WO2013159933A1 - Chirurgierobotersystem und chirurgisches instrument - Google Patents

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WO2013159933A1
WO2013159933A1 PCT/EP2013/001253 EP2013001253W WO2013159933A1 WO 2013159933 A1 WO2013159933 A1 WO 2013159933A1 EP 2013001253 W EP2013001253 W EP 2013001253W WO 2013159933 A1 WO2013159933 A1 WO 2013159933A1
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instrument
coupling
drive
shaft
arrangement
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PCT/EP2013/001253
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Sebastian LOHMEIER
Wolfgang Schober
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Kuka Laboratories Gmbh
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    • A61B2090/0813—Accessories designed for easy sterilising, i.e. re-usable

Definitions

  • One aspect of the present invention relates to a surgical robotic system having a robot and an instrument assembly attached thereto
  • Instrument assembly with a drive unit, an instrument and a
  • Instrument interface and such a drive unit such an instrument and such an instrument interface, and a shell, in particular such an instrument interface, and a method for their application.
  • Surgical instruments should be as sterile as possible.
  • robots for example, due to lubricant, downforce and the like, difficult to sterilize.
  • End effector is actuated by cables in the instrument shaft.
  • discs which are rotatably mounted side by side in the sterile adapter, coupled with counter discs, which are integrated into the robot arm.
  • Rotary actuators for actuation of the counter discs are arranged in the robot base, the drive torques are transmitted by cables in the robot arm, so that the non-powered instrument is easy to handle.
  • An object of one aspect of the present invention is to provide an improved surgical robotic system.
  • This task is performed by a surgical robotic system with the features of
  • Claim 1 solved. Claim 2, an instrument assembly of such a surgical robot system under protection, claim 6, 10 and 15, a drive unit, an instrument or an instrument interface such
  • Instrument arrangement claim 18 or 19 a shell, in particular for a such instrument interface, or a method for their use.
  • the subclaims relate to advantageous developments.
  • Another aspect of the present invention relates to, in particular
  • a surgical instrument In minimally invasive surgery, a surgical instrument is inserted through a local opening in a patient.
  • an end effector inside the patient such as scissors or endoscopic optics, may be actuated by an extracorporeal drive, for example an electric motor, for example
  • WO 2009/061915 A2 is a surgical instrument with a
  • Instrument shafts are positively coupled via sterile couplings in an excellent orientation.
  • a surgical robotic system includes one or more robots.
  • a robot can have six or more joints, in particular hinges, wherein more than six joints can enable an advantageous positioning of the redundant robot.
  • the robot (s) have control in one embodiment.
  • a plurality of robots may have a common central control or individual controls, which together for more compact representation is also referred to as a controller of the robots.
  • a robot can be arranged on an operating table, in particular detachably fastened.
  • One or more robots of the surgical robot system each have an instrument assembly attached to a subsequently explained aspect of the present invention.
  • an instrument assembly is releasably attached to a robot, in particular form-fitting, frictional and / or magnetic, in particular electromagnetic.
  • the a robot in particular form-fitting, frictional and / or magnetic, in particular electromagnetic.
  • Instrument arrangement in particular a drive unit of
  • Instrument assembly a housing which on an outside of the robot, in particular a robot (end- or tool) flange, attached, for example, screwed, locked or clamped. Additionally or alternatively
  • Instrument assembly on the outside of the robot in particular a
  • Robot (end or tool) flange be attached.
  • An instrument assembly is configured accordingly for attachment to a robot or designed as a robot-guided instrument assembly. It comprises a drive unit, an instrument and an instrument interface according to one of the subsequently explained aspects of the present invention.
  • the instrument arrangement which is preferably portable as a whole, itself has the drive unit, a transmission of
  • an instrument assembly includes two or more
  • Drive unit can be connected to a fixed to the robot instrument assembly.
  • Different drive units or instruments may differ in particular in the number and / or power of actuated degrees of freedom.
  • a drive unit having three actuated degrees of freedom may optionally be provided with an instrument having one or two actuated degrees of freedom and two or one not actuated, i.e., one actuated. unused or blind degree of freedom, and be associated with instruments with three actuated degrees of freedom, the
  • Instrument and drive unit are detachably connected to each other, wherein between the drive unit and instrument an instrument interface is arranged.
  • Instrument and drive unit may in particular be positively, frictionally, materially and / or magnetically, preferably electromagnetically attached to each other and / or attached to the interposed instrument interface.
  • the instrument interface with the drive unit and / or the instrument can be screwed, locked, clamped or even glued, wherein the splice is designed as a desired separation point.
  • the drive unit can be screwed, latched or clamped to the instrument.
  • the instrument interface has a dimensionally stable flange for attachment of the
  • the drive unit and / or the instrument.
  • the drive unit is in one
  • Execution arranged at a proximal endeffector or end of the instrument.
  • a drive unit comprises one or more, in particular three or four, rotary drives, each with at least one
  • one or more rotary actuators of Drive unit depending on one or more electric motors, in particular DC or AC motors, with a stator and a rotor.
  • one or more rotary drives of the drive unit can each have one or more hydraulic motors and / or piezo drives that can drive or apply torque to the respective drive shaft (s).
  • the drive shaft may in particular be a rotor or rotor of an electric and / or hydraulic motor.
  • a rotary drive preferably a coaxial transmission, in particular a planetary gear, preferably a planetary or harmonic drive gear, wherein the drive shaft may be an output or output shaft of the transmission.
  • a rotary drive preferably a coaxial transmission, in particular a planetary gear, preferably a planetary or harmonic drive gear, wherein the drive shaft may be an output or output shaft of the transmission.
  • a rotary drive preferably a coaxial transmission, in particular a planetary gear, preferably a planetary or harmonic drive gear, wherein the drive shaft may be an output or
  • Rotary drive designed as a direct drive. This is understood in the present case in particular that the drive shaft is acted upon directly by a, in particular hydraulic, electric and / or (electro) magnetically generated, drive torque without intervening transmission.
  • a direct drive can be designed to be self-locking in one embodiment.
  • a rotary drive a, in particular coaxial, sensor in particular a on and / or output side speed and / or torque sensor
  • the drive shaft has a coupling part for coupling to a drive shaft of the instrument, which is non-rotatable with the drive shaft.
  • it can be designed to be axially fixed to the drive shaft, in particular integrally therewith.
  • the coupling part is arranged axially displaceable on the drive shaft, in particular form-fitting manner, for example by means of a key, a spline, a tooth or polygon shaft profile or the like.
  • the coupling part is axially biased, in particular by a spring means against the attached to the drive unit instrument interface or attached to the drive unit instrument.
  • a spring means against the attached to the drive unit instrument interface or attached to the drive unit instrument.
  • One or more drive shafts are designed as hollow shafts in one embodiment.
  • the drive unit has one or more drive shafts, each concentrically or coaxially in a surrounding Drive hollow shaft arranged, in particular are stored.
  • the drive shaft which is arranged in a different drive shaft, as the inner drive shaft, the other drive shaft as the outer
  • Drive shaft referred to. indicates the drive unit in one
  • Execution three drive shafts then forms the innermost drive shaft, which may also be formed as a drive hollow shaft, an inner drive shaft, the surrounding central drive shaft an outer drive shaft and at the same time a (further) inner drive shaft surrounding the outermost drive shaft (a further ) outer drive shaft.
  • the drive unit can also have four or more concentric drive hollow shafts.
  • one or more rotary drives are arranged coaxially to their respective drive shaft, in particular a common axis of rotation coaxial drive shafts.
  • one or more rotary actuators can be arranged in alignment one behind the other.
  • Rotary drives parallel offset in the radial and / or circumferential direction to their
  • Friction gear to be coupled.
  • Rotary actuators angular, in particular at right angles, arranged to their respective drive shaft, in particular a common axis of rotation coaxial drive shafts and with these in particular via a screw, screw or
  • the drive unit can each be wireless or wired with a
  • the sleeve of the instrument interface also encloses, at least partially, an energy and / or signal line of the drive unit.
  • An instrument according to one aspect of the present invention comprises a
  • Instrument shaft on the distal or drive unit end facing away from a single or multi-part end effector may be arranged, in particular a scalpel, forceps or scissor legs or the like.
  • the instrument is an endo- or minimally-invasive surgical instrument ("MIC"), in particular an endoscopic, for example laparoscopic or thoracoscopic instrument, in particular, the instrument shaft can be provided by an inlet, which is preferably substantially corresponds to the outer diameter of the instrument shaft, in particular by a trocar, introduced into the patient and actuated there.
  • MIC endo- or minimally-invasive surgical instrument
  • the instrument shaft can be provided by an inlet, which is preferably substantially corresponds to the outer diameter of the instrument shaft, in particular by a trocar, introduced into the patient and actuated there.
  • the end effector may have one or more degrees of freedom.
  • one or more parts of the end effector may each have one or two rotational degrees of freedom about axes of rotation which are preferably perpendicular to the shaft axis.
  • a two-part end effector may represent a pair of pliers or scissors whose legs pivot in opposite directions about the same axis of rotation.
  • the instrument has one or more
  • Drive shafts in particular a drive shaft for Aktutechnik each degree of freedom, in one embodiment in particular one, two or three drive shafts on.
  • the drive shaft has a coupling part for coupling to a drive shaft of the drive unit, which is non-rotatable with the drive shaft. It can be in one
  • the coupling part is arranged axially displaceable on the drive shaft, in particular form-fitting manner, for example by means of a key, a spline, a tooth or polygon shaft profile or the like.
  • the coupling part is axially biased, in particular by a spring means against the instrument interface attached to the instrument or attached to the instrument drive unit.
  • One or more drive shafts are in one embodiment as hollow shafts
  • the drive unit has one or more
  • Drive shafts which are each arranged concentrically or coaxially in a surrounding hollow shaft drive, in particular are stored.
  • the (innermost) drive shaft of the instrument is designed as a drive hollow shaft, in an embodiment advantageously a on or carrying an additional instrument allows.
  • Instrument shaft arranged.
  • a radially compact design can be achieved.
  • another embodiment is (are) the
  • the drive unit can be arranged at an angle, in particular at right angles, to the instrument shaft.
  • the instrument has an instrument side
  • a traction means may in particular have one or more, in particular opposite, rope, belt or Bandtrumme, a train and / or
  • Push means one or more, in particular opposite, pull and / or
  • the conversion gear on, in particular for one or more drive shafts of the drive unit depending on one, slotted guide.
  • Sliding guide comprises a sliding sleeve which is rotatably mounted relative to the instrument shaft and axially displaceable, in particular on the instrument shaft or a surrounding drive hollow shaft.
  • a sliding sleeve and the drive shaft is a, in particular against the axial direction inclined, gate or groove formed in which a fitting element, in particular a feather key, from the other of the sliding sleeve and the drive shaft
  • a rotation of the drive shaft is converted into an axial translation of the sliding sleeve, which can thus actuate in particular a pulling and / or pushing means.
  • a drive shaft is mounted in a drive hollow shaft
  • a sliding sleeve coupled to a drive shaft can be provided a link guide at the same time form a radial bearing, in particular a floating bearing, between this and an adjacent drive shaft.
  • a fixed bearing of a drive shaft is preferably arranged on a drive unit-facing or proximal end of the instrument shaft.
  • the conversion mechanism is arranged in a drive unit-facing or proximal half of the instrument shaft.
  • the conversion gear is arranged in a drive unit facing away from or distal half of the instrument shaft. This can
  • Instrument shaft by the pulling and / or pushing means or by the
  • an instrument arrangement has an additional instrument which, in particular detachably, is inserted or inserted through the instrument of the instrument arrangement, in particular a guide tube of the instrument, in particular with radial play or a radial fit.
  • the additional instrument in one embodiment can be tubular and rigid or flexible.
  • the instrument may accordingly have in one embodiment a, in particular rigid, guide tube which, in particular centrally, can be arranged in the instrument shaft and / or can extend over the entire inner length of the instrument shaft, at least essentially.
  • a (innermost) drive hollow shaft of the instrument as
  • the additional instrument may be designed in one embodiment as a guide for gaseous and / or liquid media, in particular as a suction and / or supply passage, and / or as an electrical and / or optical waveguide, for example, rinsing or water jet surgery media, in particular Under- or overpressure, supply or supply, laser and / or illumination light and / or current to lead into the patient and / or lead optical and / or electrical signals out of it.
  • the auxiliary instrument may be inserted through the instrument on a side of the instrument interface facing away from the drive unit, so that it advantageously does not have to be demarcated against the drive unit sterile.
  • the additional instrument by the drive unit may be inserted through the instrument on a side of the instrument interface facing away from the drive unit, so that it advantageously does not have to be demarcated against the drive unit sterile.
  • Drive unit in particular a (innermost) drive hollow shaft of the drive unit introduced.
  • Instrument arrangement in particular a (innermost) drive hollow shaft of the
  • the drive means in one embodiment can be tubular and rigid or flexible.
  • the drive means may in particular comprise one or more pulling and / or pushing means and / or one or more rotary shafts.
  • An instrument interface comprises a casing enclosing the drive unit, in particular a hermetic or sterile casing.
  • the shell is flexible in one embodiment, in particular foil-like.
  • the shell is sterile or sterilizable on the outer side facing away from the drive unit.
  • the drive unit which may be difficult to sterilize due to abrasion, lubricants, temperature and / or moisture-sensitive components or the like, can be sterile-screened against the operating environment, wherein the actuation by or via the interface in the,
  • the instrument interface can be formed by a simple film, wherein preferably an air gap between the magnetically coupled coupling parts is formed.
  • the instrument interface on one or more rotatable intermediate elements, which are adapted to be coupled with a respective coupling part of a drive shaft of the drive unit and a coupling part of a drive shaft of the instrument, in particular frictionally or positively, when the interface between Drive unit and instrument arranged, in particular to the drive unit and / or instrument is attached.
  • the arrangement of the intermediate elements preferably corresponds to the arrangement of the drive shafts or their coupling parts. So are in one execution the
  • Intermediate element arranged, in particular is stored.
  • the intermediate elements are mounted sealed, for example by bearing rings, the labyrinth seals or the like.
  • the term "sealed” is understood to be particularly sterile in the medical sense, in particular sealed in such a way that solid, preferably also liquid, in particular also gaseous elements of a predetermined size overcome the seal at most in a predetermined maximum quantity or rate, which may also be zero can.
  • the instrument interface may have a dimensionally stable flange for fastening the drive unit and / or the instrument, in which the intermediate elements, in particular sealed, are rotatably mounted.
  • For frictional coupling intermediate elements and coupling parts of the drive unit and / or instrument may have contact surfaces that touch each other when the instrument interface between the drive unit and the instrument is arranged and instrument and drive unit directly and / or on the
  • Instrument interface are connected.
  • contact surfaces may have interengaging projections and recesses or complementary paragraphs.
  • Coupling part and an intermediate element one or more projections or paragraphs may be arranged in the recesses or complementary paragraphs in the other engage positively from the coupling part and the intermediate element when the instrument interface, in particular a dimensionally stable flange of the instrument interface, is arranged on the drive unit or the instrument.
  • the coupling part and the intermediate element may have intermeshing end, in particular Hirth, toothings.
  • the friction or form-fitting contact surfaces may be conical in one embodiment.
  • a self-centering and / or, in particular in combination with axially displaceable, preferably prestressed, coupling parts a compensation of an axial tolerance can be achieved.
  • the shell has an internal passage for through the
  • This internal passage can be formed hose-like and pass through an inner (st) e drive hollow shaft of the drive unit.
  • the internal passage has a blind plug and a closing ring.
  • the blind plug is attached to one end of the internal passage, closes it and covers a peripheral region of the internal passage.
  • the blind plug can then be pulled by the drive unit, so that it can escape through an outlet opening of the shell from this and can be removed.
  • the end ring can be fixed to the peripheral portion of the internal passage, which has been exposed by removing the blanking plug, and also the outlet opening of the shell
  • ebenone for passing through a hollow shaft of a robot or an above-described drive unit and through an outlet opening of the shell, wherein the internal passage a blind plug and a one- or multi-part closing ring for attachment to the outlet opening and a, in particular outer, circumferential or lateral surface area of réelle man entry which is released by removing the blanking plug.
  • the internal passage can
  • Blind plug provided internal passage through the hollow shaft and the
  • the blind plug which preferably has a closed outer end side and / or a tubular outer surface, prevents contamination of the interior of the tubular
  • the internal passage can initially be closed at the end, with the closure area subsequently being separated off.
  • the blind plug may have a rigid or flexible insertion aid, in particular a string or a rod.
  • blind stopper has become free.
  • the end ring which may be rigid or flexible, in a further development of the end ring
  • Outlet opening of the shell are attached and this - except for the internal passage - close.
  • the closing ring can in particular be rotatably mounted on a part of the closing ring fastened to the outlet opening of the casing or can be integrally or integrally formed therewith.
  • a fastening to the peripheral region is in particular a fastening such that the circumferential region in
  • Cover ring is covered, understood.
  • Removing the dummy plug may protrude in the longitudinal direction on one or both sides of the end ring.
  • Blind stopper has become free, or cover a part of this peripheral region and a peripheral region of the internal passage, previously not from the
  • a surgical instrument has an instrument module and an instrument part detachably connectable to it, in particular connected.
  • the surgical instrument may in particular be robotically guided or the instrument module or instrument part one, in particular
  • a robot is protected with a robotic surgical instrument.
  • the surgical instrument is a minimally invasive instrument designed to be partially inserted into a patient by a so-called
  • Trocar opening is provided or set up.
  • the releasably connectable instrument part a drive for actuating the end effector.
  • the instrument module may also include a drive for actuating an end effector of an instrument shaft of the instrument insertable into a patient
  • instrument part For a more compact representation is therefore present Generally speaking of instrument module and part, which can be designed in each case as a drive or End binormodul or part.
  • the end effector may in particular be a scalpel, a probe, scissors, forceps or clamp, an optical system for emitting and / or receiving electromagnetic radiation and / or a fluid opening for carrying out and / or sucking in gas and / or liquid.
  • an actuation of the end effector can pivot the end effector about one, two or three axes relative to the end effector
  • Instrument shaft and / or actuation, in particular opening or closing, of the end effector include, in particular.
  • the drive may have one or more electric motors. Additionally or alternatively, the drive one or more hand elements, in particular handles and / or wheels, for manual
  • the instrument module has a coupling element arrangement with one or more coupling elements, the instrument part detachably connectable to it an opposing element arrangement with one or more counter-elements for coupling the coupling element arrangement.
  • Coupled counter-elements are in one embodiment translationally movable to each actuate a degree of freedom of the end effector.
  • one or more coupling elements and the one or more counter-elements coupled or coupled thereto can be rotationally movable in order in each case to actuate one degree of freedom of the end-effector.
  • such coupling elements in a pivot bearing of the instrument module preferably axially fixed, rotatably guided, in particular be designed as a shaft.
  • one or more, in particular all coupling elements of the coupling element arrangement with the counter-element arrangement or their counter-element (s) are magnetically coupled or coupled.
  • the or the coupling elements of the coupling element arrangement of the instrument module each have a magnet arrangement for magnetically coupling a counter element of the counter element arrangement.
  • Counter-elements of the instrument part have in one embodiment corresponding to a magnetically acted upon area. Under a magnetic
  • ferromag netic or permanent magnetic material
  • the drive can advantageously be detachably connected to the end effector in an advantageous manner, in particular simply, in a sterile and / or reliable manner.
  • the magnet arrangement can be arranged on the drive side in an embodiment or the instrument module as
  • the magnet arrangement can also be arranged on the end effector side or the instrument module can have the instrument shaft and end effector.
  • the magnet arrangement of one or more coupling elements can have one or more permanent magnets or permanent magnets.
  • the permanent magnet or magnets are dimensioned magnetically such that they reliably couple the respective counter element when it is adjacent to the coupling element, but can be decoupled from this by a corresponding greater disassembly force, in particular by
  • Coupling and counter element are spaced apart.
  • a coupling and a counter-element can be decoupled from each other without spacing them from each other.
  • the magnet arrangement of one or more coupling elements has one or more electromagnets which can be supplied with current or are supplied with current, in particular by a control means arranged therefor, which can be implemented in particular in a drive control of the instrument.
  • a control means arranged therefor, which can be implemented in particular in a drive control of the instrument.
  • electromagnets By selectively energizable electromagnets can be provided in one embodiment, a normally open coupling between the coupling and counter element or a so-called closed-circuit principle. This may preferably make it possible to isolate instrument module and part or drive and end effector without current and thus reliable, for example, even in the event of a defect
  • a magnet arrangement for this purpose has both one or more optionally energizable electromagnets and one or more permanent magnets opposite thereto. Under a permanent magnet opposite to an electromagnet is present in particular a
  • a magnet arrangement both one or more optionally energizable electromagnets and one or more this same direction permanent magnets have.
  • a permanent magnet in the same direction as an electromagnet is understood in particular to mean a permanent magnet whose magnetic field is influenced by the current
  • Electromagnet reinforced in a coupling region of coupling and counter element becomes.
  • the adhesive force can advantageously be increased.
  • Compared to a solution without permanent magnet can in one embodiment of the power transmission
  • the permanent magnet can be reduced in one embodiment. Additionally or alternatively, in one embodiment, one or more permanent magnets of a magnet arrangement, in particular in, the coupling element between a
  • Locking and one of these different unlocking position adjustable in particular be slidably and / or rotatably mounted or adjusted, in particular moved and / or -twisted.
  • Locking and one of these different unlocking position adjustable in particular be slidably and / or rotatably mounted or adjusted, in particular moved and / or -twisted.
  • Permanent magnets electromotive, hydraulic, pneumatic and / or manually adjustable. Additionally or alternatively, the or the permanent magnets in the locking, the unlocking and / or one of two different further position can be locked.
  • a permanent magnet is removed from a coupling region of the coupling and counter element in one embodiment, the magnetic coupling of the coupling and counter element can be reduced by this permanent magnet and thus decoupled coupling and counter element.
  • the coupling element may have a magnetically conductive region for coupling the counter element, which is provided by a permanent magnet,
  • the coupling element having a magnetically conductive region for coupling the counter element, which, in particular selectively, preferably by energizing or Northbestromen at least one electromagnet and / or adjusting at least one permanent magnet in the locking position, is magnetically acted upon by the magnet assembly or is charged.
  • a magnetically conductive region is understood in particular to be a region of a material which has a permeability or relative permeability ⁇ ⁇ which is at least 10, in particular a region made of a ferromagnetic material.
  • an adjustment path for decoupling or decoupling can preferably be reduced by adjusting a permanent magnet into an unlocking position.
  • a coupling element comprises a yoke made of a magnetically conductive material, around which an optionally energizable coil is arranged, in one embodiment generally the magnet arrangement, in particular an electromagnet, can be formed integrally with the coupling element.
  • the magnet arrangement in particular an electromagnet
  • at least one electromagnet of the magnet arrangement of the instrument module is activated or energized and thus, preferably, a normally open coupling between coupling element and counter element is closed.
  • the solenoid is correspondingly deactivated or not energized.
  • Magnet assembly of the instrument module can be adjusted in the locked position. To uncouple the permanent magnet is in accordance with the
  • At least one electromagnet of the magnet arrangement of the instrument module which additionally has at least one permanent magnet, deactivated or not energized. To disconnect the solenoid is activated accordingly or
  • coupling and counter element or coupling and
  • one of the coupling and the counter element may have at least one eccentric projection, which in a corresponding recess in the other of the coupling and the counter element or arranged between these sterile barrier, in particular a coupling piece of such a barrier, engages when coupling and counter element, optionally via a barrier, are coupled to each other.
  • the magnetic coupling can axially secure this positive connection in one embodiment.
  • Intervene counter-element when coupling and counter-element are coupled together in particular the coupling element bolt-like in a sleeve or
  • instrument module and / or part are sterilizable or sterile.
  • a sterile barrier can be arranged between the coupling element arrangement and the counterelement arrangement. The sterile barrier may in particular be designed to be flexible, at least in the coupling region, in order to prevent a movement of coupling and locking devices
  • the sterile barrier has a coupling piece for magnetically coupling a counter element to a coupling element.
  • the coupling piece can be connected by means of a seal movable with the remaining barrier, in particular a film, or fixedly connected to this, in particular integrally formed. This can improve mechanical transmission of forces across the barrier.
  • the coupling piece has a magnetically conductive material to improve the magnetic coupling. In particular, when coupling and counter element, in particular form-fitting, are centered on each other, it may be advantageous if the coupling or
  • Counter element with game in a guide of the instrument module or part is stored. In this way, the coupling or counter element during coupling can compensate for a certain lateral offset.
  • coupling and counter-element tappet or wave-like manner and coupled to each other at the butt end or end, wherein the
  • Counterelement arrangement advantageously sterile, compact and / or - at least substantially - play or slip-free and / or without visual control to each other or be decoupled from each other.
  • a coupling element and a counter element are magnetically coupled to each other in a rotationally fixed manner, this can - especially without additional positive connection or ambiguous positive connections such as a Hirth toothing - cause the angular position of the counter element relative to the instrument module after coupling not unique is known.
  • this is especially necessary in minimally invasive robotic surgery in which the intracorporeal end effector is to be precisely actuated by the extracorporeal drive.
  • an instrument module comprises a coupling element assembly having one or more rotatably mounted ones
  • Counterelement arrangement of an instrument part can be coupled, through which an end effector of a surgical instrument can be actuated, which has the instrument module and the instrument part coupled thereto.
  • Coupling and counter element can be positively coupled or coupled to one another in one embodiment, in particular by a toothing, preferably a Hirth or Stirnradvertechnikung. Is between coupling and
  • Counterelement arrangement arranged a sterile barrier, coupling and counter element (arrangement) can be positively coupled or coupled in one embodiment with a coupling piece, which is preferably rotatably mounted in the barrier.
  • coupling and counter element in two or more different orientations coupled to each other, being present in particular a rotational position or position between the coupling and counter element is called about its axis of rotation.
  • These orientations may be discrete orientations.
  • one of a coupling and a counter element on one or more projections which can engage in at least two different orientations between coupling and counter element in corresponding recesses in the other of the coupling and the counter element.
  • the coupling and counter-element can have corresponding toothings which engage in one another in the orientation offset by the tooth pitch and thus can couple coupling and counter-element.
  • the different orientations may equally be geometrically indeterminate or free, for example, by activating an electromagnet in a coupling element and fixing a ferromagnetic region of a counter element whose flat end side contacts the flat end face of the coupling element in any orientation in this orientation.
  • the instrument module has in one embodiment an angle sensor for detecting an angular position of the coupled counter element arrangement , in particular a transmitter, to, in particular, in one or more counter-elements on.
  • the angle sensor can have several individual sensors for detecting one each
  • Counter-elements of the counter-element arrangement respectively correspondingly rotationally fixed Transmitters, which are set up by the angle sensor of the
  • Instrument module in particular a single sensor to be detected.
  • An angular position of a counter-element may, in particular, be an orientation or rotational position of this counter-element relative to the instrument module, in particular relative to a housing- or rotational-bearing-fixed reference.
  • an angular position of a counter element can be an orientation or rotational position of this counter element relative to the coupled coupling element.
  • the angle sensor is configured to additionally a
  • Coupling element relative to the instrument module in particular to detect relative to a housing or rotary bearing fixed reference.
  • the angular position of the mating element relative to a reference fixed to the housing or to the bearing can be determined from this, in particular by sign-correct addition, with the angular position of the mating element relative to the coupled coupling element.
  • the angular position of the mating member relative to a housing or rotary bearing fixed reference the angular position of the
  • the angle sensor can be set up for non-contact detection of the angular position of the counter element arrangement or the angular position (s) of the transmitter or of the transmitters.
  • it can be a magnetic, electrical, capacitive and / or optical angle sensor.
  • the transmitter or transmitters can be active or passive, and in particular a permanent magnet whose north-south axis is preferably, at least substantially, perpendicular to the axis of rotation of the
  • Counterelement may be oriented, a transponder, preferably an RFID system, an optical marking or the like.
  • the angle sensor is designed as an absolute value encoder or to an absolute angular position of the counter element arrangement relative to
  • Instrument module or coupling element to capture for example by means of an absolutely encoded transmitter or receiver.
  • the coding can have an angle range of 360 ° (so-called singleturn absolute encoders), so that the
  • Angle sensor detected two angular positions rotated by 360 ° as the same angular position.
  • the coding can have an angle range of more than 360 ° (so-called multiturn absolute encoders), so that the angle sensor rotates two angular positions rotated by 360 ° as different
  • the angular position is at a
  • Absolute value encoder immediately after coupling and reading the angle sensor available without a rotation of the counter element assembly is required.
  • the angle sensor is designed as an incremental encoder or to detect only an angle change of the counter-element arrangement relative to the instrument module or coupling element.
  • the transmitter or receiver is distance-coded or has one or more
  • the angular position can then be determined by integrating or adding up the incremental values or
  • a surgical instrument includes a plurality of instrument parts that may be selectively coupled to the instrument module, the counterpart element assemblies of the different instrument parts having differently coded transmitters configured to be detected by the angle sensor of the instrument module, the angle sensor in addition thereto is set up to detect the coding of the transmitter and so identify the attached instrument part.
  • the functionalities, on the one hand to determine the orientation of the counter element arrangement, and on the other hand to identify the coupled instrument part can be implemented by the same transmitter and angle sensors.
  • a permanent magnet can be used in one
  • Execution equally serve as a transmitter for detecting the angular position and for magnetic coupling or used.
  • the angular position of the coupled counterelement arrangement of the instrument part in particular relative to the coupling element arrangement or a reference module housing fixed reference, by the angle sensor of
  • Instrument module detected. In this way, after the detection of the orientation of the or the counter-elements and thus preferably also a position or
  • Coordinate of the end effector known, so that the end effector can be correctly actuated in one embodiment by a drive without recalibration.
  • Fig. 1 a part of an instrument arrangement of a
  • Fig. 2 an instrument-side conversion gearbox after another
  • Fig. 3 the conversion gear of Fig. 2 in another
  • FIG. 4 shows a section of a cone clutch of an instrument arrangement according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 5 further embodiments of such a cone clutch
  • Fig. 6 a shaft coupling of an instrument assembly according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 7 a section of this shaft coupling of Fig. 6;
  • Fig. 8 a magnetic coupling of an instrument assembly according to a
  • Fig. 9 the magnetic coupling of Figure 8 in a section.
  • Fig. 10 in two perspective views, a transfer gear after a
  • Fig. 1 1 an enlarged section of the transfer gear of Fig. 10; 12 shows an instrument according to an embodiment of the present invention with a distal transfer gear in a perspective overall view (top) and an enlarged partial section (bottom);
  • Fig. 13 an instrument interface according to an embodiment of
  • Fig. 14 the instrument interface of Fig. 13 with connected
  • Fig. 15 the instrument interface of Fig. 14 with removed
  • Fig. 16 the instrument interface of Fig. 15 with connected
  • Fig. 17 the instrument interface of Fig. 16 with docking
  • Fig. 18 an instrument assembly with an inserted auxiliary instrument according to an embodiment of the present invention
  • 19 shows a part of an instrument of an instrument arrangement according to a further embodiment of the present invention
  • FIG. 20 shows a part of an instrument of an instrument arrangement according to a further embodiment of the present invention.
  • Fig. 21 A, 21 B a wrapping of a robot with a shell after a
  • Fig. 22 a part of a surgical instrument after a
  • Embodiment of the present invention in a longitudinal section
  • FIG. 23 shows a part of a surgical instrument according to a further embodiment of the present invention in a representation corresponding to FIG. 1;
  • Fig. 24 a part of a surgical instrument according to a further embodiment of the present invention in Fig. 1, 2 corresponding representation;
  • Fig. 25 a part of a surgical instrument according to another embodiment of the present invention.
  • Fig. 26 a part of a surgical instrument according to another embodiment of the present invention in Fig. 4 corresponding representation.
  • Fig. 1 shows a part of an instrument assembly of a surgical robot system according to an embodiment of the invention in a perspective section.
  • the instrument arrangement comprises an instrument 1, a drive unit 2 connected thereto, and an instrument interface with a sterile sheath 5 arranged between the drive unit and the instrument.
  • the axes of rotation of the drive unit coincide with a shaft axis of the instrument. This concept is particularly suitable for instruments that are actuated with push / pull rods.
  • the sterile surgical instrument 1 is shown on the left in Fig. 1, the drive unit 2 on the right in Fig. 1 side.
  • the instrument 1 is about a
  • Connecting flange 4 is mechanically detachably connected to a housing 6 of the drive unit 2 at a proximal end of the instrument shaft 3.
  • the drive unit 2 is surrounded by a sterile sheath 5 in order to prevent the contamination of the operating area.
  • three independent rotary actuators each having a drive shaft 10,13 and 15 and an associated electric motor 7, 8 and 9.
  • the drive shafts 10, 13, 15 are as
  • Drive shaft 10 is fully supported at a bearing 11 in the housing 6.
  • the inner drive shaft 13 is mounted with a bearing 12 in the drive shaft 10, the drive shaft 15 with a bearing 14 in the drive shaft 13.
  • the symbolic representations of the electric motors 7, 8, 9 include further components required for controlled operation, such as, for example, transmissions and / or sensors.
  • Preferred embodiments are concentrically arranged motor units, either as direct drives or motors with
  • downstream reduction gear for example, planetary gears or harmonic drive gears can be realized.
  • the rotary actuators radially offset electric motors, the drive shafts each with a spur gear or
  • Driving friction gear or have orthogonally offset electric motors, the drive shafts each with a worm, fferrad-, or
  • the nested drive shafts 10, 13 and 15 are continued on the instrument side in the form of the drive shafts 16, 17 and 18, which are also designed as hollow shafts and arranged coaxially with each other.
  • the storage of the instrument-side drive shafts 16, 17 and 18 is designed as a fixed-lot storage, with fixed bearing 28, 29 and 30 at the proximal end of the
  • Instrument shaft 3 are arranged. Shaft 16 is at the bearing 28 in
  • Instrument shaft 3 mounted radially and axially.
  • the inner drive shaft 17 is supported with the bearing 29 in the drive shaft 16, the drive shaft 18 with the bearing 30 in shaft 17.
  • Fig. 1 shows an example only a pulling and / or pushing means 26, although a separate transmission element is provided for each degree of freedom of the instrument.
  • Examples of such pulling and / or pushing means are cables, Bowden cables or pull / push rods.
  • a clutch mechanism is provided, which also represents a sterile barrier between the instrument and the non-sterile drive unit.
  • the coupling shown by way of example in FIG. 1 is a conical coupling which transmits the drive torques by frictional or positive engagement.
  • the drive shafts 15 and 18, which are located inside the coaxial arrangement can also be designed as hollow shafts.
  • further drive means such as a Bowden cable, a rotating shaft with flexible section in the region of a multiple joint for driving an end effector and / or an additional instrument, in particular an electrical line, a hose or the like.
  • Another possible application of this The design principle is the introduction of specialized surgical instruments through the center of the instrument shaft.
  • the sterile barrier extends with an internal passage in the form of a sterile guide tube 27 through the entire drive unit 2, as described below.
  • Fig. 2 shows an instrument-side conversion gear 100 according to another embodiment of the present invention, wherein the drive shaft and shaft axis are orthogonal.
  • This arrangement is particularly suitable for instruments that are actuated with cables. However, it can also be used for instruments with
  • Push rods are used by the instrument-side gearbox for implementing the rotation of a drive shaft can be realized in a translation of a pulling and / or pushing means, for example as a sliding crank mechanism.
  • a housing 104 which is permanently connected to the instrument shaft 103.
  • the instrument 101 is connected at the proximal end to the drive unit 102 (whose housing is not shown) via a sterile barrier 105.
  • the drive shafts 106, 107 and 108 are coaxially arranged in the drive unit 102 in order to achieve compact dimensions as possible. They are continued on the instrument side each as a pulley 109, 1 10 and 1 11. The connection of the shaft pieces is done in each case with the sterile intermediate coupling segments 116, 117 and 1 18, which are rotatable relative to each other.
  • a coupling intermediate member 118 of the outer drive shaft 106 is connected to the sterile barrier 105 and rotatably supported therein.
  • the cables 1 12, 1 13 and 1 14, which actuate the instrument degrees of freedom are wound around the instrument side pulleys or drive shafts 109, 1 10 and 1 1 1, so that the power flow between the drive shafts 106, 107 and 108 and the Instrument degrees of freedom is closed.
  • a pipe feedthrough 115 may be provided, which may be used, for example, to guide an additional instrument, in particular of media lines, to the distal end of the instrument shaft 103.
  • Detachable coupling with sterile barrier for at least one rotary drive train To connect the instrument to the drive unit is an easily detachable
  • Clutch mechanism provided, which also represents the sterile barrier between the instrument and the non-sterile drive unit.
  • Fig. 4 shows in a section of the cone clutch of the embodiment of FIG. 1 with sterile barrier.
  • the clutch assembly transmits the drive torque from the drive shafts 10, 13 and 15 by frictional or positive locking on the
  • Instrument-side drive shafts 16, 17 and 18 At the proximal ends of the instrument-side hollow shafts 16, 17 and 18 are coupling parts in the form of
  • Outer cone 34, 35 and 36 are arranged, which are fixedly connected to the respective hollow shaft.
  • At the distal ends of the drive shafts 10, 13 and 15 are
  • Coupling parts 31, 32, 33 arranged with inner cones.
  • the connection of the shaft ends via conical intermediate elements 19, 20 and 21, which act as a sterile barrier. These elements are sealed together and also with the sterile barrier 5. These connections are for convenience only
  • the arranged on the drive shafts 10, 13 and 15 coupling parts 31, 32, 33 are each rotatably connected to a shaft, but axially displaceably connected, for example by a tooth or Polygonwellenprofil.
  • the force required for transmitting axial preload force for example, by springs on the drive side
  • Coupling parts act, be applied. At the same time a possible axial offset between the drive and instrument side shaft sections is compensated.
  • FIG. 6 shows a shaft coupling with a sterile barrier which transmits the drive torques in a form-fitting manner via serrations, for example a Hirth toothing, from the drive shafts 10, 13 and 15 to the instrument-side drive shafts 16, 17 and 18,
  • FIG. 7 shows a section of this shaft coupling.
  • the shaft coupling instead of the cone clutch of Fig. 4, 5 in particular at a
  • spur gears 203, 204, 205 are applied to the proximal coupling parts of the instrument-side hollow shafts 16, 17 and 18, which engage with the respective
  • Hollow shaft are firmly connected.
  • coupling parts in the form of sliding sleeves with face serration 200, 201, 202 are arranged.
  • Intermediate elements 206, 207 and 208 with bilateral spur toothing which act as a sterile barrier.
  • the intermediate sleeves 206, 207, 208 are through the retaining rings 209, 210, 21 1 with each other and connected to the sterile barrier 5. Also the
  • the intermediate sleeves 206, 207, 208 serve only for easy handling during the installation of the sterile barrier, but otherwise allow all the movements required for the function. They act as Spaltt. Labyrinth seals.
  • sliding sleeves 200, 201, 202 are each rotatably connected to the shafts, but axially displaceably connected,
  • FIG. 8 Another variant of a shaft coupling with sterile barrier is the magnetic coupling shown in Fig. 8.
  • the shaft coupling may be provided instead of the conical or shaft coupling of FIGS. 4 to 7, in particular in an instrument arrangement according to FIG. 1 or 2, 3.
  • Instrument-side hollow shafts 16, 17 and 18 each coupling parts in the form of magnetic rings 203, 204 and 205 fixed. All magnet rings are 200 to 205
  • the height of the transmittable torque depends not only on the air gap but also on the magnetic field strength and the number of magnetic sectors.
  • Fig. 9 shows the magnetic coupling with sterile barrier in a section.
  • the magnetic rings are aligned with minimum axial distance from each other to the highest possible
  • Coupling principle is the simple design of the sterile sheath 5. Due to the small axial air gap of the magnetic coupling, a simple film can be used and requires no special molding.
  • Transfer gear 22 provided to convert the rotational drive movement in a translational movement of the cables or pull / push rods.
  • Fig. 10 shows in two perspective views a transfer gear 22 according to an embodiment of the present invention, in which a separate sliding sleeve is provided for each drive shaft.
  • the three sliding sleeves 23, 24 and 25 convert the rotation of the drive shafts 16, 17 and 18 into a translation of the pulling and / or pushing means 26, 39 and 40.
  • the sliding sleeves 23, 24 and 25 also act as a distal floating bearing for the hollow shafts 16, 17 and 18. Die
  • Sliding sleeves themselves have only a translatory degree of freedom, which allows the displacement along the shaft axis.
  • the restriction of the degrees of freedom of the sliding sleeves 23, 24 and 25 is achieved by groove guides 41, 42, 43, which are nested.
  • the sliding sleeves 23, 24 and 25 are inserted into one another such that an outer sleeve takes over the storage of the inner sleeve. This achieves a very compact design.
  • the outer sliding sleeve 23 is mounted in the instrument shaft 3.
  • a transition fit between the sleeve 23 and the shaft 3 serves as a radial bearing.
  • a rotation of the sleeve 23 is blocked by a fixed to the sleeve 23 key 41, which slides in a groove which is inserted into the instrument shaft 3.
  • the sliding sleeve 24 is mounted in the outer sliding sleeve 23.
  • Transition fit between sleeve 24 and sleeve 25 serves as a radial bearing. A rotation of the sleeve 24 is blocked by the groove guide 42. The inner one
  • Sliding sleeve 25 is mounted in the sliding sleeve 24.
  • a transitional fit between sleeve 25 and sleeve 24 serves as a radial bearing.
  • a rotation of the sleeve 25 is blocked by the groove 43.
  • Shearing means 26 At the distal end of the sliding sleeves 23, 24 and 25, the pulling and / or pushing means 26, 39 and 40 are connected, which the drive movement to the instrument degrees of freedom and an end effector at the distal end of the
  • FIG. 12 shows an instrument 400 according to an embodiment of the present invention with a distal transfer gear in an overall perspective view (top in FIG. 12) or in an enlarged partial section (bottom in FIG. 12).
  • the transfer gear is located at the distal end of the instrument 400 and thus close to the instrument kinematics 402 and the end effector 403.
  • the other ends of the coupling rods 408 and 409 are with the sliding sleeves 406 and 407 rotatably connected, which are moved to adjust the joint angle along the shaft axis.
  • the sliding sleeves 406 and 407 are connected to the hollow shafts 404 and 405, wherein the implementation of the rotary drive movement takes place in the translational feed movement of the sleeve with the link mechanism described with reference to FIG. 10, 1 1.
  • drive means such as a Bowden cable or a rotating shaft with flexible section in the region of the multiple joint to drive the end effector 403 and / or an additional instrument, in particular electrical leads, hoses or the like.
  • drive means such as a Bowden cable or a rotating shaft with flexible section in the region of the multiple joint to drive the end effector 403 and / or an additional instrument, in particular electrical leads, hoses or the like.
  • electrical leads, hoses or the like In contrast to the usual instruments of minimally invasive
  • Robotic surgery used pulleys will drive power of the
  • Instrument shaft coaxial hollow shafts transmitted This can result in a significantly higher load capacity and rigidity of the drive train compared to cables or thin solid shafts, which is why advantageously higher driving forces can be transmitted.
  • this embodiment is particularly recommended for instruments where higher process forces occur, e.g. Staplers.
  • FIG. 13 shows an overview of the instrument interface 500 with various subcomponents, which may be provided in the instrument arrangement of FIG. 1, for example.
  • the instrument interface 500 has a sterile foil sheath 501, which encloses the housing of the drive unit 2, a dimensionally stable flange or Instrument carrier 5, which has for coupling the drive trains, for example, the conical intermediate elements 19, 20, 21 described with reference to FIG. 4, and an internal passage in the form of the guide tube 27.
  • End ring 503 connects the guide tube 27 with the film cover 501.
  • the guide tube 27 is closed at its proximal end initially with a blind plug 502, which covers part of the lateral surface with.
  • the instrument interface 500 is designed as a complete assembly in which all individual parts are connected to form a single unit. This greatly simplifies handling.
  • magnetic coupling is a film as
  • FIGS. 14-17 illustrate sterile packaging of the
  • the coaxial arrangement of all the drive shafts has the advantage that the center of the drive unit and instrument are free to perform additional drive means, for example, cables, Bowden cables and / or rotary shafts, for actuating the end effector.
  • additional drive means for example, cables, Bowden cables and / or rotary shafts, for actuating the end effector.
  • a Bowden cable can be used twice The shell serves to transmit a first, the soul of the transmission of another actuating force.
  • Instrument shaft Similarly, other auxiliary instruments may be guided by the robot, for example, optical fibers for laser applications or flexible instruments for argon plasma coagulation, for cryosurgery or water jet surgery, which are often used for tumor resections.
  • FIG. 18 shows an instrument arrangement with a rigid or flexible additional instrument inserted or made.
  • the auxiliary instrument 504 is advanced after insertion of the sterile sheath 501 through the guide tube 27 from behind through the drive unit 2 to the distal end of the instrument 1 and fixed in this position. Subsequently, the auxiliary instrument 504 can be used as an ordinary robot-guided instrument and with the degrees of freedom provided by the instrument 1 in the
  • FIG. 19 shows a part of an instrument assembly instrument according to a further embodiment of the present invention which is particularly suitable for flexible auxiliary instruments.
  • the additional instrument 507 is not introduced by the drive unit 2, but by a bent pipe section 506, which is arranged on the instrument shaft 505 immediately before the drive unit 2 or instrument interface.
  • the sterile sheath 501 can be made simpler, since the additional instrument 507 is not from behind through the
  • Fig. 20 shows a part of an instrument assembly instrument according to another embodiment of the present invention in which the drive and shaft axes are orthogonal.
  • both rigid and flexible additional instruments can be introduced or carried out.
  • the additional instrument 508 is replaced by a guide tube 115 from behind through the housing 104 to the distal end of the
  • Instrument shaft 103 advanced and fixed. Thereafter, the auxiliary instrument 508 may be used as an ordinary robotic instrument and moved with the degrees of freedom provided by the instrument 100 in the surgical field. Again, there is no space at the proximal end of the
  • the drive unit provides the mechanical drive power for all active
  • Degrees of freedom of the surgical instrument available. It is located at the proximal end of the instrument and is designed as a standalone module that can drive different instruments. To avoid contamination of the operating area, the drive unit is hermetically sealed with a sterile protective cover.
  • the separable instrument interface is located between the drive unit and the surgical instrument. Their primary task is mechanical
  • the surgical instrument connects to the drive unit. On the one hand, it establishes the power flow between the functional units drive and instrument and ensures exact and repeatable relative positioning and fixation of these units.
  • the separable instrument interface also includes releasable couplings that control the flow of force between the individual drives in the drive unit and the power unit
  • the coupling of a surgical instrument is a
  • Instrument assembly according to an embodiment of the present invention is simple and requires no in-depth knowledge of the robot system.
  • the separable instrument interface according to one embodiment advantageously allows the repeatably reliable coupling of the instrument including all
  • the interface can be any type of Power transmission elements without visual control.
  • the interface can be any type of power transmission elements without visual control.
  • Drive unit and / or separable instrument interface take advantage of a small space, especially in a system with multiple robots to minimize the risk of collision.
  • the transmission of mechanical drive energy to the surgical instrument is designed to be as free of play and slip as possible.
  • 21A, 21B show a wrapping of a robot with a casing after one
  • the robot whose robot hand is partially indicated in FIGS. 21A, 21B, has a hollow shaft. Through this, a hose-like internal passage 27 of a shell 501 is guided, which has an outlet opening 507.
  • the performed end of the internal passage 27 is initially, for example by clamping, covered with a blind plug 502, which has a closed end face and a tubular outer surface, to the inside and an end-side peripheral portion of the internal passage 27 before
  • the blind plug 502 is through the hollow shaft and the outlet opening 507th
  • FIG. 21 A A sterile closing ring 503A, 503B is fastened to the peripheral area of the internal passage 27 and the edge of the outlet opening 507, which has become free in this way, again by clamping, for example, (FIG. 21B).
  • a sterile enclosure of the robot with hollow shaft or likewise the drive unit of an instrument arrangement can be represented in a simple manner.
  • the inner leadthrough 27 is rotatably mounted on the shell 501 at its end opposite the blind stopper 502 or closing ring 503 (at the bottom in FIGS. 21A, 21B), for example as described above with reference to FIGS. 21A, 21B), for example as described above with reference to FIGS. 21A, 21B, for example as described above with reference to FIGS. 21A, 21B, for example as described above with reference to FIGS. 21A, 21B), for example as described above with reference to FIGS. 21A, 21B), for example as described above with reference to FIGS. 21A, 21B
  • the end ring is formed in two parts, wherein a portion 503A of the end ring fastened to the peripheral region of the internal leadthrough is rotatably mounted on a part 503B of the end ring attached to the outlet opening of the shell.
  • the internal passage 27 is mounted as a whole rotatably on the shell 501 and can be rotated in particular with a moving through the hollow shaft additional instrument.
  • the internal passage can also integrally formed integrally with the shell and / or be connected by means of a one-piece end ring, with any rotation of the hollow shaft can be compensated, for example, by lots of internal passage or shell.
  • Fig. 22 shows a part of a minimally invasive surgical instrument according to an embodiment of the present invention in a longitudinal section with a
  • Instrument module 1 and an instrument part 2 detachably connected thereto.
  • the instrument part comprises a patient-insertable instrument shaft 22 with an end effector (not shown), the instrument module a drive for actuating the end effector, and an electromechanical interface for attachment to a robot (not shown).
  • the instrument module 1 has a coupling element arrangement with several
  • Coupling elements in the form of translationally movable plungers 10, which are guided against rotation in a thrust bearing 12 of the instrument module and of which in Fig. 22 for clarity only one is shown.
  • Instrument part has a corresponding counter element arrangement
  • Counter-elements in the form of translationally movable (counter) plungers 20 which are guided against rotation in a thrust bearing of the instrument shaft 22 in order to actuate one degree of freedom of the end effector in each case.
  • the plunger 10 of the coupling element arrangement can be magnetically coupled to the counter-rams 20 of the counter-element arrangement.
  • the plungers 10 each have a magnet arrangement for magnetically coupling the opposite one
  • Counter-slide 20 which has a magnetically acted upon area 21 of a ferromagnetic or permanent magnetic material.
  • the plungers 10 of the coupling element arrangement have a magnetically conductive region 11 made of a ferromagnetic material, which has an outer ring and a central yoke. To this yoke an electrical coil is arranged and with a
  • an electromagnet 31 of the magnet assembly which is optionally energized by a control means arranged thereon, which is implemented in a drive control of the instrument (not shown).
  • each magnet arrangement has one to the electromagnet 31st
  • Counter-plunger at least substantially, is compensated.
  • the optionally energizable electromagnet 31 a normally closed coupling between coupling and counter element is provided: as long as the electromagnet 31 is de-energized, the permanent magnet 30 couples the magnetically loadable portion 21 of the counter-ram 20 reliable to the magnetically conductive region 1 1 of the plunger 10th By energizing the
  • Electromagnet 31 compensates this the magnetic field of the permanent magnet 30 in the front-side coupling region so far that the instrument part 2, preferably under its own weight and / or low manual force, can be removed from the drive module 1.
  • energized electromagnet 31 and permanent magnet 30 may also be in the same direction or strengthen their magnetic fields in a front-side coupling region of ram and counter-ram.
  • a sterile barrier 40 is optionally arranged, which is designed in the coupling region foil-like and flexible to join a translational movement of plunger 10 and counter-ram 20 for actuating the end effector under elastic deformation.
  • the permanent magnet 30 can be omitted in order to provide by alternately energizing the electromagnet 31, conversely, a normally open coupling between coupling and counter element available: as long as the solenoid 31 is energized, it couples the magnetic
  • Fig. 23 shows a part of a minimally invasive surgical instrument according to a further embodiment of the present invention in Fig. 22 corresponding
  • the magnet arrangement has no electromagnet but only the permanent magnet 30.
  • coupling and coupling are the coupling and coupling and
  • the permanent magnet 30 is in this embodiment in the
  • the permanent magnet 30 is slidably guided in a longitudinal bore of the plunger 10 and, for example, by electric motor, hydraulically, pneumatically and / or manually by moving a push rod on which it is arranged, adjustable and lockable in the locking and unlocking.
  • the front-side magnetically conductive region 11 of the plunger 10 is characterized by the
  • Permanent magnet 30 at least substantially, only magnetically applied when it is in the locking position.
  • the permanent magnet 30 In the unlocking position (phantom in Fig. 23), the permanent magnet 30 on the other hand separated from the magnetically conductive portion 1 1 of the ram 10 and disposed in a magnetically non-conductive portion of the plunger 10 of plastic with a relative permeability ⁇ ⁇ which is at most 2.
  • the optional sterile barrier 40 is a rigid one
  • Coupling piece 41 made of a magnetically conductive material in order to improve the mechanical power transmission and magnetic coupling.
  • the optional sterile barrier may also be designed in the manner of a foil as in FIG. 22 or the optional barrier of the embodiment of FIG. 22 may have such a coupling piece.
  • FIG. 23 denoted by 13 is a component made of a non-magnetic material. This can, as in the embodiment of Fig. 22, as
  • the component 13 may be a molded part, which is attached to the magnetically conductive region 1 1 and as a stop for the
  • slidable permanent magnet 30 acts.
  • Fig. 24 shows a part of a minimally invasive surgical instrument according to a further embodiment of the present invention in Figs. 22, 23, respectively
  • Magnetic arrangement and the magnetically conductive areas not shown, these may in particular be formed as shown in Fig. 22 or 23 and explained with reference thereto.
  • tappet 10 and counter-tappet 20 can be positively connected or connected in addition to the magnetic coupling.
  • the plunger 10 engages bolt-like in a sleeve or socket portion of the counter-ram 20, when coupling and counter-element are coupled together.
  • the coupling and counter-element are perpendicular to their in Fig. 24 vertical longitudinal extent, i. horizontally in the plane or perpendicular to this, form-fitting fixed, the magnetic coupling in the direction of its longitudinal extent
  • the magnetically conductive region 21 of the counter-ram 20 is arranged in the embodiment of Fig. 24 in the interior of the sleeve or bushing portion of the counter-ram 20, so as to avoid preferably an unintentional magnetic interference.
  • coupling and counter-element are formed plunger-like and coupled to each other at the butt end, wherein the
  • Magnetic arrangement coupling and counter element in the direction of their longitudinal extension against each pulls to transmit tensile forces, while compressive forces are transmitted positively.
  • coupling and counter-elements 10, 20 may be rotationally movable in order to actuate one degree of freedom of the end effector.
  • the magnet assembly pulls coupling and counter element in the direction of their longitudinal extent against each other to allow in one embodiment, a transmission of torque. This can frictionally due to the axial
  • Distortion done by the magnet arrangement can also be form-fitting.
  • the plunger 10 or counter-ram 20 one or more eccentric projections, in particular teeth, which engage in corresponding recesses, in particular tooth spaces, in the counter-ram 20 and plunger 10, when coupling and the counter-element magnetically to each other are coupled.
  • tappet 10 or counter-tappet 20 have a Hirth toothing.
  • the coupling piece 41 can in particular in such a case by means of a
  • Rotary seal rotatably connected to the remaining barrier 40.
  • FIGS. 25, 26 each show a part of a minimally invasive surgical instrument according to a further embodiment of the present invention in a longitudinal section with an instrument module 1 and an instrument part 2 detachably connected thereto.
  • Corresponding elements are again denoted by identical reference numerals, so that the preceding one Description and reference will be made below to the differences from the embodiment of Figs. 22-24.
  • a sterile barrier 40 with a rotatably mounted coupling piece 42 with two spur gears is arranged between the coupling and counter element arrangement, which mesh with the spur gears 14 and 24, respectively, and likewise couple the coupling and counter element 10, 20 in a form-fitting manner.
  • coupling and counter-element 10, 20 additionally or alternatively magnetically coupled to each other against rotation, as explained above with reference to FIGS. 22-24.
  • the serrations between the spur gears 14, 24 and optionally 42 are ambiguous or coupled to each other in different, offset by the tooth pitch orientations.
  • the instrument module 1 in the embodiments of FIGS. 25, 26 has a non-contact angle sensor in the form of a magnetic encoder for detecting the angular position of the coupled drive shaft 20 relative to the housing or pivot bearing 12 of the instrument module run.
  • the drive shaft 20 accordingly has a rotationally fixed transmitter in the form of a permanent bar magnet 51, configured to be detected by the angle sensor 50.
  • the north-south axis of the bar magnet 51 is oriented perpendicular to the axis of rotation of the drive shaft 20.
  • the angular position of the transmitter 51 in the coupled drive shaft 20, of which in Fig. 25, 26 again only one example is shown, relative to a instrument module housing fixed reference detects the angle sensor 50 of the instrument module.
  • the end effector can be correctly actuated by a drive without recalibration.
  • FIGS. 1 to 21 are identical in FIGS. 1 to 21:
  • Wave counter element 21 magnetically acted upon area

Abstract

Ein erfindungsgemäßes Chirurgierobotersystem weist nach einem Aspekt einen Roboter und eine Instrumentenanordnung mit einer Antriebseinheit mit wenigstens einem Drehantrieb (7, 8, 9) mit einem Elektromotor und einer Antriebswelle (10, 13, 15; 106, 107, 108) mit einem Koppelteil (31, 32, 33; 200, 201, 202; 300, 301, 302) zur Koppelung mit einer Antriebswelle des Instruments, einem Instrument mit einem Instrumentenschaft (3) und einer Antriebswelle (16, 17, 18; 109, 110, 111; 404, 405, 406) mit einem Koppelteil (34, 35, 36; 203, 204, 205; 303, 304, 305) zur Koppelung mit einer Antriebswelle der Antriebseinheit, und einer Instrumenten-Schnittstelle mit einer die Antriebseinheit umschließenden Hülle (5, 501) auf. Zum lösbaren Koppeln eines Instrumentenmoduls (1) und Instrumententeils (2) eines chirurgischen Instruments wird nach einem weiteren Aspekt ein Elektromagnet (31) einer Magnetanordnung des Instrumentenmoduls aktiviert oder deaktiviert, ein Permanentmagnet (30) der Magnetanordnung in eine Verriegelungsposition verstellt, und/oder eine Winkelstellung einer angekoppelten Gegenelementanordnung des Instrumententeils durch einen Winkelsensor (50) des Instrumentenmoduls erfasst.

Description

Beschreibung
Chirurgierobotersystem und chirurgisches Instrument
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Chirurgierobotersystem mit einem Roboter und einer daran befestigten Instrumentenanordnung, eine solche
Instrumentenanordnung mit einer Antriebseinheit, einem Instrument und einer
Instrumenten-Schnittstelle sowie eine solche Antriebseinheit, ein solches Instrument und eine solche Instrumenten-Schnittstelle, sowie eine Hülle, insbesondere einer solchen Instrumenten-Schnittstelle, und ein Verfahren zu deren Applizierung.
Chirurgische Instrumente sollen möglichst steril sein. Auf der anderen Seite sind Roboter, bedingt beispielsweise durch Schmiermittel, Abtrieb und dergleichen, nur schwer sterilisierbar.
Aus der WO 2009/061915 A2 ist daher ein Roboter mit einer Adapteraufnahme bekannt, an der ein Adapter einer sterilen Hülle befestigt ist, die den Roboter umhüllt. Auf der sterilen, roboterabgewandten Seite ist ein Instrument befestigt, dessen
Endeffektor durch Seilzüge im Instrumentenschaft aktuiert wird.
Hierzu sind Scheiben, die in dem sterilen Adapter nebeneinander drehbar gelagert sind, mit Gegenscheiben gekoppelt, die in den Roboterarm integriert sind. Die
Drehantriebe zur Aktuierung der Gegenscheiben sind in der Roboterbasis angeordnet, die Antriebsmomente werden durch Seilzüge in dem Roboterarm übertragen, so dass das antriebslose Instrument leicht handhabbar ist.
Eine Aufgabe eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Chirurgierobotersystem zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch ein Chirurgierobotersystem mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst. Anspruch 2 stellt eine Instrumentenanordnung eines solchen Chirurgierobotersystems unter Schutz, Anspruch 6, 10 bzw. 15 eine Antriebseinheit, ein Instrument bzw. eine Instrumenten-Schnittstelle einer solchen
Instrumentenanordnung, Anspruch 18 bzw. 19 eine Hülle, insbesondere für eine solche Instrumenten-Schnittstelle, bzw. ein Verfahren zu deren Verwendung. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein, insbesondere
robotergeführtes, chirurgisches Instrument mit einem Instrumententeil, insbesondere einem Instrumentenschaft mit einem Endeffektor, sowie einem damit lösbar koppelbaren Instrumentenmodul, insbesondere einem Antriebsmodul zum Aktuieren des Endeffektors, sowie ein Verfahren zum Ankoppeln eines solchen
Instrumententeils.
In der minimalinvasiven Chirurgie wird ein chirurgisches Instrument durch eine lokale Öffnung in einen Patienten eingeführt. Insbesondere, wenn das Instrument durch einen Roboter geführt wird, kann ein Endeffektor im Inneren des Patienten, beispielsweise eine Schere oder endoskopische Optik, durch einen extrakorporalen Antrieb, zum Beispiel einen Elektromotor, aktuiert werden, beispielsweise
verschwenkt und/oder geschlossen. Insbesondere, um unterschiedliche Endeffektoren verwenden und/oder die Sterilitätsanforderungen bei einer Operation besser erfüllen zu können, ist es vorteilhaft, wenn Antrieb und Endeffektor voneinander lösbar sind.
Aus der WO 2009/061915 A2 ist ein chirurgisches Instrument mit einem
Antriebsmodul und einem Instrumentenschaft bekannt. Drehbare Koppelelemente des Antriebsmoduls und damit fluchtende drehbare Gegenelemente des
Instrumentenschafts werden über sterile Kupplungen formschlüssig in einer ausgezeichneten Orientierung angekoppelt.
Eine Aufgabe eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist es, das Ankoppeln eines Instrumententeils an ein Instrumentenmodul eines, insbesondere robotergeführten, chirurgischen Instruments zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch ein Instrumentenmodul mit den Merkmalen des Anspruchs 20 bzw. 27 gelöst. Anspruch 28 stellt ein damit koppelbares Instrumententeil,
Anspruch 29 ein entsprechendes chirurgisches Instrument und Anspruch 34 ein entsprechendes Verfahren unter Schutz. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen. Chirurg ierobotersvstem
Ein Chirurgierobotersystem nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst einen oder mehrere Roboter. Ein Roboter kann in einer Ausführung sechs oder mehr Gelenke, insbesondere Drehgelenke, aufweisen, wobei mehr als sechs Gelenke eine vorteilhafte Positionierung des redundanten Roboters ermöglichen können. Der bzw. die Roboter weisen in einer Ausführung eine Steuerung auf. Dabei können mehrere Roboter eine gemeinsame Zentralsteuerung oder Einzelsteuerungen aufweisen, die zur kompakteren Darstellung gemeinsam ebenfalls als eine Steuerung der Roboter bezeichnet wird. Ein Roboter kann in einer Ausführung an einem Operationstisch angeordnet, insbesondere lösbar befestigt, sein.
An einem oder mehreren Robotern des Chirurgierobotersystems ist jeweils eine Instrumentenanordnung nach einem nachfolgend erläuterten Aspekt der vorliegenden Erfindung befestigt. In einer Ausführung ist eine Instrumentenanordnung lösbar an einem Roboter befestigt, insbesondere formschlüssig, reibschlüssig und/oder magnetisch, insbesondere elektromagnetisch. In einer Ausführung weist die
Instrumentenanordnung, insbesondere eine Antriebseinheit der
Instrumentenanordnung, ein Gehäuse auf, welches an einer Außenseite des Roboters, insbesondere einem Roboter(end- bzw. -werkzeug)flansch, befestigt, beispielsweise verschraubt, verrastet oder geklemmt, ist. Zusätzlich oder alternativ kann
insbesondere eine Instrumenten-Schnittstelle und/oder ein Instrument der
Instrumentenanordnung an der Außenseite des Roboters, insbesondere einem
Roboter(end- bzw. -werkzeug)flansch, befestigt sein.
Instrumentenanordnung
Eine Instrumentenanordnung nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist entsprechend zur Befestigung an einem Roboter eingerichtet bzw. als robotergeführte Instrumentenanordnung ausgebildet. Sie umfasst eine Antriebseinheit, ein Instrument und eine Instrumenten-Schnittstelle nach einem der nachfolgend erläuterten Aspekte der vorliegenden Erfindung.
Indem die, vorzugsweise als Ganzes tragbar ausgebildete, Instrumentenanordnung selber die Antriebseinheit aufweist, kann vorteilhaft eine Übertragung von
Antriebskräften von dem Roboter selber auf das Instrument entfallen, der Roboter daher kleiner bauen, was insbesondere die Kooperation mehrerer schlanker Roboter in einem begrenzten Operationsgebiet ermöglichen kann. Zudem kann die Antriebseinheit vorteilhafterweise einfach an unterschiedliche Instrumente angepasst oder auch ausgewechselt werden. Sie ist vorzugsweise als eigenständiges bzw. vom Roboter unabhängiges Modul ausgebildet. In einer Ausführung umfasst eine Instrumentenanordnung zwei oder mehr
verschiedene Antriebseinheiten und/oder zwei oder mehr verschiedene Instrumente, die wahlweise, insbesondere modulartig, mit einem Instrument bzw. einer
Antriebseinheit zu einer an dem Roboter befestigten Instrumentenanordnung verbindbar sind. Verschiedene Antriebseinheiten bzw. Instrumente können sich insbesondere in der Anzahl und/oder Leistung aktuierter Freiheitsgrade unterscheiden. So kann beispielsweise eine Antriebseinheit mit drei aktuierten Freiheitsgraden wahlweise mit einem Instrument mit einem oder zwei aktuierten Freiheitsgraden und zwei bzw. einem nicht aktuierten, d.h. ungenutzen bzw. blinden Freiheitsgrad, und mit Instrumenten mit drei aktuierten Freiheitsgraden verbunden werden, die
unterschiedliche Endeffektoren aufweisen.
Instrument und Antriebseinheit sind lösbar miteinander verbunden, wobei zwischen Antriebseinheit und Instrument eine Instrumenten-Schnittstelle angeordnet ist.
Instrument und Antriebseinheit können insbesondere form-, reib-, stoffschlüssig und/oder magnetisch, vorzugsweise elektromagnetisch aneinander und/oder an der dazwischen angeordneten Instrumenten-Schnittstelle befestigt sein. Insbesondere kann die Instrumenten-Schnittstelle mit der Antriebseinheit und/oder dem Instrument verschraubt, verrastet, geklemmt oder auch verklebt sein, wobei die Klebestelle als Soll-Trennstelle ausgebildet ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Antriebseinheit mit dem Instrument verschraubt, verrastet oder geklemmt sein. In einer Ausführung weist die Instrumenten-Schnittstelle einen formstabilen Flansch zur Befestigung der
Antriebseinheit und/oder des Instruments auf. Die Antriebseinheit ist in einer
Ausführung an einem proximalen bzw. endeffektorfernen Ende des Instruments angeordnet.
Antriebseinheit
Eine Antriebseinheit nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist einen oder mehrere, insbesondere drei oder vier, Drehantriebe mit je wenigstens einer
Antriebswelle auf. In einer Ausführung weisen ein oder mehrere Drehantriebe der Antriebseinheit je einen oder mehrere Elektromotoren, insbesondere Gleich- oder Wechselstrommotoren, mit einem Stator und einem Rotor auf. Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehrere Drehantriebe der Antriebseinheit je einen oder mehrere Hydraulikmotoren und/oder Piezo-Antriebe aufweisen, die die jeweiligen Antriebswelle(n) antreiben bzw. mit einem Drehmoment beaufschlagen können. Die Antriebswelle kann insbesondere ein Rotor bzw. Läufer eines Elektro- und/oder Hydraulikmotors sein. In einer Ausführung weist ein Drehantrieb ein, vorzugsweise koaxiales, Getriebe, insbesondere ein Umlaufgetriebe, vorzugsweise ein Planetenoder Harmonic-Drive-Getriebe auf, wobei die Antriebswelle eine Abtriebs- bzw. Ausgangswelle des Getriebes sein kann. In einer anderen Ausführung ist ein
Drehantrieb als Direktantrieb ausgebildet. Hierunter wird vorliegend insbesondere verstanden, dass die Antriebswelle direkt durch ein, insbesondere hydraulisch, elektrisch und/oder (elektro)magnetisch erzeugtes, Antriebsdrehmoment ohne zwischengeschaltetes Getriebe beaufschlagt wird. Insbesondere ein solcher Direktantrieb kann in einer Ausführung selbsthemmungsfrei ausgebildet sein.
Hierdurch kann vorteilhaft das Instrument mit angeflanschter Antriebseinheit aus einem Patienten entfernt werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein Drehantrieb einen, insbesondere koaxialen, Sensor, insbesondere einen an- und/oder abtriebsseitigen Drehzahl- und/oder Drehmomentsensor aufweisen. Die Antriebswelle weist ein Koppelteil zur Koppelung mit einer Antriebswelle des Instruments auf, das drehfest mit der Antriebswelle ist. Es kann in einer Ausführung axialfest mit der Antriebswelle, insbesondere integral mit dieser, ausgebildet sein. In einer anderen Ausführung ist das Koppelteil axial verschieblich an der Antriebswelle angeordnet, insbesondere formschlüssig, beispielsweise mittels einer Passfeder, einer Keilverzahnung, eines Zahn- oder Polygonwellenprofils oder dergleichen. In einer Weiterbildung ist das Koppelteil axial vorgespannt, insbesondere durch ein Federmittel gegen die an der Antriebseinheit befestigte Instrumenten-Schnittstelle oder das an der Antriebseinheit befestigte Instrument. Hierdurch kann insbesondere eine Axialtoleranz kompensiert und/oder eine Anpresskraft für eine reibschlüssige Verbindung dargestellt werden.
Eine oder mehrere Antriebswellen sind in einer Ausführung als Hohlwellen ausgebildet. In einer Ausführung weist die Antriebseinheit eine oder mehrere Antriebswellen auf, die jeweils konzentrisch bzw. koaxial in einer sie umgebenden Antriebs-Hohlwelle angeordnet, insbesondere gelagert sind. Zur kompakteren Darstellung wird dabei jeweils die Antriebswelle, die in einer anderen Antriebswelle angeordnet ist, als innere Antriebswelle, die andere Antriebswelle als äußere
Antriebswelle bezeichnet. Weist beispielsweise die Antriebseinheit in einer
Ausführung drei Antriebswellen auf, so bildet die innerste Antriebswelle, die ebenfalls als Antriebs-Hohlwelle ausgebildet sein kann, eine innere Antriebswelle, die sie umgebende mittlere Antriebswelle eine äußere Antriebswelle und zugleich eine (weitere) innere Antriebswelle, die sie umgebende äußerste Antriebswelle eine (weitere) äußere Antriebswelle. In gleicher weise kann die Antriebseinheit auch vier oder mehr konzentrische Antriebs-Hohlwellen aufweisen.
In einer Ausführung sind ein oder mehrere Drehantriebe koaxial zu ihrer jeweiligen Antriebswelle, insbesondere einer gemeinsamen Drehachse koaxialer Antriebswellen angeordnet. Insbesondere können ein oder mehrere Drehantriebe fluchtend hintereinander angeordnet sein. Gleichermaßen können ein oder mehrere
Drehantriebe parallel in radialer und/oder Umfangsrichtung versetzt zu ihren
Antriebswellen, insbesondere einer gemeinsamen Drehachse koaxialer
Antriebswellen angeordnet und mit diesen insbesondere über ein Stirn- oder
Reibradgetriebe gekoppelt sein. Gleichermaßen können ein oder mehrere
Drehantriebe winkelig, insbesondere rechtwinkelig, zu ihrer jeweiligen Antriebswelle, insbesondere einer gemeinsamen Drehachse koaxialer Antriebswellen angeordnet und mit diesen insbesondere über ein Schnecken-, Schrauben- oder
Kronenradgetriebe gekoppelt sein.
Die Antriebseinheit kann jeweils drahtlos oder leitungsgebunden mit einer
Energiequelle und/oder der Steuerung verbunden sein. In einer Ausführung umhüllt die nachfolgend erläuterte Hülle der Instrumenten-Schnittstelle auch, wenigstens teilweise, eine Energie- und/oder Signalleitung der Antriebseinheit.
Instrument
Ein Instrument nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist einen
Instrumentenschaft auf, an dessen distalem bzw. antriebseinheitsabgewandten Ende ein ein- oder mehrteiliger Endeffektor angeordnet sein kann, insbesondere ein Skalpell, Zangen- bzw. Scherenschenkel oder dergleichen. Das Instrument ist in einer Ausführung ein Endo- bzw. minimal-invasives chirurgisches Instrument („MIC"), insbesondere ein endoskopisches, beispielsweise laparoskopisches oder thorakoskopisches. Insbesondere kann der Instrumentenschaft dazu vorgesehen bzw. eingerichtet sein, durch einen Eintritt, der vorzugsweise im Wesentlichen dem Außendurchmesser des Instrumentenschaftes entspricht, insbesondere durch einen Trokar, in den Patienten eingeführt und dort aktuiert zu werden.
Der Endeffektor kann ein oder mehrere Freiheitsgrade aufweisen. Insbesondere können ein oder mehrere Teile des Endeffektors je ein oder zwei Drehfreiheitsgrade um Drehachsen aufweisen, die vorzugsweise senkrecht zur Schaftachse stehen.
Beispielsweise kann ein zweiteiliger Endeffektor eine Zange bzw. Schere darstellen, deren Schenkel gegensinnig um dieselbe Drehachse verschwenken.
Zur Aktuierung des Endeffektors weist das Instrument eine oder mehrere
Antriebswellen, insbesondere eine Antriebswelle zur Aktuierung jeden Freiheitsgrades, in einer Ausführung also insbesondere ein, zwei oder drei Antriebswellen auf.
Die Antriebswelle weist ein Koppelteil zur Koppelung mit einer Antriebswelle der Antriebseinheit auf, das drehfest mit der Antriebswelle ist. Es kann in einer
Ausführung axialfest mit der Antriebswelle, insbesondere integral mit dieser
ausgebildet, sein. In einer anderen Ausführung ist das Koppelteil axial verschieblich an der Antriebswelle angeordnet, insbesondere formschlüssig, beispielsweise mittels einer Passfeder, einer Keilverzahnung, eines Zahn- oder Polygonwellenprofils oder dergleichen. In einer Weiterbildung ist das Koppelteil axial vorgespannt, insbesondere durch ein Federmittel gegen die an dem Instrument befestigte Instrumentenschnittstelle oder die an dem Instrument befestigte Antriebseinheit. Eine oder mehrere Antriebswellen sind in einer Ausführung als Hohlwellen
ausgebildet. In einer Ausführung weist die Antriebseinheit eine oder mehrere
Antriebswellen auf, die jeweils konzentrisch bzw. koaxial in einer sie umgebenden Antriebs-Hohlwelle angeordnet, insbesondere gelagert sind. Indem die (innerste) Antriebswelle des Instruments als Antriebs-Hohlwelle ausgebildet ist, wird in einer Ausführung vorteilhaft ein Ein- bzw. Durchführen eines Zusatz- Instruments ermöglicht.
In einer Ausführung fluchten miteinander gekoppelte Antriebswellen von
Antriebseinheit und Instrument miteinander. In einer Ausführung ist(sind) die
Antriebswelle(n) koaxial, insbesondere fluchtend oder parallel versetzt zu dem
Instrumentenschaft angeordnet. Hierdurch kann in einer Ausführung eine radial kompakte Bauform erreicht werden. In einer anderen Ausführung ist(sind) die
Antriebswelle(n) winkelig, insbesondere rechtwinkelig, zu dem Instrumentenschaft angeordnet. Hierdurch kann in einer Ausführung die Antriebseinheit winkelig, insbesondere rechtwinkelig, zu dem Instrumentenschaft angeordnet werden.
In einer Ausführung weist das Instrument ein instrumentenseitiges
Umsetzungsgetriebe zur Umsetzung einer Rotation einer oder mehrerer
Antriebswellen in eine entsprechende Translation eines bzw. mehrerer Zug- und/oder Schubmittel auf. Ein Zugmittel kann insbesondere ein oder mehrere, insbesondere gegenläufige, Seil-, Riemen- oder Bandtrumme aufweisen, ein Zug- und/oder
Schubmittel ein oder mehrere, insbesondere gegenläufige, Zug- und/oder
Schubstangen.
In einer Ausführung weist das Umsetzungsgetriebe eine, insbesondere für eine oder mehrere Antriebswellen der Antriebseinheit je eine, Kulissenführung auf. Eine
Kulissenführung umfasst nach einer Ausführung eine Schiebehülse, die relativ zum Instrumentenschaft drehfest und axial verschieblich gelagert ist, insbesondere an dem Instrumentenschaft oder einer umgebenden Antriebshohlwelle. In einer von der Schiebehülse und der Antriebswelle ist eine, insbesondere gegen die Axialrichtung geneigte, Kulisse bzw. Nut ausgebildet, in der ein Passelement, insbesondere eine Passfeder, von dem anderen von der Schiebehülse und der Antriebswelle
formschlüssig geführt ist. Auf diese Weise wird eine Drehung der Antriebswelle in eine axiale Translation der Schiebehülse umgesetzt, die so insbesondere ein Zug- und/oder Schubmittel aktuieren kann. Wenn in einer Ausführung eine Antriebswelle in einer Antriebshohlwelle gelagert ist, kann in einer Weiterbildung eine mit einer Antriebswelle gekoppelte Schiebehülse einer Kulissenführung zugleich ein Radiallager, insbesondere ein Loslager, zwischen dieser und einer benachbarten Antriebswelle bilden. Ein Festlager einer Antriebswelle ist vorzugsweise an einem antriebseinheitszugewandten bzw. proximalen Ende des Instrumentenschaftes angeordnet In einer Ausführung ist das Umsetzungsgetriebe in einer antriebseinheitszugewandten bzw. proximalen Hälfte des Instrumentenschaftes angeordnet. In einer anderen
Ausführung ist das Umsetzungsgetriebe in einer antriebseinheitsabgewandten bzw. distalen Hälfte des Instrumentenschaftes angeordnet. Hierdurch kann
vorteilhafterweise die Aktuierung über einen großen Bereich des
Instrumentenschaftes durch die Zug- und/oder Schubmittel bzw. durch die
Antriebswellen übertragen werden.
Zusatz-Instrument
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Instrumentenanordnung ein Zusatz-Instrument auf, welches, insbesondere lösbar, durch das Instrument der Instrumentenanordnung, insbesondere ein Führungsrohr des Instruments ein- bzw. durchgeführt, insbesondere mit Radialspiel oder einer Radialpassung eingesteckt, ist. Hierzu kann das Zusatz-Instrument in einer Ausführung rohrförmig ausgebildet und starr oder flexibel sein. Das Instrument kann entsprechend in einer Ausführung ein, insbesondere starres, Führungsrohr aufweisen, welches, insbesondere zentrisch, in dem Instrumentenschaft angeordnet sein und/oder sich - wenigstens im Wesentlichen - über die gesamte Innenlänge des Instrumentenschaftes erstrecken kann. In einer Weiterbildung kann eine (innerste) Antriebshohlwelle des Instruments als
Führungsrohr fungieren bzw. ein Führungsrohr bilden.
Das Zusatz-Instrument kann in einer Ausführung als Führung für gasförmige und/oder flüssige Medien, insbesondere als Saug- und/oder Zufuhrpassage, und/oder als elektrischer und/oder Lichtwellenleiter ausgebildet sein, um beispielsweise Spül- oder Wasserstrahlchirurgie-Medien, insbesondere unter Unter- bzw. Überdruck, ab- bzw. zuzuführen, Laser- und/oder Beleuchtungslicht und/oder Strom in den Patienten zu leiten und/oder optische und/oder elektrische Signale aus ihm herauszuführen.
In einer Ausführung kann das Zusatz-Instrument auf einer der Antriebseinheit abgewandten Seite der Instrumentenschnittstelle durch das Instrument eingeführt sein, so dass es vorteilhafterweise nicht gegen die Antriebseinheit steril abgegrenzt werden muss. In einer anderen Ausführung ist das Zusatz-Instrument durch die
Antriebseinheit, insbesondere eine (innerste) Antriebshohlwelle der Antriebseinheit eingeführt. Zusätzlich oder alternativ zu dem Zusatz-Instrument kann ein Antriebsmittel zum Betätigen eines Endeffektors, insbesondere lösbar, durch das Instrument der
Instrumentenanordnung, insbesondere eine (innerste) Antriebshohlwelle des
Instruments eingeführt, insbesondere mit Radialspiel oder einer Radialpassung eingesteckt, sein. Hierzu kann das Antriebsmittel in einer Ausführung rohrförmig ausgebildet und starr oder flexibel sein. Das Antriebsmittel kann insbesondere ein oder mehrere Zug- und/oder Schubmittel und/oder ein oder mehrere Drehwellen aufweisen.
Instrumenten-Schnittstelle
Eine Instrumenten-Schnittstelle nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine die Antriebseinheit, insbesondere hermetisch bzw. steril, umschließende Hülle auf. Die Hülle ist in einer Ausführung flexibel, insbesondere folienartig. In einer Ausführung ist die Hülle auf der antriebseinheitsabgewandten Außenseite steril oder sterilisierbar.
Auf diese Weise kann die Antriebseinheit, die aufgrund von Abrieb, Schmiermittel, temperatur- und/oder feuchtigkeitsempfindlicher Komponenten oder dergleichen nur schwer sterilisierbar sein kann, gegen die Operationsumgebung steril abgeschirmt werden, wobei die Aktuierung durch bzw. über die Schnittstelle in das,
vorteilhafterweise einfach sterilisierbare, Instrument übertragen wird.
In einer Ausführung sind Koppelteile einer oder mehrerer Antriebswellen der
Antriebseinheit und entsprechender, insbesondere koaxialer, Antriebswellen des
Instruments magnetisch miteinander gekoppelt. Insbesondere in diesem Fall kann die Instrumenten-Schnittstelle durch eine einfache Folie gebildet werden, wobei vorzugsweise ein Luftspalt zwischen den magnetisch miteinander gekoppelten Koppelteilen ausgebildet ist. In einer Ausführung weist die Instrumenten-Schnittstelle ein oder mehrere drehbare Zwischenelemente auf, die dazu eingerichtet sind, mit je einem Koppelteil einer Antriebswelle der Antriebseinheit und einem Koppelteil einer Antriebswelle des Instruments, insbesondere reib- oder formschlüssig, gekoppelt zu sein, wenn die Schnittstelle zwischen Antriebseinheit und Instrument angeordnet, insbesondere an Antriebseinheit und/oder Instrument befestigt ist.
Die Anordnung der Zwischenelemente entspricht vorzugsweise der Anordnung der Antriebswellen bzw. ihrer Koppelteile. Sind also in einer Ausführung die
Antriebswellen von Antriebseinheit und/oder Instrument konzentrisch, so sind insbesondere auch die Zwischenelemente konzentrisch zueinander angeordnet, wobei vorzugsweise, wie vorstehend erläutert, jeweils ein, insbesondere ringförmiges, inneres Zwischenelement, konzentrisch in einem äußeren ringförmigen
Zwischenelement angeordnet, insbesondere gelagert ist. In einer Weiterbildung sind die Zwischenelemente abgedichtet gelagert, beispielsweise durch Lagerringe, die Labyrinthdichtungen aufweisen oder dergleichen. Unter abgedichtet wird dabei vorliegend insbesondere steril im medizinischen Sinne verstanden, insbesondere derart abgedichtet, dass feste, vorzugsweise auch flüssige, insbesondere auch gasförmige Elemente einer vorgegebenen Größe die Dichtung höchstens in einer vorgegebenen Höchstmenge bzw. -rate, die auch gleich Null sein kann, überwinden können.
Die Instrumenten-Schnittstelle kann einen formstabilen Flansch zur Befestigung der Antriebseinheit und/oder des Instruments aufweisen, in dem die Zwischenelemente, insbesondere abgedichtet, drehbar gelagert sind.
Zur reibschlüssigen Koppelung können Zwischenelemente und Koppelteile von Antriebseinheit und/oder Instrument Kontaktflächen aufweisen, die einander berühren, wenn die Instrumenten-Schnittstelle zwischen Antriebseinheit und Instrument angeordnet ist und Instrument und Antriebseinheit direkt und/oder über die
Instrumenten-Schnittstelle verbunden sind. Zur formschlüssigen Koppelung können solche Kontaktflächen ineinander eingreifende Vorsprünge und Aussparungen bzw. komplementäre Absätze aufweisen. Insbesondere können an einem von einem
Koppelteil und einem Zwischenelement ein oder mehrere Vorsprünge bzw. Absätze angeordnet sein, die in Aussparungen bzw. komplementäre Absätze in dem anderen von dem Koppelteil und dem Zwischenelement formschlüssig eingreifen, wenn die Instrumenten-Schnittstelle, insbesondere ein formstabiler Flansch der Instrumentenschnittstelle, an der Antriebseinheit bzw. dem Instrument angeordnet ist.
Vorzugsweise können Koppelteil und Zwischenelement miteinander kämmende Stirn-, insbesondere Hirth-Verzahnungen aufweisen.
Die Reib- oder Formschluss-Kontaktflächen können in einer Ausführung kegelförmig ausgebildet sein. Hierdurch kann vorteilhaft eine Selbstzentrierung und/oder, insbesondere in Kombination mit axial verschieblichen, vorzugsweise vorgespannten, Koppelteilen, eine Kompensation einer Axialtoleranz erreicht werden. In einer Ausführung weist die Hülle eine Innendurchführung für ein durch das
Instrument und die Antriebseinheit der Instrumentenanordnung eingeführtes Zusatz- Instrument auf. Diese Innendurchführung kann schlauchartig ausgebildet sein und eine inner(st)e Antriebshohlwelle der Antriebseinheit durchgreifen. In einer
Weiterbildung ist sie abgedichtet, insbesondere drehbar, mit einem inner(st)en, mit der Antriebshohlwelle gekoppelten Zwischenelement der Instrumenten-Schnittstelle verbunden.
In einer Weiterbildung weist die Innendurchführung einen Blindstopfen und einen Abschlussring auf. In einem Ausgangs- bzw. Montagezustand ist der Blindstopfen an einem Ende der Innendurchführung befestigt, verschließt diese und deckt einen Umfangsbereich der Innendurchführung ab. Der Blindstopfen kann dann durch die Antriebseinheit gezogen werden, so dass er durch eine Austrittsöffnung der Hülle aus dieser austritt und entfernt werden kann. Anschließend kann der Abschlussring an dem Umfangsbereich der Innendurchführung befestigt werden, der durch Entfernen des Blindstopfens freigelegt wurde, und zudem die Austrittsöffnung der Hülle
verschließen. Auf diese Weise kann eine torusartige Hülle mit einer sterilen
Außenoberfläche zur Verfügung gestellt werden, in deren Ringraum die
Antriebseinheit angeordnet und so steril gegen die OP-Umgebung abgegrenzt ist, und deren Durchgangsöffnung zur Einführung des Zusatz-Instruments zur Verfügung steht.
Die vorstehend erläuterte Weiterbildung eignet sich insbesondere für die vorstehend erläuterte Antriebseinheit mit einer Antriebs-Hohlwelle. Sie kann gleichermaßen zum, insbesondere sterilen, Umhüllen eines Roboters mit einem Werkzeugflansch verwendet werden, der eine Hohlwelle aufweist. Unter einem (sterilen) Umhüllen wird vorliegend insbesondere ein teilweises oder vollständiges bzw. allseitig
geschlossenes, insbesondere hermetisches, Abdecken bzw. Umschließen verstanden.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist daher eine Hülle, die
insbesondere eine oder mehrere Merkmale der vorstehend beschriebenen Hülle der Instrumenten-Schnittstelle aufweisen kann, allgemein eine schlauchartige
Innendurchführung zum Durchführen durch eine Hohlwelle eines Roboters oder einer vorstehend erläuterten Antriebseinheit und durch eine Austrittsöffnung der Hülle auf, wobei die Innendurchführung einen Blindstopfen und einen ein- oder mehrteiligen Abschlussring zur Befestigung an der Austrittsöffnung und einen, insbesondere äußeren, Umfangs- bzw. Mantelflächenbereich der Innendurchführung aufweist, der durch Entfernen des Blindstopfens frei wird. Die Innendurchführung kann
insbesondere drehbar an der Hülle gelagert oder integral mit dieser ausgebildet sein. Sie kann insbesondere starr oder flexibel ausgebildet sein. Zur kompakteren
Darstellung wird auch eine starre rohrförmige Innendurchführung verallgemeinernd als schlauchartig bezeichnet.
Zum Umhüllen des Roboters oder der Antriebseinheit wird zunächst die mit dem
Blindstopfen versehene Innendurchführung durch die Hohlwelle und die
Austrittsöffnung der Hülle durchgeführt. Der Blindstopfen, der vorzugsweise eine geschlossene Außenstirnseite und/oder eine rohrartige Mantelfläche aufweist, verhindert dabei eine Verschmutzung des Inneren der schlauchartigen
Innendurchführung und des durch ihn abgedeckten Umfangsbereichs der
Innendurchführung. Gleichermaßen kann auch die Innendurchführung zunächst stirnseitig verschlossen sein, wobei der Verschlussbereich anschließend abgetrennt wird. Um das Durchführen zu erleichtern, kann der Blindstopfen eine starre oder flexible Einführhilfe, insbesondere eine Schnur oder einen Stab, aufweisen.
Anschließend wird der Blindstopfen entfernt und der Abschlussring an dem
Umfangsbereich der Innendurchführung befestigt, der durch das Entfernen des
Blindstopfens frei geworden ist. Wie vorstehend beschrieben, kann der Abschlussring, der starr oder flexibel ausgebildet sein kann, in einer Weiterbildung an der
Austrittsöffnung der Hülle befestigt werden und diese - bis auf die Innendurchführung - verschließen. Ein an dem Umfangsbereich der Innendurchführung befestigter Teil des Abschlussringes kann insbesondere drehbar an einem an der Austrittsöffnung der Hülle befestigten Teil des Abschlussringes gelagert oder integral bzw. einteilig mit diesem ausgebildet sein.
Der Umfangsbereich der Innendurchführung, der durch das Entfernen des
Blindstopfens frei geworden ist, wurde durch den Blindstopfen vor Verschmutzung beim Durchführen geschützt. Unter einem Befestigen an dem Umfangsbereich wird vorliegend insbesondere ein Befestigen derart, dass der Umfangsbereich in
Längsrichtung der Innendurchführung gesehen ganz oder teilweise von dem
Abschlussring abgedeckt ist, verstanden. Der Umfangsbereich, der durch das
Entfernen des Blindstopfens frei geworden ist, kann in Längsrichtung ein- oder beidseitig über den Abschlussring hinausragen. Gleichermaßen kann der
Abschlussring außer dem Umfangsbereich, der durch das Entfernen des
Blindstopfens frei geworden ist, oder einem Teil dieses Umfangsbereichs auch einen Umfangsbereich der Innendurchführung abdecken, der zuvor nicht von dem
Blindstopfen abgedeckt war.
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein chirurgisches Instrument ein Instrumentenmodul und ein damit lösbar verbindbares, insbesondere verbundenes, Instrumententeil auf. Das chirurgische Instrument kann insbesondere robotergeführt sein bzw. das Instrumentenmodul oder Instrumententeil eine, insbesondere
elektromechanische, Schnittstellung zur, insbesondere mechanischen und/oder signaltechnischen, Befestigung an einem Roboter aufweisen. Nach einem Aspekt wird ein Roboter mit einem robotergeführten chirurgischen Instrument unter Schutz gestellt. In einer Ausführung ist das chirurgische Instrument ein minimalinvasives Instrument, das zum teilweisen Einführen in einen Patienten durch eine sogenannte
Trokaröffnung vorgesehen bzw. eingerichtet ist.
Das Instrumentenmodul weist in einer Ausführung einen in einen Patienten
einführbaren Instrumentenschaft mit einem Endeffektor auf, das damit lösbar verbindbare Instrumententeil einen Antrieb zum Aktuieren des Endeffektors.
Gleichermaßen kann auch das Instrumentenmodul einen Antrieb zum Aktuieren eines Endeffektors eines in einen Patienten einführbaren Instrumentenschafts des
Instrumententeils aufweisen. Zur kompakteren Darstellung wird daher vorliegend allgemein von Instrumentenmodul und -teil gesprochen, das jeweils als Antriebs- bzw. Endeffektormodul bzw. -teil ausgebildet sein kann.
Der Endeffektor kann insbesondere ein Skalpell, eine Sonde, Schere, Zange oder Klemme, eine Optik zum Aussenden und/oder Empfangen elektromagnetischer Strahlung und/oder eine Fluidöffnung zum Ausführen und/oder Einsaugen von Gas und/oder Flüssigkeit sein. Ein Aktuieren des Endeffektors kann insbesondere ein Verschwenken des Endeffektors um eine, zwei oder drei Achsen relativ zu dem
Instrumentenschaft und/oder ein Betätigen, insbesondere Öffnen bzw. Schließen, des Endeffektors umfassen, insbesondere sein. Der Antrieb kann einen oder mehrere Elektromotoren aufweisen. Zusätzlich oder alternativ kann der Antrieb ein oder mehrere Handelemente, insbesondere Griffe und/oder Räder, zum manuellen
Aktuieren des Endeffektors aufweisen. Allgemein kann der Antrieb zum
elektromotorischen, elektromagnetischen, pneumatischen, hydraulischen und/oder manuellen Aktuieren des Endeffektors eingerichtet sein. Um eine Bewegung bzw. Kraft zwischen Antrieb und Endeffektor zu vermitteln, wobei auch ein antiparalleles Kräftepaar, d.h. ein Drehmoment verallgemeinernd eine Kraft im Sinne der vorliegenden Erfindung sein kann, weist das Instrumentenmodul eine Koppelelementanordnung mit einem oder mehreren Koppelelementen auf, das damit lösbar verbindbare Instrumententeil eine Gegenelementanordnung mit einem oder mehreren Gegenelementen zum Ankoppeln der Koppelelementanordnung.
Ein oder mehrere Koppelelemente und das bzw. die damit koppelbaren bzw.
gekoppelten Gegenelemente sind in einer Ausführung translatorisch beweglich, um jeweils einen Freiheitsgrad des Endeffektors zu aktuieren. Insbesondere können solche Koppelelemente in einem Schublager des Instrumentenmoduls, vorzugsweise verdrehsicher, verschiebbar geführt, insbesondere als Stößel ausgebildet sein.
Zusätzlich oder alternativ können ein oder mehrere Koppelelemente und das bzw. die damit koppelbaren bzw. gekoppelten Gegenelemente rotatorisch beweglich sein, um jeweils einen Freiheitsgrad des Endeffektors zu aktuieren. Insbesondere können solche Koppelelemente in einem Drehlager des Instrumentenmoduls, vorzugsweise axialfest, verdrehbar geführt, insbesondere als Welle ausgebildet sein. Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind ein oder mehrere, insbesondere alle Koppelelemente der Koppelelementanordnung mit der Gegenelementanordnung bzw. deren Gegenelement(en) magnetisch koppelbar bzw. gekoppelt. Hierzu weisen in einer Ausführung das bzw. die Koppelelemente der Koppelelementanordnung des Instrumentenmoduls jeweils eine Magnetanordnung zum magnetischen Ankoppeln eines Gegenelements der Gegenelementanordnung auf. Das bzw. die
Gegenelemente des Instrumententeils weisen in einer Ausführung entsprechend einen magnetisch beaufschlagbaren Bereich auf. Unter einem magnetisch
beaufschlagbaren Bereich wird vorliegend insbesondere ein Bereich aus einem
Material verstanden, das eine Permeabilitätszahl bzw. relative Permeabilität μΓ aufweist, die wenigstens 10 beträgt, insbesondere einen Bereich aus einem
ferromag netischen oder dauermagnetischen Material.
Durch die magnetische Ankopplung der Koppel- und Gegenelementanordnung kann der Antrieb auf vorteilhafte Weise, insbesondere einfach, steril und/oder zuverlässig, lösbar mit dem Endeffektor wirkverbunden werden. Dabei kann die Magnetanordnung in einer Ausführung antriebsseitig angeordnet bzw. das Instrumentenmodul als
Antriebsmodul ausgebildet sein. Dadurch kann insbesondere das Instrumententeil mit Instrumentenschaft und Endeffektor leichter, kompakter und/oder billiger,
insbesondere als Einmalartikel, ausgebildet und/oder besser sterilisierbar werden bzw. sein. Gleichermaßen kann die Magnetanordnung auch endeffektorseitig angeordnet sein bzw. das Instrumentenmodul den Instrumentenschaft und Endeffektor aufweisen.
In einer Ausführung kann die Magnetanordnung eines oder mehrerer Koppelelemente einen oder mehrere Permanent- bzw. Dauermagnete aufweisen.
In einer Ausführung sind der bzw. die Permanentmagnete magnetisch derart dimensioniert, dass sie das jeweilige Gegenelement betriebssicher ankoppeln, wenn es dem Koppelelement benachbart ist, jedoch durch eine entsprechende größere Demontagekraft von diesem abgekoppelt werden können, insbesondere, indem
Koppel- und Gegenelement voneinander beabstandet werden.
Vorzugsweise können jedoch ein Koppel- und ein Gegenelement voneinander abgekoppelt werden, ohne sie voneinander zu beabstanden. Hierzu weist die Magnetanordnung eines oder mehrerer Koppelelemente in einer Ausführung einen oder mehrere Elektromagnete auf, die, insbesondere durch ein hierzu eingerichtetes Steuermittel, das insbesondere in einer Antriebssteuerung des Instruments implementiert sein kann, wahlweise bestrombar ist bzw. bestromt wird. Durch wahlweise bestrombare Elektromagnete kann in einer Ausführung eine stromlos geöffnete Ankopplung zwischen Koppel- und Gegenelement bzw. ein sogenanntes Ruhestromprinzip vorgesehen sein. Dies kann es vorzugsweise ermöglichen, Instrumentenmodul und -teil bzw. Antrieb und Endeffektor stromlos und somit zuverlässig zu trennen, um beispielsweise auch bei einem Defekt den
Endeffektor manuell aus dem Patienten entfernen zu können.
Gleichermaßen kann durch wahlweise bestrombare Elektromagnete in einer
Ausführung eine stromlos geschlossene Ankopplung zwischen Koppel- und
Gegenelement bzw. ein sogenanntes Arbeitsstromprinzip vorgesehen sein. Dies kann es vorzugsweise ermöglichen, auch bei einem Stromausfall Instrumentenmodul und -teil bzw. Antrieb und Endeffektor zuverlässig zu koppeln.
In einer Ausführung weist eine Magnetanordnung hierzu sowohl einen oder mehrere wahlweise bestrombare Elektromagnete als auch einen oder mehrere hierzu gegensinnige Permanentmagnete auf. Unter einem zu einem Elektromagneten gegensinnigen Permanentmagnet wird vorliegend insbesondere ein
Permanentmagnet verstanden, dessen Magnetfeld durch den bestromten
Elektromagneten in einem Koppelbereich von Koppel- und Gegenelement
geschwächt, insbesondere - wenigstens im Wesentlichen - kompensiert bzw.
neutralisiert wird. Fällt diese Schwächung bzw. Kompensation bei unbestromtem Elektromagneten fort, koppelt der dann ungeschwächte bzw. -kompensierte
Permanentmagnet Koppel- und Gegenelement aneinander.
Zusätzlich oder alternativ kann in einer Ausführung eine Magnetanordnung sowohl einen oder mehrere wahlweise bestrombare Elektromagnete als auch einen oder mehrere hierzu gleichsinnige Permanentmagnete aufweisen. Unter einem zu einem Elektromagneten gleichsinnigen Permanentmagnet wird vorliegend insbesondere ein Permanentmagnet verstanden, dessen Magnetfeld durch den bestromten
Elektromagneten in einem Koppelbereich von Koppel- und Gegenelement verstärkt wird. Hierdurch kann vorteilhaft die Haftkraft erhöht werden. Gegenüber einer Lösung ohne Permanentmagnet kann in einer Ausführung der zur Kraftübertragung
erforderliche Elektromagnetstrom und damit der Energieverbrauch und die
Wärmeentwicklung reduziert werden. Gegenüber einer Lösung ohne Elektromagnet kann in einer Ausführung der Permanentmagnet reduziert werden. Zusätzlich oder alternativ können in einer Ausführung ein oder mehrere Permanentmagnete einer Magnetanordnung an, insbesondere in, dem Koppelelement zwischen einer
Verriegelungs- und einer hiervon verschiedenen Entriegelungsposition verstellbar, insbesondere verschieb- und/oder -drehbar gelagert sein bzw. verstellt, insbesondere verschoben und/oder -dreht werden. In einer Weiterbildung sind der bzw. die
Permanentmagnete elektromotorisch, hydraulisch, pneumatisch und/oder manuell verstellbar. Zusätzlich oder alternativ können der bzw. die Permanentmagnete in der Verriegelungs-, der Entriegelungs- und/oder einer von beiden verschiedenen weiteren Position arretierbar sein. Indem in einer Ausführung ein Permanentmagnet von einem Koppelbereich von Koppel- und Gegenelement entfernt wird, kann die magnetische Kopplung von Koppel- und Gegenelement durch diesen Permanentmagnet reduziert und so Koppel- und Gegenelement entkoppelt werden. Zusätzlich oder alternativ kann in einer Ausführung das Koppelelement einen magnetisch leitenden Bereich zum Ankoppeln des Gegenelements aufweisen, welcher durch einen Permanentmagneten,
wenigstens im Wesentlichen, nur magnetisch beaufschlagt wird, wenn dieser in der Verriegelungsposition ist, bzw. welcher von dem Permanentmagneten magnetisch getrennt ist, wenn dieser in der Entriegelungsposition ist.
Allgemein kann in einer Ausführung das Koppelelement einen magnetisch leitenden Bereich zum Ankoppeln des Gegenelements aufweisen, welcher, insbesondere wahlweise, vorzugsweise durch Bestromen bzw. Nichtbestromen wenigstens eines Elektromagneten und/oder Verstellen wenigstens eines Permanentmagneten in die Verriegelungsposition, durch die Magnetanordnung magnetisch beaufschlagbar ist bzw. beaufschlagt wird. Unter einem magnetisch leitenden Bereich wird vorliegend insbesondere ein Bereich aus einem Material verstanden, das eine Permeabilitätszahl bzw. relative Permeabilität μΓ aufweist, die wenigstens 10 beträgt, insbesondere einen Bereich aus einem ferromag netischen Material. Indem ein Permanentmagnet außer magnetischen Eingriff mit dem magnetisch leitenden Bereich des Koppelelements verstellt wird, wird die von dem magnetisch leitenden Bereich auf ein Gegenelement ausgeübte Magnetkraft geschwächt, insbesondere - wenigstens im Wesentlichen - eliminiert, so dass die magnetische Kopplung entfällt. Dadurch kann vorzugsweise ein Verstellweg zum Ab- bzw. Entkoppeln durch Verstellen eines Permanentmagneten in eine Entriegelungsposition reduziert werden. Insbesondere, indem in einer
Ausführung ein Koppelelement ein Joch aus einem magnetisch leitenden Material aufweist, um das eine wahlweise bestrombare Spule angeordnet ist, kann in einer Ausführung allgemein die Magnetanordnung, insbesondere ein Elektromagnet, integral mit dem Koppelelement ausgebildet sein. Zum Koppeln eines Instrumentenmoduls und Instrumententeils eines chirurgischen Instruments wird somit nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wenigstens ein Elektromagnet der Magnetanordnung des Instrumentenmoduls aktiviert bzw. bestromt und so vorzugsweise eine stromlos geöffnete Ankopplung zwischen Koppel- und Gegenelement geschlossen. Zum Abkoppeln wird der Elektromagnet entsprechend deaktiviert bzw. nicht bestromt.
Zusätzlich oder alternativ kann wenigstens ein Permanentmagnet der
Magnetanordnung des Instrumentenmoduls in die Verriegelungsposition verstellt werden. Zum Abkoppeln wird der Permanentmagnet entsprechend in die
Entriegelungsposition verstellt. Insbesondere, um eine stromlos geschlossene Ankopplung zwischen Koppel- und Gegenelement zu schließen, wird in einer Ausführung zum Koppeln eines
Instrumentenmoduls und Instrumententeils eines chirurgischen Instruments
wenigstens ein Elektromagnet der Magnetanordnung des Instrumentenmoduls, die zusätzlich wenigstens einen Permanentmagneten aufweist, deaktiviert bzw. nicht bestromt. Zum Abkoppeln wird der Elektromagnet entsprechend aktiviert bzw.
bestromt.
In einer Ausführung sind Koppel- und Gegenelement bzw. Koppel- und
Gegenelementanordnung zusätzlich zu der magnetischen Ankopplung formschlüssig verbindbar bzw. verbunden, vorzugsweise, um sie relativ zueinander zu zentrieren und/oder drehfestzulegen. Insbesondere kann eines von dem Koppel- und dem Gegenelement wenigstens einen exzentrischen Vorsprung aufweisen, der in eine entsprechende Aussparung in dem anderen von dem Koppel- und dem Gegenelement oder einer zwischen diesen angeordneten sterilen Barriere, insbesondere einem Koppelstück einer solchen Barriere, eingreift, wenn Koppel- und Gegenelement, gegebenenfalls über eine Barriere, aneinander gekoppelt sind. Die magnetische Kopplung kann diesen Formschluss in einer Ausführung axial sichern.
Gleichermaßen kann eines von dem Koppel- und dem Gegenelement bolzenartig in einen Hülsen- bzw. Buchsenbereich des anderen von dem Koppel- und dem
Gegenelement eingreifen, wenn Koppel- und Gegenelement aneinander gekoppelt sind, insbesondere das Koppelelement bolzenartig in einen Hülsen- bzw.
Buchsenbereich des Gegenelements oder das Gegenelement bolzenartig in einen Hülsen- bzw. Buchsenbereich des Koppelelements. Hierdurch können in einer Ausführung Koppel- und Gegenelement senkrecht zu ihrer Längserstreckung formschlüssig festgelegt sein, wobei die magnetische Kopplung sie in Richtung ihrer Längserstreckung kraftschlüssig festlegt. In einer Ausführung sind Instrumentenmodul und/oder -teil sterilisierbar bzw. steril. Insbesondere, wenn Instrumentenmodul oder -teil einen elektromotorischen Antrieb zum Aktuieren eines Endeffektors des Instruments aufweisen, kann es schwierig sein, dieses zu sterilisieren. Insbesondere daher kann in einer Ausführung zwischen der Koppelelementanordnung und der Gegenelementanordnung eine sterile Barriere angeordnet werden bzw. sein. Die sterile Barriere kann insbesondere, wenigstens im Koppelbereich, flexibel ausgebildet sein, um eine Bewegung von Koppel- und
Gegenelementen zur Aktuieren des Endeffektors unter elastischer Deformation mitzumachen.
In einer Ausführung weist die sterile Barriere ein Koppelstück zum magnetischen Ankoppeln eines Gegenelements an ein Koppelelement auf. Das Koppelstück kann mittels einer Dichtung beweglich mit der restlichen Barriere, insbesondere einer Folie, verbunden oder fest mit dieser verbunden, insbesondere integral ausgebildet, sein. Hierdurch kann eine mechanische Kraftübertragung über die Barriere hinweg verbessert werden. In einer Ausführung weist das Koppelstück ein magnetisch leitendes Material auf, um die magnetische Ankopplung zu verbessern. Insbesondere, wenn Koppel- und Gegenelement, insbesondere formschlüssig, aneinander zentriert sind, kann es vorteilhaft sein, wenn das Koppel- oder
Gegenelement mit Spiel in einer Führung des Instrumentenmoduls bzw. -teils gelagert ist. Auf diese Weise kann das Koppel- bzw. Gegenelement beim Ankoppeln einen gewissen Lateralversatz kompensieren.
In einer Ausführung sind Koppel- und Gegenelement Stößel- bzw. wellenartig ausgebildet und auf Stoß bzw. stirnseitig aneinander gekoppelt, wobei die
Magnetanordnung Koppel- und Gegenelement in Richtung ihrer, vorzugsweise fluchtenden, Längserstreckung gegeneinander zieht, um Zugkräfte bzw.
Drehmomente zu übertragen.
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung können Koppel- und
Gegenelementanordnung vorteilhafterweise steril, kompakt und/oder - wenigstens im Wesentlichen - spiel- bzw. schlupffrei und/oder ohne visuelle Kontrolle aneinander ge- bzw. voneinander abgekoppelt werden. Insbesondere, wenn ein Koppelelement und ein Gegenelement magnetisch miteinander drehfest gekoppelt werden, kann dies - insbesondere ohne zusätzliche formschlüssige Verbindung oder bei mehrdeutigen formschlüssigen Verbindungen wie beispielsweise einer Hirth-Verzahnung - dazu führen, dass die Winkelstellung des Gegenelements relativ zum Instrumentenmodul nach dem Ankoppeln nicht eindeutig bekannt ist. Dies ist jedoch insbesondere bei minimalinvasiver Roboterchirurgie, bei der der intrakorporale Endeffektor durch den extrakorporalen Antrieb exakt aktuiert werden soll, erforderlich.
Daher weist nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, der vorzugsweise mit den vorstehend erläuterten Aspekten kombiniert sein kann, ein Instrumentenmodul eine Koppelelementanordnung mit einem oder mehreren drehbar gelagerten
Koppeielementen auf, die lösbar an drehbar gelagerte Gegenelemente einer
Gegenelementanordnung eines Instrumententeils angekoppelt werden können, durch die ein Endeffektor eines chirurgischen Instruments aktuierbar ist, welches das Instrumentenmodul und das daran gekoppelte Instrumententeil aufweist. Koppel- und Gegenelement(anordnung) können in einer Ausführung formschlüssig aneinander gekoppelt bzw. koppelbar sein, insbesondere durch eine Verzahnung, vorzugsweise eine Hirth- oder Stirnradverzahnung. Ist zwischen Koppel- und
Gegenelementanordnung eine sterile Barriere angeordnet, können Koppel- und Gegenelement(anordnung) in einer Ausführung formschlüssig mit einem Koppelstück gekoppelt bzw. koppelbar sein, welches vorzugsweise drehbeweglich in der Barriere gelagert ist.
Allgemein sind Koppel- und Gegenelement(anordnung) nach diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung in zwei oder mehr unterschiedlichen Orientierungen aneinander koppelbar, wobei als Orientierung vorliegend insbesondere eine Drehlage bzw. -Stellung zwischen Koppel- und Gegenelement um deren Drehachse bezeichnet wird. Diese Orientierungen können diskrete Orientierungen sein. In einem einfachen Fall weist eines von einem Koppel- und einem Gegenelement einen oder mehrere Vorsprünge auf, die in wenigstens zwei verschiedenen Orientierungen zwischen Koppel- und Gegenelement in entsprechende Aussparungen in dem anderen von dem Koppel- und dem Gegenelement eingreifen können. Gleichermaßen können Koppel- und Gegenelement korrespondierende Verzahnungen aufweisen, die in um die Zahnteilung versetzten Orientierung ineinander eingreifen und so Koppel- und Gegenelement koppeln können. Die unterschiedlichen Orientierungen können gleichermaßen geometrisch unbestimmt bzw. frei sein, beispielsweise, indem ein Elektromagnet in einem Koppelelement aktiviert wird und einen ferromagnetischen Bereich eines Gegenelements, dessen ebene Stirnseite die ebene Stirnseite des Koppelelements in einer beliebigen Orientierung kontaktiert, in dieser Orientierung fixiert. Insbesondere, um bei solchen Ankopplungen, die in mehreren Orientierungen zwischen Koppel- und Gegenelement möglich sind, den Endeffektor durch einen Antrieb besser, vorzugsweise ohne vorherige Rekalibrierung, aktuieren zu können, weist das Instrumentenmodul in einer Ausführung einen Winkelsensor zum Erfassen einer Winkelstellung der angekoppelten Gegenelementanordnung, insbesondere eines Senders, an, insbesondere in, einem oder mehreren Gegenelementen, auf. Der Winkelsensor kann dabei mehrere Einzelsensoren zum Erfassen je einer
Winkelstellung eines angekoppelten Gegenelements aufweisen. Das bzw. die
Gegenelemente der Gegenelementanordnung weisen entsprechend jeweils drehfeste Sender auf, die dazu eingerichtet sind, durch den Winkelsensor des
Instrumentenmoduls, insbesondere einen Einzelsensor, erfasst zu werden.
Zur kompakteren Darstellung wird vorliegend auch die Menge der Winkelstellungen von zwei oder mehr, insbesondere allen Gegenelementen der
Gegenelementanordnung verallgemeinernd als eine Winkelstellung der
Gegenelementanordnung im Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet. Eine Winkelstellung eines Gegenelements kann insbesondere eine Orientierung bzw. Drehstellung dieses Gegenelements relativ zu dem Instrumentenmodul, insbesondere relativ zu einer gehäuse- oder drehlagerfesten Referenz sein. Gleichermaßen kann eine Winkelstellung eines Gegenelements eine Orientierung bzw. Drehstellung dieses Gegenelements relativ zu dem angekoppelten Koppelelement sein.
In einer Ausführung ist der Winkelsensor dazu eingerichtet, zusätzlich eine
Orientierung bzw. Drehstellung des an das Gegenelement angekoppelten
Koppelelements relativ zu dem Instrumentenmodul, insbesondere relativ zu einer gehäuse- oder drehlagerfesten Referenz zu erfassen. In einer Weiterbildungkann daraus, insbesondere durch vorzeichenrichtige Addition, mit der Winkelstellung des Gegenelements relativ zu dem angekoppelten Koppelelement die Winkelstellung des Gegenelements relativ zu einer gehäuse- oder drehlagerfesten Referenz ermittelt werden. Gleichermaßen kann umgekehrt mit der Winkelstellung des Gegenelements relativ zu einer gehäuse- oder drehlagerfesten Referenz die Winkelstellung des
Gegenelements relativ zu dem angekoppelten Koppelelement erfasst bzw. ermittelt werden.
Der Winkelsensor kann zum berührungslosen Erfassen der Winkelstellung der Gegenelementanordnung bzw. der Winkelstellung(en) des Senders bzw. der Sender eingerichtet sein. Er kann insbesondere ein magnetischer, elektrischer, kapazitiver und/oder optischer Winkelsensor sein. Der bzw. die Sender können aktiv oder passiv sein und insbesondere einen Permanentmagneten, dessen Nord-Süd-Achse vorzugsweise, wenigstens im Wesentlichen, senkrecht zur Drehachse des
Gegenelements orientiert sein kann, einen Transponder, vorzugsweise eines RFID- Systems, eine optische Markierung oder dergleichen aufweisen. In einer Ausführung ist der Winkelsensor als Absolutwertgeber bzw. dazu ausgebildet, eine absolute Winkelstellung der Gegenelementanordnung relativ zu
Instrumentenmodul bzw. Koppelelement zu erfassen, beispielsweise mittels eines absolutcodierten Senders oder Empfängers. Die Kodierung kann einen Winkelbereich von 360° aufweisen (sogenannte Singleturn- Absolutwertgeber), so dass der
Winkelsensor zwei um 360° verdrehte Winkelstellungen als dieselbe Winkelstellung erfasst. In einer anderen Ausführung kann die Kodierung einen Winkelbereich von mehr als 360° aufweisen (sogenannte Multiturn- Absolutwertgeber), so dass der Winkelsensor zwei um 360° verdrehte Winkelstellungen als unterschiedliche
Winkelstellungen erfasst. Vorzugsweise steht die Winkelstellung bei einem
Absolutwertgeber unmittelbar nach dem Ankoppeln und Auslesen des Winkelsensors zur Verfügung, ohne dass eine Verdrehung der Gegenelementanordnung erforderlich ist.
In einer anderen Ausführung ist der Winkelsensor als Inkrementalwertgeber bzw. dazu ausgebildet, nur eine Winkeländerung der Gegenelementanordnung relativ zu Instrumentenmodul bzw. Koppelelement zu erfassen. In einer Weiterbildung ist der Sender oder Empfänger abstandscodiert bzw. weist eine oder mehrere
Referenzmarken auf. Nach Überfahren einer Referenzmarke kann die Winkelstellung dann durch Integration bzw. Aufsummierung der Inkrementalwerte bzw.
Winkeländerung erfasst werden.
In einer Ausführung weist ein chirurgisches Instrument mehrere Instrumententeile auf, die wahlweise an das Instrumentenmodul angekoppelt werden können, wobei die Gegenelementanordnungen der verschiedenen Instrumententeile unterschiedlich codierte Sender aufweisen, die dazu eingerichtet sind, durch den Winkelsensor des Instrumentenmoduls erfasst zu werden, wobei der Winkelsensor zusätzlich dazu eingerichtet ist, die Codierung der Sender zu erfassen und so das angekoppelte Instrumententeil zu identifizieren. Dadurch können die Funktionalitäten, einerseits die Orientierung der Gegenelementanordnung zu bestimmen, und andererseits das angekoppelte Instrumententeil zu identifzieren, durch den- bzw. dieselben Sender und Winkelsensoren implementiert werden. Ein Permanentmagnet kann in einer
Ausführung gleichermaßen als Sender zum Erfassen der Winkelstellung und zum magnetischen Ankoppeln dienen bzw. verwendet werden. Beim oder nach dem Ankoppeln des Instrumententeils an das Instrumentenmodul in einer von mehreren Orientierungen wird nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung die Winkelstellung der angekoppelten Gegenelementanordnung des Instrumententeils, insbesondere relativ zur Koppelelementanordnung oder einer instrumentenmodulgehäusefesten Referenz, durch den Winkelsensor des
Instrumentenmoduls erfasst. Auf diese Weise ist nach dem Erfassen die Orientierung des bzw. der Gegenelemente und damit vorzugsweise auch eine Stellung bzw.
Koordinate des Endeffektors bekannt, so dass der Endeffektor in einer Ausführung durch einen Antrieb ohne Rekalibrierung korrekt aktuiert werden kann. In einer Ausführung wird ein Zusammenhang, insbesondere ein Kalibrier-Offset, zwischen der Winkelstellung der Gegenelementanordnung und einer
Endeffektorstellung vorab erfasst und abgespeichert. Nach Ankoppeln der
Gegenelementanordnung kann die Endeffektorstellung aus der durch den
Winkelsensor erfassten Winkelstellung der Gegenelementanordnung unter
Berücksichtigung dieses Zusammenhangs ermittelt werden.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Ausführungsbeispielen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:
Fig. 1 : einen Teil einer Instrumentenanordnung eines
Chirurgierobotersystems nach einer Ausführung der Erfindung in einem perspektivischen Schnitt;
Fig. 2: ein instrumentenseitiges Umsetzungsgetriebe nach einer weiteren
Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3: das Umsetzungsgetriebe der Fig. 2 in einem anderen
perspektivischen Schnitt;
Fig. 4: einen Schnitt einer Kegelkupplung einer Instrumentenanordnung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5: weitere Ausführungen einer solchen Kegelkupplung; Fig. 6: eine Wellenkupplung einer Instrumentenanordnung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7: einen Schnitt dieser Wellenkupplung der Fig. 6;
Fig. 8: eine Magnetkupplung einer Instrumentenanordnung nach einer
Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9: die Magnetkupplung der Fig. 8 in einem Schnitt;
Fig. 10: in zwei perspektivischen Ansichten ein Umsetzgetriebe nach einer
Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1 1 : einen vergrößerten Schnitt des Umsetzgetriebes der Fig. 10; Fig. 12: ein Instrument nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einem distalen Umsetzgetriebe in einer perspektivischen Gesamtansicht (oben) bzw. einem vergrößerten Teilschnitt (unten);
Fig. 13: eine Instrumenten-Schnittstelle nach einer Ausführung der
vorliegenden Erfindung; Fig. 14: die Instrumenten-Schnittstelle der Fig. 13 mit verbundenem
Blindstopfen;
Fig. 15: die Instrumenten-Schnittstelle der Fig. 14 mit entferntem
Blindstopfen;
Fig. 16: die Instrumenten-Schnittstelle der Fig. 15 mit verbundenem
Abschlussring;
Fig. 17: die Instrumenten-Schnittstelle der Fig. 16 mit ankoppelndem
Instrument;
Fig. 18: eine Instrumentenanordnung mit einem eingeführten Zusatz- Instrument nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung; Fig. 19: einen Teil eines Instruments einer Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 20: einen Teil eines Instruments einer Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 21 A, 21 B: ein Umhüllen eines Roboters mit einer Hülle nach einer
Ausführung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 22: einen Teil eines chirurgischen Instruments nach einer
Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Längsschnitt;
Fig. 23: einen Teil eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 1 entsprechender Darstellung;
Fig. 24: einen Teil eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 1 , 2 entsprechender Darstellung;
Fig. 25: einen Teil eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 26: einen Teil eines chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 4 entsprechender Darstellung.
Fig. 1 zeigt einen Teil einer Instrumentenanordnung eines Chirurgierobotersystems nach einer Ausführung der Erfindung in einem perspektivischen Schnitt.
Die Instrumentenanordnung umfasst ein Instrument 1 , eine damit verbundene Antriebseinheit 2 und eine zwischen Antriebseinheit und Instrument angeordnete Instrumenten-Schnittstelle mit einer sterilen Hülle 5. In diesem Ausführungsbeispiel fallen die Drehachsen der Antriebseinheit mit einer Schaftachse des Instruments zusammen. Dieses Konzept eignet sich insbesondere für Instrumente, die mit Zug-/Druckstangen aktuiert werden.
Das sterile chirurgische Instrument 1 ist auf der in Fig. 1 linken, die Antriebseinheit 2 auf der in Fig. 1 rechten Seite dargestellt. Das Instrument 1 ist über einen
Anschlussflansch 4 an einem proximalen Ende des Instrumentenschafts 3 mit einem Gehäuse 6 der Antriebseinheit 2 mechanisch lösbar verbunden. Die Antriebseinheit 2 ist von einer sterilen Hülle 5 umgeben, um die Kontamination des Operationsgebiets zu verhindern. Im Gehäuse 6 der Antriebseinheit 2 befinden sich in diesem Ausführungsbeispiel drei unabhängige Drehantriebe mit jeweils einer Antriebswelle 10,13 bzw. 15 und einem zugehörigen Elektromotor 7, 8 bzw. 9. Die Antriebswellen 10, 13, 15 sind als
Hohlwellen ausgeführt und zueinander koaxial angeordnet. Antriebswelle 10 ist an einer Lagerstelle 11 im Gehäuse 6 vollwertig gelagert. Die innere Antriebswelle 13 ist mit einem Lager 12 in der Antriebswelle 10, die Antriebswelle 15 mit einem Lager 14 in der Antriebswelle 13 gelagert. Dieses Konzept ermöglicht vorteilhaft einen vor allem in radialer Richtung sehr kompakten Aufbau der trennbaren Instrument-Schnittstelle. In einer Mehrroboter-Anwendung kann somit das Risiko von Kollisionen zwischen einzelnen Robotern aufgrund des geringeren zulässigen Mindestabstands zwischen den Instrumenten deutlich reduziert werden.
Die symbolischen Darstellungen der Elektromotoren 7, 8, 9 beinhalten weitere für einen geregelten Betrieb erforderliche Komponenten wie beispielsweise Getriebe und/oder Sensoren. Bevorzugte Ausführungen sind konzentrisch angeordnete Motoreinheiten, die entweder als Direktantriebe oder als Motoren mit
nachgeschaltetem Untersetzungsgetriebe, zum Beispiel Planetengetrieben oder Harmonic-Drive Getrieben realisiert sein können.
In einer nicht dargestellten Abwandlung können die Drehantriebe radial versetzte Elektromotoren, die die Antriebswellen jeweils mit einem Stirnrad- oder
Reibradgetriebe antreiben, oder orthogonal versetzte Elektromotoren aufweisen, die die Antriebswellen jeweils mit einem Schnecken-, Schraubenrad-, oder
Kronenradgetriebe antreiben. Die ineinander geschachtelten Antriebswellen 10, 13 und 15 werden auf Instrumentenseite in Form der Antriebswellen 16, 17 bzw. 18 fortgeführt, die ebenfalls als Hohlwellen ausgeführt und zueinander koaxial angeordnet sind. Die Lagerung der instrumentenseitigen Antriebswellen 16, 17 und 18 ist als Fest-Los-Lagerung ausgebildet, wobei Festlager 28, 29 und 30 am proximalen Ende des
Instrumentenschafts 3 angeordnet sind. Welle 16 ist an der Lagerstelle 28 im
Instrumentenschaft 3 radial und axial gelagert. Die innenliegende Antriebswelle 17 ist mit dem Lager 29 in der Antriebswelle 16, die Antriebswelle 18 mit dem Lager 30 in Welle 17 abgestützt. Als Loslager fungieren Schiebehülsen 23, 24 und 25, die zugleich Bestandteile eines instrumentenseitigen Umsetzgetriebes 22 zur
Umwandlung der rotatorischen Antriebsbewegung in eine translatorische Bewegung von Zug- und/oder Schubmittel 26, 39 bzw. 40 (vgl. Fig. 10). Diese übertragen schließlich die Antriebsbewegung zu den Instrumenten- bzw.
Endeffektorfreiheitsgraden am distalen Ende des Instrumentenschafts 3. Fig. 1 zeigt exemplarisch nur ein Zug- und/oder Schubmittel 26, wenngleich für jeden Freiheitsgrad des Instruments ein eigenes Übertragungsglied vorgesehen ist.
Beispiele für derartige Zug- und/oder Schubmittel sind Seilzüge, Bowdenzüge oder Zug-/Druckstangen.
Zur Verbindung der Antriebswellen 10, 13 und 15 der Antriebseinheit mit den instrumentenseitigen Antriebswellen 16, 17 und 18 ist ein Kupplungsmechanismus vorgesehen, der zugleich eine Sterilbarriere zwischen dem Instrument und der unsterilen Antriebseinheit darstellt. Die in Fig. 1 exemplarisch dargestellte Kupplung ist eine Kegel-Kupplung, die die Antriebsmomente durch Reib- oder Formschluss überträgt. Durch dieses Konstruktionsprinzip können auch die in der koaxialen Anordnung innenliegenden Antriebswellen 15 und 18 als Hohlwellen ausgeführt werden. Somit verbleibt im Zentrum des Instrumentenschafts 3 ausreichend Platz, um weitere Antriebsmittel, beispielsweise einen Bowdenzug, eine Drehwelle mit biegsamem Abschnitt im Bereich eines Mehrfachgelenks zum Antrieb eines Endeffektors und/oder ein Zusatz-Instrument, insbesondere eine elektrische Leitung, einen Schlauch oder dergleichen durchzuführen. Eine weitere mögliche Anwendung dieses Konstruktionsprinzips ist das Einführen von chirurgischen Spezial-Instrumenten durch das Zentrum des Instrumentenschafts.
Um die Sterilität der durch die Instrumentenmitte durchgeführten Elemente auch im Bereich der Antriebseinheit 2 zu gewährleisten, erstreckt sich die Sterilbarriere mit einer Innendurchführung in Form eines sterilen Führungsrohrs 27 durch die gesamte Antriebseinheit 2, wie nachfolgend beschrieben.
Fig. 2 zeigt ein instrumentenseitiges Umsetzungsgetriebe 100 nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung, bei der Antriebswellen- und Schaftachse orthogonal sind. Diese Anordnung eignet sich besonders für Instrumente, die mit Seilzügen aktuiert werden. Sie kann jedoch auch für Instrumente mit Zug-
/Druckstangen eingesetzt werden, indem die instrumentenseitigen Getriebe zur Umsetzung der Rotation einer Antriebswelle in eine Translation eines Zug- und/oder Schubmittels beispielsweise als Schubkurbelmechanismus realisiert sein kann.
Am proximalen Ende des Instruments 101 befindet sich ein Gehäuse 104, das mit dem Instrumentenschaft 103 unlösbar verbunden ist. Das Instrument 101 ist am proximalen Ende mit der Antriebseinheit 102 (dessen Gehäuse nicht dargestellt ist) über eine Sterilbarriere 105 verbunden. Die Antriebswellen 106, 107 und 108 sind in der Antriebseinheit 102 koaxial angeordnet, um möglichst kompakte Abmessungen zu erreichen. Sie werden auf Instrumentenseite jeweils als Seilrolle 109, 1 10 bzw. 1 11 fortgeführt. Die Verbindung der Wellenstücke geschieht jeweils mit den sterilen Kupplungs-Zwischensegmenten 116, 117 und 1 18, die zueinander drehbar sind.
Ein Kupplungs-Zwischenelement 118 der außenliegenden Antriebswelle 106 ist mit der Sterilbarriere 105 verbunden und in dieser drehbar gelagert. Im
Ausführungsbeispiel sind die Antriebswellen von Antriebseinheit und Instrument mittels einer Stirnzahnkupplung formschlüssig gekoppelt, die mit Bezug auf Fig. 6 genauer beschrieben wird.
Die Seilzüge 1 12, 1 13 und 1 14, die die Instrument-Freiheitsgrade aktuieren, sind um die instrumentenseitigen Seilrollen bzw. Antriebswellen 109, 1 10 bzw. 1 1 1 gewickelt, sodass der Kraftfluss zwischen den Antriebswellen 106, 107 und 108 und den Instrument-Freiheitsgraden geschlossen ist. Optional kann eine Rohrdurchführung 115 vorgesehen sein, die beispielsweise zur Führung eines Zusatz-Instruments, insbesondere von Medienleitungen, zum distalen Ende des Instrumentenschafts 103 verwendet werden kann.
Lösbare Kupplung mit Sterilbarriere für mindestens einen rotatorischen Antriebsstrang Zur Anbindung des Instruments an die Antriebseinheit ist ein einfach lösbarer
Kupplungsmechanismus vorgesehen, der zugleich die Sterilbarriere zwischen dem Instrument und der unsterilen Antriebseinheit darstellt.
Fig. 4 zeigt in einem Schnitt die Kegelkupplung des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 mit Sterilbarriere. Die Kupplungsanordnung überträgt die Antriebsmomente von den Antriebswellen 10, 13 und 15 durch Reib- oder Formschluss auf die
instrumentenseitigen Antriebswellen 16, 17 und 18. An den proximalen Enden der instrumentenseitigen Hohlwellen 16, 17 und 18 sind Koppelteile in Form von
Aussenkegel 34, 35 und 36 angeordnet, die mit der jeweiligen Hohlwelle fest verbunden sind. An den distalen Enden der Antriebswellen 10, 13 und 15 sind
Koppelteile 31 , 32, 33 mit Innenkegeln angeordnet. Die Verbindung der Wellenenden erfolgt über kegelförmige Zwischenelemente 19, 20 bzw. 21 , die als Sterilbarriere fungieren. Diese Elemente sind miteinander und auch mit der Sterilbarriere 5 abgedichtet verbunden. Diese Verbindungen dienen lediglich der einfachen
Handhabung bei der Installation der Sterilbarriere, lassen aber ansonsten alle zur Funktion erforderlichen Bewegungen der Zwischenelemente zu, insbesondere eine
Drehung mit den Antriebswellen. Zugleich stellen diese Zwischenelemente 19, 20 bzw. 21 eine Spalt- bzw. Labyrinthdichtung zwischen den Koppelteilen dar.
Die an den Antriebswellen 10, 13 und 15 angeordneten Koppelteile 31 , 32, 33 sind jeweils mit einer Welle drehfest, jedoch axial verschieblich verbunden, zum Beispiel durch ein Zahn- oder Polygonwellenprofil. Somit kann die zur Kraftübertragung nötige axiale Vorspannkraft beispielsweise durch Federn, die auf die antriebsseitigen
Koppelteile wirken, aufgebracht werden. Zugleich wird ein möglicher Axialversatz zwischen den antriebs- und instrumentenseitigen Wellenabschnitten ausgeglichen.
Anstelle der Kombination von antriebsseitigen Innenkegeln und instrumentenseitigen Aussenkegeln sind für jede Paarung einer inneren und einer äußeren Antriebswelle von Antriebseinheit und Instrument noch weitere Anordnungen denkbar, die in Fig. 5 skizziert sind:
Figure imgf000034_0001
Fig. 6 zeigt eine Wellenkupplung mit Sterilbarriere, die die Antriebsmomente formschlüssig über Stirnverzahnungen zum Beispiel eine Hirth-Verzahnung von den Antriebswellen 10, 13 und 15 auf die instrumentenseitigen Antriebswellen 16, 17 und 18 überträgt, Fig. 7 einen Schnitt dieser Wellenkupplung. Die Wellenkupplung kann anstelle der Kegelkupplung der Fig. 4, 5 insbesondere bei einer
Instrumentenanordnung nach Fig. 1 oder 2, 3 vorgesehen sein.
Hierzu sind an den proximalen Koppelteilen der instrumentenseitigen Hohlwellen 16, 17 und 18 Stirnverzahnungen 203, 204, 205 aufgebracht, die mit der jeweiligen
Hohlwelle fest verbunden sind. An den distalen Enden der Antriebswellen 10, 13, 15 sind Koppelteile in Form von Schiebehülsen mit Stirnverzahnung 200, 201 , 202 angeordnet. Die Verbindung der Wellenenden erfolgt über hülsenartige
Zwischenelemente 206, 207 und 208 mit beidseitiger Stirnverzahnung, die als Sterilbarriere fungieren. Die Zwischenhülsen 206, 207, 208 sind durch die Halteringe 209, 210, 21 1 untereinander und mit der Sterilbarriere 5 verbunden. Auch die
Innendurchführung bzw. das sterile Führungsrohr 27 ist auf diese Weise mit der innersten Zwischenhülse 208 verbunden, sodass die gesamte Anordnung eine
Sterilbarriere mit Spaltdichtungen darstellt. Die Zwischenhülsen 206, 207, 208 dienen lediglich der einfachen Handhabung bei der Installation der Sterilbarriere, lassen aber ansonsten alle zur Funktion erforderlichen Bewegungen zu. Sie fungieren als Spaltbzw. Labyrinthdichtungen.
Die auf den Antriebswellen 10, 13 und 15 angeordneten Schiebehülsen 200, 201 , 202 sind jeweils mit den Wellen drehfest, jedoch axial verschieblich verbunden,
beispielsweise durch ein Zahn- oder Polygonwellenprofil. Somit kann die zur
Kraftübertragung nötige axiale Vorspannkraft beispielsweise durch Federn, die auf die Schiebehülsen 200, 201 , 202 wirken, aufgebracht werden. Zugleich wird ein möglicher Axialversatz zwischen den antriebs- und instrumentenseitigen Wellenabschnitten ausgeglichen. Eine weitere Variante einer Wellenkupplung mit Sterilbarriere ist die in Fig. 8 gezeigte Magnetkupplung. Die Wellenkupplung kann anstelle der Kegel- bzw. Wellenkupplung der Fig. 4 bis 7 insbesondere bei einer Instrumentenanordnung nach Fig. 1 oder 2, 3 vorgesehen sein.
An den distalen Enden der Antriebswellen 10, 13 und 15 sind jeweils Koppelteile in Form von Magnetringen 200, 201 bzw. 202 fixiert. Analog sind auf den
instrumentenseitigen Hohlwellen 16, 17 und 18 jeweils Koppelteile in Form von Magnetringen 203, 204 bzw. 205 fixiert. Alle Magnetringe 200 bis 205 sind
sektorweise magnetisiert und mit, vorzugsweise kleinem, Axialabstand bzw. Luftspalt zueinander ausgerichtet, um möglichst hohe Antriebsmomente übertragen zu können. Die Höhe des übertragbaren Moments hängt neben dem Luftspalt auch von der magnetischen Feldstärke und der Anzahl der Magnetsektoren ab.
Fig. 9 zeigt die Magnetkupplung mit Sterilbarriere in einem Schnitt. Die Magnetringe sind mit minimalem Axialabstand zueinander ausgerichtet, um möglichst hohe
Antriebsmomente übertragen zu können. Ein vorteilhaftes Merkmal dieses
Kupplungsprinzips ist die einfache Gestaltung der sterilen Hülle 5. Aufgrund des geringen axialen Luftspalts der Magnetkupplung kann eine einfache Folie verwendet werden und erfordert kein spezielles Formteil.
Umsetzen der Bewequngsart Rotation— Translation auf Instrumentenseite
In einer Ausführung der vorliegenden Erfindung werden ausschließlich Drehantriebe verwendet. Die Antriebsstränge in robotergeführten chirurgischen Instrumenten verwenden jedoch aufgrund des engen Bauraums im Instrumentenschaft
überwiegend Seilzüge oder Zug-/Druckstangen zur Übertragung der
Antriebsbewegungen zum distalen Ende des Instruments. Daher ist nach vorstehend beschriebener trennbarer Instrumenten-Schnittstelle ein instrumentenseitiges
Umsetzgetriebe 22 vorgesehen, um die rotatorische Antriebsbewegung in eine translatorische Bewegung der Seilzüge oder Zug-/Druckstangen zu wandeln.
Fig. 10 zeigt in zwei perspektivischen Ansichten ein Umsetzgetrieb 22 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, bei dem für jede Antriebswelle eine eigene Schiebehülse vorgesehen ist. Im hier dargestellten Fall setzen die drei Schiebehülsen 23, 24 und 25 die Drehung der Antriebswellen 16, 17 und 18 in eine Translation der Zug- und/oder Schubmittel 26, 39 und 40 um. Die Schiebehülsen 23, 24 und 25 fungieren zugleich als distales Loslager für die Hohlwellen 16, 17 bzw. 18. Die
Schiebehülsen selbst verfügen nur über einen translatorischen Freiheitsgrad, der die Verschiebung entlang der Schaftachse zulässt. Die Einschränkung der Freiheitsgrade der Schiebehülsen 23, 24 und 25 wird durch Nut-Führungen 41 , 42, 43 erreicht, die ineinander geschachtelt sind. Die Schiebehülsen 23, 24 und 25 sind derart ineinander gesteckt, dass eine außen liegende Hülse die Lagerung der innen liegenden Hülse übernimmt. Dadurch wird eine sehr kompakte Bauform erreicht.
Entsprechend ist die äußere Schiebehülse 23 im Instrumentenschaft 3 gelagert. Eine Übergangspassung zwischen der Hülse 23 und dem Schaft 3 dient als Radiallagerung. Eine Drehung der Hülse 23 wird durch eine an der Hülse 23 fixierte Passfeder 41 blockiert, die in einer Nut, die in den Instrumentenschaft 3 eingebracht ist, gleitet. Die Schiebehülse 24 ist in der äußeren Schiebehülse 23 gelagert. Eine
Übergangspassung zwischen Hülse 24 und Hülse 25 dient als Radiallagerung. Eine Drehung der Hülse 24 wird durch die Nutführung 42 blockiert. Die innere
Schiebehülse 25 ist in der Schiebehülse 24 gelagert. Eine Übergangspassung zwischen Hülse 25 und Hülse 24 dient als Radiallagerung. Eine Drehung der Hülse 25 wird durch die Nutführung 43 blockiert.
Die Ankopplung der Antriebswellen an die Schiebehülsen erfolgt mit einer Nutführung, deren Funktionsweise exemplarisch mit Bezug auf die innenliegende Hohlwelle 18 und Fig. 1 1 erläutert wird, die einen vergrößerten Schnitt zeigt. Am distalen Ende von Hohlwelle 18 ist eine wendeiförmige Nut 37 eingebracht. Ein Stift 38, der an der Schiebehülse 25 fixiert ist, greift formschlüssig in die Wendelnut 37 ein. Somit führt eine Drehung der Hohlwelle 18 zu einer Verschiebung der Hülse 25 entlang der Schaftachse und somit auch zu einer Verstellbewegung des Zug- und/oder
Schubmittels 26. Am distalen Ende der Schiebehülsen 23, 24 und 25 sind die Zug- und/oder Schubmittel 26, 39 und 40 angebunden, die die Antriebsbewegung zu den Instrumentenfreiheitsgraden bzw. einem Endeffektor am distalen Ende des
Instrumentenschafts 3 übertragen.
Ein Vorteil dieser Lösung ist, dass die Antriebsbewegungen, insbesondere Stellwinkel und Winkelgeschwindigkeit, innerhalb eines jeden Instruments an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden können, da die Steigung der Kulissenführung das Übersetzungsverhältnis und den Arbeitsbereich bestimmt. Somit kann die
Antriebseinheit für eine möglichst große Anzahl verschiedenartiger Instrumente eingesetzt und die Wirtschaftlichkeit und Benutzerfreundlichkeit gesteigert werden. Anstelle der in Fig. 10, 1 1 dargestellten proximalen Anordnung kann das
Umsetzgetriebe alternativ auch am distalen Ende des Instruments, also möglichst nahe an der Instrumentenkinematik und dem Endeffektor angeordnet werden. Fig. 12 zeigt ein Instrument 400 nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung mit einem distalen Umsetzgetriebe in einer perspektivischen Gesamtansicht (oben in Fig. 12) bzw. einem vergrößerten Teilschnitt (unten in Fig. 12).
Das Umsetzgetriebe befindet sich am distalen Ende des Instruments 400 und damit nahe an der Instrumentenkinematik 402 und dem Endeffektor 403. Die Aktuation des distalen Gelenks 402, das im gezeigten Beispiel als Parallelkinematik ausgeführt ist, geschieht mit Zug- und/oder Schubmitteln in Form von Koppelstangen 408 und 409, die mit dem Segment, das den Endeffektor trägt, drehbar verbunden sind. Die jeweils anderen Enden der Koppelstangen 408 und 409 sind mit den Schiebehülsen 406 und 407 drehbar verbunden, die zum Einstellen der Gelenkwinkel entlang der Schaftachse verfahren werden. Die Schiebehülsen 406 und 407 sind mit den Hohlwellen 404 bzw. 405 verbunden, wobei die Umsetzung der rotatorischen Antriebsbewegung in die translatorische Vorschubbewegung der Hülse mit der mit Bezug auf Fig. 10, 1 1 beschriebenen Kulissenmechanik erfolgt. Im Zentrum der inneren Hohlwelle 405 verbleibt ausreichend Platz, um Antriebsmittel, beispielsweise einen Bowdenzug oder eine Drehwelle mit biegsamem Abschnitt im Bereich des Mehrfachgelenks zum Antrieb des Endeffektors 403 und/oder ein Zusatz-Instrument, insbesondere elektrische Zuleitungen, Schläuche oder dergleichen durchzuführen. Im Gegensatz zu den bei üblichen Instrumenten der minimal-invasiven
Roboterchirurgie verwendeten Seilzügen wird die Antriebsleistung von der
Antriebseinheit zur Instrumentenspitze bei dieser Ausführung mit zum
Instrumentenschaft koaxialen Hohlwellen übertragen. Daraus kann eine deutlich höhere Belastbarkeit und Steifigkeit des Antriebsstrangs gegenüber Seilzügen oder dünnen Vollwellen resultieren, weshalb vorteilhafterweise höhere Antriebskräfte übertragen werden können. Somit empfiehlt sich diese Ausführung besonders für Instrumente, bei denen höhere Prozesskräfte auftreten, z.B. Klammernahtgeräte.
Sterilbarriere zwischen Antriebseinheit und Instrument
Einige Komponenten der Antriebseinheit halten den Umweltbedingungen während eines Sterilisationsprozesses nicht stand. Deshalb weist die Instrumenten-
Schnittstelle eine sterile Hülle auf, die die Antriebseinheit im Betrieb abdeckt. Neben der Hülle, die das Gehäuse der Antriebseinheit sicher umschließt und üblicherweise als Folienschlauch ausgeführt ist, soll die Instrumenten-Schnittstelle zwischen
Antriebseinheit und Instrument die Übertragung von mechanischer Leistung und elektrischen Signalen ermöglichen und zugleich die Kontamination des
Operationsfeldes durch die unsterile Antriebseinheit verhindern.
Fig. 13 zeigt einen Überblick der Instrumenten-Schnittstelle 500 mit verschiedenen Teilkomponenten, die beispielsweise bei der Instrumentenanordnung der Fig. 1 vorgesehen sein kann. Die Instrumenten-Schnittstelle 500 weist eine sterile Folienhülle 501 auf, die das Gehäuse der Antriebseinheit 2 umschließt, einen formstabilen Flansch bzw. Instrumententräger 5, der zur Koppelung der Antriebsstränge beispielsweise die mit Bezug auf Fig. 4 beschriebenen kegelförmigen Zwischenelementen 19, 20, 21 aufweist, sowie eine Innendurchführung in Form des Führungsrohrs 27. Ein
Abschlussring 503 verbindet das Führungsrohr 27 mit der Folienhülle 501. Um die Sterilität des Führungsrohrs 27 beim Einführen in die Antriebseinheit 2 zu wahren, ist das Führungsrohr 27 an seinem proximalen Ende zunächst mit einem Blindstopfen 502 verschlossen, der einen Teil der Mantelfläche mit abdeckt. Die Instrumenten- Schnittstelle 500 ist als Komplett-Baugruppe konzipiert, bei der alle Einzelteile zu einer Einheit verbunden sind. Dadurch wird die Handhabung stark vereinfacht. Im Falle der mit Bezug auf Fig. 8 erläuterten Magnetkupplung ist eine Folie als
Sterilbarriere bzw. Instrumenten-Schnittstelle zwischen den Wellenabschnitten ausreichend.
Die weiteren Fign. 14 bis 17 veranschaulichen das sterile Einpacken der
Antriebseinheit und den Anschluss eines chirurgischen Instruments an diese. Als erster Schritt (vgl. Fig. 14) wird der Instrumententräger 5 auf die Antriebseinheit gesetzt. Zugleich wird das sterile Führungsrohr 27 in die Hohlwelle sowie die
Zwischenstücke 19, 20, 21 der Wellenkupplungen in die Antriebseinheit 2 eingeführt und die Folienhülle über die Antriebseinheit 2 gestreift. Dann wird der Blindstopfen 502, der nach dem Durchschieben des sterilen Führungsrohrs 27 durch die Hohlwelle der Antriebseinheit 2 unsteril ist, durch einen unsterilen Mitarbeiter des OP-Teams vom Führungsrohr 27 abgezogen und entsorgt (vgl. Fig. 15). Da der Blindstopfen 502 auch einen Teil der Mantelfläche des Führungsrohrs 27 abdeckt, bleibt der Abschnitt des Führungsrohrs 27, der aus der Antriebseinheit 2 ragt, steril. Schließlich wird die sterile Hülle durch Fügen des Abschlussrings 503 auf das Führungsrohr 27 abgeschlossen (vgl. Fig. 16). Fig. 17 zeigt schließlich das Andocken eines
chirurgischen Instruments 1 an die steril verpackte Antriebseinheit 2.
Führen von zusätzlichen Antriebsstränqen und/oder Zusatz-Instrumenten durch den Instrumentenschaft zum distalen Ende des Instruments
Neben der einfachen mechanischen Gestaltung der trennbaren Instrument- Schnittstelle bietet die koaxiale Anordnung aller Antriebswellen den Vorteil, dass das Zentrum von Antriebseinheit und Instrument frei sind, um zusätzliche Antriebsmittel, zum Beispiel Seilzüge, Bowdenzüge und/oder Drehwellen, zum Betätigen des Endeffektors durchzuführen. Zum Beispiel kann ein Bowdenzug doppelt verwendet werden: Die Hülle dient der Übertragung einer ersten, die Seele der Übertragung einer weiteren Betätigungskraft. Es können auch elektrische Leitungen für Monopolar- oder Bipolarinstrumente, oder Saug- und Spülschläuche in der Mitte des
Instrumentenschafts geführt werden. Gleichermaßen können auch andere Zusatz- Instrumente durch den Roboter geführt werden, zum Beispiel Lichtwellenleiter für Laseranwendungen oder flexible Instrumente zur Argon-Plasma Koagulation, für die Kryo-Chirurgie oder Wasserstrahl-Chirurgie, die häufig für Tumorresektionen eingesetzt werden.
Fig. 18 zeigt eine Instrumentenanordnung mit einem ein- bzw. durchgeführten starren oder flexiblen Zusatz-Instrument.
Hierzu wird das Zusatz-Instrument 504 nach Anlegen der sterilen Hülle 501 durch das Führungsrohr 27 von hinten durch die Antriebseinheit 2 bis zum distalen Ende des Instruments 1 vorgeschoben und in dieser Lage fixiert. Anschließend kann das Zusatz-Instrument 504 wie ein gewöhnliches robotergeführtes Instrument verwendet werden und mit den vom Instrument 1 bereitgestellten Freiheitsgraden im
Operationsgebiet bewegt werden. Neben der Eignung für starre und flexible Zusatz- Instrumente ist ein Vorteil dieser Lösung, dass kein zusätzlicher Bauraum im Bereich der trennbaren Instrument-Schnittstelle benötigt wird, um das Zusatz-Instrument 504 in den Instrumentenschaft einzuführen. Fig. 19 zeigt einen Teil eines Instruments einer Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung, die sich insbesondere für flexible Zusatz-Instrumente eignet. Hier wird das Zusatz-Instrument 507 nicht durch die Antriebseinheit 2, sondern durch einen gebogenen Rohrabschnitt 506 eingeführt, der am Instrumentenschaft 505 unmittelbar vor der Antriebseinheit 2 bzw. Instrumenten- Schnittstelle angeordnet ist. Bei dieser Lösung kann die sterile Hülle 501 einfacher gestaltet sein, da das Zusatz-Instrument 507 nicht von hinten durch die
Antriebseinheit geführt wird.
Fig. 20 zeigt einen Teil eines Instruments einer Instrumentenanordnung nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung, bei der Antriebs- und Schaftachse orthogonal sind. Hier können sowohl starre als auch flexible Zusatz-Instrumente ein- bzw. durchgeführt werden. Das Zusatz-Instrument 508 wird durch ein Führungsrohr 115 von hinten durch das Gehäuse 104 bis zum distalen Ende des
Instrumentenschafts 103 vorgeschoben und fixiert. Anschließend kann das Zusatz- Instrument 508 wie ein gewöhnliches robotergeführtes Instrument verwendet werden und mit den vom Instrument 100 bereitgestellten Freiheitsgraden im Operationsgebiet bewegt werden. Auch hier ist kein Bauraum am proximalen Ende des
Instrumentenschafts nötig, um das Zusatz-Instrument 508 einzuführen.
Die Antriebseinheit stellt die mechanische Antriebsleistung für alle aktiven
Freiheitsgrade des chirurgischen Instruments zur Verfügung. Sie befindet sich am proximalen Ende des Instruments und ist als eigenständiges Modul konzipiert, das sich als Antrieb unterschiedlicher Instrumente eignet. Um eine Kontamination des Operationsgebiets zu vermeiden, ist die Antriebseinheit mit einer sterilen Schutzhülle hermetisch abgeschlossen.
Die trennbare Instrumenten-Schnittstelle befindet sich zwischen der Antriebseinheit und dem chirurgischen Instrument. Ihre primäre Aufgabe ist die mechanische
Anbindung des chirurgischen Instruments an die Antriebseinheit. Sie stellt zum einen den Kraftfluss zwischen den Funktionseinheiten Antrieb und Instrument her und sorgt für eine exakte und wiederholgenaue Relativ-Positionierung und Fixierung dieser Einheiten. Um die benötigte mechanische Leistung auf das Instrument zu übertragen, umfasst die trennbare Instrumenten-Schnittstelle außerdem lösbare Kupplungen, die den Kraftfluss zwischen den Einzelantrieben in der Antriebseinheit und den
Antriebssträngen im Instrument herstellen. Um die Sterilität des chirurgischen
Instruments unter allen Umständen zu gewährleisten, fungiert die trennbare
Instrumenten-Schnittstelle zugleich als Sterilbarriere zwischen der unsterilen
Antriebseinheit und einem sterilen Instrument. Vorteilhafterweise ist das Ankoppeln eines chirurgischen Instruments einer
Instrumentenanordnung nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung einfach und erfordert keine vertieften Fachkenntnisse des Robotersystems. Die trennbare Instrumenten-Schnittstelle nach einer Ausführung erlaubt vorteilhafterweise das wiederholbar zuverlässige Einkoppeln des Instruments einschließlich aller
Kraftübertragungselemente ohne visuelle Kontrolle. Die Schnittstelle kann
vorzugsweise eine oder mehrere Antriebsbewegungen von einer Antriebseinheit auf ein chirurgisches Instrument übertragen, während die Sterilität auf Instrumentenseite gewahrt bleiben kann. Antriebseinheit und/oder trennbare Instrumenten-Schnittstelle beanspruchen vorteilhafterweise einen geringen Bauraum, um insbesondere bei einem System mit mehreren Robotern die Kollisionsgefahr zu minimieren. Um die Leistungsfähigkeit des robotergeführten Instruments aus regelungstechnischer Sicht zu verbessern, ist die Übertragung von mechanischer Antriebsenergie auf das chirurgische Instrument möglichst spiel- und schlupffrei ausgebildet.
Fig. 21 A, 21 B zeigen ein Umhüllen eines Roboters mit einer Hülle nach einer
Ausführung der vorliegenden Erfindung. Der Roboter, dessen Roboterhand in Fig. 21 A, 21 B teilweise angedeutet ist, weist eine Hohlwelle auf. Durch diese wird eine schlauchartige Innendurchführung 27 einer Hülle 501 geführt, die eine Austrittsöffnung 507 aufweist. Das durchgeführte Ende der Innendurchführung 27 ist anfangs, beispielsweise klemmschlüssig, mit einem Blindstopfen 502 abgedeckt, der eine geschlossene Stirnfläche und eine rohrartige Mantelfläche aufweist, um das Innere und einen stirnseitigen Umfangsbereich der Innendurchführung 27 vor
Verschmutzung beim Durchführen zu schützen.
Der Blindstopfen 502 wird durch die Hohlwelle und die Austrittsöffnung 507
durchgeführt (Fig. 21 A) und anschließend entfernt. An dem, dadurch freigewordenen Umfangsbereich der Innendurchführung 27 und dem Rand der Austrittsöffnung 507 wird, wiederum beispielsweise klemmschlüssig, ein steriler Abschlussring 503A, 503B befestigt (Fig. 21 B). So kann in einfacher Weise eine sterile Umhüllung des Roboters mit Hohlwelle bzw. gleichermaßen der Antriebseinheit einer Instrumentenanordnung dargestellt werden.
Im Ausführungsbeispiel ist die Innendurchführung 27 an ihrem dem Blindstopfen 502 bzw. Abschlussring 503 entgegengesetzten Ende (unten in Fig. 21 A, 21 B) drehhab an der Hülle 501 gelagert, beispielsweise wie vorstehend mit Bezug auf die
Zwischenelemente der Instrumenten-Schnittstelle beschrieben. Der Abschlussring ist zweiteilig ausgebildet, wobei ein an dem Umfangsbereich der Innendurchführung befestigter Teil 503A des Abschlussringes drehbar an einem an der Austrittsöffnung der Hülle befestigten Teil 503B des Abschlussringes gelagert ist. Auf diese Weise ist die Innendurchführung 27 als ganzes drehbar an der Hülle 501 gelagert und kann insbesondere mit einem durch die Hohlwelle bewegten Zusatz-Instrument mitgedreht werden. In einer (nicht dargestellten) Abwandlung kann die Innendurchführung auch integral bzw. einstückig mit der Hülle ausgebildet und/oder mittels eines einteiligen Abschlussringes verbunden sein, wobei eine eventuelle Drehung der Hohlwelle beispielsweise durch Lose der Innendurchführung bzw. Hülle kompensiert werden kann. Fig. 22 zeigt einen Teil eines minimalinvasiven chirurgischen Instruments nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Längsschnitt mit einem
Instrumentenmodul 1 und einem damit lösbar verbundenen Instrumententeil 2.
Das Instrumententeil weist einen in einen Patienten einführbaren Instrumentenschaft 22 mit einem Endeffektor auf (nicht dargestellt), das Instrumentenmodul einen Antrieb zum Aktuieren des Endeffektors sowie eine elektromechanische Schnittstellung zur Befestigung an einem Roboter (nicht dargestellt).
Das Instrumentenmodul 1 weist eine Koppelelementanordnung mit mehreren
Koppelelementen in Form von translatorisch beweglichen Stößeln 10 auf, die in einem Schublager 12 des Instrumentenmoduls verdrehsicher verschiebbar geführt sind und von denen in Fig. 22 zur besseren Übersicht nur eines dargestellt ist. Das
Instrumententeil weist eine entsprechende Gegenelementanordnung mit
Gegenelementen in Form von translatorisch beweglichen (Gegen)Stößeln 20 auf, die in einem Schublager des Instrumentenschafts 22 verdrehsicher verschiebbar geführt sind, um jeweils einen Freiheitsgrad des Endeffektors zu aktuieren. Die
translatorische Bewegung von Stößel und Gegenstößel zum Aktuieren eines intrakorporalen Freiheitsgrades des minimalinvasiven Instruments durch den extrakorporalen Antrieb ist in Fig. 22 durch einen Bewegungsdoppelpfeil angedeutet.
Die Stößel 10 der Koppelelementanordnung sind mit den Gegenstößeln 20 der Gegenelementanordnung magnetisch koppelbar. Hierzu weisen die Stößel 10 jeweils eine Magnetanordnung zum magnetischen Ankoppeln des gegenüberliegenden
Gegenstößels 20 auf, der einen magnetisch beaufschlagbaren Bereich 21 aus einem ferromagnetischen oder dauermagnetischen Material aufweist. Die Stößel 10 der Koppelelementanordnung weisen einen magnetisch leitenden Bereich 11 aus einem ferromagnetischen Material auf, der einen Außenring und ein zentrales Joch aufweist. Um dieses Joch ist eine elektrische Spule angeordnet und mit einer
nichtmagnetischen Vergussmasse 13 vergossen, um integral mit dem Stößel 10 einen Elektromagneten 31 der Magnetanordnung auszubilden, der durch ein hierzu eingerichtetes Steuermittel, das in einer Antriebssteuerung des Instruments (nicht dargestellt) implementiert ist, wahlweise bestrombar ist bzw. bestromt wird.
Zusätzlich weist jede Magnetanordnung einen zu dem Elektromagneten 31
gegensinnigen Permanentmagneten 30 auf, dessen Magnetfeld durch den bestromten Elektromagneten 31 in einem stirnseitigen Koppelbereich von Stößel und
Gegenstößel, wenigstens im Wesentlichen, kompensiert wird. Durch den wahlweise bestrombaren Elektromagneten 31 wird eine stromlos geschlossene Ankopplung zwischen Koppel- und Gegenelement zur Verfügung gestellt: solange der Elektromagnet 31 stromlos ist, koppelt der Permanentmagnet 30 den magnetisch beaufschlagbaren Bereich 21 des Gegenstößels 20 betriebssicher an den magnetisch leitenden Bereich 1 1 des Stößels 10. Durch Bestromen des
Elektromagneten 31 kompensiert dieser das Magnetfeld des Permanentmagneten 30 im stirnseitigen Koppelbereich soweit, dass das Instrumententeil 2, vorzugsweise unter Eigengewicht und/oder geringer Handkraft, von dem Antriebsmodul 1 entfernt werden kann.
Gleichermaßen können bestromter Elektromagnet 31 und Permanentmagnet 30 auch gleichsinnig sein bzw. ihre Magnetfelder sich in einem stirnseitigen Koppelbereich von Stößel und Gegenstößel verstärken.
Zwischen der Koppelelementanordnung und der Gegenelementanordnung ist optional eine sterile Barriere 40 angeordnet, die im Koppelbereich folienartig und flexibel ausgebildet ist, um eine translatorische Bewegung von Stößel 10 und Gegenstößel 20 zur Aktuieren des Endeffektors unter elastischer Deformation mitzumachen.
In einer nicht dargestellten Abwandlung kann der Permanentmagnet 30 entfallen, um durch wahlweises Bestromen des Elektromagneten 31 umgekehrt eine stromlos geöffnete Ankopplung zwischen Koppel- und Gegenelement zur Verfügung zu stellen: solange der Elektromagnet 31 bestromt ist, koppelt er den magnetisch
beaufschlagbaren Bereich 21 des Gegenstößels 20 betriebssicher an den magnetisch leitenden Bereich 11 des Stößels 10. Bei stromlosem Elektromagnet 31 kann das Instrumententeil 2 von dem Antriebsmodul 1 entfernt werden.
Fig. 23 zeigt einen Teil eines minimalinvasiven chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 22 entsprechender
Darstellung. Einander entsprechende Elemente sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass auf die übrige Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf die Unterschiede zur Ausführung der Fig. 22 eingegangen wird.
In der Ausführung der Fig. 23 weist die Magnetanordnung keinen Elektromagneten, sondern nur den Permanentmagneten 30 auf. Insbesondere, um Koppel- und
Gegenelement 10, 20 voneinander abzukoppeln, ohne sie voneinander zu
beabstanden, ist der Permanentmagnet 30 in dieser Ausführung in dem
Koppelelement bzw. Stößel 10 zwischen einer in Fig. 23 dargestellten
Verriegelungsposition und einer hiervon beabstandeten, in Fig. 23 strichliert angedeuteten Entriegelungsposition verschiebbar, was in Fig. 23 durch einen strichlierten Bewegungsdoppelpfeil angedeutet ist. Der Permanentmagnet 30 ist in einer Längsbohrung des Stößels 10 verschiebbar geführt und beispielsweise elektromotorisch, hydraulisch, pneumatisch und/oder manuell durch Verschieben einer Schubstange, auf der er angeordnet ist, verstell- und in der Verriegelungs- und der Entriegelungsposition arretierbar. Der stirnseitige magnetisch leitende Bereich 11 des Stößels 10 wird durch den
Permanentmagneten 30, wenigstens im Wesentlichen, nur magnetisch beaufschlagt, wenn dieser in der Verriegelungsposition ist. In der Entriegelungsposition (strichliert in Fig. 23) ist der Permanentmagnet 30 hingegen von dem magnetisch leitenden Bereich 1 1 des Stößels 10 getrennt und in einem magnetisch nicht leitenden Bereich des Stößels 10 aus Kunststoff mit einer Permeabilitätszahl μΓ angeordnet, die höchstens 2 beträgt.
Indem der Permanentmagnet 30 in der Bohrung des Stößels 10 in die
Verriegelungsposition verstellt wird, kann dessen magnetisch leitender Bereich 11 zum Ankoppeln des Gegenstößels durch die Magnetanordnung wahlweise
magnetisch beaufschlagt werden. In der Ausführung der Fig. 23 weist die optionale sterile Barriere 40 ein steifes
Koppelstück 41 aus einem magnetisch leitenden Material auf, um die mechanische Kraftübertragung und magnetische Ankopplung zu verbessern. In einer nicht dargestellten Abwandlung kann die optionale sterile Barriere auch folienartig wie in Fig. 22 ausgebildet sein bzw. die optionale Barriere der Ausführung der Fig. 22 ein solches Koppelstück aufweisen.
In der Ausführung der Fig. 23 ist mit 13 ein Bauteil aus einem nichtmagnetischen Werkstoff bezeichnet. Dieses kann, wie in der Ausführung der Fig. 22, als
Vergussmasse ausgebildet sein und ist daher durch dasselbe Bezugszeichen bezeichnet. Gleichermaßen kann das Bauteil 13 ein Formteil sein, welches an dem magnetisch leitenden Bereich 1 1 befestigt ist und als Anschlag für den
verschiebbaren Permanentmagnet 30 fungiert.
Fig. 24 zeigt einen Teil eines minimalinvasiven chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in Fig. 22, 23 entsprechender
Darstellung. Einander entsprechende Elemente sind wieder durch identische
Bezugszeichen bezeichnet, so dass auf die übrige Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf die Unterschiede zur Ausführung der Fig. 22, 23
eingegangen wird. Insbesondere sind zur besseren Übersicht in Fig. 24 die
Magnetanordnung und die magnetisch leitenden Bereiche nicht dargestellt, diese können insbesondere so ausgebildet sein, wie in Fig. 22 oder 23 dargestellt bzw. mit Bezug hierauf erläutert.
In der Ausführung der Fig. 24 sind Stößel 10 und Gegenstößel 20 zusätzlich zu der magnetischen Ankopplung formschlüssig verbindbar bzw. verbunden. Hierzu greift der Stößel 10 bolzenartig in einen Hülsen- bzw. Buchsenbereich des Gegenstößels 20 ein, wenn Koppel- und Gegenelement aneinander gekoppelt sind. Hierdurch sind Koppel- und Gegenelement senkrecht zu ihrer in Fig. 24 vertikalen Längserstreckung, d.h. horizontal in der Zeichenebene bzw. senkrecht auf dieser, formschlüssig festgelegt, wobei die magnetische Kopplung sie in Richtung ihrer Längserstreckung
kraftschlüssig festlegt. Stößel 10 und Gegenstößel 20 sind hierdurch formschlüssig aneinander zentriert. Um dabei einen Lateral- und/oder Winkelversatz zu kompensieren, ist der Gegenstößel 20 in der Ausführung der Fig. 24 mit Spiel in dem Schublager des Instrumentenschafts 22 gelagert.
Der magnetisch leitende Bereich 21 des Gegenstößels 20 ist in der Ausführung der Fig. 24 im Inneren des Hülsen- bzw. Buchsenbereichs des Gegenstößels 20 angeordnet, um so vorzugsweise eine unbeabsichtigte magnetische Interferenz zu vermeiden.
In den erläuterten Ausführungen sind Koppel- und Gegenelement stößelartig ausgebildet und auf Stoß bzw. stirnseitig aneinander gekoppelt, wobei die
Magnetanordnung Koppel- und Gegenelement in Richtung ihrer Längserstreckung gegeneinander zieht, um Zugkräfte zu übertragen, während Druckkräfte formschlüssig übertragen werden.
Zusätzlich oder alternativ können in den Ausführungen Koppel- und Gegenelemente 10, 20 rotatorisch beweglich sein, um jeweils einen Freiheitsgrad des Endeffektors zu aktuieren. Die Magnetanordnung zieht Koppel- und Gegenelement in Richtung ihrer Längserstreckung gegeneinander, um in einer Ausführung eine Übertragung von Drehmomenten zu ermöglichen. Diese kann reibschlüssig infolge der axialen
Verspannung durch die Magnetanordnung erfolgen. Gleichermaßen kann sie auch formschlüssig erfolgen. Hierzu kann in einer nicht dargestellten Abwandlung der Stößel 10 oder Gegenstößel 20 einen oder mehrere exzentrische Vorsprünge, insbesondere Zähne, aufweisen, die in entsprechende Aussparungen, insbesondere Zahnlücken, in dem Gegenstößel 20 bzw. Stößel 10 eingreifen, wenn Koppel- und dem Gegenelement magnetisch aneinander gekoppelt sind. In einer ebenfalls nicht dargestellten Abwandlung weisen Stößel 10 oder Gegenstößel 20 eine Hirth- Verzahnung auf. Das Koppelstück 41 kann insbesondere in einem solchen Fall mittels einer
Drehdichtung drehbeweglich mit der restlichen Barriere 40 verbunden sein.
Gleichermaßen kann das Koppelstück 41 mittels einer translatorischen Dichtung verschiebbar mit der restlichen Barriere 40 verbunden sein, wie jeweils in Fig. 24 angedeutet. Fig. 25, 26 zeigen jeweils einen Teil eines minimalinvasiven chirurgischen Instruments nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem Längsschnitt mit einem Instrumentenmodul 1 und ein damit lösbar verbundenes Instrumententeil 2. Einander entsprechende Elemente sind wieder durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass auf die vorhergehende Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf die Unterschiede zur Ausführung der Fig. 22-24 eingegangen wird.
In der Ausführung der Fig. 26 sind ein Koppelelement in Form einer drehbar
gelagerten Abtriebswelle 10 eines Elektromotors des Antriebs (nicht dargestellt) und ein Gegenelement in Form einer dazu parallel versetzt drehbar gelagerten
Antriebswelle 20 eines Endeffektors des Instruments (nicht dargestellt) durch miteinander kämmende Stirnräder 14, 24 formschlüssig aneinander gekoppelt. In der Ausführung der Fig. 25 ist zwischen Koppel- und Gegenelementanordnung eine sterile Barriere 40 mit einem drehbeweglich gelagerten Koppelstück 42 mit zwei Stirnrädern angeordnet, die mit den Stirnrädern 14 bzw. 24 kämmen und so Koppel- und Gegenelement 10, 20 ebenfalls formschlüssig koppeln.
Mit 12 bzw. 22 ist jeweils ein Drehlager bzw. Gehäuse des Instrumentenmoduls 1 bzw. Instrumententeils 2 angedeutet.
In einer nicht dargestellten Abwandlung können Koppel- und Gegenelement 10, 20 zusätzlich oder alternativ magnetisch miteinander drehfest gekoppelt sein, wie dies vorstehend mit Bezug auf Fig. 22-24 erläutert wurde.
Die Stirnverzahnungen zwischen den Stirnrädern 14, 24 und gegebenenfalls 42 sind mehrdeutig bzw. in unterschiedlichen, um die Zahnteilung versetzten Orientierungen aneinander koppelbar.
Um gleichwohl den Endeffektor durch einen Antrieb ohne vorherige Rekalibrierung aktuieren zu können, weist das Instrumentenmodul 1 in den Ausführungen der Fig. 25, 26 einen berührungslosen Winkelsensor in Form eines magnetischen Encoders zum Erfassen der Winkelstellung der angekoppelten Antriebswelle 20 relativ zum Gehäuse bzw. Drehlager 12 des Instrumentenmoduls lauf. Die Antriebswelle 20 weist entsprechend einen drehfesten Sender in Form eines Permanentstabmagneten 51 auf, der dazu eingerichtet ist, durch den Winkelsensor 50 erfasst zu werden. Die Nord- Süd-Achse des Stabmagneten 51 ist senkrecht zur Drehachse der Antriebswelle 20 orientiert.
Beim oder nach dem Ankoppeln des Instrumententeils 2 an das Instrumentenmodul 1 in einer von mehreren Orientierungen wird die Winkelstellung des Senders 51 in der angekoppelten Antriebswelle 20, von denen in Fig. 25, 26 wiederum nur eine exemplarisch dargestellt ist, relativ zu einer instrumentenmodulgehäusefesten Referenz durch den Winkelsensor 50 des Instrumentenmoduls erfasst. Auf diese Weise ist nach dem Erfassen die Orientierung der Gegenelemente und damit auch eine Stellung des Endeffektors bekannt, so dass der Endeffektor durch einen Antrieb ohne Rekalibrierung korrekt aktuiert werden kann.
Bezugszeichenliste
In den Figuren 1 bis 21:
I, 100, 101,400 Instrument
2, 102 Antriebseinheit
4 Anschlussflansch
3, 103, 505 Instrumentenschaft
5, 105, 501 (sterile) Hülle
6, 104 Gehäuse
7, 8, 9 Elektromotor
II, 12, 14, 28, 29, 30 Lagerstelle
19, 20, 21 , 206, 207, 208 Zwischenelement
22 Umsetzungsgetriebe
23, 24, 25, 37, 38, 200, 201 , 202, Schiebehülse (Kulissenführung)
406,407
26, 39, 40 Zug-/Schubmittel
31-36, 200-205, 300-305 Stirnverzahnung (Koppelteil)
27, 115 (steriles) Führungsrohr
37 Wendelnut
38 Stift
41,42 ,43 Nut-Führung
10, 13, 15, 16, 17, 18, Antriebswelle
106, 107, 108, 109, 110, 111,
404, 405, 406
402 Instrumentenkinematik
403 Endeffektor
408, 409 Koppelstange
100 instrumentenseitiges Umsetzungsgetriebe
112, 113, 114 Seilzüge
115 Führungsrohr
116, 117, 118 Kupplungszwischensegment
209,210,211 Haltering
500 Instrumenten-Schnittstelle
501 (sterile) Folienhülle
502 Blindstopfen
503 Abschlussring
504, 507, 508 Zusatz-Instrument
506 Rohrabschnitt
507 Austrittsöffnung
In den Figuren 22 bis 26:
1 Instrumentenmodul
10 Stößel; Welle (Koppelelement)
11 magnetisch leitender Bereich
12 Instrumentenmodulgehäuse, Schub-/Drehlager
13 Vergussmasse; Fornv/Bauteil
14 Stirnrad
2 Instrumententeil
20 Stößel; Welle (Gegenelement) 21 magnetisch beaufschlagbarer Bereich
22 Instrumentenschaft, Schub-/Drehlager
24 Stirnrad
30 Permanentmagnet
31 Elektromagnet
40 sterile Barriere
41 ,42 Koppelstück
50 Winkelsensor
51 Permanentstabmagnet (Sender)

Claims

Patentansprüche
1. Chirurgierobotersystem mit:
einem Roboter; und
einer, insbesondere lösbar, an dem Roboter befestigten Instrumentenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5.
2. Instrumentenanordnung zur, insbesondere lösbaren, Befestigung an dem Roboter eines Chirurgierobotersystems nach Anspruch 1 , mit:
einer Antriebseinheit (2; 102) nach einem der Ansprüche 6 bis 9;
einem Instrument (1 ; 100; 400) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, das mit der Antriebseinheit lösbar verbunden ist; und
einer Instrumenten-Schnittstelle (5, 500) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, die zwischen Antriebseinheit und Instrument angeordnet ist.
3. Instrumentenanordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Zusatz- Instrument (504) und/oder ein Antriebsmittel zum Betätigen eines Endeffektors, welches, insbesondere lösbar, durch das Instrument der Instrumentenanordnung eingeführt ist.
4. Instrumentenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass wenigstens eine Antriebswelle (10, 13, 15; 106, 107, 108) der Antriebseinheit und eine Antriebswelle (16, 17, 18; 109, 110, 1 11 ; 404, 405, 406) des Instruments koaxial, insbesondere fluchten angeordnet sind.
5. Instrumentenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass ein Koppelteil (300, 301 , 302) einer Antriebswelle der Antriebseinheit und ein Koppelteil (303, 304, 305) einer Antriebswelle des
Instruments magnetisch miteinander gekoppelt sind.
6. Antriebseinheit (2; 102) für eine Instrumentenanordnung nach einem der
Ansprüche 2 bis 5, mit wenigstens einem Drehantrieb (7, 8, 9) mit einer
Antriebswelle, insbesondere Antriebs-Hohlwelle (10, 13, 15; 106, 107, 108), mit einem Koppelteil (31 , 32, 33; 200, 201 , 202; 300, 301 , 302) zur Koppelung mit einer Antriebswelle des Instruments.
7. Antriebseinheit nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch wenigstens eine innere Antriebswelle, insbesondere Antriebs-Hohlwelle, die konzentrisch in einer äußeren Antriebs-Hohlwelle angeordnet, insbesondere gelagert ist.
8. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Drehantrieb koaxial, insbesondere fluchtend oder parallel versetzt, oder winkelig, insbesondere rechtwinkelig, zu seiner Antriebswelle angeordnet ist.
9. Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelteil axial verschieblich, insbesondere vorgespannt, an der Antriebswelle angeordnet ist.
10. Instrument (1 ; 100; 400) für eine Instrumentenanordnung nach einem der
Ansprüche 2 bis 5, mit einem Instrumentenschaft (3) und wenigstens einer
Antriebswelle, insbesondere Antriebs-Hohlwelle (16, 17, 18; 109, 1 10, 11 1 ; 404, 405, 406), mit einem Koppelteil (34, 35, 36; 203, 204, 205; 303, 304, 305) zur Koppelung mit einer Antriebswelle der Antriebseinheit.
11. Instrument nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch wenigstens eine innere
Antriebswelle, insbesondere Antriebs-Hohlwelle, die konzentrisch in einer äußeren Antriebs-Hohlwelle angeordnet, insbesondere gelagert ist.
12. Instrument nach einem der Ansprüche 10 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle koaxial, insbesondere fluchtend oder parallel versetzt, oder winkelig, insbesondere rechtwinkelig, zu dem Instrumentenschaft angeordnet ist.
13. Instrument nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch ein Umsetzungsgetriebe zur Umsetzung einer Rotation einer Antriebswelle in eine Translation eines Zug- und/oder Schubmittels.
14. Instrument nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Umsetzungsgetriebe eine Kulissenführung (23, 24, 25, 37, 38) aufweist und/oder in einer antriebseinheitszu- oder -abgewandten Hälfte des Instrumentenschaftes angeordnet ist.
15. Instrumenten-Schnittstelle für eine Instrumentenanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine Hülle (5, 501), insbesondere nach Anspruch 18, zum Umhüllen der Antriebseinheit der Instrumentenanordnung.
16. Instrumenten-Schnittstelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (5, 501 ) eine Innendurchführung (27) für ein durch das Instrument und die
Antriebseinheit der Instrumentenanordnung eingeführtes Zusatz-Instrument aufweist.
17. Instrumenten-Schnittstelle nach einem der Ansprüche 15 bis 16, gekennzeichnet durch wenigstens ein drehbares, insbesondere kegelförmiges, Zwischenelement (19, 20, 21 ; 206, 207, 208) zur reib- oder formschlüssigen Koppelung mit dem Koppelteil einer Antriebswelle der Antriebseinheit und/oder des Instruments.
18. Hülle mit einer schlauchartigen Innendurchführung zum Durchführen durch eine Hohlwelle eines Roboters oder einer Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 9 und durch eine Austrittsöffnung (507) der Hülle, dadurch gekennzeichnet, dass die Innendurchführung einen Blindstopfen (502) und einen Abschlussring
(503) zur Befestigung an einem Umfangsbereich der Innendurchführung aufweist, der durch Entfernen des Blindstopfens frei wird.
19. Verfahren zum Umhüllen eines Roboters oder einer Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 9 mittels einer Hülle nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Blindstopfen (502) versehene
Innendurchführung durch eine Hohlwelle und die Austrittsöffnung der Hülle durchgeführt, anschließend entfernt und der Abschlussring (503) an dem
Umfangsbereich der Innendurchführung befestigt wird, der durch das Entfernen des Blindstopfens frei geworden ist.
20. Instrumentenmodul (1 ) mit einer Koppelelementanordnung mit wenigstens einem Koppelelement (10) zum lösbaren Ankoppeln eines Gegenelements (20) einer Gegenelementanordnung zum Aktuieren eines Endeffektors eines chirurgischen Instruments, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement eine
Magnetanordnung (30, 31 ) zum magnetischen Ankoppeln des Gegenelements aufweist.
21. Instrumentenmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement zum Aktuieren des Endeffektors translatorisch und/oder rotatorisch beweglich ist.
22. Instrumentenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung wenigstens einen wahlweise bestrombaren Elektromagneten (31) aufweist.
23. Instrumentenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung wenigstens einen
Permanentmagneten (30) aufweist.
24. Instrumentenmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet an dem Koppelelement,
insbesondere elektromotorisch, hydraulisch, pneumatisch und/oder manuell, zwischen einer Verriegelungs- und einer hiervon verschiedenen
Entriegelungsposition verstellbar ist.
25. Instrumentenmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass das Koppelelement einen magnetisch leitenden Bereich (1 1) zum Ankoppeln des Gegenelements aufweist, welcher, insbesondere wahlweise, durch die Magnetanordnung magnetisch beaufschlagt wird.
26. Instrumentenmodul nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass es einen Antrieb zum Aktuieren der
Koppelelementanordnung oder einen in einen Patienten einführbaren
Instrumentenschaft (22) mit einem Endeffektor aufweist, der durch die
Koppelelementanordnung aktuierbar ist.
27. Instrumentenmodul, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Koppelelementanordnung mit wenigstens einem Koppelelement (10) zum lösbaren Ankoppeln eines Gegenelements (20) einer Gegenelementanordnung zum Aktuieren eines Endeffektors eines chirurgischen Instruments, wobei die Koppel- und Gegenelementanordnung in wenigstens zwei unterschiedlichen Orientierungen koppelbar sind, gekennzeichnet durch einen Winkelsensor (50) zum, insbesondere berührungslosen, Erfassen einer Winkelstellung der
angekoppelten Gegenelementanordnung.
28. Instrumententeil (2) mit einer Gegenelementanordnung mit wenigstens einem
Gegenelement (20) zum Ankoppeln eines Koppelelements (10) der
Koppelelementanordnung eines Instrumentenmoduls (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gegenelement einen magnetisch beaufschlagbaren Bereich (21) zum magnetischen Ankoppeln des
Koppelelements und/oder einen drehfesten Sender (51 ) zum Erfassen durch den Winkelsensor (50) des Instrumentenmoduls aufweist.
29. Chirurgisches Instrument mit einem Instrumentenmodul (1) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche und einem damit lösbar verbindbaren Instrumententeil (2) nach dem vorhergehenden Anspruch.
30. Chirurgisches Instrument nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass Koppel- und Gegenelementanordnung formschlüssig verbindbar sind.
31. Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Koppelelementanordnung und der
Gegenelementanordnung eine sterile Barriere (40) angeordnet ist.
32. Chirurgisches Instrument nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch
gekennzeichnet, dass die sterile Barriere ein, insbesondere magnetisch leitendes, Koppelstück (41 ) zum, insbesondere magnetischen, Ankoppeln der
Gegenelementanordnung an die Koppelelementanordnung aufweist.
33. Chirurgisches Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppel- oder Gegenelementanordnung mit Spiel in einer Führung (22) gelagert ist.
34. Verfahren zum Koppeln eines Instrumentenmoduls (1 ) und Instrumententeils (2) eines chirurgischen Instruments nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den Schritten: Aktivieren oder Deaktivieren eines Elektromagneten (31 ) der Magnetanordnung des Instrumentenmoduls; und/oder
Verstellen eines Permanentmagneten (30) der Magnetanordnung des
Instrumentenmoduls in die Verriegelungsposition; und/oder
Erfassen einer Winkelstellung der angekoppelten Gegenelementanordnung des Instrumententeils durch den Winkelsensor (50) des Instrumentenmoduls.
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