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Die
Erfindung betrifft eine Steuerungsvorrichtung für feinmechanische
oder chirurgische Anwendungen, beispielsweise zur Verwendung in
Endoskopen oder dergleichen.
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Die
Erfindung betrifft insbesondere eine Steuerungsvorrichtung für
Instrumente für hoch genaue mechanische Anwendungen oder
chirurgische Anwendungen im minimal-invasiven Bereich.
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Solche
Steuerungsvorrichtungen sind im Stand der Technik bekannt und weisen
einen proximalen, das heißt dem Benutzer/Chirurgen zugewandten,
und einen von ihm abgewandten oder distalen Endabschnitt auf, der
jeweils eine Gelenkzone umfasst, sowie einen zwischen den Endabschnitten angeordneten,
häufig biegesteif ausgestalteten Mittelabschnitt. Sie umfassen
ferner einen äußeren hohlzylindrischen Schaft,
einen inneren hohlzylindrischen Schaft sowie ein zwischen diesen
Schäften angeordnetes Steuerungselement mit zwei oder mehr,
sich im Wesentlichen vom proximalen zum distalen Endabschnitt der
Steuerungsvorrichtung erstreckenden, Kraft übertragenden
Längselementen. Die Kraft übertragenden Längselemente
werden in Umfangsrichtung der Steuerungsvorrichtung im Wesentlichen
regelmäßig angeordnet und sind im Bereich des
proximalen und des distalen Endabschnittes jeweils in Umfangsrichtung
miteinander verbunden. Über die Längselemente
lassen sich Zug- und Druckkräfte Übertragen, mit
denen sich eine Schwenkbewegung am proximalen Endabschnitt in eine
entsprechende Schwenkbewegung am distalen Endabschnitt umsetzen
lässt.
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Steuerungsvorrichtungen
dieser Art sind zum Beispiel aus der
WO 2005/067785 A1 bekannt, bei
der eine Vielzahl von Kraft übertragenden Längsele menten
in Form von Drähten oder Kabeln verwendet werden, welche
in Umfangsrichtung direkt aneinander anliegend angeordnet sind und
sich so gegenseitig seitlich führen. Für die Führung
der Kraft übertragenden Längselemente in Radialrichtung
stehen der äußere und der innere hohlzylindrische
Schaft zur Verfügung, so dass eine Führung der
Kraft übertragenden Längselemente in jeder Richtung
gewährleistet ist.
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Am
proximalen Ende der Steuerungsvorrichtung wird in der Regel ein
von Hand zu betätigendes Griffteil montiert, an dessen
Stelle selbstverständlich auch Motor betriebene Bedienelemente
treten können, während an dem distalen Ende, das
auch Kopf genannt wird, Werkzeuge, Kameras, Beleuchtungselemente
und dergleichen angeschlossen werden können.
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Mit
solchen die Steuerungsvorrichtung beinhaltenden Instrumenten lassen
sich im mechanischen Bereich beispielsweise komplizierte und schwer
zugängliche Innenräume, beispielsweise Motoren,
Maschinen, Radiatoren und dergleichen, inspizieren und reparieren
oder aber die oben angesprochenen Operationen im minimal-invasiven
Bereich durchführen.
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Bisher
bekannte Steuerungsvorrichtungen erzeugen eine Bewegung des distalen
Endabschnittes mit einer jeweils entgegengesetzten Schwenkrichtung,
die darüber hinaus auch auf dieselbe Schwenkebene beschränkt
ist.
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Auch
wenn bei manchen System Schwenkbewegungen in vielen verschiedenen
Richtungen möglich sind, bleibt dieses Prinzip der Auslenkung des
distalen Endes in entgegengesetzter Richtung zu der Auslenkung des
proximalen Endes in derselben Ebene erhalten.
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Bei
einer Reihe von Anwendungen sowohl im mechanischen als auch im medizinischen
Bereich sind einer Bewegung am proximalen Ende bestimmte räumliche
Grenzen gesetzt, so dass diese Steuerungsvorrichtungen nicht immer
optimal eingesetzt werden können.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, diesem Problem abzuhelfen.
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In
diesem Zusammenhang schlägt die Erfindung vor, dass bei
der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung die
distalen Enden der Längselemente in Umfangsrichtung in
Winkelpositionen festgelegt sind, die von den Winkelpositionen,
in denen die jeweils zugehörenden proximalen Enden festgelegt
sind, verschieden sind.
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Je
nach Anwendungsfall ist vorstellbar, dass für die Steuerungsvorrichtung
ein Satz an Steuerungselementen vorhanden ist, bei denen die Differenz
der Winkelpositionen der Enden der Kraft übertragenden
Längselemente in Umfangsrichtung variiert.
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Abweichungen
der Winkelpositionen in der Umfangsrichtung, ab denen ein zusätzlicher
Nutzen in der Handhabung zu erwarten ist, beginnen bei ca. 10° und
reichen bis ca. 350°.
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Insbesondere
sind Differenzen in den Winkelpositionen am proximalen und distalen
Endabschnitt im Bereich von ca. 45° bis ca. 315° von
Interesse, weiter bevorzugt im Bereich von ca. 150° bis ca.
210°.
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Besondere
Bedeutung haben Steuerungsvorrichtungen der vorliegenden Erfindung,
bei denen die Winkelpositionen eine Differenz von ca. 180° aufweisen,
so dass eine spiegelbildliche Bewegung des proximalen und distalen
Endabschnittes in einer Ebene erzeugt werden kann.
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Bei
einer der bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Steuerungsvorrichtung ist vorgesehen, dass die Kraft übertragenden
Längselemente des Steuerungselementes von einander lateral
beabstandet angeordnet sind.
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Um
die lateral beabstandeten Kraft übertragenden Längselemente
in ihrer Umfangsposition zu stabilisieren, kann vorgesehen sein,
dass zwischen den Kraft übertragenden Längselementen
Abstandshalter angeordnet sind. Diese können beispielsweise in
Form von Führungsösen an einem der Schäfte festgelegt
sein.
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Vorstellbar
ist aber auch, dass zwischen den Kraft übertragenden Längselementen
zusätzliche Längselemente vorhanden sind, die
lediglich zwischen den Kraft übertragenden Längselementen
angeordnet sind und als Abstandshalter fungieren.
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Alternativ
kann vorgesehen sein, dass die Längselemente entlang der
Längsrichtung mindestens partiell in direktem Kontakt miteinander
angeordnet sind, wobei ein mehrfacher, im Wesentlichen punktförmiger
Kontakt zwischen den Längselementen oft ausreicht, um diese
in lateraler Richtung, das heißt in Umfangsrichtung, zu
stabilisieren.
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Bei
bevorzugten Steuerungsvorrichtungen der vorliegenden Erfindung werden
die Längselemente von dem äußeren und
dem inneren Schaft in Radialrichtung so geführt, so dass
unabhängig davon, ob die Längselemente lateral
beabstandet angeordnet sind oder partiell oder über die
gesamte Länge miteinander in direktem Kontakt stehen, eine
ausreichende Stabilisierung ihrer Geometrie gegeben ist, um eine
winkelgenaue Kraftübertragung vom proximalen zum distalen
Endabschnitt zu gewährleisten.
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Die
Anordnung der Längselemente in Umfangsrichtung zur Erzielung
der unterschiedlichen Winkelpositionen am proximalen und distalen
Ende kann in verschiedener Weise erreicht werden.
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Bei
einer ersten Variante sind die Kraft übertragenden Längselemente
mindestens über einen Teil ihrer gesamten Länge
schraubenlinienförmig zwischen den Schäften angeordnet.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kraft übertragenden
Längselemente über ihre gesamte Länge
schraubenlinienförmig zwischen den Schäften angeordnet.
Hier ergibt sich im Hinblick auf die typische Länge der
Steue rungsvorrichtung von 10 cm und deutlich mehr und bei einem
typischen Durchmesser von wenigen Millimetern eine extrem hohe Steigung
der Schraubenlinienform oder anders ausgedrückt, eine sehr
geringe Abweichung von der Parallelität zur Längsrichtung
der Steuerungsvorrichtung, die wenige Winkelgrade bis einen Bruchteil
eines Winkelgrades ausmacht.
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Bei
einer weiteren Alternative ist vorgesehen, dass die Kraft übertragenden
Längselemente im Bereich der proximalen oder distalen Enden
im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung der Steuerungsvorrichtung
angeordnet sind und in einem dazwischen liegenden Bereich schraubenlinienförmig angeordnet
sind.
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Bei
einer weiteren Variante ist vorgesehen, dass die Kraft übertragenden
Längselemente einen oder mehrere Abschnitte im Bereich
zwischen ihren proximalen und distalen Enden aufweisen, welche parallel
zur Steuerungsvorrichtung angeordnet sind, wobei andere Abschnitte,
insbesondere die proximalen und distalen Enden schraubenlinienförmig
angeordnet sind.
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Obwohl
bei den letzten beiden Varianten nur ein Teil der Gesamtlänge
des Steuerungselements zur Erzielung des Winkelversatzes zur Verfügung steht,
werden immer noch nur geringe Winkelabweichungen von der Längsrichtung
notwendig.
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Gemäß einer
Variante der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung
sind die Kraft übertragenden Längselemente als
Kabel oder Drähte ausgebildet.
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Bei
einer anderen Variante weisen die Kraft übertragenden Längselemente
einen bananenförmigen Querschnitt auf.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die
Steuerungsvorrichtung ein Steuerungselement auf, welches ein hohlzylindrisches Bauteil
umfasst, dessen Zylinderwand mindestens im Bereich eines Abschnitts
zwi schen dem proximalen und distalen Ende in zwei oder mehr Wandsegmente unterteilt
ist, die die Kraft übertragenden Längselemente
bilden.
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Hierbei
können die zwei oder mehr Wandsegmente am distalen Ende
des hohlzylindrischen Bauteils über einen Ringbund fest
miteinander verbunden sein.
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Weiterhin
können die zwei oder mehr Wandsegmente im Bereich des proximalen
Endes des hohlzylindrischen Bauteils fest miteinander verbunden
sein.
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Besonders
bevorzugt wird das hohlzylindrische Bauteil einstückig
ausgebildet. Hier ist die Handhabung beim Zusammenbau der Steuerungsvorrichtung
besonders einfach. Außerdem lässt sich das einstückige
Bauteil mit besonderer Präzision bezüglich der
gegenseitigen Ausrichtung der Wandsegmente herstellen.
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Steuerungsvorrichtungen
mit dieser Ausgestaltung weisen insbesondere ein hohlzylindrisches Bauteil
auf, welches aus einem einzigen Röhrchen gefertigt ist,
wobei die Unterteilung der Zylinderwand in Wandsegmente vorzugsweise
mittels Laserstrahlschneiden erfolgt.
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Steuerungsvorrichtungen
dieser Art lassen sich ferner mit sehr kleinen Außendurchmessern
realisieren, beispielsweise ca. 2 mm oder weniger, insbesondere
auch ca. 1,5 mm, und trotzdem bleibt ein ausreichend großes
Lumen im Inneren erhalten, über das weitere Funktionen
realisiert werden können. Beispielsweise reicht das Lumen
noch aus, um Gewebestücke aus dem Operationsbereich abtransportieren,
insbesondere absaugen, zu können oder um eine Lichtquelle
und zugehörige Optik zu dem Operationsbereich zu bringen.
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Selbstverständlich
sind die erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtungen
auch mit beliebig großen Durchmessern möglich.
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Als
Werkstoff zur Herstellung des Steuerungsvorrichtung, insbesondere
des Steuerungselements in Form des hohlzylindrischen Bauteils bieten sich
insbesondere Stahllegierungen oder Nitinol an.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Zylinderwand über
den größten Teil, insbesondere nahezu über
die gesamte Länge in Axialrichtung zur Ausbildung der Kraft übertragenden Längselemente
geschlitzt. Die Längselemente werden dabei von Zylinderwandsegmenten
gebildet, die im Querschnitt eine Kreisbogenform aufweisen.
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Bevorzugt
weisen die Wandsegmente im Querschnitt eine Kreisbogenform auf,
die einem Bogenwinkel von ca. 20° oder mehr, insbesondere
30° oder mehr entspricht.
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Die
Zahl der Wandsegmente liegt bevorzugt im Bereich von 4 bis 16, weiter
bevorzugt im Bereich von 6 bis 12.
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Der
Abstand der Wandsegmente in Umfangsrichtung von einander (entspricht
der Schlitzbreite) beträgt in Winkelgraden gemessen vorzugsweise
ca. 2° bis 15°, weiter bevorzugt ca. 4° bis
ca. 8°.
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Die
Schlitzbreite, wie sie beim Laserstrahlschneiden entsteht, kann
bei Bedarf vergrößert werden, so dass die verbleibenden
streifenförmigen Wandsegmente berührungslos gegeneinander
bewegt werden können. Aufgrund der kreissegmentartigen
Querschnitte der Längselemente bleibt der berührungslose
Zustand der Längselemente auch im Falle der Zug- oder Druckbelastung
auch in den Gelenkbereichen erhalten; dies gilt insbesondere bei
einer Führung der Längselemente in Radialrichtung zwischen
einem inneren und einem äußeren Schaft.
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Die
beiden Endbereiche des hohlzylindrischen Elements bleiben ungeschlitzt,
so dass die Längselemente über Ringbünde
miteinander verbunden bleiben.
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Die
proximalen und distalen Gelenkzonen der Steuerungsvorrichtung können
in verschiedener Weise realisiert werden.
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Vorzugsweise
weisen die Gelenkzonen des äußeren und/oder inneren
Schafts in Umfangsrichtung verlaufend mehrere Schlitze auf, die
von einander durch Wandbereiche in Umfangsrichtung bzw. Axialrichtung
von einander getrennt sind.
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Auch
hier können für den äußeren
bzw. inneren Schaft einstückig ausgebildete Röhrchen
zum Einsatz kommen.
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Zusammen
mit einem aus einem einstückigen Röhrchen hergestellten
Steuerungselement, wie dies bereits weiter oben beschrieben wurde,
ergibt sich im einfachsten Fall eine aus drei ineinandergeschobenen
Röhrchen mit den Funktionen äußerer Schaft,
Steuerungselement und innerer Schaft eine sehr dünnwandige
und trotzdem mechanisch belastbare Struktur, wobei mittels der Steuerungsvorrichtung
platzierte Steuerungsvorrichtung, beispielsweise Greifer, bedient
und positioniert werden können, ohne dass es zum Übersprechen
der Bewegung des einen auf das andere Element kommt. Insbesondere kann
z. B. ein Greifer innerhalb der Steuerungsvorrichtung geführt
und gedreht werden, ohne dass sich dabei der Schwenkwinkel und die
Position des Steuerungselements selbst ändert oder die
Greiferfunktion als solche beeinflusst wird. Ebenso wenig werden Gegenbewegungen
hervorgerufen; Drehbewegungen um 360° sind problemlos möglich.
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Darüber
hinaus können diese Steuerungsvorrichtungen einfach auseinander
genommen, sterilisiert und wieder zusammengebaut werden.
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Bevorzugt
weist ein jeweiliger Wandabschnitt in Umfangsrichtung zwei oder
mehr, insbesondere drei oder mehr Schlitze hintereinander angeordnet
auf. Die Schlitze sind dabei bevorzugt in Umfangsrichtung mit gleichen
Abständen zueinander angeordnet.
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In
Axialrichtung weisen die Gelenkzonen bevorzugter Steuerungsvorrichtungen
drei oder mehr Schlitze nebeneinander angeordnet auf, wobei bevorzugt
die nebeneinander angeordneten Schlitze in Umfangsrichtung gegeneinander
versetzt angeordnet sind. Die Abstände, in denen die Schlitze
in Axialrichtung zu einander beabstandet angeordnet sind, können
gleich sein oder variieren, wobei hiermit die Gelenkeigenschaften,
insbesondere der Biegeradius, beeinflusst werden können.
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Typischerweise
wird vorgesehen, dass die Schlitze die Zylinderwand vollständig
durchdringende Schlitze sind. Gute Biegeeigenschaften lassen sich
allerdings auch erzielen, wenn die Schlitze die Wand des Schafts
nicht vollständig durchsetzen, sondern insbesondere vor
dem Erreichen des Innenumfangs enden. Damit bleibt die Wand des
Schafts insgesamt geschlossen, was in einigen Anwendungen insbesondere
beim äußeren Schaft erwünscht sein kann.
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Eine
bevorzugte Geometrie der Schlitze liegt vor, wenn die die Schlitze
begrenzenden Wandflächen in einem spitzen Winkel zur Radialrichtung
angeordnet sind. Vorzugsweise werden dabei gegenüberliegende
Wandflächen desselben Schlitzes spiegelbildlich angeordnet,
so dass sich am Außenumfang eines Schafts eine größere
Schlitzbreite ergibt als benachbart zum Innenumfang.
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In
Axialrichtung von einander beabstandete Schlitze werden vorzugsweise
in Umfangsrichtung überlappend, jedoch gegeneinander versetzt
angeordnet, so dass sich eine regelmäßige Anordnung der
Schlitze ergibt.
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Die
Wandflächen der Schlitze können dabei gegen die
Axialrichtung unter einem Winkel geneigt sein, der von 90° abweicht,
so dass die Breite der Schlitze am Außenumfang größer
ist als am Innenumfang des äußeren Schafts. Damit
lassen sich auch bei kleinen Schlitzbreiten ausreichend große Schwenkwinkel
realisieren, ohne dass die Zahl der Schlitze vergrößert
werden müsste bzw. der Gelenkbereich sich über
eine größere axiale Länge erstrecken
müsste.
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Gemäß einer
Variante weist der innere und/oder der äußere
Schaft im Bereich der proximalen und distalen Gelenkzonen der Steuerungsvorrichtung
einen proximalen und einen distalen Gelenkabschnitt auf. Vorzugsweise
wird mindestens der äußere Schaft proximale und
distale Gelenkabschnitte umfassen.
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Typischerweise
ist die Steuerungsvorrichtung in ihrem Mittelabschnitt biegesteif
ausgebildet.
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Gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung ist mindestens einer der äußeren
und inneren Schäfte im Längenbereich zwischen
den proximalen und distalen Gelenkzonen mit einem biegesteifen Abschnitt
ausgerüstet, der die Biegesteifheit des Mittelabschnittes
der Steuerungsvorrichtung realisiert.
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Während
in vielen Fällen die proximale und die distale Gelenkzone
gleich ausgebildet sind und insbesondere eine gleiche Ausdehnung
in Längsrichtung der Steuerungsvorrichtung aufweisen, ist
dies nicht zwingend erforderlich.
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Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass die proximale und die distale Gelenkzone
verschieden, insbesondere auch verschieden lang ausgebildet sind,
so dass sich eine entsprechende Schwenkbewegung der proximalen Gelenkzone
in einer geringeren oder verstärkten Schwenkbewegung des
distalen Endabschnitts auswirkt.
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Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass die Schwenkbewegung der proximalen und/oder
distalen Gelenkzone einstellbar ist. Dies kann beispielsweise geschehen,
indem die Ausdehnung der proximalen und/oder der distalen Gelenkzone
variiert wird, und damit das Schwenkverhalten der beiden Gelenkzonen
zueinander verändert wird.
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Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass die Steuerungsvorrichtung eine Haltevorrichtung
umfasst, mit der Teile einer der Gelenkzonen biegefest bezüglich
des Mittelabschnittes der Steuerungsvorrichtung oder eines sich
an deren pro ximalen oder distalen Endabschnitt anschließenden
Funktionseinheit fixierbar sind.
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So
kann bei einer Variante der erfindungsgemäßen
Steuerungsvorrichtung die Haltevorrichtung eine parallel zur Längsachse
des Mittelabschnittes, der in diesem Fall biegesteif ausgebildet
ist, eine verschiebliche, biegesteife Hülse umfassen.
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Je
nach Position der Hülse in Längsrichtung zum Mittelabschnitt
kann der proximale und/oder distale Endabschnitt und die dort vorgesehene
Gelenkzone in ihrer Länge beeinflusst und in ihrem Schwenkverhalten
beeinflusst werden.
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Vorzugsweise
wird dabei die biegesteife Hülse am Außenumfang
des biegesteifen Schafts angeordnet, so dass das Lumen der Steuerungsvorrichtung
unbeeinflusst bleibt. Sollte das Lumen der Steuerungsvorrichtung
für bestimmte Anwendungsfälle ausreichend groß sein,
kann natürlich eine biegesteife Hülse auch im
Inneren des Lumens angeordnet werden. Einfacher sind jedoch die
Verschieblichkeit und insbesondere auch die Festlegung der biegesteifen
Hülse zu realisieren, wenn diese am Außenumfang
des äußeren Schaftes angeordnet ist.
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Gemäß einer
anderen Variante kann die Haltevorrichtung an der Funktionseinheit,
die an das proximale oder distale Ende der Steuerungsvorrichtung gekoppelt
ist, ein abstützendes Halteelement umfassen. Auf diese
Weise lässt sich die Gelenkzone von Seiten des distalen
bzw. proximalen Endes her in ihrem Schwenkverhalten beeinflussen.
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Gemäß einer
weiteren Variante der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung
ist die Haltevorrichtung in einer vorgegebenen Stellung positionierbar
und insbesondere auch festlegbar. Damit besteht die Möglichkeit,
wiederholbar und genau vorgebbar das Schwenkverhalten von distalem
und proximalem Endabschnitt zueinander vorab einzustellen oder wieder
einzustellen.
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Gemäß einer
weiteren Variante der erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung
ist vorgesehen, dass mindestens eine der Gelenkzonen elastisch ausgebildet
ist, so dass wenn die zur Verschwenkung der Endabschnitte eingeleiteten
Kräfte aufhören zu wirken, sich die Steuerungsvorrichtung wieder
in ihre ursprüngliche gerade Stellung zurückstellt.
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Diese
und weiter Vorteile der Erfindung werden im Folgenden anhand der
Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen im Einzelnen:
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1 den
Aufbau einer Steuerungsvorrichtung gemäß dem Stand
der Technik;
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2 eine
Steuerungsvorrichtung des Standes der Technik gemäß 1 in
abgewinkeltem Zustand;
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3 eine
Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung;
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4A und B zwei Varianten einer ersten Ausführungsform
eines Steuerungselementes einer erfindungsgemäßen
Steuerungsvorrichtung;
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5A und B zwei Varianten einer zweiten Ausführungsform
eines Steuerungselementes einer erfindungsgemäßen
Steuerungsvorrichtung;
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6A und B zwei Varianten einer dritten Ausführungsform
eines Steuerungselementes einer erfindungsgemäßen
Steuerungsvorrichtung;
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7A und
B einen Querschnitt durch ein bevorzugtes Steuerungselement bzw.
eine bevorzugte Steuerungsvorrichtung der Erfindung;
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8A und
B Detailansichten bevorzugter Varianten des inneren und äußeren
Schafts einer erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtung;
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9 eine
Gesamtansicht einer weiteren erfindungsgemäßen
Steuerungsvorrichtung; und
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10 eine
Gesamtansicht einer weiteren erfindungsgemäßen
Steuerungsvorrichtung.
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Die
1 zeigt
den Aufbau einer Steuerungsvorrichtung
10, wie sie aus
dem Stand der Technik bekannt ist, beispielsweise der
WO 2005/067785 A1 .
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Hierbei
umfasst die Steuerungsvorrichtung 10 einen äußeren
hohlzylindrischen Schaft 12, einen inneren hohlzylindrischen
Schaft 14 sowie ein zwischen diesen Schäften angeordnetes
Steuerungselement 16.
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Der äußere
und der innere Schaft 12, 14 sowie das Steuerungselement 16 weisen
im Wesentlichen gleiche Längen auf und sind bezüglich
ihrer Außen- und Innendurchmesser bzw. Wandstärken
so dimensioniert, dass das Steuerungselement passgenau in den äußeren
Schaft eingeschoben werden kann und der innere Schaft 14 passgenau
in das Innere des Steuerungselementes 16. Das Innere des inneren
Schafts 14 bleibt als Lumen frei für die Einführung
von Instrumentensteuerungen, Zuleitungen zu einer Kamera oder anderen
optischen Elementen und dergleichen. Das Steuerungselement 16 ist
in Radialrichtung durch die Wandungen des äußeren und
des inneren Schaftes 12, 14 geführt.
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Die
Steuerungsvorrichtung 10 weist einen proximalen Endabschnitt 18 sowie
einen distalen Endabschnitt 20 auf, die jeweils eine Gelenkzone 22 bzw. 24 umfassen.
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Typischerweise
wird die Gelenkzone
22,
24 durch eine entsprechende
Ausgestaltung des äußeren und/oder inneren Schaftes
12,
14 gebildet,
wobei im Stand der Technik vielfältige Vorschläge
hierzu verzeichnet sind, unter anderem auch in der
WO 2005/067785 A1 .
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In 1 sind
die Gelenkzonen 21, 24 lediglich in Form von faltenbalgartigen
Strukturen angedeutet.
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In
den 1a, 1b und 1c sind die einzelnen Elemente der Steuerungsvorrichtung 10 der 1 nochmals
dargestellt, wobei 1a den äußeren Schaft 12, 1b das Steuerungselement 16 und 1c den inneren Schaft 14 repräsentiert.
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Der äußere
Schaft 12 weist in den Bereichen, die den Gelenkzonen 22 und 24 entsprechen, eine
Struktur auf, die die Gelenkigkeit bzw. Biegbarkeit des äußeren
Schaftes 12 in diesen Bereich gewährleistet. Beispielsweise
können hier, wie zuvor erwähnt, faltenbalgartige
Strukturen verwendet werden. Alternativ kann auch durch eine Schwächung der
Wandung des äußeren Schaftes 12 in den
den Gelenkzonen 22, 24 entsprechenden Abschnitten
die entsprechende Biegbarkeit bzw. Flexibilität hergestellt
werden.
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Der
innere Schaft 14 in 1c kann
eine ähnliche Struktur aufweisen wie der äußere
Schaft 12 in 1a, so dass
auf die Beschreibung der 1a verwiesen
werden kann.
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Das
Steuerungselement 16 der 1b umfasst
eine Vielzahl, im vorliegenden Beispiel acht, Kraft übertragende
Längselemente, die parallel zur Längsrichtung
des Steuerungselements 16 angeordnet sind und die an den
jeweiligen Enden des Steuerungselements 16 in Umfangsrichtung
lateral miteinander zu Ringbünden 28, 30 verbunden
sind.
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Aufgrund
der Führung der Kraft übertragenden Längselemente 26 zwischen
dem äußeren und dem inneren Schaft 12, 14 in
der Steuerungsvorrichtung 10 resultiert bei einem Schwenken
des proximalen Endabschnittes 18 eine in gleicher Schwenkebene
jedoch in entgegengesetzter Richtung verlaufende Abwinkelung am
distalen Endabschnitt im Bereich der Gelenkzone 24 um denselben
Winkelbetrag. Eine solche Situation ist in 2 dargestellt.
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Im
Gegensatz hierzu ist es mit der erfindungsgemäßen
Steuerungsvorrichtung möglich, eine Verschwenkung des distalen
Gelenkabschnittes in beliebig vorgebbare andere Richtungen bezüglich der
Verschwenkbewegung des proximalen Endes durchzuführen,
auch in Richtungen, die nicht in derselben Ebene liegen.
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Ein
Beispiel hierfür ist in 3 anhand
einer erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung 34 gezeigt,
deren im Folgenden anhand der 4, 5 und 6 noch
zu diskutierende, erfindungsgemäß ausgebildete
Steuerungselemente, beispielsweise bei einer Verschwenkbewegung
des proximalen Abschnittes 36 nach oben eine Verschwenkbewegung des
distalen Abschnittes 38 ebenfalls nach oben in derselben
Ebene hervorrufen.
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Bei
den erfindungsgemäß ausgebildeten Steuerungselemente
sind hierzu die Kraft übertragenden Längselemente
mit ihren proximalen und distalen Enden in Winkelpositionen in Umfangsrichtung festegelegt,
die um 180° differieren.
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Die
hierfür typischerweise verfügbaren Ausführungsformen
und deren Varianten sind schematisch in den 4 bis 6 dargestellt.
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4A zeigt ein Steuerungselement 40 für die
erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung 34, bei
der acht Kraft übertragende Längselemente 42 über
ihre gesamte Länge schraubenlinienförmig angeordnet
und mit einem Versatz von 180° an proximalen und distalen
Ringbünden 44, 46 festgelegt sind.
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Im
Hinblick darauf, dass die Durchmesser typischer Steuerungselemente
nur wenige Millimeter betragen, andererseits die erforderliche Länge
der Steuerungselemente 10 cm oder deutlich mehr betragen, sind die
Winkel, in denen die schraubenlinienförmig angeordneten
Längselemente von der Längsrichtung der Steuerungselemente
abweichen, erheblich kleiner als dies die 4 bis 6 jeweils
eventuell suggerieren. Um dies besser zu verdeutlichen, werden zwei
Zahlenbeispiele hier vorgestellt:
Bei einem Instrument, wie
es typischerweise in der Neurochirurgie eingesetzt wird, beträgt
die Länge der Steuerungsvorrichtung ca. 30 cm, die Länge
des zugehörigen Steuerungselements 40 beträgt
damit ebenfalls 30 cm. Der Außendurchmesser des Steuerungselements 40 beträgt
typischerweise 1,7 mm. Wählt man einen Winkelversatz von
180°, mit dem die proximalen und distalen Enden der Kraft übertragenden
Längselemente 42 an den Ringbünden 44, 46 festgelegt
sind, so resultiert eine Schraubenlinienform der Längselemente,
bei der die Schraubenlinie mit einem Winkel von ca. 0,5° gegen
die Längsachse des Elements geneigt ist.
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Bei
einem in der Laparoskopie eingesetzten Instrument hat die Steuerungsvorrichtung
eine Länge von beispielsweise 22 cm, der die Länge
des Steuerungselements 40 entspricht. Der Außendurchmesser
des Steuerungselements 40 ist verhältnismäßig groß und
beträgt ca. 9,7 mm. Bei dieser kürzeren Länge
der Steuerungsvorrichtung 10 bei gleichzeitig deutlich
größerem Durchmesser erhält man einen Winkel
von 3,9°, mit dem die Schraubenlinie, entlang der die Kraft übertragenden
Längselemente 42 angeordnet sind, gegen die Längsachse
des Steuerungselements 40 geneigt sind.
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Die
beiden vorstehend geschilderten Beispiele können als Extrembeispiele
verstanden werden, und bei einer überwiegenden Vielzahl
von erfindungsgemäßen Steuerungsvorrichtungen 10 werden sich
die Neigungswinkels der Längselemente 42 gegen
die Längsachse des Steuerungselements 40 in den
in diesen Beispielen aufgezeigten Grenzen halten.
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4B zeigt eine alternative Ausführungsform
als Steuerungselement 40', welches aus einem einstückigen
Röhrchen 41 beispielsweise durch Laserstrahlschneiden
gefertigt ist.
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Die
in dem Röhrchen 41 durch Laserstrahlschneiden
gebildeten Schlitze 43 verlaufen fast über die
gesamte Länge des Röhrchens 41, so dass
lediglich am proximalen und distalen Ende ungeschlitzte Ringbünde 44', 46' verbleiben,
die die als Kraft übertragende Längselemente fungierenden
Wandsegmente 45 jeweils miteinander verbinden.
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5A zeigt eine alternative Ausführungsform
zu dem erfindungsgemäßen Steuerungselement 40 in
Form eines Steuerungselementes 50, bei dem acht Längselemente 52 in
proximalen bzw. distalen Ringbünden 54, 56 festgelegt
sind, wobei wiederum ein Winkelversatz in der Festlegung der proximalen
zu den distalen Enden von 180° gegeben ist. Die Längselemente 52 gliedern
sich dabei in drei verschiedene Abschnitte, wobei der erste Abschnitt 57 benachbart
zum proximalen Ringbund 54 angeordnet ist und Abschnitte
der Längselemente 52 parallel zur Längsrichtung
des Steuerelementes 52 ausgerichtet umfasst.
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Entsprechend
ist in einem an den distalen Ringbund 56 angrenzenden Abschnitt 59 ein
Bereich der Längselemente 52 ebenfalls parallel
zu der Längsrichtung des Steuerungselementes 50 angeordnet.
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In
dem dazwischen liegenden Abschnitt 58 verlaufen die dort
verbleibenden zwischen den Abschnitten 57 und 59 verlaufenden
Bereiche der Längselemente entlang von Schraubenlinien,
wobei hier die Schraubenlinien mit einem etwas größeren
Winkel zur Längsrichtung des Steuerungselementes 50 angestellt
sind als dies im Ausführungsbeispiel der 4 der
Fall ist, so dass auf einer kürzeren Strecke ebenfalls
ein Winkelversatz der Enden der jeweiligen Längselemente,
die an den Ringbünden 54, 56 festgelegt
sind, von 180° erreicht werden kann.
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Selbst
bei diesem Beispiel, bei dem für den mittleren Abschnitt
nur ca. 50% der Länge des Steuerungselementes zur Verfügung
steht, bleiben die Winkel, in der die Schraubenlinien entgegen der Längsrichtung
des Steuerungselementes 50 angestellt sind, bei sehr kleinen
Werten.
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Analog
zu 4B zeigt 5B eine
alternative Ausführungsform eines Steuerungselements 50', welches
aus einem einstückigen Röhrchen 51 beispielsweise
durch Laserstrahlschneiden gefertigt ist.
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Die
in dem Röhrchen 51 durch Laserstrahlschneiden
gebildeten Schlitze 53 verlaufen fast über die
gesamte Länge des Röhrchens 51, so dass
lediglich am proximalen und distalen Ende ungeschlitzte Ringbünde 54', 56' verbleiben,
die die als Kraft übertragende Längselemente fungierenden
Wandsegmente 55 jeweils miteinander verbinden.
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Eine
weitere Variante ist schließlich in 6 gezeigt,
bei der ein Steuerungselement 60 acht Längselemente 62 umfasst,
die an proximalen bzw. distalen Ringbünden 64, 66 in
einem Winkelversatz von 180° festgelegt sind.
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Um
den Winkelversatz zu erreichen, sind die Längselemente
in drei Abschnitte aufgeteilt, wobei die jeweils endständigen,
das heißt mit den Ringbünden 64 bzw. 66 verbundenen
Abschnitte 67 und 69, einer Schraubenlinie folgend
angeordnet sind, während die dazwischen liegenden Bereiche 68 parallel zur
Längsachse des Steuerungselementes 60 angeordnet
sind.
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Auch
hier gilt gegenüber der Ausführungsform in 4,
dass die Winkel, in der die einer Schraubenlinien folgenden Form
folgenden Abschnitte der Längselemente mit einem etwas
größeren Winkel zur Längsrichtung angestellt
sind, dieser aber immer noch als sehr kleiner Winkeln gelten kann.
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Wählt
man einen anderen Versatz als die 180°, die im Vorstehenden
anhand der 3 bis 6 beschrieben
worden sind, erhält man eine von der 3 abweichende
Bewegungsrichtung für das distale Ende 38, beispielsweise
bei einem Versatz von 90° führt eine Biegung des
proximalen Abschnittes 36 in der Papierebene zu einer Auslenkung
des distalen Endes 38 aus der Papierebene senkrecht heraus.
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Vorzugsweise
sind die Steuerungselemente für die erfindungsgemäßen
Steuerungsvorrichtungen austauschbar, so dass einer Steuerungsvorrichtung 34 lediglich
durch Austausch des Steuerungselementes unterschiedliche Bewegungsgeometrien
verliehen werden können.
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Analog
zu den 4B und 5B zeigt 6B eine alternative Ausführungsform
eines Steuerungselements 60', welches aus einem einstückigen
Röhrchen 61 beispielsweise durch Laserstrahlschneiden gefertigt
ist.
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Die
in dem Röhrchen 61 durch Laserstrahlschneiden
gebildeten Schlitze 63 verlaufen fast über die
gesamte Länge des Röhrchens 61, so dass
lediglich am proximalen und distalen Ende ungeschlitzte Ringbünde 64', 66' verbleiben,
die die als Kraft übertragende Längselemente fungierenden
Wandsegmente 65 jeweils miteinander verbinden.
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7A zeigt
einen Querschnitt durch ein Steuerungselement 70 analog
zu den 4B, 5B und 6B, bei dem allerdings nur vier Wandsegmente 71 vorhanden
sind. Die Kreisbogensegmente der Wandsegemente 71 entsprechen
einem Bogenwinkel α von ca. 82° bis 86°.
Die Ausdehnung der Schlitze 72 in Umfangsrichtung entspricht
einem Winkel β von ca. 4° bis 8°.
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7B zeigt
den Querschnitt einer Steuerungsvorrichtung 74, wobei als
Steuerungselement das Steuerungselement 70 der 7A zum
Einsatz kommt, mit einer Anzahl von vier Wandsegmenten 71.
Die Wandsegmente 71 sind über die Schlitze 72 von
einander beabstandet.
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Beispielhaft
seien ein Außendurchmesser D von ca. 2,5 mm und ein Innendurchmesser
von ca. 1,8 mm für die Steuerungsvorrichtung 74 genannt.
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Das
Steuerungselement 70 wird an seiner Innenoberfläche
von einem inneren Schaft 76 und an seiner Außenoberfläche
von einem äußeren Schaft 78 geführt.
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Die
Ausgestaltung der Gelenkabschnitte der Steuerungsvorrichtung 34 oder 70 wurde
noch nicht näher angesprochen. Sie kann in Form der flexiblen Abschnitte
des inneren bzw. äußeren Schafts 76, 78 vielfältig
sein.
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Die 8A und 8B zeigen
zwei Varianten von verwandten Ausgestaltungen der flexiblen Abschnitte,
hier in Form der Abschnitte 80 bzw. 80'.
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Gemeinsam
ist den beiden Varianten die Verwendung einer Schlitzstruktur mit
in Umfangsrichtung verlaufenden Schlitzen 82 in dem hohlzylindrischen
Schaft. Vorzugsweise sind entlang einer Umfangslinie zwei oder mehr
von einander über Stege 84 getrennte Schlitze
vorhanden. Da die Anordnung von Schlitzen entlang von nur einer
Umfangslinie nur einen sehr kleinen Schwenkwinkel erlauben würde, ist
bei typischen Schlitzstrukturen der Gelenkzone 80, 80' eine
Mehrzahl in Axialrichtung über Stege 86 beabstandeter
Umfangslinien mit Schlitzen 82 vorhanden. Bevorzugt sind
in Axialrichtung benachbart angeordnete Schlitze 82 gegeneinander
im Umfangsrichtung versetzt angeordnet, so dass sich Biegemöglichkeiten
in mehreren Ebenen ergeben.
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In 8A sind
zwei Schlitze 82 pro Umfangslinie vorhanden, die durch
Stege 84 von einander getrennt sind. In 8B sind
es drei Schlitze 82. Die Schlitzstruktur umfasst in beiden
Fällen typischerweise eine Vielzahl von Schlitzen 82,
die entlang mehrerer gedachter und in Axialrichtung über Stege 86 von
einander beabstandeter Umfangslinien angeordnet sind. Über
die Wahl der Schlitzstruktur und die Anzahl der Schlitze lässt
sich sehr einfach der zulässige Schwenkwinkel vorgeben
und auch weitere Eigenschaften eines Gelenkabschnitts, wie z. B.
die Biegefestigkeit, auf den jeweiligen Anwendungsfall anpassen.
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9 zeigt
schließlich die vorliegende Erfindung in einer weiteren
Variante mit einer Steuerungsvorrichtung 170 mit einem
proximalen Endabschnitt 172 und einem distalen Endabschnitt 174 mit
jeweils zugeordneten Gelenkzonen 176 bzw. 178.
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An
den proximalen Endabschnitt 172 der Steuerungsvorrichtung 170 ist
eine Handhabungsvorrichtung 180 angeschlossen.
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Die
Gelenkzonen 176 und 178 sind mit im Wesentlichen
gleicher Länge ausgebildet, so dass sich bei einer Abwinklung
des proximalen Endabschnittes 172 um z. B. 30° eine
entsprechende Abwinklung des distalen Endabschnittes 174 ebenfalls
um 30° ergibt. Die Richtung in der die Abwinklung des distalen
Endabschnitts 174 erfolgt hängt von der Wahl des
hier im Einzelnen nicht gezeigten Steuerungselements und der Festlegung
der Enden der Kraft übertragenden Längselemente
ab, wie dies weiter oben im Einzelnen beschreiben wurde.
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Die
in 9 gezeigte Steuervorrichtung 170 weist
zusätzlich eine Haltevorrichtung 182 in Form einer
Hülse 183 auf, die auf dem äußeren
Schaft der Steuervorrichtung 170 längsverschieblich
angeordnet ist.
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Verschiebt
man die Hülse 183 in Richtung zum proximalen Endabschnitt 172 und
lässt die Hülse 183 mit der Gelenkzone 176 überlappen,
so verkürzt sich die Gelenkzone 176, wodurch deren
maximaler Biegewinkel beschränkt wird. Damit lässt
sich variabel der zulässige Biegewinkel im Bereich des distalen
Endabschnitts 174 einstellen, so dass zum Beispiel beim
endoskopischen Abtragen von pathologischen Strukturen ein definierter
Arbeitsbereich unter Sicht des Operateurs einstellbar ist.
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9 enthält
eine alternative Lösung zu der Haltevorrichtung 182 in
Form der Haltevorrichtung 186, welche einen Ring 188 umfasst,
der über einen zweifach gekröpften Steg 190 mit
einer Geradführung 192 an der Handhabungsvorrichtung 180 längsverschieblich
festgelegt ist. Über die Veränderung der Position
des Ringes 188 entlang des Abschnittes 176 lässt
sich, wie zuvor bezüglich der Hülse 183 erläutert,
der für die Biegebewegung des proximalen Endabschnitts
zur Verfügung stehende Teil der Gelenkzone 176 verkürzen,
so dass wiederum nur ein eingeschränkter Biegewinkel auf
Seiten des distalen Endabschnittes 174 zugelassen wird.
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Darüber
hinaus ist vorstellbar, dass sowohl im Falle der Hülse 183 als
auch im Falle des Ringes 188 eine Feststellung in einer
vorgegebenen Position, das heißt mit einer vorgegebenen Überlappung der
Gelenkzone, vorgenommen wird kann, so dass der eingestellte beschränkte
Arbeitsbereich auf Seiten des distalen Endabschnittes 174 gesichert
ist.
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Andererseits
ist vorstellbar, die Hülse 183 auch in Richtung
des distalen Gelenkabschnittes 178 zu verschieben, wobei
dann bei einer entsprechenden Schwenkbewegung des proximalen Endabschnittes 172 eine übersetzte,
das heißt stärkere, Schwenkbewegung im Bereich
des distalen Endabschnittes 174 erfolgt.
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Ebenso
ist vorstellbar, Markierungen für die Position der Hülse 183 bzw.
des Ringes 188 oder dessen Geradführung 192 vorzusehen,
so dass eine einmal gefundene Winkelbeschränkung auch später immer
wieder exakt eingestellt werden kann.
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Zur
Erläuterung des oben beschriebenen Effekts der Verstärkung
der Schwenk- oder Biegebewegung am distalen Ende sei auf die 10 verwiesen,
die eine Steuerungsvorrichtung 100 zeigt, die einen proximalen
Endabschnitt 102, einen distalen Endabschnitt 104 sowie
einen dazwischen liegenden Mittelabschnitt 106 aufweist.
Während der Mittelabschnitt 106 biegefest ausgebildet
ist, beinhalten die proximalen und distalen Endabschnitte 102, 104 jeweils
eine Gelenkzone 108 bzw. 110 mit einer in Axialrichtung
gemessenen Länge L1 bzw. L2. Die Länge L2 ist
dabei kürzer gewählt als die Länge L1. Die 8a zeigt
die Steuervorrichtung 100 in der Grundstellung, in der
keine Kräfte auf den proximalen Endabschnitt 102 wirken.
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Wird
der proximale Endbereich 102 aus der Axialrichtung herausgeschwenkt,
wie dies in der Abbildung der 10b verdeutlicht
wird, so ergibt sich in der proximalen Gelenkzone 108 am
Außenradius des gebogenen Endbereichs 102 eine
vergrößerte Länge der Gelenkzone 108 von
L1 + Δ1,
am Innenradius ergibt sich eine verkürzte Länge
von L1 – Δ2.
Entsprechende Veränderungen in den Längen ergeben sich
für den distalen Endabschnitt 104 mit einer Länge
am Außenradius L2 + Δ2 und einer Länge am Innenradius
von L2 – Δ1.
Da die Längen L1 und L2 der Gelenkzonen 108, 110 unterschiedlich
sind ergibt sich zwangsweise für den distalen Endabschnitt 104 eine
verstärkte Biegebewegung um den von dem proximalen Endabschnitt
vorgegebenen Längenänderungen folgen zu können.
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Auch
dieser Effekt lässt sich nutzen, um beispielsweise in einem
proximal eingeschränkten Arbeitsbereich mit verhältnismäßig
kleinen Schwenkbewegungen eine vollständige Nutzung des
distal gegebenen Schwenkradius zu ermöglichen und distal
einen möglichst großen Arbeitsbereich verfügbar zu
machen.
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Dieses
Prinzip lässt sich mit der vorliegenden Erfindung variabel
nutzen, indem über eine Haltevorrichtung (vgl. 9)
die Länge einer Gelenkzone im Verhältnis zur anderen
variiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2005/067785
A1 [0004, 0078, 0082]