DE4307876C1

DE4307876C1 - Mechanisches Führungssystem für die endoskopische Chirurgie

Info

Publication number: DE4307876C1
Application number: DE4307876A
Authority: DE
Inventors: Reinhold Oberle
Original assignee: Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1993-03-12
Filing date: 1993-03-12
Publication date: 1994-07-28
Anticipated expiration: 2013-03-13
Also published as: WO1994020035A1; EP0688188A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem mechanischen Führungssystem für die endoskopische Chirurgie gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie es aus der DE 32 05 085 A1 bekannt ist. Ein solches System dient der Unterstützung des Chirurgen beim Einsatz mehrerer chirurgischer In strumente.

Bei der endoskopischen Chirurgie, insbesondere in der minimal invasiven Chirurgie (MIC), ist es unumgänglich, den sogenann ten invarianten Punkt, das ist die Stelle, an der der Trokar oder das endoskopische Instrument die menschliche Körperober fläche durchdringt, einhalten zu können.

Bekannt sind mechanische Führungssysteme zur Unterstützung bei Operationen. Zum einen ist der C-Bogen eine bewährte Einrich tung, wie er z. B. als stereotaktischer Manipulator für Ein griffe am Glaskörper Einsatz findet (siehe Druckschrift der Firma Zeiss).

Mit dem C-Bogen ist der invariante Punkt einstellbar. Er liegt auf der distalen Verlängerung der Halterung und an der Stelle, an der der Mittelpunkt des Bogens auf dieser Halterungsverlän gerung liegt. Das chirurgische Instrument ist an der Laufein richtung auf dem C-Bogen eingespannt und kann auf diesem ver fahren und an beliebiger Stelle festgestellt werden. So ist zunächst mit dem distalen Ende des eingespannten Instruments nur ein Kreisbogensektor kontinuierlich abfahrbar. Um einen räumlichen Schwenkbereich zu erhalten, muß zusätzlich der C-Bogen um die Achse der Halterung verlängert werden. Dadurch erst kann mit der Instrumentenspitze jeder Punkt auf einer ge schlossenen Kugelzone durch zwei aufeinanderfolgende Manipula tionen erreicht werden.

In einem Aufsatz von R. H. Taylor et al. wird unter dem Titel "An Experimental System for Computer Assisted Endoscopic Sur gery" (veröffentlicht in RHT at YKTMH. LAN LIST PS processed on 05/28/92 13 : 37 : 27 Dist) die Entwicklung eines Telerobotic Systems beschrieben. In Fig. 2 (a) wird ein Führungssystem skizziert, mit einem invarianter Punkt der sich auf der Schaftachse des eingespannten Instruments, der gleichzeitig an einer vorbestimmten Stelle des menschlichen Körpers liegt, be findet.

Das Führungssystem hat eine Rotationshauptachse, um die zwei übereinander liegende, kreisbogenförmige Schieneneinrichtun gen, um 90° gegeneinander verdreht, drehbar gelagert sind. Die Mittelpunkte der Schieneneinrichtungen fallen mit dem invari anten Punkt zusammen. Gemäß der Darstellung kann ein hohl kegelförmiger Bereich mit dem Instrumentenschaft abgefahren werden. Bei Rotation um die Hauptachse des Führungssystems dreht allerdings auch das eingespannte chirurgische Instru ment. Das Innere des Hohlkegels ist mit dem Instrumentenschaft bis auf den invarianten Punkt nicht erreichbar, ohne das ge samte Führungssystem entsprechend zu schwenken. Die Feststel lung des Instruments bei einer eingenommenen Position ist mit dieser Einrichtung zuverlässig möglich.

Aus der eingangs erwähnten DE 32 05 085 A1 ist ein mechanisches Führungssystem für die endoskopische Chirurgie bekannt, bei dem ein chirurgisches Instrument mit seinem Schaft derart ein gespannt werden kann, daß auf der Schaftachse zum distalen Ende der Sonde hin ein Punkt unabhängig von der Position der Sonde zum liegen kommt, nämlich der Kreismittelpunkt der kreisbogenförmigen übereinander liegenden, um 90° gegeneinan der verdrehten und miteinander verbundenen Bogensegmente. An beiden Bogensegmenten sind Feststeller vorhanden, um die Posi tion der Sonde zu fixieren. Durch Bewegung des Schlittens und des Reiters auf den Bügeln sowie durch Verschieben des Ausle gers erhält die Spitze der Sonde einen Bewegungsraum, der die Form einer rechteckigen Doppelpyramide hat, deren Ausmaße durch die Abmessungen der Bügel und des Auslegers bestimmt sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mechanisches Führungssystem für die endoskopische Chirurgie, insbesondere die minimal invasive Chirurgie bereitzustellen, mit dessen Hilfe unter Einhaltung eines invarianten Punktes, der auf der Instrumentenachse liegt, das distale Ende des Instrumentes si cher, zielgenau geführt werden kann und andererseits an jeder Position innerhalb dieses Bereichs unverrückbar fixiert werden kann. Darüber hinaus soll das Führungssystem für den Einbau in ein komplexes medizinisches Manipulator- bzw. Robotersystem geeignet sein.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben Ausführungsarten des mechanischen Führungssystems an.

Durch zwei um 90° gekreuzt zueinander liegende Kreisbogensek toren, deren jeweiliger Kreismittelpunkt mit dem invarianten Punkt zusammenfallen, und die innerhalb eines rechteckigen Rahmens auf Kreissegmenten an den Rahmenwänden unabhängig von einander abrollen können, kann ein am Kreuzungspunkt der bei den Bögen über eine Führung eingespannter Instrumentenschaft innerhalb eines Doppelpyramidenbereichs durch eine einzige Manipulation beliebig verfahren werden und durch eine Fixier möglichkeit an der Führung unverrückbar an jeder beliebigen Position innerhalb dieses Rahmens festgestellt werden.

Während der Verschiebung des Instrumentenschafts auf den bei den Kreisbogensektoren führt das eingespannte Instrument nicht automatisch eine Drehung um seine Schaftachse aus. Dies muß durch eine gesonderte Handlung ausgeführt werden.

Der Aufbau des Rahmens kann derart leicht erweitert werden, daß jeder auf zwei gegenüberliegenden Kreissegmenten auflie gende Kreisbogensektor über einen Motorantrieb an der einen Rahmenseite angetrieben werden kann und seine Position auf der gegenüberliegenden Rahmenseite erfaßt werden kann. Dadurch ist dieses System in eine Manipulator- oder Robotereinrichtung in tegrierbar, da der Rahmen ohne weiteres an einen Manipula torarm montiert werden kann. Durch einfache axiale Verschie bung des Instrumentenschaftes kann die Bewegungsdoppelpyramide für den Schaft vorgegeben werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in folgendem beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 das Trokarführungssystem perspektivisch;

Fig. 2a das Trokarführungssystem in der Draufsicht;

Fig. 2b das Trokarführungssystem im Schnitt;

Fig. 2c das Trokarführungssystem im Schnitt um 90° gedreht.

Im folgenden wird das mechanische Führungssystem 1 an Hand von Prototypen erläutert. Das eingespannte chirurgische Instrument 2 war in diesem Fall eine Trokarhülse 2. Die Figuren sind im Prinzip gezeichnet, aus dem jeweils die Funktion sofort er sichtlich ist. Konstruktive Details sind der Übersichtlichkeit halber nicht mit eingezeichnet.

Fig. 1 zeigt das Trokarführungssystem 1 in perspektivischer Ansicht mitsamt dem Arbeitsbereich 3, der mit dem distalen Ende des Trokars 2 erreicht werden kann. Der Hauptbestandteil ist der rechteckige, hier quadratische Rahmen 4, an dessen Seitenwänden 5 die Kreissegmente 6, 7 angebracht sind. Einan der auf den Rahmenseitenwänden 5 gegenüberliegende Kreisseg mente 6 bzw. 7 sind auf gleicher Höhe angebaut. Die Kreisseg mente 7 liegen etwas höher als die Kreissegmente 6 und sind jeweils von einem Bogensektor 9 bzw. 8, der kreisförmig ist, überspannt. An den beiden Enden der jeweiligen Bogens 8 bzw. 9 befinden sich Laufeinrichtungen 10 oder Rollenlager 10, die auf den zugehörigen Kreissegmenten 6 bzw. 7 fahren können bzw. durch sie geführt werden. Durch den Höhenversatz der Kreisseg mente 6 und 7 sind die beiden Bögen 8 und 9 auf ihnen unabhän gig voneinander bewegbar und können von einer Seitenwand 5 auf die gegenüberliegende gefahren werden.

Eine Führung 13 verbindet die beiden übereinanderliegenden Bö gen 8 und 9 miteinander, und zwar derart, daß die beiden Bögen nach wie vor unabhängig voneinander auf ihren jeweils beiden Kreissegmenten 6, 7 verfahren werden können. Hierzu besitzt die Führung 13 zwei bezüglich der Führungsachse 14 um 90° ge geneinander verdreht angebrachte Lauf- oder Rolleneinrichtun gen 15, 16 die auf den Bögen 8, 9 geführt rollen. Die Führung 13 hat an ihren beiden Rolleneinrichtungen 15, 16 je eine Feststelleinrichtung, die unabhängig voneinander betätigt wer den können, so daß die Führung entlang beiden Bögen 8, 9 gleichzeitig oder nur entlang einem abrollen kann oder aber festgestellt ist. Die Feststellung der Führung 13 auf einem der Bögen 8 oder 9 oder auf beiden gleichzeitig kann an jedem Punkt innerhalb des Bewegungsspielraums erfolgen.

Um einen invarianten Punkt 12 unterhalb des Rahmens in Fig. 1 einhalten zu können, sind die Radien der Kreissegmente 6, 7 an den Rahmenwänden 5 und die der beiden Bögen 8, 9 konstruktiv abgestimmt. Der invariante Punkt 12 liegt damit für das Tro karführungssystem konstruktiv fest.

In die Führung 13 ist hier der Trokar 2 oder allgemein das chirurgische Instrument mit seinem Schaft 2 eingespannt. Der invariante Punkt 12 kommt auf der Achse 14 des Trokars 2, die mit der Achse 14 der Führung 13 zusammenfällt, zum Liegen. Durch die axiale Verschiebung des Trokars 2 ist der Arbeitsbe reich 3 in seiner Ausdehnung einstellbar, er kann dadurch ver größert oder verkleinert werden. Jeder Punkt innerhalb des Ar beitsbereichs ist entweder in zwei aufeinanderfolgenden rechteckigen Schritten entlang der Bögen 8, 9 oder durch einen einzigen Bewegungsschritt auf dem kürzesten Weg zum Zielort erreichbar. Letzteres geschieht durch gleichzeitiges Verfahren auf den beiden Bögen 8, 9. Die Lage des invarianten Punktes 12 bleibt dabei unverändert und ist gleichzeitig immer Radiusmit telpunkt der Kugelsektorfläche, die den Arbeitsbereich bildet.

Die Draufsicht auf das Trokarführungssystem 1 ist in Fig. 2a schematisch dargestellt. Am Rahmen 4 am Innern der Seitenwände 5 sitzen die sich gegenüberliegenden Kreissegmente 6 bzw. 7. Auf ihnen rollen gegenüberliegende Laufeinrichtungen 10 bzw. 11 ab. Die sich gegenüberliegenden Laufeinrichtungen 10 bzw. 11 sind starr über den Bogen 8 bzw. 9 gekoppelt. Entlang die sen beiden Bögen 8, 9 wird die Führung 13, in die der Trokar 2 eingespannt wird, zwangsgeführt. Die Führung 13 ist innerhalb des gestrichelt eingezeichneten Bewegungsbereichs 17 an jede Position auf Umwegen oder auf dem kürzesten Wege - einer Geraden in dieser Projektion - fahrbar. Der Bewegungsbereich 17 inner halb des Rahmens liegt mit seinem Zentrum versetzt zum Zentrum des Rahmens 4, wie die strichlierte Umrandung zeigt.

Hier wird ersichtlich, eine Feststellung der Rolleneinrichtung 16 an der Führung 13 erlaubt nur noch eine Bewegung der Füh rung 13 auf dem Bogen 8 (in der Bildebene von oben nach unten bzw. umgekehrt). Dasselbe würde man erreichen, wenn die Lauf einrichtungen 10 festgestellt würden und die Rolleneinrichtung 16 gelöst wäre. Bei Feststellung der anderen Lauf- 11 bzw. Rolleneinrichtung 15 steht nur die andere freie Bewegungsmög lichkeit zur Verfügung.

Die Fig. 2a und 2b zeigen je einen Schnitt durch den Rahmen 4. Die Schnitte sind bezüglich der Achse des Rahmens 4 um 90° gegeneinander verdreht. Aus ihnen werden die Radienverhält nisse für die Kreissegmente 6, 7, die Bögen 8, 9 ersichtlich. Der Radiusmittelpunkt und damit der invariante Punkt 12 für die Fläche des Arbeitsbereichs 3, dem Bewegungsspielraum des distalen Trokarendes, als auch dem proximalen Ende ist jeweils ein Sektor aus einer Kugelfläche deren Mittelpunkt der invari ante Punkt ist. Beide Kugelsektorflächen werden durch senk recht aufeinanderstoßende Großkreissektoren berandet.

Eine Draufsicht des motorgetriebenen Verfahrens der Führung 13 innerhalb des Rahmens und damit auch eines eingespannten Instruments ist in Fig. 2a durch die gestrichelten Konturen eingezeichnet. Ein Motorantrieb 18 bzw. 19, der außen am Rahmen 4 angebaut ist, treibt über eine durchgehende Welle 22 bzw. 23 ein um das Kreissegment 6 bzw. 7 umlaufenden Zahnriemen 24 bzw. 25 an. An diesen Zahnriemen 24 bzw. 25 ist die Laufeinrichtung 10 bzw. 11 eingeklinkt und wird je nach Motordrehrichtung über das Kreissegment in die eine oder andere Richtung gezogen. Am an dern Ende der Welle 22 bzw. 23 sitzt ein Positionsgeber 20 bzw. 21 über den ständig die Lage des Bogens 8 bzw. 9 inner halb des Rahmens 4 angezeigt wird. Somit ist die Bewegung als auch die eingenommene Position der Führung ständig anzeigbar.

Bezugszeichenliste

1 mechanisches Führungssystem, Trokarführungssystem
2 chirurgisches Instrument, Trokar, Trokarhülse, Schaft
3 Arbeitsbereich
4 Rahmen
5 Seitenwand
6 Kreissegmente
7 Kreissegmente
8 Bogen
9 Bogen
10 Laufeinrichtung, Lager
11 Laufeinrichtung, Lager
12 invarianter Punkt
13 Führung
14 Führungsachse
15 Rolleneinrichtung
16 Rolleneinrichtung
17 Bewegungsbereich
18 Motorantrieb
19 Motorantrieb
20 Positionsgeber
21 Positionsgeber
22 Welle
23 Welle
24 Zahnriemen
25 Zahnriemen

Claims

1. Mechanisches Führungssystem (1) für die endoskopische Chirurgie mit folgendem Aufbau:

a) ein in die Führung mit seinem Schaft (2) eingespanntes chir urgisches Instrument hat den Bewegungsraum einer rechteckigen Doppelpyramide,
b) die zusammenfallenden Pyramidenspitzen bilden einen in varianten Punkt (12), der auf der Schaftachse liegt,
c) das distale als auch proximale Ende des Schafts (2) bewegt sich je auf einer Kugelsektorfläche, wobei der jeweilige Kugelmittelpunkt stets mit dem invarianten Punkt (12) zusam menfällt,
dadurch gekennzeichnet, daß
d) das Führungssystem (1) aus einem rechteckigen Rahmen (4) besteht, an dessen Innenwand an gegenüberliegenden Sei ten (5) jeweils ein Paar gleichartiger Führungen (6 bzw. 7) gleichartig angebracht sind, auf denen Laufein richtungen (10 bzw. 11) abrollen können,
e) einander gegenüberliegenden Laufeinrichtungen (10 bzw. 11) über einen kreisförmiges Bogensegment (8 bzw. 9) starr miteinander gekoppelt sind und der Radiusmittel punkt der beiden Bogensegmente (8, 9) in jeder Position mit dem invarianten Punkt (12) zusammenfällt,
f) die beiden übereinander liegenden, um 90° gegeneinander verdrehten, kreisförmigen Bogensegmente (8, 9) durch eine Führung (13) im projizierten Schnittpunkt der bei den Bogensegmente (8, 9) verbunden sind, und die Führung (13) an beiden Bogensegmenten (8, 9) feststellbar ist.

2. Mechanisches Führungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Führungssystem (1) eingespannte Schaft (2) während der geführten Bewegung auf den Bögen (8, 9) nicht automa tisch eine Drehung um die Schaftachse ausführt, sondern diese gesondert durchgeführt werden muß.

3. Mechanisches Führungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im Führungssystem (1) eingespannte Schaft (2) in jeder Position innerhalb der Bewegungsdoppelpyramide fixierbar ist.

4. Mechanisches Führungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei über einen Bogen (8 bzw. 9) gekoppelte Laufeinrich tungen (10 bzw. 11) über einen Motorantrieb (18 bzw. 19) an einer der beiden Laufeinrichtung (10 bzw. 11) auf den beiden zugehörigen Kreissegmenten (6 bzw. 7) abrollbar sind und an der anderen, über den Bogen (8 bzw. 9) gekop pelten Laufeinrichtung (10 bzw. 11) eine Einrichtung (20 bzw. 21) zur Positionserfassung angebracht ist.