DE102008041260A1

DE102008041260A1 - Verfahren zum Betreiben eines medizinischen Roboters, medizinischer Roboter und medizinischer Arbeitsplatz

Info

Publication number: DE102008041260A1
Application number: DE102008041260A
Authority: DE
Inventors: Andreas Summerer; Thomas Neff; Tobias Ortmaier; Marc-Walter Ueberle
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV; KUKA Roboter GmbH
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2008-08-14
Filing date: 2008-08-14
Publication date: 2010-02-25
Also published as: EP2323581A1; WO2010017919A1; US20110190790A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines insbesondere handgeführten oder mittels einer Eingabevorrichtung telemanipulierten medizinischen Roboters (R), einen insbesondere handgeführten oder mittels einer Eingabevorrichtung telemanipulierten medizinischen Roboter (R) und einen medizinischen Arbeitsplatz. Der medizinische Roboter (R) weist einen Roboterarm (M) mit mehreren bewegbaren Achsen (1-6) und eine Steuerungsvorrichtung (17) zum Bewegen der Achsen (1-6) des Roboterarms (M) mittels Antrieben (11-16) auf. Die Steuerungsvorrichtung (17) ist eingerichtet, automatisch den Arbeitsbereich (A) des medizinischen Roboters (R) aufgrund einer sich ändernden Position oder Lage eines mittels des medizinischen Roboters (R) behandelnden Lebewesens (P) relativ zu einer Roboterbasis (B) des medizinischen Roboters (R) zu ändern, so dass der Arbeitsbereich (A) des medizinischen Roboters (R) relativ zum Lebewesen (P) gleich bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines insbesondere handgeführten oder mittels einer Eingabevorrichtung telemanipulierten medizinischen Roboters, einen insbesondere handgeführten oder mittels einer Eingabevorrichtung telemanipulierten medizinischen Roboter und einen medizinischen Arbeitsplatz.
Roboter sind Arbeitsmaschinen, die zur automatischen Handhabung und/oder Bearbeitung von Objekten mit Werkzeugen ausgerüstet werden können und in mehreren Bewegungsachsen beispielsweise hinsichtlich Orientierung, Position und Arbeitsablauf programmierbar sind.
Roboter können z. B. für medizinische und/oder klinische Anwendungen verwendet werden und sind dann z. B. Teil eines medizinischen Arbeitsplatzes. Für diese Anwendungen können Roboter auch telegeführt oder direkt geführt werden.
Die US 2004/0077939 A1 z. B. offenbart einen medizinischen Arbeitsplatz mit einem Röntgengerät, einem chirurgischen Instrument, einem Positionserfassungssystem und einem das chirurgische Instrument führenden Roboter zur Behandlung eines Patienten in zumindest teilweise automatisierter Weise. Um die Positionen des chirurgischen Instruments, des Röntgengerätes und des Patienten zu erfassen, sind am Röntgengerät, am Patienten und am chirurgischen Instrument oder am Roboter Positionsmarker angeordnet, die von einer optischen Positionserfassungsvorrichtung des Positionserfassungssystems aufgenommen werden. Aufgrund einer Auswertung der mit der optischen Positionserfassungsvorrichtung aufgenommenen Bilder der Positionsmarker kann die Lage, d. h. die Position und Orientierung der Positionsmarker und somit des chirurgischen Instruments, des Röntgengerätes und des Patienten im Raum ermittelt werden.
Insbesondere bei einem chirurgischen Eingriff ist es erstrebenswert, dass möglichst nur zu behandelndes Gewebe des Patienten mit dem Roboter bzw. mit dem vom Roboter geführten Instrument behandelt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, Voraussetzungen zu schaffen, aufgrund derer die Gefahr einer Verletzung eines mittels eines Roboters behandelnden Lebewesens zumindest verringert wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines insbesondere handgeführten oder mittels einer Eingabevorrichtung telemanipulierten medizinischen Roboters, aufweisend folgende Verfahrensschritte:

– Festlegen eines Arbeitsbereichs eines zur Behandlung eines Lebewesens vorgesehenen medizinischen Roboters relativ zum Lebewesen,
– Erfassen einer sich ändernden Position oder Lage zumindest eines Teils des mittels des medizinischen Roboters behandelnden Lebewesens und
– automatisches Anpassen des Arbeitsbereichs des medizinischen Roboters aufgrund der sich ändernden Position bzw. Lage des Lebewesens relativ zur Roboterbasis, so dass der Arbeitsbereich des medizinischen Roboters relativ zum Lebewesen gleich bleibt.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch gelöst durch einen insbesondere handgeführten oder mittels einer Eingabevorrichtung telemanipulierten medizinischen Roboter, aufweisend

– einen Roboterarm mit mehreren bewegbaren Achsen und
– eine Steuerungsvorrichtung zum Bewegen der Achsen des Roboterarms mittels Antrieben, wobei die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, automatisch den Arbeitsbereich des medizinischen Roboters aufgrund einer sich ändernden Position oder Lage eines mittels des medizinischen Roboters behandelnden Lebewesens relativ zu einer Roboterbasis des medizinischen Roboters zu ändern, so dass der Arbeitsbereich des medizinischen Roboters relativ zum Lebewesen gleich bleibt.

Nach einer Ausführungsform es erfindungsgemäßen Roboters bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der das Lebewesen behandelnde Roboter entweder telemanipuliert oder handgeführt. Die Beschränkung des Arbeitsbereiches kann dem behandelnden Arzt über Kräfte am Roboter beim handgeführten Einsatz oder über Kräfte an einer Eingabestation beim telemanipulierten Einsatz dargestellt werden. Ebenso ist es möglich, dass der Roboter im telemanipulierten Einsatz sich nicht über das Arbeitsgebiet hinaus bewegen lässt.
Mit dem erfindungsgemäßen Roboter kann somit das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden.
Der erfindungsgemäße medizinische Roboter ist vorgesehen, dass mit ihm das Lebewesen, z. B. ein Menschen, behandelt wird. Dazu wird z. B. an einer Befestigungsvorrichtung des Roboters ein medizinisches Instrument, insbesondere ein chirurgisches Instrument befestigt, mit dem das Lebewesen behandelt werden soll. Der erfindungsgemäße Roboter kann z. B. derart programmiert sein, dass er das medizinische Instrument auf einer vorgegebenen Bahn bewegt. Der erfindungsgemä ße Roboter kann aber auch telegeführt oder direkt geführt werden.
Um insbesondere das Lebewesen während der Behandlung zu schonen, ist der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen Roboters eingeschränkt. Der Arbeitsbereich eines Roboters ist der zulässige Bereich für den Roboter zum Arbeiten und Verfahren. Im Betrieb des erfindungsgemäßen Roboters müssen sich insbesondere der sogenannte Tool Center Point gegebenenfalls auch die Achsen des Roboters innerhalb eines Arbeitsbereichs befinden. Dadurch wird verhindert, dass der Roboter in eine verbotene Region eindringt oder einen vorgegebenen Pfad verlässt.
Wie bereits erwähnt, wird der erfindungsgemäße Roboter verwendet, um das Lebewesen zu behandeln. In der Regel wird das Lebewesen nur in einem Teilbereich seines Körpers behandelt, so dass der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen Roboters derart gewählt werden kann, dass sich der Tool Center Point und somit gegebenenfalls das mit dem erfindungsgemäßen Roboter bewegte medizinische Instrument im Wesentlichen nur innerhalb dieses Teilbereichs bewegen kann. Dadurch werden Voraussetzungen geschaffen, dass nicht zu behandelnde Teilbereiche des Lebewesens auch nicht versehentlich vom erfindungsgemäßen Roboter verletzt werden. Erfindungsgemäß wird der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen medizinischen Roboters relativ zum Lebewesen festgelegt. Dies kann z. B. dadurch realisiert werden, dass der Arbeitsbereich relativ zu einem dem Lebewesen zugeordneten Lebewesen-Koordinatensystem festgelegt wird.
Während der Behandlung des Lebewesens ist es möglich, dass sich dieses relativ zur Roboterbasis, der z. B. ein Roboter-Koordinatensystem zugeordnet ist, bewegt. Dementsprechend ändert sich die Position oder Lage, die die Position und Orientierung umfasst, des Lebewesens relativ zur Roboterbasis bzw. relativ zum Roboter-Koordinatensystem. Um einer solchen Änderung gerecht zu werden, wird erfindungsgemäß automatisch der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen medizinischen Roboters aufgrund der sich ändernden Position bzw. Lage des Lebewesens relativ zur Roboterbasis bzw. relativ zum Roboter-Koordinatensystem angepasst. Somit bleibt der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen medizinischen Roboters relativ zum Lebewesen stets gleich.
Der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen Roboters kann z. B. mittels eines auf der Steuerungsvorrichtung des Roboters laufenden Rechnerprogramms begrenzt bzw. eingestellt werden.
Befindet sich der erfindungsgemäße medizinische Roboter z. B. aufgrund einer Bewegung des Lebewesens relativ zur Roboterbasis außerhalb seines aktuellen Arbeitsbereichs, dann ist es gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Roboters vorgesehen, den medizinischen Roboter in seinen aktuellen Arbeitsbereich automatisch zu bewegen. Dies wird beispielsweise realisiert, indem die Steuerungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Roboters eingerichtet ist, den Roboterarm derart automatisch zu bewegen, um den Tool Center Point in den aktuellen Arbeitsbereichs zu führen, wenn sich der Tool Center Point aufgrund der Bewegung des Lebewesens relativ zur Roboterbasis außerhalb des aktuellen Arbeitsbereichs befindet.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die aktuelle Position bzw. Lage des Lebewesens mittels eines Navigationssystems erfasst. Die Steuerungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Roboters kann dementsprechend eingerichtet sein, aufgrund der mittels des Navigationssystems erfassten aktuellen Position oder Lage des Lebewesens die relative Po sition bzw. Lage des Lebewesens relativ zur Roboterbasis zu ermitteln, um den Arbeitsbereich anzupassen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft auch einen medizinischen Arbeitsplatz, aufweisend den erfindungsgemäßen Roboter und das mit der Steuerungsvorrichtung des Roboters kommunizierende Navigationssystem, das eingerichtet ist, die aktuelle Position oder Lage des Lebewesens zu erfassen, wobei die Steuerungsvorrichtung eingerichtet ist, aufgrund der mittels des Navigationssystems erfassten aktuellen Position bzw. Lage des Lebewesens die relative Position bzw. Lage des Lebewesens relativ zur Roboterbasis zu ermitteln, um den Arbeitsbereich anzupassen.
Navigationssysteme sind in der Medizintechnik, insbesondere in der minimalinvasiven Medizintechnik, beispielsweise aus der US 6,895,268 B1 allgemein bekannt. Navigationssysteme umfassen eine Erfassungsvorrichtung, die beispielsweise eine optische Erfassungsvorrichtung ist, die z. B. Kameras, ein Lasertrackingsystem, Projektoren für ein strukturiertes Licht oder Linienprojektoren aufweisen kann. Die Erfassungsvorrichtung ist eingerichtet, in allgemein bekannter Weise beispielsweise am Lebewesen, insbesondere an dessen Oberfläche angeordnete Marker oder markante Stellen des Lebewesens zu erfassen. Aufgrund der mit der Erfassungsvorrichtung erfassten Marker bzw. markanter Stellen kann eine Rechenvorrichtung des Navigationssystems in im Wesentlichen allgemein bekannter Weise die Position und gegebenenfalls die Orientierung, also die Lage des Lebewesens bestimmen.
Navigationssysteme werden z. B. verwendet, intraoperativ ein in das Lebewesen geführtes Instrument, z. B. das vom erfindungsgemäßen Roboter bewegte medizinische Instrument in ein präoperativ aufgenommenes Bild vom Lebewesen einzublenden. Das Bild des Lebewesens ist z. B. ein 3D-Bild, das beispiels weise mit einem Computertomgraphen oder einem Magnetresonanzgerät aufgenommen wurde. Für das Einblenden des medizinischen Instruments in das präoperativ aufgenommene Bild ist in der Regel eine sogenannte und für den Fachmann allgemein bekannte Registrierung des dem präopertiven Bild zugeordneten Bilddatensatzes zur interoperativen Situation nötig. Bei einer Starrkörpersituation wird hierzu z. B. eine homogene Koordinatentransformation, z. B. über korrespondierende Punkte, bestimmt, welche beide Datensätze aufeinander abbildet.
Gemäß einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die aktuelle Lage des Tool Center Points des medizinischen Roboters mittels des Navigationssystems und die aktuelle Position bzw. die aktuelle Lage des Lebewesens relativ zur Roboterbasis basierend auf den ermittelten aktuellen Lagen des Lebewesens und des Tool Center Points ermittelt. Die Steuerungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Roboters kann demnach eingerichtet sein, aufgrund der mittels des Navigationssystems ermittelten aktuellen Lage des Tool Center Points des medizinischen Roboters die aktuelle Position bzw. die aktuelle Lage des Lebewesens relativ zur Roboterbasis basierend auf den ermittelten aktuellen Lagen des Lebewesens und des Tool Center Points zu ermitteln, um den Arbeitsbereich anzupassen.
Bei diesen Varianten des erfindungsgemäßen Roboters bzw. des erfindungsgemäßen medizinischen Arbeitsplatzes kommuniziert das Navigationssystem, bzw. dessen Rechenvorrichtung, mit der Steuerungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Roboters. Dies kann z. B. derart realisiert werden, dass das Navigationssystem und die Steuerungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Roboters mittels einer Kommunikationsleitung oder auch drahtlos miteinender verbunden sind und über ein gemeinsames Kommunikationsprotokoll kommunizieren. Über dieses können Statusinformationen, Kommandos und/oder Daten der Erfassungsvorrichtung des Navigationssystems übertragen werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist exemplarisch in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
1 einen medizinischen Arbeitsplatz mit einem Navigationssystem und einem medizinischen Roboter zur Behandlung eines Lebewesens,
2 dem medizinischen Arbeitsplatz zugeordnete Koordinatensysteme und
3 ein den Betrieb des medizinischen Roboters veranschaulichendes Flussdiagramm.
Die 1 zeigt einen medizinischen Arbeitsplatz, der einen medizinischen Roboter R mit einem Roboterarm M aufweist. Der Roboterarm M stellt im Wesentlichen den beweglichen Teil des Roboters R dar und umfasst mehrere Achsen 1–6, mehrere Hebel 7–10 und einen Flansch F, an dem im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ein chirurgisches Instrument 18 befestigt ist.
Jede der Achsen 1–6 wird mit einem Antrieb, beispielsweise einem elektrischen Antrieb 11–16 bewegt, die in nicht dargestellter Weise mit einem Steuerrechner 17 des Roboters R elektrisch verbunden sind, so dass der Steuerrechner 17 bzw. ein auf dem Steuerrechner 17 laufendes Rechnerprogramm die elektrischen Antriebe 11–16 derart ansteuern kann, dass die Position des Flansches F des Roboters R und somit das chirurgische Instrument 18 bzw. dessen Tool Center Point TCP im Wesentlichen frei im Raum ausgerichtet werden kann. Die elektrischen Antriebe 11–16 des Roboters R umfassen z. B. je weils einen elektrischen Motor und gegebenenfalls eine die Motoren ansteuernde Leistungselektronik.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der Steuerrechner 17 derart ausgeführt, dass er bzw. ein auf ihm laufendes Rechnerprogramm einen Arbeitsbereich A des Roboters R beschränken kann. Unter dem Arbeitsbereich A des Roboters R versteht man den zulässigen Bereich für den Roboter R zum Arbeiten und Verfahren. Im Betrieb des Roboters R muss sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels das chirurgische Instrument 18 und insbesondere der Tool Center Point TCP innerhalb des Arbeitsbereichs A befinden. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird der Arbeitsbereich A durch eine in der 1 strichliert dargestellte virtuelle Wand W begrenzt, wobei sich der Arbeitsbereich A des Roboters R unterhalb der virtuellen Wand W befindet.
Der Roboter R ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels vorgesehen, einen auf einer Patientenliege L liegenden Patienten P mit dem chirurgischen Instrument 18 zu behandeln. Außerdem wird der Roboter (R) im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels von einer nicht dargestellten Person, z. B. einen den Patienten behandelnden Arzt handgeführt, indem diese z. B. am Roboterarm M drückt oder zieht. Alternativ oder zusätzlich kann der Roboter R auch von dieser Person mittels einer mit dem Steuerrechner 17 verbundenen Eingabevorrichtung, beispielsweise einem Joystick J, telemanipuliert bewegt werden.
Die 1 zeigt ferner ein Navigationssystem, das eine im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispieles zwei Kameras 20, 21 aufweisende Erfassungsvorrichtung E, am Roboter Rangeordnete Marker M1 und am Patienten P angeordnete Marker M2 aufweist. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels umfasst die Erfassungsvorrichtung E des Navigationssystems ferner einen Rechner 22 und ist auf einem Stativ 19 befestigt und die Marker M1 des Roboters R sind an seinem Flansch F angeordnet.
Navigationssysteme als solche sind dem Fachmann unter Anderem aus der US 6,895,268 B1 bekannt und sind dafür vorgesehen, die Lage, d. h. die Position und die Orientierung eines Objekts, beispielsweise des Patienten P, zu bestimmen.
Navigationssysteme können beispielsweise magnetische oder, wie es im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Fall ist, optische Navigationssysteme sein und werden beispielsweise dafür eingesetzt, die Position und gegebenenfalls die Orientierung eines Objekts zu ermitteln. Um die Position beispielsweise des Patienten P oder des Tool Center Points TCP des Roboters R zu ermitteln, ermittelt das Navigationssystem mittels seiner Kameras 20, 21 die Positionen der Marker M1, M2 im Raum.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der Rechner 22 der Erfassungsvorrichtung E über eine elektrische Leitung 24 mit einem einen Monitor 25 aufweisenden Rechner 23 verbunden. Im Rechner 23 ist ein einem Bild vom Patienten P zugeordneter Bilddatensatz gespeichert, dessen zugeordnetes Bild mit dem Monitor 25 darstellbar ist. Der Bilddatensatz wurde z. B. mit einem bildgebenden medizintechnischen Gerät, beispielsweise einem Magnetresonanzgerät oder einem Computertomographen vor der Behandlung des Patienten P mit dem Roboter R aufgenommen. Während der Behandlung des Patienten P mit dem Roboter R kann ein Bild des chirurgischen Instruments 18 in das Bild vom Patienten P eingeblendet werden. Dazu muss die Lage des Patienten P und des chirurgischen Instruments 18 relativ zum Koordinatensystem des dem Bild vom Patienten zugeordneten Bilddatensatz ermittelt werden.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist der Rechner 22 der Erfassungsvorrichtung E außerdem mittels einer Kommunikationsleitung 26 mit der Steuerungsvorrichtung 17 des Roboters R verbunden, so dass der Rechner 22 und die Steuerungsvorrichtung 17 miteinander insbesondere mittels eines gemeinsamen Kommunikationsprotokolls kommunizieren können. Eine drahtlose Kommunikation zwischen dem Rechner 22 und der Steuerungsvorrichtung 17 ist auch denkbar.
Die 2 zeigt den Roboter R, den auf der Patientenliege L angeordneten Patienten P, die virtuelle Wand W, sowie ein dem Tool Center Point TCP des Roboters R zugeordnetes TCP-Koordinatensystem 30, ein dem Roboter R zugeordnetes Roboter-Koordinatensystem 31, dessen Ursprung auf die Roboterbasis B des Roboters R fällt, ein dem Patienten P zugeordnetes Patienten-Koordinatensystem 32 und ein der virtuellen Wand W zugeordnetes Arbeitsbereichs-Koordinatensystem 33. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels handelt es sich bei den Koordinatensystemen 30–33 um kartesische Koordinatensysteme.
Wie bereits obenstehend erwähnt, soll sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Tool Center Point TCP während der Behandlung des Patienten P nur innerhalb des Arbeitsbereichs A befinden. Während der Behandlung des Patienten P soll sich außerdem der Arbeitsbereich A an eine potenzielle Bewegung des Patienten P relativ zur Roboterbasis B, hier also relativ zum Roboter-Koordinatensystem 31, bedingt z. B. durch eine Bewegung des Patienten P oder einer Bewegung der Roboterbasis B des Roboters R, anpassen. Dieser Vorgang ist mittels eines in der 3 dargestellten Flussdiagramms veranschaulicht.
Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird zunächst der Arbeitsbereich A relativ zum Patienten P, insbesondere relativ zum Patienten-Koordinatensystem 32 festgelegt, Schritt S1 des Flussdiagramms der 3. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird, wie bereits erwähnt, der Arbeitsbereich A durch die virtuelle Wand W begrenzt, so dass die virtuelle Wand W bzw. dessen Wand-Koordinatensystem 33 relativ zum Patienten P bzw. dessen Patienten-Koordinatensystem 32 definiert ist. Dies wird durch eine Transformation T3 beschrieben. Dadurch ergeben sich Vorraussetzungen, dass sich das chirurgische Instrument 18 während der Behandlung des Patienten P nicht außerhalb des Arbeitsbereichs A befindet. Der Arbeitsbereich A kann z. B. auch durch mehrere Wände oder andersartig, wie zum Beispiel Kugeln, Zylinder, Kegel oder Freiformflächen, begrenzt sein.
Während der Behandlung des Patienten P erfasst das Erfassungssystem die Marker M1 und M2, wodurch ein auf dem Rechner 22 laufendes Rechnerprogramm die Lage des Patienten P und somit dessen Patienten-Koordinatensystem 32 und die Lage des Flansches F und somit die Lage des Tool Center Points TCP bzw. dessen TCP-Koordinatensystem 30 erfassen kann. Daraus ergibt sich eine Transformation T2, die die Lage des Patienten P aus Sicht des Tool Center Points TCP darstellt, Schritt S2 des Flussdiagramms. Dieses Rechnerprogramm kann aber auch auf der Steuerungsvorrichtung 17 des Roboters R laufen. Zuvor wurde, wie es dem Fachmann allgemein bekannt ist, eine Registrierung durchgeführt.
Die Lage des Tool Center Points TCP bzw. dessen TCP-Koordinatensystem 30 im Roboter-Koordinatensystem 31 (Koordinatensystem der Roboterbasis B) wird im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels durch eine Transformation T1 dargestellt, die z. B. aus Messungen der Winkel der Gelenke des Roboterarms M berechnet wird, Schritt S3 des Flussdia gramms. Alternativ dazu ist es auch möglich, einen weiteren Marker an der Roboterbasis B des Roboters R anzubringen, dessen Position oder Lage von der Erfassungsvorrichtung E erfasst und zur Berechnung der Transforamtion T1 verwendet wird.
Die Darstellung der virtuellen Wand W, also des Arbeitsbereichs A im Roboter-Koordinatensystem 31 ergibt sich aus der Multiplikation der Transformationen T1, T2, T3 (T1 × T2 × T3), Schritt S4 des Flussdiagramms.
Die Transformationen T1 und T2 werden im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels in z. B. vorgegebenen Abständen oder wenn eine vorgegebene Änderung überschritten wird aktualisiert, wodurch eine Bewegung des Patienten P relativ zur Roboterbasis B bzw. relativ zum Roboter-Koordinatensystem 31 erkannt wird. Dadurch ist es der Steuerungsvorrichtung 17 möglich, den Arbeitsbereich A bzw. die Lage des Wand-Koordinatensystems 33 ebenfalls zu aktualisieren, so dass der Arbeitsbereich A stets relativ zum Patienten P festgelegt bleibt, Schritt S5 des Flussdiagramms.
Ein Schutz von Risikostrukturen bei gleichzeitiger Durchführung der Behandlung des Patienten P durch den Roboter R an Zielstrukturen ist demnach sowohl bei einer Bewegung des Roboters R bezüglich seiner Roboterbasis B als auch bei einer bewegten virtuellen Wand W möglich. Der Schutz kann für das funktionale Ende des Roboter R, wie z. B. das chirurgische Instrument 18, als auch für die Struktur des Roboters R realisiert werden.
Befindet sich das chirurgische Instrument 18 aufgrund einer Bewegung des Patienten P relativ zur Roboterbasis B außerhalb des aktuellen Arbeitsbereichs A, so ist es im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels vorgesehen, dass die Steu erungsvorrichtung 17 automatisch das chirurgische Instrument 18 in den aktualisierten Arbeitsbereich A bewegt.
Wird der Roboter R handgeführt, dann lässt sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Roboter R nicht mehr manuell oder nur noch mit erhöhtem Kraftaufwand manuell weiter bewegen, wenn der Roboter R den Arbeitsbereich A verlässt. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass der Steuerrechner 17 die Antriebe 11–16 ansteuert, so dass diese ein Drehmoment auf die Hebel 7–10 ausüben.
Wird der Roboter R mittels des Joysticks J telemanipuliert bewegt, dann lässt sich im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Roboter R nicht mehr weiter bewegen oder der Joystick J erzeugt eine taktile Rückmeldung an die Person, wenn der Roboter R den Arbeitsbereich A verlässt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2004/0077939 A1 [0004]
- US 6895268 B1 [0019, 0032]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines insbesondere handgeführten oder mittels einer Eingabevorrichtung telemanipulierten medizinischen Roboters, aufweisend folgende Verfahrensschritte: – Festlegen eines Arbeitsbereichs (A) eines zur Behandlung eines Lebewesens (P) vorgesehenen medizinischen Roboters (R) relativ zum Lebewesen (P), – Erfassen einer sich ändernden Position oder Lage zumindest eines Teils des mittels des medizinischen Roboters (R) behandelnden Lebewesens (P) relativ zur Roboterbasis (B) des medizinischen Roboters (R) und – automatisches Anpassen des Arbeitsbereichs (A) des medizinischen Roboters (R) aufgrund der sich ändernden Position bzw. Lage des Lebewesens (P) relativ zur Roboterbasis (B), so dass der Arbeitsbereich (A) des medizinischen Roboters (R) relativ zum Lebewesen (P) gleich bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, aufweisend automatisches Bewegen des medizinischen Roboters (R) in seinen aktuellen Arbeitsbereich (A), wenn sich der medizinische Roboter (R) aufgrund einer Bewegung des Lebewesens (P) relativ zur Roboterbasis außerhalb seines aktuellen Arbeitsbereichs (A) befindet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, aufweisend Erfassen der aktuellen Position bzw. Lage des Lebewesens (P) mittels eines Navigationssystems (E, M2).
Verfahren nach Anspruch 3, aufweisend Ermitteln der aktuellen Lage des Tool Center Points (TCP) des medizinischen Roboters (R) mittels des Navigationssystems (E, M1) und Ermitteln der aktuellen Position bzw. der aktuellen Lage des Lebewesens (P) relativ zur Roboterbasis (B) basierend auf den ermittelten aktuellen Lagen des Lebewesens (P) und des Tool Center Points (TCP) oder über zumindest einen an der Roboterbasis (B) des Roboters (R) angebrachten Marker, welcher durch die Erfassungseinheit (E) erfasst wird und zur Ermittlung der aktuellen Position bzw. Lagen des Lebewesens (P) herangezogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend – handgeführtes Bewegen des Roboters (R) oder telemanipuliertes Bewegen des Roboters (R) mittels einer Eingabevorrichtung und – Erzeugen von Kräften am Roboter (R) oder an der Eingabevorrichtung, wenn der Roboter (R) den Arbeitsbereich (A) verlässt.
Medizinischer Roboter, insbesondere handgeführter oder mittels einer Eingabevorrichtung telemanipulierter medizinischer Roboter, aufweisend – einen Roboterarm (M) mit mehreren bewegbaren Achsen (1–6) und – eine Steuerungsvorrichtung (17) zum Bewegen der Achsen (1–6) des Roboterarms (M) mittels Antrieben (11–16), wobei die Steuerungsvorrichtung (17) eingerichtet ist, automatisch den Arbeitsbereich (A) des medizinischen Roboters (R) aufgrund einer sich ändernden Position oder Lage eines mittels des medizinischen Roboters (R) behandelnden Lebewesens (P) relativ zu einer Roboterbasis (B) des medizinischen Roboters (R) zu ändern, so dass der Arbeitsbereich (A) des medizinischen Roboters (R) relativ zum Lebewesen (P) gleich bleibt.
Roboter nach Anspruch 6, dessen Steuerungsvorrichtung (17) eingerichtet ist, die Antriebe (11–16) derart anzusteuern, so dass der Roboter (R) bei einem Verlassen des Arbeitsbereichs (A) eine Kraft auf eine den Roboter (R) handführende Person ausübt.
Roboter nach Anspruch 6, dessen Bewegung mittels der Eingabevorrichtung telemanipuliert wird und dessen Steuerungsvorrichtung (17) eingerichtet ist, die Eingabevorrichtung derart anzusteuern, so dass diese eine taktile Rückmeldung auf eine die Eingabevorrichtung bedienende Person ausübt, wenn der Roboter den Arbeitsbereich (A) verlässt.
Roboter nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dessen Steuerungsvorrichtung (17) eingerichtet ist, automatisch den Roboterarm (M) derart zu bewegen, dass sich der Tool Center Point (TCP) innerhalb des aktuellen Arbeitsbereichs (A) befindet, wenn sich der Tool Center Point (TCP) aufgrund der Bewegung des Lebewesens (P) relativ zur Roboterbasis (B) außerhalb des aktuellen Arbeitsbereichs (A) befindet.
Roboter nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dessen Steuerungsvorrichtung (17) eingerichtet ist, aufgrund der mittels eines Navigationssystems (E, M2) erfassten aktuellen Position oder Lage des Lebewesens (P) die relative Position bzw. Lage des Lebewesens (P) relativ zur Robo terbasis (B) zu ermitteln, um den Arbeitsbereich (A) anzupassen.
Roboter nach Anspruch 10, dessen Steuerungsvorrichtung (17) eingerichtet ist, aufgrund der mittels des Navigationssystems (E, M1) ermittelten aktuellen Lage des Tool Center Points (TCP) des medizinischen Roboters (R) die aktuelle Position bzw. die aktuelle Lage des Lebewesens (P) relativ zur Roboterbasis basierend auf den ermittelten aktuellen Lagen des Lebewesens (P) und des Tool Center Points (TCP) zu ermitteln, um den Arbeitsbereich (A) anzupassen.
Medizinischer Arbeitsplatz, aufweisend – einen Roboter (R) nach einem der Ansprüche 6 bis 11 und – ein mit der Steuerungsvorrichtung (17) kommunizierendes Navigationssystem (E), das eingerichtet ist, die aktuelle Position oder Lage des Lebewesens (P) zu erfassen, wobei die Steuerungsvorrichtung (17) eingerichtet ist, aufgrund der mittels des Navigationssystems (E) erfassten aktuellen Position bzw. Lage des Lebewesens (P) die relative Position bzw. Lage des Lebewesens (P) relativ zur Roboterbasis zu ermitteln, um den Arbeitsbereich (A) anzupassen.
Medizinischer Arbeitsplatz nach Anspruch 12, dessen Navigationssystem (E) eingerichtet ist, die aktuelle Lage des Tool Center Points (TCP) des medizinischen Roboters (R) zu ermitteln, und dessen Steuerungsvorrichtung (17) eingerichtet ist, aufgrund der mittels des Navigationssystems (E) ermittelten aktuellen Lage des Tool Center Points (TCP) des medizinischen Roboters (R) die aktuelle Position bzw. die aktuelle Lage des Lebewesens (P) relativ zur Roboterbasis (B) basierend auf den ermittelten aktuellen Lagen des Lebewesens (P) und des Tool Center Points (TCP) zu ermitteln, um den Arbeitsbereich (A) anzupassen.