DE69327325T3

DE69327325T3 - Automatisiertes endoskopsystem für eine optimale positionierung

Info

Publication number: DE69327325T3
Application number: DE69327325T
Authority: DE
Inventors: Yulun Goleta WANG; Keith Phillip Santa Barbara LABY
Original assignee: Computer Motion Inc
Current assignee: Computer Motion Inc
Priority date: 1992-08-10
Filing date: 1993-08-04
Publication date: 2006-07-20
Anticipated expiration: 2013-08-05
Also published as: US5815640A; GR3032960T3; JPH09501627A; JP3217791B2; ATE187622T1; EP0653922B2; US5841950A; AU4808493A; US5524180A; DE69327325D1; DE69327325T2; JPH07509637A; JP3298013B2; US5907664A; WO1994003113A1; EP0653922A1; EP0653922B1; ES2142351T3; EP0653922A4

Description

1. GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Robotersystem zur ferngesteuerten Positionseinstellung eines Operations(OP)-Instruments.
2. BESCHREIBUNG VERWANDTER TECHNIK
Ein Endoskop umfaßt kennzeichnenderweise eine Linse, die durch ein Lichtwellenleiterkabel mit einer Sichtanzeige gekoppelt ist. Ein solches System erlaubt dem Anwender eine Fernbetrachtung eines vor dem Endoskop befindlichen Bildes. Endoskope werden üblicherweise bei einem als Laparoskopie bekannten Operationsvorgang benutzt, bei dem das Endoskop in den Patienten durch einen kleinen Schnitt im Abdomen eingeführt wird. Das Endoskop erlaubt es dem Operateur, den Patienten von innen zu betrachten, ohne dabei direkten Sichtkontakt mit dem Objekt zu haben. Kennzeichnenderweise reduziert die Verwendung eines Endoskops die Größe des benötigten Schnitts zur Durchführung eines Operationsvorgangs.
Endoskope werden üblicherweise benutzt, um den Operateur bei der Entfernung der Gallenblase des Patienten zu unterstützen. Da der Operateur typischerweise beide Hände benötigt, um die Gallenblase zu entfernen, muß das Endoskop von einem Assistenten gehalten und bedient werden. Während des Operationsvorgangs muß der Operateur den Assistenten häufig anweisen, um das Endoskop innerhalb des Patienten zu bewegen. Ein solches Verfahren kann zeitaufwendig sein, da der Operateur möglicherweise eine Reihe von Anweisungen zu geben hat, bis der Assistent das Endoskop in der richtigen Stellung positioniert hat. Zusätzlich kann der Assistent außer Stande sein, das Instrument durchgängig in einer festen Position zu halten, was ein bewegtes Bild zur Folge hat. Dies trifft insbesondere für Operationsvorgänge zu, die sich über eine lange Zeitdauer erstrecken.
Derzeit wird von Leonard Medical Inc. ein System verkauft, das ein Endoskop mechanisch hält. Das Leonard-Medical-System ist eine durch Gelenke verbundene Einrichtung, die eine Mehrzahl von pneumatisch betätigten Gelenken aufweist, die das Endoskop in einer festen Position halten. Um das Endoskop zu bewegen, müssen die pneumatisch betätigten Gelenke zuerst in einen gelösten Zustand freigegeben werden. Der Operateur oder Assistent bewegt dann das Endoskop und reaktiviert das pneumatische System. Obwohl das Leonard-System das Endoskop in einer Position hält, erfordert das System, daß der Operateur oder Assistent die Pneumatik ständig deaktiviert/aktiviert und das Endoskop manuell bewegt. Ein solches System unterbricht den Operationsvorgang und verlängert die Zeitdauer der Operation. Ein ähnliches System ist aus der US-A-4517963 bekannt, in welcher der gelenkige Arm eine Reihe von mechanisch angelenkten und optisch verbundenen Armabschnitten aufweist. Das Endoskop des darin aufgezeigten Systems ist manuell betrieben.
Es wäre wünschenswert, ein System zu schaffen, das es dem Operateur erlaubt die Bewegung eines Endoskops direkt und effizient zu steuern.
ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System, das einem Anwender erlaubt, eine Bewegung eines Operationsinstruments, fernzusteuern, wie in Anspruch 1 beschrieben ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet ein Robotersystem, das als Reaktion auf die Betätigung eines Pedals, das von einem Operateur mit dem Fuß bedient werden kann, ein Operationsinstrument bewegt. Das Robotersystem weist ein Endstellgerät auf, das ein Operationsinstrument, wie beispielsweise ein Endoskop, halten kann. Das Endstellgerät ist an eine Roboterarmanordnung gekoppelt, die das Endoskop relativ zum Patienten bewegen kann. Das System umfaßt einen Computer, der die Bewegungen des Roboterarms in Abhängigkeit von Eingangssignalen vom Pedal aus steuern kann.
Der Computer berechnet den Betrag der inkrementellen Bewegung, die erforderlich ist, um das Endstellgerät entsprechend einer Folge von Algorithmen zu bewegen. Die Algorithmen wandeln das Eingangssignal des Pedals so, daß die Bewegung des Endoskops, wie sie vom Operateur gesehen wird, immer in derselben Richtung erfolgt wie die Bewegung des Pedals. Wird also das Pedal heruntergedrückt, um das Endoskop aufwärts oder abwärts zu bewegen, wird das Endstellgerät so manipuliert, daß sich das Endoskop aus Sicht des Operateurs stets in Aufwärts- oder Abwärtsrichtung relativ zum Bild bewegt. Das Robotersystem wird außerdem in Übereinstimmung mit einem Algorithmus bewegt, der eine konsistente Orientierung des vom Operateur betrachteten Bilds sicherstellt.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zu schaffen, welches einem Operateur erlaubt, die Position eines Operationsinstruments fernzusteuern.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann nach Durchsicht der folgenden ausführlichen Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen ohne weiteres deutlich, worin:
1 eine Seitenansicht eines Robotersystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Aufsicht auf das Robotersystem gemäß 1 ist;
3 eine Aufsicht auf ein zum Halten eines Endoskops benutzten Endstellgeräts ist;
4 eine Aufsicht auf ein Pedal des Systems gemäß 1 ist;
5 eine Schnittansicht des Pedals gemäß 4 ist;
6 einen Aufbau eines Computers des in 1 gezeigten Robotersystems zeigt;
7 einen Aufbau des in einem zweiten Koordinatensystem ausgerichteten Endoskops zeigt;
8 ein Flußdiagramm ist, das die Arbeitsweise des Systems zeigt;
9 ein Graph ist, der die inkrementelle Bewegung der Roboterarmanordnung zeigt;
10 eine Schnittansicht der Roboterarmanordnung ist, die an Kupplungs- und Antriebszüge gekoppelte Antriebe zeigt;
11 eine Seitenansicht des Systems ist, die eine sterile Schutzhülle zeigt, welche die Roboterarmanordnung einschließt;
12 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform des Endstellgeräts ist;
13 eine perspektivische Ansicht eines anderen Ausführungsform eines Endstellgeräts ist, welches ein Schneckengetriebe aufweist, das betriebsmäßig an das Operationsinstrument gekoppelt ist;
14 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Robotersystems ist, das die Schneckengetriebeverbindung gemäß 13 einsetzt;
15 einen Aufbau eines Operationsinstruments zeigt, der ein drittes Koordinatensystem definiert, das in einem vierten Koordinatensystem angeordnet ist;
16 einen Aufbau des Operationsinstruments zeigt, das relativ zum Anlenkungspunkt bewegt wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In näherer Erläuterung der Zeichnungen unter Einbeziehung der Bezugsziffern, zeigen die 1 und 2 ein Robotersystem 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Kennzeichnenderweise wird das System 10 in einem sterilen Operationsraum benutzt, in dem ein Operateur (nicht gezeigt) einen Operationsvorgang an einem Patienten 12 durchführt. Der Patient 12 liegt auf einem Operationstisch 14. An dem Tisch 14 ist eine Roboterarmanordnung 16 befestigt, die ein Operationsinstrument 18 relativ zum Tisch 14 und zum Patienten 12 bewegen kann. Das Operationsinstrument 18 ist kennzeichnenderweise ein Endoskop, das in den Abdomen des Patienten 12 eingeführt wird. Das Endoskop 18 tritt durch eine Kanüle in den Patienten ein, wobei das Endoskop 18 um den Kanülendrehpunkt dreht. Das Endoskop ist üblicherweise an einen Bildschirm (nicht gezeigt) angeschlossen, der es dem Operateur erlaubt, die Organe etc. des Patienten zu betrachten. Obgleich ein Endoskop beschrieben und gezeigt ist, wird vorausgesetzt, daß die vorliegende Erfindung mit anderen Operationsinstrumenten benutzt werden kann.
Das System besitzt einen Computer 20, der an die Roboterarmanordnung 16 und ein Pedal 22 angeschlossen ist. Das Pedal 22 ist in direkter Nähe zum Operationstisch 14 angeordnet, so daß der Operateur bei der Durchführung einer Operation das Pedal 22 bedienen kann. Das System 10 ist so aufgebaut, daß der Operateur lediglich durch Herunterdrücken des Pedals 22 das Operationsinstrument 18 bewegen kann.
Die Roboterarmanordnung 16 umfaßt einen am Tisch 14 befestigten Linearantrieb 24. Der Linearantrieb 24 ist mit einer Gelenkarmanordnung 26 verbunden und dient dazu, die Gelenkanordnung 26 entlang der Z-Achse eines ersten Koordinatensystems zu bewegen. Wie in 2 gezeigt, hat das erste Koordinatensystem außerdem eine X-Achse und eine Y-Achse. Der Linearantrieb 24 weist vorzugsweise einen Elektromotor auf, der eine Kugelspindel dreht, die die Abtriebswelle des Antriebs bewegt.
Die Gelenkarmanordnung 26 umfaßt einen an einem ersten Rotationsantrieb 30 befestigten ersten Gelenkarm 28 und ein Endstellgerät 32. Der erste Rotationsantrieb 30 dient dazu, den ersten Gelenkarm 28 und das Endstellgerät 32 in einer Ebene normal zur Z-Achse (X-Y-Ebene) zu drehen. Der erste Rotationsantrieb 30 ist durch einen zweiten Gelenkarm 36 mit einem zweiten Rotationsantrieb 34 verbunden. Der zweite Rotationsantrieb 34 dient dazu, den ersten Antrieb 30 in der X-Y-Ebene zu drehen. Der zweite Rotationsantrieb 34 ist durch einen dritten Gelenkarm 40 mit einem dritten Rotationsantrieb 38 verbunden. Der dritte Rotationsantrieb 38 ist mit der Abtriebswelle des Linearantriebs 24 verbunden und dient dazu, den zweiten Rotationsantrieb 34 in der X-Y-Ebene zu drehen. Die Rotationsantriebe sind vorzugsweise Elektromotoren, deren Abtriebswellen mit den jeweiligen Gelenkarmen verbunden sind. Die Antriebe 30, 34 und 38 sind vorzugsweise mit Untersetzungsgetriebe versehen, um das Drehmoment am Gelenkarm relativ zum dem des Elektromotors zu erhöhen. Die Elektromotoren der Antriebe 24, 30, 34 und 38 drehen in Abhängigkeit von Ausgangssignalen, die vom Computer 20 bereitgestellt werden.
Wie in 3 gezeigt, besitzt das Endstellgerät 32 eine Klemme 42, die das Endoskop 18 fassen und halten kann. Die Klemme 42 kann als Draht mit einer Schleife gestaltet sein, die einen kleineren Durchmesser als der Außendurchmesser des Endoskops 18 hat. Die Klemme 42 erlaubt es, das Endoskop einfach an der Roboterarmanordnung 16 zu befestigen und von ihr abzunehmen. Obwohl eine einfache Drahtklemme gezeigt und beschrieben ist, wird vorausgesetzt, daß das Endstellgerät 32 jede benötigte Einrichtung aufweisen kann, um das Operationsinstrument 18 sicher zu befestigen. Wie in den 1 und 2 gezeigt, definiert die Verbindung des Endoskops 18 mit dem Endstellgerät 32 ein zweites Koordinatensystem mit einer X'-Achse, einer Y'-Achse und einer Z'-Achse. Die Verbindung des Endstellgeräts und des Endoskops 18 definiert ferner den Ursprung eines dritten Koordinatensystems mit einer X''-Achse, einer Y''-Achse und einer Z''-Achse, die parallel zur Längsachse des Endoskops 18 verläuft.
Das Endstellgerät 32 weist einen Schaft 44 auf, der am ersten Gelenkarm 28 angekoppelt werden kann. Der erste Gelenkarm 28 kann eine Führung aufweisen, die es dem Endstellgerät 32 erlaubt, um die Längsachse des Armes 28 zu drehen. Das Endstellgerät 32 kann so gestaltet sein, daß die Klemme 42 und das Endoskop 18 um die Y'-Achse drehen können. Das Endstellgerät 32 ist vorzugsweise vom ersten Gelenkarm 28 abnehmbar, so daß für jeden Operationsvorgang ein steriles Instrument benutzt werden kann. Das Robotersystem 10 kann außerdem eine Tasche oder Abdeckung aufweisen, um die Roboterarmanordnung 16 einzukapseln, damit die Anordnung 16 steril gehalten wird.
Die Antriebe 24, 30, 34 und 38 können jeweils Lagesensoren 46–52 aufweisen, die am Computer 20 angeschlossen sind. Die Sensoren können Potentiometer sein, die die Rotationsbewegung des Elektromotors erfassen können und Rückkopplungssignale an den Computer 20 liefern. Das Endstellgerät 32 kann ferner einen ersten Gelenklagesensor 54 aufweisen, der die Winkelverschiebung des Stellgeräts um die X'-Achse erfaßt, und einen zweiten Gelenklagesensor 55, der die Winkelverschiebung des Endoskops um die Y'-Achse erfaßt.
Die 4 und 5 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform des Pedals 22. Das Pedal 22 weist ein Gehäuse 56 auf, das einen ersten Fußschalter 58 und einen zweiten Fußschalter 60 trägt. Der erste Fußschalter 58 ist mit einem ersten Druckübertragungssystem 62 und einem zweiten Druckübertragungssystem 64 versehen. Der zweite Fußschalter 60 weist ein drittes 66, viertes 68, fünftes 70 und sechstes 72 Druckübertragungssystem auf. Die Druckübertragungssysteme sind jeweils mit zugehörigen Funktionsverstärkern verbunden, die ein Spannungseingangssignal an den Computer 20 liefern: Die Druckübertragungssysteme 62–72 sind so gestaltet, daß der Widerstand jedes Übertragungssystems abnimmt, während der Operateur den Druck auf die Fußschalter erhöht. Ein solches Übertragungssystem wird von Interlink Electronics verkauft. Der sich verringernde Übertragungssystemwiderstand erhöht die vom Funktionsverstärker an den Computer 20 gelieferte Eingangssignalspannung. Jedes Übertragungssystem entspricht einer vorbestimmten Richtung in dem dritten Koordinatensystem. Bei der bevorzugten Ausführungsform entspricht das erste Druckübertragungssystem 62 der Bewegung des Endoskops in Richtung des vom Operateur betrachteten Bildes. Das zweite Übertragungssystem 64 bewegt das Endoskop vom Bild weg. Die Übertragungssysteme drei 66 und vier 68 bewegen das Endoskop 18 jeweils "aufwärts" und "abwärts", und die Übertragungssysteme fünf 70 und sechs 72 bewegen das Endoskop 18 jeweils nach "links" und "rechts".
Die 6 zeigt einen Aufbau des Computers 20. Der Computer 20 weist einen Multiplexer 74 auf, welcher an die Druckübertragungssysteme und die Lagesensoren angeschlossen ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Multiplexer 74 mit zwölf Kanälen versehen, nämlich mit einem Kanal für jeden Sensor und für jedes Übertragungssystem. Der Multiplexer 74 ist an einen einzelnen Analog zu Digital (A/D) Konverter 76 angeschlossen.
Der Computer weist ferner einen Prozessor 78 und einen Speicher 80 auf. Der A/D Konverter 76 ist so gestaltet, daß der Konverter dem Prozessor 78 für jeden vom Eingangssignal des Systems aufgenommenen Spannungspegel eine binäre Spannungsfolge liefern kann. Das Übertragungssystem kann bei spielsweise eine Spannung von –10 bis 10 Volt (V) liefern, und der Konverter 76 kann für jedes Spannungsniveau eine andere binäre 12 Bit Zahlenfolge liefern. Ein Eingangssignal von 1,0 V kann der binären Zahlenfolge 000011001010 entsprechen, 2,0 V können 000111010100 entsprechen und so weiter.
Der Prozessor 78 ist an ein Adreßregister 82 und vier separate Digital zu Analog (D/A) Konverter 84 angeschlossen. Jeder D/A-Konverter ist an einen Antrieb 26, 30, 34 oder 38 angeschlossen. Die D/A-Konverter 84 liefern als Antwort auf vom Prozessor 78 empfangene Ausgangssignale analoge Ausgangssignale an die Antriebe. Die analogen Ausgangssignale haben vorzugsweise ein hinreichendes Spannungsniveau, um die Elektromotoren einzuschalten und die Roboterarmanordnung zu bewegen. Die D/A-Konverter 84 können so gestaltet sein, daß eine binäre 1 vom Prozessor ein analoges Ausgangssignal erzeugt, das die Motoren antreibt. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel sind die Motoren solange eingeschaltet, wie der Prozessor eine binäre 1 als Ausgangssignal liefert. Der Decoder 82 verknüpft die vom Prozessor gelieferten Adressen mit einem entsprechenden D/A-Konverter, so daß der (die) korrekte(n) Motor(en) angetrieben wird werden). Der Adreßdecoder 82 liefert auch eine Adresse für die Eingangsdaten vom A/D-Konverter, so daß die Daten dem korrekten Eingangskanal zugeordnet werden.
Der Prozessor 78 berechnet die Bewegung der Roboterarmanordnung 16 gemäß den folgenden Gleichungen.
wobei:

a2: = Winkel zwischen dem dritten Gelenkarm und der X-Achse.
a3: = Winkel zwischen dem zweiten Gelenkarm und der Längsachse des dritten Gelenkarms.
a4: = Winkel zwischen dem ersten Gelenkarm und der Längsachse des zweiten Gelenkarms.
L1: = Länge des dritten Gelenkarms.
L2: = Länge des zweiten Gelenkarms.
L3: = Länge des ersten Gelenkarms.
π: = Winkel zwischen dem ersten Gelenkarm und der X'-Achse des zweiten Koordinatensystems.
X: = X-Koordinate des Endstellgeräts im ersten Koordinatensystem.
Y: = Y-Koordinate des Endstellgeräts im ersten Koordinatensystem.

Um das Endstellgerät an einen neuen Ort in der X-Y-Ebene zu bewegen, berechnet der Prozessor 78 die Änderungen der Winkel a2, a3 und a4 und liefert dann die Ausgangssignale, um die Antriebe entsprechend zu bewegen. Die ursprüngliche Winkellage des Endstellgeräts wird von den Sensoren 46–55 für den Prozessor 78 bereitgestellt. Der Prozessor bewegt die Gelenkarme um einen Winkel, der der Differenz zwischen der neuen Stellung und der ursprünglichen Stellung des Endstellgeräts entspricht. Ein Differenzwinkel Δa2 entspricht dem Betrag der vom dritten Antrieb 38 erzeugten Winkelverstellung, ein Differenzwinkel Δa3 entspricht dem Betrag der vom zweiten Antrieb 34 erzeugten Winkelverstellung, und ein Differenzwinkel Δa4 entspricht dem Betrag der vom ersten Antrieb 30 erzeugten Winkelverstellung.
Um die Effizienz des Systems 10 zu verbessern, ist das System so gestaltet, daß die Bewegung des Operationsinstruments, wie sie vom Operateur gesehen wird, stets mit der Bewegung des Pedals gleichgerichtet ist. Auf diese Weise scheint sich das Endoskop nach oben zu bewegen, wenn der Operateur den Fußschalter zum Hochfahren des Endoskops drückt. Um dieses Ergebnis zu erreichen, konvertiert der Prozessor 68 die gewünschte Bewegung des Endoskopendes im dritten Koordinatensystem in Koordinaten des zweiten Koordinatensystems und konvertiert dann die Koordinaten des zweiten Koordinatensystems in die Koordinaten des ersten Koordinatensystems.
Die gewünschte Bewegung des Endoskops wird durch die Verwendung der folgenden Transformationsmatrix vom dritten Koordinatensystem in das zweite Koordinatensystem konvertiert:
wobei:

Δx'': = der gewünschten inkrementellen Bewegung des Endoskops entlang der x''-Achse des dritten Koordinatensystems.
Δy'': = der gewünschten inkrementellen Bewegung des Endoskops entlang der y''-Achse des dritten Koordinatensystems.
Δz'': = der gewünschten inkrementellen Bewegung des Endoskops entlang der z''-Achse des dritten Koordinatensystems.
a5: = dem Winkel zwischen der z'-Achse und dem Endoskop in der y'-z'-Ebene.
a6: = dem Winkel zwischen der z'-Achse und dem Endoskop in der x'-z'-Ebene.
Δx': = der berechneten inkrementellen Bewegung des Endoskops entlang der x'-Achse des zweiten Koordinatensystems.
Δy': = der berechneten inkrementellen Bewegung des Endoskops entlang der y'-Achse des zweiten Koordinatensystems.
Δz': = der berechneten inkrementellen Bewegung des Endoskops entlang der z'-Achse des zweiten Koordinatensystems.

Die Winkel a5 und a6 werden von den ersten 54 und zweiten 55 am Endstellgerät 32 plazierten Gelenklagesensoren bereitgestellt. Die Winkel a5 und a6 sind in 7 gezeigt.
Die gewünschte Bewegung des Endoskops wird durch die Verwendung der folgenden Transformationsmatrix vom zweiten Koordinatensystem in das erste Koordinatensystem konvertiert:
wobei:

Δx': = der berechneten inkrementellen Bewegung des Endoskops entlang der x'-Achse des zweiten Koordinatensystems.
Δy': = der berechneten inkrementellen Bewegung des Endoskops entlang der y'-Achse des zweiten Koordinatensystems.
Δz': = der berechneten inkrementellen Bewegung des Endoskops entlang der z'-Achse des zweiten Koordinatensystems.
π2: = dem Winkel zwischen dem ersten Gelenkarm und der x-Achse des ersten Koordinatensystems.
Δx: = der berechneten inkrementellen Bewegung des Endoskops entlang der x-Achse des ersten Koordinatensystems.
Δy: = der berechneten inkrementellen Bewegung des Endoskops entlang der y-Achse des ersten Koordinatensystems.
Δz: = der berechneten inkrementellen Bewegung des Endoskops entlang der z-Achse des ersten Koordinatensystems.

Die inkrementellen Bewegungen Δx und Δy werden in die oben beschriebenen Algorithmen (1) zur Berechnung der Winkelbewegungen (Δa2, Δa3 und Δa4) der Roboterarmanordnung eingesetzt, um den Betrag der Drehung zu bestimmen, der von jedem Elektromotor zu erzeugen ist. Der Wert Δz wird zur Bestimmung des vom Linearantrieb 26 vorgesehenen Betrags der linearen Bewegung benutzt.
Nach jeder. Bewegung des Endoskops muß ein neuer π2-Wert berechnet werden, um bei der nächsten inkrementellen Bewegung des Endoskops verwendet zu werden. Das Endoskop liegt typischerweise immer in der x'-z'-Ebene, weshalb sich der π2-Wert nur verändert, wenn das Endstellgerät entlang der y'-Achse bewegt wird. Der neue π2-Winkel kann mit den folgenden Gleichungen berechnet werden:
wobei:

d: = der Länge des Endoskops zwischen dem Endstellgerät und dem Kanülendrehpunkt.
r: = der Distanz entlang der y'-Achse zwischen dem Endstellgerät und dem Kanülendrehpunkt.
m: = der inkrementellen Bewegung des Endoskops.

Der neue π2-Wert wird berechnet und im Speicher des Computers für weitere Berechnungen abgelegt.
Die 8 zeigt ein Flußdiagramm für ein Programm, das verwendet wird, um das System zu betreiben. Der Computer 20 berechnet zuerst die Stellung des Endstellgeräts 32 anhand der von den Sensoren 46–55 gelieferten Eingangssignale. Wenn der Operateur einen der Fußschalter drückt, liefert das Pedal ein Eingangssignal an den Computer. Der Operateur kann beispielsweise einen näheren Blick auf ein Objekt vor dem Endoskop wünschen. Der Operateur drückt dann das Oberteil des ersten Fußschalters, wobei er das erste Übertragungssystem herunterdrückt und ein Eingangssignal an den Computer liefert. Das Eingangssignal wird in eine 12-Bit-Binärzahlenfolge konvertiert, die vom Prozessor empfangen wird. Die 12-Bit-Zahlenfolge entspricht dem vorgegebenen Inkrement von Δz''. Der Computer fragt das Pedal fortlaufend ab, wobei jede Abfrage einem vorbestimmten Inkrement in der entsprechenden "-Achse" entspricht. Wenn der Operateur das Pedal über zwei Abfrageperioden niederhält, beträgt das zu bewegende Inkrement 2xΔz''. Der Konverter liefert auch einen Multiplikationsfaktor für jede Erhöhung des vom Verstärker des Übertragungssystems empfangenen Spannungspegels, so daß die Inkremente bei jeder Spannungserhöhung vergrößert werden. Somit kann der Operateur den Betrag der inkrementellen Bewegung durch Erhöhung des Drucks auf den Fußschalter vergrößern.
Der Prozessor 78 bestimmt dann die neuen Koordinaten im dritten Koordinatensystem. Die inkrementellen Bewegungen im dritten Koordinatensystem (Δx'', Δy'' und Δz'') werden zur Berechnung der inkrementellen Bewegungen im zweiten Koordinatensystem (Δx', Δy' und Δz') und der Koordinaten im ersten Koordinatensystem (Δx, Δy und Δz) benutzt. Die inkrementellen Bewegungen werden dann zur Bestimmung der Veränderung der Winkel a2, a3 und a4 sowie der linearen Bewegung des Antriebs 24 verwendet. Der Computer liefert Ausgangssignale an die entsprechenden Elektromotoren, um die Roboterarmanordnung in die neue Position zu bewegen. Der neue π2-Winkel wird berechnet, und der Vorgang wird wiederholt. Die vorliegende Erfindung erlaubt es dem Operateur somit, ein Operationsinstrument in einer Weise ferngesteuert zu bewegen, die direkt mit dem durch das Endoskop betrachteten Bild korreliert.
Bei der bevorzugten Ausführungsform bewegt das System das Endstellgerät 32 so, daß das Endoskop stets in der gleichen Richtung relativ zum Patienten ausgerichtet ist. Dies wird erreicht, indem das Endstellgerät so bewegt wird, daß der Winkel a6 immer gleich Null ist. Daher wird nach jeder unabhängigen Bewegung des Endoskops der Winkel a6 vom Sensor 55 erfaßt. Wenn der Winkel a6 ungleich Null ist, bewegt der Prozessor das Endstellgerät entsprechend der folgenden Subroutine.
Wenn a6 > Null, dann wird das Endstellgerät um ein Inkrement bewegt, das gleich ist: Δπ = π + konstant
Wenn a6 < Null ist, dann wird das Endstellgerät um ein Inkrement bewegt, das gleich ist: Δπ = π – konstantwobei:

Δπ: = der inkrementellen Winkelbewegung des Endstellgeräts.
π: = dem vorhergehenden Winkel π.
konstant: = einer vorbestimmten inkrementellen Winkelbewegung des Endstellgeräts.

Der Prozessor bewegt das Endstellgerät entsprechend der oben beschriebenen Subroutine, bis der Winkel a6 gleich Null ist. Der neue π-Winkel wird dann gespeichert und für weitere Berechnungen verwendet. Das Halten des Winkels a6 bei Null stellt sicher, daß die vom Operateur gesehene Ansicht für alle Endstellgerätelagen in derselben Ausrichtung liegt.
Wie in 10 gezeigt, ist jeder Gelenkarm 28, 36 oder 80 vorzugsweise an ein erstes Schrägstirnrad 92 gekoppelt. Das erste Schrägstirnrad 92 ist mit einem zweiten Schrägstirnrad 94 gepaart, das über eine Kupplung 96 mit einem Antrieb 30, 34 oder 38 gekoppelt ist. Die Kupplungen 96 bestehen vorzugsweise aus magnetischen Platten, die einkuppeln, wenn die Kupplungen mit Energie versorgt werden. Wenn die Energie unterbrochen wird, sind die Kupplungen 96 ausge kuppelt und die Antriebe von den Antriebswellen abgekoppelt, so daß die Gelenkarme vom Bediener manuell bewegt werden können. Die Kupplungen 96 werden über einen Schalter 98 mit Energie versorgt, der vom Operateur bedient werden kann. Die Kupplungen erlauben es dem Operateur, die Antriebe auszukuppeln und die Position des Endoskops manuell zu ändern.
Wie in 6 gezeigt, kann das System ein hebelbetätigtes Eingabegerät 100 aufweisen, das in der Regel als ein "Joystick" bezeichnet wird. Das Eingabegerät 100 kann in derselben Weise wie das Pedal benutzt werden, wobei der Bediener durch Bewegen des Hebels 102 des Geräts 100 das Endoskop bewegen kann. Das Gerät 100 kann ferner eine Mehrzahl von Speichertasten 104 aufweisen, die vom Bediener betätigt werden können. Die Speichertasten 104 sind mit dem Prozessor des Computers gekoppelt. Die Speichertasten 104 umfassen Sicherungstasten 106 und Aufruftasten 108. Wenn die Sicherungstaste 106 heruntergedrückt wird, werden die Koordinaten des Endstellgeräts im ersten Koordinatensystem in einer oder mehreren zur Verfügung gestellten Adresse(n) des Computerspeichers gesichert. Wenn eine Aufruftaste 108 gedrückt wird, holt der Prozessor die im Speicher gesicherten Daten zurück und bewegt das Endstellgerät auf die Koordinaten des Endstellgeräts beim Drücken der Speichertaste.
Die Sicherungstasten erlauben es dem Bediener, die Koordinaten des Endstellgeräts in einer ersten Position zu speichern, das Endstellgerät in eine zweite Position zu bewegen und dann mit einem Tastendruck zur ersten Position zurückzukehren. Der Operateur kann beispielsweise eine Großaufnahme des Patienten von einer vorgegebenen Stellung aus vornehmen und die Koordinaten der Stellung im Speicher sichern.
Anschließend kann der Operateur das Endoskop bedienen, um in Hohlräume etc. hineinzugehen, die ein genaueres Bild liefern. Der Operateur kann schnell in die Großansicht zurückfahren, indem er lediglich die Aufruftaste des Systems herunterdrückt. Zusätzlich kann die letzte Position des Endo skops vor dem Herunterdrücken der Aufruftaste gespeichert werden, so daß der Operateur wieder zu dieser Position zurückkehren kann.
Wie in 9 gezeigt, wird das System während des Aufrufzyklus vorzugsweise in einer rampenartigen Weise bewegt, so daß dabei keinerlei plötzliche Bewegung der Gelenkarmanordnung vorkommt. Um das Endstellgerät von Punkt A zu Punkt B zu bewegen, würde der Prozessor anstatt einer rein linearen Bewegung der Antriebe die Gelenkarmanordnung vorzugsweise gemäß der folgenden Gleichung bewegen. θ(t) = (1 – t)2(θ0 + (2θ0 + θ .0)t) + t2(θ1 + (2θ1 + θ .1)(1 – t)) wobei:

t: = Zeit
θ₀: = der Ursprungsposition des Endstellgeräts
θ₁: = der Endposition des Endstellgeräts
θ .₀: = der Geschwindigkeit des Endstellgeräts an der Position θ₀
θ .₁: = der Geschwindigkeit des Endstellgeräts an der Position θ₁.

Durch die Bewegung jedes Antriebs gemäß dem oben beschriebenen Algorithmus, wird die Bewegung der Gelenkarmanordnung schrittweise beschleunigt und dann schrittweise verzögert, wenn der Arm sich von der Ursprungslage entfernt bzw. der Endlage annähert. Die Bewegung des Arms gemäß der oben beschriebenen Gleichung erzeugt niedrige Anfangs- und Endwerte der Armbeschleunigung. Das stufenweise Beschleunigen und Verzögern der Bewegung des Arms verhindert jegliche abrupte oder plötzliche Bewegung der Armanordnung.
Wie in 11 gezeigt, ist die Roboterarmanordnung vorzugsweise in eine Hülle 110 eingekapselt. Die Hülle 110 isoliert die Armanordnung 26 so, daß der Arm den sterilen Bereich des Operationsraumes nicht verunreinigt. Die Hülle kann aus jedem Material hergestellt sein, das geeignet ist, die Sterilität des Raumes zu bewahren. Die Hülle 110 kann Befestigungseinrichtungen, wie Haken- und Schlaufengut aufweisen, oder einen Reißverschluß, der es erlaubt, die Hülle zeitweilig zu entfernen und nach jedem Operationsvorgang wieder anzubringen.
12 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Endstellgeräts 120. Das Endstellgerät 120 weist einen Magneten 122 auf, welcher eine Metallmanschette 124 hält, die an das Endoskop 18 gekoppelt ist. Die Manschette 124 weist eine Mittenaussparung 126, die das Endoskop 18 aufnimmt, und ein Armpaar 128 auf, das zusammen mit einer Schraube 130 das Endoskop 18 festlegt. Der Manschette 124 ist so gestaltet, daß sie in einen im Endstellgerät 120 angeordneten Kanal 132 paßt. Der Magnet 122 ist kennzeichnenderweise stark genug, das Endoskop während der Bewegung des Gelenkarms zu halten, und trotzdem schwach genug, um es dem Operateur zu ermöglichen, die Manschette und das Endoskop vom Endstellgerät abzuziehen.
Die 13 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Endstellgeräts 140, das das Operationsinstrument 142 an ein Robotersystem 144 koppelt. Das Endstellgerät 140 weist einen Manschettenhalter 146 auf, welcher eine Manschette 148 halten kann, die am Instrument 142 befestigt ist. Die Manschette 148 weist eine Lippe 150 auf, die, wenn das Instrument 142 an die Roboteranordnung 144 gekoppelt ist, von der Auflagefläche des Kragenhalters 146 abgestützt wird. Der Kragen 148 ist mit einer Führung 152 versehen, die an dem Instrument 142 befestigt ist und Getriebezähne 153 aufweist, die mit einem im Endstellgerät 140 eingebauten Schneckengetriebe 154 im Eingriff steht. Das Schneckengetriebe 154 ist kennzeichnenderweise mit einem Elektromotor (nicht gezeigt) verbunden, der das Getriebe 154 antreiben und das Instrument 142 um seine Längsachse drehen kann.
Das Endstellgerät 140 wird vorzugsweise in einem in 14 schematisch gezeigten Robotersystem angewendet. Das Schneckengetriebe ersetzt den in 1 gezeigten ersten Antrieb 30 des Robotersystems. Die passiven Gelenke 156 und 158 ermöglichen die gleichen Freiheitsgrade, die von den in 3 dargestellten passiven Gelenken geboten werden. Zur Verdeutlichung werden die Gelenke 156 und 158 getrennt gezeigt, wobei voraussetzend ist, daß die Gelenke physisch innerhalb des Endstellgeräts 140 angeordnet sein können.
Das Operationsinstrument wird kennzeichnenderweise an eine Kamera (nicht gezeigt) und einen Bildschirm (nicht gezeigt) gekoppelt, so daß jede Drehung des Instruments um seine Längsachse eine entsprechende Drehung des Bildes auf dem Bildschirm hervorruft. Die Drehung des Instruments und des zu betrachtenden Bildes kann den Betrachter desorientieren. Es ist daher wünschenswert, die Ausrichtung des zu betrachtenden Bildes beizubehalten.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel bewegt die Roboteranordnung das Instrument gemäß einer Folge von Algorithmen, die den Winkel a6 auf einem Wert von Null halten. Dies wird dadurch erreicht, daß nach jeder Bewegung ein neuer Winkel a6 berechnet und das Instrument anschließenden so bewegt wird, daß a6 gleich Null ist. Abhängig von der Stellung des Endstellgeräts, kann das Bewegen des Instruments auf a6 gleich Null das Einschalten einiger oder aller Antriebe und somit notwendigerweise die Berechnung der Winkel a2, a3 und a4 erfordern. Durch die Verwendung des Schneckengetriebes 154 des Endstellgeräts 140 kann die rich tige Ausrichtung des zu betrachtenden Bilds dadurch beibehalten werden, daß das Schneckengetriebe 154 und das Endoskop 142 lediglich um einen berechneten Winkel um die Längsachse des Instruments 142 gedreht werden.
Wie in 15 gezeigt, ist das Endoskop 142 in einem festen vierten Koordinatensystem ausgerichtet, das eine z-Achse aufweist, die parallel zu der z-Achse des in 1 gezeigten ersten Koordinatensystems verläuft. Der Ursprung des vierten Koordinatensystems ist der Schnittpunkt des Instruments mit dem Endstellgerät. Um Referenzpunkte vorzusehen, steht das Instrument zunächst in einer ersten Position und wird in eine zweite Position verfahren. Das Endoskop 142 selbst definiert das dritte Koordinatensystem, wobei die z''-Achse mit der Längsachse des Instruments 142 übereinstimmt. Um die richtige Ausrichtung des Endoskops 142 sicherzustellen, dreht das Schneckengetriebe 154 das Instrument 142 um einen Betrag Δθ6 um seine Längsachse, um sicherzustellen, daß die y''-Achse innerhalb des festen Koordinatensystems in möglichst vertikaler Richtung ausgerichtet ist. Δθ6 wird von den folgenden Kreuzprodukten berechnet. Δθ6 = zi'' × (yo'' × yi)wobei:

Δθ6: = dem Winkel ist, um den das Instrument um die z''-Achse zu drehen ist.
yo'': = der Vektorausrichtung der y''-Achse ist, wenn das System in der ersten Position steht.
yi'': = der Vektorausrichtung der y''-Achse ist, wenn das Instrument in der zweiten Position steht.
zi'': = der Vektorausrichtung der z''-Achse ist, wenn das Instrument in der zweiten Position steht.

Die Vektoren der yi''- und zi''-Achsen werden mit den folgenden Algorithmen berechnet.
wobei:

θ4: = dem Winkel zwischen dem Instrument und der z-Achse in der y-z-Ebene ist.
θ5: = dem Winkel zwischen dem Instrument und der z-Achse in der x-z-Ebene ist.
z: = dem Einheitsvektor der z-Achse im ersten Koordinatensystem ist.

Die Winkel θ4 und θ5 werden von den an die Gelenke 156 und 158 gekoppelten Gelenklagesensoren bereitgestellt. Der Vektor yo'' wird unter Nutzung der Winkel θ4 und θ5 des Instruments in der ursprünglichen bzw. ersten Position berechnet. Für die Berechnung des yi'' werden die Winkel θ4 und θ5 der zweiten Position in der Transformationsmatrix verwendet. Nach jeder Armbewegung wird yo'' zu yi'' gesetzt, und ein neuer yi''-Vektor wird mit einem entsprechendem Δθ6 Winkel berechnet und zum Wiederausrichten des Endoskops eingesetzt. Durch die Anwendung der oben beschriebenen Algorithmen dreht das Schneckengetriebe das Instrument fortlaufend um seine Längsachse, um sicherzustellen, daß die Dreh bewegung des Endoskops keine damit verbundene Drehung des betrachtenden Bildes bewirkt.
Wenn das Operationsinstrument zum ersten Mal in den Patienten eingeführt wird, ist die exakte Position des Instrumentendrehpunkts unbekannt. Es ist wünschenswert, den Drehpunkt zu berechnen, um den Betrag der zum Bewegen des Linsenabschnitts des Endoskops notwendigen Roboterbewegung zu bestimmen. Die exakte Bewegung des Endstellgeräts und des gegenüberliegenden Linsenabschnitts des Instruments kann durch die Kenntnis des Drehpunktes und der Distanz zwischen dem Drehpunkt und dem Endstellgerät ermöglicht werden. Die Drehpunktlage kann ferner dazu benutzt werden sicherzustellen, daß die Unterseite des Instruments nicht in den Patienten gedrückt wird, und um zu verhindern, daß das Instrument aus dem Patienten herausgezogen wird.
Der Drehpunkt des Instruments wird berechnet durch anfängliche Bestimmung der Ursprungslage des Schnittpunktes des Endstellgeräts mit dem Instrument PO und des Einheitsvektors Uo, der die gleiche Ausrichtung wie das Instrument hat. Die Positionswerte P(x, y, z) können von den verschiedenen Positionssensoren der oben beschriebenen Roboteranordnung hergeleitet werden. Der Einheitsvektor Uo wird durch folgende Transformationsmatrix berechnet:
Nach jeder Bewegung des Endstellgeräts wird eine Winkelbewegung des Instruments Δθ berechnet, indem der arcsin des Kreuzprodukts der ersten und zweiten Einheitsvektoren Uo und U1 des Instruments gemäß der folgenden Liniengleichungen Lo und L1 bestimmt wird. Δθ = arcsin(|T|) T = UoxU1 wobei:

T: = einem Vektor, der ein Kreuzprodukt der Einheitsvektoren Uo und U1 ist.

Der Einheitsvektor der neuen Instrumentposition U1 wird wiederum unter Nutzung der Lagesensoren und der oben beschriebenen Transformationsmatrix bestimmt. Wenn der Winkel Δθ größer ist als ein Schwellwert, wird ein neuer Drehpunkt berechnet und Uo zu U1 gesetzt. Wie in 16 gezeigt, kann die erste und zweite Instrumentausrichtung durch die Gleichungsfolgen Lo und L1 bestimmt werden:

Lo: xo = Mx0·Zo + Cxo yo = Mx0·Zo + Cyo
L1: x1 = Mx1·Z1 + Cx1 y1 = My1·Z1 + Cy1

Zo: = einer z-Koordinate entlang der Linie Lo relativ zur z-Achse des ersten Koordinaten Systems.
Z1: = einer Z-Koordinate entlang der Linie L1 relativ zur z-Achse des ersten Koordinatensystems.
Mxo: = einer Steigung der Linie Lo als Funktion von Zo.
Myo: = einer Steigung der Linie Lo als Funktion von Zo.
Mx1: = einer Steigung der Linie L1 als Funktion von Z1.
My1: = einer Steigung der Linie L1 als Funktion von Z1.
Cxo: = einer Konstante, die den Schnittpunkt der Linie Lo und der x-Achse des ersten Koordinatensystems darstellt.
Cyo: = einer Konstante, die den Schnittpunkt der Linie Lo und der y-Achser des ersten Koordinatensystems darstellt.
Cx1: = einer Konstante, die den Schnittpunkt der Linie L1 und der x-Achse des ersten Koordinatensystems darstellt.
Cy1: = einer Konstante, die den Schnittpunkt der Linie L1 und der y-Achse des ersten Koordinatensystems darstellt.

Die Steigungen werden unter Verwendung der folgenden Algorithmen berechnet: Mxo = Uxo/Uzo Myo = Uyo/Uzo Mx1 = Ux1/Uz1 My1 = Uy1/Uz1 Cx0 = Pox – Mx1·Poz Cy0 = Poy – My1·Poz Cx1 = P1x – Mx1·P1z Cy1 = P1y – My1·P1z wobei:

Uo(x, y und z): = den Einheitsvektoren des Instruments in der ersten Position innerhalb des ersten Koordinatensystems.
U1(x, y und z): = den Einheitsvektoren des Instruments in der zweiten Position innerhalb des ersten Koordinatensystems.
Po(x, y und z): = den Koordinaten des Schnittpunkts des Endstellgeräts mit dem Instrument in der ersten Position innerhalb des ersten Koordinatensystems.
P1(x, y und z): = den Koordinaten des Schnittpunkts des Endstellgeräts mit dem Instrument in der zweiten Position innerhalb des ersten Koordinatensystems.

Um eine angenäherte Drehpunktlage zu finden, werden die Drehpunkte des Instruments in der ersten Ausrichtung Lo (Drehpunkt Ro) und in der zweiten Ausrichtung L1 (Drehpunkt R1) bestimmt, und es wird die halbe Entfernung zwischen den zwei Punkten Ro und R1 berechnet und als Drehpunkt R_ave des Instruments gespeichert. Der Drehpunkt R_ave wird durch Nutzung des Kreuzprodukt-Vektors T bestimmt.
Um die Punkte Ro und R1 zu finden, werden die folgenden Gleichungen aufgestellt, um eine Linie mit der gleichen Ausrichtung wie der Vektor T, verlaufend durch Lo und L1, zu definieren. tx = Tx/Tz ty = Ty/Tz wobei:

tx: = der Steigung einer vom Vektor T definierten Linie relativ zur z-x-Ebene des ersten Koordinatensystems.
ty: = der Steigung einer vom Vektor T definierten Linie relativ zur z-y-Ebene des ersten Koordinatensystems.
Tx: = der x-Komponente des Vektors T.
Ty: = der y-Komponente des Vektors T.
Tz: = der z-Komponente des Vektors T.

Die Auswahl zweier Punkte zur Bestimmung der Steigungen Tx, Ty und Tz (d.h. Tx = x1 – xo, Ty = y1 – yo und Tz = z1 – z0) und das Substituieren der Liniengleichungen Lo und L1 liefern eine Lösung für die Punktkoordinaten von Ro (xo, yo, zo) und R1 (x1, y1, z1), wie folgt. zo = ((Mx1 – tx)z1 + Cx1 – Cxo)/(Mxo – tx) z1 = ((Cy1 – Cyo)(Mxo – tx) – (Cx1 – Cxn)(Myo – ty))/((Myo – ty)(Mx1 – tx) – (My1 – ty)(Mxo – tx)) yo = Myo·zo + Cyo y1 = My1·z1 + Cy1 xo = Mxo·zo + Cxo x1 = Mx1·z1 + Cx1
Die mittlere Entfernung zwischen den Drehpunkten Ro und R1 wird mit der folgenden Gleichung berechnet und als Drehpunkt des Instruments gespeichert. Rave = (x1 + xo)/2, (y1 + yo)/2, /z1 + zo)/2)
Der Drehpunkt kann mit der oben beschriebenen Algorithmusroutine fortlaufend aktualisiert werden. Jede Bewegung des Drehpunktes kann mit einem Schwellwert verglichen werden, und ein Warnsignal kann ausgegeben werden oder das Robotersystem kann ausgekoppelt werden, falls der Drehpunkt sich über eine vorgegebene Grenze bewegt. Der Vergleich mit einer vorgegebenen Grenze kann nützlich sein, um festzustellen, ob der Patient bewegt oder das Instrument außerhalb des Patienten gehandhabt wurde, Situationen, die zu Verletzungen des Patienten oder der Personen im Operationsraum führen können.
Während bestimmte beispielhafte Ausführungsform beschrieben und in den beiliegenden Zeichnungen gezeigt wurden, wird vorausgesetzt, daß solche Ausführungsform nur beschreibend und nicht restriktiv für die weit angelegte Erfindung sind und daß diese Erfindung nicht auf die gezeigten und beschriebenen speziellen Konstruktionen und Anordnungen beschränkt ist, da dem Fachmann verschiedene andere Modifikationen in den Sinn kommen können.

Claims

System mit einem chirurgischen Instrument und einem Anzeigegerät, das es einem Anwender erlaubt, eine Bewegung des chirurgischen Instrumentes fernzusteuern, wobei das chirurgische Instrument Bildsignale an das Anzeigegerät liefert, wobei das System ferner eine Befestigungseinrichtung zum Halten des chirurgischen Instrumentes sowie eine Bewegungseinrichtung (24, 30, 34, 38) zum Bewegen der Befestigungseinrichtung und des chirurgischen Instrumentes (18) aufweist, wobei die Bewegungseinrichtung eine Ursprungsposition hat und sich in einem ersten Koordinatensystem bewegt, wobei sich das chirugische Instrument in einem anderen Koordinatensystem befindet, wobei das System gekennzeichnet ist durch Eingabemittel (22) zum Eingeben eines vom Anwender vorgesehenen Befehls, um das chirurgische Instrument (18) in eine gewünschte Richtung relativ zu dem auf dem Anzeigegerät angezeigten Objekt in dem anderen Koordinatensystem zu bewegen; und durch eine Steuereinrichtung (20) zum Aufnehmen des das chirurgische Instrument in die gewünschte Richtung bewegenden Befehls, zum Berechnen der Bewegung der Bewegungseinrichtung (24, 30, 34, 38) auf der Grundlage des Befehls und der Ausgangsposition der Bewegungseinrichtung, so daß das chirurgische Instrument (18) sich in die gewünschte Richtung bewegt, und zum Liefern von Ausgangssignalen an die Bewegungseinrichtung (24, 30, 34, 38), um die Bewegungseinrichtung in dem ersten Koordinatensystem zu bewegen, so daß das chirurgische Instrument (18) sich stets in die vom Anwender befohlene gewünschte Richtung in dem anderen Koordinatensystem bewegt.
System gemäß Anspruch 1, wobei die Bewegungseinrichtung ein Schneckengetriebe (154) aufweist, um ein entsprechendes, am chirurgischen Instrument (18) befestigtes Lagerelement zu drehen.
System gemäß Anspruch 2, wobei die Befestigungseinrichtung eine an dem chirurgischen Instrument (18) befestigte und mit einem Manschettenhalter (146) gekoppelte Manschette (148) aufweist.
System gemäß Anspruch 2, wobei die Befestigungseinrichtung ein erstes Gelenk (30), das eine Drehung des chirurgischen Instruments (18) um eine Längsachse eines ersten Gestängearms (28) erlaubt, und ein zweites Gelenk (34), das eine Drehung des chirurgischen Instruments (18) um eine Achse erlaubt, die senkrecht zu der Längsachse des ersten Gestängearmes (28) verläuft, aufweist.
System gemäß Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung erste Gelenksensormittel (54), die an die Befestigungseinrichtung (18) gekoppelt sind, um ein erstes Gelenk-Rückkopplungssignal zu liefern, welches einer ersten Winkelposition des chirurgischen Instruments (18) relativ zu einer zweiten X-Achse entspricht, und zweite Gelenksensormittel (55), die an die Befestigungseinrichtung (18) gekoppelt sind, um ein zweites Gelenk-Rückkopplungssignal zu liefern, welches einer zweiten Winkelposition des chirurgischen Instruments (18) relativ zu der zweiten Y-Achse entspricht, aufweist.
System gemäß Anspruch 1, wobei die Bewegungseinrichtung einen an der Befestigungseinrichtung befestigten ersten Gestängearm (28) und einen ersten Stellantrieb (30), welcher den ersten Gestängearm (28) in eine Ebene senkrecht zu einer ersten Z-Achse drehen kann, aufweist, wobei der erste Stellantrieb (30) mit einem Linearstellantrieb (24) gekoppelt ist, welcher die Befestigungseinrichtung entlang einer zur ersten Z-Achse parallelen Achse verschieben kann.
System gemäß Anspruch 6, wobei die Steuereinrichtung an den Linearstellantrieb (24) gekoppelte erste Stellantriebssensormittel (46) zum Liefern eines ersten Rückkopplungssignals, welches einer Position des ersten Stellantriebs (30) auf der ersten Z-Achse entspricht, und an den ersten Stellantrieb (30) gekoppelte zweite Stellantriebssensormittel (52) zum Liefern eines zweiten Rückkopplungssignal, welches einer Position der Befestigungseinrichtung in der zu der ersten Z-Achse senkrechten Ebene entspricht, aufweist.
System gemäß Anspruch 7, wobei die Bewegungseinrichtung einen mittels eines zweiten Gestängearms (36) am ersten Stellantrieb (30) befestigten zweiten Stellantrieb (34) aufweist, wobei der zweite Stellantrieb (34) den ersten Stellantrieb (30) in der Ebene senkrecht zu der ersten Z-Achse drehen kann.
System gemäß Anspruch 8, wobei die Steuereinrichtung an den zweiten Stellantrieb (34) gekoppelte dritte Stellantriebssensormittel (50) aufweist, um ein drittes Rückkopplungssignal zu liefern, welches einer Position des ersten Stellantriebes (30) in der zu der ersten Z-Achse senkrechten Ebene entspricht.
System gemäß Anspruch 9, das ferner Kupplungsmittel (96) aufweist, um den ersten Stellantrieb (30) vom Linearstellantrieb (24), den zweiten Stellantrieb (34) vom ersten Stellantrieb (30) und den dritten Stellantrieb (38) vom zweiten Stellantrieb (34) abzukuppeln, wenn die Kupplungsmittel ein Kupplungseingangssignal empfangen.
System gemäß Anspruch 9, wobei der erste, zweite und dritte Stellantrieb (30, 34, 38) elektrische Motoren sind.
System gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung ein Computer (20) ist, der Befehlssignale von den Eingabemitteln (22) in dem anderen Koordinatensystem empfängt und in Übereinstimmung mit einem Algorithmus, der die Befehlssignale aus den Eingabemitteln (22) transformiert, Ausgangssignale an die Steuereinrichtung liefert, um die Position des chirurgischen Instruments (18) in dem ersten Koordinatensystem zu verändern.
System gemäß Anspruch 12, welches ferner Speichermittel aufweist, um beim Empfang eines ersten Speichereingangssignals eine erste Position des Endbetätigers zu speichern und beim Empfang eines zweiten Speichereingangssignals den Endbetätiger in die erste Position zu bewegen.
System gemäß Anspruch 1, wobei die Eingabemittel ein Fußpedal (22) umfassen, welches vom Benutzer gedrückt werden kann, um die Befehlssignale zu erzeugen.