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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kollisionsschutzsystems für eine medizinische Operationseinrichtung, die eine Patientenliege für einen zu operierenden Patienten, 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. Daneben betrifft die Erfindung eine medizinische Operationseinrichtung, ein Computerprogramm und einen elektronisch lesbaren Datenträger.
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Eine Vielzahl medizinischer Eingriffe, also Operationen, findet heutzutage auch unter Bildüberwachung statt. Hierzu werden 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 Operationsbereich, indem der Patient auf einer Patientenliege gelagert ist, entfernt werden. Hierzu wurde beispielsweise vorgeschlagen, den C-Bogen an einem Roboterarm anzuordnen, um eine größtmögliche Anzahl an Bewegungsfreiheitsgraden zur Verfügung stellen zu können.
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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 Assistenzroboter 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 dienende 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 eingeführt wird.
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In solchen medizinischen Operationseinrichtungen, die mithin üblicherweise die Patientenliege, den Assistenzroboter und die Bildaufnahmeeinrichtung umfassen, ist der Kollisionsschutz, insbesondere hinsichtlich des Patienten, ein wichtiges Thema, nachdem eine Vielzahl von auch unabhängig bewegbaren Komponenten existiert, beispielsweise Bildaufnahmekomponenten wie der C-Bogen und/oder Assistenzkomponenten des Assistenzroboters und/oder die Patientenliege. Mithin wurden bereits Kollisionsschutzsysteme für solche medizinischen Operationseinrichtungen vorgeschlagen, die beispielsweise Sensoriken wie Näherungsschalter, Bewegungsdaten verschiedener Antriebe, mathematische Modelle zur Simulation und dergleichen nutzen können. Für einen großen Teil der Einsatzzeit bei einer Operation sind hierbei einfache Mechanismen, beispielsweise 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 innerhalb 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 empfindliche Region des Patienten operativ behandelt bzw. untersucht wird. Diesbezüglich wurde bereits vorgeschlagen, weitere Sicherheitsmaßnahmen bei solchen medizinischen Operationseinrichtungen zu treffen, beispielsweise die Bewegungsgeschwindigkeit 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 Eingriff durchführenden Personen entsteht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Realisierung eines Kollisionsschutzsystems anzugeben, bei welcher eine hervorragende Sicherheit für den Patienten ohne eine zu starke Einschränkung der Nutzbarkeit der Operationseinrichtung realisiert wird.
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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 Kritikalitätsinformation, die die Kritikalität möglicher Kollisionen von Komponenten der Operationseinrichtung und/oder Bewegungen des Patienten bezüglich der Wechselwirkung des Assistenzroboters mit dem Patienten 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.
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Bevorzugt weist die Operationseinrichtung auch eine Bildaufnahmeeinrichtung mit zumindest einer bewegbaren Bildaufnahmekomponente 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.
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Erfindungsgemäß wird also zunächst ein Kollisionsschutzsystem realisiert, das allerdings in mehreren unterschiedlichen Betriebsmodi betrieben werden kann, so dass eine adaptive Anpassung auf das tatsächlich für den Patienten bestehende Risiko gegeben ist. Innerhalb jedes Betriebsmodus werden üblicherweise Berechnungsvorgänge durchgeführt, um Kollisionswerte, umfassend beispielsweise eine Kollisionswahrscheinlichkeit, zu berechnen. Die Kollisionswerte können dann durch wenigstens 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 Sicherheitsbetriebsmodus aktiviert, bei dem höhere Sicherheitsanforderungen gestellt sind, insbesondere Kollisionen mit höherer Sicherheit vollständig vermieden werden können. Auf diese Weise kann insbesondere die Übertragung von Stößen/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 Berechnungsgenauigkeit, die Berechnungsverlässlichkeit, die Eingriffsschwelle, die Qualität von zugrundeliegenden Sensordaten und/oder weiteres verbessert werden.
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Um einen aktuell zu nutzenden Betriebsmodus des Kollisionsschutzsystems 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 Ermittlung 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 beispielsweise eine Bewegungskopplung zwischen dem Patienten und dem Assistenzroboter vorliegt bzw. während dieser Operationsphase wenigstens zeitweise vorliegen wird.
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Nachdem es mithin weitgehend ausreichend ist, den Normalbetriebsmodus des Kollisionsschutzsystems zu nutzen, beispielsweise 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. Verbesserte Sicherheitsmechanismen werden durch Aktivierung des Sicherheitsbetriebsmodus nur dann eingesetzt, wenn dies wirklich notwendig ist, wofür die aktuelle Operationsphase im Workflow analysiert wird. Somit treten beispielsweise rechenintensive, workflowhemmende und/oder langsame Sicherheitsmechanismen nur dann in Kraft, wenn bei Einsatz des Normalbetriebsmodus für den Patienten tatsächlich eine erhöhte Gefahr bestünde.
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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.
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Dabei kann es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch zweckmäßig sein, ein abgestuftes Sicherheitskonzept zu realisieren, 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 Sicherheitsbetriebsmodi 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 insbesondere 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.
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In einer ersten vorteilhaften, konkreten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass in wenigstens einem des wenigstens einen Sicherheitsbetriebsmodus wenigstens 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 Berechnung 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 diversitär 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 unterscheidet, insbesondere mithin unterschiedliche Algorithmen eingesetzt werden, um so festzustellen, ob denn auf beiden Berechnungswegen dasselbe Ergebnis erhalten wird, mithin eine Plausibilisierung 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.
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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 kritischer 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 Bewegung eine Zustimmbedienaktion benötigenden Komponenten in einer Sicherheitsgruppe von Komponenten zusammengefasst werden. Eine derartige Sicherheitsgruppe von Komponenten kann insbesondere die Bildaufnahmekomponente, die Patientenliege und die Assistenzkomponente umfassen. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass nicht alle Komponenten der medizinischen Operationseinrichtung zwangsläufig relevante Kollisionen liefern können, so dass eine Beschränkung auf die Komponenten erfolgen kann, bei welchen das erhöhte Kollisionsrisiko auch tatsächlich 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 näher erläutert werden wird.
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Bei einer manuellen Bewegbarkeit der entsprechenden Komponente, beispielsweise einer Bewegung der Patientenliege mittels eines Joysticks oder sonstigen Bedienhebels, kann mithin vorgesehen werden, dass in dem Sicherheitsbetriebsmodus zusätzlich die Zustimmbedienaktion, beispielsweise das Betätigen eines Zustimmtasters, erforderlich ist, um mittels des eigentlich 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 medizinischen Operationseinrichtung vorgesehen werden.
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Was automatisch durchgeführt vorgesehene Bewegungen von relevanten 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 Aufforderung zur Zustimmbedienaktion angezeigt wird. Daraufhin kann ein Bediener die vorzunehmende Bewegung einschätzen und beurteilen, ob sie eine Gefahr für den Patienten darstellen könnte.
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Allgemein kann für die Entgegennahme der Zustimmbedienaktion ein Zustimmbedienelement verwendet werden, wobei es besonders bevorzugt wird, wenn das Zustimmbedienelement während der gesamten Bewegung der Komponente betätigt zu halten ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass eine die Operation durchführende Person mit besonderer Vorsicht den Bewegungsvorgang überwacht und ihr die Kritikalität der Operationsphase bewusst gemacht wird.
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Eine dritte konkrete Ausgestaltung des Sicherheitsbetriebsmodus, die selbstverständlich auch mit den anderen Ausgestaltungen kombinierbar ist, sieht vor, dass in wenigstens einem des wenigstens einen Sicherheitsbetriebsmodus eine Bewegungsgeschwindigkeit wenigstens einer Komponente, insbesondere aller Komponenten, durch einen oberen Sicherheitsgrenzwert limitiert wird, der kleiner ist als ein außerhalb des Sicherheitsbetriebsmodus verwendeter Normalgrenzwert. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Sicherheitsgrenzwert nur 10 % oder weniger des Normalgrenzwerts beträgt, beispielsweise 1mm/s oder weniger. Das bedeutet, innerhalb des Sicherheitsbetriebsmodus werden zumindest Komponenten der Sicherheitsgruppe, 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.
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In einer weiteren, mit anderen Ausgestaltungen kombinierbaren konkreten Ausgestaltung des Sicherheitsbetriebsmodus kann vorgesehen sein, dass in wenigstens einem des wenigstens einen 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 verbesserten 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.
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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 Sicherheitsbetriebsmodus wenigstens ein im Normalbetriebsmodus deaktivierter Kollisionsschutzsensor aktiviert und dessen Sensordaten in Berechnungsvorgängen für den Kollisionsschutz berücksichtigt werden. Bei einem derartigen Kollisionsschutzsensor kann es sich beispielsweise um einen Ultraschallabstandsmesser und/oder einen an der Bildaufnahmekomponente angeordneten Sensor handeln. Im Gesamtsystem, also der medizinischen Operationseinrichtung, können mithin Kollisionsschutzsensoren vorgesehen sein, die nur im Sicherheitsbetriebsmodus aktiv geschaltet werden, beispielsweise da sie außerhalb des Sicherheitsbetriebsmodus zu viele Fehlauslösungen liefern würden. Ein Beispiel hierfür sind Ultraschallabstandsmesser, die an der Bildaufnahmekomponente, beispielsweise einem C-Bogen bzw. dem daran angeordneten Röntgendetektor und/oder Röntgenstrahler angeordnet sind. Derartige Ultraschallabstandsmesser 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 erhöhen.
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Allgemein ist es, wie bereits angedeutet, bevorzugt, wenn eine den Ablauf der Operation überwachende Zentralsteuereinrichtung 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 grundsätzlich vorgeschlagen, so dass eine Operationseinrichtung mit einer derartigen Steuereinrichtung bereits nützliche Workflowdaten kennt, aus denen die Kritikalität der aktuellen Operationsphase abgeleitet werden kann.
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Zweckmäßigerweise können die Workflowdaten wenigstens teilweise aus Sensordaten eines den Operationsbereich überwachenden Überwachungssensors und/oder aus Bilddaten der mit dem Assistenzroboter registrierten Bildaufnahmeeinrichtung ermittelt 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 Instrument bereits in Wechselwirkung mit dem Patienten steht oder nicht. Medizinische Instrumente lassen sich in den Bilddaten der Bildaufnahmeeinrichtung, beispielsweise einer Röntgeneinrichtung mit einem C-Bogen, besonders leicht detektieren, so dass auch in einer einfachen Auswertung entsprechend nützliche Workflowdaten ermittelt werden können und daraus eine Kritikalitätsinformation abgeleitet werden kann. Besonders bevorzugt ist es jedoch, dedizierte Überwachungssensoren einzusetzen, die selbstverständlich auch im Rahmen des eigentlichen Kollisionsschutzsystems, also im Normalbetriebsmodus und/oder im Sicherheitsbetriebsmodus, genutzt werden können. Eine konkrete Realisierung eines derartigen Überwachungssensors kann beispielsweise vorsehen, dass die ein Instrument aufnehmende Assistenzkomponente als Überwachungssensor einen bei bewegungsgekoppeltem Instrument geschlossenen Kontaktschalter aufweist. Sobald also das medizinische Instrument in die Assistenzkomponente, die beispielsweise als Führung für das Instrument dienen kann, eingesetzt ist, wird der Kontaktschalter automatisch betätigt und die Information über den Beginn einer kritischeren Operationsphase liegt vor. Selbstverständlich sind auch eine Vielzahl anderer konkreter Ausbildungen derartiger Überwachungssensoren möglich und denkbar.
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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 Abschluss einer den Patienten anfahrenden Trajektorie der Assistenzkomponente und/oder bei eine Bewegungskopplung eines Instruments mit der Assistenzkomponente beschreibenden Workflowdaten 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 Registrierung 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 werden.
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Als Möglichkeit zur Realisierung eines eine erhöhte Sicherheit zur Verfügung stellenden Sicherheitsbetriebsmodus ist es auch denkbar, die Genauigkeit der Berechnungsvorgänge zu erhöhen. 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.
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In diesem Kontext, aber auch allgemein, sieht eine zweckmäßige 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. Zumindest im Hinblick auf Kollisionen, die den Patienten betreffen, kann mithin die Kollisionsrechnung auf die Komponenten beschränkt werden, die bezüglich des kritischen Zustands relevant sind, insbesondere also die Komponenten der Sicherheitsgruppe, beispielsweise die Patientenliege, die Bildaufnahmekomponente und die Assistenzkomponente. Wird dies beispielsweise mit einer redundanten Berechnung im Sicherheitsbetriebsmodus kombiniert, kann beispielsweise der zusätzliche Berechnungsweg auf die Komponenten der Sicherheitsgruppe beschränkt werden. Auf diese Weise wird Rechenaufwand gespart.
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Neben dem Verfahren betrifft die Erfindung auch eine medizinische Operationseinrichtung, die eine Patientenliege für einen 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 Kollisionsschutzsystem realisierende Steuereinrichtung auszeichnet. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf die erfindungsgemäße medizinische Operationseinrichtung übertragen, mit welcher ebenso die bereits genannten Vorteile erhalten werden können.
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Ein erfindungsgemäßes Computerprogramm kann beispielsweise direkt in einen Speicher einer Steuereinrichtung einer medizinischen Operationseinrichtung ladbar sein und Programmmittel aufweisen, um die Schritte eines hierin beschriebenen Verfahrens auszuführen, wenn das Computerprogramm in der Steuereinrichtung ausgeführt wird. Das erfindungsgemäße Computerprogramm 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 Datenträgers in der Steuereinrichtung der medizinischen Operationseinrichtung ein hierin beschriebenes Verfahren durchführen. Bei dem Datenträger handelt es sich bevorzugt um einen nicht transienten Datenträger, beispielsweise eine CD-ROM.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße medizinische Operationseinrichtung, und
- 2 einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen medizinischen Operationseinrichtung 1. Auf einer Patientenliege 2, die auch als Patiententisch bezeichnet werden kann, kann ein hier ebenso angedeuteter, zu operierender Patient 3 gelagert 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.
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Die Operationseinrichtung 1 umfasst ferner einen Assistenzroboter 9, der eine über einen Roboterarm 10 in mehreren Freiheitsgraden 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 geführt, kann es zielgenau in einen Zielbereich 13 in dem Patienten 3 eingebracht werden, beispielsweise einen zu behandelnden Tumor und/oder anatomische Komponenten der Wirbelsäule. Das hier gezeigte Behandlungsgebiet 14 ist mithin nur beispielhaft zu verstehen.
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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.
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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 Workflowsteuerung. Die Konsole 17 ist vorliegend auch bewegbar gelagert und weist ein steril abgedecktes Bedienpanel 19 und eine Anzeigeeinrichtung 20 auf. Das Bedienpanel 19 kann es beispielsweise auch erlauben, Bewegungen von verschiedenen Komponenten, beispielsweise des C-Bogens 5 als Bildaufnahmekomponente, des Roboterarmes 10 und/oder Patientenliege 2, zu steuern. Das Bedienpanel 19 weist ferner ein Zustimmbedienelement 21 auf, dessen Funktion im Folgenden noch näher erläutert wird.
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Die Realisierung des adaptiven Kollisionsschutzes in Abhängigkeit der Operationsphase gemäß dem Operations-Workflow soll im Folgenden im Hinblick auf 2 an einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens genauer erläutert werden. Sowohl die Workflowsteuerung, mithin die Überwachung und Unterstützung des Operations-Workflows, als auch die Realisierung des Kollisionsschutzsystems finden durch die Steuereinrichtung 18 statt.
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In einem Schritt S1 beginnt der Operations-Workflow für eine Operation eines Patienten 3. Während des Ablaufs des Operations-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 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. Insbesondere steigt die Kritikalität, je wahrscheinlicher 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, somit 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 ermittelt 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, mithin mit dieser bewegungsgekoppelt ist.
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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 Registrierung abgeschlossen ist, da dann mit der eigentlichen Operation 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 Instruments 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.
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Wie dargelegt beschreibt die in Schritt S2 ermittelte Kritikalitätsinformation 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 Kritikalitätskriterium 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 Überschreitung des zuvor genannten bestimmten Schwellwerts. Befindet sich der Kritikalitätswert bereits in dem Kritikalitätsintervall, das dem aktuellen Betriebsmodus des Kollisionsschutzsystems zugeordnet ist, wird gemäß dem Pfeil 22 wieder zu dem Schritt S2 zurückgekehrt und die Kritikalitätsinformation wird ständig weiter aktualisiert. Ist jedoch ein Wechsel des Betriebsmodus des Kollisionsschutzsystems erforderlich, wird in einem Schritt S4 der Betriebsmodus eingestellt, 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 überschritten, wird in dem bzw. einen Sicherheitsbetriebsmodus umgeschaltet und umgekehrt.
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Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Sicherheitsbetriebsmodus 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 Erhöhung der Sicherheit nach Abschluss der Registrierung zwischen der Bildaufnahmeeinrichtung 4 und dem Assistenzroboter 9, eine weitere Erhöhung der Sicherheit in einem zweiten Sicherheitsbetriebsmodus bei Erreichen des Endpunkts der Anfahrtrajektorie 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.
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Vom Normalbetriebsmodus zum (im nun diskutierten Beispiel einen) 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 tatsächlich notwendig sind.
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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 Kollisionsschutzsystems sichergestellt werden. Zur genaueren Berechnung wird vorliegend zum einen die Berechnung auf die für den Patienten kritischen Komponenten, die in einer Sicherheitsgruppe zusammengefasst sind, reduziert, hier die Assistenzkomponente 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 Sicherheitszonen 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.
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Ferner sieht der Sicherheitsbetriebsmodus vor, dass die Bewegung von Komponenten, insbesondere der Komponenten der erwähnten Sicherheitsgruppe, nur dann möglich ist, wenn eine Zustimmbedienaktion eines Bedieners vorliegt. Die Zustimmbedienaktion 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.
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In dem Sicherheitsbetriebsmodus ist ferner die Bewegungsgeschwindigkeit der Komponenten, insbesondere aller Komponenten oder zumindest der Komponenten der Sicherheitsgruppe, durch einen oberen Sicherheitsgrenzwert stark limitiert. Der Sicherheitsgrenzwert ist dabei selbstverständlich kleiner als ein außerhalb des Sicherheitsbetriebsmodus im Normalbetriebsmodus verwendeter Normalgrenzwert. Vorliegend liegt der Sicherheitsgrenzwert im Sicherheitsbetriebsmodus beispielhaft bei einem Millimeter pro Sekunde, so dass eine äußerst langsame, gut überwachbare Bewegung vorliegt, die zudem im Notfall schnell und mit kurzen Anhaltewegen unterbrochen werden kann.
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Im Sicherheitsbetriebsmodus werden vorliegend in 1 angedeutete zusätzliche Kollisionsschutzsensoren 23 aktiviert, vorliegend Ultraschallabstandsmesser, die an dem Röntgendetektor 7 (und ggf. auch am Röntgenstrahler 6) als Bildaufnahmekomponente bzw. Teil einer Bildaufnahmekomponente vorgesehen 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.
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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 vorgenommen werden können, frühere Eingriffe erfolgen können und/oder sogar zusätzliche Maßnahmen und/oder Maßnahmenkriterien eingesetzt werden, um die Sicherheit zu erhöhen.
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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.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
