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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes System und ein entsprechendes Verfahren zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung.
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In der Medizintechnik werden Roboter oder robotische Systeme zunehmend eingesetzt, um einer Bedienperson, z.B. einem Arzt oder einem Chirurgen, bei verschiedenen Aufgaben zu unterstützen. Der Roboter kann je nach Einsatz zum Beispiel als Führungshilfe, Tragehilfe oder Werkzeughalter dienen. Dabei erlauben motorische Antriebe Bewegungen und Positionierungen mit einer hohen Präzision und Wiederholgenauigkeit, bei einer signifikanten Kräfteentlastung des Chirurgen. Eine Gefahr bei heutzutage eingesetzten robotischen Systemen zur unterstützenden Behandlung, kann in einer unkontrollierten Arbeitsweise und damit verbunden, einer geringen Sensitivität eines robotischen Systems, liegen. Um diesem Problem entgegen zu wirken, werden zunehmend Algorithmen entwickelt, die die Aktionen eines Roboters überwachen und gegebenenfalls eine Beschränkung der Handlungs- und Bewegungsfreiheit oder bestimmter Freiheitsgerade der robotischen Kinematik des Roboters bewirken. Dazu werden auch Sensoren eingesetzt. Allgemein können diese Algorithmen zur Beschränkung von Aktionsoptionen als engl. active constraint Technologie oder kurz active constraints bezeichnet werden.
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Solche, prinzipiell bekannten active constraints können in der medizinischen Robotik unterschiedliche Aufgaben erfüllen, wozu im Folgenden Beispiele beschrieben werden.
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Bei der minimalinvasiven Chirurgie steht zur Einführung eines medizinischen Instrumentes, wie einem Katheter, nur eine kleine Öffnung des Körpers, der sogenannte Trokar-Drehpunkt, zur Verfügung. Translationsbewegungen im Bereich der Öffnung sind verboten und können durch active constraints überwacht werden. Wird dieses Verbot missachten, kann es zu Verletzungen des Patienten kommen.
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Wird bei einem robotisch unterstützten, minimalinvasiven Eingriff ein medizinisches Gerät, z.B. eine Nadel oder ein Bohrer, auf einen Endeffektor eines Roboters montiert und dann in den Patienten eingebracht, so kann unter Einsatz von active constraints eine, insbesondere kooperative, Aufgabenteilung zwischen Roboter und Mensch erfolgen. Beispielweise kann durch den Roboter eine bestimmte Nadeltrajektorie vorgegeben werden, der eigentliche Vorschub der Nadel wird aber durch einen Chirurgen vorgenommen. Kommt es dabei zu einer Patientenbewegung, zum Beispiel durch Atmung oder eine Veränderung der Anatomie durch Bewegung von Organen, so verändern sich die Kräfte, die auf das in den Patienten eingebrachte und vom Roboter gehaltene Gerät wirken, wodurch möglicherweise die vorgegebenen active constraints verletzt werden. Wird dies missachten kann es zu Verletzungen des Patienten kommen oder zu einem schlechteren Behandlungsergebnis.
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Eine ähnliche kooperative Aufgabenteilung wie oben beschrieben ist auch im Bereich der Wirbelsäulen-Chirurgie denkbar. Dort werden zum Beispiel Schrauben in die Wirbelsäule gebohrt, um eine Stabilisierung zu erreichen. Die Bohrrichtung kann wiederum durch einen Roboter, der zum Beispiel eine Bohrschablone positioniert, vorgegeben werden, während die Drehbewegung der Schraube manuell durch einen Chirurgen durchgeführt wird. Bei einer solchen Drehbewegung kann es leicht zu Abweichungen und Verkanten des Bohrer oder der Schraube kommen. Solche Abweichungen könnten zu einer kräftetechnischen Verletzung von vorgegebenen active constraints führen. Wird dies missachtet, kann es zu Verletzungen des Patienten kommen oder zu einem schlechteren Behandlungsergebnis. Alternative Vorgehensweisen, wie die Korrektur von Nadeltrajektorien oder Schraubenbohrungen unter Röntgenkontrolle oder unter Fluoroskopieeinsatz, haben den Nachteil, dass das zu behandelnde Objekt schädlicher Strahlung ausgesetzt wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung anzugeben, die es auf eine neue Weise ermöglicht, mit Hilfe eines robotischen Hilfsmittels, das einen active constraint Algorithmus umfasst, eine medizinische Behandlung zu unterstützen. Weiter ist es eine Aufgabe der Erfindung ein entsprechendes System und ein entsprechendes Verfahren zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung zu beschreiben.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einer Vorrichtung zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Patentanspruchs, einem System zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung mit den Merkmalen des zweiten unabhängigen Patentanspruchs und einem Verfahren zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung mit den Merkmalen des dritten unabhängigen Patentanspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen beschrieben.
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Ein Grundgedanke der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung. Die Vorrichtung nutzt ein robotisches Hilfsmittel mit einem Rechenmittel, zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung, wobei Algorithmen zum Betrieb des robotischen Hilfsmittels durch das Rechenmittel des robotischen Hilfsmittels abarbeitbar sind, wobei die Algorithmen wenigstens eine aktive und situationsabhängige Beschränkung von Aktionsoptionen aufweisen. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung bei diesem Grundgedanken ein Rechen- und Steuermittel und ein Signalisierungsmittel. Das Rechen- und Steuermittel ist dazu ausgelegt, wenigstens ein Beschränkungssignal der aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen des robotischen Hilfsmittels zu beziehen, in Abhängigkeit des wenigstens einen Beschränkungssignals der aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen des robotischen Hilfsmittels ein Signalisierungssignal zu generieren und das Signalisierungssignal an das Signalisierungsmittel zu senden, wobei das Signalisierungsmittel dazu ausgelegt ist, abhängig von dem Signalisierungssignal ein für eine Bedienperson wahrnehmbares Signal zu generieren.
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Eine medizinische Behandlung kann eine Diagnose oder eine Therapie, zum Beispiel eine chirurgische Intervention, eines Untersuchungsobjektes, wie eines menschlichen oder tierischen Patienten, umfassen. Die Vorrichtung dieses erfinderischen Grundgedankens nutzt zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung ein robotisches Hilfsmittel, das seinerseits zu einer Unterstützung einer medizinischen Behandlung ausgelegt ist, und das ein Rechenmittel aufweist. Bei dem robotischen Hilfsmittel kann es sich um einen medizinischen Roboter der eingangs beschriebenen Art handeln, zum Beispiel ein Gelenkarmroboter mit mehreren Achsen und mehreren Freiheitsgraden, der an seinem Endeffektor ein medizinisches Instrument trägt, mit dessen Hilfe eine medizinische Handlung oder Behandlung durchgeführt oder unterstützt werden kann. Das robotische Hilfsmittel wird mittels des Rechenmittels gesteuert, indem beispielsweise Aktoren, wie Elektromotoren mit Getriebemitteln, durch geeignete elektrische Signale angesteuert werden. Das robotisches Hilfsmittel kann auch Sensormittel, wie Kraftsensoren, Drucksensoren, Drehmomentsensoren oder dergleichen umfassen, deren Sensorsignale von dem Rechenmittel des robotisches Hilfsmittels entgegengenommen werden können. Für den Betrieb des robotischen Hilfsmittels werden Algorithmen, zum Beispiel in Form eines Computerprogramms, durch das Rechenmittel des robotischen Hilfsmittels abgearbeitet, wobei die Algorithmen wenigstens eine aktive und situationsabhängige Beschränkung von Aktionsoptionen, also einen sogenannten active constraint, wie beispielsweise der eingangs beschriebenen Art, aufweisen. Diese Komponenten sind in der beschriebenen Weise prinzipiell bekannt. Dieser Grundgedanke der Erfindung umfasst erfindungsgemäß ein Rechen- und Steuermittel, wie zum Beispiel eine elektronische Schaltung, und ein Signalisierungsmittel zur Ausgabe eines Signals. Das Rechen- und Steuermittel ist, zum Beispiel durch eine geeignete Schnittstelle, dazu ausgelegt, wenigstens ein Beschränkungssignal der aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen des robotischen Hilfsmittels zu beziehen, entgegenzunehmen, zu empfangen oder zu laden. Ist die aktive und situationsabhängige Beschränkung von Aktionsoptionen des robotisches Hilfsmittels beispielsweise als ein Teil eines Computerprogramms in einem Steuer- oder Betriebsprogramm des robotisches Hilfsmittels realisiert, kann das Beschränkungssignal der Werteinhalt einer Variablen, einer Matrix oder eines Datenarrays sein, der von dem Rechen- und Steuermittel entgegengenommen wird. Das Rechen- und Steuermittel ist weiter dazu ausgelegt, in Abhängigkeit des wenigstens einen Beschränkungssignals der aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen des robotischen Hilfsmittels ein Signalisierungssignal zu generieren und das Signalisierungssignal an das Signalisierungsmittel zu senden. In einem einfachen Ausführungsbeispiel kann das Signalisierungssignal, das an das Signalisierungsmittel gesendet wird, gleich dem Beschränkungssignal sein. Das Signalisierungsmittel ist dazu ausgelegt, das Signalisierungssignal, zum Beispiel durch eine geeignete Schnittstelle, entgegenzunehmen und abhängig von dem Signalisierungssignal ein für eine Bedienperson wahrnehmbares Signal zu generieren. In dem einfachen Ausführungsbeispiel ist das Signalisierungsmittel ein Computermonitor, der das Signalisierungssignal als ein, für eine Bedienperson, zum Beispiel einen Arzt, lesbaren Zahlenwert darstellt.
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Vorzugsweise weist das robotische Hilfsmittel ein kooperatives Steuerungsmittel zu einer kooperativen Steuerung des robotischen Hilfsmittels durch die Bedienperson auf.
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Neben einem robotisches Hilfsmittel, das autonom agiert, sind in der Medizintechnik besonders robotisches Hilfsmittel interessant, deren Funktionen von einer Bedienperson beeinflusst und geführt werden können. Ein Beispiel dafür ist der eingangs beschriebene Bohrer, der einen robotisch unterstützten, minimalinvasiven Eingriff ermöglicht. Durch diese kooperative Steuerung kann die Bedienperson das robotische Hilfsmittel in einen Zustand bringen, in dem active constraints verletzt werden, beispielsweise wenn ein Chirurg einen Bohrer, der von einem robotischen Hilfsmittel unterstützend gehalten wird, verkantet und unerlaubte Querkräfte auf den Bohrer wirken. Zur kooperativen Steuerung des robotischen Hilfsmittels durch die Bedienperson dienen kooperative Hilfsmittel, wie zum Beispiel Taster, Fußwippen, berührungsempfindliche Bildschirme, Joysticks, Schieberegler oder Kippregler.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung geht in das wenigstens eine Beschränkungssignal der aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen des robotischen Hilfsmittels wenigstens ein Sensorsignal eines Sensormittels des robotischen Hilfsmittels ein.
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Zur Überprüfung, ob ein active constraint verletzt ist, können günstig Sensormittel, wie Kraftsensoren, Drucksensoren, Drehmomentsensoren, Abstandssensoren, Beschleunigungssensoren, Temperatursensoren, Geschwindigkeitssensoren, Lichtsensoren, Positionssensoren, Lagesensoren, Winkelsensoren oder dergleichen eingesetzt werden, deren Sensorsignale von dem Rechenmittel des robotisches Hilfsmittels entgegengenommen und beispielsweise in einem Algorithmus eines active constraint ausgewertet werden können, um dann in ein Beschränkungssignal einzugehen. Am Beispiel des Bohrers bei einer minimal invasiven Intervention können so Kräfte bestimmt werden, die auf das medizinische Gerät wirken und die beispielsweise davon abhängen, ob durch Gewebe oder Knochen eines Patienten gebohrt wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung geht in das Signalisierungssignal ein Abstand des wenigstens einen Beschränkungssignals der aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen des robotischen Hilfsmittels zu wenigstens einem vorgebbaren oder von dem Rechenmittel des robotischen Hilfsmittels beziehbaren, Schwellenwert ein.
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Gibt das Beschränkungssignal der aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen des robotischen Hilfsmittels beispielsweise einen Sensorwert, z.B. eine Querkraft, die auf ein medizinisches Instrument wirkt, an, und ist ein maximal erlaubter Sensorwert oder Schwellenwert, z.B. eine maximal erlaubte Querkraft, die das medizinische Instrument aufweisen darf, vorgegeben oder von dem robotischen Hilfsmittel bereitgestellt, kann bestimmt oder abgeschätzt werden, wie weit der Sensorwert von dem Schwellenwert entfernt ist, bzw. wie nah der aktuelle Zustand an einer Verletzung eines active constraint ist. Vorteilhaft geht der so berechnete Abstand in das Signalisierungssignal ein, das von dem Signalisierungsmittel in ein für eine Bedienperson wahrnehmbares Signal umgewandelt wird.
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Mit besonderem Vorteil geht in das wenigstens eine Beschränkungssignal der aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen des robotischen Hilfsmittels wenigstens ein vorgebbarer Bewegungspfad und/oder wenigstens ein vorgebbarer Bewegungsraum ein.
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Ein Bewegungspfad kann beispielsweise durch angelernte Punkte oder Trajektorien, die ein Benutzer definiert hat, definiert sein. Ein Bewegungsraum innerhalb dessen sich ein Roboter bzw. ein Instrument des robotischen Hilfsmittels bewegen darf, kann beispielsweise innerhalb einer Körperhöhle definiert sein, dessen Grenzen anhand eines zwei- oder mehrdimensionalen Bilddatensatzes vorgegeben wurden.
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So kann auch alternativ zur Signalisierung eines Abstandes des wenigstens einen Beschränkungssignals der aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen des robotischen Hilfsmittels zu wenigstens einem vorgebbaren oder von dem Rechenmittel des robotischen Hilfsmittels beziehbaren, Schwellenwert, auch wenigstens ein vorgebbarer Bewegungspfad und/oder wenigstens ein vorgebbarer Bewegungsraum durch das Signalisierungsmittel signalisiert werden, indem zum Beispiel die Grenzen, innerhalb derer ein Bohrer in einen Körper eintreten darf, für eine Bedienperson wahrnehmbar signalisiert werden.
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Es wird vorgeschlagen, dass in die Vorgabe des wenigstens einen vorgebbaren Bewegungspfades und/oder in die Vorgabe des wenigstens einen vorgebbaren Bewegungsraumes wenigstens ein Bilddatensatz eines, der medizinischen Behandlung unterziehbares, Untersuchungsobjektes eingeht.
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Ein Bilddatensatz kann zum Beispiel durch ein medizinisches Bildgebungsverfahren, wie Computertomografie, Magnetresonanztomografie, Ultraschallbildgebung oder Röntgenbildgebung gewonnen werden. Die Vorgabe des wenigstens einen vorgebbaren Bewegungspfades und/oder die Vorgabe des wenigstens einen vorgebbaren Bewegungsraumes kann zum Beispiel durch eine Bedienperson, wie einen Arzt, anhand des Bilddatensatzes erfolgen, indem Punkte in dem auf einem Anzeigemittel dargestellten Bilddatensatz ausgewählt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das für eine Bedienperson wahrnehmbare Signal ein optisches Signal, ein akustisches Signal und/oder ein haptisches Signal ist.
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Ist in das Signalisierungssignal ein Abstand des wenigstens einen Beschränkungssignals der aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen des robotischen Hilfsmittels zu wenigstens einem vorgebbaren oder von dem Rechenmittel des robotischen Hilfsmittels beziehbaren, Schwellenwert eingegangen, kann dieser Abstand beispielsweise durch ein Leuchtmittel farblich kodiert werden und so ein Grad der Verletzung von active constraints dargestellt werden, z.B. bei einem vorgebbar kleinen Abstand eine grüne Signalisierung, gleichbedeutend mit der Aussage „keine Verletzung des active constraints“, bei einem vorgebbar mittleren Abstand eine gelbe Signalisierung, gleichbedeutend mit der Aussage „leichte Verletzung des constraints“ und bei einem vorgebbar großen Abstand eine rote Signalisierung, gleichbedeutend mit der Aussage „massive Verletzung des constraints“. Auch können verschiedene akustische Signale, die in Tonhöhe, Frequenz oder Lautstärke variieren, zur Signalisierung verwendet werden. Ein haptisches Signalisierungssignal kann ein unterschiedlich starkes Vibrieren eines kooperativen Steuerungsmittels oder eines Eingabemittels, wie eines Kippreglers, sein. Vorzugsweise ist das Signalisierungsmittel an dem robotischen Hilfsmittel angeordnet. Insbesondere eine optische Signalisierung ist direkt am robotischen Hilfsmittel besonders gut wahrnehmbar, da eine Bedienperson üblicherweise bei einer medizinischen Behandlung das robotische Hilfsmittel konzentriert beobachtet.
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In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung umfasst das Signalisierungsmittel wenigstens ein selbstleuchtendes oder ein indirekt leuchtendes Leuchtelement.
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Bewegungsrichtungen und Bewegungsachsen können beispielsweise durch selbstleuchtende oder beleuchtbare Elemente angezeigt werden. Dies geschieht zum Beispiel durch Kunststofffasern auf der Außenhaut eines medizinischen Instrumentes, in die Licht, z.B. verschiedener Farben durch Vielfarben, engl. Multicolor, LEDs eingespeist wird. Alternativ können an einem medizinischen Instrument oder an einem Arm des robotischen Hilfsmittels fluoreszierende Marker aufgebracht sein, die gegebenenfalls durch eine aktivierbare ultraviolett abstrahlende LED zum Leuchten gebracht werden können. Weiter kann ein an einer Decke positionierter Projektor, engl. Beamer, und auf einem medizinischen Instrument angebrachte Zonen, die Licht anisotrop reflektieren, verwendet werden. Der Projektor ist durch eine Lichtprojektion auf diese Zonen dazu ausgelegt, farblich und symbolisch kodiert Constraints oder Contraint-Verletzungen anzuzeigen.
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Zweckmäßig ist das Signalisierungsmittel dazu ausgelegt, ein Signal zu generieren, das eine Ursache des Beschränkungssignals der aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen des robotischen Hilfsmittels signalisiert.
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Wird beispielsweise eine active constraint dadurch verletzt, dass ein vorgegebener Raum verlassen wurde, kann durch dieses Merkmal der Ort der Verletzung der active constraint signalisiert werden, indem zum Beispiel ein Punkt mit einem Leuchtmittel angestrahlt wird.
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Es ist denkbar, dass das Signalisierungsmittel dazu ausgelegt ist, ein Signal zu generieren, das eine Handlungsanweisung zur Änderung des Beschränkungssignals der aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen des robotischen Hilfsmittels signalisiert.
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Insbesondere kann die Handlungsanweisung dazu dienen, eine Verletzung einer active constraint zu reduzieren oder eine bereits geschehene Verletzung zu „heilen“, ihr also entgegenzuwirken, so dass sie nicht mehr besteht.
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Dabei hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Signal ein Lauflicht und/oder wenigstens einen Pfeil umfasst.
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Bei dem oben ausgeführten Beispiel, dass eine active constraint verletzt wurde, weil ein vorgegebener Raum verlassen wurde, kann eine Handlungsanweisung darin bestehen, wieder in den vorgegebenen Raum zurückzukehren. Das Signal, das von dem Signalisierungsmittel generiert wird, kann ein Lauflicht oder ein Pfeil in Richtung des vorgegebenen Raumes sein. Optional können vorgeschlagene, unmittelbar bevorstehende oder bereits laufende Bewegungen durch einen Lauflichteffekt angezeigt werden, der isotrop in der jeweiligen Richtung der Bewegung oder Drehung angezeigt wird.
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Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung ist ein System zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung. Das System umfasst folgende Komponenten:
- – ein robotisches Hilfsmittel mit einem Rechenmittel, zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung, wobei Algorithmen zum Betrieb des robotischen Hilfsmittels durch das Rechenmittel des robotischen Hilfsmittels abarbeitbar sind, welche Algorithmen wenigstens eine aktive und situationsabhängige Beschränkung von Aktionsoptionen aufweisen,
- – eine Vorrichtung zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung, umfassend ein Rechen- und Steuermittel und ein Signalisierungsmittel, wobei das Rechen- und Steuermittel dazu ausgelegt ist, wenigstens ein Beschränkungssignal der aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen des robotischen Hilfsmittels zu beziehen, in Abhängigkeit des wenigstens einen Beschränkungssignals der aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen des robotischen Hilfsmittels ein Signalisierungssignal zu generieren und das Signalisierungssignal an das Signalisierungsmittel zu senden, wobei das Signalisierungsmittel dazu ausgelegt ist, abhängig von dem Signalisierungssignal ein für eine Bedienperson wahrnehmbares Signal zu generieren.
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Günstig ist die Vorrichtung des Systems zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung als eine der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen ausgeführt.
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Das System umfasst damit vorzugsweise eine Vorrichtung mit den zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Merkmalen, wie beispielsweise einem Signalisierungsmittel, das wenigstens ein selbstleuchtendes Leuchtelement aufweist.
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Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung ist ein Verfahren zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung, wobei das Verfahren eine der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen nutzt.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst dabei Verfahrensschritte zu denen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise ausgelegt sind.
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Es ist auch denkbar, dass bei einer massiven Verletzung von constraints, die etwa zu einer Gefährdung der Sicherheit eines Patienten oder zu einem sehr schlechten Behandlungsergebnis führen könnte, darüber hinaus durch den Roboter selbst Maßnahmen ergriffen werden können, um die Verletzung dieser constraints kinematisch zu invertieren.
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Die Erfindung kann zudem ein Computerprogramm, das die Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchführt, wenn es auf einer Recheneinrichtung ausgeführt wird, betreffen. Die Recheneinrichtung kann dabei beispielsweise die Rechen- und Steuereinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung sein.
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Schließlich kann die Erfindung auch einen nicht transienten Datenträger, beispielsweise eine CD-ROM, auf dem ein erfindungsgemäßes Computerprogramm gespeichert ist, betreffen.
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Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
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Weitere vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den nachfolgenden Figuren samt Beschreibung. Es zeigen:
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1 symbolisch und exemplarisch ein Strukturdiagramm eines robotischen Hilfsmittels nach dem Stand der Technik;
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2 symbolisch und exemplarisch ein Strukturdiagramm eines erfindungsgemäßen Systems zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung;
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3 schematisch und exemplarisch ein Ausführungsbeispiel eines Systems zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung.
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1 zeigt symbolisch und exemplarisch ein Strukturdiagramm eines robotischen Hilfsmittels 20 zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung nach dem Stand der Technik. Das robotisches Hilfsmittel 20 umfasst ein Rechenmittel 22, und ist in der Lage, Algorithmen 24, 24‘, 26 zum Betrieb des robotischen Hilfsmittels abzuarbeiten oder auszuführen. Die Algorithmen umfassen in diesem Ausführungsbeispiel einen Algorithmus 24 zur Ansteuerung wenigstens eines Aktors 32 des robotischen Hilfsmittels, einen Algorithmus 24‘ zum Auslesen wenigstens eines Sensormittels 34, z.B. eines Kraftsensors oder eines Steuerungsmittels, und einen Algorithmus 26 mit wenigstens einer aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen.
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In 2 ist symbolisch und exemplarisch ein Strukturdiagramm eines erfindungsgemäßen Systems 100 zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung dargestellt. Das System 100 umfasst ein robotisches Hilfsmittel 20, das in diesem Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dieselben Komponenten aufweist, wie in dem Ausführungsbeispiel der 1, d.h. ein Rechenmittel 22, das Algorithmen 24, 24‘, 26 zum Betrieb des robotischen Hilfsmittels ausführen kann. Die Algorithmen umfassen wieder einen Algorithmus 24 zur Ansteuerung wenigstens eines Aktors 32 des robotischen Hilfsmittels, einen Algorithmus 24‘ zum Auslesen wenigstens eines Sensormittels 34, z.B. eines Kraftsensors oder eines Steuerungsmittels, und einen Algorithmus 26 mit wenigstens einer aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen. Wenigstens ein Signal des Algorithmus 26 mit der wenigstens einen aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen oder kurz wenigstens einer active constraint, ist als Beschränkungssignal 16 der aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen abgreifbar. Das kann beispielsweise ein Wert eines Kraftsensors des Sensormittels 34, der in ein active constraint einfließt, oder ein Verlauf einer Solltrajektorie oder Werte eines Drehmomentsensors und eines maximalen Drehmomentes, sein. Das System 100 umfasst weiter eine Vorrichtung 10 zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung, wobei die Vorrichtung 10 ein Rechen- und Steuermittel 12, z.B. eine elektronische Schaltung oder einen Computer, und ein Signalisierungsmittel 14 umfasst. Das Rechen- und Steuermittel 12 ist dazu ausgelegt, das wenigstens eine Beschränkungssignal 16 der aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen des robotischen Hilfsmittels 20 zu beziehen, in Abhängigkeit des wenigstens einen Beschränkungssignals 16 der aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen des robotischen Hilfsmittels 20 ein Signalisierungssignal 18, zum Beispiel ein elektrisches Steuersignal, zu generieren und das Signalisierungssignal 18 an das Signalisierungsmittel 14 zu senden. Das Signalisierungsmittel 14, das zum Beispiel als Leuchtmittel ausgeführt sein kann, ist dazu ausgelegt, abhängig von dem Signalisierungssignal 18 ein für eine Bedienperson wahrnehmbares Signal zu generieren, z.B. ein Aufleuchten des Leuchtmittels. Somit erhält eine Bedienperson Informationen über den Zustand der aktiven und situationsabhängigen Beschränkung von Aktionsoptionen und kann gegebenenfalls ihre Handlungsweise daraufhin anpassen. Auch wenn das Rechen- und Steuermittel 12 als eigenständige Komponente in der 2 dargestellt ist, kann es durchaus in dem Rechenmittel 22 des robotischen Hilfsmittels integriert sein.
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3 zeigt schließlich nicht maßstabsgerecht, schematisch und exemplarisch ein Ausführungsbeispiel eines Systems 100 zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung. Das System 100 umfasst ein robotisches Hilfsmittel 20 mit einem nicht dargestellten Rechenmittel, hier einen medizinischen Leichtbauroboter mit einem Bohrer als medizinisches Instrument 36, zum Bohren eines Loches in ein stilisiert dargestelltes Objekt 60, z.B. einen Wirbel einer Wirbelsäule eines menschlichen Patienten. Der medizinische Leichtbauroboter weist mehrere Gelenkarme 30 auf, die mittels Aktoren 32, 32‘ in Form von Elektromotoren, die in Gelenken zwischen den Gelenkarmen 30 angeordnet sind, bewegbar sind und das medizinische Instrument 36 positionieren und führen können. Das robotische Hilfsmittel 20 ist durch kooperative Steuerungsmittel, hier einen Kipphebel 72 und einen Fußtaster 72‘, zu einer kooperativen Steuerung des robotischen Hilfsmittels 20 durch eine Bedienperson 50, hier einen Arzt, ausgelegt. Das bedeutet, die Bedienperson 50 hat durch die kooperative Steuerungsmittel 72 und 72‘ Einfluss auf die Funktion, wie die Positionierung und die Bewegung, des robotischen Hilfsmittels 20. Im Betrieb des robotischen Hilfsmittels 20 führt das Rechenmittel des robotischen Hilfsmittels 20 Algorithmen aus, die der Ansteuerung der Aktoren 32 des robotischen Hilfsmittels und des medizinischen Instrumentes 36, dem Auslesen von Sensormitteln und der kooperativen Steuerungsmittel 72 und 72‘ und der Überwachung von aktiven und situationsabhängigen Beschränkungen von Aktionsoptionen, sogenannter active constraints, dienen. In diesem Ausführungsbeispiel betreffen active constraints die Position und den Winkel zur Einführung des Bohrers in den Patienten und die Eintauchgeschwindigkeit des Bohrers, die im Weichgewebe einen bestimmten Wert nicht überschreiten darf und bei der Bohrung in das Objekt 60 einen weiteren bestimmten Wert nicht überschreiten darf. Zur Überwachung der active constraints weist das robotische Hilfsmittel 20 an sich bekannte Sensoren, wie ein Drucksensor 34 im Aufnahmebereich des medizinischen Instrumentes und nicht dargestellte Positionssensoren und Winkelsensoren auf. Eine Vorrichtung 10 zur Unterstützung einer medizinischen Behandlung umfasst ein Rechen- und Steuermittel 12, hier einen Computer, und verschiedene Signalisierungsmittel. Das Rechen- und Steuermittel 12 ist dazu ausgelegt, Beschränkungssignale der aktiven und situationsabhängigen Beschränkungen von Aktionsoptionen des robotischen Hilfsmittels 20, also der active constraints, zu beziehen oder zu laden. Dazu ist das Rechen- und Steuermittel 12 über ein Verbindungsmittel 38, hier eine Datenleitung, mit dem Rechenmittel des robotischen Hilfsmittels 20 verbunden. Das Rechen- und Steuermittel 12 bestimmt in Abhängigkeit der Beschränkungssignale der aktiven und situationsabhängigen Beschränkungen von Aktionsoptionen des robotischen Hilfsmittels 20 Signalisierungssignale und sendet jeweils Signalisierungssignale, z.B. über das Verbindungsmittel 38 oder über andere drahtlose oder drahtgebundene Informationsübertragungsmittel, an die jeweiligen Signalisierungsmittel. Die Signalisierungsmittel sind dazu ausgelegt, abhängig von den jeweiligen Signalisierungssignalen für die Bedienperson 50 wahrnehmbare Signale zu generieren. Ein Signalisierungsmittel ist als Leuchtring 46 ausgeführt und gibt das active constraint für die Position des Eindringorts des Bohrers an, d.h. der Bewegungsraum an der Oberfläche des Patienten ist als active constraint vorgegeben und als Beschränkungssignal durch das Rechen- und Steuermittel 12 ausgelesen. Es ist denkbar, dass in der in 3 dargestellten Situation der Leuchtring eine grüne Farbe aufweist, da sich der Bohrer innerhalb des erlaubten Bewegungsraumes befindet, und dass die Farbe nach rot wechselt, wenn der Bohrer den Leuchtring berührt, da dann die active constraint verletzt ist. Ein Display 40 zeigt numerisch den kleinsten Abstand des Bohrers zur Grenze des erlaubten Bewegungsraumes an, d.h. den Abstand des Bohrers zu einem Schwellenwert, nämlich der Grenze des erlaubten Bewegungsraumes. Ein akustisches Signalisierungsmittel 48 kann durch ein z.B. in der Tonhöhe ansteigendes, akustisches Signal 74 ebenfalls warnen, wenn der Bohrer sich der Grenze des erlaubten Bewegungsraumes annähert. Ein weiteres Signalisierungsmittel ist als leuchtende Faser 42 ausgeführt, die den Winkel zur Einführung des Bohrers in den Patienten anzeigt. Der Winkel ist als Beschränkungssignal einer active constraint durch das Rechen- und Steuermittel 12 beziehbar und als ein Leuchtsignal, das auf dem medizinischen Instrument 36 angezeigt wird, dür die Bedienperson 50 wahrnehmbar. Der Drucksensor 34 misst den Druck, der in Richtung der Rotationsachse auf den Bohrer ausgeübt wird. Eine active constraint kann besagen, dass im Weichgewebebereich, der sich beim Bohren durch einen bestimmten geringen Druck auszeichnet, maximal eine vorgegebene Eintauchgeschwindigkeit des Bohrers erlaubt ist. Da der Bohrer in dem Ausführungsbeispiel noch einen Abstand 62 zu dem Objekt aufweist, wird der von dem Drucksensor 34 gemessene Druck darauf hindeuten, dass der Bohrer sich noch in Weichgewebe befindet. Ein Wert des Beschränkungssignals der active constraint kann die maximale Eintauchgeschwindigkeit des Bohrers, ein anderer Wert des Beschränkungssignals kann die aktuelle Eintauchgeschwindigkeit umfassen. Ist die aktuelle Eintauchgeschwindigkeit kleiner als die maximale, zeigen Pfeile 44, die von einem nicht dargestellten Projektor als Lauflicht auf das medizinische Instrument 36 projiziert werden an, dass die Geschwindigkeit innerhalb des erlaubten Bereiches ist. Ein haptisches Signal 76, in Form eines Vibrierens des Kipphebels 72, würde ein Überschreiten der maximalen Eintauchgeschwindigkeit und somit eine Verletzung der active constraint „maximale Eintauchgeschwindigkeit“ signalisieren.
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Zusammenfassend werden weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung beschrieben. Die Erfindung schlägt unter anderem vor, eine Auswertung der durch active constraints übermittelten Signale und die an einem robotischen Eingriff beteiligten Personen über verschiedene Signale über den Zustand und eventuelle Verletzungen der active constraints zu informieren. Diese Information kann zur Verbesserung eines Behandlungs- und Diagnosevorgangs und zur Vermeidung von Sicherheitsrisiken für einen Patienten benutzt werden.
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Die Erfindung kann einen Arzt dazu befähigen, die Signale, die durch den Einsatz eines Roboters mit eingebauter active constraits Funktionalität erzeugt werden, für verschiedene Behandlungs- und Sicherheitsszenarien sinnvoll zu nutzen. Dazu dient eine applikationsspezifische Auswertung der active constraint Signale und eine sinnvolle Signalisierung an das behandelnde und assistierende Personal.
