WO2018077604A1 - Verfahren zum betrieb eines kollisionsschutzsystems für eine medizinische operationseinrichtung, medizinische operationseinrichtung, computerprogramm und datenträger - Google Patents

Verfahren zum betrieb eines kollisionsschutzsystems für eine medizinische operationseinrichtung, medizinische operationseinrichtung, computerprogramm und datenträger Download PDF

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WO2018077604A1
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safety
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Thomas Fuchs
Patrick Kugler
Philip Mewes
Karl-Ernst Strauss
Tamás Ujvári
Angelika ZINECKER
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    • A61B6/4441—Constructional features of apparatus for radiation diagnosis related to the mounting of source units and detector units the source unit and the detector unit being coupled by a rigid structure the rigid structure being a C-arm or U-arm

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a colli ⁇ sion protection system for a medical Operationseinrich ⁇ tung, a patient support for a patient to be operated, and an assistant robot that an at least temporarily befindli ⁇ che during the operation within the patient and / or with a motion-coupled, movable assistance component has within the patient, has.
  • the invention relates to a medical surgical device, a computer program and an electronically readable data carrier.
  • image recording devices are usually used which limit the space required for the operation as little as possible or restrict it only intermittently.
  • An example of this are X-ray devices with a C-arm, on which an X-ray emitter and an X-ray detector are arranged opposite one another.
  • the C-arm can be moved to a position in which it obstructs the person performing the operation as little as possible, or even completely from the surgery ⁇ area by the patient is stored on a patient bed, removed.
  • Such assistance robots can be designed, for example, as lightweight robots (LBR) and serve various purposes.
  • LBR lightweight robots
  • Well-known assistant Bots provide guidance aids for medical instruments as assistive components, such as pods or eels, for guiding the medical instrument.
  • a needle or a drill can be introduced in a targeted manner as a medical instrument into the patient to be operated via an assistance component of an assistance robot serving as a guide.
  • assistance robots are conceivable in which an assistance component itself is introduced into the patient.
  • the invention is therefore based on the object, a possible ⁇ ⁇ ben, wherein an excellent safety for the patient-is realized without an excessive restriction on the usability of the operation means ness for implementing a collision avoidance system suits.
  • Operations workflow descriptive workflow data criticality information that describes the criticality of possible collisions of components of the surgical equipment and / or movements of the patient with respect to the interaction of the assistant robot with the patient, is determined, depending on the criticality information when a one increased , in particular a threshold value over ⁇ border criticality indicating Med Cheskriteriums a higher requirement of safety as a Normalbe- is activated operating mode sufficient safety operating mode of the Kollisi ⁇ onstiksystems.
  • the operation device a image on ⁇ acquisition device having at least one movable video recording component for recording image data of the patient during surgery.
  • the invention can also be applied to other further subsystems of the surgical device, for example a further, second assistant robot and its assistance components.
  • a collision protection system is first realized, which are, however, operated in several different Be ⁇ triebsmodi so that an adaptive arrival appropriate to the actual risk to the patient.
  • Kollisionswer ⁇ te comprising example, to calculate a Kollisions very- ness.
  • the collision values can then we ⁇ iquess an action criteria are evaluated, are carried out at the fulfillment of measures, such as a note and / or an alarm is issued, a stop existing, automatic and / or manually performed movements and the like.
  • measures such as a note and / or an alarm is issued, a stop existing, automatic and / or manually performed movements and the like.
  • a somewhat lower safety requirement is used, since slight collisions of components of the surgical device with one another and / or with persons are less critical.
  • a safe ⁇ integrated operating mode is activated, are provided at the higherméan ⁇ requirements, in particular collisions with height ⁇ rer security can be completely avoided. In this way, the transmission of Stö ⁇ SEN / collisions can be prevented to a located inside the patient's instrument in particular.
  • Higher security requirements in the at least one security operating mode can be met in different ways, as will be explained in more detail below with reference to concrete examples. Generally speaking, the Beticiansgenauig ⁇ ness, calculating reliability that intervention threshold, the quality of the underlying sensor data and / or can be further improved.
  • a Mut Chemography information is, in particular within a collision protection even realizing control means determines, with respect to the criticality of possible collisions of components of the operating means and / or movements of the patient's interaction of the assistant robot to the patient describes.
  • the criticality information can, for example, in Form of at least one criticality value.
  • the current operation workflow is taken into account in a particularly advantageous manner by entering these descriptive workflow data into the determination.
  • Threshold returns to the previous operating mode.
  • the safety mode is then active only as long as the critical situation for the patient is present.
  • the switchback criterion may be the elimination of the fulfillment of the criticality criterion.
  • a graded security concept to reali ⁇ Sieren by several Arts Cheskriterien be used, wherein a security associated therewith operating mode is activated upon fulfillment of a Mutrochskriteriums.
  • starting Math Chesintervalle for severalbut for severalbut ⁇ triebsmodi can be used in each case from the associated threshold value, being activated at a lying within the Artsstoffsintervalls criticality descriptive Artssinformation of this associated security operating mode.
  • a first advantageous, practical embodiment of the present invention can be provided that in at least one of the at least one security mode of operation we ⁇ remedies a part of the collision protector performed calculation process, in particular for determining a probability of collision redundant with respect to the hardware and / or software , taking into account all results obtained in the redundant calculation for the collision protection, and / or performed with an increased calculation accuracy.
  • a second collision computing device is implemented, in particular consequently at least one further processor and / or core is used in order to realize a hardware redundancy.
  • different software wherein it is particularly preferred anyway if the redundant calculation is carried out at least partially diversely, in particular with regard to algorithms used for the calculation process.
  • a movement of at least one component of the medical operation device is performed only after recognition of a consent operation action of an operator. Accordingly, if a critical state is present, in particular a movement coupling of the assistance robot with the patient, a consent operating action is required at least for a movement of relevant components, irrespective of whether this is done manually and / or automatically. In this case, it is expedient to combine the components required for the movement of a consent operating action in a security group of components.
  • a safety group of components may comprise the image capturing component, the patient couch and the assistant component in particular ⁇ sondere.
  • control elements which means both a control element for the Zustimmbedientress as well as a control element for the movement of components of the medical operation means can be provided for example on a control panel of the Medical Intern ⁇ 's operation means.
  • an expedient development of the present invention may provide that the planned movement of visual representation is displayed with the In ⁇ requirement for Zustimmbediensure on a display device. An operator may then assess the movement to be made and judge whether it could pose a danger to the patient.
  • a Zustimmbedienelement can be used for the receipt of Zustimmbedientress, wherein it is particularly preferred if the Zustimmbedienelement is operated during the entire ge ⁇ movement of the component hold. In this way it can be ensured that the Opera ⁇ tion person performing with caution monitors the BEWE ⁇ supply process and onsphase made aware of their criticality of Operati-.
  • a third specific embodiment of the noted above specific embodiment of the noted jossmo ⁇ dus which of course also be combined with the other embodiments, provides that in at least one of a safety mode of operation a motion ⁇ speed of a component, in particular al ⁇ ler components is limited by an upper safety limit, at least at least which is smaller than one outside the safe operating mode used normal limit.
  • the safety limit is only 10% or less of the normal limit, for example, lmm / s or less.
  • the safety operating mode in at least one of the at least one safety operating mode at least one action parameter describing measures of a measure of action used in the collision protection system leads to an earlier triggering in comparison to the normal operating mode adjusted and / or additional measures and / or action criteria are used. Consequently, it can be provided in this fourth option for improving safety at safety operating mode, for example safety margins, so to increase to be observed distances between the components and / or individuals, which can lead to an earlier response of the collision protection system and thus to a verbes ⁇ serten avoid collisions can. It may also be provided to use further measures criteria and / or further measures and / or to adapt measures parameters for carrying out the measures, for example to switch on new warning tones, to brake faster and the like.
  • a collision protection sensor can be, for example, an ultrasonic distance meter and / or a sensor arranged on the image recording component.
  • collision avoidance sensors can thus be provided, which are activated only in the safety mode, for example, because it would provide too many Fehlauslösun ⁇ gen outside the security mode.
  • the workflow data may at least in part, from ⁇ sensor data of the operation area monitored monitoring sensor and / or from image data of the registered with the robot assistant image pickup device ermit- be telt.
  • image data of the image recording device can also be evaluated, for example to determine whether the assistance component and / or a medical instrument coupled to the assistance component already interacts with the patient or not.
  • Medical instruments can be in the image ⁇ data of the image pickup device, such as a
  • X-ray device with a C-arm particularly easy to detect, so that even in a simple analysis correspondingly useful workflow data can be determined and out ⁇ there is a criticality information can be derived.
  • dedicated monitoring ⁇ sensors which can of course be used in the context of the actual collision protection system, ie in Normalbe- operating mode and / or in the security operation mode.
  • a concrete realization of such a monitoring sensor may provide, for example, that a tool receiving component includes assistance as surveil ⁇ monitoring sensor an overall instrument with schulsgekoppeltem closed contact switch.
  • the criticality information is an increased criticality in the case of a completed registration between the image recording device and the assistant robot and / or at the conclusion of a trajectory of the assistance component approaching the patient and / or during a movement coupling of an instrument with the assistance component descriptive work ⁇ flow data is determined.
  • a critical state is thus, for example, in terms of the start time by a completed registration of the image pickup device and the assistant robot or the completed traversing of a trajectory of the assistant component, which would enable the introduction of a medical instrument in the patient in the next step.
  • a gradation it may also be useful to use such phases of operation in the operations workflow, for example, by a first increase in security is performed by a first security mode after completion of re ⁇ registration, the security is, however, significantly increased once again Motion coupling between the assistant robot and the patient may occur or occurs (second safety operating mode). Accordingly, it is of course possible to switch back again with the elimination of the motion coupling and thus a reduction in the criticality.
  • the collision calculation can therefore be limited to the components with respect to the critical state relevant, mainly to bring the components of the Safe ⁇ integrated group, for example, the patient bed, the image on ⁇ acceptance component and the assistance component. Will this be game be combined with a redundant calculation in the safety operating mode, for example, the additional calculation method can be applied to the components of the security group ⁇ be restricted. In this way, computational effort is saved.
  • the invention also relates to a medical surgical device comprising a patient couch for a patient to be operated, an image recording device with at least one movable imaging component for recording image data of the patient during the operation and an assistant robot, at least temporarily within the patient located and / or motion-coupled with an instrument located within the patient, has movable assistance component, which is characterized by a trained for carrying out the method according to the invention, a Kollisi ⁇ onstiksystem real exhaustde control device.
  • a computer program according to the invention can, for example, be loaded directly into a memory of a control device of a medical operation device and have program means for carrying out the steps of a method described herein when the computer program is executed in the control device.
  • the Com ⁇ computer program according to the invention may be stored on an inventive electronically readable data carrier that it comprises stored electronically readable control information thus comprising an inventive computer program and are designed such that they at the use of the data ⁇ carrier in the controller of the medical Operati- ons raised perform a method described herein.
  • the data carrier is preferably a non-transient data carrier, for example a CD-ROM.
  • Fig. 2 is a flowchart of an embodiment of he ⁇ inventive method.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of a medi ⁇ zinischen operation means according to the invention shows a patient bed 1.
  • a which may also be referred to as a patient table, a, are STORED here as well, indicated to be of Operating Patient 3.
  • the surgical device 1 additionally comprises an image recording device 4, in this case an X-ray device with a C-arm 5, on which an X-ray emitter 6 and an X-ray detector 7 are arranged opposite one another.
  • the C-arm 5 is movably mounted in at least one degree of freedom on a stand 8 or a robot arm, not shown here.
  • the surgical device 1 further comprises an assistance robot 9, which has an assistance component 11 which can be adjusted in several degrees of freedom via a robot arm 10, which in the present case serves as a guide for a medical instrument 12 likewise shown here for the sake of clarity. If the medical instrument 12 in the assistant component 11 ge ⁇ leads, it can accurately in a target region 13 in the patient-3 are introduced, such as a tumor to behan ⁇ delnden and / or anatomic components of the spine.
  • the treatment area 14 shown here is therefore only to be understood as an example.
  • the robot arm 10 is in the present case supported by an optionally mobile stand 15. It should be noted that the patient bed 2 is adjustable via corresponding drive means 16. In the present case, the operation of the operating device 1 is controlled by a control device 18 shown in a console 17.
  • the control device 18 is designed to carry out the method according to the invention and accordingly also implements a collision protection system. Furthermore, the control device 18 also assumes the workflow control ⁇ tion.
  • the bracket 17 is also movably mounted and has a sterile covered operating panel 19 and a pointing device 20.
  • the control panel 19 may at ⁇ play, also allow to control movements of various components, such as the C-arm 5 as Sparingkom ⁇ component, the robot arm 10 and / or patient table 2.
  • the control panel 19 also has a consent control element 21, the function of which will be explained in more detail below.
  • a step Sl the surgical workflow for an operation of a patient begins 3.
  • the criticality information is a criticality value which describes the criticality of possible collisions of components of the surgical device 1 and / or movements of the patient 3 with respect to the interaction of the assistant robot 9 with the patient 3.
  • the criticality the true ⁇ scheinaji it is increasing, that a medical instrument 12 in the assistance component 11 is guided and enters the patient 3, so that in this way a movement coupling between the patient 3 and the assistance component 11, so ⁇ with the assistant robot 9, is given.
  • workflow data can already be present at least partially in the control device 18 due to the assisted workflow execution.
  • Other workflow data can be determined from sensor data from monitoring sensors and / or from image data of the image recording device 4 registered with the assistance robot 9, for example by evaluating image data as to whether an instrument 12 has already penetrated into the patient 3.
  • Monitoring sensors may, for example, have a contact switch, not illustrated here, in the assistance component 11, which is actuated when an instrument 13 is guided in the assistance component 11, with which it is motion- coupled with it.
  • the patient 3 can be positioned on the patient couch 2, the other components of the surgical device 1 are usually still removed from the patient 3 and are not used, so that the security requirements are rather low and the collision protection system are operated in normal mode can, which also applies to an optionally provided period in which a registration between the assistant robot 9 and the image recording device 4 with respect to the patient 3 is established.
  • Increasing the criticality and thus the Radiologywerts occurs when the Regist ⁇ turing is completed because then ration the actual OPE can be started to the patient.
  • Further increases in the criticality value are given when a trajectory of the assistance component 11 approaching the patient 3, after the end of which the instrument 12 is to be inserted, has ended and when the movement coupling of an instrument 12 with the assistance component 11 is determined.
  • the criticality information determined in step S2 thus ultimately describes how dangerous collisions are for the patient 3 due to the imminent or already given movement coupling with the assistance robot 9.
  • the criterion of criticality is checked as to whether the criticality value is in a criticality interval assigned to the normal operating mode, usually below a certain threshold, or if it is contained in at least one criticality interval assigned to a safety operating mode, in the case of a single one security mode in case of ⁇ requirement which the aforementioned certain threshold.
  • the described below for a case in which only a single security mode of operation is used to keep the description manageable.
  • several operating modes are conceivable to adaptively and gradually ensure the appropriate security, for example, a slight increase in security after completion of the registration between the image pickup device 4 and the assistant robot 9, a further increase in security in a second Si ⁇ cherheits sunnysmodus when reaching the end point of arrival constitutionalraj ektorie the assistant robot 9 to the patient 3 and the highest possible security requirement fulfilling (third safety mode of operation), as soon as the instrument 13 with the assistance component 11 is motion-coupled or introduced into the patient 3.
  • the security mode of operation provides that the BEWE ⁇ supply of components, particularly the components of the mentioned security group, is only possible when a Zustimmbedientress an operator is present.
  • the consent operation is ensured via the consent operating element 21. This must be kept constantly during a manually controlled movement of a component, such as the patient bed 2, in addition to ensure that the operator is aware of the critical situation and this closely monitors the movement process. If automatic movements are to be provided in the critical operating phase, the movement can first be visualized by means of the display device 20, whereupon the user can perform the consent operating action via the consent operating element 21.
  • the safety mode of operation is also thesupersge ⁇ speed of the components, in particular all of the components or at least the components of the security group that strongly limited by an upper safety limit value.
  • the Si ⁇ cherheitsgrenzwert is of course smaller than a used outside the safety mode of operation in the normal operation mode ⁇ normal limit.
  • the Si ⁇ cherheitsgrenzwert is in the safety mode exemplified in one millimeter per second, so that an extremely long ⁇ same, well observable movement is present, the addition can be interrupted in the emergency ⁇ case quickly and with short stopping distances.
  • the security mode 1 is ⁇ pointed additional collision protection sensors 23 are present in Fig.
  • the Tektor 7 Activates, in the present ultrasonic distance meter, the Tektor 7 (and possibly also at the X-ray source 6) as an image pickup component or part of an image pickup component at the Röntgende- provided for are hen.
  • the collision protection sensors 23 are not active in the normal operating mode of the collision protection system, since they are directed to the operating area and, for example, in the case of hand movements of a person performing the operation could cause false tripping. However, if the situation is rather critical, such false positives may be more likely to be accepted in order to provide a more reliable database for the calculations.
  • the collision values determined in the calculation processes are evaluated by action criteria for collision protection, wherein a collision-avoiding measure and / or a warning measure are taken when the corresponding action criterion is met.
  • the measure criteria and / or the measures can optionally be adapted by adapting corresponding measure parameters, so that, for example, safety distances can be selected to be greater, braking can be carried out more quickly, previous interventions can take place and / or even additional measures and / or measure criteria be used to increase safety.

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Abstract

Verfahren zum Betrieb eines Kollisionsschutzsystems für eine medizinische Operationseinrichtung (1), die eine Patientenliege (2) für einen zu operierenden Patienten (3), eine Bildaufnahmeeinrichtung (4) mit zumindest einer bewegbaren Bildaufnahmekomponente zur Aufnahme von Bilddaten des Patienten (3) während der Operation und einen Assistenzroboter (9), der eine während der Operation wenigstens zeitweise innerhalb des Patienten (3) befindliche und/oder mit einem innerhalb des Patienten (3) befindlichen Instrument (12) bewegungsgekoppelte, bewegbare Assistenzkomponente (11) aufweist, aufweist, wobei unter Berücksichtigung von die aktuelle Operationsphase in einem Operations-Workflow beschreibenden Workflowdaten eine Kritikalitätsinformation, die die Kritikalität möglicher Kollisionen von Komponenten der Operationseinrichtung (1) und/oder Bewegungen des Patienten (3) bezüglich der Wechselwirkung des Assistenzroboters (9) mit dem Patienten (3) beschreibt, ermittelt wird, wobei abhängig von der Kritikalitätsinformation bei Erfüllung eines eine erhöhte, insbesondere einen Schwellwert überschreitende Kritikalität anzeigenden Kritikalitätskriteriums ein einer höheren Sicherheitsanforderung als ein Normalbetriebsmodus genügender Sicherheitsbetriebsmodus des Kollisionsschutzsystems aktiviert wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb eines Kollisionsschutzsystems für eine medizinische Operationseinrichtung, medizinische Operations- einrichtung, Computerprogramm und Datenträger
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kolli¬ sionsschutzsystems für eine medizinische Operationseinrich¬ tung, die eine Patientenliege für einen zu operierenden Pati- enten, und einen Assistenzroboter, der eine während der Operation wenigstens zeitweise innerhalb des Patienten befindli¬ che und/oder mit einem innerhalb des Patienten befindlichen Instrument bewegungsgekoppelte, bewegbare Assistenzkomponente aufweist, aufweist. Daneben betrifft die Erfindung eine medi- zinische Operationseinrichtung, ein Computerprogramm und einen elektronisch lesbaren Datenträger.
Eine Vielzahl medizinischer Eingriffe, also Operationen, findet heutzutage auch unter Bildüberwachung statt. Hierzu wer- den üblicherweise Bildaufnahmeeinrichtungen genutzt, die den für die Operation benötigten Raum möglichst wenig einschränken bzw. nur zeitweise einschränken. Ein Beispiel hierfür sind Röntgeneinrichtungen mit einem C-Bogen, an dem sich gegenüberliegend ein Röntgenstrahler und ein Röntgendetektor angeordnet sind. Der C-Bogen kann in eine Stellung verfahren werden, in der er die die Operation durchführende Person möglichst wenig behindert, oder gar gänzlich aus dem Operations¬ bereich, indem der Patient auf einer Patientenliege gelagert ist, entfernt werden. Hierzu wurde beispielsweise vorgeschla- gen, den C-Bogen an einem Roboterarm anzuordnen, um eine größtmögliche Anzahl an Bewegungsfreiheitsgraden zur Verfügung stellen zu können.
Es wurde zudem im Stand der Technik bereits vorgeschlagen, bei Operationen mithilfe von Assistenzrobotern weitere Unterstützung zur Verfügung zu stellen. Derartige Assistenzroboter können beispielsweise als Leichtbauroboter (LBR) ausgebildet sein und verschiedenen Zwecken dienen. Bekannte Assistenzro- boter stellen Führungshilfen für medizinische Instrumente als Assistenzkomponenten bereit, beispielsweise in Form von Hülsen oder Aalen, die der Führung des medizinischen Instruments dienen. Beispielsweise kann über eine als Führungshilfe die- nende Assistenzkomponente eines Assistenzroboters eine Nadel oder ein Bohrer als medizinisches Instrument gezielt geführt in den zu operierenden Patienten eingebracht werden. Allerdings sind grundsätzlich auch Assistenzroboter denkbar, bei denen eine Assistenzkomponente selbst in den Patienten einge- führt wird.
In solchen medizinischen Operationseinrichtungen, die mithin üblicherweise die Patientenliege, den Assistenzroboter und die Bildaufnahmeeinrichtung umfassen, ist der Kollisions- schütz, insbesondere hinsichtlich des Patienten, ein wichtiges Thema, nachdem eine Vielzahl von auch unabhängig bewegbaren Komponenten existiert, beispielsweise Bildaufnahmekompo¬ nenten wie der C-Bogen und/oder Assistenzkomponenten des Assistenzroboters und/oder die Patientenliege. Mithin wurden bereits Kollisionsschutzsysteme für solche medizinischen Ope¬ rationseinrichtungen vorgeschlagen, die beispielsweise Senso- riken wie Näherungsschalter, Bewegungsdaten verschiedener Antriebe, mathematische Modelle zur Simulation und dergleichen nutzen können. Für einen großen Teil der Einsatzzeit bei ei- ner Operation sind hierbei einfache Mechanismen, beispiels¬ weise eine Auswertung von Daten von Näherungssensoren, vollständig ausreichend. Bei Verwendung eines Assistenzroboters kann es jedoch vorkommen, dass die Assistenzkomponenten des Assistenzroboters mit dem Patienten bewegungsgekoppelt sind, insbesondere, wenn in diese sich zumindest teilweise inner¬ halb des Patienten befinden oder wiederum bewegungsgekoppelt sind mit einem medizinischen Instrument, das sich wenigstens teilweise im Patienten befindet. Dabei kann es zu Problemen auch bei leichteren Kollisionen kommen, wenn eine empfindli- che Region des Patienten operativ behandelt bzw. untersucht wird. Diesbezüglich wurde bereits vorgeschlagen, weitere Si¬ cherheitsmaßnahmen bei solchen medizinischen Operationseinrichtungen zu treffen, beispielsweise die Bewegungsgeschwin- digkeit aller bewegbaren Komponenten deutlich zu reduzieren. Dies führt jedoch zu Schwierigkeiten im Arbeitsablauf, da die Operationsdauer deutlich verlängert werden kann bzw. allgemein ein deutlich höherer Aufwand auch seitens der den Ein- griff durchführenden Personen entsteht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglich¬ keit zur Realisierung eines Kollisionsschutzsystems anzuge¬ ben, bei welcher eine hervorragende Sicherheit für den Pati- enten ohne eine zu starke Einschränkung der Nutzbarkeit der Operationseinrichtung realisiert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass unter Berücksichtigung von die aktuelle Operationsphase in einem
Operations-Workflow beschreibenden Workflowdaten eine Kriti- kalitätsinformation, die die Kritikalität möglicher Kollisionen von Komponenten der Operationseinrichtung und/oder Bewegungen des Patienten bezüglich der Wechselwirkung des Assis- tenzroboters mit dem Patienten beschreibt, ermittelt wird, wobei abhängig von der Kritikalitätsinformation bei Erfüllung eines eine erhöhte, insbesondere einen Schwellwert über¬ schreitende Kritikalität anzeigenden Kritikalitätskriteriums ein einer höheren Sicherheitsanforderung als ein Normalbe- triebsmodus genügender Sicherheitsbetriebsmodus des Kollisi¬ onsschutzsystems aktiviert wird.
Bevorzugt weist die Operationseinrichtung auch eine Bildauf¬ nahmeeinrichtung mit zumindest einer bewegbaren Bildaufnahme- komponente zur Aufnahme von Bilddaten des Patienten während der Operation auf. Selbstverständlich lässt sich die Erfindung auch für andere weitere Teilsysteme der Operationseinrichtung anwenden, beispielsweise einen weiteren, zweiten Assistenzroboter und dessen Assistenzkomponenten.
Erfindungsgemäß wird also zunächst ein Kollisionsschutzsystem realisiert, das allerdings in mehreren unterschiedlichen Be¬ triebsmodi betrieben werden kann, so dass eine adaptive An- passung auf das tatsächlich für den Patienten bestehende Risiko gegeben ist. Innerhalb jedes Betriebsmodus werden übli¬ cherweise Berechnungsvorgänge durchgeführt, um Kollisionswer¬ te, umfassend beispielsweise eine Kollisionswahrscheinlich- keit, zu berechnen. Die Kollisionswerte können dann durch we¬ nigstens ein Maßnahmenkriterium ausgewertet werden, bei dessen Erfüllung Maßnahmen durchgeführt werden, beispielsweise ein Hinweis und/oder ein Alarm ausgegeben wird, ein Stopp vorhandener, automatischer und/oder manuell durchgeführter Bewegungen erfolgt und dergleichen. In einem Normalbetriebsmodus wird dabei mit einer eher geringeren Sicherheitsanforderung gearbeitet, da leichte Kollisionen von Komponenten der Operationseinrichtung miteinander und/oder mit Personen weniger kritisch sind. Besteht allerdings ein erhöhtes Risiko für den Patienten, insbesondere aufgrund einer Bewegungskopplung des Assistenzroboters mit dem Patienten, wird ein Sicher¬ heitsbetriebsmodus aktiviert, bei dem höhere Sicherheitsan¬ forderungen gestellt sind, insbesondere Kollisionen mit höhe¬ rer Sicherheit vollständig vermieden werden können. Auf diese Weise kann insbesondere die Übertragung von Stö¬ ßen/Kollisionen auf ein innerhalb des Patienten befindliches Instruments verhindert werden. Höhere Sicherheitsanforderungen in dem wenigstens einen Sicherheitsbetriebsmodus können dabei auf unterschiedliche Art und Weise erfüllt werden, wie im Folgenden anhand konkreter Beispiele noch näher dargelegt werden wird. Allgemein gesagt können die Berechnungsgenauig¬ keit, die Berechnungsverlässlichkeit , die Eingriffsschwelle, die Qualität von zugrundeliegenden Sensordaten und/oder weiteres verbessert werden.
Um einen aktuell zu nutzenden Betriebsmodus des Kollisions¬ schutzsystems auszuwählen, wird, insbesondere innerhalb einer den Kollisionsschutz selbst realisierenden Steuereinrichtung, eine Kritikalitätsinformation ermittelt, die die Kritikalität möglicher Kollisionen von Komponenten der Operationseinrichtung und/oder Bewegungen des Patienten bezüglich der Wechselwirkung des Assistenzroboters mit dem Patienten beschreibt. Die Kritikalitätsinformation kann dabei beispielsweise in Form wenigstens eines Kritikalitätswerts bestimmt werden. Zur Ermittlung der Kritikalitätsinformation wird auf besonders vorteilhafte Weise der aktuelle Operations-Workflow berücksichtigt, indem diesen beschreibende Workflowdaten in die Er- mittlung eingehen. Es wurde erkannt, dass der Beginn und das Ende kritischer Zustände für den Patienten aus dem üblicherweise zentral mittels einer Steuereinrichtung überwachten bzw. unterstützten Operations-Workflow abgeleitet werden können, da aus der aktuellen Operationsphase hervorgeht, ob bei- spielsweise eine Bewegungskopplung zwischen dem Patienten und dem Assistenzroboter vorliegt bzw. während dieser Operationsphase wenigstens zeitweise vorliegen wird.
Nachdem es mithin weitgehend ausreichend ist, den Normalbe- triebsmodus des Kollisionsschutzsystems zu nutzen, beispiels¬ weise bei der Positionierung des Patienten im Operationssaal (OP) und bei der Vornahme einer Registrierung zwischen dem Assistenzroboter und der Bildaufnahmeeinrichtung, werden die Operation durchführende Personen in ihrem Workflow nicht durch überzogene Sicherheitsmaßnahmen eingeschränkt. Verbes¬ serte Sicherheitsmechanismen werden durch Aktivierung des Sicherheitsbetriebsmodus nur dann eingesetzt, wenn dies wirk¬ lich notwendig ist, wofür die aktuelle Operationsphase im Workflow analysiert wird. Somit treten beispielsweise rechen- intensive, workflowhemmende und/oder langsame Sicherheitsme¬ chanismen nur dann in Kraft, wenn bei Einsatz des Normalbetriebsmodus für den Patienten tatsächlich eine erhöhte Gefahr bestünde . Dabei kann vorgesehen sein, dass bei Erfüllung eines Rückschaltkriteriums, insbesondere bei Unterschreitung des
Schwellwerts, wieder in den vorherigen Betriebsmodus zurückgeschaltet wird. Der Sicherheitsbetriebsmodus ist dann nur solange aktiv, wie die kritische Situation für den Patienten vorliegt. Das Rückschaltkriterium kann der Wegfall der Erfüllung des Kritikalitätskriteriums sein. Dabei kann es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch zweckmäßig sein, ein abgestuftes Sicherheitskonzept zu reali¬ sieren, indem mehrere Kritikalitätskriterien verwendet werden, wobei bei Erfüllung eines Kritikalitätskriteriums ein diesem zugeordneter Sicherheitsbetriebsmodus aktiviert wird. Insbesondere können jeweils ab dem zugeordneten Schwellwert beginnende Kritikalitätsintervalle für mehrere Sicherheitsbe¬ triebsmodi verwendet werden, wobei bei eine innerhalb des Kritikalitätsintervalls liegende Kritikalität beschreibender Kritikalitätsinformation der diesem zugeordnete Sicherheitsbetriebsmodus aktiviert wird. Auf diese Weise wird letztlich eine Art Feinabstufung an die Kritikalität, wie sie sich ins¬ besondere aus den Workflowdaten ergibt, realisiert, so dass insbesondere die Nutzung von workflowhemmenden und/oder den Ablauf der Operation verlangsamenden Maßnahmen schrittweise nach Notwendigkeit gestaffelt werden kann.
In einer ersten vorteilhaften, konkreten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass in wenigs- tens einem des wenigstens einen Sicherheitsbetriebsmodus we¬ nigstens ein im Rahmen des Kollisionsschutzes durchgeführter Berechnungsvorgang, insbesondere zur Ermittlung einer Kollisionswahrscheinlichkeit, redundant bezüglich der Hardware und/oder der Software, wobei alle bei der redundanten Berech- nung erhaltenen Ergebnisse für den Kollisionsschutz berücksichtigt werden, und/oder mit einer erhöhten Berechnungsgenauigkeit durchgeführt wird. Beispielsweise kann mithin vorgesehen sein, dass eine zweite Kollisionsrecheneinrichtung realisiert ist, insbesondere mithin wenigstens ein weiterer Prozessor und/oder Kern eingesetzt wird, um eine Hardware- Redundanz zu realisieren. Auch unterschiedliche Software kann eingesetzt werden, wobei es ohnehin besonders bevorzugt ist, wenn die redundante Berechnung wenigstens teilweise diversi- tär durchgeführt wird, insbesondere hinsichtlich verwendeter Algorithmen für den Berechnungsvorgang. Diversitär bedeutet, dass sich die verwendete Hardware und/oder die verwendete Software für die redundanten Berechnungswege auch unterschei¬ det, insbesondere mithin unterschiedliche Algorithmen einge- setzt werden, um so festzustellen, ob denn auf beiden Berechnungswegen dasselbe Ergebnis erhalten wird, mithin eine Plau¬ sibilisierung zu ermöglichen. Selbstverständlich weist die Nutzung redundanter Berechnungswege auch den Vorteil auf, bei Ausfall eines Berechnungswegs idealerweise den anderen nutzen zu können, mithin eine Ausfallsicherheit bereitzustellen.
Als eine zweite, zusätzlich oder alternativ zur ersten konkreten Ausgestaltung verwendbare konkrete Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass in wenigstens einem des wenigstens einen Sicherheitsbetriebsmodus eine Bewegung wenigstens einer Komponente der medizinischen Operationseinrichtung nur nach Erkennung einer Zustimmbedienaktion eines Bedieners durchgeführt wird. Liegt mithin ein kriti- scher Zustand vor, insbesondere eine Bewegungskopplung des Assistenzroboters mit dem Patienten, ist zumindest für eine Bewegung relevanter Komponenten eine Zustimmbedienaktion erforderlich, unabhängig davon, ob diese manuell und/oder automatisch erfolgt. Dabei können zweckmäßigerweise die zur Bewe- gung eine Zustimmbedienaktion benötigenden Komponenten in einer Sicherheitsgruppe von Komponenten zusammengefasst werden. Eine derartige Sicherheitsgruppe von Komponenten kann insbe¬ sondere die Bildaufnahmekomponente, die Patientenliege und die Assistenzkomponente umfassen. Dies beruht auf der Er- kenntnis, dass nicht alle Komponenten der medizinischen Ope¬ rationseinrichtung zwangsläufig relevante Kollisionen liefern können, so dass eine Beschränkung auf die Komponenten erfolgen kann, bei welchen das erhöhte Kollisionsrisiko auch tat¬ sächlich besteht, insbesondere also auch die Patientenliege, die Bildaufnahmekomponente (insbesondere einen C-Bogen) und den Assistenzroboter bzw. die Assistenzroboterkomponente selbst. Eine derartige Sicherheitsgruppe von Komponenten kann auch in anderen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung zweckmäßig eingesetzt werden, wie dies im Folgenden noch nä- her erläutert werden wird.
Bei einer manuellen Bewegbarkeit der entsprechenden Komponente, beispielsweise einer Bewegung der Patientenliege mittels eines Joysticks oder sonstigen Bedienhebels, kann mithin vor¬ gesehen werden, dass in dem Sicherheitsbetriebsmodus zusätz¬ lich die Zustimmbedienaktion, beispielsweise das Betätigen eines Zustimmtasters, erforderlich ist, um mittels des ei- gentlich der Bewegung zugeordneten Bedienelements die Bewegung auch tatsächlich herbeiführen zu können. Derartige Bedienelemente, das bedeutet sowohl ein Bedienelement für die Zustimmbedienaktion als auch ein Bedienelement für die Bewegung von Komponenten der medizinischen Operationseinrichtung können beispielsweise an einer Bedienkonsole der medizini¬ schen Operationseinrichtung vorgesehen werden.
Was automatisch durchgeführt vorgesehene Bewegungen von rele¬ vanten Komponenten der medizinischen Operationseinrichtung angeht, kann eine zweckmäßige Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorsehen, dass auf einer Anzeigeeinrichtung eine die geplante Bewegung visualisierte Darstellung mit der Auf¬ forderung zur Zustimmbedienaktion angezeigt wird. Daraufhin kann ein Bediener die vorzunehmende Bewegung einschätzen und beurteilen, ob sie eine Gefahr für den Patienten darstellen könnte .
Allgemein kann für die Entgegennahme der Zustimmbedienaktion ein Zustimmbedienelement verwendet werden, wobei es besonders bevorzugt wird, wenn das Zustimmbedienelement während der ge¬ samten Bewegung der Komponente betätigt zu halten ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass eine die Opera¬ tion durchführende Person mit besonderer Vorsicht den Bewe¬ gungsvorgang überwacht und ihr die Kritikalität der Operati- onsphase bewusst gemacht wird.
Eine dritte konkrete Ausgestaltung des Sicherheitsbetriebsmo¬ dus, die selbstverständlich auch mit den anderen Ausgestaltungen kombinierbar ist, sieht vor, dass in wenigstens einem des wenigstens einen Sicherheitsbetriebsmodus eine Bewegungs¬ geschwindigkeit wenigstens einer Komponente, insbesondere al¬ ler Komponenten, durch einen oberen Sicherheitsgrenzwert limitiert wird, der kleiner ist als ein außerhalb des Sicher- heitsbetriebsmodus verwendeter Normalgrenzwert. Beispielswei¬ se kann vorgesehen sein, dass der Sicherheitsgrenzwert nur 10 % oder weniger des Normalgrenzwerts beträgt, beispielsweise lmm/s oder weniger. Das bedeutet, innerhalb des Sicherheits¬ betriebsmodus werden zumindest Komponenten der Sicherheits¬ gruppe, gegebenenfalls auch alle Komponenten, deutlich langsamer bewegt als im Normalbetriebsmodus, so dass Kollisionen sowohl von Benutzern als auch vom Kollisionsschutzsystem deutlich früher erkannt werden können und keine Risiken bestehen, dass ein Anhalten einer Komponente zulange dauern würde, so dass es doch noch zu einer Kollision kommen kann. Zudem werden mögliche Kollisionen, falls sie doch eintreten, deutlich abgeschwächt.
In einer weiteren, mit anderen Ausgestaltungen kombinierbaren konkreten Ausgestaltung des Sicherheitsbetriebsmodus kann vorgesehen sein, dass in wenigstens einem des wenigstens ei¬ nen Sicherheitsbetriebsmodus wenigstens ein die Auslösung von Maßnahmen beschreibender Maßnahmenparameter eines in dem Kollisionsschutzsystem verwendeten Maßnahmenkriteriums zu einer früheren Auslösung im Vergleich zu dem Normalbetriebsmodus hin angepasst wird und/oder zusätzliche Maßnahmen und/oder Maßnahmenkriterien verwendet werden. Mithin kann in dieser vierten Option zur Erhöhung der Sicherheit im Sicherheitsbetriebsmodus vorgesehen sein, beispielsweise Sicherheitsmargen, also einzuhaltende Abstände zwischen den Komponenten und/oder Personen, zu erhöhen, was zu einem früheren Ansprechen des Kollisionsschutzsystems und somit zu einer verbes¬ serten Vermeidung von Kollisionen führen kann. Vorgesehen sein kann auch, weitere Maßnahmenkriterien und/oder weitere Maßnahmen zu verwenden und/oder Maßnahmenparameter zur Durchführung der Maßnahmen anzupassen, beispielsweise neue Warntöne zuzuschalten, schneller abzubremsen und dergleichen.
In einer besonders zweckmäßigen fünften, mit anderen konkreten Ausgestaltungen kombinierbaren konkreten Ausgestaltung zur Realisierung des Sicherheitsbetriebsmodus kann vorgesehen sein, dass in wenigstens einem des wenigstens einen Sicher- heitsbetriebsmodus wenigstens ein im Normalbetriebsmodus de¬ aktivierter Kollisionsschutzsensor aktiviert und dessen Sensordaten in Berechnungsvorgängen für den Kollisionsschutz berücksichtigt werden. Bei einem derartigen Kollisionsschutz- sensor kann es sich beispielsweise um einen Ultraschallab- standsmesser und/oder einen an der Bildaufnahmekomponente angeordneten Sensor handeln. Im Gesamtsystem, also der medizinischen Operationseinrichtung, können mithin Kollisionsschutzsensoren vorgesehen sein, die nur im Sicherheitsbe- triebsmodus aktiv geschaltet werden, beispielsweise da sie außerhalb des Sicherheitsbetriebsmodus zu viele Fehlauslösun¬ gen liefern würden. Ein Beispiel hierfür sind Ultraschallab- standsmesser, die an der Bildaufnahmekomponente, beispiels¬ weise einem C-Bogen bzw. dem daran angeordneten Röntgendetek- tor und/oder Röntgenstrahler angeordnet sind. Derartige Ult- raschallabstandsmesser würden häufig auch Handbewegungen im Operationsbereich und dergleichen feststellen, die zu Fehlauslösungen führen können. Besteht eine höhere Kritikalität , kann dieses Risiko eher in Kauf genommen werden, um jedoch insgesamt die Sicherheit durch eine größere Datenbasis zu er¬ höhen .
Allgemein ist es, wie bereits angedeutet, bevorzugt, wenn ei¬ ne den Ablauf der Operation überwachende Zentralsteuerein- richtung der medizinischen Operationseinrichtung verwendet wird, die die Workflowdaten ermittelt. Derartig ausgebildete Steuereinrichtungen, die eine Operation durchführende Personen durch den Workflow der Operation führen und/oder dabei unterstützen, wurden im Stand der Technik bereits grundsätz- lieh vorgeschlagen, so dass eine Operationseinrichtung mit einer derartigen Steuereinrichtung bereits nützliche Workflowdaten kennt, aus denen die Kritikalität der aktuellen Operationsphase abgeleitet werden kann. Zweckmäßigerweise können die Workflowdaten wenigstens teil¬ weise aus Sensordaten eines den Operationsbereich überwachenden Überwachungssensors und/oder aus Bilddaten der mit dem Assistenzroboter registrierten Bildaufnahmeeinrichtung ermit- telt werden. Es ist mithin denkbar, dass auch Bilddaten der Bildaufnahmeeinrichtung ausgewertet werden können, beispielsweise um festzustellen, ob die Assistenzkomponente und/oder ein mit der Assistenzkomponente gekoppeltes medizinisches In- strument bereits in Wechselwirkung mit dem Patienten steht oder nicht. Medizinische Instrumente lassen sich in den Bild¬ daten der Bildaufnahmeeinrichtung, beispielsweise einer
Röntgeneinrichtung mit einem C-Bogen, besonders leicht detek- tieren, so dass auch in einer einfachen Auswertung entspre- chend nützliche Workflowdaten ermittelt werden können und da¬ raus eine Kritikalitätsinformation abgeleitet werden kann. Besonders bevorzugt ist es jedoch, dedizierte Überwachungs¬ sensoren einzusetzen, die selbstverständlich auch im Rahmen des eigentlichen Kollisionsschutzsystems, also im Normalbe- triebsmodus und/oder im Sicherheitsbetriebsmodus, genutzt werden können. Eine konkrete Realisierung eines derartigen Überwachungssensors kann beispielsweise vorsehen, dass die ein Instrument aufnehmende Assistenzkomponente als Überwa¬ chungssensor einen bei bewegungsgekoppeltem Instrument ge- schlossenen Kontaktschalter aufweist. Sobald also das medizinische Instrument in die Assistenzkomponente, die beispiels¬ weise als Führung für das Instrument dienen kann, eingesetzt ist, wird der Kontaktschalter automatisch betätigt und die Information über den Beginn einer kritischeren Operationspha- se liegt vor. Selbstverständlich sind auch eine Vielzahl anderer konkreter Ausbildungen derartiger Überwachungssensoren möglich und denkbar.
In einer konkreten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Kritikalitätsinformationen eine erhöhte Kritikalität bei einer abgeschlossenen Registrierung zwischen der Bildaufnahmeeinrichtung und dem Assistenzroboter und/oder bei einem Ab- schluss einer den Patienten anfahrenden Trajektorie der Assistenzkomponente und/oder bei eine Bewegungskopplung eines Instruments mit der Assistenzkomponente beschreibenden Work¬ flowdaten ermittelt wird. Ein kritischer Zustand wird also beispielsweise hinsichtlich des StartZeitpunktes durch eine abgeschlossene Registrierung der Bildaufnahmeeinrichtung und des Assistenzroboters oder das abgeschlossene Abfahren einer Trajektorie der Assistenzkomponente beschrieben, die im nächsten Schritt das Einbringen eines medizinischen Instruments in den Patienten ermöglichen würde. Gerade bei einer Abstufung kann es sich auch zweckmäßig erweisen, derartige Operationsphasen im Operations-Workflow heranzuziehen, beispielsweise, indem eine erste Erhöhung der Sicherheit durch einen ersten Sicherheitsbetriebsmodus nach Abschluss der Re¬ gistrierung vorgenommen wird, die Sicherheit jedoch nochmals deutlich erhöht wird, sobald eine Bewegungskopplung zwischen dem Assistenzroboter und dem Patienten auftreten kann bzw. auftritt (zweiter Sicherheitsbetriebsmodus). Entsprechend kann selbstverständlich mit Wegfall der Bewegungskopplung und somit Senkung der Kritikalität wieder zurückgeschaltet wer- den.
Als Möglichkeit zur Realisierung eines eine erhöhte Sicher¬ heit zur Verfügung stellenden Sicherheitsbetriebsmodus ist es auch denkbar, die Genauigkeit der Berechnungsvorgänge zu er- höhen. Hierbei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass statt einer Berechnung mit kugelartigen Objekten, auf deren Überlappung geprüft wird, im Sicherheitsbetriebsmodus mit Oberflächenmeshes als Oberflächenbeschreibungen gearbeitet wird. Auch andere Varianten zur Erhöhung der Genauigkeit der Berechnung sind denkbar.
In diesem Kontext, aber auch allgemein, sieht eine zweckmäßi¬ ge Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorteilhaft vor, dass zur Reduzierung des Berechnungsaufwands die im Rahmen von Berechnungsvorgängen des Kollisionsschutzes betrachteten Komponenten der medizinischen Operationseinrichtung beschränkt werden, insbesondere auf die Sicherheitsgruppe. Zu¬ mindest im Hinblick auf Kollisionen, die den Patienten betreffen, kann mithin die Kollisionsrechnung auf die Komponen- ten beschränkt werden, die bezüglich des kritischen Zustands relevant sind, insbesondere also die Komponenten der Sicher¬ heitsgruppe, beispielsweise die Patientenliege, die Bildauf¬ nahmekomponente und die Assistenzkomponente. Wird dies bei- spielsweise mit einer redundanten Berechnung im Sicherheitsbetriebsmodus kombiniert, kann beispielsweise der zusätzliche Berechnungsweg auf die Komponenten der Sicherheitsgruppe be¬ schränkt werden. Auf diese Weise wird Rechenaufwand gespart.
Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung auch eine medizinische Operationseinrichtung, die eine Patientenliege für ei¬ nen zu operierenden Patienten, eine Bildaufnahmeeinrichtung mit zumindest einer bewegbaren Bildaufnahmekomponente zur Aufnahme von Bilddaten des Patienten während der Operation und einen Assistenzroboter, der eine während der Operation wenigstens zeitweise innerhalb des Patienten befindliche und/oder mit einem innerhalb des Patienten befindlichen Instrument bewegungsgekoppelte, bewegbare Assistenzkomponente aufweist, aufweist, welche sich durch eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete, ein Kollisi¬ onsschutzsystem realisierende Steuereinrichtung auszeichnet. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf die erfindungsgemäße medizini- sehe Operationseinrichtung übertragen, mit welcher ebenso die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.
Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm kann beispielsweise direkt in einen Speicher einer Steuereinrichtung einer medi- zinischen Operationseinrichtung ladbar sein und Programmmittel aufweisen, um die Schritte eines hierin beschriebenen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Steuereinrichtung ausgeführt wird. Das erfindungsgemäße Com¬ puterprogramm kann auf einem erfindungsgemäßen elektronisch lesbaren Datenträger gespeichert sein, der mithin darauf gespeicherte elektronisch lesbare Steuerinformationen umfasst, welche ein erfindungsgemäßes Computerprogramm umfassen und derart ausgestaltet sind, dass sie bei Verwendung des Daten¬ trägers in der Steuereinrichtung der medizinischen Operati- onseinrichtung ein hierin beschriebenes Verfahren durchführen. Bei dem Datenträger handelt es sich bevorzugt um einen nicht transienten Datenträger, beispielsweise eine CD-ROM. Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße medizinische Operationsein¬ richtung, und
Fig. 2 einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des er¬ findungsgemäßen Verfahrens .
Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen medi¬ zinischen Operationseinrichtung 1. Auf einer Patientenliege 2, die auch als Patiententisch bezeichnet werden kann, kann ein hier ebenso angedeuteter, zu operierender Patient 3 gela- gert werden. Die Operationseinrichtung 1 umfasst zudem eine Bildaufnahmeeinrichtung 4, hier eine Röntgeneinrichtung mit einem C-Bogen 5, an dem sich gegenüberliegend ein Röntgenstrahler 6 und ein Röntgendetektor 7 angeordnet sind. Der C- Bogen 5 ist in wenigstens einem Freiheitsgrad beweglich an einem Stativ 8 oder einem hier nicht gezeigten Roboterarm befestigt .
Die Operationseinrichtung 1 umfasst ferner einen Assistenzroboter 9, der eine über einen Roboterarm 10 in mehreren Frei- heitsgraden verstellbare Assistenzkomponente 11 aufweist, die vorliegend als Führung für ein hier der Verdeutlichung halber ebenso gezeigtes medizinisches Instrument 12 dient. Ist das medizinische Instrument 12 in der Assistenzkomponente 11 ge¬ führt, kann es zielgenau in einen Zielbereich 13 in dem Pati- enten 3 eingebracht werden, beispielsweise einen zu behan¬ delnden Tumor und/oder anatomische Komponenten der Wirbelsäule. Das hier gezeigte Behandlungsgebiet 14 ist mithin nur beispielhaft zu verstehen. Der Roboterarm 10 wird vorliegend von einem gegebenenfalls mobilen Stativ 15 getragen. Dabei sei angemerkt, dass auch die Patientenliege 2 über entsprechende Antriebsmittel 16 verstellbar ist. Der Betrieb der Operationseinrichtung 1 wird vorliegend gesteuert von einer in einer Konsole 17 gezeigten Steuereinrichtung 18. Die Steuereinrichtung 18 ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet und realisiert entsprechend vorliegend auch ein Kollisionsschutzsystem. Ferner übernimmt die Steuereinrichtung 18 auch die Workflowsteu¬ erung. Die Konsole 17 ist vorliegend auch bewegbar gelagert und weist ein steril abgedecktes Bedienpanel 19 und eine An- Zeigeeinrichtung 20 auf. Das Bedienpanel 19 kann es bei¬ spielsweise auch erlauben, Bewegungen von verschiedenen Komponenten, beispielsweise des C-Bogens 5 als Bildaufnahmekom¬ ponente, des Roboterarmes 10 und/oder Patientenliege 2, zu steuern. Das Bedienpanel 19 weist ferner ein Zustimmbedien- element 21 auf, dessen Funktion im Folgenden noch näher erläutert wird.
Die Realisierung des adaptiven Kollisionsschutzes in Abhängigkeit der Operationsphase gemäß dem Operations-Workflow soll im Folgenden im Hinblick auf Fig. 2 an einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens genauer erläu¬ tert werden. Sowohl die Workflowsteuerung, mithin die Überwachung und Unterstützung des Operations-Workflows , als auch die Realisierung des Kollisionsschutzsystems finden durch die Steuereinrichtung 18 statt.
In einem Schritt Sl beginnt der Operations-Workflow für eine Operation eines Patienten 3. Während des Ablaufs des Operati¬ ons-Workflows , gesteuert und überwacht, wie erwähnt, durch die Steuereinrichtung 18, ermittelt diese in einem Schritt S2 ständig aktuell eine Kritikalitätsinformation unter Auswertung der vorliegenden Workflowdaten. Die Kritikalitätsinformation ist vorliegend ein Kritikalitätswert , der die Kritika- lität möglicher Kollisionen von Komponenten der Operations- einrichtung 1 und/oder Bewegungen des Patienten 3 bezüglich der Wechselwirkung des Assistenzroboters 9 mit dem Patienten 3 beschreibt. Insbesondere steigt die Kritikalität , je wahr¬ scheinlicher es ist, dass ein medizinisches Instrument 12 in der Assistenzkomponente 11 geführt ist und in den Patienten 3 eindringt, so dass auf diese Weise eine Bewegungskopplung zwischen dem Patienten 3 und der Assistenzkomponente 11, so¬ mit dem Assistenzroboter 9, gegeben ist. Dabei können die Workflowdaten wenigstens teilweise in der Steuereinrichtung 18 aufgrund der assistierten Workflow-Durchführung bereits vorliegen. Andere Workflowdaten können aus Sensordaten von Überwachungssensoren und/oder aus Bilddaten der mit dem Assistenzroboter 9 registrierten Bildaufnahmeeinrichtung 4 er- mittelt werden, beispielsweise durch Auswertung von Bilddaten dahingehend, ob ein Instrument 12 bereits in den Patienten 3 eingedrungen ist. Überwachungssensoren können beispielsweise einen hier nicht näher dargestellten Kontaktschalter in der Assistenzkomponente 11 aufweisen, der betätigt ist, wenn ein Instrument 13 in der Assistenzkomponente 11 geführt ist, mit¬ hin mit dieser bewegungsgekoppelt ist.
In einem beispielhaften Workflow kann beispielsweise zunächst der Patient 3 auf der Patientenliege 2 positioniert werden, wobei die anderen Bestandteile der Operationseinrichtung 1 meist noch vom Patienten 3 entfernt sind und nicht benutzt werden, so dass die Sicherheitsanforderungen eher gering sind und das Kollisionsschutzsystem im Normalmodus betrieben werden kann, was auch für einen gegebenenfalls vorgesehenen Zeitraum gilt, in dem eine Registrierung zwischen dem Assistenzroboter 9 und der Bildaufnahmeeinrichtung 4 bezüglich des Patienten 3 hergestellt wird. Eine Erhöhung der Kritikalität und somit des Kritikalitätswerts tritt auf, wenn die Regist¬ rierung abgeschlossen ist, da dann mit der eigentlichen Ope- ration an den Patienten 3 begonnen werden kann. Weitere Steigerungen des Kritikalitätswertes sind gegeben, wenn eine den Patienten 3 anfahrende Trajektorie der Assistenzkomponente 11, nach deren Abschluss das Instrument 12 eingesetzt werden soll, beendet ist und wenn die Bewegungskopplung eines In- struments 12 mit der Assistenzkomponente 11 ermittelt wird.
Auch, wenn beispielsweise aus Bilddaten detektiert wird, dass das Instrument 12 in den Patienten 3 eingedrungen ist, nimmt die Kritikalität entsprechend zu. Wie dargelegt beschreibt die in Schritt S2 ermittelte Kriti- kalitätsinformation also letztendlich, wie gefährlich Kollisionen für den Patienten 3 aufgrund der bevorstehenden oder schon gegebenen Bewegungskopplung mit dem Assistenzroboter 9 sind. Entsprechend wird in einem Schritt S3 als Kritikali- tätskriterium überprüft, ob der Kritikalitätswert in einem dem Normalbetriebsmodus zugeordneten Kritikalitätsintervall , üblicherweise unterhalb eines bestimmten Schwellwerts liegt, oder ob er in wenigstens einem Kritikalitätsintervall, das einem Sicherheitsbetriebsmodus zugeordnet ist, enthalten ist, im Fall eines einzigen Sicherheitsbetriebsmodus bei Über¬ schreitung des zuvor genannten bestimmten Schwellwerts. Befindet sich der Kritikalitätswert bereits in dem Kritikali- tätsintervall , das dem aktuellen Betriebsmodus des Kollisi¬ onsschutzsystems zugeordnet ist, wird gemäß dem Pfeil 22 wie¬ der zu dem Schritt S2 zurückgekehrt und die Kritikalitätsin- formation wird ständig weiter aktualisiert. Ist jedoch ein Wechsel des Betriebsmodus des Kollisionsschutzsystems erfor- derlich, wird in einem Schritt S4 der Betriebsmodus einge¬ stellt, der dem Kritikalitätsintervall zugeordnet ist, in dem der aktuelle Kritikalitätswert der Kritikalitätsinformation liegt. Befand sich das Kollisionsschutzsystem bislang im Normalbetriebsmodus und wurde der bestimmte Schwellwert über- schritten, wird in dem bzw. einen Sicherheitsbetriebsmodus umgeschaltet und umgekehrt.
Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Sicherheitsbe¬ triebsmodus im Folgenden für einen Fall beschrieben wird, in dem nur ein einziger Sicherheitsbetriebsmodus verwendet wird, um die Beschreibung überschaubarer zu halten. In anderen Ausführungsbeispielen sind selbstverständlich auch mehrere Betriebsmodi denkbar, um adaptiv und abgestuft die geeignete Sicherheit zu gewährleisten, beispielsweise eine leichte Er- höhung der Sicherheit nach Abschluss der Registrierung zwischen der Bildaufnahmeeinrichtung 4 und dem Assistenzroboter 9, eine weitere Erhöhung der Sicherheit in einem zweiten Si¬ cherheitsbetriebsmodus bei Erreichen des Endpunkts der An- fahrtraj ektorie des Assistenzroboters 9 an den Patienten 3 sowie die höchstmögliche Sicherheitsanforderung erfüllend (dritter Sicherheitsbetriebsmodus) , sobald das Instrument 13 mit der Assistenzkomponente 11 bewegungsgekoppelt ist oder in den Patienten 3 eingeführt ist.
Vom Normalbetriebsmodus zum (im nun diskutierten Beispiel ei¬ nen) Sicherheitsbetriebsmodus werden Anpassungen vorgenommen, die die Sicherheit des Kollisionsschutzes deutlich erhöhen, jedoch verlangsamend auf den Operationsfortschritt bzw. den Workflow wirken können, weshalb sie aufgrund der Abfrage im Schritt S3 auf die Fälle beschränkt werden, in denen sie tat¬ sächlich notwendig sind. Zunächst einmal ist im Sicherheitsbetriebsmodus vorgesehen, dass Berechnungsvorgänge zur Ermittlung von Kollisionswerten, die später durch Maßnahmenkriterien ausgewertet werden sollen, zum einen redundant, zum anderen genauer berechnet werden. Die redundante Berechnung erfolgt vorliegend diversitär, indem unterschiedliche Prozessoren oder zumindest Prozessorkerne für die redundanten Berechnungswege eingesetzt werden, aber auch unterschiedliche Software-Algorithmen zur Ermittlung des Kollisionswerts verwendet werden. Die Ergebnisse können gegeneinander plausibilisiert werden oder aber es kann bei Ausfall eines Berechnungswegs der Fortbetrieb des Kolli¬ sionsschutzsystems sichergestellt werden. Zur genaueren Be¬ rechnung wird vorliegend zum einen die Berechnung auf die für den Patienten kritischen Komponenten, die in einer Sicherheitsgruppe zusammengefasst sind, reduziert, hier die Assis- tenzkomponente 11 (und somit die mit ihr bewegungsgekoppelten Komponenten) , die Patientenliege 2 und den C-Bogen 5 mit dem Röntgendetektor 7 und dem Röntgenstrahler 6. Die genauere Berechnung äußert sich dahin, dass nicht kugelartige Sicher¬ heitszonen um die Komponenten bzw. den Patienten verwendet werden, sondern die Oberflächen der Komponenten und des Patienten 3 als Oberflächenmeshes beschrieben werden sowie genaue Berechnungen innerhalb der Algorithmen stattfinden. Ferner sieht der Sicherheitsbetriebsmodus vor, dass die Bewe¬ gung von Komponenten, insbesondere der Komponenten der erwähnten Sicherheitsgruppe, nur dann möglich ist, wenn eine Zustimmbedienaktion eines Bedieners vorliegt. Die Zustimmbe- dienaktion wird vorliegend über das Zustimmbedienelement 21 gewährleistet. Dieses muss während einer manuell gesteuerten Bewegung einer Komponente, beispielsweise der Patientenliege 2, ständig zusätzlich gehalten werden, um sicherzustellen, dass der Bedienperson die kritische Situation bewusst ist und diese den Bewegungsvorgang genau überwacht. Sollten in der kritischen Operationsphase automatische Bewegungen vorgesehen sein, kann die Bewegung zunächst mittels der Anzeigeeinrichtung 20 visualisiert werden, woraufhin der Benutzer über das Zustimmbedienelement 21 die Zustimmbedienaktion durchführen kann.
In dem Sicherheitsbetriebsmodus ist ferner die Bewegungsge¬ schwindigkeit der Komponenten, insbesondere aller Komponenten oder zumindest der Komponenten der Sicherheitsgruppe, durch einen oberen Sicherheitsgrenzwert stark limitiert. Der Si¬ cherheitsgrenzwert ist dabei selbstverständlich kleiner als ein außerhalb des Sicherheitsbetriebsmodus im Normalbetriebs¬ modus verwendeter Normalgrenzwert. Vorliegend liegt der Si¬ cherheitsgrenzwert im Sicherheitsbetriebsmodus beispielhaft bei einem Millimeter pro Sekunde, so dass eine äußerst lang¬ same, gut überwachbare Bewegung vorliegt, die zudem im Not¬ fall schnell und mit kurzen Anhaltewegen unterbrochen werden kann . Im Sicherheitsbetriebsmodus werden vorliegend in Fig. 1 ange¬ deutete zusätzliche Kollisionsschutzsensoren 23 aktiviert, vorliegend Ultraschallabstandsmesser, die an dem Röntgende- tektor 7 (und ggf. auch am Röntgenstrahler 6) als Bildaufnahmekomponente bzw. Teil einer Bildaufnahmekomponente vorgese- hen sind. Die Kollisionsschutzsensoren 23 sind im Normalbetriebsmodus des Kollisionsschutzsystems nicht aktiv, da sie auf den Operationsbereich gerichtet sind und beispielsweise bei Handbewegungen einer die Operation durchführenden Person Fehlauslösungen zur Folge haben könnten. Ist die Situation jedoch eher kritisch, können solche Fehlauslösungen eher in Kauf genommen werden, um eine verlässlichere Datenbasis für die Berechnungsvorgänge zu erhalten.
Die in den Berechnungsvorgängen ermittelten Kollisionswerte werden durch Maßnahmenkriterien zum Kollisionsschutz ausgewertet, wobei bei Erfüllung des entsprechenden Maßnahmenkriteriums eine kollisionsvermeidende Maßnahme und/oder eine Warnmaßnahme ergriffen werden. Im Sicherheitsbetriebsmodus können optional die Maßnahmenkriterien und/oder die Maßnahmen durch Anpassen entsprechender Maßnahmenparameter angepasst werden können, so dass beispielsweise Sicherheitsabstände größer gewählt werden können, Bremsungen schneller vorgenom- men werden können, frühere Eingriffe erfolgen können und/oder sogar zusätzliche Maßnahmen und/oder Maßnahmenkriterien eingesetzt werden, um die Sicherheit zu erhöhen.
Wie ersichtlich wurde, genügt der Sicherheitsbetriebsmodus deutlich höheren Sicherheitsanforderungen, da die Sicherheit durch eine entsprechende Vorgehensweise deutlich erhöht ist. Dies kann, wie erwähnt, bei mehreren Sicherheitsbetriebsmodi auch entsprechend abgestuft erfolgen. Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betrieb eines Kollisionsschutzsystems für eine medizinische Operationseinrichtung (1), die eine Patien- tenliege (2) für einen zu operierenden Patienten (3), eine Bildaufnahmeeinrichtung (4) mit zumindest einer bewegbaren Bildaufnahmekomponente zur Aufnahme von Bilddaten des Patien¬ ten (3) während der Operation und einen Assistenzroboter (9), der eine während der Operation wenigstens zeitweise innerhalb des Patienten (3) befindliche und/oder mit einem innerhalb des Patienten (3) befindlichen Instrument (12) bewegungsge¬ koppelte, bewegbare Assistenzkomponente (11) aufweist, auf¬ weist,
dadurch gekennzeichnet,
dass unter Berücksichtigung von die aktuelle Operationsphase in einem Operations-Workflow beschreibenden Workflowdaten eine Kritikalitätsinformation, die die Kritikalität möglicher Kollisionen von Komponenten der Operationseinrichtung (1) und/oder Bewegungen des Patienten (3) bezüglich der Wechsel- Wirkung des Assistenzroboters (9) mit dem Patienten (3) be¬ schreibt, ermittelt wird, wobei abhängig von der Kritikali¬ tätsinformation bei Erfüllung eines eine erhöhte, insbesonde¬ re einen Schwellwert überschreitende Kritikalität anzeigenden Kritikalitätskriteriums ein einer höheren Sicherheitsanforde- rung als ein Normalbetriebsmodus genügender Sicherheitsbe¬ triebsmodus des Kollisionsschutzsystems aktiviert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erfüllung eines Rückschaltkriteriums, insbesondere bei Unterschreitung des Schwellwerts, wieder in den vorherigen
Betriebsmodus zurückgeschaltet wird und/oder mehrere Kritika- litätskriterien verwendet werden, wobei bei Erfüllung eines Kritikalitätskriteriums ein diesem zugeordneter Sicherheits¬ betriebsmodus aktiviert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem des wenigstens einen Sicher¬ heitsbetriebsmodus wenigstens ein im Rahmen des Kollisions- Schutzes durchgeführter Berechnungsvorhang, insbesondere zur Ermittlung einer Kollisionswahrscheinlichkeit, redundant be¬ züglich der Hardware und/oder der Software, wobei alle bei der redundanten Berechnung erhaltenen Ergebnisse für den Kollisionsschutz berücksichtigt werden, und/oder mit einer erhöhten Berechnungsgenauigkeit durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem des wenigs¬ tens einen Sicherheitsbetriebsmodus eine Bewegung wenigstens einer Komponente der medizinischen Operationseinrichtung (1) nur nach Erkennung einer Zustimmbedienaktion eines Bedieners durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Bewegung eine Zustimmbedienaktion benötigenden Komponenten einer Sicherheitsgruppe von Komponenten angehören, welche insbesondere die Bildaufnahmekomponente, die Patien¬ tenliege (2) und die Assistenzkomponente (11) umfasst.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem des wenigs¬ tens einen Sicherheitsbetriebsmodus eine Bewegungsgeschwin¬ digkeit wenigstens einer Komponente, insbesondere aller Kom¬ ponenten, durch einen oberen Sicherheitsgrenzwert limitiert wird, der kleiner als ein außerhalb des Sicherheitsbetriebs¬ modus verwendeter Normalgrenzwert ist.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem des wenigs¬ tens einen Sicherheitsbetriebsmodus wenigstens ein die Auslö¬ sung von Maßnahmen beschreibender Maßnahmenparameter eines in dem Kollisionsschutzsystem verwendeten Maßnahmenkriteriums zu einer früheren Auslösung im Vergleich zu dem Normalbetriebsmodus hin angepasst wird und/oder zusätzliche Maßnahmen und/oder Maßnahmenkriterien verwendet werden.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem des wenigs¬ tens einen Sicherheitsbetriebsmodus wenigstens ein im Normal¬ betriebsmodus deaktivierter Kollisionsschutzsensor (23) akti- viert und dessen Sensordaten in Berechnungsvorgängen für den Kollisionsschutz berücksichtigt werden.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Ablauf der Operation überwachende zentrale Steuereinrichtung (18) der medizinischen Operationseinrichtung (1) verwendet wird, die die Workflowdaten ermittelt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Workflowdaten wenigstens teilweise aus Sensordaten eines den Operationsbereich überwachenden Überwachungssensors und/oder aus Bilddaten der mit dem Assistenzroboter (9) registrierten Bildaufnahmeeinrichtung (4) ermittelt werden.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kritikalitätsinformation eine erhöhte Kritika- lität bei einer abgeschlossenen Registrierung zwischen der Bildaufnahmeeinrichtung (4) und dem Assistenzroboter (9) und/oder bei einem Abschluss einer den Patienten (3) anfah- renden Trajektorie der Assistenzkomponente (11) und/oder bei eine Bewegungskopplung eines Instruments (12) mit der Assis¬ tenzkomponente (11) beschreibenden Workflowdaten ermittelt wird .
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reduzierung des Berechnungs¬ aufwands die im Rahmen von Berechnungsvorgängen des Kollisionsschutzes betrachteten Komponenten der medizinischen Operationseinrichtung (1) beschränkt werden, insbesondere auf die Sicherheitsgruppe.
13. Medizinische Operationseinrichtung (1), die eine Patien¬ tenliege (2) für einen zu operierenden Patienten (3), eine Bildaufnahmeeinrichtung (4) mit zumindest einer bewegbaren Bildaufnahmekomponente zur Aufnahme von Bilddaten des Patien¬ ten (3) während der Operation und einen Assistenzroboter (9), der eine während der Operation wenigstens zeitweise innerhalb des Patienten (3) befindliche und/oder mit einem innerhalb des Patienten (3) befindlichen Instrument (12) bewegungsge¬ koppelte, bewegbare Assistenzkomponente (11) aufweist, auf¬ weist, gekennzeichnet durch eine zur Ausführung eines Verfah¬ rens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgebildete, ein Kollisionsschutzsystem realisierende Steuereinrichtung (18).
14. Computerprogramm, welches die Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durchführt, wenn es auf ei¬ ner Steuereinrichtung (18) der medizinischen Operationsein- richtung (1) ausgeführt wird.
15. Elektronisch lesbarer Datenträger, auf dem ein Computerprogramm gemäß Anspruch 14 gespeichert ist.
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