutet ist. In diesem Fall vereinfacht sich die Ermittlung der Ist-Position I im Koordinatensystem der Kamera 26 bzw. des Endoskops 32, da dieses stets die Ist-Position I selbst verkörpert. Grund hierfür ist, dass die Position der Kamera kinematisch in bekannter Weise über die Konstruktion des Roboters 8 mit der Ist- Position I verknüpft ist, da diese in relativer Fixposition zum Instrumentenarm 14 angeordnet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Platzieren eines Laparoskopieroboters (8) mit einem um dessen Isozentrum (18) isozentrisch bewegbaren Instrumentenarm (14) während einer Vorbereitungsphase für ei¬ nen an einem Patienten durchzuführenden Eingriff, in einer eine Ausgangsposition für den Eingriff darstellenden vorgebbaren Relativlage (R) zu einem im Patienten (2) während der Vorbereitungsphase platzierten Trokar (20), bei dem:
- am Trokar (20) ein von außerhalb des Patienten (2) ortbarer Ortsmarker (24) angebracht wird,
- die Ortsposition (PT) des Trokars (20) anhand des Orts- markers (24) erfasst wird,
- die Ist-Position (I) des Isozentrums (18) erfasst wird, - anhand der Ist-Position (I), der Ortsposition (PT) und eines Fehlerminimierungsverfahrens (28) der Laparosko- pieroboter (8) so bewegt wird, dass die Relativlage (R) erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem
- die Ortsposition (PT) eines isozentrischen Fixpunktes (22) des Trokars (20) anhand des Ortsmarkers (24) er¬ fasst wird,
- der Laparoskopieroboter (8) in eine solche Relativlage (R) bewegt wird, dass das Isozentrum (18) im Fixpunkt
(22) liegt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Laparoskopieroboter (8) automatisch bewegt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ortsposition (PT) und/oder Ist-Position (I) durch eine optische Erfassung mit Hilfe einer Kamera (26) ermittelt wer¬ den .
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem ein am Instrumentenarm (14) angeordnetes Endoskop (32) als Kamera (26) benutzt wird .
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Instrumentenarm (14) ein Kombinationsarm für eine Single- Port-Technik verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Fehlerminimierungsverfahren (28) ein positionsbasiertes Visual-Servoing-Verfahren durchgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Fehlerminimierungsverfahren (28) ein Visual-Servoing- Verfahren durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Fehlerminimierungsverfahren (28) anhand eines Kaiman-Filters durchgeführt wird.
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